第30卷第4期 宁夏大学学报(自然科学版)
2009年12月 Vol.30No.4 Journal of Ningxia Univer sity(Na tural Science Edition)
Dec.2009
文章编号:025322328(2009)0420343204
智能L iMn 2O 4材料电特性测试仪的充放电模块设计
魏春英1，张 成2
(1.宁夏大学物理电气信息学院，宁夏银川 750021; 2.宁夏大学校长办公室，宁夏银川 750021)
摘 要：为了研究材料的电特性，设计了一种智能LiMn 2O 4材料电特性测试仪.主要介绍了硬件核心单元充放电模块的设计，根据锂离子电池的特点采用二阶段法充电.系统采用继电器对电路的充放电状态进行切换，采用多路 开关4053对电池通道进行切换，其两组开关在恒流充电与恒压充电电路中接入不同的位置，从而实现了采用恒流转恒压的充电方式.
关键词：锂离子电池；充放电；恒流；恒压
分类号:(中图)TP39,TM911 文献标志码:A
尖晶石Li Mn 2O 4是制作锂离子电池的正极材料，其电性能的好坏，将直接决定电池性能的优劣，同LiCoO 2和LiNiO 2比，其最大的特点就是安全性好、成本低、无环保问题、电压高等，被认为是最有发 展前景的电池正极材料之一，所以对该材料的电特性的研究就显得尤为重要.这样势必要对材料的充电电流、充电电压及电流电压随时间变化的规律等决定电池性能的重要参数进行测试，通过充放电过程中电压的变化曲线可以直观地了解材料的电特性，并且可以有效地对电池充放电电流进行控制，可以避免过充电或过放电对电池造成的损害.针对电池材料研究人员之需开发了一套LiMn 2O 4材料电特性测试器.本系统最大的特点在于由下位机结合显示及键盘等外围电路，可以单独作为检测仪使用，可粗略记录电池的参数，而与PC 机结合构成的检测系统可以对电池的整体性能进行全面的测试和信息记录.研究过程中若能考虑到仪器的可扩展性，该仪器同样可以对其他二次电池和电池材料的电特性进行测试，对电池及其材料电特性的研究提供了一种有效的测试手段.本文主要介绍了该系统硬件的核心单元———充放电模块的设计.
1 锂离子电池的充放电原理
锂离子电池是一种离子浓差电池，正负极由2种不同的锂离子嵌入化合物组成.在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构的氧化物层间的嵌入和脱出，一般只会引起层间距的微
小变化，而不会引起晶体结构的破坏，伴随充放电的
进行正负极材料的化学结构基本不变.因此，从充放电反应的可逆性来讲，锂离子电池中的反应是一个理想的化学反应，充电时其化学反应方程式如下:
正极反应LiMO 2→Li (1-x)MO 2+x Li ++x e -，负极反应Li ++e -+6C →LiC 6，总反应式LiMO 2+6x C Li (1-x )MO 2+x LiC 6.放电时发生上述反应的逆反应[1-3].1.1 锂电池的充电阶段及特性
锂离子电池对充电要求非常严格.正常情况下分为恒流充电和恒压充电2个阶段，称为二阶段法充电.二阶段法是指在充电开始时以某一电流充电，并在一预定点后以较低电流充电的一种充电方法，锂离子电池在恒流充电后，必须经过一个恒压充电过程处理，方能将电池充满.其中大约有30%的电能是靠恒压充电充入的，即先以恒电流充电至预定的电压值，然后改为恒电压完成剩余充电.一般两阶段之间的转换电压就是第2阶段的恒电压，如图1所示
.
图1 二阶段法充电示意图
收稿日期226
作者简介魏春英(5—
)，女，讲师，硕士，主要从事智能仪器研究:2009022:197.
1.2 锂离子电池的放电特性
锂离子电池在检测过程中，大部分电池参数是在对锂离子电池放电过程中得到，因此对电池放电是电池检测中必不可少的环节.由于锂离子电池对过放电十分敏感，深度放电将严重影响锂离子电池的质量，因此单体锂离子电池的放电电压必须得到精确控制.
实验发现，锂离子电池在放电终止电压2.7V 的条件下，放电电流越大电池的极化越大，电池的放电容量越小，但电池的静态电压与电池的放电深度的关系是基本保持不变的.锂离子电池在大电流放电的情况下，电池的放电曲线出现了电压先降低后升高的现象[4-5].
1.3 锂离子电池的安全性问题
锂离子电池的安全性是指电池在非常规状态下，发生的爆炸、燃烧等不安全行为.这些状态包括：异常充放电状态，如过充、过放和内外部短路等；机械条件滥用，如冲穿刺、震动、挤压；异常受热状态，如高温、高压等.通常由外部引起的滥用比较容易避免，而由于电池本身引起的热失控或者化学反应难以控制.所以电池检测过程应该注意以下3方面:
1)在检测过程中要严格限制锂离子电池充放电速率和锂离子电池的工作温度.
2)电池进入恒压充电阶段后，要严格控制电池的充电电压，防止出现过压充电或欠压充电.
3)放电过程中，要防止电池出现深度放电.当电池的端电压低于电池的放电终止电压时，要立即停止电池
的放电工作[6].
1.4 电池性能参数及测量方法
电池在充放电过程中，其输出电流不受外电路电阻的影响，由于采用了恒流源，电流的大小也不受电极与电池接触电势的影响.电流的测量一般是将电流表串接在充放电的电路中即可.如图2a所示，当电流较大时一般采用分流器进行电流采样，将电流信号变为电压信号，这样为测量带来了很大的方便.如图2b所示，不用断开电流回路即可实现对电流的测量，并且转变为电压信号之后，便于计算机集中巡检和控制.
在电池测量的过程中，电池的容量不是直接测量单位，而是导出单位，它是由电流与时间的乘积在一定的电压限制条件下计算得出的，即
C=I T,
式中为电池的容量，单位;I为电池的放电电流，单位;T为电池放电至终止电压的时间,
单位 a小电流测量 b大电流测量
图2 电池电流测量法原理图
2 系统总体硬件介绍
系统由上位机和下位机2部分构成，上位机用Visual Ba sic6.0来编写各种控制程序和控制界面；下位机以单片机A T89S52为核心，继电器对电路的工作状态进行切换，采用多路开关对充电模块进行选择，每个充放电模块可根据软件设定的限制条件自动地进行充放电过程的转换以及数据的分类存储，无需人工
干预，硬件框图如图3所示.每个充放电模块内部都提供了一个独立的可编程充放电通道，各个通道均可设定不同的充放电参数.每一路均有D/A转换器、充放电电路，还包括通信连线、电池夹具在内的一些辅助设施.4个独立通道分别对4只锂电池进行充放电操作，每个通道均包含一套完整的恒流充放电电路与参数设置环节.4只电池的电压在单片机的实时控制下依次经由数字开关CD4053送到AD7705的输入端进行A/D转换，转换后的电压数据被存放到单片机内部的随机存储器RA M中，以备用户随时调用
.
图3 系统硬件框图
3 充放电回路设计
3.1 充放电总体电路设计
锂电池采用恒流转恒压的二阶段充电方式的充放电回路如图4所示.系统采用继电器对电路的充放电状态进行切换，以一个充放电通道为例，具体控制方式为：恒流充电,J102=常开,J101=常开；恒流放电,=常开,=常闭；恒压充电,=常闭, =常开；负载开路,=常闭,=常闭
443宁夏大学学报(自然科学版) 第30卷
:C Ah
A h.
J102J101J102
J101J102J101.
图4 充放电电路原理图 采用多路开关4053对电池通道进行切换，具体
控制方式为:4053的A,B端为00时，输出信号X=
X0,Y=Y0，即系统对第1个电池通道的电压和电
流进行采样；当A,B端为11时，输出信号X=X1,
Y=Y1，即系统对第2个电池通道的电压和电流进
行采样恒压充电，电压变化为0～5V,D/A输出电
压范围为0～2.5V.
在恒压充电中，由4053多路开关的一组将放
大倍数为2的电路切入，保证输入电压为0～5V,
4053的另一组开关控制R112在恒流充电与恒压充
电电路中接入不同的位置，电路切换后的原理图如图
7～8所示.
3.1.1 充放电电路寄存器状态分配 充放电电路
状态寄存器锁存信号:C H_C=1,Q n=D n;C H_C=
0,Q n+1=Q n，其状态分配如表1所示.
表1 充放电电路寄存器状态表
第2路
D7D6D5D4
第1路
D3D2D1D0
说明
11111111初始化,CH2C(L E)=1 01000100恒流充电01010101恒流放电00100010恒压充电××负载开路
3 充放电电路状态控制字定义 D=第路工作状态指示;D6=模拟开关切换(1=电流源,0=电压源);D5=J22;
D4=J21;D3=第1路工作状态指示;D2=模拟开关切换(1=电流源,0=电压源); D1=J12;D0=J11，其状态控制字说明如图5所示
.
图5 充放电电路状态控制字分配图
3.1.3 AD/DA片选、测量信号源选择控制字定义 AD/DA片选、测量信号源选择控制字状态存器锁存信号:AD_C=1,Q n=D n;AD_C=0,Q n+1= Q n.AD/DA片选、测量信号源选择控制字状态控制字定义如图6所示:
图6 D D片选、测量信号源控制字分配图
54
3
第4期 魏春英等：智能Li Mn2O4材料电特性测试仪的充放电模块设计
111111
.1.272A/A
3.2 充放电基本电路及原理分析
回路如图7所示，目前产品中能够见到的恒流充电电路大多由三端集成稳压器或三极管恒流电路构成.前者由于没有引入负反馈环节，因而充电电流的稳定性并不理想.本系统采用精密运算放大器O P07和NMO S 管接成反馈电路，由电路的连接形式，不难得到I =V i /R .
2)恒压充电电路如图8所示,D/A 的参考电压
V ref =2.5V ，通过由运算放大器O P07构成的比例
放大器，两电阻R 相等，均为10k Ω的精密电阻，所以得到V o ut =5V.根据运放的“虚短”、“虚断”的原理，得到V E =V ref ，从而实现了恒压充电.
3)恒流放电电路如图9所示，放电电流为I =
V i /R ，放电电流取决于NMOS 管的源极电阻R 和V i
.
图7 恒流充电基本回路 图8
恒压充电基本回路
图9 恒流放电基本回路
3.3 电压、电流测量电路
测试系统采用AD 公司生产的两通道16位Σ2△型模数转换器AD7705作为电流与电压信号的数据采集转换器件，通过单片机对AD7705转换通道的选取、控制及对转换的数据进行读取，以实现对电流与电压信
号的采集.经过对充/放电电流信号与电压信号的采集与初步处理，并根据AD7705的输入范围要求进行相应的放大与衰减，使实际输入的信号在一个合适的范围.根据AD7705的工作性能与特点，将AD7705的2个输入通道设计为单端输入，在保证了转换精度的前提下极大简化了电路的设计，降低了对外围电路与器件的要求.其电压电流测量电路如图10所示,4组锂电池电压及电流信号经多路开关送到AD7705.经过初步转换得到的电压信号接入D 5的由IN (+),IN ()组成的单端输入通道，通过光耦隔离及调理后的电流信号
送入由A IN2(+),A IN2(-)构成的单端输入通道，通过单片机对AD7705相关寄存器的设置与数据读取实现对电压、电流信号的转换与采集[7-8]
.
图10 电压、电流测量电路图
4 结论
本系统的充放电模块采用恒流转恒压方式，即在恒流充电状态下，不断检测每节电池的端电压,
当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态.恒压充电时，保持充电电压不变，当充电电流下降到规定电流值时，终止恒压充电，从而实现了二阶段充电，达到了预期的目的.
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Dyna mical Ada ptive Par ticle Sw ar m Algor ithm B a sed on Expected A live R ate
L i J i min, L ei Chon g mi n, Qi ao Yi n g
(Sc hool of Infor mation and Calcuation Science,Nor the rn China Univer sity for Nationalities,Y inc hua n750021,China)
Abstract:A new adapti ve Part icle Swar m Opt imizat ion algori t hm wi t h dynamicall y cha nging i nerti a wei ght (DA PSO)i s presented to solve t he pro blem t hat t he li nearl y decrea si ng weight(LDPSO)of t he Pa rticl e Swarm Opti mization algori t hm ca nnot adapt to t he compl ex and no nlinear opt imizat ion process.The expect ed ali ve rare of t he part icle swarm i s i nt roduced i n t his new al gorit hm and t he weight i s formul ated a s a f unct ion of t hi s factor accordi ng to it s impact on t he searc h performance of t he swar m.In each it eration proce ss,t he wei ght i s change d dynamicall y based on t he current avera ge expect ed ali ve rat e value, whic h provi des t he al gorit hm wit h effective dynamic adapta bi li t y.The algorit hm of LD PSO and DA PSO are test ed wit h six
well2known benchmark f unctions.The experiment s show t hat t he convergence speed of DAPSO is significant ly superior t o LD PSO,a nd t he convergence accuracy i s i ncrea sed.
K ey w or ds:Particl e Swa rm Opti miza tion;i nertia weight;expected ali ve rat e;dynamical adapti ve
(责任编辑、校对 张 刚)
(上接第346页)
Design of Char ging and Dischar ging Module for Electr onic Char acter
Instr ument w ith Intelligent L iMn2O4Mater ial
Wei Chu n yi n g1,Zha n g Chen g2
(1.School of Physics and Electrical In f ormation Engineering,Ningxia Unive rsity,Y inc huan750021,China;
2.Pr esident’s Office,Ningxia Univer sit y,Y inchuan750021,China)
Abstract:In order to st udy t he elect ronic charact er of mat eri al,a ki nd of el ect ronic cha racter i nst r
ument wit h int elligent Li Mn2O4material i s de si gned.The sche mat ic diagram of cha rgi ng and discha rging,which i s t he key module of t he hardware i s p re sent ed.The two sta ge cha rgi ng way i s adopted based on t he cha racter of li t hium bat tery.Relay is t aken to change t he st ate of chargi ng and di schargi ng,swit ch Max4053i s used to exchange t he pa ssage of bat t ery,a nd t he two switc h of Max4053i s li nked in different place i n const ant cur re nt chargi ng a nd co nst ant volt age chargi ng,so t he changing from consta nt current cha rgi ng t o constant vol tage charging i s realized.
K ey w or ds:Li2cell;cha rging/di scharging;consta nt current;const ant volt age
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