电池温度（共5篇）
电池温度 篇1
摘要：针对采用热敏电阻测温和有线温度测量系统的不足, 提出了采用单总线数字温度传感器DS18B20、单片机和无线收发模块等组成智能无线温度监测系统。DS18B20具有体积小, 精度高, 采用一线总线, 可组网等优点, 短距离无线通信技术应用到多点温度测量中, 实现了温度数据无线传输, 该系统扩展维护方便、成本低、高可靠性等特点, 具有一定的实用性。
关键词：电池温度,无线传输,DS18B20,热敏电阻
蓄电池作为一种供电方便、安全可靠的直流电源, 在电力、通信、军事等领域中得到了广泛的应用。温度是蓄电池的一个重要参数, 它可以间接地反映电池的性能状况, 并且根据此温度参数可以对电池进行智能化管理, 以延长电池的寿命。在蓄电池组充放电维护及工作工程中, 电池内部产生的热量会引起电池的温度发生变化, 尤其是蓄电池过充电、电池内部电解液发生异常变化等原因均可能造成电池温度过高而造成电池损坏。传统上用人工定时测量的方法, 劳动强度大、测量精度差, 工作环境恶劣, 尤其是不能及时发现异常单体电池, 容易导致单体电池损坏, 甚至导致整组电池故障或损坏;基于总线结构的有线多点温度监测系统, 能够实现温度的智能化测量, 但存在布线繁多复杂、维护扩展困难等不足。鉴于此, 设计了一种基于单总线温度传感器和无线收发模块的电池温度无线监测系统, 能够有效地克服热敏电阻测温和总线结构控制系统的不足, 有利于提高蓄电池性能监测的智能化水平。
1 单总线温度传感器DS18B20[1,2,3]
1.1 DS18B20 芯片特性
DS18B20数字温度传感器是美国DALLAS半导体公司生产的新一代适配微处理器的智能温度传感器, 它将温度传感器、A/D转换器、寄存器及接口电路集成在一个芯片中, 采用1-wire总线协议, 可直接数字化输出、测试。与其他温度传感器相比, 具有以下主要特性:采用独特的单线接口技术, 与微处理器相连仅需一根端口线即可实现双向通信, 占用微处理器的端口较少, 可接收大量的引线和逻辑电路;使用中不需要任何外围电路, 全部传感元件及转换电路都集成在形如一只三极管的集成电路内;测温范围-55～+125 ℃, 精度可达±0.5 ℃, 可编程9～12位A/D转换精度, 测温分辨率可达0.062 5 ℃, 可实现高精度测温;测量结果直接输出数字温度信号, 同时可传送CRC校验码, 具有极强的抗干扰纠错能力;支持多点组网功能, 多个DS18B20可挂在总线上, 实现组网多点测温。适应电压范围宽:3.0～5.5 V, 在寄电源方式下可由数据线供电;DS18B20与单片机连接如图1所示, 单总线器件只有一根数据线, 系统中的数据交换、控制都在这根线上完成, 单总线上外接一个4.7 Ω的上拉电阻, 以保证总线空闲时, 状态为高电平。
1.2 DS18B20 的控制时序
DS18B20与微处理器间采用的是串行数据传送, 在对其进行读写编程时, 必须严格保证读写时序, 否则将无法读取测温结果。DS18B20控制时序主要包括初始化时序、读操作时序和写操作时序[4], 如图2所示。
(1) 初始化时序。
时序见图2 (a) , 主机总线t0时刻发送一复位脉冲 (最短为480 μs 的低电平信号) 接着在t1时刻释放总线并进入接收状态, DS18B20在检测到总线的上升沿之后等待15～60 μs , 接着DS18B20在t2时刻发出存在脉冲 (低电平持续60～240 μs) , 如图中虚线所示。
(2) 写操作时序。
当主机总线t0 时刻从高拉至低电平时, 就产生写时间隙。从t0 时刻开始15 μs之内应将所需写的位送到总线上, DS18B20在t0后15～60 μs间对总线采样, 若低电平写入的位是0, 若高电平写入的位是1, 连续写2位的间隙应大于1 μs , 见图2 (b) 。
(3) 读操作时序。
当主机总线t0时刻从高拉至低电平时, 总线只需保持低电平6～10 μs 之后, 在t1时刻将总线拉高, 产生读时间隙, 读时间隙在t1时刻后到t2 时刻前有效, t2～t0为15 μs, 也就是说, 在t2时刻前主机必须完成读位, 并在t0后的60～120 μs内释放总线, 见图2 (c) 。
2 系统硬件结构
监测系统主要由温度监测节点、主控单元和上位机等3部分组成, 系统结构如图3所示。温度监测节点分布在蓄电池组的各个单体电池上, 采集各单体电池的温度信息, 通过无线网络传输给主控单元;主控单元与所有监测节点进行通信, 接收上位机的命令和来自监测节点的温度信息, 并将温度信息上报上位机;上位机实时显示蓄电池的温度信息, 并对数据进行分析处理, 根据设定的报警门限启动告警程序, 及时发现异常电池。
2.1 温度监测节点设计
温度监测节点的功能是完成对单体电池的温度信息采集、处理和无线数据传输。采用单片机控制无线收发芯片nRF2401和单总线数字温度传感器DS18B20来实现温度的智能测量, 主要包括单片机系统、温度采集电路、无线收发电路、显示电路、告警电路和电源等组成, 其硬件结构如图4所示。
DS18B20测温电路如图1所示, 用热传导的粘合剂将DS18B20粘附在蓄电池的表明, 管芯温度与表面温度之差大约在0.2 ℃之内[5]。利用nRF2401无线收发芯片实现无线传输, nRF2401 是一个单片集成接收、发射器的芯片, 工作频率范围为全球开放的2.4 GHz 频段。它内置了先入先出堆栈区、地址解码器、解调处理器、GFSK滤波器、时钟处理器、频率合成器, 低噪声放大器、功率放大器等功能模块, 需要很少的外围元件, 使用起来非常方便。在本系统中nRf2401 通过P2 口与单片机进行通信, AT89S51 的P2.0 和P2.1 口分别与nRF2401 的CLK1, DATA 相连接。nRf2401 的CS 是片选端, CE 是发送或接收控制端, PWR_UP 是电源控制端, 分别由单片机的P2.3, P2.4 和P2.5 引脚控制。nRF2401 的DR1 为高时表明在接收缓冲区有数据, 接单片机的P2.2[6,7,8] 。
由于nRF2401 的供电电压范围为1.9～3.6 V , 而AT89S51 单片机的供电电压是5 V, 为了使芯片正常工作, 需要进行电平转换和分压处理, 设计采用MAXIM 公司的MAX884 芯片进行5 V到3.3 V 电平转换, 如图5所示。
2.2 主控单元设计
主控单元和监测节点组成无线网路, 通过主控单元实现上位机和监测单元的数据通信。主控单元的基本结构和监测单元类似, 主要由单片机系统、无线收发模块、显示电路、串行通信电路及电源等组成。
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议, 大多数计算机包含2个基于RS 232的串口, PC的串行口是RS 232C电平, 而单片机的串行口是TTL电平, 两者之间通过串口通信时, 必须进行电平转换, 设计运用MAX232A芯片完成单片机与PC之间的数据传输, 硬件连接电路如图6所示[9]。
3 控制程序设计
系统控制程序主要由单总线测温控制程序、无线收发控制程序和上位机监测程序等组成。单总线测温程序负责单总线设备初始化、采集电池温度并传送给nRF2401模块;无线收发控制程序主要功能是负责无线网络的组建和数据信息的无线传送;上位机监测程序的主要功能是通过串口和主控单元进行数据通信, 实时显示并存储数据信息。以监测节点为例, 图7是监测单元的程序流程图, 监测单元首先进行初始化, 主要包括单片机系统的通信、中断及定时的初始化等, 然后采集单体电池的温度信息、保存并用数码管显示, 实时监测主控单元的数据传送命令, 如果有就将电池的温度数据通过无线模块发送出去。
4 试验结果
设计了试验样机, 监测节点试验电路实物如图8所示, 在室内进行了温度测试, 采用4个监测节点, 分别在距离主控单元4 m, 8 m, 12 m的距离进行了试验, 试验数据如表1所示。
从表1可以看出, 温度的测量精度可达±0.3 ℃, 无线传输的准确率较高, 能够满足无线温度监测的需要。
5 结 语
本文针对蓄电池组中单体电池的温度监测问题, 设计了基于DS18B20数字温度传感器和无线收发芯片组成的远程无线监测系统。系统由上位机、主控单元和多个监测单节点组成, 主控单元通过串口与上位机进行通信。与传统的有线多点温度测量系统相比, 具有布设、扩展、维护及更新方便等特点, 有一定工程实际应用价值。
参考文献
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蓄电池温度测量与控制系统 篇2
鉴于蓄电池的温度灵敏性及系统成本的考虑, 设计的温度测量范围是-30℃-70℃。精确度设计要求为+-1℃, 整个量程范围内的线性误差小于±1℃, 响应时间小于1s, 能对历史温度数据进行存储, 能控制一定的功率负载。系统框架及流程如图1所示:
2 测量元件选择
AD590是单片集成的温度电流源传感器, 其温度测量范围-55℃~+150℃, 测量精度±0.5℃, 整个量程范围内的线性误差小于±0.3℃, 响应时间仅20us, 功耗约2m W。
AD590等效于一个高阻抗的恒流源。在工作电压为+4~+30V、测温范围是-55~+150℃范围之内, 对应于热力学温度T每变化1K, 就输出1u A的电流。在298.2K (对应于25.2℃) 时输出电流恰好等于298.2u A。其输出电流I与热力学温度T (K) 严格成正比。
AD590两端的电压在+4V和+30V之间时, 即使电压有变化, 输出的电流信号也没有影响或影响很小。当电压波动达到4-6V时, AD590的输出电流变化仅为1u A, 所以AD590具有消除电源波动的特性。对电源没有特别要求。AD590是一种集成温度传感器, 实质上是一种半导体集成电路, 它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测。
3 电路设计
本设计选择使用ARM7自带的A/D转换口。ARM7有8个10位A/D转换口。测量电压为0-3.3V.本次温度测量范围-30℃-+70℃。为了提高分辨率, 要求-30℃时输出为0V, 70℃时3V.理论分辨率为:100℃/1024约为0.1℃基本满足要求。
标准电路主要是将AD590的电流信号经过电阻转换为电压后放大, 之后通过同相减法电路将电压变换到指定的值。但是这个电路存在问题, 2V电源的波动十分影响精度。并没有对这个电源进行处理。V02=V01-2V.电压波动0.1V, 相当于采样温度偏差100*0.01/3=3V.
改良电路如图2:
如图2所示:V0=R2*It, I=I0+It.
在-30℃时I= (273-30) μA.为了使此时It=0, 则I0=It=243μA (小于典型值750μA, 满足需求) 所以R1=10V/243μA为41.15kΩ。当70℃时, V0应为3V左右。所以R2=3V/100μA约为30KΩ。经过简单计算, 取R1取41.2kΩ, R2取30KΩ时, 测温电路的取值范围为-30.28℃-69.72℃。
假想负载为12k W左右的三相电机或者空调, 其额定电流在22A。按照2.5倍的开断电流选择, 需要55A左右的开关。ARM的IO引脚输出电流正常值都在4m A左右, 但是我们要控制的却是55A的大电流。初步思路为, 第一级通过三级管开断继电器, 再由继电器控制接触器, 最终达到小电流控制大负载的目的。具体电路图如图3:
4 总结
本系统结构清晰, 简单;在满足实际需求的情况下, 采用了成熟可靠, 价格低廉的产品。可移植性高, 有较强的实用性。开发周期短, 预计熟练的技术人员在一个月之内就可以开发出成品。如果需要提高可靠度, 可以采用冗余结构, 即采用多套系统相互独立。
参考文献
电池温度 篇3
关键词：锂离子电池,温度,一致性,库伦效率,开路电压
作为目前电动汽车高电能储备的主流型式,锂离子动力电池正越来越多地受到人们的关注[1,2,3]。由于锂离子动力电池单体的能量、功率等性能参数满足不了电动汽车的要求,实际使用时,常将数量巨大的电池串联成组使用,但是由于电池不一致、环境温度差异等因素,限制了动力电池组的应用和发展。
电池组在使用过程中,电池单体之间的差异主要是通过电池电压、内阻、温度、荷电状态(Stage of Charge,简称SOC)表现出来的。为了减少或消除上述差异,需要采用电池成组技术及均衡管理技术[4,5,6],主要涉及SOC估测、电池组的热安全等。国外V.Pop等人提出了EMF-SOC模型[7],相当于开路电压法[8],该方法需要将电池静置很长的时间,不能实时估计;也有人用安时积分法[9]和卡尔曼滤波法[10,11,12]来估计SOC值。文献[13]中,张志杰等人针对锰酸锂电池进行了实验,揭示了其内阻随SOC以及温度的变化规律,对于电池的温升分析以及电池的热管理都有重要的现实意义。文献[14]中,唐志远等分析了锂离子电池高倍率放电性能,并给出一种相应的充、放电制度。文献[15]中,姜久春等利用混合脉冲功率测试方法测试电池在不同温度及SOC较低情况下的变化情况。
本文基于实验数据,通过最小二乘法拟合了电池开路电压(OCV)和SOC以及库伦效率的关系;除了测试温度对电池的内阻影响之外,还研究了动态锂离子电池的放电倍率对电池电压一致性影响,并进行了放电倍率与电池温度变化的关系特性、电池单体不同测点温升差异及SOC辨识等相关实验。
1 实验方案
1.1 实验内容及目的
本文主要对电动汽车用动力锂离子电池展开了以下几项测试实验:测试25 ℃下电池SOC-开路电压(简称OCV)、库伦效率-放电电流关系曲线;测试温度对电池内阻一致性、放电倍率对电池电压一致性影响;测试放电倍率与电池温度的关系特性以及电池的温度分布情况。
本文的主要目的是获取动力锂离子电池的SOC-OCV关系曲线、库伦效率,温度、放电倍率对电池内阻、电压一致性影响以及放电倍率与其温度的关系特性;从而为电池成组技术和均衡管理技术的进一步研究提供基础。
1.2 实验对象及设备
实验对象为国内某厂家生产的3.2 V/10 (A·h)磷酸铁锂电池(如图1所示)。试验设备包括可编程控制的EVT300 A—500 V—80 kW充电机(如图2所示),温度连续可调的恒温箱(如图3所示)电动汽车电池管理系统(如图4所示)及BTS—600数据采集上位机软件。
电池充满状态是指采用C/3恒流充电至3.65 V,然后转入恒压充电,当充电电流小于C/30时,停止充电,此时的电池状态为充满电。电池放电截止状态是指电池放电至放电截止电压2.3 V时,停止放电。
2 电池SOC-OCV关系和库伦效率
SOC是判断电池单体之间是否一致的重要参数之一。常用的估算SOC方法有端电压法、安时积分法和卡尔曼滤波法等,因此首先需要确定SOC-OCV的函数关系。
实验测得25 ℃下SOC-OCV关系曲线如图5所示。在两端区间内,开路电压对SOC较为敏感,随着SOC值变化,开路电压上升或下降较快,所以电池管理系统应尽可能使SOC维持在中间某一区间内,保证电池的使用安全和电动汽车的功率需求。
另外电池充电和放电的SOC-OCV曲线走势相似,但对应于同SOC值,充电时的OCV略高于放电时的OCV,这是由于充电到某一SOC数值开始静置时,电压持续降低至逐渐趋近电池的OCV真值,而放电到同一SOC数值开始静置时,电压持续升高至逐渐趋于电池的同一OCV真值。由于这一趋近过程理论上所需时间非常长,而脉冲充放电采用静止时间为60 s,所以放电曲线上得到的OCV小于充电曲线上得到的OCV。
各阶次的拟合曲线和拟合误差分别如图6、图7所示,可以看出3到7阶拟合OCV存在较大误差,而8阶以后误差明显减小,由于拟合阶数越高运算越复杂,所以选取8阶多项式作为充电时SOC-OCV的关系方程,对应放电,同样采取8阶多项式拟合作为SOC-OCV的函数关系。
另外电池SOC的估算常需获得不同电流充放电下的等效库伦效率,本文通过实验测得25 ℃条件下,电池的等效库伦效率随放电电流的变化曲线如图8所示,通过最小二乘拟合[16],可以得到库伦效率与放电电流之间的关系式为:
ηe=0.15×10-6i4-0.2×10-4i3+0.95×10-3i2=-0.019 8i+0.95。
3温度、放电倍率对电池内阻及一致性的影响
3.1 温度对电池内阻一致性影响
通过脉冲实验获得12节串联电池组中每个单体电池在不同温度下的欧姆内阻、极化内阻的分布情况,分别如图9、图10所示。由图10可看出,电池欧姆内阻在0—50 ℃范围内,阻值大小与温度的增加成反比例关系,常温25 ℃下的电池性能反而低于40 ℃下的电池性能,在0 ℃—25 ℃范围内,电池欧姆内阻与温度具有较好的线性关系,25 ℃—50 ℃范围内具有非线性关系,欧姆内阻对低温比对高温更敏感,电池内阻测量方法采用文献[15]提出的混合脉冲功率特性测试方法(Hybrid Pulse Power Characterization, HP-PC)。
从图10中可以看出,在 25 ℃和40 ℃环境温度下,电池欧姆内阻一致性较好,上下波动在8.5%之内,即1.175 mΩ之内,随着温度的降低或升高,欧姆内阻的一致性越来越差;9、10、11、12号电池欧姆内阻随温度的变化,一致性变差较为明显,内阻特性与其它电池单体脱离。相比于欧姆内阻,极化内阻对温度更为敏感,温度在25 ℃、40 ℃时,极化内阻一致性最好,随着温度的降低或升高,极化内阻一致性变差,且较欧姆内阻变差更明显。
通过以上分析可得,由于电池内阻随温度变化的变化率不同,在某个温度下内阻阻值相近的电池单体在其它温度点会出现内阻差异较大的情况,所以为保证电池组内阻的一致性,采用内阻筛选方法时,应要在高、低温多个温度点对电池内阻实施筛选以保证成组后电池组一致性较好。
3.2 放电倍率对电池电压的一致性影响
3.2.1 试验前准备
(1)将12节串联电池组接上电压传感器、温度传感器、电动汽车用电池管理系统等,放入恒温箱内。
(2)恒温箱设定温度25 ℃,湿度60%,静置1 h,然后采用0.3C将电池包充至SOC=0.8,静置1 h,准备进行试验。
3.2.2 试验步骤
(3)用3 A放电至SOC=0.3,记录放电时间t,放出的实际电量,电池端电压,静置1h。
(4)用3 A给电池包充电,充电至SOC=0.8,记录充电时间t,充入实际电量,端电压,静置1 h。
(5)将放电电流改成10 A,20 A,30 A,40 A,50 A,充电电流不变,重复(1)(2)步骤。
表1为不同放电倍率下,5节单体电池的初始端电压,图11为以不同电流放电至结束时的电池端电压差。从表1和图11可以看出,初始端电压一致性较好的5节单体电池,随着放电电流的增大,放电至结束时的电池端电压一致性越来越差。因为电池在不同放电倍率下,体现不同的温度特性,而温度影响电池内阻一致性,分别如图9、图10所示,放电倍率通过内阻进而影响电池电压一致性。所以采用电池的充放电特性作为电池筛选方案时,应利用单体电池在最大工作电流下的充放电曲线作为电池的分选依据。
4 锂离子电池放电倍率对其温升影响
4.1 恒流放电与电池温度的关系特性
4.1.1 恒流放电时不同测点温度特性
温度传感器布置点如图12所示,分别布置2个温度传感器于电池极柱,其中2为正极柱,1为负极柱,点3、4、5、6分别为各个面的中心点。
试验前准备:与3.2中的相似,只是将充电截止条件由充电至SOC=0.8改为充电至截止电压。
试验步骤
(1)用1C倍率将充满电的电池单体放电至截止电压,并记录放电时间、电池温度,静置1 h。
(2)用3 A给电池充电,充电至截止电压,并记录充电时间、电池温度、静置1 h。
(3)将放电倍率设置为2C,3C,4C,分别进行(1)、(2)步操作。
(4)重复(1)—(3)步,将环境温度设置为0 ℃,10 ℃,45 ℃,55 ℃。
40 ℃条件下1C放电时电池的温度变化如图13所示,40 ℃条件下2C放电时的电池温度变化如图14所示,25 ℃条件下4C放电时电池的温度变化如图15所示。可以看出,电池的最高温度与电池的放电倍率有关,40 ℃条件下,2C放电时,电池的最高温度为48 ℃;25 ℃条件下,4C放电时,电池的最高温度为53 ℃。根据不同放电倍率下的电池温度图分析,电池的正极处的温度最高,负极温度比正极温度低。负极温度与正极的温度差随着放电倍率的增大而增大。
放电时,正极温度高于负极,电池在放电时,锂离子从负极脱嵌,Li_C键断裂,是吸热反应,而锂离子进入正极是锂和正极材料的成键过程,是放热反应,相反充电时,负极温度高于正极温度,锂离子电池在充电时,锂离子从正极中脱嵌,通过电解质和隔膜,嵌到负极,形成Li-C键,是放热反应。
4.1.2 不同放电倍率与电池温度的关系特性
脉冲放电时,最高温度在正极处,最低温度在测试点6, 25 ℃放电时,不同放电倍率条件下最高温度点和最低温度点的温度变化曲线如图16、图17所示。由图16、图17可知,随着放电倍率的增加电池温度逐渐增大。
4.2 变电流工况与电池温度的关系特性
实际应用中,电池组工作电压、电流随着车速变化而变化,只考虑其恒流工况下性能 ,不能全面地反映电池动态性能。变电流工况相比恒电流工况,能更加真实地反映电池的实际使用性能。变电流工况加载电流如图18所示,实验过程中设置保护电压3.7 V,最低电压2.3 V,最高温度70 ℃。
变工况下的电池测温点如图19所示。其中2为正极柱,各测温点的温度变化如图20所示。可以看出,加速时,即增大电流值,温升变大,减速时,即减小电流值,温升减小,当放电电流小于一定值时,电池的发热量小于电池的散热量,电池温度下降,从上述结论可得,电池的温升与电池的使用工况是一致的。
5 结论
本文通过实验,重点研究了磷酸铁锂动力电池的SOC特性,温度、放电倍率对电池单体一致性的影响等。通过实验分析,可得出如下结论:
(1)基于电池的实验数据,通过最小二乘法曲线拟合得到电池开路电压与SOC以及电池库伦效率的关系表达式,拟合结果表明8阶拟合可以较准确地反映电池开路电压与SOC之间的关系。
(2)通过分析串联电池组各个单体在不同温度下内阻分布情况,得出在某个温度下内阻阻值相近的电池单体,由于其内阻随温度变化的变化率不一定相近,造成在其它温度点出现内阻一致性较差情况。
(3)通过分析串联电池组在不同放电倍率下电池端电压的变化情况,得出随着放电电流的增大,电池端电压的一致性变差。
(4)电池的最高温度与电池的放电倍率有关,电池的正极处的温度最高,负极温度比正极温度低。负极温度与正极的温度差随着放电倍率的增大而增大,同时受环境温度影响。
电池温度 篇4
1.1 电池温度检测的方法
电池在使用的过程中, 随着化学能不断转化成电能, 电池内部的温度会上升。如果因异常因素导致电池持续放电或过度放电, 电池温度会越来越高。检测电池温度的方法是通过温度传感器直接与电池外表接触来监测电池的表面温度。这里我们借助温度传感器DS18B20来采集电池表面温度。
1.2 单片机的选择
单片机在业界又被称为“微控制器”, 具体来说, 单片机的组成有中央处理器CPU、I/O接口和存储器, 通过内部的总线将CPU、存储器和I/O接口相连, 麻雀虽小, 五脏俱全, 所以说单片机是一台微型计算机一点也不为过。我们采用的是STC89C52单片机, STC89在8051基础上增加了许多功能, STC89C52内部具有8KB ROM存储空间, 拥有512字节的数据存储空间, EEPROM存储空间为2K字节, 内置的flash ROM可供反复擦写10万次, 可与MCS-51系列的单片机兼容, 通过串口STC89C52可以实现下载。其内置看门狗硬件, 极大提高了MCS51家族的性能。
1.3 显示方案的选择
液晶显示屏被广泛应用于生活中的方方面面, 比如生活中常见的计算器、电子表以及电子测量工具万用表等很多家用电子产品, 都有液晶显示屏的影子。所以不管对于专业还是非专业的人们, 液晶显示屏都不算陌生。我们采用了1602液晶显示, 有160个不同的点阵字符图形存储在1602液晶模块内部的字符发生存储器 (CGROM) , 故LCD1602可以显示数字和英文。常见字符有:大小写的英文字母、阿拉伯数字、常规符号。操作1602液晶对于我们来说相对熟悉一些, 其显示功能也比较强大, 实用性很强, 还可以显示自定义字符, 故采用此方案。
2 硬件设计
2.1 单片机系统
采用STC89C52最小系统, 最小系统是指工作能正常进行的最简单电路。STC89C52最小应用系统电路如图1所示, 它包含五个电路部分:电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。其中电源电路、时钟电路、复位电路是保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路, 缺一不可。
2.2 LCD1602显示模块设计
模块设计的前提是显示模块必须要采用能够显示工业字符的液晶, 而LCD1602则可以完全满足要求。1602的内容成两排显示, 一排能够显示16个字符, 总共可以显示32个字符。我们在市场上能够看到的1602字符液晶一般只有两种, 其原理是相同的, 只是一种背光为绿色, 呈现黑色字体;另一种是白色字体而背光为蓝色, 这一次选择的液晶模块为白色字体、蓝色背光的液晶显示。
液晶显示屏的画面质量高而且不会闪烁, 其工作方式是显示器的每个点在接收到信号后就一直保持这种色彩和亮度, 恒定发光, 与阴极射线管显示器 (CRT) 这种需要不断刷新新亮点有所不同。同时液晶显示器都是数字显示器, 而且具有功耗低、体积小, 重量轻等众多优点。1602字符液晶接口如图2所示。
而本次设计中, 1602字符液晶显示是用单片机进行控制, 其接线图如图3所示。
2.3 A/D转换模块
对于A/D转换模块而言, 难度最大的就是对于模拟信号的采样工作, 之所以出现这样的难度主要是由于模拟信号在输入时其在时间上具有连续性, 但是成功转换成数字信号后其信号代码本身是离散的, 因此其在进行信号采样时必须瞬间进行选定, 这种选定点主要依据时间座轴来规定。在采样完成后, 将采样值转换为数字量。因此, 一般的A/D转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的, 即:首先对输入的模拟电压信号采样, 然后进入到保持时间, 在这段时间内将采样的电压量转化为数字量, 并按一定的编码形式给出转换结果, 然后开始下一次采样。
我们这里使用的A/D转换模块采用的是ADC0832芯片, 与单片机接线图如图4所示。
2.4 DS18B20温度检测模块
DSl8B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器, 它具有微型化、低功率、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点, 可直接对温度转化成串行数字信号供处理器处理。
DSl8B20在工作时可直接从总线上获得能量。DS18B20的测量最低温度为55℃, 最高温度为125℃, 为“一线总线”接口, 现场温度采用数字式传输, 可以增强系统的抗干扰能力。GND为电源地, VCC作为外接供电输入端, DSl8B20的作用是直接将温度数值转换成数字量。
温度采集连线电路图, 如图5所示。DSl8B20的2脚接系统中单片机的输入端, 用于将采集到的温度送入单片机中处理。
2.5 报警模块
采用声光报警, 电池温度不在正常范围时, 系统的蜂鸣器可以响铃提示, LED灯发光。在蜂鸣器的选择上, 无论是有源的还是无源的, 我们都可以通过单片机控制驱动信号来使它发出不同音调的声音。
3 调试中出现问题的解决方法
在实际调试的过程中会遇到很多问题, 如:单片机不工作, 解决方法是重新换一个晶振;无法初始化DS1302, 解决方法是将DS1302虚焊部分重新焊接;液晶显示时断时续, 解决方法是重焊管脚并调节阻值。
4 结语
通过应用电池的温度管理系统, 能够极大提高电池工作的安全性, 这套系统原理也同样适用于电池的电压管理和电路管理, 希望能给相关专业的人员提供些许参考。
摘要：本文介绍了用STC89C52单片机实现电池温度检测的硬件实现方法, 重点介绍了单片机STC89C52、LCD1602液晶显示、A/D转换器ADC0832及温度传感器DS18B20等重要器件。
关键词：STC89C52单片机,LCD1602液晶显示,DS18B20温度传感器
参考文献
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电池温度 篇5
1 实验部分
1.1 合金的制备与结构分析
采用电弧熔炼法制备LaNi4.1Co0.6Mn0.3储氢合金,反复熔炼3~5次确保成分均匀,所用原料纯度均大于99.9%。合金样品制备好后,用金相砂纸除去表面氧化层,粉碎至200目备用。合金相结构测试采用衍射仪(XRD,D8Advance型,德国布鲁克公司,Cu Kα射线)。
1.2 合金负极的制备和电化学性能测试
取上述制备好的合金粉与Ni粉各0.2g以1∶1的比例均匀混合,加入10%的聚四氟乙烯(PTFE)粘结剂溶液,均匀的涂抹在1cm×1cm的镍网上,30MPa下保压3min,制备成合金负极片。以6mol/L KOH溶液为电解液,球形氢氧化镍(Ni(OH)2/NiOOH)烧结电极为正极采用三明治夹片的方式组装成测试镍氢电池,并将组装好的电池采用充放电测试仪(LAND)在不同的温度条件下以0.2C的电流密度进行充放电活化,测试其最大容量。高倍率性能测试方法为:金电极完全活化后,以60mA/g的电流密度充电6h,静置10min,然后分别以nC(C=300mAh/g)的电流密度对电极进行放电至0.9V,接着以小电流密度0.2C(即60mA/g)放电至0.9V,小电流放电得到的放电容量为大电流放电测试后的剩余放电容量。此时电极的高倍率放电效率(HRD)按式(1)计算:
式中,CnC为以nC的大电流放电电流密度放电时获得的容量,mAh/g;C0.2C为在大电流密度放电结束后,再以0.2C小电流密度放电时所获得的剩余容量,mAh/g。
将活化以后的电池放电至50%放电深度,在电化学综合测试仪(Modulab Electrochemical System of Solartron Analytical)上进行线性极化和交流阻抗测试。线性极化测试参数为:过电位范围为+5~-5mV,扫描速度为0.1mV/s,交流阻抗测试参数为振幅为5mV,频率范围为1mHz~100kHz。
2 结果与讨论
2.1 合金的结构分析
制备的LaNi4.1Co0.6Mn0.3合金的XRD谱图如图1所示。从图中可以看出合金具有明显的LaNi5相的特征峰(CaCu5结构),说明制备合金为典型的AB5型合金。
2.2 温度对放电性能影响
图2是不同温度下储氢合金电极在0.2C电流密度下的放电曲线,从图中可以看出,随着样品测试温度从-35℃升高至50℃,放电电压先上升后下降,放电容量先增加后减少,在0和30℃时,放电容量分别达到了336和334mAh/g,50℃时容量显著降低,仅有266mAh/g。
从文献[6]可知,合金最大放电容量和电压随温度的变化跟成分、氢化物稳定性和电极表面等因素有很大关系,本研究将结合电化学交流阻抗进行进一步分析。在储氢合金电极的交流阻抗图谱中,高频区是跟合金电极氧化腐蚀情况相关的小圆弧,中频区的大圆弧跟合金电极表面反应速度即电荷转移能力相关,圆弧越小,表面反应越快,低频区线性尾巴部分跟合金内部的氢扩散速度快慢相关,尾巴越长,氢扩散速度越快。图3为合金电极活化以后在不同温度下50%放电深度(50%DOD)的交流阻抗图谱,从图中可以看出,随着温度降低中频区跟表面反应相关的圆弧逐渐变大,扩散弧尾巴部分越来越短,说明随着温度降低,合金电极的表面反应速度和储氢合金内部氢原子的扩散能力逐渐降低,因此在-35℃条件下,合金电极的放电容量和放电电压降低。根据Gamboa等[7]的报道合金电极在高温条件下的容量损失主要是由于电解液导电性变差,电荷转移能力降低所致,通过交流阻抗分析,发现在50℃的高温条件下,合金电极的表面反应速度和储氢合金内部氢原子的扩散能力增强,但是其容量却显著降低,由此可知,这不是储氢合金负极容量降低的原因。在交流阻抗图谱中可以看到高频区基本上没有小圆弧,这主要是由于储氢合金表面氧化层迅速被热碱液腐蚀溶解而没有出现,这跟Shen等[8]的研究结果合金电极高温容量的降低与活性物质在热碱液中的腐蚀有很大关系相吻合。另一方面,由于储氢合金的氢化物稳定性降低,合金内部氢原子扩散能力增强导致一部分氢原子在合金表面形成氢气逸出而没有转化为有效电荷,引起容量降低。
[(a)-35℃;(b)0℃;(c)30℃;(d)50℃]
2.3 温度对高倍率性能的影响
图4为合金电极在不同温度下的高倍率性能,从图中可以看出,在30℃时,合金电极展现出的高倍率性能最优,在2100mA/g的放电电流密度下,30℃时的高倍率为48.26%,50℃时稍微降低至45.98%,而在0和-35℃时基本上放不出电。在-35和0℃的条件下,合金负极的高倍率性能随着放电电流的增大显著恶化,在-35℃放电电流密度为300mA/g时,高倍率仅为3.85%,同样在0℃放电电流密度为1050mA/g时,合金电极基本上放不出电。对于温度对合金电极高倍率性能的影响机理,需进一步结合不同温度下合金电极的电化学动力学性能表面电荷转移反应速度和氢原子在合金颗粒内部的扩散速度来进行分析。
交换电流密度(I0)和合金内部氢扩散系数(DH)是衡量合金电极电化学动力学的重要参量,I0越大说明合金电极的表面电荷转移速度越快,DH越大说明氢原子在合金颗粒内部的扩散速度越大。
DH可由式(2)得到[9,10]:
式中,R为气体常数;T为测试温度,℃;δ为交流阻抗图谱中Zw的虚部对角频率ω-0.5的斜率(如图5所示);n为交换电子数;F为法拉第常数;S为工作电极面积,1cm×1cm;Co为扩散浓度,0.022mol/cm2。
I0可由式(3)计算:
式中,R为气体常数;T为测试温度,℃;n为交换电子数;F为法拉第常数,Rct可由图6中的线性极化曲线斜率得出。
合金电极的I0和合金内部DH随放电深度的变化如表1所示。可以看出,温度显著影响合金电极的动力学性能,随着温度的升高,合金电极的I0和合金内部DH显著增加。在0和-35℃时,合金电极的动力学性能较差,导致高倍率性能变差,尤其在-35℃下,合金电极的I0和合金内部DH分别只有61.9mA/g和7.52×10-9cm2/s,相比于30℃时的677.3mA/g和9.47×10-8cm2/s降低了一个数量级,这说明在极端的低温条件,由于合金电极的表面电荷转移速度和合金内部的DH急剧降低,动力学性能严重恶化,不适合大电流放电。50℃下,合金电极表面电荷反应速度和合金内部DH都比在30℃时略高,但是其高倍率性能仍略低于30℃,这主要是由于在高温的条件下,合金电极的电化学动力学性能不再是其高倍率性能的控制因素,此时跟热碱液对活性物质的腐蚀速度和氢化物稳定性有关。
3 结论
(1)Ni/MH电池储氢合金负极的电化学性能明显受测试温度的影响,随着温度的增加其放电电压平台、容量和高倍率性能都呈现先增加后降低的趋势,在30℃下,其各项性能最优。
(2)低温使合金电极表面反应速度和储氢合金内部氢原子的扩散能力降低,导致放电电压、容量和高倍率性能降低。尤其在-35℃的极端低温条件下,由于合金负极的动力学性能骤降,不适合大电流放电。
(3)在高温条件下,由于热碱液对活性物质的腐蚀速度加快和氢化物稳定性降低引起放电电压和高倍率性能略有降低,以及容量的显著下降。
摘要：为了揭示温度对Ni/MH电池储氢合金负极电化学性能的变化规律和机理,以真空电弧熔炼法制备AB5型LaNi4.1Co0.6Mn0.3储氢合金为Ni/MH电池负极材料,研究了其在-35、0、30和50℃4个测试温度下的电化学性能。研究表明:随着温度的升高,合金电极的放电电压、容量和高倍率性能呈现先增加后降低的趋势,在30℃时合金电极的综合性能最优。在低温条件下,合金电极表面电荷转移速度和合金内部氢原子扩散能力降低导致高倍率性能恶化,高温条件下,储氢合金腐蚀加剧和氢化物稳定性显著降低合金电极的放电容量。
关键词：储氢合金,高倍率,交流阻抗,电化学动力学,温度
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