郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题目磷酸铁锂电池剩余电量计算系统设计学生姓名杨朝锋专业班级自动化07-2班学号 ************院（系）电气信息工程学院指导教师赵志永完成时间 2011年 06月05日磷酸铁锂电池剩余电量计算系统设计摘要磷酸铁锂电池自诞生以来便受到了人们的广泛关注，尤其是在动力电池领域，人们对其在电动汽车上的应用寄予了很大的期望。
在电池工作过程中，如何有效精确的预测蓄电池剩余电量，对于检测电池的工作状态，维持系统的正常持续工作具有重要的意义。
本设计介绍了一种用单片机计算预测磷酸铁锂电池剩余电量的方法。
通过检测电池的输出电流，并使用积分法计算出电池已输出的电量，然后用电池总容量减去已输出电量，并用环境温度对计算结果进行补偿，最终得出电池当前的剩余电量，从而达到预测电池剩余电量的目的。
另外，本设计还提供了磷酸铁锂电池的欠电压保护，当检测到电池电压低于某一限制时自动切断电路。
本设计方案原理简单易于实现，并且具有较高的预测精度，有很高的使用价值。
关键词磷酸铁锂电池剩余电量积分法DESIGN OF CALCULATING REMAININGCAPACITY SYSTEM OF LITHIUMIRON PHOSPHATE BATTERYABSTRACTSince the birth of it, lithium iron phosphate has been widespread concern, especially in the field of power battery, its application in electric vehicles has placed great expectations. In the course of battery, how to accurately predict the battery remaining power is very important to test the working status of ongoing work of the battery and maintain the normal system.This paper introduces a method to predict remaining lithium iron phosphate capacity with single chip machine. By detecting the output current of the battery and use the integral method to calculate the battery power output, and then subtracting the total capacity of the battery output power, with the environment to compensate for temperature calculations, and ultimately come to the remaining battery charge current to achieve the goal of predicting remaining battery power. In addition, the paper also provides a lithium iron phosphate battery under voltage, when the detected battery voltage is below a certain limit it will automatically cut off the circuit. The design is simple in principle and easy to implement, and has higher accuracy and a high use value.KEY WORDS Lithium iron phosphate battery remaining capacity Ah integration目录摘要 (II)ABSTRACT (III)1 绪论 (1)2 磷酸铁锂电池 (2)2.1 磷酸铁锂电池简介 (2)2.2 磷酸铁锂电池的内部结构和工作原理 (3)2.3 剩余电量的影响因素 (4)2.4 方案论证 (4)2.5 本文方法的确定 (7)3 硬件电路设计 (8)3.1 剩余电量计算系统设计 (8)3.2 模拟量信号采集模块设计 (8)3.2.1 蓄电池工作电压采样电路设计 (8)3.2.2 蓄电池工作电流采样电路设计 (9)3.2.3 温度采样电路设计 (11)3.3 A/D转换模块设计 (12)3.4 中央处理模块设计 (15)3.5 输出显示模块设计 (17)3.6 磷酸铁锂电池剩余电量计算系统硬件电路图设计 (18)4 软件设计 (19)4.1 主程序流程图 (19)4.2 定时器0中断流程 (19)4.3 外部中断1流程 (20)5 总结 (21)致谢 (22)参考文献 (23)附录1 硬件电路图 (24)附录2 主程序流程图 (25)附录3 源程序 (26)1 绪论磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，它具有容量大、寿命长、无污染等优点，现在应用的主要用途是动力电池。
本文主要讨论磷酸铁锂电池在电动汽车中的应用情况。
汽车行业是很多国家都在重点发展的支柱产业，目前还是以汽油和柴油为燃料的汽车为主。
但是，汽油和柴油的原料——石油却日渐短缺。
以目前的消耗速度，再过40年，燃油汽车将进入历史博物馆，依赖于燃油汽车的全球交通运输业将完全瘫痪。
不仅受能源的限制，燃油汽车还有一个最大的缺点就是排放有害物体，污染人类赖以生存的大气环境。
人们的日常生活需要汽车，但不需要有害的汽车尾气，因此很多国家投入大量的人力物力来解决这个矛盾，虽然已经取得不少进展，但只能尽量减少有害的排放。
随着经济的快速发展，人们对生活质量越来越重视，于是从环保、能源危机等角度出发，产生了对电动汽车的需求。
提到电动汽车，就不得不说到蓄电池。
目前，电动汽车所配置的电池主要包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
其中铅酸蓄电池是发展最成熟、最廉价的蓄电池，也是目前应用最广泛的蓄电池。
但是它有比能量低、自放电率高、循环寿命低、使用成本高、会污染环境等缺点，将来必然不能满足人们的需求。
而最新研制的磷酸铁锂电池正好弥补了这方面的不足，因而大有取代铅酸蓄电池的趋势。
在不久的将来，相信磷酸铁锂电池必将成为电动汽车用的主要蓄电池。
从20世纪90年代，美国通用汽车公司率先开发出的纯蓄电池电动汽车EVl，到今天，许多西方先进国家都开发过性能优异的电动汽车，而且已经达到了一般可用的标准。
那么，时至今日，为何电动汽车依然没有普及呢？公认的阻碍就是蓄电池的问题。
其中研究比较多的是蓄电池最关键的性能表征参数“容量”。
研究和使用经验表明，只有保证蓄电池不发生过充、过放，才能有效保证蓄电池的性能，保证系统正常稳定工作。
要保证不发生过度充电、放电，就必须实时地了解电池的“真实容量”和“荷电状态”，从而采取及时科学的控制策略。
然而，蓄电池容量与使用条件密切相关，容量不是一个定值，随着使用条件的改变，蓄电池容量也会跟着改变。
人们平时总是使用蓄电池壳上标注的容量，或是对新电池进行容量测试得到的值，作为长期不变的标准，这也是蓄电池应用中许多问题的根源。
影响蓄电池容量的诸多因素都是非线性且复杂的，电池状态的确定问题，至今没有得到真正的解决。
其中，剩余电量的确定问题是电池状态的确定问题中比较重要的一个方面。
准确的计算预测出电池的剩余电量对于科学合理的使用蓄电池，提高系统运行可靠性和寿命等方面具有重要的意义。
综上所述，磷酸铁锂电池剩余电量计算系统的研究，对于推动电动汽车产业的发展有着重要的意义。
更进一步说，本课题无论是在应对全球能源短缺、气候变化还是在提高人们的生活水平方面都具有很重要的现实意义。
2 磷酸铁锂电池2.1 磷酸铁锂电池简介随着科学技术的发展及电化学材料及工艺技术的进步，人们不断地研究、开发出新型电池材料及新型电池。
继镍镉、镍氢可充电电池之后，在1991年开发出可充电的锂离子电池，1995年又推出性能更好的锂聚合物电池，到2002年，新型磷酸铁锂电池问世。
磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池，由于这个名字太长，通常简称为磷酸铁锂电池。
由于它的性能特别适于动力方面的应用，于是在名称中加入“动力”两字，即磷酸铁锂动力电池。
也有人把它称为“锂铁(LiFe)动力电池”。
目前用作锂离子电池的正极材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。
这些组成电池正极材料的金属元素中，钴(Co)最贵，并且存储量不多，镍(Ni)、锰(Mn)较便宜，而铁(Fe)最便宜，正极材料的价格也与这些金属的价格一致。
因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。
它的另一个特点是对环境无污染。
作为可充电电池的要求是：容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。
采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错，特别在大放电率放电(5～10C放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上，它都是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池[2]。
2.2 磷酸铁锂电池的内部结构和工作原理磷酸铁锂电池的内部结构如图2-1所示。
左边是橄榄石结构的磷酸铁锂作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li +可以通过而电子e -不能通过，右边是由碳(石墨)组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。
电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。
图2-1 磷酸铁锂电池内部结构图磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li +通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li +通过隔膜向正极迁移，工作原理如下。
室温下，LiFePO 4的脱嵌Li 行为实际是形成FePO 4和LiFePO 4的两相界面的两相反应过程。
充电时，Li +从FeO 6层面间迁移出来，经过电解液进入负极，发生Fe 2+向Fe 3+转变的氧化反应，为保持电荷平衡，电子从外电路到达负极；放电时，发生还原反应，与上述过程相反，即充电过程：()4414LiFePO x xFePO e xLi LiFePO -+→+--+ (2-1) 放电过程：()4441FePO x xLiFePO xe xLi FePO -+→++-+ (2-2) +聚合物薄膜Li +FeO 6PO 4石墨2.3 剩余电量的影响因素(1)放电电流随着放电电流的加大，电压下降加快，至终止电压的时间变短。