摘 要

锂电池作为一种高效、可循环使用的动力转换来源和能量储存载体，已经被广泛应用于信息通讯、能源储备、交通出行、军事武器等领域。广阔的可应用范围说明锂电池有着偌大的未来市场，有了市场就会对锂电池产生巨大的需求，这就要求锂电池研究朝着高安全性、长使用寿命、高能量密度等方向进行，其无记忆性和环保性也决定了锂电池将成为可持续发展的新一代动力电池。因而，对锂电池性能的研究也就成了促进锂电池发展中必不可少的一部分。

众所周知，锂电池容量会随着充放电次数的增加而不断减少，此外，影响锂电池性能的因素还有使用温度、充放电电流等。本文就锂电池充放电过程中各性能指标的检测为主要研究对象，基于FPGA芯片设计了一种锂电池性能检测的软硬件系统，概述了数据采集、显示等基本功能，并就各部分功能的技术实现进行了阐述与分析，最后对的得到的数据进行了反思与总结。

关键词：锂电池；FPGA；性能检测

Abstract

As an efficient and recyclable power conversion source and energy storage carrier, lithium batteries have been widely used in information communication, energy storage, transportation, military weapons and other fields. The wide range of applications shows that lithium batteries have a huge future market. With the market, there will be a huge demand for lithium batteries. This requires that lithium battery research be conducted in the direction of high safety, long service life, and high energy density. Its memorylessness and environmental protection also determine that lithium batteries will become a new generation of power batteries for sustainable development. Therefore, research on the performance of lithium batteries has become an indispensable part in promoting the development of lithium batteries.

As we all know, the capacity of lithium batteries will continue to decrease as the number of charge and discharge increases. In addition, the factors that affect the performance of lithium batteries are the use temperature and charge and discharge current. In this paper, the detection of various performance indicators during the charging and discharging of lithium batteries is the main research object. Based on FPGA chips, a hardware and software system for lithium battery performance testing is designed. The technical realization was elaborated and analyzed, and finally the data obtained was reflected and summarized.

Key words：lithium batteries；Field Programmable Gate Array；performance testing

目录

第1章 绪论 1

1.1 设计的背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 设计的目的与基本内容 2

第2章 FPGA技术 4

2.1 FPGA技术简介 4

2.2 FPGA开发流程 5

2.3 硬件描述性语言Verilog 6

第3章 锂电池性能检测系统硬件分析 7

3.1 系统的整体设计 7

3.2 锂电池性能检测部分 7

3.2.1 电能计量模块采集 7

3.2.2 温度测试模块 9

3.3 液晶显示部分 11

第4章 系统的软件实现 12

4.1 电池性能采集部分 12

4.2 温度采集部分 13

4.3 液晶显示部分 14

4.4 串口通信部分 14

第5章 系统调试与分析 16

第6章 总结与展望 18

参考文献 19

附录 20

致谢 27

第1章 绪论

1.1 设计的背景及研究意义

锂电池的研究最早可追溯到20世纪初期，此时的锂电池还是以锂金属及其合金为原材料的锂一次电池。自Gilbert N. Lewis之后，Harris提出放弃使用非水电解质溶液，而采用有机电解质作为代替，这使得锂电池得到快速发展。然而，锂电池不稳定的化学性质要求在制造和保存甚至废弃锂电池的时候具有良好的环境条件，否则非常容易产生火灾或者爆炸，正是因为这点，锂金属电池很长时间都不能得以应用。在1980年代，锂电池被发现可以快速且可逆的嵌入石墨，于是用石墨作负极的锂离子电池诞生了，但当时人们并无法解决锂枝晶析出导致的安全威胁问题^[1]。到了二十世纪末期，各种小型电子设备都越来越多的出现在市场上，而它们都需求可便携的小型电池供电，这大大促进了锂电池产业的发展和使用。

锂电池可以分为锂金属电池和锂离子电池。前者属于一次电池，它以金属锂、二氧化锰等作电极，主要是通过锂的氧化产生电能，当电能使用完毕后只能报废，不能再次使用，并且极容易产生锂枝晶，从而引发短路等危险。而锂离子电池属于二次电池，通常是基于锂离子在电解液中迁移产生能量的。充电的时候，锂离子从正极的钴酸锂中脱离，穿过隔膜中的孔隙在负极与石墨发生反应生成碳化锂，而放电过程则相反。整个过程简单来说其实就是锂离子在正负极材料中的嵌入与脱嵌过程，电解液则是为锂离子提供了一个快速迁移的通道^[2]。锂离子电池相对于锂金属电池来说一定程度上解决了锂枝晶的问题，因为它在正常使用时不进行金属锂的沉积反应，避免了由锂枝晶的过度生长导致刺穿隔膜而发生短路的情况。因此，锂离子电池中的化学反应具有良好的可逆性，即不产生记忆效应。这也使得它在保证高能量密度的同时循环寿命长^[3]。目前，锂电池主要应用于各类电子产品中，并占据了主要市场，而随着人们低碳生活理念的普及，电动交通工具将成为未来主要的出行手段，当前锂电池已经普遍用于电动自行车作动力源，将来也会成为电动汽车等的首要选择。

当前人们越来越意识到生态环保的重要性，追求可持续发展的道路，在能源和资源都有限的情况下，对环保电池的研究也就万万不可停下脚步。锂离子电池的出现激起了各国科研人员的热情，在对环境友好的前提下不断改进。20世纪90年代之后，锂电池产业飞速发展，研究成果也层出不穷，现在已经逐渐替代铅酸蓄电池、磷酸铁锂蓄电池等在各个领域广泛应用。大量使用锂电池一定程度上削弱了人们对煤油、石油等不可再生资源的依赖，虽然它并不能自己产生电能，但是可以将能量暂时储存、转移，从而在需要的时候释放出来。我国也非常鼓励发展锂电池，是世界锂离子电池的主要生产国，但是国内整体技术水平仍有待提升。目前来说，锂电池的产业链比较成熟，成本空间不断缩小，但在储能方面仍应向着高转换效率和高能量密度方向革新，从能源和环保角度出发，我国在此领域仍面临着极大的挑战^[4]。