103. 快充电池的设计与制作

　　应用数学很少能出一些比较实际的成果，一般是纯数领域。吴叶青并不希望他在纯数领域打转，希望他跳转出去，在别的领域有所突破和建树，对于此，杨晨表示深深的感激。

　　走到半路，他收到了系统发布的任务。

　　【请宿主完成一篇与应用数学相结合的论文，奖励5000~10000点学霸积分，一次抽奖机会。】

　　来到图书馆，打开笔记本电脑，杨晨深呼吸一口气，写什么好呢？沉思良久，没有什么好的方向，杨晨走到窗户旁边，望着下面的风景。打开手机，刷了一下微信朋友圈，突然他又看到了何梅发的朋友圈：

　　【杨晨学长真厉害，居然找到了欧拉猜想的反例，点赞点赞。】

　　看到此处，杨晨觉得怪怪的，这个何梅总是时刻把自己放在心上，莫不是真对自己有意思？令人感到奇怪的是，她为什么总是在微信朋友圈这么明目张胆的表露出来，难道就不怕周围的人说三道四吗？

　　退出微信，杨晨突然注意到手机只有10%的电量，发出biu的一声响，脑海中突然蹦出一个想法，第一次他和陆惠芳去超市的时候，神不知鬼不觉的两个人的手机前后脚没有电了，这倒是令人蛮尴尬的。

　　顿时，脑海里灵光乍现，这个课题不错，可以研究一下手机的快充技术。

　　有了目标之后，顿时觉得整个人头脑清晰了不少。通过检索得知，现在市面上普遍使用的是锂离子电池。

　　这种电池没有记忆性，快充技术还不普及，运用最多的是恒压充电或恒流充电。而这两种充电技术一般会给电池造成不同程度的损伤，无法带来快充。

　　锂电池的能量密度为540kJ/kg，是镍镉电池能量密度的3~4倍，是镍氢电池能量密度的2~3倍，所以锂离子电池的体积更小，质量更轻，使用寿命可达6年以上。

　　常见的磷酸铁锂电池可充放电2000次，锂离子电池自放电率为每5%~10%，镍镉电池释放率为每月25%~30%，镍氢电池自放电率为30~35%。锂离子电池的工作温度是-20到60℃。

　　要掌握快速充电技术，首先需要了解锂离子电池在充电的过程中的一些性质，控制充电电流或者是充电电压，使它达到一个理想的电流，这样才能够设计出快充来。

　　了解到电池的一些基本信息，杨晨开始着手去想什么情况对电池的危害最小。买了100多个不同容量，不同大小，不同型号的锂电池回来，打算先练练手。这些都是他自己买回来的，如果走学校的流程，时间会相当长。

　　有了这个想法后，杨晨在第一时间找到吴叶青，来到他的办公室的时候，吴叶青抬起头来，诧异的盯着他：“杨晨，这么快就有想法了吗？”

　　杨晨点点头。

　　“说说看。”

　　杨晨把自己的想法讲给吴叶青教授听，吴叶青一愣，说道：“这个想法很好，市面上很多电池都达不到快速充电的效果，如果你能够设计制造成功，将会给电池技术带来一些新的突破。”

　　离开吴叶青的办公室，杨晨来到了电气学院的一间实验室，里面有测量电池容量、示波器、电压源、电流源等设备。

　　当孙赞院长听说杨晨要借用他们的实验设备时，十分欣喜，当即给他叫了一名实验室管理员带他过去。实验室管理员叫杨钊，一一给杨晨介绍这里的设备。

　　有了这些设备，杨晨开始使用恒流源对电池进行充电。施加不同的电流，监控电池自身的状态，如发热量，电解质是否会析出气体等等。电池的热量可以在电池表面贴上温度传感器进行检测。

　　然后采用电压源充电，同样监控电池的充电电流。期间他把这些试验过的样品寄给苏达市的一家电池检测公司，让他们帮忙检测电池电解液的状态，是否有析出沉淀。

　　经过100多组电池的测量摸索，杨晨得到了一些数据，并绘制出图形。这个图形便是随着时间t的延长，锂离子最合适的充电电流值。

　　有了这个图形，算是对锂离子电池的充电性能有了更深入的了解。做完这一切，花费了将近一个月。令他蛋疼的是，检查电池性质的收费真贵，前后共花掉了20万。都是他一个人出的费用，心里在滴血，好在图书出版公司赚了一些利润，很好的填补了这个空白。

　　胖子作为图书出版公司的CEO兼财务，看到杨晨突然要拿出这么大一笔钱，诧异的问道：“最近在做什么呢？”

　　杨晨把情况一说，胖子了解了，若有所思的说道：“看来，你又在干一件大事。”

　　将锂电池的电流曲线绘制出来，并将具体的数字标注在一个Excel里，这是他这段时间获得的核心资产。下一步，他要根据这一性质设计一个电路板，也就是电池小板，根据外界充电器的电压调节充电电流。

　　这一部分，杨晨采用数学建模的方式，把充电器和可充电电池锂电池先看成一个直流电压源e和一个电阻r的串联。

　　当外界的充电器连接上去的时候，需要通过电池小板上可微调的电阻对充电电流进行控制，使充电电流始终维持在杨晨绘制的电流曲线上。

　　外接充电器输出的电压值是一定的，所以微调电阻需要用芯片进行控制。同时杨晨绘制了锂离子电池充电电压与时间的曲线图。

　　为了使研究出来的电池更安全，使用寿命更长，杨晨不仅实现了功能，而且对电池的温度进行适当监控，温度过高或过低，会自动停止充电。充满了电之后，会根据锂离子电池电压检测的下降量△V来判断自动断电。

　　有了这个数学模型后，杨晨当前的做法是如何设计出电池小板，中间不仅要涉及到编程，还要涉及到一些电路设计知识。

　　从实验室抽身出来，杨晨来到图书馆，学习一些编程方面的知识，上次数学建模大赛已经过去很久了，即便他有着超强的记忆力，但一段时间不编程，有些内容掌握起来就容易生疏。

　　然后，他设计了一个电路小板，如何实现这一程序，不仅要去寻找合适的电源管理芯片，还要去筛选电阻电容这些分立器件。

　　书到用时方恨少，自己当时的数字电路和模拟电路并没有达到专家级别，所以这段时间花费了不少时间。这个课题结束之后，杨晨准备了一份PPT，拿给吴叶青教授看。


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