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《最逖О韻低》一百零三. 快充電池的設計與製作
  應用數學很少能出一些比較實際的成果,一般是純數領域。吳葉青並不希望他在純數領域打轉,希望他跳轉出去,在別的領域有所突破和建樹,對於此,楊晨表示深深的感激。

  走到半路,他收到了系統發布的任務。

  【請宿主完成一篇與應用數學相結合的論文,獎勵5000~10000點學霸積分,一次抽獎機會。】

  來到圖書館,打開筆記本電腦,楊晨深呼吸一口氣,寫什麽好呢?沉思良久,沒有什麽好的方向,楊晨走到窗戶旁邊,望著下面的風景。打開手機,刷了一下微信朋友圈,突然他又看到了何梅發的朋友圈:

  【楊晨學長真厲害,居然找到了歐拉猜想的反例,點讚點讚。】

  看到此處,楊晨覺得怪怪的,這個何梅總是時刻把自己放在心上,莫不是真對自己有意思?令人感到奇怪的是,她為什麽總是在微信朋友圈這麽明目張膽的表露出來,難道就不怕周圍的人說三道四嗎?

  退出微信,楊晨突然注意到手機隻有10%的電量,發出biu的一聲響,腦海中突然蹦出一個想法,第一次他和陸惠芳去超市的時候,神不知鬼不覺的兩個人的手機前後腳沒有電了,這倒是令人蠻尷尬的。

  頓時,腦海裡靈光乍現,這個課題不錯,可以研究一下手機的快充技術。

  有了目標之後,頓時覺得整個人頭腦清晰了不少。通過檢索得知,現在市面上普遍使用的是鋰離子電池。

  這種電池沒有記憶性,快充技術還不普及,運用最多的是恆壓充電或恆流充電。而這兩種充電技術一般會給電池造成不同程度的損傷,無法帶來快充。

  鋰電池的能量密度為540kJ/kg,是鎳鎘電池能量密度的3~4倍,是鎳氫電池能量密度的2~3倍,所以鋰離子電池的體積更小,質量更輕,使用壽命可達6年以上。

  常見的磷酸鐵鋰電池可充放電2000次,鋰離子電池自放電率為每5%~10%,鎳鎘電池釋放率為每月25%~30%,鎳氫電池自放電率為30~35%。鋰離子電池的工作溫度是-20到60℃。

  要掌握快速充電技術,首先需要了解鋰離子電池在充電的過程中的一些性質,控制充電電流或者是充電電壓,使它達到一個理想的電流,這樣才能夠設計出快充來。

  了解到電池的一些基本信息,楊晨開始著手去想什麽情況對電池的危害最小。買了100多個不同容量,不同大小,不同型號的鋰電池回來,打算先練練手。這些都是他自己買回來的,如果走學校的流程,時間會相當長。

  有了這個想法後,楊晨在第一時間找到吳葉青,來到他的辦公室的時候,吳葉青抬起頭來,詫異的盯著他:“楊晨,這麽快就有想法了嗎?”

  楊晨點點頭。

  “說說看。”

  楊晨把自己的想法講給吳葉青教授聽,吳葉青一愣,說道:“這個想法很好,市面上很多電池都達不到快速充電的效果,如果你能夠設計製造成功,將會給電池技術帶來一些新的突破。”

  離開吳葉青的辦公室,楊晨來到了電氣學院的一間實驗室,裡面有測量電池容量、示波器、電壓源、電流源等設備。

  當孫讚院長聽說楊晨要借用他們的實驗設備時,十分欣喜,當即給他叫了一名實驗室管理員帶他過去。實驗室管理員叫楊釗,一一給楊晨介紹這裡的設備。

  有了這些設備,

楊晨開始使用恆流源對電池進行充電。施加不同的電流,監控電池自身的狀態,如發熱量,電解質是否會析出氣體等等。電池的熱量可以在電池表面貼上溫度傳感器進行檢測。  然後采用電壓源充電,同樣監控電池的充電電流。期間他把這些試驗過的樣品寄給蘇達市的一家電池檢測公司,讓他們幫忙檢測電池電解液的狀態,是否有析出沉澱。

  經過100多組電池的測量摸索,楊晨得到了一些數據,並繪製出圖形。這個圖形便是隨著時間t的延長,鋰離子最合適的充電電流值。

  有了這個圖形,算是對鋰離子電池的充電性能有了更深入的了解。做完這一切,花費了將近一個月。令他蛋疼的是,檢查電池性質的收費真貴,前後共花掉了20萬。都是他一個人出的費用,心裡在滴血,好在圖書出版公司賺了一些利潤,很好的填補了這個空白。

  胖子作為圖書出版公司的CEO兼財務,看到楊晨突然要拿出這麽大一筆錢,詫異的問道:“最近在做什麽呢?”

  楊晨把情況一說,胖子了解了,若有所思的說道:“看來,你又在乾一件大事。”

  將鋰電池的電流曲線繪製出來,並將具體的數字標注在一個Excel裡,這是他這段時間獲得的核心資產。下一步,他要根據這一性質設計一個電路板, 也就是電池小板,根據外界充電器的電壓調節充電電流。

  這一部分,楊晨采用數學建模的方式,把充電器和可充電電池鋰電池先看成一個直流電壓源e和一個電阻r的串聯。

  當外界的充電器連接上去的時候,需要通過電池小板上可微調的電阻對充電電流進行控制,使充電電流始終維持在楊晨繪製的電流曲線上。

  外接充電器輸出的電壓值是一定的,所以微調電阻需要用芯片進行控制。同時楊晨繪製了鋰離子電池充電電壓與時間的曲線圖。

  為了使研究出來的電池更安全,使用壽命更長,楊晨不僅實現了功能,而且對電池的溫度進行適當監控,溫度過高或過低,會自動停止充電。充滿了電之後,會根據鋰離子電池電壓檢測的下降量△V來判斷自動斷電。

  有了這個數學模型後,楊晨當前的做法是如何設計出電池小板,中間不僅要涉及到編程,還要涉及到一些電路設計知識。

  從實驗室抽身出來,楊晨來到圖書館,學習一些編程方面的知識,上次數學建模大賽已經過去很久了,即便他有著超強的記憶力,但一段時間不編程,有些內容掌握起來就容易生疏。

  然後,他設計了一個電路小板,如何實現這一程序,不僅要去尋找合適的電源管理芯片,還要去篩選電阻電容這些分立器件。

  書到用時方恨少,自己當時的數字電路和模擬電路並沒有達到專家級別,所以這段時間花費了不少時間。這個課題結束之後,楊晨準備了一份PPT,拿給吳葉青教授看。
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