便携式仪表电池管理系统研究

论文摘要

本文以对便携式仪表的研制为背景,以提高便携式仪表的整体性能为主要目标,研究了仪表供电电池和电池管理系统在便携式仪表中的应用及实现方法。通过分析和讨论,本文提出了便携式仪表供电电池的一般选型思路和方法。针对本课题便携式仪表的应用需求,本文进行了供电电池的选型,设计了满足需求的供电电池管理系统,总结了便携式仪表电池管理系统的一般化设计方法。最后,对本文设计电池管理系统的性能进行了测试与验证。由于便携式仪表的重要特点是便携性,所以这类仪表必须使用电池作为备用电源进行供电。在众多电池类型中,可充电电池使用非常方便,电气等诸多性能均很好的符合便携式仪表的应用需求。现阶段,可充电电池是便携式仪表非常理想的供电电池。目前,主流可充电电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。这些主流可充电电池的特点和性能有较大差异,仪表供电电池的选型是便携式仪表应用的一个重要课题。便携式仪表供电电池选型时,一般须考虑单体电池电压、单体电池容量、最大放电电流、充电方式、最大充电电流、能量密度、功率密度、高低温充放电效率、循环寿命、自然放电率等电气性能参数对仪表正常工作的影响。此外,还需考虑电池的体积、重量、安全性、有无污染、有无“记忆效应”、成本、技术成熟度等。在供电电池选型时,需综合考虑上述所有因素,特别是电池的电气性能参数。结合仪表的应用需求和应用场合,分析各种类型电池的特点和性能差异,便可选择得到仪表最合适的供电电池。针对本课题便携式仪表的应用需求,本文选择液态锂离子电池为仪表系统进行供电。为保证电池正常工作,并尽量提升电池组和仪表的整体性能,必须对供电电池进行全面、科学、符合实际需求的保护和管理。针对本课题便携式仪表的应用需求,本文设计的液态锂离子电池管理系统采用将传统的分布式结构和集中式结构相结合的方式。该管理系统功能模块主要有:主备电源切换模块、电源模块、单片机控制模块、充电及充电管理模块、电池组信息采集模块、放电管理模块、保护模块、均衡充电模块、剩余电量检测模块、通信模块等。根据本课题仪表的应用需求,本文采用续流电感均衡充电方案来实现电池组单体电池的均衡充电。为实现3%的荷电状态（State of Charge,SOC）估算精度,本文采用将开路电压法和安-时法相结合的方案来进行电池组荷电状态的估算。经过实验测试与验证,本文设计的便携式仪表供电电池组充放电性能良好;供电电池组管理系统工作正常,其各个功能模块性能良好,均实现了预期的功能;荷电状态（SOC）估算精度达到了预期目标。设计的电池管理系统提升了供电电池组的安全性、充放电效率、循环使用寿命、稳定性和可靠性,从而提升了仪表的整体性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 仪表的发展概况
• 1.2 仪表的发展方向
• 1.2.1 智能化
• 1.2.2 综合化
• 1.2.3 总线化
• 1.2.4 网络化
• 1.2.5 开放化
• 1.2.6 虚拟化
• 1.3 便携式仪表的发展
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 便携式仪表供电电池及其选型
• 2.1 便携式仪表的供电电池
• 2.2 电池的性能参数
• 2.2.1 电动势
• 2.2.2 容量
• 2.2.3 开路电压
• 2.2.4 工作电压
• 2.2.5 内阻
• 2.2.6 充放电速率
• 2.2.7 阻抗
• 2.2.8 自然放电率
• 2.2.9 循环寿命
• 2.3 主流可充电电池
• 2.3.1 铅酸电池
• 2.3.2 镍镉电池
• 2.3.3 镍氢电池
• 2.3.4 液态锂离子电池
• 2.3.5 聚合物锂离子电池
• 2.4 便携式仪表供电电池选型
• 2.4.1 供电电池选型的必要性
• 2.4.2 常用可充电电池性能特点
• 2.4.3 常用可充电电池特性对比
• 2.4.4 便携式仪表供电电池选型
• 2.4.4.1 仪表正常工作对电池的要求
• 2.4.4.2 供电电池选型分析
• 2.4.4.3 本课题便携式仪表供电电池选型
• 2.5 本章小结
• 第3章 电池管理系统概述
• 3.1 电池管理系统国内外研究现状
• 3.1.1 国外研究现状
• 3.1.2 国内研究现状
• 3.2 电池管理系统的结构
• 3.2.1 基于专用芯片的电池管理系统
• 3.2.2 智能化电池管理系统
• 3.2.3 主流电池管理系统的特性与应用分析
• 3.2.3.1 主流电池管理系统特性对比
• 3.2.3.2 主流电池管理系统应用场合分析
• 3.2.4 本课题便携式仪表电池管理系统的结构分析
• 3.3 电池管理系统的组成部分
• 3.3.1 充电及充电管理模块
• 3.3.2 主、备电源切换模块
• 3.3.3 放电管理模块
• 3.3.4 保护模块
• 3.3.5 电池组均衡模块
• 3.3.6 剩余电量检测模块
• 3.3.6.1 SOC 的定义
• 3.3.6.2 SOC 的估算方法
• 3.4 电池管理系统的研究热点和发展趋势
• 3.5 本章小结
• 第4章 液态锂离子电池智能管理系统硬件设计
• 4.1 本课题仪表系统供电电池组设计
• 4.2 主备电源切换模块设计
• 4.3 电池管理系统电源模块设计
• 4.3.1 仪表系统+24V 供电电源设计
• 4.3.2 ±15V 电源设计
• 4.3.3 +5V 电源设计
• 4.4 单片机控制模块设计
• 4.4.1 单片机复位电路设计
• 4.4.2 ADC 基准电源设计
• 4.4.3 单片机控制模块设计
• 4.5 充电及充电管理模块设计
• 4.5.1 BUCK 降压器中电感的选择
• 4.5.2 外部电源检测设置
• 4.5.3 外部电源输入电流最大值设置
• 4.5.4 电池组恒流充电电流设置
• 4.5.5 电池组过放电指示电压设置
• 4.5.6 电池组恒压充电电压设置
• 4.5.7 电池组充满电判断方法
• 4.6 电池组信息采集模块设计
• 4.6.1 电池组总电压采集模块设计
• 4.6.2 电池组单体电池电压采集模块设计
• 4.6.3 电池组充电电流采集模块设计
• 4.6.4 电池组放电电流采集模块设计
• 4.6.5 电池组温度采集模块设计
• 4.7 电池组放电管理模块设计
• 4.8 电池组保护模块设计
• 4.8.1 电池组过压保护模块设计
• 4.8.2 电池组过流和短路保护模块设计
• 4.8.3 电池组超出温度范围充放电保护模块设计
• 4.9 电池组均衡充电模块设计
• 4.9.1 本课题电池组均衡充电方案
• 4.9.2 均衡充电电流设置
• 4.10 电池管理系统通信模块设计
• 4.10.1 通信模块电源、地隔离模块设计
• 4.10.2 串口通信模块设计
• 4.10.3 CAN 通信模块设计
• 4.11 本章小结
• 第5章 液态锂离子电池智能管理系统模块功能算法与软件流程
• 5.1 电池管理系统控制模块的组成
• 5.2 各功能模块算法实现和软件流程
• 5.2.1 单片机控制模块
• 5.2.2 信息采集模块
• 5.2.3 充电控制模块
• 5.2.4 均衡充电控制模块
• 5.2.5 放电控制模块
• 5.2.6 剩余电量检测模块
• 5.2.6.1 初始荷电状态SOC0 的估算
• 5.2.6.2 一段时间内电池组充电电量对应荷电状态的估算
• 5.2.6.3 一段时间内电池组放出电量对应荷电状态的估算
• 5.2.6.4 任意时刻电池组剩余电量对应荷电状态的估算
• 5.3 本章小结
• 第6章 液态锂离子电池智能管理系统功能测试与验证
• 6.1 锂离子电池组充放电性能测试与验证
• 6.1.1 电池组充电性能测试
• 6.1.2 电池组恒流放电特性测试
• 6.2 主、备电源切换功能测试与验证
• 6.3 充电功能测试与验证
• 6.4 均衡充电功能测试与验证
• 6.5 电池组保护功能测试与验证
• 6.5.1 过压保护功能测试
• 6.5.2 欠压保护功能测试
• 6.5.3 充电过流保护功能测试
• 6.5.4 放电过流保护功能测试
• 6.5.5 超出温度范围充放电保护功能测试
• 6.6 剩余电量检测精度计算与分析
• 6.6.1 充放电库仑效率测试与计算
• 6.6.2 电池组SOC 估算精度计算
• 6.6.3 结论
• 6.7 RS232 串口通信功能测试
• 6.8 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录