便携式电动工具锂电池组智能监控系统设计

论文摘要

随着社会的进步,便携式电动工具在我们的生活中应用越来越广泛,作为其电力来源的电池技术也不断发展。从环境保护和重复性使用方面考虑,二次电池的需求量日益增长,而锂电池凭借其独特的优点,如能量密度高、使用寿命长、放电电压高和无记忆效应等,成为便携式电动工具的理想电池。为了满足便携式电动工具对电压和容量的需求,可以用锂电池组来供电。而锂电池相对脆弱,如过充电和高温可能对电池造成极大损坏,对其充放电电路也提出了严格的要求。因此在使用过程中,对锂电池组电压、电流和温度参数的监控以及合理的保护电路是锂电池组正常、安全工作所必不可少的。目前,虽然针对于笔记本和手机等高档的便携式电子设备,有成熟的锂电池管理方案。这种方案也存在一些缺点,仅适合低功率的场合,主要针对单节电池,或4节以下电池组；大多采用专用集成芯片去控制,灵活性较差、不能满足快速发展的新兴设备的需要。本文主要针对小功率的便携式电动工具,设计一个以微控制器为核心的锂电池组智能监控系统,并对锂电池组充电、放电进行保护。控制器实时的采集锂电池组的电压、电流、温度参数,为动态保护控制和剩余电量估算提供依据,同时通过LCD显示信息,可以了解电池的使用状况。在充/放电控制方面,预充电阶段,可由单片机产生的PWM波控制,进行小电流充电,然后进行进入正常充电过程。在充放电中,若出现温度、电压、电流等异常现象,控制系统可有效的切断回路,产生保护作用并发出对应的报警信号。本文首先介绍了锂电池的性能参数,分析了锂电池的充/放电特性,为充/放电控制和均衡控制提高了理论依据。文章分析比较了电压和电流检测的方案,并且设计了检测的硬件电路。锂电池组间单体锂电池性能存在一定的差异性,容易造成某节锂电池过充电、过放电现象,降低电池循环寿命。本文对锂电池组的均衡控制进行了研究,采用了电阻均衡控制方法,在锂电池使用过程中,对锂电池组内各单节锂电池充/放电提供平衡保护,提高了电池组的一致性,能有效延长电池组的使用寿命。本文采用合理的算法对锂电池组剩余电量进行了估算,有一定参考价值。与专用集成保护芯片方案相比,本文采用以微控制器为核心的智能监控系统,能有效对锂电池组进行实时动态保护,延长锂电池使用寿命,有较低的成本和较强的通用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 锂离子电池应用现状
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 课题研究目的和意义
• 1.5 本文的主要内容
• 第2章 锂电池的特性分析
• 2.1 锂电池原理
• 2.2 锂电池的性参数和特点
• 2.3 锂电池的充放电特性
• 2.3.1 锂电池充电特性
• 2.3.2 锂电池放电特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统硬件电路设计
• 3.1 系统微控制器简介
• 3.2 电压测量电路设计
• 3.2.1 共地测量法
• 3.2.2 差分测量法
• 3.3 电流检测电路设计
• 3.4 温度检测电路设计
• 3.5 充/放电控制电路设计
• 3.6 时钟电路设计
• 3.7 液晶显示电路设计
• 3.8 串口电路设计
• 3.9 电源供电模块
• 3.10 本章小结
• 第4章 锂电池组均衡控制和剩余电量估算
• 4.1 锂电池均衡目的
• 4.2 锂电池均衡方法研究
• 4.2.1 电容均衡控制
• 4.2.2 变压器均衡控制
• 4.3 本文采用的均衡控制
• 4.4 剩余电量算法
• 4.4.1 安时积分法
• 4.4.2 开路电压法
• 4.4.3 内阻法
• 4.4.4 卡尔曼滤波法
• 4.4.5 剩余电量方法选择
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统软件设计及结果分析
• 5.1 主控制模块软件设计
• 5.2 监控子模块软件设计
• 5.2.1 电流检测部分
• 5.2.2 电压检测部分
• 5.2.3 温度检测部分
• 5.2.4 PWM控制部分
• 5.3 数据测量和分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 附录