锂离子电池在线监测系统的研究与设计

论文摘要

随着锂离子电池需求量迅猛增长,对锂离子电池的产业化生产及产品质量提出了更高要求,同时对锂离子电池在线监测管理设备也提出了严格要求。根据需求,本文设计了一种快速、多通道、高精度、低成本的新型锂离子电池在线监测系统。系统由控制模块、监测模块和相关软件组成。控制模块采用TI公司的TMS320LF2407 DSP处理器,实现了浮点数据的快速运算、处理和显示等功能;监测模块工作在复杂现场环境下,用于在线采集电池参数;辅助软件运行于PC机,集中监测管理实时数据等。在设计过程中,充分的考虑到电池在线监测系统的智能化发展方向、远程集中管理和在线维护的发展趋势。设计系统时重点研究了以下方面内容:首先研究了电池参数的智能化采集与实时预测的原理和方法,并提出了测量方案。电压、电流、内阻、温度、SOC和SOH是实时性变量,需要反复采集,实时处理,发现异常情况报警。利用智能MSP430F149芯片处理完全代替了人工的反复计数和离线预测电池容量的繁琐劳动。接着,实现了微弱信号的在线测量。提出了一种测试内阻的新方法。该方法利用PWM调制恒流源激励电池组,产生了内阻微弱信号,并利用锁相放大技术和基准电阻补偿技术实现了内阻的准确测量。同时,建立了SOC预测的复合估算策略并取得了较好的实验结果。其次,采用特殊设计提高了系统的抗干扰能力和电池组使用的安全性。采用iM4A5-64/32 CPLD代替常用芯片,提高了集成度,减少了布线和芯片间的干扰。采用V/I、I/V变换、双阶带通滤波、差分放大等电路减少了共模电压、工频等干扰。采用电量均衡技术,提高了电池组的整体使用寿命。然后,运用RS485、RS232通信方式,实现了远程集中管理和在线维护。最后,对电池参数的硬件测量,控制功能和软件算法进行了实验验证,并分析了误差产生的原因,对固有误差进行了校准分析。经应用证明系统各项性能指标满足市场需求,具有重要的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 锂离子电池的应用现状
• 1.3 电池在线监测技术研究的现状及发展趋势
• 1.3.1 电池在线监测技术研究的现状
• 1.3.2 电池在线监测技术的发展趋势
• 1.4 课题的意义及本文主要工作
• 1.4.1 课题的意义
• 1.4.2 本文研究内容
• 第2章 锂离子电池的特性研究
• 2.1 锂离子电池的工作原理
• 2.2 锂离子电池的性能参数
• 2.3 锂离子电池的失效原因分析
• 2.3.1 锂离子电池的失效内因分析
• 2.3.2 锂离子电池的失效外因分析
• 2.3.3 锂离子电池的热失控分析
• 2.4 锂离子电池的充放电特性
• 2.4.1 锂离子电池的充电特性
• 2.4.2 锂离子电池的放电特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 锂离子电池在线监测原理及方法
• 3.1 系统设计的总体规划
• 3.1.1 系统的技术要求
• 3.1.2 系统总体技术指标
• 3.1.3 系统总体设计方案及芯片选型原则
• 3.2 电池参数在线监测研究
• 3.2.1 电压测量
• 3.2.2 电流测量
• 3.2.3 温度测量
• 3.2.4 容量预测
• 3.3 微弱信号在线监测技术研究
• 3.3.1 微弱信号监测方法
• 3.3.2 微弱信号在线监测原理
• 3.3.3 微弱信号在线监测设计原则
• 3.4 锂离子电池SOC 预测方法研究
• 3.4.1 电池荷电状态SOC 的基本理论
• 3.4.2 电池SOC 的预测方法分析
• 3.4.3 荷电状态（SOC）估算策略的确定
• 3.4.4 荷电状态（SOC）估算的实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统的硬件设计
• 4.1 系统硬件结构及特点
• 4.2 控制模块硬件的设计
• 4.3 监测模块硬件设计
• 4.3.1 DC/DC 电路设计
• 4.3.2 MSP430 单片机电路及外围电路
• 4.3.3 采样控制电路
• 4.3.4 电池参数测量单元设计
• 4.3.5 电压测量电路设计
• 4.3.6 内阻测量电路设计
• 4.4 通信硬件接口电路设计
• 4.4.1 RS-485 标准及接口芯片
• 4.4.2 RS-485 硬件设计
• 4.4.3 RS-232 硬件设计
• 4.5 均衡控制电路设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统的软件设计及结果分析
• 5.1 主控制模块软件设计
• 5.2 监测模块软件设计
• 5.2.1 MSP430 单片机的软件设计
• 5.2.2 内阻采集程序设计
• 5.2.3 主分控制器间通讯软件设计方法
• 5.3 测试结果及分析
• 5.3.1 运行结果及分析
• 5.3.2 电池测量参数校正分析
• 5.3.3 电池组容量校正分析
• 5.3.4 测试结果误差分析
• 5.4 本章小节
• 结论及展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢