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低温智能电池系统的研究与实现

作　者: 陈翰沫
导　师: 顾海涛
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 智能电池（SBS）电池管理系统(BMS) 低温锂电池低功耗技术 SOC估算
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

工作在野外的远程测量仪表往往需要电池供电1年甚至更长时间，因此需要定期更换电池，以防止仪表因电压过低而被迫关机。锂电池因其能量比高、放电平台平稳、无记忆效应等特点特别适合应用于长期在线的远程测量设备。但低温下锂电池性能恶化一直以来是个非常棘手的问题：冬季短暂的低温严寒让许多本可以正常运行的仪表设备由于电池容量的突然衰减和放电平台的明显下降而被迫关机。由于电池电压衰减的不可预测性大大增加了更换电池的工作量、提高了设备维护成本。针对上述存在的问题提出了一种智能电池系统（SBS）的解决方案，该方案专门针对应用于野外低温环境的北方工况，通过降低电池管理系统（BMS）自身功耗以延长电池的使用寿命，降低维护频率；提高BMS的电量计量精度以得到准确的电量信息，从而更有目的性地更换电池，最大限度减小工作量，优化设备维护工作。智能电池内部嵌入了微型计算机，功能可以根据实际需求进行裁剪，以优化系统的资源配置。整篇文章围绕智能电池的功能模块来阐述。重点内容可以分为四部分：第一部分，探讨了锂电池的结构和充放电工作原理；分析了电池的低温影响因子，阐述了普通电池和低温低电池性能差别的成因，并确定了本课题使用的低温电池。第二部分，分析了智能电池主要组成部分和各自功能；第三部分，着重介绍了软硬的详细设计过程，包括芯片选型、公式推导和计算、电路原理图设计、软件功能顶层设计和底层设计以及上位机管理软件的功能和操作。第四部分，详细地介绍了智能电池系统的测试过程；逐一验证设计需求中所有功能；认真分析了实验数据并总结了实验结果，提出了改进思路。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-17
  1.1 电池管理系统的应用背景  11-12
  1.2 电池管理系统的研究现状  12-14
    1.2.1 国外发展现状  12-13
    1.2.2 国内发展现状  13-14
  1.3 电池管理系统的发展趋势  14-15
  1.4 本课题的研究意义  15
  1.5 本文主要工作  15-17
第二章锂电池基础知识  17-24
  2.1 锂电池的概念  17
  2.2 锂离子电池的特点  17-19
  2.3 二次锂电池的分类  19-20
  2.4 液态锂电池的工作原理  20-22
    2.4.1 组成材料  20-21
    2.4.2 工作原理  21-22
    2.4.3 锂电池低温性能分析  22
  2.5 本课题研究的二次锂离子电池  22-23
  2.6 本章小结  23-24
第三章智能电池系统的设计需求和实现原理  24-34
  3.1 应用案例分析  24
  3.2 智能电池系统设计需求  24-25
  3.3 功能及技术指标  25-26
    3.3.1 基本保护功能  25-26
    3.3.2 充电均衡功能  26
    3.3.3 电量计量及报告续航时间  26
    3.3.4 与上位机通讯  26
  3.4 智能电池均衡和 SOC 估算实现原理  26-30
    3.4.1 充电均衡原理  26-28
    3.4.2 SOC 估算原理  28-30
  3.5 智能电池系统构成  30-33
    3.5.1 结构和功能框图  30-32
    3.5.2 系统工作流程  32-33
  3.6 本章小结  33-34
第四章智能电池系统硬件设计  34-49
  4.1 硬件框图  34-35
  4.2 硬件电路设计  35-48
    4.2.1 充电均衡及 ADC 采样电路  35-36
    4.2.2 保护控制电路  36-38
    4.2.3 电量检测及过流监视  38-42
    4.2.4 电源管理电路  42-43
    4.2.5 低功耗处理器及其外围设计  43-46
    4.2.6 电源设计  46-48
  4.3 本章小结  48-49
第五章智能电池系统软件设计  49-63
  5.1 嵌入式软件顶层设计  49-55
    5.1.1 系统流程总图  49-50
    5.1.2 放电监控模式程序设计  50-53
    5.1.3 充电监控模式程序设计  53-54
    5.1.4 闲置监控模式程序设计  54-55
  5.2 嵌入式软件底层设计  55-59
    5.2.1 档位选择  55-56
    5.2.2 串口通讯  56-58
    5.2.3 单片机的低功耗模式设计  58-59
  5.3 SOC 估算程序设计  59
  5.4 上位机程序设计  59-62
    5.4.1 上位机管理界面  59-61
    5.4.2 上位机程序设计  61-62
  5.5 本章小结  62-63
第六章智能电池系统测试  63-79
  6.1 测试系统简介  63-64
  6.2 智能电池系统功能验证  64-75
    6.2.1 上位机功能验证  65-66
    6.2.2 过充电保护及解除测试  66-67
    6.2.3 过放电保护及解除测试  67-69
    6.2.4 放电过流保护及解除测试  69-70
    6.2.5 过温度保护及解除测试  70
    6.2.6 二段保护测试  70-71
    6.2.7 充电均衡功能测试  71-73
    6.2.8 SOC 估算测试  73-75
  6.3 智能电池系统性能测试  75-78
    6.3.1 智能电池低温性能测试  75-77
    6.3.2 智能电池充电测试  77
    6.3.3 功耗测试  77-78
  6.4 本章小结  78-79
第七章总结与展望  79-81
  7.1 总结  79-80
  7.2 展望  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-86
附录  86

低温智能电池系统的研究与实现

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