一体化电源蓄电池组管理系统研制

摘要

电力系统一体化电源是指由站用或者厂用交流电源、直流操作电源、直流变换电源(DC／DC)、交流不间断电源(UPS)、逆变电源(INV)等组成的可以统一监测控制的成套设备。它们不再各自单独配备蓄电池组，而是共享一组通用蓄电池组。因此，蓄电池组作为交流停电时的唯一后备电源，其运行的稳定性直接影响到变电站或者发电厂的生产运营。
　　近年来，锂离子电池因其体积小、重量轻、安全性高、充放电速率快，无记忆效应等诸多种优点，广泛应用于各个领域。而受锂电池特性和目前在线监测装置性能的局限性，锂电池组的实际应用性能并不理想。蓄电池的状态和寿命如果得不到保证，势必会对电网系统构成极大的安全隐患，同时大量的蓄电池提前报废，也造成了严重的资源和资金的浪费，并加重了环保压力。针对一体化电源蓄电池组管理系统的现状，本文采用凌力尔特（Linear）公司的电池监测芯片 LTC6803，提出了一种基于32位微控制器 STM32的高性能蓄电池组管理系统（battery management system，BMS）的设计方案。
　　本文首先介绍了锂电池的工作原理及特点，分析了其常见的故障机理，并采用了一种基于安时积分的卡尔曼滤波算法实现对荷电状态（State of Charge，SOC）的估算。在此基础上，针对一体化电源中的蓄电池组，采用主从控制结构，提出了BMS各个功能模块的硬件电路设计和软件设计流程。另外，对中央电池管理单元（Central Battery Managing Unit,CBMU）中的电流采集、绝缘检测和电池管理单元（Battery Monitoring Unit，BMU）中的单体电池电压检测、均衡控制方案等关键技术进行了深入研究，并在实验室条件下进行仿真分析及数据实测。
　　实验结果表明，该装置能够对一体化电源蓄电池组的单体电池电压、工作电流、温度及SOC等相关信息进行精确的实时采集和数据分析，并且可以在蓄电池组处于非正常状态时采取及时的声光报警和保护动作，从而保证蓄电池组的运行安全和使用寿命。

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第一章 绪论

1.1 一体化电源的发展概述

1.2 蓄电池组管理系统功能及研究现状

1.3 本课题的研究意义与内容

第二章 锂离子蓄电池的特性

2.1 锂离子蓄电池的优缺点

2.2 锂离子蓄电池的充放电特性

2.3 锂离子蓄电池的主要故障机理

2.4 本章小结

第三章 蓄电池荷电状态（SOC）的估算方法

3.1 SOC的含义及其影响因子

3.2 几种常见SOC估算方法的介绍及比较

3.3 本章小结

第四章 硬件实现

4.1 系统核心处理器芯片的选择

4.2 总体硬件结构的设计

4.3 中央电池管理单元的硬件设计

4.4 电池管理单元的硬件设计

4.5 增加BMS稳定性的硬件措施

4.6 本章小结

第五章 软件实现

5.1 软件开发环境

5.2 BMS软件的主要设计思路

5.3增加BMS稳定性的软件措施

5.4 本章小结

第六章 调试与结果分析

6.1 调试环境及方法

6.2调试结果与分析

6.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间研究成果

致谢

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