面向小容量电池组的电池管理系统的研究与设计

摘要

电能作为一种清洁能源，可以由水能、太阳能转换得到，减少环境污染的同时也避免了因传统化石能源短缺造成的能源危机。而电池作为一种独立的储能系统，正发挥着越发重要的作用。在电动汽车、无人飞行器和运动机器人等多个领域，动力型锂电池组往往作为其中的供能装置，为了提高电池组的使用效率和使用安全，就需要配套完善合理的电池管理系统（BMS）对电池组进行相关管理和控制，以保证电池组的正常工作。由于电动汽车产业的飞速发展，当前对于电池管理系统研究的重点往往集中大容量电池组方向的研究，但却不适用于低速电动车、助力车和机器人等领域。
　　本文基于三元动力锂电池，设计了一种面向小容量电池组的电池管理系统（BMS）。从三元锂电池特性研究出发，进行特性研究与测试，在此基础上建立了一种补偿滞回电压特性和回弹特性的电池模型。再在模型基础上结合无迹卡尔曼滤波算法进行电池的剩余电量估算，达到了良好的估算效果。本文设计的电池管理系统主要包括剩余电量估算，均衡管理，电压电流检测，数据通讯，热管理，安全保护和信息显示等功能。总体采用基于菊花链的分布式结构，将总体功能分散到主控单元和检测单元两部分来实现。软件开发过程中加入了嵌入式操作系统FreeRTOS，提高了系统资源的使用率，增强了系统实时性。基于MFC设计的上位机界面可以显示系统基本参数，完成人机交互的功能。
　　最后，在实验室环境下对这种面向小容量三元动力锂电池组的电池管理系统进行了总体性的实验验证。通过将测试电池组接入电池管理系统，对电压、电流和温度等重要参数进行采集比对，完成了系统采样精度的验证。同时对均衡管理功能和热管理功能进行了初步验证。最终实现了电池管理系统的主体功能，达到设计要求和目的。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 动力锂电池的特性研究与模型建立

2.1 锂离子电池简介

2.2 三元动力锂电池特性研究

2.3 三元锂电池模型的设计

2.4 电池模型的建立和仿真

第三章 动力锂电池剩余电量估算和均衡管理

3.1 电池荷电状态（SoC）估计

3.2 基于Kalman滤波器的SoC估算方法

3.3 动力锂电池组的均衡管理

3.4 基于LTC6804-1的耗散型均衡管理

3.5 均衡管理的控制策略

第四章 动力锂电池管理系统总体及硬件设计

4.1 电池管理系统的主要功能

4.2 电池管理系统的拓扑结构

4.3 电池管理系统硬件设计

第五章 动力锂电池管理系统软件设计

5.1 检测单元程序设计

5.2 基于FreeRTOS的主控单元程序设计

5.3 基于MFC的上位机软件设计

第六章 动力锂电池管理系统测试

6.1 小容量电池组

6.2 系统集成测试

6.3 系统采集精度测试

6.4 热管理及均衡控制效果测试

总结与展望

参考文献

致谢