安防机器人磷酸铁锂电池管理系统研制

摘要

随着人工智能的不断发展，机器人也越来越受欢迎。其中安防机器人在国内的推广也越来越多。而安防机器人要保证长久的工作，需要选用一个容量大，重量轻的电池，因此作为安防机器人的动力来源——电池，也备受关注。作为新一代的动力电池——磷酸铁锂电池，成为了本文的研究对象。设计一个能够准确的、可靠的将磷酸铁锂电池信息采集出来并对磷酸铁锂电池进行管理的电池管理系统（Battery Management System,BMS）是本文的研究内容。对电池的荷电状态（State of charge,SOC)进行精确的估算是电池管理系统能够有效的分析电池电量并进行估算的关键。 本文通过对电池管理系统的发展状况分析，并结合磷酸铁锂电池的结构、工作原理、性能参数和使用特性，设计了用于安防机器人身上的磷酸铁锂电池管理系统。主要包括对安防机器人磷酸铁锂电池管理系统所需功能分析，进行电池管理系统的硬件设计、软件设计、上位机设计和系统实验与分析。具体工作成果如下： 1、电池管理系统的硬件设计。本文设计了主控制器STM32与BQ76930芯片相结合的电路，完成对电池电压、电流和温度信息的采集。考虑均衡电流小，均衡电路设计采用被动均衡方式，并且其均衡结构简单。针对电池充电和放电，本文设计了基于MOSFET的开关电路。最后分析系统所需电源，设计了5V和3.3V电源电路。 2、电池管理系统的软件设计。软件设计部分的主要内容是关于对SOC算法的编程和上位机的界面编写。本文通过比较现有SOC算法，采用了开路电压和安时积分结合，并考虑电池容量衰减，温度参数，来校正SOC的方法。上位机通过Windows下的QT软件编写的串口通信和人机相互界面，完成对电池状态的监控，及充放电控制等功能。 3、完成硬件与软件联调的电池管理系统实验。通过分析实验数据，可以看出本文所研制的磷酸铁锂电池管理系统可准确的实现对电池电压、电流、温度信号的采集，并能很好的估算磷酸铁锂电池的SOC。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 电池管理系统的发展现状

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 安防机器人磷酸铁锂电池管理系统的功能

1.4 本文的研究内容

第二章 磷酸铁锂电池特性分析与SOC估算

2.1.1 磷酸铁锂电池结构

2.1.2 磷酸铁锂电池工作原理

2.2 磷酸铁锂电池性能参数分析

2.3 磷酸铁锂电池的使用特性

2.3.1 磷酸铁锂电池充电特性

2.3.2 磷酸铁锂电池放电特性

2.3.3 磷酸铁锂电池温度特性

2.4 磷酸铁锂电池的优点和缺点

2.5 电池的SOC定义及影响因素

2.6 现有的电池SOC估算方法

2.7 本文采用的SOC估算方法

2.8 本章小结

第三章 电池管理系统硬件设计

3.1 主控电路设计

3.1.1 主控芯片的选择

3.1.2 时钟电路设计

3.1.3 EEPROM设计

3.1.4 串口通信电路设计

3.1.5 CAN通信电路设计

3.1.6 LED显示设计

3.2 数据采集电路设计

3.3 均衡电路设计

3.4 回路控制电路设计

3.5 系统电源电路设计

3.6 PCB与电磁兼容性设计

3.7 本章小结

第四章 电池管理系统软件设计

4.1 软件开发环境

4.2 系统软件主程序设计

4.3 数据采集子程序设计

4.3.1 BQ76930工作模式配置

4.3.2 14-Bit ADC配置

4.3.3 16-Bit CC配置

4.3.4 热敏电阻配置

4.4 I2C子程序设计

4.5 CAN通信子程序设计

4.6 SOC子程序设计

4.7 电池保护子程序程序设计

4.8 上位机程序设计

4.9 本章小结

第五章 电池管理系统实验

5.1 实验条件

5.2 充放电实验

5.3 电池管理系统整体实验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

附录