便携式仪表电池管理系统研究

摘要

本文以对便携式仪表的研制为背景，以提高便携式仪表的整体性能为主要目标，研究了仪表供电电池和电池管理系统在便携式仪表中的应用及实现方法。通过分析和讨论，本文提出了便携式仪表供电电池的一般选型思路和方法。针对本课题便携式仪表的应用需求，本文进行了供电电池的选型，设计了满足需求的供电电池管理系统，总结了便携式仪表电池管理系统的一般化设计方法。最后，对本文设计电池管理系统的性能进行了测试与验证。
　　 由于便携式仪表的重要特点是便携性，所以这类仪表必须使用电池作为备用电源进行供电。在众多电池类型中，可充电电池使用非常方便，电气等诸多性能均很好的符合便携式仪表的应用需求。现阶段，可充电电池是便携式仪表非常理想的供电电池。目前，主流可充电电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。这些主流可充电电池的特点和性能有较大差异，仪表供电电池的选型是便携式仪表应用的一个重要课题。
　　 便携式仪表供电电池选型时，一般须考虑单体电池电压、单体电池容量、最大放电电流、充电方式、最大充电电流、能量密度、功率密度、高低温充放电效率、循环寿命、自然放电率等电气性能参数对仪表正常工作的影响。此外，还需考虑电池的体积、重量、安全性、有无污染、有无“记忆效应”、成本、技术成熟度等。在供电电池选型时，需综合考虑上述所有因素，特别是电池的电气性能参数。结合仪表的应用需求和应用场合，分析各种类型电池的特点和性能差异，便可选择得到仪表最合适的供电电池。针对本课题便携式仪表的应用需求，本文选择液态锂离子电池为仪表系统进行供电。
　　 为保证电池正常工作，并尽量提升电池组和仪表的整体性能，必须对供电电池进行全面、科学、符合实际需求的保护和管理。针对本课题便携式仪表的应用需求，本文设计的液态锂离子电池管理系统采用将传统的分布式结构和集中式结构相结合的方式。该管理系统功能模块主要有：主备电源切换模块、电源模块、单片机控制模块、充电及充电管理模块、电池组信息采集模块、放电管理模块、保护模块、均衡充电模块、剩余电量检测模块、通信模块等。
　　 根据本课题仪表的应用需求，本文采用续流电感均衡充电方案来实现电池组单体电池的均衡充电。为实现3[％]的荷电状态(State of Charge,SOC)估算精度，本文采用将开路电压法和安-时法相结合的方案来进行电池组荷电状态的估算。
　　 经过实验测试与验证，本文设计的便携式仪表供电电池组充放电性能良好；供电电池组管理系统工作正常，其各个功能模块性能良好，均实现了预期的功能；荷电状态(SOC)估算精度达到了预期目标。设计的电池管理系统提升了供电电池组的安全性、充放电效率、循环使用寿命、稳定性和可靠性，从而提升了仪表的整体性能。