矿用救生舱锂电池管理系统的应用研究

摘要

矿用救生舱是一种用在地下矿山发生诸如爆炸、瓦斯、冒顶、外因火灾、塌方冒顶或者有毒有害气体逸散时，供矿工紧急避险的生命庇护场所[2]。矿用救生舱内主要有氧气供应系统、通信系统、温度调节系统、环境监测系统、动力供应系、医疗救护系统、照明系统等组成。其中氧气供应系统、动力供应系统以及通信系统不仅是矿用救生舱的关键系统，也是衡量救生舱提供庇护能力的核心指标。但是在发生灾变时外电都会断开主要依靠电池的备用电源提供动力，而由电池构成的备用电源是由多节单体电池串联供电，要保证电池能够安全稳定的运行要配备合理科学的电池管理系统。
　　本课题研究的矿用救生舱锂电池管理系统就是要保证电池能够时刻正常运行且不发生电池爆炸等危险事故，结合实际应用本课题主要内容有:
　　1)本课题首先介绍了电池管理系统概念以及意义，然后根据要求确定具有矿用救生舱特色的电池管理系统。
　　2)对磷酸铁锂锂离子单体电池特性以及磷酸铁锂锂离子电池组进行相关实验，分析了一些影响电池充放电容量和端电压的的因素。
　　3)分析影响电池管理系统中电池荷电状态(SOC)估算的因素，简述了现有的SOC估算方法并提出了本课题估算SOC使用的方法，最后介绍了SOC估算中参数的取得。
　　4)设计矿用救生舱锂电池管理系统的硬件电路，根据本课题电池管理系统的整体结构和所要实现的功能设计了出具体电路。
　　5)介绍了电池管理系统的软件设计，为了便于实验方面运用Visual Basic实现电池管理系统的上位机软件设计，提供了GUI界面，能够实时掌握电池单体的电压、温度、总电压、总电流，SOC等信息以及故障报警信息。
　　6)根据应用实际进行相关实验，检验电池管理系统的设计是否达到课题的要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 矿用救生舱的发展

1．2 矿用救生舱用电池的发展

1．2．1 矿用救生舱用电池的概述

1．2．2 矿用救生舱用锂电池的发展

1．3 矿用救生舱锂电池管理系统

1．3．1 电池管理系统的简介

1．3．2 矿用救生舱锂电池管理系统使用的必要性

1．4 主要研究内容

2 矿用救生舱锂电池的性能分析

2．1 锂电池的工作原理与性能特点

2．1．1 工作原理

2．1．2 性能特点

2．2 锂电池基本电特性

2．2．1 电压水准

2．2．2 电池容量

2．2．3 充放电电流

2．2．4 内阻

2．3 锂电池单体的特性分析

2．3．1 单体锂电池的充放电特性

2．3．2 单体锂电池在不同温度下的充放电特性

2．4 锂电池组的特性分析

2．4．1 锂离子电池组的结构

2．4．2 锂电池组的充放电特性

2．4．3 锂电池组在不同温度下的放电特性

2．5 本章小结

3 电池管理系统中荷电状态的估算策略

3．1 电池荷电状态(SOC)的定义

3．2 影响荷电状态估算的因素

3．2．1 温度

3．2．2 放电倍率

3．2．3 自放电率

3．2．4 电池寿命

3．3 现有的荷电状态的估算方法

3．3．1 安时法

3．3．2 开路电压法

3．3．3 电动势法

3．3．4 卡尔曼滤波法

3．3．5 模糊推理和神经网络法

3．4 本系统选用的SOC估算方法

3．4．1 本系统的算法原理

3．4．2 电动势法参数的取得

3．4．3 安时法修正因子的取得

3．5 本章小结

4 电池管理系统的硬件设计

4．1 电池监控芯片的简介

4．2 信号的采集电路

4．2．1 单体电池电压采集电路

4．2．2 单体电池温度采集电路

4．2．3 总电流采集电路

4．2．4 总电压采集电路

4．3 单体电池均衡电路

4．4 外围电路设计

4．4．1 供电电源

4．4．2 通信电路

4．4．3 隔离电路

4．4．4 数据存储电路

4．4．4 短路保护电路

4．5 本章小结

5 电池管理系统的软件设计

5．1 软件开发环境

5．2 系统总体设计架构

5．3 主程序及相关子程序

5．3．1 主程序设计

5．3．2 数据采集及处理任务

5．3．3 SOC算法任务

5．3．4 通信任务

5．4 本章小结

6 实验过程及结果

6．1 实验装置

6．2 实验内容及结果

6．2．1 信号的采集

6．2．2 电池组荷电状态实验

6．2．3 模拟故障信号实验

6．2．4 电池单体均衡实验

6．3 本章小结

7 全文总结与研究展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果