通用铅酸蓄电池智能监控及其管理系统的研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 3.9MB 59 页 15积分

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摘要

铅酸蓄电池的高性价比使其在不同行业中的应用越来越广泛，但制造工艺的

差别、使用方法的不当以及恶劣的工作环境等都会对铅酸蓄电池的充放电性能和

使用寿命造成影响。为了避免上述状况对用电设备产生负面效应，针对铅酸蓄电

池的监控和管理就显得尤为重要。可是市面上已有的相关产品要么监测方式落

后，测量数据不精确；要么功能单一，难以满足用户的需求，况且一般的民营企

业难以承受其高昂的售价。因此亟需一款监测对象多样，自动化程度高，测量精

度有保证的高性价比铅酸蓄电池智能监控管理系统问世。本文正是在这种强大市

场需求的推动下，以铅酸蓄电池的性能特点为基础，围绕蓄电池智能监控管理系

统的关键技术展开研究，提出一种铅酸蓄电池智能监控管理系统设计方案。

本文首先介绍了铅酸蓄电池的构造特点、电化学性能、相关技术指标、工作

原理以及数学模型等。然后在此基础上广泛深入地研究和探讨铅酸蓄电池智能监

控管理系统设计过程中的关键技术，包括单体电压的测量、电池组电流的监测、

温度的监测、电池剩余电量（SOC）的估算模型以及均衡控制管理等。接着，本

文提供了一种切实可行的通用铅酸蓄电池智能监控管理系统设计方案并且详细介

绍系统各个功能模块的硬件电路设计以及相应的系统软件设计思想，并给出单体

电压采集模块的程序设计方法。除此之外，本文还细述了利用 DWIN DGUS 触摸

屏实现用户与系统信息通信的方法。创新的人机交互方案有别于传统的液晶屏加

按键的组合输入输出方式，使得交互体验更加直接，更加顺畅。

关键词：铅酸蓄电池单体电压采集 DGUS 触摸屏剩余电量

电池智能监控管理系统人机交互

ABSTRACT

The lead-acid batteries have been used in various industries with their cost-

effective performance. But this performance and service life of lead-acid batteries are

always affected by too much factors, such as the differences in manufacturing process,

the improper usage, the bad work environment and so on. So in order to avoid the

negative effects which caused by those factors, it’s extremely vital to monitor and

control the lead-acid batteries performance. In the market, some of the relevant products

have the dated management mode, which can hardly offer the customers accurate

measured data. And some are difficult to meet the customers’ requirements with the

single function. Furthermore, many private enterprises are unable to afford these

relevant products. Therefor, it’s pressing to design and carry out a cost-effective lead-

acid battery intelligent monitor and management system which can monitor various

objects with a high degree of automation and measurement accuracy. Under the strong

market demand, the thesis makes research on the key technology of lead-acid battery

intelligent monitor and management system and offers a design scheme, which based on

lead-acid batteries’ performance characteristics and features.

Firstly, the thesis introduces not only the structure characteristic, electrochemical

property and technical parameters of lead-acid batteries but also the working principle

and mathematical model of them. Then the thesis carries out research and discussion on

the key technology of lead-acid battery intelligent monitor and management system

widely and profoundly, which including cell-voltage sampling, current detection,

temperature monitoring, SOC estimation and balancing control of electric quantity.

Meanwhile, the thesis offers a design scheme of lead-acid battery intelligent monitor

and management system by presenting the hardware circuit design of every function

modules and the software design concept of the system. The programming method of

the cell-voltage sampling module is given by the end of the thesis. Besides, using the

DWIN DGUS screen to realize information communication between the customers and

the system is an innovation point of the thesis. Instead of the traditional input-output

mode, LCD plus keyboard, DGUS screen makes the human-computer interaction more

immediate and cool.

Key Word：Lead-acid Batteries, Cell-voltage Sampling, DGUS Screen,

SOC, Battery Intelligent Monitor and Management System, HMI

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

1.1 课题来源及研究意义 ......................................... 1

1.2 课题研究内容和论文结构 ..................................... 1

1.2.1 课题研究内容 ........................................... 1

1.2.2 论文结构 ............................................... 2

第二章铅酸蓄电池相关性能及数学模型的研究 ........................ 3

2.1 铅酸蓄电池的结构和特点 ..................................... 3

2.2 铅酸蓄电池的工作原理和性能参数 ............................. 4

2.2.1 工作原理 ............................................... 4

2.2.2 性能参数 ............................................... 5

2.3 铅酸蓄电池组的均匀性和一致性 ............................... 7

2.3.1 铅酸蓄电池组的均匀性 ................................... 7

2.3.2 铅酸蓄电池容量的一致性 ................................. 8

2.4 铅酸蓄电池的数学模型 ....................................... 8

2.4.1 电池建模的意义 ......................................... 8

2.4.2 常见的电池模型 ......................................... 8

第三章电池智能监控管理系统关键技术的研究 ....................... 13

3.1 单体电池电压测量技术 ...................................... 13

3.1.1 电阻分压法 ............................................ 13

3.1.2 模拟开关切换法 ........................................ 14

3.1.3 浮动地技术 ............................................ 16

3.1.4 V/F 转换法 ............................................. 17

3.1.5 总线型直接测量法 ...................................... 18

3.1.6 基于专用芯片的测量方式 ................................ 19

3.2 电池组电流监测技术 ........................................ 19

3.2.1 电流监测的特点 ........................................ 19

3.2.2 基于霍尔传感器的电流监测方式 .......................... 19

3.3 温度监测技术 .............................................. 22

3.3.1 温度监测的意义 ........................................ 22

3.3.2 温度监测方案 .......................................... 23

3.4 电池剩余电量（SOC）估算模型 ............................... 23

3.4.1 SOC 的定义 ............................................. 23

3.4.2 剩余电量的经典估算方法 ................................ 24

3.5 电池的均衡控制管理 ........................................ 26

3.5.1 均衡控制管理的意义 .................................... 26

3.5.2 均衡控制管理的分类 .................................... 27

第四章铅酸蓄电池智能监控管理系统的方案设计 ..................... 29

4.1 系统硬件电路设计 .......................................... 29

4.1.1 单体电压测量及均衡电路 ................................ 30

4.1.2 PWM 放电控制电路 ....................................... 32

4.1.3 剩余容量检测电路 ...................................... 33

4.1.4 SPI 隔离通信电路 ....................................... 33

4.1.5 电流测量电路 .......................................... 34

4.1.6 温度监测电路 .......................................... 36

4.1.7 RS232 接口电路 ......................................... 36

4.1.8 声光报警电路 .......................................... 37

4.1.9 电源电路 .............................................. 37

4.2 系统人机交互设计 .......................................... 40

4.2.1 DWIN DGUS 触摸屏 ....................................... 40

4.2.2 DWIN_V4.9 配置工具 ..................................... 40

4.2.3 交互界面设计 .......................................... 41

4.2.4 OS 二次开发平台介绍 .................................... 44

4.2.5 OS 程序设计 ............................................ 45

4.3 系统软件设计 .............................................. 47

4.3.1 系统软件架构 .......................................... 48

4.3.2 编译环境 .............................................. 48

4.3.3 单体电压采集模块的程序设计 ............................ 49

第五章总结与展望 ............................................... 52

5.1 工作总结 .................................................. 52

5.2 展望 ...................................................... 52

参考文献 ........................................................ 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 56

致谢 ............................................................ 57

第一章绪论

1.1 课题来源及研究意义

生产技术成熟、再生率高、使用寿命长、成本低廉等都是铅酸蓄电池的显著

优点，因此它被广泛地应用在通讯电力、交通运输、航天航海等各个领域。并且

随着 UPS（Uninterruptible Power Supply）供电系统在医疗、通信、金融、证券等

行业领域的推广，铅酸蓄电池作为后备电源也变得越来越普遍。当电力供应系统

出现故障或是损坏时，铅酸蓄电池便成为了避免通讯瘫痪、防范医疗事故的最后

一道防线。蓄电池在工作中释放的实际电量以及供电时电压和电流的稳定性关系

着用电设备能否正常运行、通讯是否畅通等等。可是受电池设计结构、工艺质

量、监管方式以及充放电状态等因素制约，蓄电池容量锐减、内阻增大以及提前

失效的现象频发，使得很多蓄电池的使用年限根本达不到标定年限。因此，使用

者除了关心蓄电池本身能够提供的最大容量，也希望可以预先掌握蓄电池的剩余

容量和劣化状态等信息，以便及时更换和修复失效的单体，确保用电设备和供电

系统的正常运行。可是市面上已有的相关产品要么监测方式落后，测量数据不精

确；要么功能单一，难以满足使用者的需求。而且该类产品通常售价昂贵，一般

的民营企业难以承受，亟需一款自动化程度高，监测对象多样，测量精度有保证

的高性价比蓄电池智能监控管理系统问世。另外，依据相关的中华人民共和国国

家标准，不论是对外出口还是境内销售，铅酸蓄电池出厂前都要经过一系列试

验，比如高倍率放电试验、荷电保持能力试验、循环耐久能力试验、快速充电能

力试验等。这些试验大部分是在指定的温度环境下，检测不等的时间里电池组的

放电情况。如果仅仅依靠人工操作的大电阻箱放电，不仅工作量大、连线复杂，

隐患和风险也大大提升，危险性不言而喻。但是通过蓄电池智能监控管理系统一

方面自动监测蓄电池组的放电情况，一方面智能分析判定电池组是否合格，就能

在很大程度上减少风险和隐患。而厂家生产的蓄电池是否符合行业标准、出口的

蓄电池是否达到国际要求，都可以依据蓄电池智能监控管理系统的检测结果给出

客观且精准的结论，而不是单靠销售方的一面之词。更重要的是，在环境日益恶

化的今天，借助蓄电池智能监控管理系统的帮助，对废旧蓄电池的判定也同样有

了手段和依据，这将大大减少因对蓄电池利用价值的误判而造成的化学污染。

1.2 课题研究内容和论文结构

1.2.1 课题研究内容

本课题来源于上海润广节能科技有限公司，围绕铅酸蓄电池智能监控管理系

统展开研究。文章在充分掌握铅酸蓄电池相关特性及工作原理的基础上，广泛深

入地研究和探讨蓄电池智能监控管理系统设计过程中的关键技术，并提供一种铅

上海理工大学硕士学位论文

酸蓄电池智能监控管理系统的软硬件设计方案。该方案将单体电压采集、恒流充

放电、剩余容量检测、热管理以及均衡控制集成在一个系统中，并且采用 DWIN

DGUS 触摸屏取代传统的液晶屏和键盘实现系统的人机交互，以此改善市面上同

类产品功能单一、精确度不高以及价格昂贵的现状，具备较高的工程实用价值。

1.2.2 论文结构

本文共分为五大章节。

第一章首先介绍本课题的来源和研究意义。从商品需求和环境保护的角度出

发，简述现阶段已有的相关产品存在的问题和不足，以及废旧的铅酸蓄电池因为

缺少统一的评判标准而被随意丢弃造成环境污染的境况，凸显课题的研究目的和

应用价值。

第二章从铅酸蓄电池的构造特点、电化学性能、相关技术指标、工作原理以

及数学模型等方面展开论述。只有充分了解和掌握了铅酸蓄电池的性能特点，才

有可能设计出针对性强且更符合实际应用的铅酸蓄电池智能监控管理系统。

第三章主要介绍和探讨蓄电池智能监控管理系统设计中存在的诸多关键技

术。包括单体电压的测量、电池组电流的监测、温度的监测、电池剩余电量

（SOC）的估算模型以及均衡控制管理等。每一个版块都从研究意义、技术原理

以及实施方法等方面详细探讨，为之后铅酸蓄电池智能监控管理系统的方案设计

提供了充实的理论依据。

在充分了解铅酸蓄电池的性能特点以及牢固掌握蓄电池智能监控管理系统的

关键技术的基础上，第四章提供了一种切实可行的铅酸蓄电池智能监控管理系统

设计方案。本章节详细介绍了系统各个功能模块的硬件电路设计方案，且简述相

应的系统软件设计思想并给出单体电压采集模块的程序设计方法。值得一提的

是，本章节也会系统介绍基于 DWIN DGUS 触摸屏的人机交互设计方法。

第五章则是对课题所做工作的总结和展望。通过对已经完成的研究和设计工

作进行归纳和反思，为后续相关工作的开展提供指引和帮助。

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