一種基于單片機(jī)的剩余容量在線檢測新方法

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(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

0 引 言

目前，隨著電動車行業(yè)的發(fā)展，人們不僅享受到擁有電動車對于出行的便捷性，也常常被電動車蓄電池的充電速度、續(xù)航能力、使用壽命等問題所困擾。尤其是人們常常需要了解電池的剩余容量的實時狀況以更方便的出行，就好比我們想要知道汽車油箱里的油還有多少一樣。而且，對蓄電池剩余容量有較準(zhǔn)確的認(rèn)識對于防止蓄電池的過充、過放有著至關(guān)重要的意義[1-4]。因而，蓄電池剩余容量的檢測在當(dāng)下成為了一個比較熱門的話題。傳統(tǒng)測電池剩余容量的方法有：密度法、開路電壓法、內(nèi)阻法和電量積累法[5-8]。對于密封式蓄電池，密度法不適用。開路電壓法無法實現(xiàn)在線檢測。對于內(nèi)阻法，由于電池內(nèi)阻與電池及其微小，其與剩余電量之間關(guān)系比較復(fù)雜，通用性也比較差。對于電量積累法，因為不能抑制使用中的積累誤差帶來的估算偏差，因此測量不夠準(zhǔn)確，常常需要比較困難的校準(zhǔn)[9-11]?？紤]到這些傳統(tǒng)方法在應(yīng)用中存在的以上問題，采用本文介紹一種利用回跳電壓估算剩余容量的新方法，該方法能夠更加便捷可靠地在線檢測蓄電池的剩余容量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包括電壓、電流和溫度檢測部分、單片機(jī)系統(tǒng)、輸出顯示及報警部分。主要工作過程由單片機(jī)檢測蓄電池的工作電流，當(dāng)蓄電池短暫脫離負(fù)載時，電流為零，此時電池的電壓會有一個跳變，稱之為回跳電壓，單片機(jī)這時采集這個回跳電壓信號和溫度信號并按一定的算法求出剩余容量送顯，在不足10%容量時啟動報警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要硬件電路設(shè)計

硬件電路的設(shè)計部分主要包括電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)采集部分，由于輸送至單片機(jī)的信號應(yīng)為數(shù)字信號，故需要將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，又考慮到實際所測的模擬量值必須在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程范圍之內(nèi)，故數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計是個重要內(nèi)容。

2.1 電壓采集模塊

電壓采集由運放及電阻完成，由于蓄電池的回跳電壓范圍為10.5～13 V之間，而A/D芯片的輸入范圍為0～5 V，由運放實現(xiàn)回跳電壓(如圖2中vi)和參考電壓vref1的比較輸出適合A/D的電壓水平，參考電壓Vref1可用AD584產(chǎn)生10 V的基準(zhǔn)電壓，則輸出端的電壓范圍為0.5～3 V提供給A/D的通道。電壓采集模塊如圖2所示。

圖2 電壓采集模塊

2.2 電流采集模塊

電流采集由運放及電阻完成，輸入的電流經(jīng)電阻R1、R2，取R2上電壓，將電流采集轉(zhuǎn)換成電壓采集并通過電壓跟隨器取出電壓，為達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器所能輸入的量程，再將所得電壓輸入到反饋放大電路中，放大倍數(shù)為1+，據(jù)此來選擇適當(dāng)阻值的電阻。電流采集模塊如圖3所示。

圖3 電流采集模塊

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

芯片ADC0809為一個8路8位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其工作電壓為0～5 V，同時帶有SPI并行總線接口。單片機(jī)的定時器產(chǎn)生2 MHz的外部時鐘信號給A/D芯片的CLK腳，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)。A/D的參考電壓采用5 V基準(zhǔn)電壓。

2.4 溫度檢測模塊

外界環(huán)境的溫度對鉛酸蓄電池剩余容量有影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，回跳電壓與電池的剩余容量呈現(xiàn)一定的正比關(guān)系，即回跳電壓的值越大，剩余容量越大；溫度越高，回跳電壓所表示的剩余容量越小。根據(jù)檢測到的溫度來確定不同算法的修正方式，使計算得到的電池剩余容量值更加準(zhǔn)確合理。

本設(shè)計的溫度檢測裝置采用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20擁有獨特的單線接線方式，在與單片機(jī)連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通訊。測溫范圍-55～+125 ℃，固有測溫誤差1 ℃。能夠較準(zhǔn)確、迅速地檢測出環(huán)境溫度并輸送至單片機(jī)。

2.5 顯示及報警

剩余容量值經(jīng)修正后送至LED顯示，顯示模塊由三合一共陰LED數(shù)碼管、譯碼器、反相器和限流電阻組成。報警系統(tǒng)由蜂鳴器、三極管、電阻組成，若剩余容量低于10%，則啟動報警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化編程，主流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主流程圖

主要包括主程序、系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、電流判定程序、計算修正程序以及顯示報警程序。主程序模塊是中心模塊，控制其他各個模塊使其高效可靠運行，使系統(tǒng)工作更加順利。

數(shù)據(jù)采集程序循環(huán)運行，實時采集電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)以及控制A/D轉(zhuǎn)換，通過控制A/D轉(zhuǎn)換通道，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時，由于在測量過程中存在一些干擾，在軟件方面還要采用復(fù)合數(shù)字濾波以減小干擾信號造成的誤差。這樣就使各數(shù)據(jù)

能夠迅速準(zhǔn)確反映至單片機(jī)內(nèi)部，再經(jīng)過一系列處理計算得到電池的剩余容量，最后將所得結(jié)果送顯或報警。

在實際應(yīng)用中，存在蓄電池持續(xù)供電不間斷的情況，此時，需要采用單片機(jī)系統(tǒng)的定時功能。在數(shù)據(jù)采集階段，如果在規(guī)定的時間內(nèi)電流一直不為零，就通過定時功能短暫切斷供電回路以采集數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種以單片機(jī)為核心，兼顧溫度對測量的影響，通過對鉛酸蓄電池離線回跳電壓的檢測來進(jìn)行在線估算蓄電池剩余容量的新方法，實現(xiàn)了檢測的智能化。本文所介紹的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高,滿足蓄電池在線檢測剩余容量的要求，有較優(yōu)越的應(yīng)用價值。

特別致謝“大學(xué)生實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”(項目國家級編號：201311055003)和常州工學(xué)院“大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目”(項目編號：J120712)對項目的支持！

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