蓄電池剩余容量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

季國棟，王文理

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071000）

0 引言

蓄電池剩余容量是指蓄電池在當(dāng)前狀態(tài)下還可以輸出的電量，通常用電池荷電狀態(tài)SOC（State of Charge）來反應(yīng)電池的剩余容量情況[1]。定義為電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。常用預(yù)測(cè)蓄電池剩余電量方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內(nèi)阻法、安時(shí)積分法[2-3]。這些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法各有其應(yīng)用場(chǎng)合。放電法適用于對(duì)蓄電池進(jìn)行額定容量測(cè)試，不能進(jìn)行快速檢測(cè)，放電結(jié)束需及時(shí)充電；密度法適用于開口式的蓄電池，無法對(duì)密封的閥控式鉛酸蓄電池進(jìn)行檢測(cè)；開路電壓法利用蓄電池端電壓和剩余電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系以達(dá)到對(duì)待測(cè)電池的估算，方法簡(jiǎn)單，由于蓄電池存在蓄電，故此方法誤差較大；安時(shí)法也是對(duì)待測(cè)電池進(jìn)行放電測(cè)試來檢測(cè)其容量，與放電法類似，這種檢測(cè)方法不能用于蓄電池剩余容量檢測(cè)。蓄電池內(nèi)阻越小輸出電流越大，與蓄電池的容量及完好性有密切關(guān)系，可以用內(nèi)阻法來預(yù)測(cè)和評(píng)估蓄電池的性能[3-4]。

1 檢測(cè)方案選擇及其設(shè)計(jì)原理

與市場(chǎng)上采用恒流放電法檢測(cè)蓄電池額定容量的方法不同，本文目的在于設(shè)計(jì)一個(gè)功能靈活、檢測(cè)時(shí)間短的便攜式儀表，只需要對(duì)電池的容量及性能進(jìn)行快速估計(jì)以確定是否符合要求。綜合考慮以上各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終提出恒流放電法和開路電壓法相結(jié)合的方案，簡(jiǎn)稱為恒流放電-端電壓測(cè)量法。恒流放電-端電壓測(cè)量法即通過檢測(cè)鉛酸蓄電池在短時(shí)間恒流放電后的端電壓大小得到蓄電池的SOC并通過內(nèi)阻值判斷蓄電池性能好壞，這種方法相對(duì)比較準(zhǔn)確，可以通過短時(shí)間的恒流放電來降低蓄電池虛電壓的影響。具體工作原理：對(duì)蓄電池施加適當(dāng)?shù)姆烹姾懔髫?fù)載，以一個(gè)確定的大電流I進(jìn)行恒流放電，測(cè)量其特定時(shí)間后（一般為十幾秒）的電壓值U，根據(jù)微控制器已存儲(chǔ)的蓄電池端電壓U和容量SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算其剩余容量。大量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)放電電流選取合適時(shí)，同一類型蓄電池的當(dāng)前電壓 U與電池的實(shí)際容量SOC直接相關(guān)[4-5]，如圖1電池端電壓-容量曲線所示。

電池放電開始瞬間，電壓迅速從開路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài)，在電池負(fù)載電流保持不變時(shí)，電池路端電壓隨SOC變化的規(guī)律與開路電壓隨SOC的變化規(guī)律相似。

圖1 蓄電池端電壓與實(shí)際容量關(guān)系

恒流放電-端電壓法優(yōu)點(diǎn)：蓄電池短時(shí)間恒流放電時(shí)，精度相對(duì)較高，檢測(cè)時(shí)間快。缺點(diǎn)和難點(diǎn)是：在實(shí)際應(yīng)用中需要獲取不同型號(hào)電池大量電壓和電流數(shù)據(jù)，建立電壓和SOC的關(guān)系曲線。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖2所示，控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用低功耗高性能處理器。主要包括按鍵模塊、電源模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、液晶顯示模塊、負(fù)載模塊等部分。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

下面對(duì)這幾部分功能分別介紹。

（1）單片機(jī)：是整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理中心，完成采集到的電壓與剩余電量SOC的關(guān)系轉(zhuǎn)換。

（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：A/D轉(zhuǎn)換電路的作用主要是把采集到的蓄電池電壓信號(hào)和電子負(fù)載電路電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)，完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

（3）恒流負(fù)載模塊：采用電子負(fù)載技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒流放電，主要用于對(duì)待測(cè)蓄電池進(jìn)行短時(shí)間大電流放電。

（4）按鍵模塊：用來切換蓄電池恒流放電電流的大小，能在測(cè)試開始前及測(cè)試終止后切斷負(fù)載電路，防止蓄電池過放電。

（5）顯示模塊：將檢測(cè)到的電壓、電流和 SOC及時(shí)顯示在LCD液晶屏上。

（6）報(bào)警電路：待檢測(cè)電池電量過低時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

（7）被測(cè)電池：主要是針對(duì)12 V閥控式鉛酸蓄電池。

總的工作流程：首先，由按鍵設(shè)置放電電流數(shù)值大小，單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換器按照設(shè)置的電流大小調(diào)節(jié)電子負(fù)載的參考輸入電壓進(jìn)而控制蓄電池放電電流大小。其次，開始放電時(shí)單片機(jī)檢測(cè)恒流負(fù)載的輸出電流是否恒定，若不恒定則調(diào)整D/A輸出電壓大小進(jìn)而調(diào)整蓄電池的放電電流，以實(shí)現(xiàn)待測(cè)電池按照設(shè)置數(shù)值恒流放電。同時(shí)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器采集蓄電池端電壓，若一開始檢測(cè)到蓄電池端電壓大小低于規(guī)定的截止電壓（10.8 V），則切斷恒流負(fù)載停止放電。最后，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過LCD顯示檢測(cè)參數(shù)。

2.2 主控芯片選擇[6]

主控制器選用美國德州儀器的16位超低功耗、高性能微處理器MSP430系列單片機(jī)，具體型號(hào)為MSP430F2418，該芯片內(nèi)部集成多個(gè)功能不同的模擬電路和數(shù)字電路模塊，具有處理速度快、片上資源豐富、開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。該低功耗芯片廣泛應(yīng)用于便攜式儀表設(shè)備。其主要特性：

（1）功耗低，供電電壓 1.8～3.6 V，擁有 16個(gè)中斷源，可以任意嵌套，使用靈活方便，省電模式下可大大降低系統(tǒng)功耗。

（2）采用先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集（RISC），執(zhí)行一條指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期，而傳統(tǒng)的51單片機(jī)需要12個(gè)時(shí)鐘周期。此外，采用DMA、多功能硬件乘法器等先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)不占用CPU周期，提高了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可實(shí)現(xiàn)FFT、DFT等復(fù)雜數(shù)字處理算法。

（3）片上外設(shè)豐富。內(nèi)部集成ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器 AB、硬件乘法器、Flash、RAM、USART12、看門狗模塊WDT等。

（4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定，工作環(huán)境-40～+85℃，芯片內(nèi)部有JTAG接口，方便編程與調(diào)試。

通過對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)容量檢測(cè)儀的智能控制，大大簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)的可重用性好，如需改變電路工作狀態(tài)或者電路參數(shù)，只需簡(jiǎn)單的修改程序即可，從而使電路的升級(jí)改造簡(jiǎn)單易行，實(shí)用性增強(qiáng)。

2.3 電子負(fù)載恒流電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用直流電子負(fù)載模擬實(shí)際負(fù)載，電子負(fù)載有恒流、恒壓、恒阻等模式[7]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需要采用其恒流模式即可滿足需要。在恒流模式下，電子負(fù)載所流入的電流依據(jù)所設(shè)定的電流值保持恒定，與輸入電壓大小無關(guān)。電子負(fù)載與電池連接示意圖和外部特性曲線如下圖3所示。

圖3 電子負(fù)載接法與外部特性

恒流模式下負(fù)載電路如圖4所示，集成運(yùn)放OP07雖然引入了負(fù)反饋，但具有電壓比較器的基本特征。工作原理：R1為輸出端大功率采樣電阻，受熱情況下其阻值改變不大。Vtest是蓄電池接入端的測(cè)試點(diǎn)，Uda的值由按鍵設(shè)置后由單片機(jī)自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，經(jīng)R2和R3分壓后，壓降為U1，則采樣電阻R1端電壓U0=Up=Uda*R3/（R2+R3），輸出電流 I=U0/R1，I即為設(shè)定的電流值。當(dāng)I增加時(shí)，R1的分壓即集成運(yùn)放的反相輸入端Un也增加，從而集成運(yùn)放OP07輸出端電壓減小，即MOS管柵極電壓減小，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通量減少，進(jìn)而R1端分壓減小，引入的負(fù)反饋?zhàn)罱K使Up和Un相等，維持動(dòng)態(tài)平衡。由此，R1上的壓降恒定，流過R1的電流恒定。同理，當(dāng)Vtest減小時(shí)，R1壓降減小，Q1導(dǎo)通程度增大，R1上壓降相對(duì)提高，最終實(shí)現(xiàn)Up=Un，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)定輸出電流I達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[7]。

圖4 電子負(fù)載恒流電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)作為智能控制核心主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）設(shè)定蓄電池恒流放電模式及參數(shù)和放電時(shí)間大小。通過按鍵設(shè)定預(yù)設(shè)值發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過D/A芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量輸出到負(fù)載電路控制端。

（2）采樣輸出電流和電池電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并在LCD液晶上顯示。單片機(jī)通過A/D芯片將采集到的電流和電壓數(shù)值進(jìn)行處理并傳送到液晶屏顯示 SOC、I、U、r及性能好壞。

（3）當(dāng)電流過大時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)過流提示，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過減小D/A輸出電壓降低電子負(fù)載電路的電流，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。

程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)[8]，整體架構(gòu)功能模塊圖如5所示。

圖5 整體架構(gòu)模塊圖

儀表系統(tǒng)中，最主要的功能是對(duì)待測(cè)電池的剩余容量進(jìn)行快速估計(jì)以檢驗(yàn)其續(xù)航能力，方便檢測(cè)人員維修，軟件部分流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文設(shè)計(jì)的蓄電池剩余容量檢測(cè)系統(tǒng)具有恒流放電的功能，首先測(cè)試恒流負(fù)載的功能，通過按鍵分別設(shè)置放電電流的大小，得出一組數(shù)據(jù)如表1。

表1 恒流測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒流負(fù)載能夠達(dá)到基本功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)蓄電池進(jìn)行恒流放電的功能。

對(duì)一系列12 V、7.5 A h的鉛酸蓄電池進(jìn)行檢測(cè)，采取的放電電流為2 A，由微控制器已存儲(chǔ)的鉛酸蓄電池端電壓和剩余容量對(duì)應(yīng)關(guān)系模型得到一組數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

由表格數(shù)據(jù)可知，若12 V鉛酸蓄電池放電到端電壓為 （10.5±0.5）V左右時(shí)，電池也不會(huì)放出太多的電量，此時(shí)應(yīng)該對(duì)電池及時(shí)充電，防止過放電縮短蓄電池的壽命。維護(hù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，一般以放出80%左右額定容量為宜。目的是使鉛酸蓄電池內(nèi)部的正極活性物質(zhì)中保留較多的PbO2粒子，延長蓄電池的使用壽命，提高充放電效率。

5 結(jié)論

鉛酸蓄電池作為一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它在不同負(fù)載條件或不同環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)，實(shí)際可供釋放的剩余電量是不同的，而且隨著使用時(shí)間的增加，其儲(chǔ)備容量和性能也將下降。此外，蓄電池的老化程度和充放電次數(shù)也對(duì)其剩余容量具有影響。下一步為提高測(cè)量精度應(yīng)綜合考慮多方面的因素。總之，本文基于單片機(jī)為核心處理器以恒流放電-端電壓測(cè)量法設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速估測(cè)鉛酸蓄電池的剩余容量，為測(cè)試蓄電池的性能提供了便利，具有很高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

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