一種基于單片機的鋰電池退化報警裝置設(shè)計

郭其金　王化南　李蓓

【摘 要】本文以鋰電池為研究對象，為了能夠較好的對鋰電池的退化程度進(jìn)行及時監(jiān)測，設(shè)計了一種基于單片機的鋰電池退化報警裝置。通過對電池電壓、放電電流、內(nèi)阻、環(huán)境溫度、電池容量進(jìn)行測量，經(jīng)單片機進(jìn)行相應(yīng)的處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和報警。該設(shè)計成本較低、易于操作，所得結(jié)果較為直觀、可靠，也具有較高的實用價值。

【關(guān)鍵詞】鋰電池；退化；檢測；單片機；報警

0 引言

如今，越來越多的電氣化產(chǎn)品應(yīng)用電池作為供電系統(tǒng)，但是多個周期的充放電循環(huán)后，鋰電池的端電壓會變低，放出的容量也隨之變少。如果在電池退化報廢后不及時的更換電池，它會帶來很多的意外傷害。因此對鋰電池退化檢測裝置的研究具有重要意義。就目前國內(nèi)外對鋰電池檢測裝置的研究現(xiàn)狀來看，在研制與應(yīng)用方面依然有許多不足之處，部分系統(tǒng)可靠性不夠高，對檢測到的數(shù)據(jù)的處理與分析的能力不理想、自動化水平不高，導(dǎo)致了設(shè)備無法滿足較大規(guī)模生產(chǎn)的需要，節(jié)能性不夠理想。因此給實際的應(yīng)用檢測帶來了較大的不便和困難。考慮到上述的一系列問題，采用本文介紹的一種基于單片機的鋰電池退化報警裝置設(shè)計，該設(shè)計能夠增加檢測的可靠性和準(zhǔn)確度，可以檢測電池的多項參數(shù)，更加的自動化和智能化。

1 總體設(shè)計思路及數(shù)據(jù)處理

1.1 總體設(shè)計

總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框主要包括電壓、電流、溫度、內(nèi)阻及容量檢測部分、單片機系統(tǒng)、輸出顯示及報警部分。在正常工作狀況下，鋰電池可以放出的容量都在一定的范圍，當(dāng)待檢測的鋰電池進(jìn)行放電時，它放出的容量不在這個范圍內(nèi)，就說明電池退化，此時電路報警。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先對信號進(jìn)行檢測和獲取，隨即進(jìn)行數(shù)字與模擬信號的轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)并與設(shè)定值進(jìn)行比較。從而實現(xiàn)各參數(shù)的數(shù)據(jù)處理。

2 主要硬件電路設(shè)計

硬件電路的設(shè)計部分主要包括電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)采集部分以及報警和顯示單元部分，且需將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸送至單片機。

2.1 電流電壓采樣電路設(shè)計

利用轉(zhuǎn)換芯片PCF8591把程序里所給的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的模擬信號，再由它的AOUT端輸出到運放芯片LM358的第一個運算放大器的同相輸入端，該電壓信號使運放輸出高電平，與其對應(yīng)的驅(qū)動處于放大狀態(tài)，取樣電阻R對地輸出電流。因為運放反相端連接著電流采集電路構(gòu)成負(fù)反饋，因此電流會被限制在一個與D/A轉(zhuǎn)換值相對應(yīng)的值上面，這樣設(shè)計就起到了控制放電電流大小的作用。

由取樣電阻R獲得一樣與電流相關(guān)的電壓信號，電流傳感器MAX4080將這個信號放大20倍之后，送入PCF8591，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯臄?shù)字信號，輸入到主控芯片中，然后在顯示屏上顯示，這樣就完成了電流的采樣。

待測電池電壓經(jīng)分壓后送入PCF8591經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為電壓數(shù)字量，輸入到單片機，然后在LCD上顯示。

2.2 內(nèi)阻檢測單元的設(shè)計

PCF8591使不同的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)榕c之相對應(yīng)的模擬信號，輸入到運放的同相端，實現(xiàn)了改變電流大小的功能。通過電流電壓采樣電路測得電流電壓的大小，由公式算出電池內(nèi)阻的大小。

2.3 容量檢測單元的設(shè)計

引起鋰電池的容量減少的原因有很多種，充放電會導(dǎo)致容量降低，倘若鋰電池很久沒人使用的話，容量同樣也會減少，這種方式對電池造成的傷害甚至比鋰電池經(jīng)過多次充放電循環(huán)的造成的傷害嚴(yán)重的多，造成這種情況的原因就是充放電不會使活性物質(zhì)完全喪失活性，而放置很久就會完全喪失活性。活性降低就致使容量的變低，當(dāng)這種情況發(fā)展到一定地步，就說明電池退化了。而經(jīng)過次左右的充放電循環(huán)后，新的鋰電池通常還可以放出70%以上的容量。

在使用過程中需要了解鋰電池的實際容量，而通過相應(yīng)的實驗參數(shù)獲取并計算可得到電池實際容量。

2.4 溫度檢測單元的設(shè)計

設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器，該型號傳感器可實現(xiàn)高精度測溫，方便有效。在本設(shè)計中將其電源引腳（第3腳）接5V電壓，DQ引腳與STC89C52單片機P2.0口相連。元件1引腳為接地信號。因為此傳感器的工作電流在毫安左右，所以在VCC和DQ引腳之間需要接一個阻值為4.7K的電阻來進(jìn)行保護。

2.5 報警單元電路設(shè)計

報警電路是利用蜂鳴器進(jìn)行報警輸出，為了防止三極管燒毀，加入一個阻值為1K的電阻進(jìn)行保護。其工作原理是在對鋰電池進(jìn)行檢測過程中，測量值先會通過各轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換，然后再存儲到單片機當(dāng)中，單片機根據(jù)事先設(shè)定的電流值、溫度值和容量的正常范圍值來確定是否存在異常，當(dāng)所測參數(shù)不符合預(yù)設(shè)的參數(shù)上限或低于參數(shù)下限時，數(shù)據(jù)口P1.6便相應(yīng)的拉低電平使PNP8550三極管導(dǎo)通報警，作為報警輸出，蜂鳴器接通鳴叫；而當(dāng)參數(shù)在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)口P1.6為高電平，PNP8550三極管不導(dǎo)通，則蜂鳴器與電源斷開不工作。

2.6 顯示單元電路設(shè)計

顯示采用的是LCD1602，在設(shè)計中，其3管腳接一個10K電阻進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)；4管腳接單片機P2.5端口，5管腳接P2.6端口，6管腳接P2.7端口，7至14接單片機的P0口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化編程，主要包括溫度檢測程序、A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序、計算程序、中斷程序、顯示程序、參數(shù)判定程序及報警程序。

在溫度檢測程序中，通過程序?qū)2.0引腳的高電平，低電平控制，特定時間的延時以及特定的控制指令，完成對DS18B20的初始化，獲取溫度。隨后進(jìn)行電壓、電流與內(nèi)阻的采集，通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中，要采用軟件濾波來減小干擾。同時，本設(shè)計還利用單片機系統(tǒng)的定時功能來解決因電池持續(xù)供電不便采集數(shù)據(jù)的問題。而在參數(shù)判定環(huán)節(jié)，任一參數(shù)超出所給定的參數(shù)范圍，都會導(dǎo)致報警。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種以單片機為處理核心，通過對電池電壓、電流、內(nèi)阻、溫度及容量的實時檢測與計算來完成對鋰電池退化程度的報警，實現(xiàn)了檢測的智能化。本文所介紹的裝置具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，同時實時性較強，顯示結(jié)果較為直觀，有較優(yōu)越的應(yīng)用價值。

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[責(zé)任編輯：張濤]