一種小型鋁空氣電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

文/杜益帆 賴忠喜

1 引言

鋁-空氣電池是以鋁合金為負(fù)極、空氣電極為正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解質(zhì)構(gòu)成的一種新型高能量化學(xué)電源，該電池具有成本低、能量密度大、質(zhì)量輕、材料來源豐富、無污染、可靠性高、壽命長、使用安全等優(yōu)點，在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。但是鋁空氣電池在使用過程中會出現(xiàn)欠壓，過流與電解液過溫等現(xiàn)象，造成鋁空氣電池不可逆的損害，降低鋁空氣電池的使用壽命，為此本文利用先進的計算機控制技術(shù)和傳感技術(shù)有機地結(jié)合起來，設(shè)計了一種鋁空氣電池管理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提高鋁-空氣電池的智能性和穩(wěn)定性，進而能夠提高鋁空電池的使用壽命和使用效率。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1為鋁空氣電池管理控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、電解液降溫模塊、單片機模塊、放電保護模塊、電源模塊等構(gòu)成，單片機模塊通過數(shù)據(jù)采集模塊采集鋁空氣電池的運行參數(shù)（輸出電流、輸出電壓和電解液溫度），然后根據(jù)所采集的這些參數(shù)對各個模塊進行相應(yīng)的控制，使鋁空氣電池工作在最佳的工作狀態(tài)，當(dāng)鋁空氣電池出現(xiàn)過流，欠壓和電解液過溫時，系統(tǒng)通過放電保護模塊切開鋁空氣電池與負(fù)載的連接，從而保證鋁空氣電池高效、安全、穩(wěn)定的運行。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 單片機的選擇

單片機模塊采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC15W408AS單片機, STC15W408AS單片機內(nèi)部有512字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器，具有8通道10位高速ADC和5個定時器，可在系統(tǒng)編程與仿真，同時該單片機具有大容量片內(nèi)EEPROM功能，擦除次數(shù)10萬次以上，內(nèi)置高精度R/C時鐘和高可靠復(fù)位電路，不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，非常適合在此場合應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集鋁空氣電池的運行參數(shù)，其電路原理圖如圖2所示，電流采集模塊采用Allegro

公司生產(chǎn)的ACS712-X20A電流傳感器，該傳感器單5V供電，在25℃時其輸出總誤差為1.5%，測量范圍為-20～20A，圖中IN+端接著鋁空氣電池的正極，IN-端與電源模塊和放電保護模塊的輸入端相連，電流傳感器輸出的電壓信號通過濾波電路后輸入到單片機的ADC1引腳。

鋁空氣電池的輸出電壓通過電阻分壓的方法采集得到，圖2中R22和R25為精度0.1%的高精密電阻，鋁空氣電池的輸出電壓經(jīng)過兩個電阻的分壓后通過由R24和C57組成的濾波電路，濾除干擾信號后將其送入到單片機的ADC輸入通道，圖中的二極管D5和D6組成二極管鉗位電路對單片機起到保護作用。

電解液溫度傳感器選用美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，該傳感器的測量范圍為-50℃～+125℃，轉(zhuǎn)換時間小于750ms，精度可達 0.1℃。圖中DS18B20的VCC引腳接+5V，輸出引腳DQ連接到單片機的P1.7口上，為了能夠使單片機讀取穩(wěn)定的高電平，在VCC和DQ引腳上接了一個4.7K的上拉電阻。

3.3 放電保護模塊的設(shè)計

放電保護模塊電路原理圖如圖3所示，圖中FD與單片機的P3.6引腳相連。當(dāng)鋁空氣電池正常工作時，單片機控制FD端口輸出高電平，三級管Q4飽和導(dǎo)通，此時MOS管Q3的柵極電壓接近于0V，則MOS管Q3導(dǎo)通，鋁空氣電池為負(fù)載供電，而當(dāng)鋁空氣電池出現(xiàn)過流，欠壓和電解液過溫時，單片機會控制FD端口輸出低電平，此時Q4，Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，鋁空氣電池與負(fù)載斷開連接，從而保護鋁空氣電池免遭損壞。

3.4 電源模塊電路原理圖

電源模塊主要為系統(tǒng)的各個元器件提供電源，本系統(tǒng)器件都是由+5V來進行供電，由于該鋁空氣電池由5個鋁-空氣電池單體串聯(lián)而成，而每個單體的工作電壓在0.8V到1.5V之間，也即該鋁空氣電池組的輸出工作電壓為4V～7.5V之間，為此本采用TI公司生產(chǎn)的電壓降壓-升壓轉(zhuǎn)換器TPS63061,該芯片具有降壓和升壓模式間自動切換，靜態(tài)電流小，效率高達93%，電源模塊電路原理圖如圖4所示。

3.5 其它模塊的設(shè)計

液晶顯示模塊采用0.96寸的OLED液晶顯示器模塊，該模塊通過I2C接口與單片機模塊進行通訊，用于實時顯示鋁空氣電池的剩余電量（SOC）、輸出電流、輸出電壓和電解液溫度。

電解液降溫模塊由風(fēng)扇驅(qū)動模塊和散熱風(fēng)扇構(gòu)成，風(fēng)扇驅(qū)動模塊由MOS管、電阻、二極管和電容所組成，用于接收單片機輸出的PWM控制信號從而驅(qū)動散熱風(fēng)扇，使電解液溫度控制在合適的范圍內(nèi)。

報警模塊由蜂鳴器和發(fā)光二極管所組成，主要用于當(dāng)鋁空氣電池出現(xiàn)過流、欠壓、和電解液溫度過高時，發(fā)出報警信號，提醒用戶采取相應(yīng)的安全措施。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

用KEIL C編程軟件編寫了系統(tǒng)程序，圖5為系統(tǒng)的主程序流程圖，當(dāng)用戶開始使用鋁空氣電池時，首先將電解液倒入電解液箱里，激活鋁空氣電池，系統(tǒng)開始工作，單片機首先完成相關(guān)變量、I/O口、AD轉(zhuǎn)換器和定時器等的初始化工作，接著單片機從EEPROM里讀取上次所存儲的鋁空氣電池SOC，然后通過數(shù)據(jù)采集模塊實時采集鋁空氣電池的運行參數(shù)，接著單片機根據(jù)所采集的運行參數(shù)對系統(tǒng)的各個模塊進行控制，具體為：

（1）單片機根據(jù)所采集的電解液溫度輸出PWM波控制風(fēng)扇驅(qū)動模塊，使電解液溫度控制在合適范圍內(nèi)。

（2）定時每過1S，采用安時積分法計算當(dāng)前的SOC值。

（3）定時每過30S將當(dāng)前的SOC值存儲到單片機的EEPROM中。

（4）將采集的運行參數(shù)和當(dāng)前的SOC值顯示在液晶顯示器上。

圖2：數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖

圖3：放電保護模塊電路原理圖

圖4：電源模塊電路原理圖

圖5：系統(tǒng)主程序流程圖

（5）如果采集的參數(shù)超過了報警值，系統(tǒng)則會發(fā)出報警同時通過放電保護模塊斷開鋁空氣電池與負(fù)載的連接，保證鋁空氣電池安全可靠的運行。

5 總結(jié)

為提高鋁空氣電池的使用效率和使用壽命，設(shè)計了一種以STC15W408AS單片機為核心的鋁空氣電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對鋁空氣電池運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，而且還具有多種智能保護和故障報警功能，保證了鋁空氣電池運行的安全性和高效性。