基于單片機(jī)的蓄電池電量檢測(cè)系統(tǒng)

崔秋麗

摘要：隨著蓄電池在生產(chǎn)生活中的大量應(yīng)用，如何實(shí)時(shí)的對(duì)蓄電池進(jìn)行電量檢測(cè)變得很有實(shí)際意義。文章介紹了一種檢測(cè)蓄電池電量的方法，在實(shí)際工作中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：蓄電池；剩余電量；方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006－8937(2009)16－0122－02

隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，蓄電池作為一種性能可靠的化學(xué)電源，其應(yīng)用價(jià)值與日俱增，日益廣泛地運(yùn)用在航空航天、交通運(yùn)輸、電力、通信、軍事工業(yè)等部門(mén)的設(shè)備中，已經(jīng)成為這些設(shè)備中最重要的關(guān)鍵系統(tǒng)部件之一。蓄電池剩余電量是用戶(hù)非常關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樾铍姵仉娏康亩嗌僦苯佑绊懻麄€(gè)供電系統(tǒng)的可靠性。而供電系統(tǒng)的可靠性將決定整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。因此及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)蓄電池剩余電量變得非常重要，而檢測(cè)方法的研究則很有實(shí)際意義。

蓄電池是一個(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不同；而且隨著蓄電池使用時(shí)間增加，其電量也將下降。通常用來(lái)檢測(cè)蓄電池電量的方法有多種，比如根據(jù)蓄電池的電解液密度來(lái)估算剩余電量的密度法，該方法精度較低而且有很大局限性：不適合密封的蓄電池；隨著蓄電池使用時(shí)間的增加，電極的損壞，更加難以準(zhǔn)確推算出剩余電量。同時(shí)，這種方法也難以適應(yīng)目前廣泛應(yīng)用的VRLA蓄電池的在線檢測(cè)。近些年常用的幾種蓄電池剩余容量檢測(cè)方法之中，對(duì)在線使用的蓄電池來(lái)說(shuō)，基于單片機(jī)的電池電量檢測(cè)方法對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較小，并且測(cè)量精度較高，即使蓄電池電極損壞也能較為準(zhǔn)確的檢測(cè)其電量。

1電池特性

蓄電池所做的有效功是電容量和電壓的乘積。蓄電池的電容量是放電電流與放電時(shí)間之積。因此蓄電池大特性以電容量、電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻和放電效率表示，這些參數(shù)成為衡量電池性能的主要參數(shù)。電動(dòng)勢(shì)是電池在理論上輸出能量大小的量度之一。電動(dòng)勢(shì)與反應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)、和有關(guān)，也與電解液的溫度和濃度有關(guān)。

電池的放電電壓隨放電時(shí)間的平穩(wěn)性表示電壓精度的高低。電壓隨放電時(shí)間變化的曲線，稱(chēng)放電曲線。電池工作電壓的數(shù)值及平穩(wěn)程度依賴(lài)于放電條件。高速率、低溫條件下放電時(shí)，電池的工作電壓將降低，平穩(wěn)程度下降。圖1所示為電池放電過(guò)程的電壓變化。圖1(a)為鉛酸電池的放電特性，圖1(b)為銀鋅電池的放電特性。

2BQ2301型單片機(jī)檢測(cè)蓄電池容量的原理介紹及工作流程圖

BQ2301是TI系列的專(zhuān)用芯片，為優(yōu)化鉛酸蓄電池的充電性能而設(shè)計(jì)。它有靈活的脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器，PWM調(diào)節(jié)器的頻率可由外接電容來(lái)方便靈活的設(shè)定。所以BQ2031能以恒壓、恒流或恒流脈沖等方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。因其采用開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)，使得即使在大電流充電情況下，本身的損耗非常小，對(duì)整個(gè)工作系統(tǒng)影響很小。

BQ2301內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，從圖中可以看出它主要由溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)、通電復(fù)位電路、最長(zhǎng)充電時(shí)間定時(shí)器、充電狀態(tài)控制器、PWM調(diào)節(jié)器、振蕩器和顯示控制電路等幾部分組成。

當(dāng)加到Vcc上的電源大于最小允許值時(shí)，通電后首先激活電池溫度監(jiān)視器。BQ2301將對(duì)加在管腳TS和SNS之間的電壓(VTEMP)進(jìn)行采樣，與設(shè)定值相比較，以監(jiān)控溫度。如BQ2301發(fā)現(xiàn)電池溫度超出設(shè)定范圍(或溫度傳感器缺失)，則進(jìn)入充電等待狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，所有的定時(shí)器都停止，充電電流由MOD控制并保持在極低水平上。

當(dāng)溫度在允許的范圍時(shí),BQ2301檢測(cè)是否加有電池。如果管腳BAT和SNS之間的電壓(VCELL)在低壓關(guān)斷門(mén)限電壓(VLCO)和高壓關(guān)斷門(mén)限電壓(VHCO)之間，BQ2301則認(rèn)為電池存在，在延時(shí)500ms(典型值)后，開(kāi)始預(yù)充電測(cè)試過(guò)程。如果VCELL小于VLCO或大于VHCO，BQ2301則認(rèn)為沒(méi)有接入電池，BQ2301進(jìn)入故障狀態(tài)并使管腳MOD保持為低。BQ2301只有在VLCO≤VBAT≤VHCO時(shí)才會(huì)脫離故障狀態(tài)。

如果溫度在允許范圍內(nèi)并檢測(cè)到電池后，BQ2301將加在電池組的電壓調(diào)節(jié)為VFLT+0.25V(VFLT為溫度補(bǔ)償浮充電壓)，此時(shí)BQ2301的監(jiān)視電流ISNS(充電電流)應(yīng)升高到ICOND=12MAX／5。如果充電電流在定時(shí)器定時(shí)期間不能升高到這一水平，BQ2301則進(jìn)入故障狀態(tài)，同時(shí)使管腳MOD輸出變?yōu)榈碗娖揭躁P(guān)斷充電電流并使BQ2301保持這種狀態(tài)直到一個(gè)新的充電周期開(kāi)始。我們稱(chēng)這個(gè)過(guò)程為測(cè)試過(guò)程1。

如果測(cè)試過(guò)程1順利通過(guò)，則可進(jìn)行下面的測(cè)試，我們稱(chēng)之為測(cè)試過(guò)程2。此時(shí)BQ2301需將電池組的電壓升高到VMIN(開(kāi)始快速充電的最低電壓)。如電壓在定時(shí)期間不能升高到這一水平，系統(tǒng)將進(jìn)人故障狀態(tài)。否則將開(kāi)始快速充電過(guò)程。

通過(guò)恒壓／恒流選擇腳和快速充電終止選擇腳的不同連接，BQ2301可以采用兩階段恒壓限流充電方式、兩階段恒流充電方式和脈沖恒流充電方式這三種快速充電方式。

工作流程圖如圖3所示：

BQ2301的管腳作用：TMTO(超時(shí)時(shí)基輸入)：輸入集的最大充電時(shí)間；FLOAT(控制輸出)；BAT(電池電壓輸入)；VCOMP(輸入電壓環(huán)路補(bǔ)償)：電壓環(huán)路穩(wěn)定性；I-COMP(輸入電流環(huán)路補(bǔ)償)：穩(wěn)定現(xiàn)有的環(huán)路；IGSEL(電流增益選擇輸入)：調(diào)控電路中的電流；SNS(充電電流)；TS(溫度感覺(jué)輸入)：是一個(gè)外部電池溫度監(jiān)測(cè)熱敏探針。一個(gè)外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置上，下限溫度閾值。TPWM(梯形波脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)時(shí)基輸入)；LED3／QSEL(電荷選擇輸出3／電荷調(diào)節(jié)選擇輸入)；COM(共同輸出)；VSS(系統(tǒng)接地)；VCC(5.0v，±10％功耗)；MOD(電流開(kāi)關(guān)控制輸出)；LED1／TSEL(電荷選擇輸出1／電荷運(yùn)算選擇輸入1)；LED2／DSEL(電荷選擇輸出2／顯示選擇輸入2)。

3硬件電路框圖

電路的系統(tǒng)框架見(jiàn)圖4所示。

4電路元器件清單

1、12V17AH的小型鉛酸免維護(hù)蓄電池；2、蓄電池外部接口一對(duì)；3、輕觸式開(kāi)關(guān)一個(gè)；4、顯示電量的LED四個(gè)(三綠一紅)；5、蓄電池及外部接口的聯(lián)系部分；6、電路板一塊。

5電路原理圖(見(jiàn)圖5)

6PCB電路板實(shí)物圖(見(jiàn)圖6)

7結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)的蓄電池電量檢測(cè)，為用戶(hù)使用蓄電池提供了方便可靠的依據(jù)。由于蓄電池的廣泛應(yīng)用，該方法的使用對(duì)于實(shí)時(shí)地在線檢測(cè)蓄電池剩余電量，有著重要意義。