蓄電池剩余容量檢測系統設計

季國棟，王文理

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071000）

0 引言

蓄電池剩余容量是指蓄電池在當前狀態下還可以輸出的電量，通常用電池荷電狀態SOC（State of Charge）來反應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。常用預測蓄電池剩余電量方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內阻法、安時積分法[2-3]。這些傳統的檢測方法各有其應用場合。放電法適用于對蓄電池進行額定容量測試，不能進行快速檢測，放電結束需及時充電；密度法適用于開口式的蓄電池，無法對密封的閥控式鉛酸蓄電池進行檢測；開路電壓法利用蓄電池端電壓和剩余電量的對應關系以達到對待測電池的估算，方法簡單，由于蓄電池存在蓄電，故此方法誤差較大；安時法也是對待測電池進行放電測試來檢測其容量，與放電法類似，這種檢測方法不能用于蓄電池剩余容量檢測。蓄電池內阻越小輸出電流越大，與蓄電池的容量及完好性有密切關系，可以用內阻法來預測和評估蓄電池的性能[3-4]。

1 檢測方案選擇及其設計原理

與市場上采用恒流放電法檢測蓄電池額定容量的方法不同，本文目的在于設計一個功能靈活、檢測時間短的便攜式儀表，只需要對電池的容量及性能進行快速估計以確定是否符合要求。綜合考慮以上各種測量方法的優缺點，最終提出恒流放電法和開路電壓法相結合的方案，簡稱為恒流放電-端電壓測量法。恒流放電-端電壓測量法即通過檢測鉛酸蓄電池在短時間恒流放電后的端電壓大小得到蓄電池的SOC并通過內阻值判斷蓄電池性能好壞，這種方法相對比較準確，可以通過短時間的恒流放電來降低蓄電池虛電壓的影響。具體工作原理：對蓄電池施加適當的放電恒流負載，以一個確定的大電流I進行恒流放電，測量其特定時間后（一般為十幾秒）的電壓值U，根據微控制器已存儲的蓄電池端電壓U和容量SOC的對應關系計算其剩余容量。大量實驗表明，當放電電流選取合適時，同一類型蓄電池的當前電壓 U與電池的實際容量SOC直接相關[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進入負載電壓狀態，在電池負載電流保持不變時，電池路端電壓隨SOC變化的規律與開路電壓隨SOC的變化規律相似。

圖1 蓄電池端電壓與實際容量關系

恒流放電-端電壓法優點：蓄電池短時間恒流放電時，精度相對較高，檢測時間快。缺點和難點是：在實際應用中需要獲取不同型號電池大量電壓和電流數據，建立電壓和SOC的關系曲線。

2 系統硬件設計

2.1 系統框圖

系統框圖如圖2所示，控制系統以單片機為核心，采用低功耗高性能處理器。主要包括按鍵模塊、電源模塊、數模轉換模塊、模數轉換模塊、數據處理模塊、液晶顯示模塊、負載模塊等部分。

圖2 系統設計框圖

下面對這幾部分功能分別介紹。

（1）單片機：是整個系統的控制和數據處理中心，完成采集到的電壓與剩余電量SOC的關系轉換。

（2）模數轉換模塊：A/D轉換電路的作用主要是把采集到的蓄電池電壓信號和電子負載電路電流信號轉換成數字信號送到單片機，完成模擬信號和數字信號的轉換。

（3）恒流負載模塊：采用電子負載技術實現恒流放電，主要用于對待測蓄電池進行短時間大電流放電。

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

（5）顯示模塊：將檢測到的電壓、電流和 SOC及時顯示在LCD液晶屏上。

（6）報警電路：待檢測電池電量過低時進行報警。

（7）被測電池：主要是針對12 V閥控式鉛酸蓄電池。

總的工作流程：首先，由按鍵設置放電電流數值大小，單片機通過D/A轉換器按照設置的電流大小調節電子負載的參考輸入電壓進而控制蓄電池放電電流大小。其次，開始放電時單片機檢測恒流負載的輸出電流是否恒定，若不恒定則調整D/A輸出電壓大小進而調整蓄電池的放電電流，以實現待測電池按照設置數值恒流放電。同時，單片機通過A/D轉換器采集蓄電池端電壓，若一開始檢測到蓄電池端電壓大小低于規定的截止電壓（10.8 V），則切斷恒流負載停止放電。最后，單片機對采集到的數據進行處理，通過LCD顯示檢測參數。

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，具體型號為MSP430F2418，該芯片內部集成多個功能不同的模擬電路和數字電路模塊，具有處理速度快、片上資源豐富、開發方便等優點。該低功耗芯片廣泛應用于便攜式儀表設備。其主要特性：

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

（2）采用先進的精簡指令集（RISC），執行一條指令只需要一個時鐘周期，而傳統的51單片機需要12個時鐘周期。此外，采用DMA、多功能硬件乘法器等先進的體系結構，計算時不占用CPU周期，提高了數據處理和運算能力，可實現FFT、DFT等復雜數字處理算法。

（3）片上外設豐富。內部集成ADC12模數轉換器、定時器 AB、硬件乘法器、Flash、RAM、USART12、看門狗模塊WDT等。

（4）系統工作穩定，工作環境-40～+85℃，芯片內部有JTAG接口，方便編程與調試。

通過對單片機編程實現容量檢測儀的智能控制，大大簡化硬件電路設計。由于單片機的可重用性好，如需改變電路工作狀態或者電路參數，只需簡單的修改程序即可，從而使電路的升級改造簡單易行，實用性增強。

2.3 電子負載恒流電路設計

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

圖3 電子負載接法與外部特性

恒流模式下負載電路如圖4所示，集成運放OP07雖然引入了負反饋，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試點，Uda的值由按鍵設置后由單片機自帶的數模轉換器輸出，經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即為設定的電流值。當I增加時，R1的分壓即集成運放的反相輸入端Un也增加，從而集成運放OP07輸出端電壓減小，即MOS管柵極電壓減小，導致場效應管Q1導通量減少，進而R1端分壓減小，引入的負反饋最終使Up和Un相等，維持動態平衡。由此，R1上的壓降恒定，流過R1的電流恒定。同理，當Vtest減小時，R1壓降減小，Q1導通程度增大，R1上壓降相對提高，最終實現Up=Un，從而實現負載穩定輸出電流I達到動態平衡[7]。

圖4 電子負載恒流電路

3 系統軟件設計

利用單片機作為智能控制核心主要實現如下功能：

（1）設定蓄電池恒流放電模式及參數和放電時間大小。通過按鍵設定預設值發送到單片機，單片機通過D/A芯片將數字量轉換成對應的模擬量輸出到負載電路控制端。

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

（3）當電流過大時，單片機啟動過流提示，驅動蜂鳴器發出報警信號，并通過減小D/A輸出電壓降低電子負載電路的電流，實現過載保護。

程序設計采用模塊化設計[8]，整體架構功能模塊圖如5所示。

圖5 整體架構模塊圖

儀表系統中，最主要的功能是對待測電池的剩余容量進行快速估計以檢驗其續航能力，方便檢測人員維修，軟件部分流程如圖6所示。

4 實驗數據分析

本文設計的蓄電池剩余容量檢測系統具有恒流放電的功能，首先測試恒流負載的功能，通過按鍵分別設置放電電流的大小，得出一組數據如表1。

表1 恒流測試數據

實驗結果表明，恒流負載能夠達到基本功能，可以實現對待測蓄電池進行恒流放電的功能。

對一系列12 V、7.5 A h的鉛酸蓄電池進行檢測，采取的放電電流為2 A，由微控制器已存儲的鉛酸蓄電池端電壓和剩余容量對應關系模型得到一組數據，如表2所示。

表2 系統檢測結果

由表格數據可知，若12 V鉛酸蓄電池放電到端電壓為 （10.5±0.5）V左右時，電池也不會放出太多的電量，此時應該對電池及時充電，防止過放電縮短蓄電池的壽命。維護經驗認為，一般以放出80%左右額定容量為宜。目的是使鉛酸蓄電池內部的正極活性物質中保留較多的PbO2粒子，延長蓄電池的使用壽命，提高充放電效率。

5 結論

鉛酸蓄電池作為一個復雜的電化學系統，它在不同負載條件或不同環境溫度下運行時，實際可供釋放的剩余電量是不同的，而且隨著使用時間的增加，其儲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也對其剩余容量具有影響。下一步為提高測量精度應綜合考慮多方面的因素?？傊?，本文基于單片機為核心處理器以恒流放電-端電壓測量法設計的檢測系統能夠實現快速估測鉛酸蓄電池的剩余容量，為測試蓄電池的性能提供了便利，具有很高的實用價值和經濟效益。

[1]曹珍貫，虞剛.基于LS-SVM的礦用隔爆電源蓄電池容量預測[J].電源技術，2012（3）：371-373.

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