蓄電池剩余電量測量與分析系統

廖春萍,劉華珠,鄧順嬌

（東莞理工學院電子工程與智能化學院，廣東東莞,523808）

蓄電池剩余電量測量與分析系統

廖春萍,劉華珠*,鄧順嬌

（東莞理工學院電子工程與智能化學院，廣東東莞,523808）

設計一種基于內阻法監測蓄電池剩余電量的系統，首先通過單片機驅動內部AD模塊來采樣蓄電池上的開路電壓和短路電流，然后計算得出蓄電池的剩余電量，并將結果顯示在液晶顯示器上。將電池的各種參數存入單片機內部的EEPROM存儲器中，使用單片機內部的FLASH來模擬EEPROM可以最大限度地節省硬件成本。

內阻法；蓄電池；監測；剩余電量

0 引言

近幾年，隨著芯片的集成度和制造工藝的發展，生產出了速度更快，計算能力更強的單片機，這使得蓄電池余量檢測手段有了大幅度的提升。目前主要有四種常用方法來預測蓄電池的電量剩余情況，分別是：密度法、放電法、開路電壓法、內阻法。其中密度法、放電法和開路電壓法的測量準確度相對較低，而且難以在線實時測量密封蓄電池，因此其實際使用難度相對較大。內阻法被測電池受到的影響將非常小，而且其內阻在完全充滿和完全放電時的差別非常大，大約相差是2到4倍左右。因此，用內阻法可以較為準確的預測蓄電池的剩余電量，并且這個方法正在逐漸實現廣泛應用。

1 系統方案制定

電池檢測的特性決定它應該一個小型的電子系統，不需要太多的資源，結構簡單，對成本控制的要求比較高。51系列單片機和LCD12864液晶從上市到如今經歷了很長的時間和檢驗，已經得到了市場的充分認可。因此選擇8位增強型51單片機STC12C5A60S2作為整個系統的主控芯片，選擇小型的LCD12864液晶作為顯示設備，以保證設計的低成本。系統整體設計方案如圖1所示。

圖1 系統框圖

這個方案在蓄電池剩余電量的檢測上，采用內阻法來進行測量，首先通過一次放電過程記錄下來每個內阻值對應的蓄電池的剩余電量是多少，然后保存在單片機的內部FLASH中。在測量的時候首先繼電器將負載斷開，單片機通過內部的10位AD采集蓄電池的開路電壓。接著驅動繼電器吸合，將負載接入蓄電池中，測得負載兩端的電壓從而測出此時的電流，再將開路電壓除以這個電流得出一個總的阻值，用總的阻值減去負載的電阻值即得到蓄電池的內阻。下面圖2為內阻法分析電路圖。

圖2 負載接入電路圖

2 蓄電池剩余電量檢測系統硬件電路設計

2.1 單片機最小系統的設計

單片機最小系統外接的晶振是12MHz，根據計算可以知道兩個機器周期即為兩個微秒。這個時間非常的短暫，短暫到無論使用何種方式，只要按下了復位的按鈕，這個高電平時間都會大于兩個微秒的，也就是說，當按下復位按鈕的時候，單片機則會百分之百被復位。基于以上分析，采用RC串聯形式來實現復位電路設計，在電容電阻的串聯電路中，將復位按鈕并接在電容器的兩端。利用三要素法來對這個過程的分析可以得到，按下按鈕后單片機的RESET管腳上會產生持續的0.11秒的低電平，這個時間遠大于上述的兩微妙。在本的設計中，單片機工作時鐘由外部的12MHz晶振提供，晶振兩端并接的是兩個33PF的瓷片電容。

2.2 蓄電池剩余電量檢測系統電源部分設計

在整個電路設計里面LCD1602是能耗最高的器件，大約要消耗200mW的功率，四個整流二極管自身消耗的功率大概在160mW，再算上電路中其它的一些器件的概率消耗，整個系統的功耗大約為0.32W，7805三端穩壓器能夠提供1.5A的最大電流，折算成功率大約為7.5W，遠遠大于電路需要的0.32W。電源的輸入部分采用470uF電容器濾掉線路中的低頻擾動，后面的瓷片電容濾除電源里面的高頻擾動。

2.3 內阻測量電路設計

單片機首先控制P11口輸出高電平，此時Q1三極管截止，繼電器斷開。單片機此時控制P12腳進行AD檢測，測得蓄電池的開路電壓值。然后單片機控制P11輸出低電平，繼電器吸合，蓄電池通過R3負載電阻放電，此時單片機讀取P12口和P13口的AD轉換值，P12口的值減去P13口的值即為R3電阻上精確的壓降，通過這個壓降除以R3的電阻值即可得到此時線路上的電流值。用第一次測得的開路電壓除以電流再減去R3的阻值即可得到此刻的蓄電池的內阻。在剩余使用時間的預測上，雖然蓄電池所帶的負載特性隨著溫度等因素會不斷變化，而且電池本身的內阻也非線性變化，但是可以通過以下方法對其剩余持續時間進行估算設電池的輸出功率為(VA)，電池的電壓為(V)，負載電流為(A)，剩余容量為(AH)，則蓄電池的剩余持續時間(H)可用以下公式進行估算：

3 蓄電池剩余電量檢測程序設計

表1 剩余電量-內阻對應關系表

圖3 蓄電池剩余電量檢測程序流程圖

蓄電池剩余電量檢測程序流程圖如下圖3所示：

剩余電量檢測程序是通過定時器定時，當定時時間到達后首選斷開繼電器，測得蓄電池的開路電壓值，然后驅動繼電器吸合，測得蓄電池的帶負載電流值。然后將開路電壓減去P12口測得的電壓除上第二次測得的電流值得出一個總的阻值，用這個總的阻值減去外部的負載電阻值即為蓄電池的內阻值[5]。

實際測試得出剩余電量在40%以上時，曲線幾乎不變，跌到40%下方曲線開始進行變化，剩余電量-內阻對應關系如下表1所示：

4 結束語

蓄電池剩余電量的多少會對供電系統的可靠性產生直接影響，并且會決定整個供電系統是否能正常工作。基于單片機的蓄電池電量檢測方法對供電系統的影響較小，方便簡單且精確度較高。因此，蓄電池電量檢測方法的研究是很有實際意義的。

[1] 方小斌．電池內阻檢測方法的研究[J]．通信電源技術，2013年05期

[2]劉守義．單片機應用技術（第三版）[M]．西安電子科技大學出版社，2016.3．

[3] 陳海宴．51單片機原理及應用[M]．北京航空航天大學出版社，2010．

[4] 呂景美．基于WSN的蓄電池組內阻在線檢測系統設計[J]．電源技術，2014．

[5] 華紅艷．基于單片機的蓄電池檢測系統研究與設計[J]．安陽工學院學報，2015．

Measurement and analysis system of battery residual quantity

Liao Chunping,Liu Huazhu*,Deng Shunjiao
(School of electronic engineering and intelligent engineering,Dongguan University of Technology,Donggu an,Guangdong,523808)

The design of a system of surplus electricity resistance monitoring battery based, first through the microcontroller drive internal AD module to sample the open circuit voltage and short circuit current on the battery,then calculated the residual capacity of battery,and the results are displayed on the LCD monitor.The various parameters of the battery into the microcontroller's internal EEPROM memory,the use of the microcontroller inside the FLASH to simulate the EEPROM can maximize the cost savings.

resistance method;battery;residual capacity monitoring

廣東省科技計劃項目（2014A050503068；2015A010103019）

廖春萍(1989-11)，廣東徐聞人，助理工程師，主要從事信息處理研究。