一種小型鋁空氣電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

張占軍，賴忠喜

（臺州職業(yè)技術(shù)學院機電研究所，浙江臺州318000）

鋁空氣電池是以鋁合金為負極、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電源。由于其具有能量密度大、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[1-4]，因此在應急電源，后備電源，軍事便攜電源，電動汽車電源和水下電源等各行各業(yè)都有廣泛應用[5-7]。

在鋁-空氣電池的工作過程中，鋁空氣電池反應生成的氫氧化鋁會降低電解液的電導率和堵塞電解液通道，同時金屬空氣電池陽極發(fā)生的副反應會析出氫氣，消耗鋁，但是不產(chǎn)生電能，所產(chǎn)生的能量是以熱的形式產(chǎn)生，其結(jié)果降低了鋁空氣電池能量的輸出效率并且也影響電池輸出功率的穩(wěn)定性，為此文獻[8]設(shè)計了一種鋁空氣電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)電解液的循環(huán)，能有效的分離沉淀，控制氫氣含量和電池的內(nèi)部溫度，提高電池的穩(wěn)定性和可靠性。但是該技術(shù)方案的不足之處在于它不能對鋁空氣電池的輸出電壓、電流、剩余電量（SOC值）、電解液的溫度和氫氣濃度進行實時顯示和監(jiān)控，并且它也不具有過載、過流、欠壓和過溫等智能保護功能。為此文中設(shè)計了一種以STC12C5A60S2為核心的鋁空氣電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對鋁空氣電池的運行狀態(tài)進行全方位動態(tài)監(jiān)控，并且具有完善的保護功能，從而達到延長其使用壽命，降低運行成本，提高鋁空氣電池的可靠性和使用效率的目的。

1 總體設(shè)計

1.1 鋁空氣電池的總體結(jié)構(gòu)

該鋁空氣電池的額定功率為300 W，額定電壓為12 V，額定電流為25 A，電池的額定容量為350 Ah。鋁空氣電池的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括鋰電池、鋁空氣電池管理系統(tǒng)、電解液箱、電池堆、通風系統(tǒng)、電解液上液系統(tǒng)，電解液回液系統(tǒng)、排氫系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)。其中鋰電池在鋁空氣電池啟動時為鋁空氣電池管理系統(tǒng)和其它用電設(shè)備提供操作電源，當鋁空氣電池成功運行后，整個系統(tǒng)都由鋁空氣電池進行供電。鋁空氣電池堆是由10片單體電池串聯(lián)而構(gòu)成。電池運行過程如下:首先電解液全部存儲于電解液箱中，然后由電信號控制關(guān)閉回流直通閥，打開電解液上液系統(tǒng)中的水泵，經(jīng)電池堆中的電解液緩沖器均勻分配后進入電池堆中的每一個單體電池，每個單體電池充滿電解液后，電池堆電壓逐漸升高，當達到一定電壓后，鋁電池堆開始供電，控制回流直通閥打開，電解液流經(jīng)電池堆后，經(jīng)過電解液回液系統(tǒng)進入電解液箱體，再經(jīng)過過濾系統(tǒng)，過濾去除反應的固體產(chǎn)物，由電解液上液系統(tǒng)再注入電池堆實現(xiàn)電解液的循環(huán)，停止時，將電解液上液系統(tǒng)水泵停止，則電池堆中的電解液由于重力的作用重新回到電解液箱，電池停止供電，如需要重新供電時，啟動電解液上液系統(tǒng)的水泵，則電池系統(tǒng)重新恢復供電。

圖1 鋁空氣電池結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 鋁空氣電池管理系統(tǒng)的整體設(shè)計

鋁空氣電池管理系統(tǒng)的整體原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要包括微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、執(zhí)行模塊、報警模塊、鍵盤輸入與顯示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊通過各種傳感器將鋁空氣電池的各種運行參數(shù)（電壓、電流、電解液溫度和氫氣濃度）轉(zhuǎn)換成相應的電信號，經(jīng)調(diào)理電路后送入到單片機ADC輸入端口，單片機經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換和相應的處理會將鋁空氣電池運行參數(shù)實時顯示在液晶顯示器上，同時單片機根據(jù)所采集鋁空氣電池運行參數(shù)控制相應的執(zhí)行機構(gòu)，使鋁空氣電池工作在最佳的運行狀態(tài)。通過鍵盤輸入模塊可以預先設(shè)定各個運行參數(shù)的報警極限值，當參數(shù)超出預先設(shè)定值后，系統(tǒng)立即發(fā)出聲光報警，切斷負載的供電，提醒相關(guān)操作人員及時采取相應的安全措施。

圖2 鋁空氣電池管理系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 微控制器模塊

微控制器模塊選用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機，STC12C5A60S2單片機是一種高性能，低功耗，超強抗干擾的微控制器[9]，該單片機內(nèi)部自帶高達60K FLASH ROM，集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，非常適合要求抗干擾能力強、運算速度快的場合。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是對鋁空氣電池輸出的電壓、電流、電解液的溫度和電解液箱的氫氣濃度進行采集。鋁空氣電池的輸出電壓通過電阻分壓的方法采集得到，如圖3所示，其中R16和R21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SGM358所構(gòu)成的電壓跟隨器，然后利用R17和C22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。鋁空氣電池的輸出電流采用高精度霍爾式電流傳感器CS020GT[10]來進行采集，該傳感器利用霍爾效應開環(huán)原理，具有高精度、良好的線性度和響應時間快的優(yōu)點，其電源電壓為+5 V，可以測量的電流范圍為0～±40 A，原邊額定輸入電流為 20 A，響應時間≤3 μs，霍爾式電流傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過R27，C28濾波電路進行濾波后輸入到由SGM358運放芯片所構(gòu)成的電壓跟隨器上，然后經(jīng)過R26，C27所構(gòu)成的一階低通濾波器濾除干擾噪聲，最后輸入到單片機的ADC口進行采樣。電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低等特點，能減少電流傳感器的輸出信號與單片機ADC輸入信號之間的干擾。電壓與電流采集模塊的電路原理圖如圖3所示。

圖3 電壓與電流采集模塊電路原理圖

溫度傳感器選用美國DALLAS公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[11]，該傳感器的測量范圍為-50～+125℃，精度可達0.1℃，轉(zhuǎn)換時間小于750 ms[11]。它不需要AD轉(zhuǎn)換，采用“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，是一種一線制接口器件，大大減少了對單片機IO口的占用，而且外圍電路簡單，和傳統(tǒng)的測溫元件相比，其抗干擾能力和測量精度都有了很大提高[8]。氫氣濃度傳感器選用河南Winsensor公司生產(chǎn)的MQ-8半導體型氫氣傳感器[12]。MQ-8氫氣傳感器以SnO2為氣敏材料，可探測100～10 000 ppm濃度的氫氣，具有成本低，壽命長，靈敏性好和驅(qū)動電路簡單等特點。為了減少氫氣傳感器的輸出信號與單片機ADC輸入電壓信號的前后干擾，在氫氣濃度傳感器的輸出信號后面加了一個由SGM321運放芯片搭建的跟隨器，用以隔離前后級信號之間的影響。溫度和氫氣濃度采集模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 溫度和氫氣濃度采集模塊電路原理圖

2.3 電源管理模塊

電源管理模塊主要為整個系統(tǒng)的電路提供電壓，本系統(tǒng)各個元器件所需的供電電壓為12 V和5 V。其中12 V主要為執(zhí)行元件提供電壓，該電壓直接由鋁空氣電池輸出提供，其余原器件都由5 V電壓供電。電源管理模塊采用TI公司生產(chǎn)的LM2596將鋁空氣電池輸出的12 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓。LM2596[13]是降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，能夠輸出3 A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，可固定輸出3.3 V，5 V，12 V 3種電壓，也可實現(xiàn)在1.2～37 V之間的可調(diào)輸出。該器件使用方便，只需4個的外圍器件便可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路。圖5為電源模塊電路原理圖。

圖5 電源模塊電路圖

2.4 鍵盤輸入與顯示模塊

鍵盤輸入模塊用于鋁空氣電池系統(tǒng)參數(shù)報警值的設(shè)置，該模塊設(shè)置了3個獨立按鍵K1、K2、K3，其中K1為功能選擇鍵，K2、K3分別作為++鍵，和--鍵，用于對所設(shè)參數(shù)進行遞增和遞減作用。顯示模塊用于實時顯示鋁空氣電池系統(tǒng)的運行參數(shù)，為降低鋁空氣電池系統(tǒng)的硬件成本，該模塊采用了LCD1602字符型液晶顯示器。按鍵和液晶顯示器的工作過程如下：正常工作時，液晶顯示器處在實時顯示模式，當功能選擇鍵K1依次按下四次時，液晶顯示器分別進入到電流上限報警值，電壓下限報警值，溫度上限報警值和氫氣濃度上限報警值模式，在這四種設(shè)置模式下，可以通過K2、K3鍵來調(diào)整參數(shù)的報警值。當K1鍵按下五次時，液晶顯示器重新回到實時顯示模式。通過對按鍵的操作可以方便的對鋁空氣電池的參數(shù)報警值進行修改，具有很強的操作靈活性。圖6為鍵盤輸入與顯示模塊電路原理圖。

圖6 鍵盤輸入與顯示模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

硬件電路確定后，鋁空氣電池管理系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)。為了增強管理系統(tǒng)的可靠性、可移植性和易維護性，本系統(tǒng)控制軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計思想[14]，將系統(tǒng)的整體功能分為不同的模塊，各個模塊單獨設(shè)計、編程、調(diào)試，完成之后進行系統(tǒng)總的聯(lián)調(diào)。本系統(tǒng)程序均采用C語言來進行編寫。本電池管理系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對鋁空氣電池參數(shù)的實時監(jiān)測和控制，主要包括系統(tǒng)初始化程序、鋁空氣電池參數(shù)采集程序、SOC估算程序、報警子程序、LCD顯示子程序、E2PROM讀寫程序、執(zhí)行機構(gòu)控制程序等。系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

鋁空氣電池開始工作時，系統(tǒng)所使用的電能都由鋰電池提供，鋁空氣電池管理系統(tǒng)首先進行I/O的設(shè)置和定義相關(guān)變量等初始化的工作，同時開啟回流直通閥和電解液泵，泵將電解液均勻的分配到電池堆中去，鋁空氣電池的兩端電壓逐漸升高，當鋁空氣電池的電壓達到14.5 V時，即認為鋁空氣電池可以進行正常工作，此時，鋁空氣電池管理系統(tǒng)控制繼電器將鋰電池斷電，而將鋁空氣電池的開關(guān)合上，之后系統(tǒng)的能量都由鋁電池提供，接著控制系統(tǒng)從E2PROM讀取上次鋁空氣電池關(guān)閉時候的SOC值，并進行定時器的初始化工作，然后進行對鋁空氣電池各種參數(shù)（電池電壓，電流，電解液溫度和氫氣濃度）的采集工作，接著根據(jù)采集的各種參數(shù)對各個執(zhí)行機構(gòu)進行相應的控制，具體控制要求如下：如果電解液采集的溫度超過40°時，則開啟散熱風扇和軸流風扇，如果溫度超過報警溫度值（默認80°），則報警并停止鋁空氣電池工作。如果采集的氫氣濃度超過1 000 PPM，則開啟排氫風扇，如果采集的電池電流超過它的額定電流（默認25 A）或者電壓低于它的放電截止電壓（默認9 V）的時候，控制系統(tǒng)就會報警（蜂鳴器響10 s），并關(guān)閉負載的輸出，然后過1分鐘后再接通負載并再次檢測電池電壓和電流，如果電池電壓和電流都在正常允許范圍內(nèi)，鋁空氣電池則繼續(xù)工作，否則循環(huán)檢測。液晶顯示程序?qū)⑺杉匿X空氣電池的各種參數(shù)和SOC值顯示在液晶顯示器中。如果按下鋁空氣電池的停止按鈕，系統(tǒng)則會把當前的SOC值存入E2PROM，同時控制電解液泵使鋁空氣電池停止工作，而如果當檢測到SOC值≤1%時，系統(tǒng)會報警提示更換電解液和鋁片，同時會將新的SOC值（100%）存入E2PROM并停止鋁空氣電池工作。如果兩種情況都不滿足，系統(tǒng)則會對鋁空氣電池的參數(shù)進行循環(huán)的監(jiān)測和控制。

3.2 SOC值的估算

由于本系統(tǒng)對SOC值的估算精度要求不高，因此鋁空氣電池SOC值的計算采用安時積分法，該方法比較簡單，容易實現(xiàn)，而且實時性也好，能通過測得的電流對時間的積分來確定SOC值，鋁空氣電池在放電過程中的SOC計算公式[15]如下所示：

式中：SOC0為鋁空氣電池初始放電狀態(tài)的SOC值，Qf為電池額定容量，Qt為電池在時間t內(nèi)所放出的總電量，i為放電的電流，K為電流修正系數(shù)，Δt為采樣時間。

由于鋁空氣電池只能放電[16-19]，而不能充電，為簡便計算，將K設(shè)置為1，本系統(tǒng)通過霍爾電流傳感器，每隔200 ms（Δt）采樣一次鋁空氣電池的電流i，鋁空氣電池的額定容量Qf為350 Ah。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計了一種以STC12C5A60S2為核心的小型鋁空氣電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可對鋁空氣電池的輸出電壓、電流、剩余電量（SOC值）、電解液箱的氫氣濃度和溫度進行實時準確的監(jiān)控和顯示，并且還具有過載保護、過流保護、過溫保護等多重保護功能，能按照預先設(shè)定的參數(shù)對輸出繼電器進行自動調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于推廣，具有一定的實用價值。

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