汽車脈動管理系統的設計與應用

文/吳旭彬 關景新

1 前言

據文獻報導，汽車因為電瓶問題而出現的故障占整個汽車故障率的17%。一般來說，汽車的電瓶的壽命長達2～3年，但由于車主停車熄火后汽車大燈未關閉等不良習慣或用電設備故障等原因，一直消耗電瓶的能量，引起電瓶虧電等故障，當汽車使用者需要使用汽車時，因電瓶故障無法啟動汽車，帶來了極大不便。目前，主要采用對汽車電瓶進行監測的方法來預防，國內外有不少該方面的研究和應用，一種方法通過離線的電瓶檢測工具檢測電瓶的放電電流、開路電壓、內部阻抗等參數來判斷電瓶的壽命和性能，但這需要專業人員和專用設備才能實現，不便于廣大汽車使用者使用；另外一種方法是如有些昂貴的汽車出廠了自帶了電瓶監測的系統，可以通過儀表盤進行顯示，這類系統只能在車鑰匙插入汽車后才能工作，顯示的內容也僅限于電瓶電量，無法預測電瓶功能失效的時間。

針對上述的問題，本文基于電瓶檢測技術及物聯網技術設計了一套汽車脈動管理系統，該系統既可以24小時全天連續監測電瓶的電量，通過電瓶性能分析來判斷是否存在人為誤操作或者設備損壞情況，根據預判結果產生遠程預警，提示車主檢查處理，避免出現無法發動汽車的尷尬局面。

2 電瓶性能檢測方法

汽車的電瓶是一種化學類的電瓶，衡量電瓶性能優劣的最具有代表性的兩個參數是額定容量和內阻。質量好的電瓶能夠存儲較多的電量，內阻則能夠反映電瓶的健康狀況，數值越小電瓶向外提供電流的能力越強。

圖1：內阻檢測（左：直流放電法 右：交流注入法）

圖2：汽車脈動管理系統的功能圖

圖3：硬件設計總框圖

2.1 內阻檢測

內阻檢測主要有直流放電法和交流流入法兩種。直流放電法通過對電瓶施加一個直流電流I放電，檢測出電路閉合時刻的電壓下降數值，依據歐姆定律公式即可以求出內阻值，見圖1左。交流注入法一般采用一個已知頻率的交流正弦電流小信號注入到電瓶內部，通過檢測由內阻產生的響應電壓小信號以及提取出兩者之間的相位差，依據歐姆定律可計算得出電瓶內阻值，見圖1右。

圖4：內阻及開路電壓測試示意圖

直流放電法檢測方法簡單，抗干擾能力強，但檢測時經常需要較大的放電電流，長時間放電對電瓶產生一定的損害；交流注入法可以避免放電時對電瓶產生的損害，但抗干擾能力弱，低頻交流小信號幅值容易受到紋波電流、諧波電流、和噪聲源的干擾，準確度不高。

圖5：直流交變電路設計

圖6：電流采樣電路

圖7：電壓檢測電路

圖8：差分放大采樣電路

2.2 剩余容量測量

剩余容量SOC 的檢測是一種便于檢測判斷性能好壞的直觀方法，但存在很多難點，目前主要通過放電實驗法、開路電壓法、內阻法等來方法來估算剩余容量SOC。放電實驗法將電瓶進行不間斷的放電一直到截止電壓，獲得放電時間和電流兩者的乘積，從而得到此時狀態下的實際剩余電量，這種方法適用于所有類型的電瓶，但實際上沒什么用，因為放電的過程需要很長時間而且放電后需要對電瓶及時充電。開路電壓法和內阻法兩者是通過開路電壓或者內阻來估算剩余電量的方法，開路電壓法是根據電瓶在開路狀態時的電壓與剩余容量SOC 之間存在很明顯的相關關系來實現，內阻法是依據電瓶內阻與電瓶的SOC 密切相關這一特點來實現。

3 系統總體設計

汽車脈動管理系統是一個有關實時監測汽車電瓶電量和性能的裝置。在設計時主要考慮了以下三個因素：

（1）不間斷監測電瓶的電量；

（2）間斷性分析電瓶的性能；

（3）遠程預警告知車主。

主要包括三個模塊：智能硬件、服務后臺和使用APP。如圖2所示。智能硬件對汽車的電瓶進行實時監測，并將相關的電瓶監測數據傳送給服務器后臺進行存儲，同時抄送給車主的手機進行顯示，若發生異常，將有參考價值的建議在APP上顯示，供車主參考處理突發情況。

4 硬件設計

以STM32單片機核心設計在線檢測電瓶剩余容量和內阻的硬件電路，見圖3。硬件主要實現信號的采集和與服務后臺進行傳輸數據。在數據傳輸部分，采用了通用的GSM模塊SIC900進行實施，該模塊只需要單片機使用串口進行控制即可實現，方便快捷。

結合直流放電、交流注入的內阻檢測和開路電壓、內阻估算剩余電量的優缺點，在硬件設計時采用了直流交變的方法進行實施，見圖4所示，具體過程為：通過一個恒流負載電路產生一個交變電流施加在待測電瓶的兩端，使得電瓶以電流大小為I 和0A 進行周期性放電，周期T=50ms，占空比為50%，即0A 放電25ms，然后電流大小為I再放電25ms；接著提取出電瓶向外輸出I 和0A 兩種電流時的電壓差ΔU，然后按照公式 得到內阻r，最后通過多次測量求平均值提高檢測的準確度，也避免大電流對電瓶過度放電造成的損害。

4.1 直流交變電路的設計

圖9：應用服務程序（左：后臺管理；中、右：移動應用）

直流交變電路主要實現直流的模擬控制信號轉化成交變控制放電的功能，見圖5。圖中的DAC1-PA4是來自于STM32單片機的DAC引腳模擬產生的周期方波信號，該信號用來控制由U3A和功率器件Q1、Q2組成的放電回路，考慮到需要消除功率器件MOSFET自身物理結構容易產生自激振蕩從而使器件穩定的輸出電流，在電路中引入了PI 調節器，通過比例調節的作用，可以減小電路中出現的偏差，而積分調節則可以消除電路中的穩態誤差。放電時電流經過電阻R19和R20 兩端時產生的負反饋信號由U3B 放大輸出后也進入到PI 調節電路U3A中，兩個信號相互補充實時調節電路中的電流使之達到恒定。

STM32 的數模轉換器DAC1 轉換后的電壓加載到U3A 的同相端作為放電控制參考電壓，記作 。U3B 的同相端電壓為放電回路采樣電阻上的反饋電壓，記作Ui，同時將輸出的電壓記作Uout，放電電流記作I，采樣電阻R19、R20并聯后取值記作R，則Ui=IR，那么根據運算放大器的特性，可以得出代入電阻值后，得到放電電流和單片機DAC輸出的控制電壓之間的關系

可見，通過此設計產生兩個優點：

（1）電瓶放電電流的大小由單片機的DAC值來控制；

（2）通過對單片機DAC的時間控制可以產生周期變化的信號輸出實現不同放電電流值進行交替放電。為此，系統只要能獲取到交替放電時的電壓差值便可以根據 順利計算出內阻。

4.2 信號檢測電路的設計

在信號檢測方面，系統需要檢測放電電流的大小、電瓶的開路電壓和交變放電時的差動電壓值才能完整地計算表征電瓶的性能。這些信號的采樣都需要用到STM32單片機自帶12位的ADC功能，極大地方便了設計。

在電流采樣設計時，采用了寬帶高壓的運算放大器TL082，見圖6。電瓶放電電流經過采樣電阻時轉化為電壓反饋信號 ，輸入至運算放大器U5B 的同向端作為輸入，兩倍放大后再經過電壓跟隨器U5A 進行隔離緩沖后輸入到PA6 引腳的ADC2中采集。

在開路電壓檢測設計時，主要考慮了隔離干擾的性能要求，見圖7。首先使用了精密電阻的分壓電路將電瓶的電壓值縮小至可測量的范圍，R4和R6構成的分壓比為1/6 ，電壓跟隨器U1A(LM358)輸出端的信號最大值控制在2V 左右，再由U1B構成的低通濾波器濾除干擾供單片機的ADC1 輸入端引腳PA5 采集。為了消除毛刺提高穩定性，在采集端和地之間加了C7 濾波電容。

在差動電壓設計時，由于電瓶的內阻為毫歐數量級，當放電電流較小時，內阻上產生的響應信號比較小，為此需要將小信號進行放大處理采用了儀器儀表的專用差分放大測量芯片AD620，見圖8。該芯片只需要外接增益電阻RG即可實現放大微小信號差，可以通過方程來獲得其增益大小，由于本文中接入了電阻阻值為494Ω，電壓增益為101，放大后的電壓差信號在單片機的ADC采集范圍內。同時，采用的直流交變法進行測量，測量的電瓶端電壓響應信號也為交流信號，需要在AD620的輸入端采用電容C4、C7進行濾掉直流信號，即可得到電瓶有無電流放電時的電壓差 。

5 服務后臺及移動設計

汽車脈動系統的另一個主要設計是服務器后臺的設計，包括兩個主要方面：

（1）網絡映射，采用了花生殼第三方的內網映射服務可以快捷的實現；

（2）與電瓶智能硬件進行通信，服務器后臺存儲了電瓶的電量與端電壓、內阻之間的特性曲線數據，采用查表法即可實現數據存儲及性能分析，然后將結果向使用者的移動端進行發送。服務程序采用C++語言在集成開發環境Visual Studio 2015進行開發，存儲數據采用SQL2015 數據庫。系統管理者可通過服務軟件向智能硬件發送指令、查看電瓶的放電測試結果，見圖9左。

汽車脈動系統通過移動APP的設計開發向汽車使用者提供應用服務，見圖9中及右兩圖。當服務后臺分析到電瓶出現問題，將通過APP向使用者發布預警信號，使用者根據預警信號即可進行預防處理，避免汽車電瓶故障而無法啟動汽車。

6 總結

本系統基于STM32單片機設計了智能檢測硬件，在Visual studio集成開發環境中開發了服務器平臺，開發了android版的用戶使用APP，形成了實時監測汽車電瓶的性能和預警的汽車脈動管理系統，經過測試表明，當汽車電瓶出現故障時，車主可以及時收到處理提示信息，從而高效低成本地應對汽車電瓶故障問題。