一種小型鋁空氣電池管理系統的設計

文/杜益帆 賴忠喜

1 引言

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構成的一種新型高能量化學電源，該電池具有成本低、能量密度大、質量輕、材料來源豐富、無污染、可靠性高、壽命長、使用安全等優點，在各行各業都有廣泛的應用。但是鋁空氣電池在使用過程中會出現欠壓，過流與電解液過溫等現象，造成鋁空氣電池不可逆的損害，降低鋁空氣電池的使用壽命，為此本文利用先進的計算機控制技術和傳感技術有機地結合起來，設計了一種鋁空氣電池管理控制系統，該系統可提高鋁-空氣電池的智能性和穩定性，進而能夠提高鋁空電池的使用壽命和使用效率。

2 系統整體設計

圖1為鋁空氣電池管理控制系統的總體結構框圖，系統由數據采集模塊、電解液降溫模塊、單片機模塊、放電保護模塊、電源模塊等構成，單片機模塊通過數據采集模塊采集鋁空氣電池的運行參數（輸出電流、輸出電壓和電解液溫度），然后根據所采集的這些參數對各個模塊進行相應的控制，使鋁空氣電池工作在最佳的工作狀態，當鋁空氣電池出現過流，欠壓和電解液過溫時，系統通過放電保護模塊切開鋁空氣電池與負載的連接，從而保證鋁空氣電池高效、安全、穩定的運行。

3 系統硬件設計

3.1 單片機的選擇

單片機模塊采用宏晶科技公司生產的STC15W408AS單片機, STC15W408AS單片機內部有512字節RAM數據存儲器，具有8通道10位高速ADC和5個定時器，可在系統編程與仿真，同時該單片機具有大容量片內EEPROM功能，擦除次數10萬次以上，內置高精度R/C時鐘和高可靠復位電路，不需要外部晶振和外部復位電路，非常適合在此場合應用。

3.2 數據采集模塊的設計

數據采集模塊主要用于采集鋁空氣電池的運行參數，其電路原理圖如圖2所示，電流采集模塊采用Allegro

公司生產的ACS712-X20A電流傳感器，該傳感器單5V供電，在25℃時其輸出總誤差為1.5%，測量范圍為-20～20A，圖中IN+端接著鋁空氣電池的正極，IN-端與電源模塊和放電保護模塊的輸入端相連，電流傳感器輸出的電壓信號通過濾波電路后輸入到單片機的ADC1引腳。

鋁空氣電池的輸出電壓通過電阻分壓的方法采集得到，圖2中R22和R25為精度0.1%的高精密電阻，鋁空氣電池的輸出電壓經過兩個電阻的分壓后通過由R24和C57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，圖中的二極管D5和D6組成二極管鉗位電路對單片機起到保護作用。

電解液溫度傳感器選用美國 DALLAS 公司生產的數字式溫度傳感器DS18B20，該傳感器的測量范圍為-50℃～+125℃，轉換時間小于750ms，精度可達 0.1℃。圖中DS18B20的VCC引腳接+5V，輸出引腳DQ連接到單片機的P1.7口上，為了能夠使單片機讀取穩定的高電平，在VCC和DQ引腳上接了一個4.7K的上拉電阻。

3.3 放電保護模塊的設計

放電保護模塊電路原理圖如圖3所示，圖中FD與單片機的P3.6引腳相連。當鋁空氣電池正常工作時，單片機控制FD端口輸出高電平，三級管Q4飽和導通，此時MOS管Q3的柵極電壓接近于0V，則MOS管Q3導通，鋁空氣電池為負載供電，而當鋁空氣電池出現過流，欠壓和電解液過溫時，單片機會控制FD端口輸出低電平，此時Q4，Q3處于截止狀態，鋁空氣電池與負載斷開連接，從而保護鋁空氣電池免遭損壞。

3.4 電源模塊電路原理圖

電源模塊主要為系統的各個元器件提供電源，本系統器件都是由+5V來進行供電，由于該鋁空氣電池由5個鋁-空氣電池單體串聯而成，而每個單體的工作電壓在0.8V到1.5V之間，也即該鋁空氣電池組的輸出工作電壓為4V～7.5V之間，為此本采用TI公司生產的電壓降壓-升壓轉換器TPS63061,該芯片具有降壓和升壓模式間自動切換，靜態電流小，效率高達93%，電源模塊電路原理圖如圖4所示。

3.5 其它模塊的設計

液晶顯示模塊采用0.96寸的OLED液晶顯示器模塊，該模塊通過I2C接口與單片機模塊進行通訊，用于實時顯示鋁空氣電池的剩余電量（SOC）、輸出電流、輸出電壓和電解液溫度。

電解液降溫模塊由風扇驅動模塊和散熱風扇構成，風扇驅動模塊由MOS管、電阻、二極管和電容所組成，用于接收單片機輸出的PWM控制信號從而驅動散熱風扇，使電解液溫度控制在合適的范圍內。

報警模塊由蜂鳴器和發光二極管所組成，主要用于當鋁空氣電池出現過流、欠壓、和電解液溫度過高時，發出報警信號，提醒用戶采取相應的安全措施。

4 系統軟件設計

用KEIL C編程軟件編寫了系統程序，圖5為系統的主程序流程圖，當用戶開始使用鋁空氣電池時，首先將電解液倒入電解液箱里，激活鋁空氣電池，系統開始工作，單片機首先完成相關變量、I/O口、AD轉換器和定時器等的初始化工作，接著單片機從EEPROM里讀取上次所存儲的鋁空氣電池SOC，然后通過數據采集模塊實時采集鋁空氣電池的運行參數，接著單片機根據所采集的運行參數對系統的各個模塊進行控制，具體為：

（1）單片機根據所采集的電解液溫度輸出PWM波控制風扇驅動模塊，使電解液溫度控制在合適范圍內。

（2）定時每過1S，采用安時積分法計算當前的SOC值。

（3）定時每過30S將當前的SOC值存儲到單片機的EEPROM中。

（4）將采集的運行參數和當前的SOC值顯示在液晶顯示器上。

圖2：數據采集模塊電路原理圖

圖3：放電保護模塊電路原理圖

圖4：電源模塊電路原理圖

圖5：系統主程序流程圖

（5）如果采集的參數超過了報警值，系統則會發出報警同時通過放電保護模塊斷開鋁空氣電池與負載的連接，保證鋁空氣電池安全可靠的運行。

5 總結

為提高鋁空氣電池的使用效率和使用壽命，設計了一種以STC15W408AS單片機為核心的鋁空氣電池管理系統，該系統不僅實現了對鋁空氣電池運行參數進行實時監控，而且還具有多種智能保護和故障報警功能，保證了鋁空氣電池運行的安全性和高效性。