基于dsPIC33 的鉛酸電池智能維護系統控制電路的設計

李 宇，蔡丹丹，杜 曉

（鹽城師范學院 物理與電子工程學院，安徽 鹽城 224002）

鉛酸蓄電池因成本低、性價比高而被廣泛應用在電動自行車、電動三輪車、電動汽車中。鉛酸蓄電池的使用壽命可達4 年，但實際使用中，由于缺乏正確、有效的維護，壽命大大縮短[1,2]。此外，一組電動車電池中某個單體電池性能的下降會導致整組電池更換。更多的舊蓄電池的廢棄和更多新蓄電池的生產帶來了嚴重環境污染，同時導致使用成本升高。

本文設計了一種鉛酸蓄電池的智能維護系統，能夠對鉛酸電池進行智能維護，延長鉛酸電池的使用壽命，從而降低使用成本、減少環境污染。

1 硬件電路設計

圖1 鉛酸電池智能維護系統的系統結構

鉛酸電池智能維護系統的系統結構如圖1 所示，由彩色LCD 觸摸屏、充電板、放電板、電流取樣與隔離放大電路、電壓取樣電路、中心控制板等部分組成。中心控制板是整個系統的控制核心，完成電流信號的A/D 轉換、電壓信號的A/D轉換、輸出PWM 信號控制放電電流的大小、輸出電壓信號控制充電電流的大小。輸出PWM 信號經隔離后變換為模擬電壓控制充電板、放電板的電壓以適用不同電壓鉛酸電池的維護，與彩色LCD屏通信，實現人—機交互功能。

本文主要介紹控制部分的軟硬件設計。

1.1 主控制模塊

主控制模塊的主要功能是接收LCD 屏發來的指令并完成相應的檢測功能，如采集電池充電板/放電板送來的電壓、電流信號，輸出控制信號控制充/放電電流、設定與被檢測電池相對應的控制電壓，指示當前工作狀態等。

主控制模塊電路如圖2 所示，其主要由數字信號控制器（DSC）dsPIC33EP16GS504 組成。dsPIC33EP16GS504 內部有3 個12 位高速ADC 內核[3]，其中2 個是專用內核，1 個是共用內核，兩個專用ADC 內核分別用于電流、電壓的測量。

圖2 主控制模塊

充/放電電路的輸出電壓按3:20 采樣后，經二級低通濾波后送入芯片專用ADC 內核，充電電流經采樣放大后送入另一個專用ADC 內核。由于該芯片部分型號的ADC 模塊在輸入模擬電壓較小時（實驗中發現小于大約16 mV 時A/D 轉換結果總是0），轉換誤差較大，因此電流采樣及調理電路設計為：電流在0 A～80 A 時對應的輸出電壓為0.5 V～2.5 V，這樣可以減小小電流時的測量誤差。

控制芯片內部有一個12 位的DAC 模塊，DAC模塊輸出的電壓經第34 腳輸出，用于控制充電板上的充電電流。

控制芯片內部有3 個分辨率為1.04 ns 的高速、高分辨率PWM 模塊，設計中使用了其中2 個PWM 模塊：一個PWM 模塊輸出PWM 信號用于控制放電電流，另一個PWM 模塊輸出的PWM信號經電路調理后間接實現DAC 功能，用于控制充電電壓。

1.2 PWM 實現DAC 電路

額定電壓不同的蓄電池，充電板上輸出的充電電壓不同。同一種蓄電池，在充電過程的不同階段，充電電壓也不同。充電電壓控制模塊即為實現這一功能而設計，如圖3 所示。

控制芯片輸出的PWM信號經高速光耦6N137隔離后在TL431 的第3 腳得到幅度約為3 V 的脈沖，此脈沖信號經兩級RC 低通濾波，再經運算放大器OPA2171 放大后輸出，用于控制充電板輸出的充電電壓。改變PWM 占空比可改變OPA2171的輸出電壓，以匹配不同蓄電池的額定電壓，同時滿足充電過程中不同階段所需充電電壓。

圖3 PWM 實現DAC 電路

2 軟件設計

軟件設計包括DSC 上的程序設計及液晶顯示部分的程序設計，下面分別介紹。

2.1 DSC 程序設計

DSC 上的軟件主要實現以下功能：

（1）電池容量檢測、電池修復、電池充電、電池深度放電等四種工作過程控制；

（2）與LCD 觸摸屏通信；

（3）輸出控制量給充電板/放電板；

（4）電流/電壓采集。

完整程序比較復雜，這里僅給出主要程序流程圖，見圖4。

DSC 上電或復位后，系統對DSC 內部的ADC模塊、DAC 模塊、時鐘系統、PWM 模塊、定時器模塊、I/O 端口、中斷系統等進行初始化，為系統運行做準備，然后讀取EEPROM 芯片AT24C02中的特殊地址中的數據，以判斷前次電池容量檢測是否正常完成。如果前次執行電池容量檢測過程中突遇停電，則讀取數據接續上次工作，繼續完成電池容量檢測，否則，等待來自LCD 屏的指令，執行相應的功能。

2.2 串口顯示模塊程序設計

顯示部分采用深圳淘晶馳電子有限公司的5.0寸串口觸摸屏顯示模塊，利用該公司提供的配套軟件很容易完成顯示部分的設計。

顯示模塊上的程序主要完成以下功能：

（1）接收來自DSC 的數據；

（2）根據接收到的數據顯示數據或更新已有頁面；

（3）接收用戶觸摸指令，從而設置工作參數；

（4）將指令、參數發送給DSC。

圖4 DSC 上的主要程序流程圖

3 電池容量測試

蓄電池智能維護系統具有電池容量檢測、電池修復、充電、深度放電等功能，其中電池容量檢測對放電電流的測量精度和控制精度以及電池電壓測量精度要求高。進行電池容量檢測實驗測試對象為額定電壓12 V 標注容量為200 Ah 的鉛酸電池。電流、電壓數據分別如表1、表2 所示。

表1 中的設定值是利用觸摸屏模塊設定的放電電流值，實測值是利用Fluke-15B 萬用表在1 m?電流取樣電阻上測得的電壓，然后計算得到。

表1 容量檢測過程中放電電流實驗測試數據

表2 容量檢測過程中電池電壓實驗測試數據

實際測試中對某一設定的放電電流，實際的放電電流在設定的電流值附近不斷變化（程序實現的電流PID 控制所致），因此實測會出現最大值和最小值。

表2 中電池電壓測量值是本系統對電池電壓的測量的結果，電池電壓實際值是利用Fluke-15B萬用表測量得到。

由表1 和表2 可知，電池容量檢測精度滿足實際要求。

4 結束語

本文利用dsPIC33EP16GS504 和串口液晶顯示模塊設計了一種鉛酸電池智能維護系統的控制電路。電池容量檢測結果表明，所設計的電路滿足實際需求。