，，，

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

0 引 言

目前，隨著電動(dòng)車行業(yè)的發(fā)展，人們不僅享受到擁有電動(dòng)車對于出行的便捷性，也常常被電動(dòng)車蓄電池的充電速度、續(xù)航能力、使用壽命等問題所困擾。尤其是人們常常需要了解電池的剩余容量的實(shí)時(shí)狀況以更方便的出行，就好比我們想要知道汽車油箱里的油還有多少一樣。而且，對蓄電池剩余容量有較準(zhǔn)確的認(rèn)識對于防止蓄電池的過充、過放有著至關(guān)重要的意義[1-4]。因而，蓄電池剩余容量的檢測在當(dāng)下成為了一個(gè)比較熱門的話題。傳統(tǒng)測電池剩余容量的方法有：密度法、開路電壓法、內(nèi)阻法和電量積累法[5-8]。對于密封式蓄電池，密度法不適用。開路電壓法無法實(shí)現(xiàn)在線檢測。對于內(nèi)阻法，由于電池內(nèi)阻與電池及其微小，其與剩余電量之間關(guān)系比較復(fù)雜，通用性也比較差。對于電量積累法，因?yàn)椴荒芤种剖褂弥械姆e累誤差帶來的估算偏差，因此測量不夠準(zhǔn)確，常常需要比較困難的校準(zhǔn)[9-11]?？紤]到這些傳統(tǒng)方法在應(yīng)用中存在的以上問題，采用本文介紹一種利用回跳電壓估算剩余容量的新方法，該方法能夠更加便捷可靠地在線檢測蓄電池的剩余容量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包括電壓、電流和溫度檢測部分、單片機(jī)系統(tǒng)、輸出顯示及報(bào)警部分。主要工作過程由單片機(jī)檢測蓄電池的工作電流，當(dāng)蓄電池短暫脫離負(fù)載時(shí)，電流為零，此時(shí)電池的電壓會(huì)有一個(gè)跳變，稱之為回跳電壓，單片機(jī)這時(shí)采集這個(gè)回跳電壓信號和溫度信號并按一定的算法求出剩余容量送顯，在不足10%容量時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)部分主要包括電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)采集部分，由于輸送至單片機(jī)的信號應(yīng)為數(shù)字信號，故需要將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，又考慮到實(shí)際所測的模擬量值必須在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程范圍之內(nèi)，故數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)是個(gè)重要內(nèi)容。

2.1 電壓采集模塊

電壓采集由運(yùn)放及電阻完成，由于蓄電池的回跳電壓范圍為10.5～13 V之間，而A/D芯片的輸入范圍為0～5 V，由運(yùn)放實(shí)現(xiàn)回跳電壓(如圖2中vi)和參考電壓vref1的比較輸出適合A/D的電壓水平，參考電壓Vref1可用AD584產(chǎn)生10 V的基準(zhǔn)電壓，則輸出端的電壓范圍為0.5～3 V提供給A/D的通道。電壓采集模塊如圖2所示。

圖2 電壓采集模塊

2.2 電流采集模塊

電流采集由運(yùn)放及電阻完成，輸入的電流經(jīng)電阻R1、R2，取R2上電壓，將電流采集轉(zhuǎn)換成電壓采集并通過電壓跟隨器取出電壓，為達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器所能輸入的量程，再將所得電壓輸入到反饋放大電路中，放大倍數(shù)為1+，據(jù)此來選擇適當(dāng)阻值的電阻。電流采集模塊如圖3所示。

圖3 電流采集模塊

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

芯片ADC0809為一個(gè)8路8位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其工作電壓為0～5 V，同時(shí)帶有SPI并行總線接口。單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生2 MHz的外部時(shí)鐘信號給A/D芯片的CLK腳，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)。A/D的參考電壓采用5 V基準(zhǔn)電壓。

2.4 溫度檢測模塊

外界環(huán)境的溫度對鉛酸蓄電池剩余容量有影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，回跳電壓與電池的剩余容量呈現(xiàn)一定的正比關(guān)系，即回跳電壓的值越大，剩余容量越大；溫度越高，回跳電壓所表示的剩余容量越小。根據(jù)檢測到的溫度來確定不同算法的修正方式，使計(jì)算得到的電池剩余容量值更加準(zhǔn)確合理。

本設(shè)計(jì)的溫度檢測裝置采用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20擁有獨(dú)特的單線接線方式，在與單片機(jī)連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊。測溫范圍-55～+125 ℃，固有測溫誤差1 ℃。能夠較準(zhǔn)確、迅速地檢測出環(huán)境溫度并輸送至單片機(jī)。

2.5 顯示及報(bào)警

剩余容量值經(jīng)修正后送至LED顯示，顯示模塊由三合一共陰LED數(shù)碼管、譯碼器、反相器和限流電阻組成。報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器、三極管、電阻組成，若剩余容量低于10%，則啟動(dòng)報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，主流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主流程圖

主要包括主程序、系統(tǒng)初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、電流判定程序、計(jì)算修正程序以及顯示報(bào)警程序。主程序模塊是中心模塊，控制其他各個(gè)模塊使其高效可靠運(yùn)行，使系統(tǒng)工作更加順利。

數(shù)據(jù)采集程序循環(huán)運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)以及控制A/D轉(zhuǎn)換，通過控制A/D轉(zhuǎn)換通道，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)，由于在測量過程中存在一些干擾，在軟件方面還要采用復(fù)合數(shù)字濾波以減小干擾信號造成的誤差。這樣就使各數(shù)據(jù)

能夠迅速準(zhǔn)確反映至單片機(jī)內(nèi)部，再經(jīng)過一系列處理計(jì)算得到電池的剩余容量，最后將所得結(jié)果送顯或報(bào)警。

在實(shí)際應(yīng)用中，存在蓄電池持續(xù)供電不間斷的情況，此時(shí)，需要采用單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)功能。在數(shù)據(jù)采集階段，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)電流一直不為零，就通過定時(shí)功能短暫切斷供電回路以采集數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種以單片機(jī)為核心，兼顧溫度對測量的影響，通過對鉛酸蓄電池離線回跳電壓的檢測來進(jìn)行在線估算蓄電池剩余容量的新方法，實(shí)現(xiàn)了檢測的智能化。本文所介紹的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高,滿足蓄電池在線檢測剩余容量的要求，有較優(yōu)越的應(yīng)用價(jià)值。

特別致謝“大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”(項(xiàng)目國家級編號：201311055003)和常州工學(xué)院“大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”(項(xiàng)目編號：J120712)對項(xiàng)目的支持！

[1] 李 蓓，王耀南，陳正龍，等. 利用端電壓進(jìn)行電動(dòng)車輛動(dòng)力電池SOC的模糊估算[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009.

[2] 李 蓓，葉瑋瓊，王耀南，等.基于工作電壓的動(dòng)力電池剩余容量動(dòng)態(tài)估算[J].變流技術(shù)與電力牽引，2008(4)：46-50.

[3] 鄭榮才.混合動(dòng)力牽引車蓄電池快速充電的控制策略 [J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2005(8)：27-29.

[4] 杜政平，鄭燕萍.車用磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)的LPV模型卡爾曼濾波算法[J].森林工程，2014，30(4)：117-120.

[5] 歐陽名三,余世杰.VRLA蓄電池容量預(yù)測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].蓄電池，2004(2)：59-63.

[6] 張萬奎.汽車蓄電池(1版)[M].北京：人民交通出版社，1997.

[7] Duane Hanselman,Bruce Littlefield著，朱仁峰譯.精通Matlab 7(1版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[8] 王斯成,陳子平.蓄電池剩余容量(SOC)數(shù)學(xué)模型探討和在線測試儀的開發(fā)[J].太陽能學(xué)報(bào)，2005，26(1)：6-12.

[9] 王宗亮,董國保,劉建東.應(yīng)用單片機(jī)測試蓄電池剩余電量[J].機(jī)電設(shè)備，2004，1：39-41.

[10] 麻友良,陳全世,齊占寧.電動(dòng)汽車用電池SOC定義與檢測方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).

[11] YIN chun-jie(尹春杰)，SUN jie-jun(孫潔君)，ZHANG cheng-hui(張承惠). A New Algorithm of online Monitoring and Fault Prediction for the Battery Set State [A].Chinese Control Conference.Beijing(北京)：2007，30-31.