一種基于單片機的剩余容量在線檢測新方法

，，，

(常州工學院電子信息與電氣工程學院，江蘇 常州 213000)

0 引 言

目前，隨著電動車行業的發展，人們不僅享受到擁有電動車對于出行的便捷性，也常常被電動車蓄電池的充電速度、續航能力、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時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確的認識對于防止蓄電池的過充、過放有著至關重要的意義[1-4]。因而，蓄電池剩余容量的檢測在當下成為了一個比較熱門的話題。傳統測電池剩余容量的方法有：密度法、開路電壓法、內阻法和電量積累法[5-8]。對于密封式蓄電池，密度法不適用。開路電壓法無法實現在線檢測。對于內阻法，由于電池內阻與電池及其微小，其與剩余電量之間關系比較復雜，通用性也比較差。對于電量積累法，因為不能抑制使用中的積累誤差帶來的估算偏差，因此測量不夠準確，常常需要比較困難的校準[9-11]。考慮到這些傳統方法在應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 系統結構和功能

系統結構框圖如圖1所示。主要包括電壓、電流和溫度檢測部分、單片機系統、輸出顯示及報警部分。主要工作過程由單片機檢測蓄電池的工作電流，當蓄電池短暫脫離負載時，電流為零，此時電池的電壓會有一個跳變，稱之為回跳電壓，單片機這時采集這個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%容量時啟動報警。

圖1 系統結構框圖

2 主要硬件電路設計

硬件電路的設計部分主要包括電壓、電流以及溫度等數據采集部分，由于輸送至單片機的信號應為數字信號，故需要將采集到的模擬信號轉換為數字信號，又考慮到實際所測的模擬量值必須在模數轉換器的量程范圍之內，故數據采集模塊的設計是個重要內容。

2.1 電壓采集模塊

電壓采集由運放及電阻完成，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，由運放實現回跳電壓(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產生10 V的基準電壓，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

電流采集由運放及電阻完成，輸入的電流經電阻R1、R2，取R2上電壓，將電流采集轉換成電壓采集并通過電壓跟隨器取出電壓，為達到A/D轉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，放大倍數為1+，據此來選擇適當阻值的電阻。電流采集模塊如圖3所示。

圖3 電流采集模塊

2.3 模數轉換模塊

芯片ADC0809為一個8路8位逐次逼近型的模數轉換芯片，其工作電壓為0～5 V，同時帶有SPI并行總線接口。單片機的定時器產生2 MHz的外部時鐘信號給A/D芯片的CLK腳，完成模/數轉換后數據讀入單片機。A/D的參考電壓采用5 V基準電壓。

2.4 溫度檢測模塊

外界環境的溫度對鉛酸蓄電池剩余容量有影響。經研究發現，回跳電壓與電池的剩余容量呈現一定的正比關系，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。根據檢測到的溫度來確定不同算法的修正方式，使計算得到的電池剩余容量值更加準確合理。

本設計的溫度檢測裝置采用了數字溫度傳感器DS18B20，DS18B20擁有獨特的單線接線方式，在與單片機連接時僅需要一條線即可實現雙向通訊。測溫范圍-55～+125 ℃，固有測溫誤差1 ℃。能夠較準確、迅速地檢測出環境溫度并輸送至單片機。

2.5 顯示及報警

剩余容量值經修正后送至LED顯示，顯示模塊由三合一共陰LED數碼管、譯碼器、反相器和限流電阻組成。報警系統由蜂鳴器、三極管、電阻組成，若剩余容量低于10%，則啟動報警。

3 系統軟件設計

軟件設計采用模塊化編程，主流程圖如圖4所示。

圖4 系統主流程圖

主要包括主程序、系統初始化程序、數據采集程序、電流判定程序、計算修正程序以及顯示報警程序。主程序模塊是中心模塊，控制其他各個模塊使其高效可靠運行，使系統工作更加順利。

數據采集程序循環運行，實時采集電壓、電流、溫度數據以及控制A/D轉換，通過控制A/D轉換通道，對接收的數據進行分析處理，同時，由于在測量過程中存在一些干擾，在軟件方面還要采用復合數字濾波以減小干擾信號造成的誤差。這樣就使各數據

能夠迅速準確反映至單片機內部，再經過一系列處理計算得到電池的剩余容量，最后將所得結果送顯或報警。

在實際應用中，存在蓄電池持續供電不間斷的情況，此時，需要采用單片機系統的定時功能。在數據采集階段，如果在規定的時間內電流一直不為零，就通過定時功能短暫切斷供電回路以采集數據。

4 結束語

文中介紹了一種以單片機為核心，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行在線估算蓄電池剩余容量的新方法，實現了檢測的智能化。本文所介紹的設計結構簡單、成本低、可靠性高,滿足蓄電池在線檢測剩余容量的要求，有較優越的應用價值。

特別致謝“大學生實踐創新創業訓練計劃”(項目國家級編號：201311055003)和常州工學院“大學生實踐創新訓練項目”(項目編號：J120712)對項目的支持！

[1] 李 蓓，王耀南，陳正龍，等. 利用端電壓進行電動車輛動力電池SOC的模糊估算[J].湖南大學學報(自然科學版)，2009.

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

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

[4] 杜政平，鄭燕萍.車用磷酸鐵鋰電池荷電狀態的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蓄電池容量預測技術的現狀及發展[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：清華大學出版社，2006.

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

[9] 王宗亮,董國保,劉建東.應用單片機測試蓄電池剩余電量[J].機電設備，2004，1：39-41.

[10] 麻友良,陳全世,齊占寧.電動汽車用電池SOC定義與檢測方法[J].清華大學學報(自然科學版).

[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.