鋰電池在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

摘要：介紹一種鋰電池在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)的說明。經(jīng)過產(chǎn)品測試驗證，結(jié)果表明鋰電池的在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)性能良好，能夠?qū)︿囯姵匕ǔ浞烹婋妷骸⒊浞烹婋娏饕约笆Ｓ嚯娏窟M(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控，并能夠根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時作出預(yù)警并通知用戶及時處理。該監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能良好、有效的延長了鋰電池的使用壽命、監(jiān)測準(zhǔn)確度高等特點。

關(guān)鍵詞：鋰電池監(jiān)測、SOC、AD976、AD7751

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

二次電池在人們的生活中扮演了一個非常重要的角色，而在多種多樣的二次電池中，鋰電池憑借其工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高等優(yōu)點得到了越來越多的應(yīng)用。目前，鋰電池廣泛應(yīng)用于水力、火力、風(fēng)力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)。然而鋰電池芯過充到電壓高于 4.2V 后，會開始產(chǎn)生副作用；當(dāng)電芯電壓低于 2.4V 時， 部分材料就會開始被破壞。此外還有短路、過流、因自然損壞而無法充電等問題。這就要求我們對鋰電池的充放電狀態(tài)進(jìn)行在線檢測與預(yù)警，從而起到故障的檢測與排除功能。

本項目設(shè)計并制作了一套鋰電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了電池電壓、電流的采集、剩余電量（SOC）的測量以及鋰電池的欠壓報警和電量過低報警。該裝置具有如下功能：

1）實時測量各類鋰電池的工作電壓和工作電流，并在液晶屏上動態(tài)顯示。

2）實時估算各類鋰電池的SOC值，并在液晶屏上動態(tài)顯示

3）當(dāng)電池進(jìn)入欠壓狀態(tài)或電量低于10%時，發(fā)出蜂鳴警報

1.電池監(jiān)測單元的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

本單節(jié)電池監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對鋰電池電壓、電流、剩余電量SOC的實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上，方便通知用戶并做出及時處理。

1.1電池監(jiān)測單元的組成

圖1所示為電池監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。它主要包括電壓監(jiān)測單元、電流監(jiān)測單元、SOC處理單元、顯示單元以及預(yù)警單元，它們之間通過電路板總線進(jìn)行通信。采用16位的AD976芯片高精度快速地采集電壓信號、16位的AD7715芯片采集電流信號、STC90C516進(jìn)行處理和實現(xiàn)對電路的控制、12232液晶顯示屏對采集處理信號的顯示。

圖1 電池監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2電壓、電流監(jiān)測單元的組成

電壓監(jiān)測單元采用16位的AD976芯片，與8位和12位的AD轉(zhuǎn)換器（ADC）相比，16位ADC

具有高精度、高速、低功耗等優(yōu)點。監(jiān)測時對電壓采用逐次逼近式工作原理，單一+5V供電，單通道輸入，輸入電壓范圍為 1OV，采樣速率AD976為100 KSPS，AD976A為200 KSPS。集成性能比較好。

電流監(jiān)測單元采用AD7715芯片，具有0. 0015 %的非線性、片內(nèi)可編程增益放大器、差動輸入、三線串行接口、緩沖輸入、輸出更新速度可編程等特點。適用于單通道低速小信號的采樣應(yīng)用。監(jiān)測電流采用監(jiān)測小電阻兩端電壓信號輸入處理裝置，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電流信號。

1.3剩余電量SOC單元

傳統(tǒng)計算SOC的方法是開路電壓法，由于鋰電池開路電壓與剩余電量有著一一對應(yīng)的關(guān)系，所以可以通過測量開路電壓的方式來計算出SOC值。然而電池在充放電的時候其端電壓隨電流等其它因素的影響很大，因此不適合用此方法。為此，選用安時計量法，通過編寫算法計算電池電流對時間的積分，從而計算出動態(tài)的SOC值。

在用此方法時，誤差將隨時間累積，需要不斷地修正，我們又選用開路電壓法輔助進(jìn)行SOC的估算。每次系統(tǒng)啟動時進(jìn)行開路電壓的測量，并結(jié)合已知鋰電池OCV與SOC對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)擬合出來的函數(shù)，算出SOC的初始值，然后利用安時計量法計算出任意時刻的SOC值。

電壓平均誤差 ，最大相對誤差 。達(dá)到了很高的精度，因此該鋰電池SOC與開路電壓（V）的函數(shù)關(guān)系為：

2.系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

該電池監(jiān)測單元采用C語言編程。軟件采用模塊化設(shè)計思路，主要包括系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)化初始化、SOC精確算法的實現(xiàn)。

主程序主要完成系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)化初始化、SOC精確算法的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換等。在不斷監(jiān)測電池的電壓、電流和剩余電量，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時作出預(yù)警并通知用戶及時處理。

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