一種基于單片機的鋰電池退化報警裝置設計

郭其金　王化南　李蓓

【摘 要】本文以鋰電池為研究對象，為了能夠較好的對鋰電池的退化程度進行及時監測，設計了一種基于單片機的鋰電池退化報警裝置。通過對電池電壓、放電電流、內阻、環境溫度、電池容量進行測量，經單片機進行相應的處理，實現數據的顯示和報警。該設計成本較低、易于操作，所得結果較為直觀、可靠，也具有較高的實用價值。

【關鍵詞】鋰電池；退化；檢測；單片機；報警

0 引言

如今，越來越多的電氣化產品應用電池作為供電系統，但是多個周期的充放電循環后，鋰電池的端電壓會變低，放出的容量也隨之變少。如果在電池退化報廢后不及時的更換電池，它會帶來很多的意外傷害。因此對鋰電池退化檢測裝置的研究具有重要意義。就目前國內外對鋰電池檢測裝置的研究現狀來看，在研制與應用方面依然有許多不足之處，部分系統可靠性不夠高，對檢測到的數據的處理與分析的能力不理想、自動化水平不高，導致了設備無法滿足較大規模生產的需要，節能性不夠理想。因此給實際的應用檢測帶來了較大的不便和困難?？紤]到上述的一系列問題，采用本文介紹的一種基于單片機的鋰電池退化報警裝置設計，該設計能夠增加檢測的可靠性和準確度，可以檢測電池的多項參數，更加的自動化和智能化。

1 總體設計思路及數據處理

1.1 總體設計

總體設計結構框主要包括電壓、電流、溫度、內阻及容量檢測部分、單片機系統、輸出顯示及報警部分。在正常工作狀況下，鋰電池可以放出的容量都在一定的范圍，當待檢測的鋰電池進行放電時，它放出的容量不在這個范圍內，就說明電池退化，此時電路報警。

1.2 數據處理

首先對信號進行檢測和獲取，隨即進行數字與模擬信號的轉換，顯示數據并與設定值進行比較。從而實現各參數的數據處理。

2 主要硬件電路設計

硬件電路的設計部分主要包括電流、電壓、溫度等數據采集部分以及報警和顯示單元部分，且需將采集到的模擬信號轉換為數字信號輸送至單片機。

2.1 電流電壓采樣電路設計

利用轉換芯片PCF8591把程序里所給的數字量轉變為對應的模擬信號，再由它的AOUT端輸出到運放芯片LM358的第一個運算放大器的同相輸入端，該電壓信號使運放輸出高電平，與其對應的驅動處于放大狀態，取樣電阻R對地輸出電流。因為運放反相端連接著電流采集電路構成負反饋，因此電流會被限制在一個與D/A轉換值相對應的值上面，這樣設計就起到了控制放電電流大小的作用。

由取樣電阻R獲得一樣與電流相關的電壓信號，電流傳感器MAX4080將這個信號放大20倍之后，送入PCF8591，轉變為電流的數字信號，輸入到主控芯片中，然后在顯示屏上顯示，這樣就完成了電流的采樣。

待測電池電壓經分壓后送入PCF8591經過轉換成為電壓數字量，輸入到單片機，然后在LCD上顯示。

2.2 內阻檢測單元的設計

PCF8591使不同的數字信號經過D/A轉換后變為與之相對應的模擬信號，輸入到運放的同相端，實現了改變電流大小的功能。通過電流電壓采樣電路測得電流電壓的大小，由公式算出電池內阻的大小。

2.3 容量檢測單元的設計

引起鋰電池的容量減少的原因有很多種，充放電會導致容量降低，倘若鋰電池很久沒人使用的話，容量同樣也會減少，這種方式對電池造成的傷害甚至比鋰電池經過多次充放電循環的造成的傷害嚴重的多，造成這種情況的原因就是充放電不會使活性物質完全喪失活性，而放置很久就會完全喪失活性。活性降低就致使容量的變低，當這種情況發展到一定地步，就說明電池退化了。而經過次左右的充放電循環后，新的鋰電池通常還可以放出70%以上的容量。

在使用過程中需要了解鋰電池的實際容量，而通過相應的實驗參數獲取并計算可得到電池實際容量。

2.4 溫度檢測單元的設計

設計采用DS18B20溫度傳感器，該型號傳感器可實現高精度測溫，方便有效。在本設計中將其電源引腳（第3腳）接5V電壓，DQ引腳與STC89C52單片機P2.0口相連。元件1引腳為接地信號。因為此傳感器的工作電流在毫安左右，所以在VCC和DQ引腳之間需要接一個阻值為4.7K的電阻來進行保護。

2.5 報警單元電路設計

報警電路是利用蜂鳴器進行報警輸出，為了防止三極管燒毀，加入一個阻值為1K的電阻進行保護。其工作原理是在對鋰電池進行檢測過程中，測量值先會通過各轉換器件的轉換，然后再存儲到單片機當中，單片機根據事先設定的電流值、溫度值和容量的正常范圍值來確定是否存在異常，當所測參數不符合預設的參數上限或低于參數下限時，數據口P1.6便相應的拉低電平使PNP8550三極管導通報警，作為報警輸出，蜂鳴器接通鳴叫；而當參數在設定的參數范圍內，數據口P1.6為高電平，PNP8550三極管不導通，則蜂鳴器與電源斷開不工作。

2.6 顯示單元電路設計

顯示采用的是LCD1602，在設計中，其3管腳接一個10K電阻進行亮度的調節；4管腳接單片機P2.5端口，5管腳接P2.6端口，6管腳接P2.7端口，7至14接單片機的P0口。

3 系統軟件設計

軟件設計采用模塊化編程，主要包括溫度檢測程序、A/D、D/A轉換程序、計算程序、中斷程序、顯示程序、參數判定程序及報警程序。

在溫度檢測程序中，通過程序對P2.0引腳的高電平，低電平控制，特定時間的延時以及特定的控制指令，完成對DS18B20的初始化，獲取溫度。隨后進行電壓、電流與內阻的采集，通過A/D、D/A轉換完成模擬量與數字量的相互轉換，在轉換的過程中，要采用軟件濾波來減小干擾。同時，本設計還利用單片機系統的定時功能來解決因電池持續供電不便采集數據的問題。而在參數判定環節，任一參數超出所給定的參數范圍，都會導致報警。

4 結束語

文中介紹了一種以單片機為處理核心，通過對電池電壓、電流、內阻、溫度及容量的實時檢測與計算來完成對鋰電池退化程度的報警，實現了檢測的智能化。本文所介紹的裝置具有較高的可靠性和準確性，同時實時性較強，顯示結果較為直觀，有較優越的應用價值。

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[責任編輯：張濤]