鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統設計

楊明，田曉，續振濤，齊延興

鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統設計

楊明，田曉，續振濤，齊延興

（臨沂大學自動化與電氣工程學院，山東 臨沂 276005）

文章設計了一款以STM32微處理器為核心的鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統。該系統通過給蓄電池施加1KHz的正弦信號，采用交流阻抗法精確檢測蓄電池的內阻，并結合檢測的電壓電流，最終根據蓄電池內阻和劣化程度的對應關系給出分析結果。

STM32；劣化程度；內阻檢測

1 引言

鉛酸蓄電池是通信、電力、交通運輸等行業不可或缺的電力能源。隨著電動汽車的日益增多，鉛酸蓄電池的應用量極速上升，因此蓄電池本身是否健康，是否正常運轉對各行業來說意義重大。鉛酸蓄電池的設計浮充壽命為5-8年，但由于使用不當等原因，實際使用壽命僅2-3年，因此設計良好的蓄電池檢測和修復裝置具有重大的現實意義[1,2]。

本文設計了一款鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統，通過對蓄電池的電壓和內阻的測量，評估其劣化程度，進而給出是否可修復和具體的修復建議。

2 硬件設計

該系統是以鉛酸蓄電池作為研究對象，通過實時采集蓄電池的電壓、電流、內阻，來檢測蓄電池的劣化程度，同時將采集數據和檢測結果傳送給上位機，因此，是一個以微處理器為核心，應用傳感器技術和通信技術的實時檢測系統。為實現上述功能，同時便于通信功能的實現和升級換代的需求，本系統選用STM32單片機作為控制核心，設計了電壓電流采集電路、內阻測量電路、顯示電路、通信電路等。系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.1 微處理器STM32

本設計選用了意法半導體公司推出的超低功耗32位微處理器STM32F103。其工作頻率高達72MHz，片內具有20KB的SRAM和64KB的FLASH，以及眾多的增強I/O口。同時配置3個12位A/D轉換器（多達21個輸入通道）和2通道的D/A轉換器，其轉換精度滿足本系統對于數據采集精度的要求。

2.2 內阻檢測電路

蓄電池劣化程度檢測一般采用容量檢測法和內阻檢測法。容量檢測能直接測出蓄電池剩余的壽命，是最直接、最準確的方法，但是測試需高昂的費用。內阻檢測法是一種新的測試方法，即通過測量蓄電池的內阻來確定電池的劣化程度，其精度雖不如容量檢測法，但實驗證明至少能測出95%以上性能不佳的蓄電池[3-5]。因此，本設計采用內阻檢測法來測定蓄電池的劣化程度。

蓄電池的內阻極小，僅為幾毫歐到幾十毫歐，需要進行精確測量。現有的測量儀表多采用直流放電法來測量蓄電池的內阻，但該方法對蓄電池危害較大，且不能在線檢測。本設計采用交流阻抗法來檢測蓄電池的內阻。

交流阻抗法需給被測蓄電池施加一正弦信號，實驗表明1KHz的正弦信號其檢測效果最好，能有效濾除50Hz的干擾信號。交流信號由STM32的D/A轉換器生成，經雙極性轉換和放大后施加于被測蓄電池。

由于蓄電池內阻極小，在蓄電池端得到的電壓采樣信號也很小。為準確測量內阻，采用儀表用放大器AD620對電壓信號進行放大。AD620能處理幾微伏到幾伏的電壓信號。AD620輸出的電壓信號經帶通濾波后送至STM32的A/D輸入端。

內阻檢測和濾波電路如圖2所示。

圖2 內阻檢測和濾波電路

2.3 電壓電流采集電路

電壓是電池對外表征的重要參數之一，同時也是判斷電池短路和劣化程度的重要依據。鉛酸蓄電池的最高充電電壓為16V，STM32配置的A/D轉換器的轉換范圍是0-3.6V，因此需用精密電阻對電壓進行比例衰減至A/D轉換器的量程范圍，經RC濾波和電壓跟隨器后，送至STM32的A/D轉換輸入端。電壓采集電路如圖3所示。

電流檢測采用霍爾開環電流傳感器HDC-60AY，其額定測量電流0-60A，輸出電壓為0-4V。

圖3 電壓采集電路

3 軟件設計

鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統軟件采用C語言編寫，包括主程序、內阻檢測子程序、電壓電流采集子程序、顯示子程序、CAN通信程序。系統的工作流程為：啟動系統后進行初始化，根據采集到的電壓、電流和內阻的測量結果，給出蓄電池的劣化程度分析結果，并進行顯示和數據傳輸。系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 總結

本文設計了一款鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統。系統以STM32F103為核心，通過交流阻抗法檢測蓄電池內阻，并結合電壓電流的檢測結果，分析蓄電池的劣化程度。該系統經調試表明，系統運行穩定可靠，檢測準確，具有廣泛的應用前景。

[1] 邵勤思.鉛酸蓄電池的發展、現狀及應用[J].自然雜志,2017,39(4): 258-264.

[2] 楊葉,李哲.鉛酸蓄電池充電管理與修復系統設計[J].計算機與數字工程,2013,41(11):1846-1849.

[3] 李艷.鉛酸蓄電池內阻檢測儀設計[J].儀表技術與傳感器,2015 (8):50-53.

[4] 宋鶴,陳超波.智能鉛酸蓄電池充電管理與修復系統設計[J].機械與電子,2015(8):53-55.

[5] 雷昳,王春芳.高頻諧振式鉛酸蓄電池修復系統的研究[J].電力電子技術,2012,46(4):29-31.

Design of Testing System for Deterioration Lead-acid Battery

Yang Ming, Tian Xiao, Xu Zhentao, Qi Yanxing

( School of Automation and Electrical engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

This paper designed a lead-acid battery deterioration detection system based on STM32 microprocessor. The system used alternating-current impedance method to accurately detect the internal resistance of the battery by applying a sinusoidal signal of 1KHz to the battery. Finally, combined with the detection of voltage and current, according to the relationship between the internal resistance and the deterioration degree of the battery, the analysis results were given.

STM32; Deterioration Degree; Internal Resistance Detection

U467

B

1671-7988(2019)24-172-02

U467

B

1671-7988(2019)24-172-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.056

楊明（1998-），男，就讀于臨沂大學自動化與電氣工程學院電氣工程及其自動化專業。現為山東省省級創新創業項目“鉛酸蓄電池檢測裝置的設計”的項目負責人，成員有田曉、續振濤。