電池容量檢測儀設計

王 婷 褚曉銳 楊曉娟 李姚凡

（1、西昌學院，四川 西昌 615700 2、重慶市南川區道南中學校，重慶 408400）

隨著新能源汽車發展，退役電池在梯次利用成為一個研究熱點。該過程中，退役電池相互搭配需要依據其實際容量而定，且后續使用過程中需要長期監控電池容量。[1]因此，本文提出一種能夠自動化長期檢測電池容量的系統。

1 電池容量檢測方案

電充容量檢測通常使用兩種方法檢測。一種是以放電的方式，檢測電池從充滿到放空的功率，并對時間做積分。這種方式檢測電池容量，準確度程度高，但耗時較長。另一種方式是通過測量電池內阻，估算電池容量。[2]該方法優點是測量速度快，缺點由于電池內阻與容量的關系只能通過數學公式計算，而每個電池的個體性能參數不同，因此其內阻與容量的關系確定性不強。[3]

考慮到上述兩種方法的優缺點，本文提出綜合使用上述兩種方法構建一種電池容量檢測裝置。該裝置既能以測量電池內阻的方式，快速估算電池容量，又能通過放電方式，準確測量電池容量。

電池容量實際測量公式如下:

上式中，IL為電池放電電流，通過測量獲取。t為累積放電時間，通過計時獲取。在電池電壓降低到電池最低允許放電電壓值時，截止放電。并返回最終電池容量測定結果。

內阻測試原理為：電池短時間在阻值RL已知，且固定不變的負載上放電時，測定負載端電壓UL，再測定斷開負載時的電池電壓U0，按照如下公式計算電池內阻：

因此，檢測方案需要具備電池端電壓檢測功能、負載斷開與接入功能、負載電流檢測功能、充電功能以及設備自身供電。設備檢測結果通過OLED顯示器顯示，輸入使用按鍵鍵盤，所以還需要人機交互功能。上述功能模塊統籌測控需使用中央控制模塊完成。

中央控制模塊直接控制負載的通斷，并使用電壓、電流測量模塊測量相關參數。在恰當的時候控制充電電路的啟停。

2 硬件設計

根據上文制定的電路方案，進行硬件設計。由于主控電路居于核心地位，其他電路的設計要以主控為基礎，因此先設計主控電路。

2.1 主控電路設計

綜合考慮上一章功能模塊，可選用STM32F103單片機作為主控單元，選擇依據論證如下：

2.1.1 該單片機自帶3路12位，共計21通道AD轉換器，可完成電池電壓檢測任務。也可間接檢測負載電流，該部分設計將在后續電流檢測電路部分詳細論證；

2.1.2 該單片機具備超過20個雙向IO接口，可作為負載接入電路的開關控制引腳，也可控制充電電路的啟停，還可通過IO引腳連接鍵盤和顯示設備；

2.1.3 該單片機內存高達64k字節，flash空間為128k字節，即便使用ucos3操作系統，占用空間仍未超過50%。因此存儲空間富裕；

2.1.4 該單片機使用cortex m3處理器，最高運行頻率為72mHz，可提供較高算力。

在中控電路（圖1）上分別將A0，A1引腳引出，作為電流采樣、電壓采樣電路的端口。上述接口在單片機內部可連接ADC1的通道0和通道1。兩個通道分時復用可測量得到電池的電流和電壓數據。

圖1 中控電路原理圖

考慮到設備需要人機交互功能，因此將A2至A7作為鍵盤按鍵電路引出，該部分引腳在單片機內部可通過程序設置上拉輸入模式，直接連接按鍵。將B8，B9作為顯示器的數據輸出線路引出并通過軟件設置為推挽輸出。

B12至B14分別連接充電啟動電路、蜂鳴器電路、測溫電路。

2.2 電流測量電路、電壓采樣電路設計

電流測量電路（圖2）目的在于測量電池放電電流，以此統計電池容量。設計選用BTS7960芯片，通過設置該芯片的IS引腳合適的對地電阻值，再測量“I_Sensor”節點電壓，可間接計算得到負載電流。計算公式如下：

圖2 電流測量電路

上式中：IL為負載電流；K=8.5，為系數由芯片特性決定；US為“I_Sensor”節點電壓，可通過單片機測量得到；RS為外接對地電阻，此處假設負載電流為5A，單片機測量電壓范圍為0至3.3 V,反向計算得到RS=5.6 kΩ。因此，在設計該接地電阻的時候，使用5.6 KΩ電阻。考慮到可能調整該電阻的情況，設置了一個并聯電阻作為后備替補位置，如果不用，焊接時保持留空即可。

電池電壓測量電路如圖3所示。由于電池電壓充滿為12V,單片機測量電路最大測量電壓為3.3 V。因此設計一個串聯分壓電路將電池電壓按比例分壓后從“Test_Bat”節點輸入單片機采樣。

圖3 電池電壓測量電路

3 軟件設計

在完成硬件設計的基礎上，進行軟件設計。根據總體設計要求，軟件設計按功能分為多個模塊完成。多個模塊的協同配合，在使用操作系統的前提下可達到簡化設計難度的效果。

3.1 操作系統選擇

結合本設計，操作系統需要具備的特點如下：（1）輕量化，可燒入單片機；（2）開發難度低，開發周期短；（3）可靠性高，可支持軟件系統連續穩定工作。綜合考慮，UCOS3可達到上述目的。該操作系統編譯后僅占用50kB空間，最小模式運行內存占用僅10kB；其源代碼完全公開，接口文檔健全，因此容易開發；該操作系統采用c語言開發，系統內部不存在動態內存開銷，穩定性極佳。

3.2 軟件設計

軟件開發按層次劃分為驅動開發、應用層開發。

驅動層包括如下部分：（1）溫度測量驅動；（2）電池電壓、電流測量驅動；（3）按鍵掃描驅動；（4）顯示驅動。該部分底層硬件驅動，按照技術手冊編寫、移植即可。

應用開發分別為基本數據顯示模塊、充電模塊、放電實測容量模塊、內阻測試模塊。其中，基本數據顯示模塊通過驅動獲取電池電壓、溫度數據并顯示。充電模塊工作時，通過檢測電池電壓，如果電壓低于充滿狀態電壓，則啟動充電電路進行充電。

電池容量測定模塊首先會檢測電池是否充滿，如果沒充滿，則進入充電狀態，充滿則通過實際放電的方式進行容量實測。

按照第一章當中的公式，可完成內阻測定模塊編寫。

最后，再將以上模塊用狀態機方式完成編寫，狀態之間的切換根據變量“CurState”實現，狀態之間可相互存在邏輯切換關系，例如：充電完成后自動切換到放電模式。也可由人工按鍵方式切換狀態。

4 測試結果

經測試，該設計成果可順利完成電池內阻測定以及電池容量測定的功能，測試結果如圖4。

圖4 容量測定及內阻測試圖