蓄电池剩余容量检测系统设计

季国栋，王文理

（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071000）

0 引言

蓄电池剩余容量是指蓄电池在当前状态下还可以输出的电量，通常用电池荷电状态SOC（State of Charge）来反应电池的剩余容量情况[1]。定义为电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。常用预测蓄电池剩余电量方法有：密度法、开路电压法、放电法、内阻法、安时积分法[2-3]。这些传统的检测方法各有其应用场合。放电法适用于对蓄电池进行额定容量测试，不能进行快速检测，放电结束需及时充电；密度法适用于开口式的蓄电池，无法对密封的阀控式铅酸蓄电池进行检测；开路电压法利用蓄电池端电压和剩余电量的对应关系以达到对待测电池的估算，方法简单，由于蓄电池存在蓄电，故此方法误差较大；安时法也是对待测电池进行放电测试来检测其容量，与放电法类似，这种检测方法不能用于蓄电池剩余容量检测。蓄电池内阻越小输出电流越大，与蓄电池的容量及完好性有密切关系，可以用内阻法来预测和评估蓄电池的性能[3-4]。

1 检测方案选择及其设计原理

与市场上采用恒流放电法检测蓄电池额定容量的方法不同，本文目的在于设计一个功能灵活、检测时间短的便携式仪表，只需要对电池的容量及性能进行快速估计以确定是否符合要求。综合考虑以上各种测量方法的优缺点，最终提出恒流放电法和开路电压法相结合的方案，简称为恒流放电-端电压测量法。恒流放电-端电压测量法即通过检测铅酸蓄电池在短时间恒流放电后的端电压大小得到蓄电池的SOC并通过内阻值判断蓄电池性能好坏，这种方法相对比较准确，可以通过短时间的恒流放电来降低蓄电池虚电压的影响。具体工作原理：对蓄电池施加适当的放电恒流负载，以一个确定的大电流I进行恒流放电，测量其特定时间后（一般为十几秒）的电压值U，根据微控制器已存储的蓄电池端电压U和容量SOC的对应关系计算其剩余容量。大量实验表明，当放电电流选取合适时，同一类型蓄电池的当前电压 U与电池的实际容量SOC直接相关[4-5]，如图1电池端电压-容量曲线所示。

电池放电开始瞬间，电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态，在电池负载电流保持不变时，电池路端电压随SOC变化的规律与开路电压随SOC的变化规律相似。

图1 蓄电池端电压与实际容量关系

恒流放电-端电压法优点：蓄电池短时间恒流放电时，精度相对较高，检测时间快。缺点和难点是：在实际应用中需要获取不同型号电池大量电压和电流数据，建立电压和SOC的关系曲线。

2 系统硬件设计

2.1 系统框图

系统框图如图2所示，控制系统以单片机为核心，采用低功耗高性能处理器。主要包括按键模块、电源模块、数模转换模块、模数转换模块、数据处理模块、液晶显示模块、负载模块等部分。

图2 系统设计框图

下面对这几部分功能分别介绍。

（1）单片机：是整个系统的控制和数据处理中心，完成采集到的电压与剩余电量SOC的关系转换。

（2）模数转换模块：A/D转换电路的作用主要是把采集到的蓄电池电压信号和电子负载电路电流信号转换成数字信号送到单片机，完成模拟信号和数字信号的转换。

（3）恒流负载模块：采用电子负载技术实现恒流放电，主要用于对待测蓄电池进行短时间大电流放电。

（4）按键模块：用来切换蓄电池恒流放电电流的大小，能在测试开始前及测试终止后切断负载电路，防止蓄电池过放电。

（5）显示模块：将检测到的电压、电流和 SOC及时显示在LCD液晶屏上。

（6）报警电路：待检测电池电量过低时进行报警。

（7）被测电池：主要是针对12 V阀控式铅酸蓄电池。

总的工作流程：首先，由按键设置放电电流数值大小，单片机通过D/A转换器按照设置的电流大小调节电子负载的参考输入电压进而控制蓄电池放电电流大小。其次，开始放电时单片机检测恒流负载的输出电流是否恒定，若不恒定则调整D/A输出电压大小进而调整蓄电池的放电电流，以实现待测电池按照设置数值恒流放电。同时，单片机通过A/D转换器采集蓄电池端电压，若一开始检测到蓄电池端电压大小低于规定的截止电压（10.8 V），则切断恒流负载停止放电。最后，单片机对采集到的数据进行处理，通过LCD显示检测参数。

2.2 主控芯片选择[6]

主控制器选用美国德州仪器的16位超低功耗、高性能微处理器MSP430系列单片机，具体型号为MSP430F2418，该芯片内部集成多个功能不同的模拟电路和数字电路模块，具有处理速度快、片上资源丰富、开发方便等优点。该低功耗芯片广泛应用于便携式仪表设备。其主要特性：

（1）功耗低，供电电压 1.8～3.6 V，拥有 16个中断源，可以任意嵌套，使用灵活方便，省电模式下可大大降低系统功耗。

（2）采用先进的精简指令集（RISC），执行一条指令只需要一个时钟周期，而传统的51单片机需要12个时钟周期。此外，采用DMA、多功能硬件乘法器等先进的体系结构，计算时不占用CPU周期，提高了数据处理和运算能力，可实现FFT、DFT等复杂数字处理算法。

（3）片上外设丰富。内部集成ADC12模数转换器、定时器 AB、硬件乘法器、Flash、RAM、USART12、看门狗模块WDT等。

（4）系统工作稳定，工作环境-40～+85℃，芯片内部有JTAG接口，方便编程与调试。

通过对单片机编程实现容量检测仪的智能控制，大大简化硬件电路设计。由于单片机的可重用性好，如需改变电路工作状态或者电路参数，只需简单的修改程序即可，从而使电路的升级改造简单易行，实用性增强。

2.3 电子负载恒流电路设计

系统中采用直流电子负载模拟实际负载，电子负载有恒流、恒压、恒阻等模式[7]，本系统设计只需要采用其恒流模式即可满足需要。在恒流模式下，电子负载所流入的电流依据所设定的电流值保持恒定，与输入电压大小无关。电子负载与电池连接示意图和外部特性曲线如下图3所示。

图3 电子负载接法与外部特性

恒流模式下负载电路如图4所示，集成运放OP07虽然引入了负反馈，但具有电压比较器的基本特征。工作原理：R1为输出端大功率采样电阻，受热情况下其阻值改变不大。Vtest是蓄电池接入端的测试点，Uda的值由按键设置后由单片机自带的数模转换器输出，经R2和R3分压后，压降为U1，则采样电阻R1端电压U0=Up=Uda*R3/（R2+R3），输出电流 I=U0/R1，I即为设定的电流值。当I增加时，R1的分压即集成运放的反相输入端Un也增加，从而集成运放OP07输出端电压减小，即MOS管栅极电压减小，导致场效应管Q1导通量减少，进而R1端分压减小，引入的负反馈最终使Up和Un相等，维持动态平衡。由此，R1上的压降恒定，流过R1的电流恒定。同理，当Vtest减小时，R1压降减小，Q1导通程度增大，R1上压降相对提高，最终实现Up=Un，从而实现负载稳定输出电流I达到动态平衡[7]。

图4 电子负载恒流电路

3 系统软件设计

利用单片机作为智能控制核心主要实现如下功能：

（1）设定蓄电池恒流放电模式及参数和放电时间大小。通过按键设定预设值发送到单片机，单片机通过D/A芯片将数字量转换成对应的模拟量输出到负载电路控制端。

（2）采样输出电流和电池电压进行数据处理并在LCD液晶上显示。单片机通过A/D芯片将采集到的电流和电压数值进行处理并传送到液晶屏显示 SOC、I、U、r及性能好坏。

（3）当电流过大时，单片机启动过流提示，驱动蜂鸣器发出报警信号，并通过减小D/A输出电压降低电子负载电路的电流，实现过载保护。

程序设计采用模块化设计[8]，整体架构功能模块图如5所示。

图5 整体架构模块图

仪表系统中，最主要的功能是对待测电池的剩余容量进行快速估计以检验其续航能力，方便检测人员维修，软件部分流程如图6所示。

4 实验数据分析

本文设计的蓄电池剩余容量检测系统具有恒流放电的功能，首先测试恒流负载的功能，通过按键分别设置放电电流的大小，得出一组数据如表1。

表1 恒流测试数据

实验结果表明，恒流负载能够达到基本功能，可以实现对待测蓄电池进行恒流放电的功能。

对一系列12 V、7.5 A h的铅酸蓄电池进行检测，采取的放电电流为2 A，由微控制器已存储的铅酸蓄电池端电压和剩余容量对应关系模型得到一组数据，如表2所示。

表2 系统检测结果

由表格数据可知，若12 V铅酸蓄电池放电到端电压为 （10.5±0.5）V左右时，电池也不会放出太多的电量，此时应该对电池及时充电，防止过放电缩短蓄电池的寿命。维护经验认为，一般以放出80%左右额定容量为宜。目的是使铅酸蓄电池内部的正极活性物质中保留较多的PbO2粒子，延长蓄电池的使用寿命，提高充放电效率。

5 结论

铅酸蓄电池作为一个复杂的电化学系统，它在不同负载条件或不同环境温度下运行时，实际可供释放的剩余电量是不同的，而且随着使用时间的增加，其储备容量和性能也将下降。此外，蓄电池的老化程度和充放电次数也对其剩余容量具有影响。下一步为提高测量精度应综合考虑多方面的因素。总之，本文基于单片机为核心处理器以恒流放电-端电压测量法设计的检测系统能够实现快速估测铅酸蓄电池的剩余容量，为测试蓄电池的性能提供了便利，具有很高的实用价值和经济效益。

[1]曹珍贯，虞刚.基于LS-SVM的矿用隔爆电源蓄电池容量预测[J].电源技术，2012（3）：371-373.

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[3]卢玉宇.恒流电子负载的创新设计与实现[J].闽江学院学报，2009，30（5）：40-43.

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[6]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

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[8]赵新龙.电动汽车蓄电池性能测试方法研究及试验台开发[D].西安：长安大学，2008.