一种基于单片机的锂电池退化报警装置设计

郭其金　王化南　李蓓

【摘 要】本文以锂电池为研究对象，为了能够较好的对锂电池的退化程度进行及时监测，设计了一种基于单片机的锂电池退化报警装置。通过对电池电压、放电电流、内阻、环境温度、电池容量进行测量，经单片机进行相应的处理，实现数据的显示和报警。该设计成本较低、易于操作，所得结果较为直观、可靠，也具有较高的实用价值。

【关键词】锂电池；退化；检测；单片机；报警

0 引言

如今，越来越多的电气化产品应用电池作为供电系统，但是多个周期的充放电循环后，锂电池的端电压会变低，放出的容量也随之变少。如果在电池退化报废后不及时的更换电池，它会带来很多的意外伤害。因此对锂电池退化检测装置的研究具有重要意义。就目前国内外对锂电池检测装置的研究现状来看，在研制与应用方面依然有许多不足之处，部分系统可靠性不够高，对检测到的数据的处理与分析的能力不理想、自动化水平不高，导致了设备无法满足较大规模生产的需要，节能性不够理想。因此给实际的应用检测带来了较大的不便和困难。考虑到上述的一系列问题，采用本文介绍的一种基于单片机的锂电池退化报警装置设计，该设计能够增加检测的可靠性和准确度，可以检测电池的多项参数，更加的自动化和智能化。

1 总体设计思路及数据处理

1.1 总体设计

总体设计结构框主要包括电压、电流、温度、内阻及容量检测部分、单片机系统、输出显示及报警部分。在正常工作状况下，锂电池可以放出的容量都在一定的范围，当待检测的锂电池进行放电时，它放出的容量不在这个范围内，就说明电池退化，此时电路报警。

1.2 数据处理

首先对信号进行检测和获取，随即进行数字与模拟信号的转换，显示数据并与设定值进行比较。从而實现各参数的数据处理。

2 主要硬件电路设计

硬件电路的设计部分主要包括电流、电压、温度等数据采集部分以及报警和显示单元部分，且需将采集到的模拟信号转换为数字信号输送至单片机。

2.1 电流电压采样电路设计

利用转换芯片PCF8591把程序里所给的数字量转变为对应的模拟信号，再由它的AOUT端输出到运放芯片LM358的第一个运算放大器的同相输入端，该电压信号使运放输出高电平，与其对应的驱动处于放大状态，取样电阻R对地输出电流。因为运放反相端连接着电流采集电路构成负反馈，因此电流会被限制在一个与D/A转换值相对应的值上面，这样设计就起到了控制放电电流大小的作用。

由取样电阻R获得一样与电流相关的电压信号，电流传感器MAX4080将这个信号放大20倍之后，送入PCF8591，转变为电流的数字信号，输入到主控芯片中，然后在显示屏上显示，这样就完成了电流的采样。

待测电池电压经分压后送入PCF8591经过转换成为电压数字量，输入到单片机，然后在LCD上显示。

2.2 内阻检测单元的设计

PCF8591使不同的数字信号经过D/A转换后变为与之相对应的模拟信号，输入到运放的同相端，实现了改变电流大小的功能。通过电流电压采样电路测得电流电压的大小，由公式算出电池内阻的大小。

2.3 容量检测单元的设计

引起锂电池的容量减少的原因有很多种，充放电会导致容量降低，倘若锂电池很久没人使用的话，容量同样也会减少，这种方式对电池造成的伤害甚至比锂电池经过多次充放电循环的造成的伤害严重的多，造成这种情况的原因就是充放电不会使活性物质完全丧失活性，而放置很久就会完全丧失活性。活性降低就致使容量的变低，当这种情况发展到一定地步，就说明电池退化了。而经过次左右的充放电循环后，新的锂电池通常还可以放出70%以上的容量。

在使用过程中需要了解锂电池的实际容量，而通过相应的实验参数获取并计算可得到电池实际容量。

2.4 温度检测单元的设计

设计采用DS18B20温度传感器，该型号传感器可实现高精度测温，方便有效。在本设计中将其电源引脚（第3脚）接5V电压，DQ引脚与STC89C52单片机P2.0口相连。元件1引脚为接地信号。因为此传感器的工作电流在毫安左右，所以在VCC和DQ引脚之间需要接一个阻值为4.7K的电阻来进行保护。

2.5 报警单元电路设计

报警电路是利用蜂鸣器进行报警输出，为了防止三极管烧毁，加入一个阻值为1K的电阻进行保护。其工作原理是在对锂电池进行检测过程中，测量值先会通过各转换器件的转换，然后再存储到单片机当中，单片机根据事先设定的电流值、温度值和容量的正常范围值来确定是否存在异常，当所测参数不符合预设的参数上限或低于参数下限时，数据口P1.6便相应的拉低电平使PNP8550三极管导通报警，作为报警输出，蜂鸣器接通鸣叫；而当参数在设定的参数范围内，数据口P1.6为高电平，PNP8550三极管不导通，则蜂鸣器与电源断开不工作。

2.6 显示单元电路设计

显示采用的是LCD1602，在设计中，其3管脚接一个10K电阻进行亮度的调节；4管脚接单片机P2.5端口，5管脚接P2.6端口，6管脚接P2.7端口，7至14接单片机的P0口。

3 系统软件设计

软件设计采用模块化编程，主要包括温度检测程序、A/D、D/A转换程序、计算程序、中断程序、显示程序、参数判定程序及报警程序。

在温度检测程序中，通过程序对P2.0引脚的高电平，低电平控制，特定时间的延时以及特定的控制指令，完成对DS18B20的初始化，获取温度。随后进行电压、电流与内阻的采集，通过A/D、D/A转换完成模拟量与数字量的相互转换，在转换的过程中，要采用软件滤波来减小干扰。同时，本设计还利用单片机系统的定时功能来解决因电池持续供电不便采集数据的问题。而在参数判定环节，任一参数超出所给定的参数范围，都会导致报警。

4 结束语

文中介绍了一种以单片机为处理核心，通过对电池电压、电流、内阻、温度及容量的实时检测与计算来完成对锂电池退化程度的报警，实现了检测的智能化。本文所介绍的装置具有较高的可靠性和准确性，同时实时性较强，显示结果较为直观，有较优越的应用价值。

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[责任编辑：张涛]