汽车脉动管理系统的设计与应用

文/吴旭彬 关景新

1 前言

据文献报导，汽车因为电瓶问题而出现的故障占整个汽车故障率的17%。一般来说，汽车的电瓶的寿命长达2～3年，但由于车主停车熄火后汽车大灯未关闭等不良习惯或用电设备故障等原因，一直消耗电瓶的能量，引起电瓶亏电等故障，当汽车使用者需要使用汽车时，因电瓶故障无法启动汽车，带来了极大不便。目前，主要采用对汽车电瓶进行监测的方法来预防，国内外有不少该方面的研究和应用，一种方法通过离线的电瓶检测工具检测电瓶的放电电流、开路电压、内部阻抗等参数来判断电瓶的寿命和性能，但这需要专业人员和专用设备才能实现，不便于广大汽车使用者使用；另外一种方法是如有些昂贵的汽车出厂了自带了电瓶监测的系统，可以通过仪表盘进行显示，这类系统只能在车钥匙插入汽车后才能工作，显示的内容也仅限于电瓶电量，无法预测电瓶功能失效的时间。

针对上述的问题，本文基于电瓶检测技术及物联网技术设计了一套汽车脉动管理系统，该系统既可以24小时全天连续监测电瓶的电量，通过电瓶性能分析来判断是否存在人为误操作或者设备损坏情况，根据预判结果产生远程预警，提示车主检查处理，避免出现无法发动汽车的尴尬局面。

2 电瓶性能检测方法

汽车的电瓶是一种化学类的电瓶，衡量电瓶性能优劣的最具有代表性的两个参数是额定容量和内阻。质量好的电瓶能够存储较多的电量，内阻则能够反映电瓶的健康状况，数值越小电瓶向外提供电流的能力越强。

图1：内阻检测（左：直流放电法 右：交流注入法）

图2：汽车脉动管理系统的功能图

图3：硬件设计总框图

2.1 内阻检测

内阻检测主要有直流放电法和交流流入法两种。直流放电法通过对电瓶施加一个直流电流I放电，检测出电路闭合时刻的电压下降数值，依据欧姆定律公式即可以求出内阻值，见图1左。交流注入法一般采用一个已知频率的交流正弦电流小信号注入到电瓶内部，通过检测由内阻产生的响应电压小信号以及提取出两者之间的相位差，依据欧姆定律可计算得出电瓶内阻值，见图1右。

图4：内阻及开路电压测试示意图

直流放电法检测方法简单，抗干扰能力强，但检测时经常需要较大的放电电流，长时间放电对电瓶产生一定的损害；交流注入法可以避免放电时对电瓶产生的损害，但抗干扰能力弱，低频交流小信号幅值容易受到纹波电流、谐波电流、和噪声源的干扰，准确度不高。

图5：直流交变电路设计

图6：电流采样电路

图7：电压检测电路

图8：差分放大采样电路

2.2 剩余容量测量

剩余容量SOC 的检测是一种便于检测判断性能好坏的直观方法，但存在很多难点，目前主要通过放电实验法、开路电压法、内阻法等来方法来估算剩余容量SOC。放电实验法将电瓶进行不间断的放电一直到截止电压，获得放电时间和电流两者的乘积，从而得到此时状态下的实际剩余电量，这种方法适用于所有类型的电瓶，但实际上没什么用，因为放电的过程需要很长时间而且放电后需要对电瓶及时充电。开路电压法和内阻法两者是通过开路电压或者内阻来估算剩余电量的方法，开路电压法是根据电瓶在开路状态时的电压与剩余容量SOC 之间存在很明显的相关关系来实现，内阻法是依据电瓶内阻与电瓶的SOC 密切相关这一特点来实现。

3 系统总体设计

汽车脉动管理系统是一个有关实时监测汽车电瓶电量和性能的装置。在设计时主要考虑了以下三个因素：

（1）不间断监测电瓶的电量；

（2）间断性分析电瓶的性能；

（3）远程预警告知车主。

主要包括三个模块：智能硬件、服务后台和使用APP。如图2所示。智能硬件对汽车的电瓶进行实时监测，并将相关的电瓶监测数据传送给服务器后台进行存储，同时抄送给车主的手机进行显示，若发生异常，将有参考价值的建议在APP上显示，供车主参考处理突发情况。

4 硬件设计

以STM32单片机核心设计在线检测电瓶剩余容量和内阻的硬件电路，见图3。硬件主要实现信号的采集和与服务后台进行传输数据。在数据传输部分，采用了通用的GSM模块SIC900进行实施，该模块只需要单片机使用串口进行控制即可实现，方便快捷。

结合直流放电、交流注入的内阻检测和开路电压、内阻估算剩余电量的优缺点，在硬件设计时采用了直流交变的方法进行实施，见图4所示，具体过程为：通过一个恒流负载电路产生一个交变电流施加在待测电瓶的两端，使得电瓶以电流大小为I 和0A 进行周期性放电，周期T=50ms，占空比为50%，即0A 放电25ms，然后电流大小为I再放电25ms；接着提取出电瓶向外输出I 和0A 两种电流时的电压差ΔU，然后按照公式 得到内阻r，最后通过多次测量求平均值提高检测的准确度，也避免大电流对电瓶过度放电造成的损害。

4.1 直流交变电路的设计

图9：应用服务程序（左：后台管理；中、右：移动应用）

直流交变电路主要实现直流的模拟控制信号转化成交变控制放电的功能，见图5。图中的DAC1-PA4是来自于STM32单片机的DAC引脚模拟产生的周期方波信号，该信号用来控制由U3A和功率器件Q1、Q2组成的放电回路，考虑到需要消除功率器件MOSFET自身物理结构容易产生自激振荡从而使器件稳定的输出电流，在电路中引入了PI 调节器，通过比例调节的作用，可以减小电路中出现的偏差，而积分调节则可以消除电路中的稳态误差。放电时电流经过电阻R19和R20 两端时产生的负反馈信号由U3B 放大输出后也进入到PI 调节电路U3A中，两个信号相互补充实时调节电路中的电流使之达到恒定。

STM32 的数模转换器DAC1 转换后的电压加载到U3A 的同相端作为放电控制参考电压，记作 。U3B 的同相端电压为放电回路采样电阻上的反馈电压，记作Ui，同时将输出的电压记作Uout，放电电流记作I，采样电阻R19、R20并联后取值记作R，则Ui=IR，那么根据运算放大器的特性，可以得出代入电阻值后，得到放电电流和单片机DAC输出的控制电压之间的关系

可见，通过此设计产生两个优点：

（1）电瓶放电电流的大小由单片机的DAC值来控制；

（2）通过对单片机DAC的时间控制可以产生周期变化的信号输出实现不同放电电流值进行交替放电。为此，系统只要能获取到交替放电时的电压差值便可以根据 顺利计算出内阻。

4.2 信号检测电路的设计

在信号检测方面，系统需要检测放电电流的大小、电瓶的开路电压和交变放电时的差动电压值才能完整地计算表征电瓶的性能。这些信号的采样都需要用到STM32单片机自带12位的ADC功能，极大地方便了设计。

在电流采样设计时，采用了宽带高压的运算放大器TL082，见图6。电瓶放电电流经过采样电阻时转化为电压反馈信号 ，输入至运算放大器U5B 的同向端作为输入，两倍放大后再经过电压跟随器U5A 进行隔离缓冲后输入到PA6 引脚的ADC2中采集。

在开路电压检测设计时，主要考虑了隔离干扰的性能要求，见图7。首先使用了精密电阻的分压电路将电瓶的电压值缩小至可测量的范围，R4和R6构成的分压比为1/6 ，电压跟随器U1A(LM358)输出端的信号最大值控制在2V 左右，再由U1B构成的低通滤波器滤除干扰供单片机的ADC1 输入端引脚PA5 采集。为了消除毛刺提高稳定性，在采集端和地之间加了C7 滤波电容。

在差动电压设计时，由于电瓶的内阻为毫欧数量级，当放电电流较小时，内阻上产生的响应信号比较小，为此需要将小信号进行放大处理采用了仪器仪表的专用差分放大测量芯片AD620，见图8。该芯片只需要外接增益电阻RG即可实现放大微小信号差，可以通过方程来获得其增益大小，由于本文中接入了电阻阻值为494Ω，电压增益为101，放大后的电压差信号在单片机的ADC采集范围内。同时，采用的直流交变法进行测量，测量的电瓶端电压响应信号也为交流信号，需要在AD620的输入端采用电容C4、C7进行滤掉直流信号，即可得到电瓶有无电流放电时的电压差 。

5 服务后台及移动设计

汽车脉动系统的另一个主要设计是服务器后台的设计，包括两个主要方面：

（1）网络映射，采用了花生壳第三方的内网映射服务可以快捷的实现；

（2）与电瓶智能硬件进行通信，服务器后台存储了电瓶的电量与端电压、内阻之间的特性曲线数据，采用查表法即可实现数据存储及性能分析，然后将结果向使用者的移动端进行发送。服务程序采用C++语言在集成开发环境Visual Studio 2015进行开发，存储数据采用SQL2015 数据库。系统管理者可通过服务软件向智能硬件发送指令、查看电瓶的放电测试结果，见图9左。

汽车脉动系统通过移动APP的设计开发向汽车使用者提供应用服务，见图9中及右两图。当服务后台分析到电瓶出现问题，将通过APP向使用者发布预警信号，使用者根据预警信号即可进行预防处理，避免汽车电瓶故障而无法启动汽车。

6 总结

本系统基于STM32单片机设计了智能检测硬件，在Visual studio集成开发环境中开发了服务器平台，开发了android版的用户使用APP，形成了实时监测汽车电瓶的性能和预警的汽车脉动管理系统，经过测试表明，当汽车电瓶出现故障时，车主可以及时收到处理提示信息，从而高效低成本地应对汽车电瓶故障问题。