铅酸蓄电池劣化程度检测系统设计

杨明，田晓，续振涛，齐延兴

铅酸蓄电池劣化程度检测系统设计

杨明，田晓，续振涛，齐延兴

（临沂大学自动化与电气工程学院，山东 临沂 276005）

文章设计了一款以STM32微处理器为核心的铅酸蓄电池劣化程度检测系统。该系统通过给蓄电池施加1KHz的正弦信号，采用交流阻抗法精确检测蓄电池的内阻，并结合检测的电压电流，最终根据蓄电池内阻和劣化程度的对应关系给出分析结果。

STM32；劣化程度；内阻检测

1 引言

铅酸蓄电池是通信、电力、交通运输等行业不可或缺的电力能源。随着电动汽车的日益增多，铅酸蓄电池的应用量极速上升，因此蓄电池本身是否健康，是否正常运转对各行业来说意义重大。铅酸蓄电池的设计浮充寿命为5-8年，但由于使用不当等原因，实际使用寿命仅2-3年，因此设计良好的蓄电池检测和修复装置具有重大的现实意义[1,2]。

本文设计了一款铅酸蓄电池劣化程度检测系统，通过对蓄电池的电压和内阻的测量，评估其劣化程度，进而给出是否可修复和具体的修复建议。

2 硬件设计

该系统是以铅酸蓄电池作为研究对象，通过实时采集蓄电池的电压、电流、内阻，来检测蓄电池的劣化程度，同时将采集数据和检测结果传送给上位机，因此，是一个以微处理器为核心，应用传感器技术和通信技术的实时检测系统。为实现上述功能，同时便于通信功能的实现和升级换代的需求，本系统选用STM32单片机作为控制核心，设计了电压电流采集电路、内阻测量电路、显示电路、通信电路等。系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.1 微处理器STM32

本设计选用了意法半导体公司推出的超低功耗32位微处理器STM32F103。其工作频率高达72MHz，片内具有20KB的SRAM和64KB的FLASH，以及众多的增强I/O口。同时配置3个12位A/D转换器（多达21个输入通道）和2通道的D/A转换器，其转换精度满足本系统对于数据采集精度的要求。

2.2 内阻检测电路

蓄电池劣化程度检测一般采用容量检测法和内阻检测法。容量检测能直接测出蓄电池剩余的寿命，是最直接、最准确的方法，但是测试需高昂的费用。内阻检测法是一种新的测试方法，即通过测量蓄电池的内阻来确定电池的劣化程度，其精度虽不如容量检测法，但实验证明至少能测出95%以上性能不佳的蓄电池[3-5]。因此，本设计采用内阻检测法来测定蓄电池的劣化程度。

蓄电池的内阻极小，仅为几毫欧到几十毫欧，需要进行精确测量。现有的测量仪表多采用直流放电法来测量蓄电池的内阻，但该方法对蓄电池危害较大，且不能在线检测。本设计采用交流阻抗法来检测蓄电池的内阻。

交流阻抗法需给被测蓄电池施加一正弦信号，实验表明1KHz的正弦信号其检测效果最好，能有效滤除50Hz的干扰信号。交流信号由STM32的D/A转换器生成，经双极性转换和放大后施加于被测蓄电池。

由于蓄电池内阻极小，在蓄电池端得到的电压采样信号也很小。为准确测量内阻，采用仪表用放大器AD620对电压信号进行放大。AD620能处理几微伏到几伏的电压信号。AD620输出的电压信号经带通滤波后送至STM32的A/D输入端。

内阻检测和滤波电路如图2所示。

图2 内阻检测和滤波电路

2.3 电压电流采集电路

电压是电池对外表征的重要参数之一，同时也是判断电池短路和劣化程度的重要依据。铅酸蓄电池的最高充电电压为16V，STM32配置的A/D转换器的转换范围是0-3.6V，因此需用精密电阻对电压进行比例衰减至A/D转换器的量程范围，经RC滤波和电压跟随器后，送至STM32的A/D转换输入端。电压采集电路如图3所示。

电流检测采用霍尔开环电流传感器HDC-60AY，其额定测量电流0-60A，输出电压为0-4V。

图3 电压采集电路

3 软件设计

铅酸蓄电池劣化程度检测系统软件采用C语言编写，包括主程序、内阻检测子程序、电压电流采集子程序、显示子程序、CAN通信程序。系统的工作流程为：启动系统后进行初始化，根据采集到的电压、电流和内阻的测量结果，给出蓄电池的劣化程度分析结果，并进行显示和数据传输。系统主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

4 总结

本文设计了一款铅酸蓄电池劣化程度检测系统。系统以STM32F103为核心，通过交流阻抗法检测蓄电池内阻，并结合电压电流的检测结果，分析蓄电池的劣化程度。该系统经调试表明，系统运行稳定可靠，检测准确，具有广泛的应用前景。

[1] 邵勤思.铅酸蓄电池的发展、现状及应用[J].自然杂志,2017,39(4): 258-264.

[2] 杨叶,李哲.铅酸蓄电池充电管理与修复系统设计[J].计算机与数字工程,2013,41(11):1846-1849.

[3] 李艳.铅酸蓄电池内阻检测仪设计[J].仪表技术与传感器,2015 (8):50-53.

[4] 宋鹤,陈超波.智能铅酸蓄电池充电管理与修复系统设计[J].机械与电子,2015(8):53-55.

[5] 雷昳,王春芳.高频谐振式铅酸蓄电池修复系统的研究[J].电力电子技术,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

杨明（1998-），男，就读于临沂大学自动化与电气工程学院电气工程及其自动化专业。现为山东省省级创新创业项目“铅酸蓄电池检测装置的设计”的项目负责人，成员有田晓、续振涛。