汽车蓄电池剩余电量快速测量方案设计

吴琼宇

摘 要：在新能源汽车中，汽车蓄电池的电量直接决定着汽车的续航能力，随着新能源汽车的快速发展，对汽车蓄电池的剩余电量进行快速检测越来越重要。本设计通过对电流进行采样，来实现蓄电池的剩余电量进行快速检测。这不但要求蓄电池大电流的放电，还要求放电的电流尽可能恒定。所以，该设计使用恒流源放电电路来实现恒定放电。其具有结构简单，调整方便的优点。该恒流源放电电路，使放电的电流基本恒定，确保了剩余电量测量的精确。本设计通过积分计算出剩余电量并显示出来，不须人工计算。

关键词：蓄电池 剩余电量检测 恒流源放电

Design of a Fast-Measuring Scheme for the Remaining Power of Automobile Battery

Wu Qiongyu

Abstract：In new energy vehicles， the power of the car battery directly determines the endurance of the car. With the rapid development of new energy vehicles， it is more and more important to quickly detect the remaining power of the car battery. This design realizes the rapid detection of the remaining power of the battery by sampling the current. This not only requires the high-current discharge of the battery， but also requires the discharge current to be as constant as possible. Therefore， this design uses a constant current source discharge circuit to achieve constant discharge. It has the advantages of simple structure and convenient adjustment. The constant current source discharge circuit makes the discharge current basically constant， ensuring the accuracy of the remaining power measurement. In this design， the remaining power is calculated and displayed through integrals， without manual calculation.

Key words：battery， residual power detection， constant current source discharge

蓄電池作为一种使用方便、可靠、安全的化学能源，其使用价值不断增加。在传统汽车上，汽车蓄电池作为启动电源，其剩余电量并不为人所关注，然而，由于蓄电池剩余电量不足所导致的无法启动的情况屡见不鲜。随着新能源汽车的出现于快速发展，汽车蓄电池成为了动力来源，而汽车蓄电池的所剩电量是广大用户十分注重的一个指标，该指标直接决定了汽车的续航能力，所以精确的检测汽车蓄电池的所剩电量变得十分的重要。

蓄电池作为一个庞大的电化学系统，它在不一样的负载和温度中运转的过程中，可以提供的电量也不一样;同时，随着蓄电池寿命的减少，其电量也会逐渐减少。目前，测量蓄电池剩余容量的方式比较多，例如依靠蓄电池电解液的密度进行预测所剩电量的密度法，这种方式测量不太精确并且不太实用：不适合密封的蓄电池;并且伴随着蓄电池寿命减少，蓄电池电极会遭到腐蚀，这让精确的计算出所剩电量尤为困难。

本设计的目标是制作出一个测量精确、测量用时少的蓄电池所剩容量的方案。通过对已知的检测方案进行比对，本设计确定了用恒流源放电法和开路电压法一起使用的方法。即通过检测蓄电池在短时间恒定电流放电后的电压，电流信息，对收集的信息进行处理后传送到AT89C51单片机，最后通过显示电路显示出来。此法不但可以做到精确测量，还可以用恒流源放电法去减少蓄电池虚电压的干扰。

1 目前蓄电池剩余电量测量技术

在现在的研究中，公认的方法有以下几种：

1.1 高电率放电法

这种方法是用对大负荷下的端电压进行测量的方式来计算蓄电池的剩余电量的。此法是通过对启动机在启动时的负载做出模仿，对蓄电池在大电流放电过程中的端电压进行检测，依据端电压的数据变化去鉴定蓄电池当前状况的方法。这种方法可以用来测试蓄电池的好坏和蓄电池给启动机供电的能力，但因为这种方法的电能消耗大，有一定危险，所以这种方法不可以检测在充电过程中以及刚刚完成充电的蓄电池。

1.2 阻抗法

这种方法利用的是蓄电池在充电时阻抗升高，放电时阻抗降低的特性。通过检测被测电池的频率响应的数值来估算蓄电池的电量，此方法过程繁琐，所以使用较少。

1.3 开路电压法

蓄电池荷电程度与蓄电池电解液密度之间有很大关联。因此如果我们想要得到蓄电池的所剩容量，就能用检测到的蓄电池的开路电压来进行计算。这种方法的劣势是：在因为蓄电池老化而导致的蓄电池所剩容量变小时，开路电压变化的幅度太小，所以这种方法不能精确检测蓄电池所剩容量。

1.4 密度法

蓄电池本身的所剩容量与其电解液密度之间有很大关联。硫酸铅、氧化铅和铅的含量确定了蓄电池的电解液密度。我们想要的蓄电池剩余电量，能用蓄电池电解液的密度值计算得出。可是伴随着蓄电池的老化，正、负极板会出现腐蚀、断筋等变化，而硫酸铅、氧化铅和铅这三样物质在蓄电池中的比例与蓄电池制造时的比例产生了不小的差别，这导致了用密度值来推算的蓄电池所剩容量的方法不精确。而且由于当前的通信电源系统中所用的多是阀控式铅酸蓄电池，导致这种方式很不实用。

2 蓄电池的放电特性

蓄电池放电流程可分为三个步骤：

2.1 开始放电阶段

端电压由2.14V迅速下降到2.1V

这时极板孔隙内的硫酸迅速减少，浓差极化增加，电解液的密度快速降低，端电压快速降低。

2.2 相对稳定阶段

端电压缓慢下降至1.85V

由极板空隙外面流向空隙里面的硫酸和空隙里面消耗的硫酸实现动态平衡，空隙里外的电解液密度跟着慢慢减少，因此端电压慢慢减少。

2.3 迅速下降阶段

端电压由1.85V迅速下降至1.75V。

此时放电过程即将结束，电化学极化增加，浓差极化增加，欧姆极化增加，端电压快速下降。若是电压持续降低，蓄电池就会坏掉。

3 蓄电池放电时应注意的问题

3.1 放电终止电压

蓄电池在放电时，其电压随着放电过程进行来逐渐减少。当蓄电池电压下降到某一数值时下降速度将会加快，其使用寿命会受到损害，此时电压叫做终止电压。电池的电压与电流成正比，较大的电流将损坏蓄电池，因此在放电时应尽力将蓄电池终止电压设置的稍大一些。并且合适的终止电压将会降低放电法对蓄电池的损坏，对延长蓄电池使用时间有一定帮助。

3.2 放电率

在用放电法对蓄电池的所剩电量做出测量时，蓄电池放电速度与测量速度有一定关系。但是放电率会对蓄电池容量造成损伤。为了蓄电池尽可能的保护蓄电池的容量，在给蓄电池放电时，合适的电流强度会有助于延长蓄电池的使用寿命，也有助于准确的计算出蓄电池的剩余电量。

4 硬件设计

本设计的硬件由四个部分组成：采样电路、恒流源电路、显示电路和芯片。

4.1 采样电路的设计

4.1.1 设计思路

本设计是对测量蓄电池的剩余电量。由于确定用放电法来完成本设计，因此要用大电流的恒流放电，并检测出电流的值，根據测量值用积分计算出蓄电池的容量，所以要用电流取样电路。因为本设计要求的电流量程较大，所以电流采样电路为大电流放电电路，器件必须要符合大功率和大电流的要求。因为本设计要依靠蓄电池端电压U和实际容量之间的关系去计算所剩的容量，所以需要电压采样电路。

4.1.2 设计方案

对电压采样时，使用分压电路的形式，电压的变化范围是10.5V-15V。使用小电流进行放电，所用的放电电阻是大电阻，这样做可以增强精准性，电阻R6、R7使用1K的电阻。因为电阻的阻值有不小的误差，R8使用1K的电位器;电流进行采样时，要使用较大的电流进行放电，因此电阻RL是阻值较小的电阻。但是因为对蓄电池电量的进行测量时必须采用恒流源放电，所以本设计使用了恒流源放电。

4.2 恒流源电路设计

4.2.1 设计思路

由于本设计需要对蓄电池进行大电流放电，放电的时候，端电压必然要降低，放电的电压也会随之降低。为了尽可能的保持电流的稳定，需要增加恒流源放电装置以弥补损耗的电压，使电流基本稳定。其方框图如图1所示：

4.3 显示电路设计

4.3.1 设计思路

本设计的显示部分用的是12864LCD液晶显示屏。它基本上由行、列驱动器和128×64全点阵液晶显示器构成。即能进行图形显示，又能显示8×4个汉字。

4.4 芯片部分

出于对成本和熟悉程度的考虑，本设计的芯片部分采用的是AT89C51单片机。

因为该把多功能8位CPU跟闪烁存储器构成于一个芯片里，所以ATMEL的AT89C51单片机是效率很高的微控制器。AT89C51单片机给许多用嵌入式控制系统的人另外的灵动而便宜的选择。

5 主要算法

5.1 蓄电池电压转换

式中：D1—A/D转换IN-1输入端的8位输出

Us1—IN-1输入端的模拟电压值

E—蓄电池的端电压

5.2 蓄电池电流转换

式中：D2—A/D转换IN0输入端的8位输出

Us—IN0输入端的模拟电压值

Ia—蓄电池放电的电流值

（3）蓄电池电容转换

蓄电池的容量Q是以“Ah”为单位来计量的。

Q=∫0tIdt

式中：I—电池的放电电流

t—电池的放电时间

积分运算是通过求和运算来实现的。

式中：Ia—测量的负载电流

—单片机采样周期（即1ms）

参考文献：

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