基于ATMEGA8 的装甲车辆蓄电池状态检测系统设计

谢永成，李光升，魏 宁，李 刚

（陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京 100072）

当前，部队实战化需求的提升增加了对装甲车辆使用状态稳定性的要求，尤其是在高原高寒地区，极端的气候常常使装甲车辆蓄电池发生难以预料的故障，影响装甲车辆作战性能。目前，对于装甲车辆蓄电池状态检测的研究，主要呈现出两种趋势，一种趋势是引入神经网络、模糊系统等复杂算法，从理论上探索蓄电池荷电状态（荷电状态）检测或健康状况（SOH）预测的新方向，如文献[1]引入GA-ANFIS 模型对蓄电池SOH 进行预测；另一种趋势是聚焦蓄电池状态参数的准确测量，以降低蓄电池状态检测中的误查，如文献[1]引入LabVIEW 和PCI-6251 数据采集卡，实现对蓄电池状态参数的准确测量。这两种趋势各有优点，但都未能很好地形成检测系统应用于装甲车辆蓄电池实际使用中。基于此，文中兼顾测量精度和实际使用，在准确测量蓄电池内阻的基础上，设计一套便于使用且适应性强的蓄电池状态检测系统，为装甲车辆在极端状态下的使用提供支撑。

1 蓄电池状态检测系统总体设计

装甲车辆蓄电池状态检测系统要实现的目标是能够精确测量电池端电压、内阻和温度信号，并根据蓄电池荷电状态估测模型，利用计算机技术进行数据处理和分析，实现对蓄电池荷电状态的准确掌握，为恶劣环境下蓄电池的使用及维护保养提供准确而直观的依据。

文中系统主要实现两方面的功能：一是准确测量蓄电池特性参数，为全面分析蓄电池状态提供数据基础；二是在获得蓄电池特性参数的基础上，准确估测蓄电池荷电状态。在此基础上，可以利用状态检测数据为蓄电池建立健康档案，进一步实现对蓄电池的失效预测。

装甲车辆铅酸蓄电池一般安装在载员室底舱，易受到冲击，且在高原高寒地区，其运行环境相对恶劣。因此，要求检测系统所采用的关键元器件必须在保证测量精度的情况下，能够适应恶劣的工作环境，具有较好的可靠性。测量获得的蓄电池特性参数数据传送到上位机，由上位机实现复杂数据处理。系统设计框图如图1 所示。

图1 装甲车辆铅酸蓄电池状态检测系统设计框图

信号采集模块实时采集的蓄电池特性参数有电池端电压、温度和内阻。对于温度测量，可在电池表面安装温度传感器，以测得的温度值近似代替电池内部温度。电池端电压和内阻的测量设计是系统的难点和重点。系统将采集得到的信号送入信号调理模块进行调理，测试主机依据蓄电池荷电状态估测模型对蓄电池特性参数数据进行分析处理，得到蓄电池荷电状态数据并将结果显示出来。必要时，可以将数据存储起来，为蓄电池失效预测提供数据支撑，使用电源板为系统供电[3-6]。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计主要包括装甲车辆蓄电池端电压测量和内阻测量。

2.1 端电压测量

针对蓄电池端电压的测量，利用ATMEGA8 单片机设计了一个电压采集电路，从电池两端通过高精度隔离运放INA148 提取端电压。

如图2 所示，电压采集电路通过精密电阻R22和R23进行分压，电阻值要足够大，在该采集电路中，取R22=120 kΩ，R23=60 kΩ。对装甲车辆常用的蓄电池而言，其充满电时最大电压可达13.2 V，此处13.2×R23(R22+R23)=4.4 V ＜5 V，满足采集电路测量范围要求。

图2 电压测量电路

2.2 内阻测量

蓄电池内阻的测量是蓄电池状态参数测量的难点。内阻阻值比较小，一般为毫欧级别，容易受到外界噪声和系统固有误查干扰，难以获得准确数值，影响蓄电池状态的估测。为准确测量内阻数值，系统采用交流阻抗检测法来测量蓄电池内阻，即在蓄电池两端加注一个较弱的交流信号并测量响应及相位差，实现对蓄电池内阻的在线检测[7-11]。

为了准确测得蓄电池内阻，一方面要有稳定的交流信号源注入蓄电池两端；另一方面要有高精度的信号调理电路，将外界干扰的影响降为最小。

2.2.1 交流信号源

一般的信号发生器信号频率固定，不能根据被测对象进行灵活调整，且易受环境噪声干扰，不宜用来测量蓄电池内阻。针对此问题，文中利用函数发生器设计了图3 所示的信号源，其频率可调且信号输出稳定可靠。

图3 交流信号源电路设计

信号源采用ICL8038 集成函数发生器，可产生方波、三角波和正弦波，设定其频率信号为20 Hz。

2.2.2 信号调理电路

蓄电池两端的交流信号微弱且背景噪声强，同时被测信号与参考信号之间存在微弱的相位移差。因此，信号调理电路设计时应在放大被测信号的同时，尽可能减少电路所引起的相移误差。为解决此问题，设计了交流差分放大和滤波电路，用以提取信号并放大被测信号，并同时尽可能地消除相位移误差。交流差分放大及滤波电路如图4 所示。

图4 交流差分放大及滤波电路

2.2.3 锁相放大及滤波电路

为了完成参考信号和被测信号之间的相关运算，设计了锁相放大电路。在实际应用中，通常采用开关式相敏检波器完成被测信号和参考信号之间的运算。根据互相关函数运算法则，需要使用乘法器和积分器完成被测信号与参考信号之间的运算。在电路设计中，采用AD630 型集成芯片，与低通滤波器组成近似的乘法器和积分器，完成锁相、放大及相关运算功能，并最终得到与相位差θ相关的直流信号，送入单片机进行数据采样及处理[12-14]。锁相放大及滤波电路如图5 所示。

图5 锁相放大及滤波电路

根据交流阻抗法的原理，可用式（1）计算得到蓄电池内阻的精确值：

其中，U=Us·Uref，K为电路的增益系数，ΔR为导线的阻值。

2.3 外围电路

系统选用的单片机为ATMEGA8，用于实现数据采集、系统控制、上位机通信等功能。该单片机功能齐全、接口丰富，在该检测系统中，主要完成以下三个方面的工作：①采集蓄电池端电压、内阻和温度检测模块获得的信号数据，并对各路信号检测模块采集得到的数据进行A/D 转换。②通过I/O端口PB0-PB2 控制四路模拟开关CD4502，并根据系统实际需求，选择蓄电池内阻测量放大电路的不同增益。③通过TXD 向上位机传送数据和发送报警命令等，通过RXD 接收上位机指令，以执行下位机系统控制等。ATMEGA8 及其外围电路如图6所示。

图6 ATMEGA8及其外围电路

ATMEGA8 外围电路主要由晶振电路、复位电路和稳压电路三部分组成。此外，该系统选用RS232通用串行接口通信模式，从而可以实现单片机接口和上位机接口的电平匹配，实现单片机与上位机的信息传递。

3 系统核心程序设计

检测系统软件设计主要是对单片机数据采集及调理程序和上位机建模分析程序进行设计，采用的语言是C 编译器ICCAVR 和可视化编程语言C++Builder，其核心程序是蓄电池荷电状态估测程序。蓄电池荷电状态估测程序设计流程如图7 所示。

图7 蓄电池荷电状态估测程序设计流程

根据测量电压的变化程度，判断电池是否处于静置状态。若电压和内阻的关系满足|V(n+1)-V(n)|＞20R(n)，且|V(n)-V(n-1) |＞20R(n-1)，则电池处于使用状态，否则处于静置状态。若电池处于静置状态，则系统采用基于LS-SVM 的荷电状态估测模型进行荷电状态估测；若电池处于使用状态，则系统采用基于BP 网络的荷电状态估测模型[15-16]，估算在线电池剩余容量。蓄电池状态检测系统荷电状态估测界面如图8 所示。

图8 蓄电池状态检测系统荷电状态估测界面

4 实验验证分析

以6-QM-40 型装甲车辆铅酸蓄电池为测试对象，其规格为12 V/40 Ah，对充满电的铅酸蓄电池用10 A 的放电电流放电，当蓄电池端电压为10.5 V 时，截止放电。在放电过程中，利用已有的检测线设备检测蓄电池荷电状态，得到此型号铅酸蓄电池在10 A定电流放电和25 ℃的温度条件下，实际满容量为41.84 Ah。根据放电时间不同，得到不同端电压和内阻条件下的蓄电池荷电状态实测值。每次放电完毕后，间隔两个小时用来稳定蓄电池状态，以测得较准确的静置状态下蓄电池端电压、内阻和温度值。测得的实验数据如表1 所示。

表1 实验测量结果

将表1 实验数据载入系统上位机静置估测的LS-SVM 自学习数据库中，并对LS-SVM 进行训练，经训练后的检测系统可以对此型号的铅酸蓄电池荷电状态进行估测，用检测系统对另一个此种型号的蓄电池进行参数检测及荷电状态估测，并与核对性放电实验法得到的实测荷电状态数据进行对比，得到的数据如表2 所示。

对表2 中蓄电池估测值和实测值进行对比可知，系统估测值与实际值相差不大，其最大误差为2.19%，满足装甲车辆蓄电池在作战状态下使用的误差范围要求，该检测系统对静置状态下铅酸蓄电池荷电状态估测具有较好的效果。但随着放电的进行，端电压下降，内阻增大，此时得到的荷电状态值与实测值相比，误差较大，这是由蓄电池的放电曲线决定的，系统在测量蓄电池深放电时的精度还可以进一步提升。

表2 系统监测和实测数据

5 结束语

针对装甲车辆蓄电池在恶劣环境下的使用问题，文中在兼顾测量精度和实用性的同时，利用ATMEGA8 单片机设计了一套装甲车辆蓄电池状态检测系统。实验结果表明，该系统具有较高的测量精度，可广泛用于装甲车辆蓄电池在静置或使用状态下的荷电状态测量。同时，检测系统在获得蓄电池特性参数和荷电状态数据后，还可以存储起来建立蓄电池健康档案，对电池进行电池失效预测，为及时排除潜伏性故障和预知电池发展趋势等提供准确可靠的参考信息。