邢衛(wèi)東

(鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450000)

某品牌電動(dòng)車使用的蓄電池在顧客使用數(shù)月后(一般在半年以內(nèi)，未過三保期)，發(fā)現(xiàn)有個(gè)別電池組出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，這時(shí)廠家需為顧客更換整組電池，維修成本較大.經(jīng)對(duì)更換下來的電池組檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，電池組中的3塊電池并非全部失效，幾乎都是只有一塊電池失效造成整組電池?zé)o法繼續(xù)使用，其余兩塊電池幾乎處于全新狀態(tài).為了節(jié)約維修成本，完全可以將電池組中損壞的電池更換掉，配一塊相同容量的電池供用戶繼續(xù)使用.測(cè)量電池容量最初的方法是采用將電池接上大功率電阻放電并計(jì)時(shí)的方法，即每隔5 min記錄放電電流，并監(jiān)視電壓，當(dāng)電壓下降至10.5 V時(shí)中止放電，然后根據(jù)記錄估算出電池容量.這種方法的缺點(diǎn)是精度差、效率低、工作量大.

基于此，筆者設(shè)計(jì)了一種容量測(cè)試儀，一次可同時(shí)測(cè)試6塊電池.該機(jī)采用預(yù)設(shè)固定電流值和固定保護(hù)電壓值，單片機(jī)根據(jù)單只電池的終止電壓來控制電池放電，當(dāng)一組電池恒流放電完后，即可根據(jù)屏幕顯示的放電時(shí)間對(duì)電池進(jìn)行篩選、配組.該機(jī)最大的特點(diǎn)是可在無人員監(jiān)視的情況下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)試，確保每只電池不被過放電，同時(shí)還具有反接、過壓保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，確保被測(cè)電池和設(shè)備的安全.

1 工作原理

該機(jī)主要包括3大部分：電源部分、單片機(jī)計(jì)時(shí)顯示及控制部分和由6組完全相同的恒流型電子負(fù)載，見圖1.設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 221990-2008》中6.6節(jié)“2 hr容量實(shí)驗(yàn)”的規(guī)定[1].當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，單片機(jī)啟動(dòng)恒流電子負(fù)載，開始對(duì)電池以5 A恒流放電，并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)電池電壓低于保護(hù)電壓10.5 V時(shí)停止放電，同時(shí)計(jì)時(shí)停止并將放電時(shí)間顯示在液晶顯示屏上.依據(jù)放電時(shí)間，換算出電池容量.

圖1 原理框圖Fig.1 Block diagram

1.1 電源部分

電源部分為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的穩(wěn)定的低壓直流電壓，主要由78系列三端集成穩(wěn)壓器提供+5 V、+12 V、+24 V電壓以及一個(gè)用可調(diào)精密穩(wěn)壓器TL431實(shí)現(xiàn)的精密電壓基準(zhǔn)Vref.這里重點(diǎn)介紹電壓基準(zhǔn)Vref的取值.GB/T 221990-2008中規(guī)定電池放電中止電壓為10.5 V，Vref用于和電池電壓相比較，當(dāng)其中一組電池在放電過程中，電壓低于Vref時(shí)，比較器輸出停止信號(hào)，此信號(hào)輸送給單片機(jī)以中止相應(yīng)的電池放電.正常情況下，比較器輸入的電池電壓應(yīng)取自電池的電極上，所以應(yīng)在電池電極上引出兩根連線，一根用于5 A恒流通路，另一根用于電池電壓取樣.但考慮到本機(jī)放電電流為固定值，經(jīng)過預(yù)先對(duì)導(dǎo)線上的壓降進(jìn)行補(bǔ)償處理后，僅用一根導(dǎo)線即可.經(jīng)實(shí)測(cè)，導(dǎo)線上的壓降為0.25 V，輸入比較器的電池電壓(即取樣電壓)應(yīng)為10.5 V-0.25 V=10.25 V，所以Vref取10.25 V.

1.2 單片機(jī)計(jì)時(shí)顯示及控制部分

單片機(jī)選用AT89C51，它是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè)4 K字節(jié)的FLASH可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都于MCS-51兼容[2].顯示器采用字符型16位×1行的液晶顯示模塊.字符型液晶顯示模塊在世界上是比較通用的，而且接口格式也比較統(tǒng)一，它的操作指令及其模塊接口信號(hào)定義都是兼容的[3].在本測(cè)試儀中，采用總線結(jié)構(gòu)連接，不僅電路連接簡(jiǎn)單，而且程序也簡(jiǎn)單.

整個(gè)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示.74LS244[4]用于將采集到的電池電壓的狀態(tài)信號(hào)(高于10.5 V為高電平，低于10.5 V為低電平)輸送至單片機(jī)，由單片機(jī)通過74LS377[5]輸出控制信號(hào)，控制恒流型電子負(fù)載的放電及停止，并由液晶顯示模塊顯示電池放電時(shí)間.

圖2 單片機(jī)計(jì)時(shí)顯示及控制部分詳細(xì)圖Fig.2 Single chip timing chat dispaly and control section details

1.3 恒流型電子負(fù)載

本機(jī)共有6個(gè)完全相同的恒流型電子負(fù)載，如圖3所示.WL431是一個(gè)可調(diào)式電壓基準(zhǔn)，其組成的恒流典型電路參見WL431.pdf電子文檔說明[6].

由U2，T1，T8，T9和U1B組成的恒流放電電路對(duì)電池恒流放電.放電產(chǎn)生的能量，大部分由T1、T8、T9以熱能的方式通過散熱器釋放.其穩(wěn)流過程如下：電池電壓↓→流過檢流電阻RS1的電流↓→C點(diǎn)電壓↓→經(jīng)U1B放大后的C點(diǎn)電壓(B點(diǎn)電壓)↓→流入U(xiǎn)2的電流Ik↓→A點(diǎn)電壓↑→流入T2基極的電流↑→流過檢流電阻RS1的電流↑，直到B點(diǎn)電壓穩(wěn)定在2.495 V.電位器W1用于調(diào)整恒流電流的大小.

散熱器的選擇： 本機(jī)每一組的放電最高限制電壓為15 V，因此每一組功率管將產(chǎn)生15 V×5 A=75 W的熱能.按照每瓦熱能需10～20 cm2散熱片計(jì)算[7]，則散熱器的散熱面積不應(yīng)低于750 cm2.

圖3 恒流電子負(fù)載Fig.3 Constant electronic load

2 程序流程

本機(jī)程序流程如圖4所示.主程序在開機(jī)或復(fù)位后，首先對(duì)液晶顯示模塊LCM初始化，對(duì)定時(shí)器T0置初值，所有使用的變量清零，開放中斷，然后等待啟動(dòng)按鈕按下.

啟動(dòng)按鈕按下后，單片機(jī)通過74LS377將控制信息加至六組恒流型電子負(fù)載，開始以5 A恒流放電，同時(shí)計(jì)時(shí)器開始工作.然后，單片機(jī)通過74LS244讀入采集到的電池電壓狀態(tài)信號(hào).單片機(jī)通過以74LS244讀入的信號(hào)為基礎(chǔ)，從第一組開始，以第一、二、三、四、五、六、一的順序循環(huán)對(duì)各組電池進(jìn)行判斷.例如：當(dāng)?shù)诙M放電電壓降至10.5 V以下時(shí)，74LS244讀入的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)中，第二位D1數(shù)據(jù)為0(低電平)，單片機(jī)據(jù)此判斷第二組電池放電完畢.然后，通過74LS377將停止信號(hào)加至第二組恒電子負(fù)載，停止第二組電池放電.當(dāng)六組電池全部放電完畢，程序轉(zhuǎn)入發(fā)出連續(xù)的蜂鳴音，提示操作人員.

圖4 程序流程 Fig.4 Program flow

3 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，本電動(dòng)自行車專用電池容量測(cè)試儀取得了很好的效果.本機(jī)不僅可以用于售后服務(wù)中的容量測(cè)試，也可以用于對(duì)新購進(jìn)的電池進(jìn)行容量鑒定.本文講述的是一個(gè)基本的電路，在此基礎(chǔ)上可以很方便地加入一些其他功能，如增加實(shí)時(shí)電壓顯示，將實(shí)時(shí)采集的電壓數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)中繪出放電曲線等，本機(jī)將會(huì)更加完善.

參考文獻(xiàn):

[1] GB/T 22199-2008.電動(dòng)助力車用密封鉛酸蓄電池[S].

[2] 余永權(quán). ATMEL89系列FLASH單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，1997:21-26.

[3] 李維提, 郭強(qiáng).液晶顯示應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000:51-60.

[4] 李華. MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993:28-29.

[5] 王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999:55-58.

[6] 《中國集成電路大全》編寫委員會(huì).中國集成電路大全TTL集成電路[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985:16-25.

[7] 何小艇.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2001：72-78.