楊明，田曉，續(xù)振濤，齊延興

鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊明，田曉，續(xù)振濤，齊延興

（臨沂大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

文章設(shè)計(jì)了一款以STM32微處理器為核心的鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過給蓄電池施加1KHz的正弦信號，采用交流阻抗法精確檢測蓄電池的內(nèi)阻，并結(jié)合檢測的電壓電流，最終根據(jù)蓄電池內(nèi)阻和劣化程度的對應(yīng)關(guān)系給出分析結(jié)果。

STM32；劣化程度；內(nèi)阻檢測

1 引言

鉛酸蓄電池是通信、電力、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)不可或缺的電力能源。隨著電動汽車的日益增多，鉛酸蓄電池的應(yīng)用量極速上升，因此蓄電池本身是否健康，是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)對各行業(yè)來說意義重大。鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)浮充壽命為5-8年，但由于使用不當(dāng)?shù)仍?，?shí)際使用壽命僅2-3年，因此設(shè)計(jì)良好的蓄電池檢測和修復(fù)裝置具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1,2]。

本文設(shè)計(jì)了一款鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統(tǒng)，通過對蓄電池的電壓和內(nèi)阻的測量，評估其劣化程度，進(jìn)而給出是否可修復(fù)和具體的修復(fù)建議。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是以鉛酸蓄電池作為研究對象，通過實(shí)時(shí)采集蓄電池的電壓、電流、內(nèi)阻，來檢測蓄電池的劣化程度，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果傳送給上位機(jī)，因此，是一個(gè)以微處理器為核心，應(yīng)用傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述功能，同時(shí)便于通信功能的實(shí)現(xiàn)和升級換代的需求，本系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)了電壓電流采集電路、內(nèi)阻測量電路、顯示電路、通信電路等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 微處理器STM32

本設(shè)計(jì)選用了意法半導(dǎo)體公司推出的超低功耗32位微處理器STM32F103。其工作頻率高達(dá)72MHz，片內(nèi)具有20KB的SRAM和64KB的FLASH，以及眾多的增強(qiáng)I/O口。同時(shí)配置3個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器（多達(dá)21個(gè)輸入通道）和2通道的D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換精度滿足本系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)采集精度的要求。

2.2 內(nèi)阻檢測電路

蓄電池劣化程度檢測一般采用容量檢測法和內(nèi)阻檢測法。容量檢測能直接測出蓄電池剩余的壽命，是最直接、最準(zhǔn)確的方法，但是測試需高昂的費(fèi)用。內(nèi)阻檢測法是一種新的測試方法，即通過測量蓄電池的內(nèi)阻來確定電池的劣化程度，其精度雖不如容量檢測法，但實(shí)驗(yàn)證明至少能測出95%以上性能不佳的蓄電池[3-5]。因此，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)阻檢測法來測定蓄電池的劣化程度。

蓄電池的內(nèi)阻極小，僅為幾毫歐到幾十毫歐，需要進(jìn)行精確測量?，F(xiàn)有的測量儀表多采用直流放電法來測量蓄電池的內(nèi)阻，但該方法對蓄電池危害較大，且不能在線檢測。本設(shè)計(jì)采用交流阻抗法來檢測蓄電池的內(nèi)阻。

交流阻抗法需給被測蓄電池施加一正弦信號，實(shí)驗(yàn)表明1KHz的正弦信號其檢測效果最好，能有效濾除50Hz的干擾信號。交流信號由STM32的D/A轉(zhuǎn)換器生成，經(jīng)雙極性轉(zhuǎn)換和放大后施加于被測蓄電池。

由于蓄電池內(nèi)阻極小，在蓄電池端得到的電壓采樣信號也很小。為準(zhǔn)確測量內(nèi)阻，采用儀表用放大器AD620對電壓信號進(jìn)行放大。AD620能處理幾微伏到幾伏的電壓信號。AD620輸出的電壓信號經(jīng)帶通濾波后送至STM32的A/D輸入端。

內(nèi)阻檢測和濾波電路如圖2所示。

圖2 內(nèi)阻檢測和濾波電路

2.3 電壓電流采集電路

電壓是電池對外表征的重要參數(shù)之一，同時(shí)也是判斷電池短路和劣化程度的重要依據(jù)。鉛酸蓄電池的最高充電電壓為16V，STM32配置的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍是0-3.6V，因此需用精密電阻對電壓進(jìn)行比例衰減至A/D轉(zhuǎn)換器的量程范圍，經(jīng)RC濾波和電壓跟隨器后，送至STM32的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。電壓采集電路如圖3所示。

電流檢測采用霍爾開環(huán)電流傳感器HDC-60AY，其額定測量電流0-60A，輸出電壓為0-4V。

圖3 電壓采集電路

3 軟件設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，包括主程序、內(nèi)阻檢測子程序、電壓電流采集子程序、顯示子程序、CAN通信程序。系統(tǒng)的工作流程為：啟動系統(tǒng)后進(jìn)行初始化，根據(jù)采集到的電壓、電流和內(nèi)阻的測量結(jié)果，給出蓄電池的劣化程度分析結(jié)果，并進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款鉛酸蓄電池劣化程度檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103為核心，通過交流阻抗法檢測蓄電池內(nèi)阻，并結(jié)合電壓電流的檢測結(jié)果，分析蓄電池的劣化程度。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，檢測準(zhǔn)確，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 邵勤思.鉛酸蓄電池的發(fā)展、現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].自然雜志,2017,39(4): 258-264.

[2] 楊葉,李哲.鉛酸蓄電池充電管理與修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2013,41(11):1846-1849.

[3] 李艷.鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測儀設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015 (8):50-53.

[4] 宋鶴,陳超波.智能鉛酸蓄電池充電管理與修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2015(8):53-55.

[5] 雷昳,王春芳.高頻諧振式鉛酸蓄電池修復(fù)系統(tǒng)的研究[J].電力電子技術(shù),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

楊明（1998-），男，就讀于臨沂大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)?，F(xiàn)為山東省省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“鉛酸蓄電池檢測裝置的設(shè)計(jì)”的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，成員有田曉、續(xù)振濤。