吳瓊宇

摘 要：在新能源汽車中，汽車蓄電池的電量直接決定著汽車的續(xù)航能力，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，對汽車蓄電池的剩余電量進(jìn)行快速檢測越來越重要。本設(shè)計通過對電流進(jìn)行采樣，來實現(xiàn)蓄電池的剩余電量進(jìn)行快速檢測。這不但要求蓄電池大電流的放電，還要求放電的電流盡可能恒定。所以，該設(shè)計使用恒流源放電電路來實現(xiàn)恒定放電。其具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)。該恒流源放電電路，使放電的電流基本恒定，確保了剩余電量測量的精確。本設(shè)計通過積分計算出剩余電量并顯示出來，不須人工計算。

關(guān)鍵詞：蓄電池 剩余電量檢測 恒流源放電

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

蓄電池作為一種使用方便、可靠、安全的化學(xué)能源，其使用價值不斷增加。在傳統(tǒng)汽車上，汽車蓄電池作為啟動電源，其剩余電量并不為人所關(guān)注，然而，由于蓄電池剩余電量不足所導(dǎo)致的無法啟動的情況屢見不鮮。隨著新能源汽車的出現(xiàn)于快速發(fā)展，汽車蓄電池成為了動力來源，而汽車蓄電池的所剩電量是廣大用戶十分注重的一個指標(biāo)，該指標(biāo)直接決定了汽車的續(xù)航能力，所以精確的檢測汽車蓄電池的所剩電量變得十分的重要。

蓄電池作為一個龐大的電化學(xué)系統(tǒng)，它在不一樣的負(fù)載和溫度中運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，可以提供的電量也不一樣;同時，隨著蓄電池壽命的減少，其電量也會逐漸減少。目前，測量蓄電池剩余容量的方式比較多，例如依靠蓄電池電解液的密度進(jìn)行預(yù)測所剩電量的密度法，這種方式測量不太精確并且不太實用：不適合密封的蓄電池;并且伴隨著蓄電池壽命減少，蓄電池電極會遭到腐蝕，這讓精確的計算出所剩電量尤為困難。

本設(shè)計的目標(biāo)是制作出一個測量精確、測量用時少的蓄電池所剩容量的方案。通過對已知的檢測方案進(jìn)行比對，本設(shè)計確定了用恒流源放電法和開路電壓法一起使用的方法。即通過檢測蓄電池在短時間恒定電流放電后的電壓，電流信息，對收集的信息進(jìn)行處理后傳送到AT89C51單片機(jī)，最后通過顯示電路顯示出來。此法不但可以做到精確測量，還可以用恒流源放電法去減少蓄電池虛電壓的干擾。

1 目前蓄電池剩余電量測量技術(shù)

在現(xiàn)在的研究中，公認(rèn)的方法有以下幾種：

1.1 高電率放電法

這種方法是用對大負(fù)荷下的端電壓進(jìn)行測量的方式來計算蓄電池的剩余電量的。此法是通過對啟動機(jī)在啟動時的負(fù)載做出模仿，對蓄電池在大電流放電過程中的端電壓進(jìn)行檢測，依據(jù)端電壓的數(shù)據(jù)變化去鑒定蓄電池當(dāng)前狀況的方法。這種方法可以用來測試蓄電池的好壞和蓄電池給啟動機(jī)供電的能力，但因為這種方法的電能消耗大，有一定危險，所以這種方法不可以檢測在充電過程中以及剛剛完成充電的蓄電池。

1.2 阻抗法

這種方法利用的是蓄電池在充電時阻抗升高，放電時阻抗降低的特性。通過檢測被測電池的頻率響應(yīng)的數(shù)值來估算蓄電池的電量，此方法過程繁瑣，所以使用較少。

1.3 開路電壓法

蓄電池荷電程度與蓄電池電解液密度之間有很大關(guān)聯(lián)。因此如果我們想要得到蓄電池的所剩容量，就能用檢測到的蓄電池的開路電壓來進(jìn)行計算。這種方法的劣勢是：在因為蓄電池老化而導(dǎo)致的蓄電池所剩容量變小時，開路電壓變化的幅度太小，所以這種方法不能精確檢測蓄電池所剩容量。

1.4 密度法

蓄電池本身的所剩容量與其電解液密度之間有很大關(guān)聯(lián)。硫酸鉛、氧化鉛和鉛的含量確定了蓄電池的電解液密度。我們想要的蓄電池剩余電量，能用蓄電池電解液的密度值計算得出?？墒前殡S著蓄電池的老化，正、負(fù)極板會出現(xiàn)腐蝕、斷筋等變化，而硫酸鉛、氧化鉛和鉛這三樣物質(zhì)在蓄電池中的比例與蓄電池制造時的比例產(chǎn)生了不小的差別，這導(dǎo)致了用密度值來推算的蓄電池所剩容量的方法不精確。而且由于當(dāng)前的通信電源系統(tǒng)中所用的多是閥控式鉛酸蓄電池，導(dǎo)致這種方式很不實用。

2 蓄電池的放電特性

蓄電池放電流程可分為三個步驟：

2.1 開始放電階段

端電壓由2.14V迅速下降到2.1V

這時極板孔隙內(nèi)的硫酸迅速減少，濃差極化增加，電解液的密度快速降低，端電壓快速降低。

2.2 相對穩(wěn)定階段

端電壓緩慢下降至1.85V

由極板空隙外面流向空隙里面的硫酸和空隙里面消耗的硫酸實現(xiàn)動態(tài)平衡，空隙里外的電解液密度跟著慢慢減少，因此端電壓慢慢減少。

2.3 迅速下降階段

端電壓由1.85V迅速下降至1.75V。

此時放電過程即將結(jié)束，電化學(xué)極化增加，濃差極化增加，歐姆極化增加，端電壓快速下降。若是電壓持續(xù)降低，蓄電池就會壞掉。

3 蓄電池放電時應(yīng)注意的問題

3.1 放電終止電壓

蓄電池在放電時，其電壓隨著放電過程進(jìn)行來逐漸減少。當(dāng)蓄電池電壓下降到某一數(shù)值時下降速度將會加快，其使用壽命會受到損害，此時電壓叫做終止電壓。電池的電壓與電流成正比，較大的電流將損壞蓄電池，因此在放電時應(yīng)盡力將蓄電池終止電壓設(shè)置的稍大一些。并且合適的終止電壓將會降低放電法對蓄電池的損壞，對延長蓄電池使用時間有一定幫助。

3.2 放電率

在用放電法對蓄電池的所剩電量做出測量時，蓄電池放電速度與測量速度有一定關(guān)系。但是放電率會對蓄電池容量造成損傷。為了蓄電池盡可能的保護(hù)蓄電池的容量，在給蓄電池放電時，合適的電流強(qiáng)度會有助于延長蓄電池的使用壽命，也有助于準(zhǔn)確的計算出蓄電池的剩余電量。

4 硬件設(shè)計

本設(shè)計的硬件由四個部分組成：采樣電路、恒流源電路、顯示電路和芯片。

4.1 采樣電路的設(shè)計

4.1.1 設(shè)計思路

本設(shè)計是對測量蓄電池的剩余電量。由于確定用放電法來完成本設(shè)計，因此要用大電流的恒流放電，并檢測出電流的值，根據(jù)測量值用積分計算出蓄電池的容量，所以要用電流取樣電路。因為本設(shè)計要求的電流量程較大，所以電流采樣電路為大電流放電電路，器件必須要符合大功率和大電流的要求。因為本設(shè)計要依靠蓄電池端電壓U和實際容量之間的關(guān)系去計算所剩的容量，所以需要電壓采樣電路。

4.1.2 設(shè)計方案

對電壓采樣時，使用分壓電路的形式，電壓的變化范圍是10.5V-15V。使用小電流進(jìn)行放電，所用的放電電阻是大電阻，這樣做可以增強(qiáng)精準(zhǔn)性，電阻R6、R7使用1K的電阻。因為電阻的阻值有不小的誤差，R8使用1K的電位器;電流進(jìn)行采樣時，要使用較大的電流進(jìn)行放電，因此電阻RL是阻值較小的電阻。但是因為對蓄電池電量的進(jìn)行測量時必須采用恒流源放電，所以本設(shè)計使用了恒流源放電。

4.2 恒流源電路設(shè)計

4.2.1 設(shè)計思路

由于本設(shè)計需要對蓄電池進(jìn)行大電流放電，放電的時候，端電壓必然要降低，放電的電壓也會隨之降低。為了盡可能的保持電流的穩(wěn)定，需要增加恒流源放電裝置以彌補(bǔ)損耗的電壓，使電流基本穩(wěn)定。其方框圖如圖1所示：

4.3 顯示電路設(shè)計

4.3.1 設(shè)計思路

本設(shè)計的顯示部分用的是12864LCD液晶顯示屏。它基本上由行、列驅(qū)動器和128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器構(gòu)成。即能進(jìn)行圖形顯示，又能顯示8×4個漢字。

4.4 芯片部分

出于對成本和熟悉程度的考慮，本設(shè)計的芯片部分采用的是AT89C51單片機(jī)。

因為該把多功能8位CPU跟閃爍存儲器構(gòu)成于一個芯片里，所以ATMEL的AT89C51單片機(jī)是效率很高的微控制器。AT89C51單片機(jī)給許多用嵌入式控制系統(tǒng)的人另外的靈動而便宜的選擇。

5 主要算法

5.1 蓄電池電壓轉(zhuǎn)換

式中：D1—A/D轉(zhuǎn)換IN-1輸入端的8位輸出

Us1—IN-1輸入端的模擬電壓值

E—蓄電池的端電壓

5.2 蓄電池電流轉(zhuǎn)換

式中：D2—A/D轉(zhuǎn)換IN0輸入端的8位輸出

Us—IN0輸入端的模擬電壓值

Ia—蓄電池放電的電流值

（3）蓄電池電容轉(zhuǎn)換

蓄電池的容量Q是以“Ah”為單位來計量的。

Q=∫0tIdt

式中：I—電池的放電電流

t—電池的放電時間

積分運(yùn)算是通過求和運(yùn)算來實現(xiàn)的。

式中：Ia—測量的負(fù)載電流

—單片機(jī)采樣周期（即1ms）

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