謝永成，李光升，魏 寧，李 剛

（陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系，北京 100072）

當(dāng)前，部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化需求的提升增加了對(duì)裝甲車輛使用狀態(tài)穩(wěn)定性的要求，尤其是在高原高寒地區(qū)，極端的氣候常常使裝甲車輛蓄電池發(fā)生難以預(yù)料的故障，影響裝甲車輛作戰(zhàn)性能。目前，對(duì)于裝甲車輛蓄電池狀態(tài)檢測(cè)的研究，主要呈現(xiàn)出兩種趨勢(shì)，一種趨勢(shì)是引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)等復(fù)雜算法，從理論上探索蓄電池荷電狀態(tài)（荷電狀態(tài)）檢測(cè)或健康狀況（SOH）預(yù)測(cè)的新方向，如文獻(xiàn)[1]引入GA-ANFIS 模型對(duì)蓄電池SOH 進(jìn)行預(yù)測(cè)；另一種趨勢(shì)是聚焦蓄電池狀態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，以降低蓄電池狀態(tài)檢測(cè)中的誤查，如文獻(xiàn)[1]引入LabVIEW 和PCI-6251 數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池狀態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。這兩種趨勢(shì)各有優(yōu)點(diǎn)，但都未能很好地形成檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于裝甲車輛蓄電池實(shí)際使用中?；诖耍闹屑骖櫆y(cè)量精度和實(shí)際使用，在準(zhǔn)確測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套便于使用且適應(yīng)性強(qiáng)的蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，為裝甲車輛在極端狀態(tài)下的使用提供支撐。

1 蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

裝甲車輛蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是能夠精確測(cè)量電池端電壓、內(nèi)阻和溫度信號(hào)，并根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)估測(cè)模型，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確掌握，為惡劣環(huán)境下蓄電池的使用及維護(hù)保養(yǎng)提供準(zhǔn)確而直觀的依據(jù)。

文中系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：一是準(zhǔn)確測(cè)量蓄電池特性參數(shù)，為全面分析蓄電池狀態(tài)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；二是在獲得蓄電池特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確估測(cè)蓄電池荷電狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，可以利用狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)為蓄電池建立健康檔案，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的失效預(yù)測(cè)。

裝甲車輛鉛酸蓄電池一般安裝在載員室底艙，易受到?jīng)_擊，且在高原高寒地區(qū)，其運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣。因此，要求檢測(cè)系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵元器件必須在保證測(cè)量精度的情況下，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，具有較好的可靠性。測(cè)量獲得的蓄電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 裝甲車輛鉛酸蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)采集的蓄電池特性參數(shù)有電池端電壓、溫度和內(nèi)阻。對(duì)于溫度測(cè)量，可在電池表面安裝溫度傳感器，以測(cè)得的溫度值近似代替電池內(nèi)部溫度。電池端電壓和內(nèi)阻的測(cè)量設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。系統(tǒng)將采集得到的信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理，測(cè)試主機(jī)依據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)估測(cè)模型對(duì)蓄電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到蓄電池荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)并將結(jié)果顯示出來。必要時(shí)，可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，為蓄電池失效預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐，使用電源板為系統(tǒng)供電[3-6]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括裝甲車輛蓄電池端電壓測(cè)量和內(nèi)阻測(cè)量。

2.1 端電壓測(cè)量

針對(duì)蓄電池端電壓的測(cè)量，利用ATMEGA8 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓采集電路，從電池兩端通過高精度隔離運(yùn)放INA148 提取端電壓。

如圖2 所示，電壓采集電路通過精密電阻R22和R23進(jìn)行分壓，電阻值要足夠大，在該采集電路中，取R22=120 kΩ，R23=60 kΩ。對(duì)裝甲車輛常用的蓄電池而言，其充滿電時(shí)最大電壓可達(dá)13.2 V，此處13.2×R23(R22+R23)=4.4 V ＜5 V，滿足采集電路測(cè)量范圍要求。

圖2 電壓測(cè)量電路

2.2 內(nèi)阻測(cè)量

蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量是蓄電池狀態(tài)參數(shù)測(cè)量的難點(diǎn)。內(nèi)阻阻值比較小，一般為毫歐級(jí)別，容易受到外界噪聲和系統(tǒng)固有誤查干擾，難以獲得準(zhǔn)確數(shù)值，影響蓄電池狀態(tài)的估測(cè)。為準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)阻數(shù)值，系統(tǒng)采用交流阻抗檢測(cè)法來測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，即在蓄電池兩端加注一個(gè)較弱的交流信號(hào)并測(cè)量響應(yīng)及相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池內(nèi)阻的在線檢測(cè)[7-11]。

為了準(zhǔn)確測(cè)得蓄電池內(nèi)阻，一方面要有穩(wěn)定的交流信號(hào)源注入蓄電池兩端；另一方面要有高精度的信號(hào)調(diào)理電路，將外界干擾的影響降為最小。

2.2.1 交流信號(hào)源

一般的信號(hào)發(fā)生器信號(hào)頻率固定，不能根據(jù)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行靈活調(diào)整，且易受環(huán)境噪聲干擾，不宜用來測(cè)量蓄電池內(nèi)阻。針對(duì)此問題，文中利用函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)了圖3 所示的信號(hào)源，其頻率可調(diào)且信號(hào)輸出穩(wěn)定可靠。

圖3 交流信號(hào)源電路設(shè)計(jì)

信號(hào)源采用ICL8038 集成函數(shù)發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，設(shè)定其頻率信號(hào)為20 Hz。

2.2.2 信號(hào)調(diào)理電路

蓄電池兩端的交流信號(hào)微弱且背景噪聲強(qiáng)，同時(shí)被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間存在微弱的相位移差。因此，信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在放大被測(cè)信號(hào)的同時(shí)，盡可能減少電路所引起的相移誤差。為解決此問題，設(shè)計(jì)了交流差分放大和濾波電路，用以提取信號(hào)并放大被測(cè)信號(hào)，并同時(shí)盡可能地消除相位移誤差。交流差分放大及濾波電路如圖4 所示。

圖4 交流差分放大及濾波電路

2.2.3 鎖相放大及濾波電路

為了完成參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)之間的相關(guān)運(yùn)算，設(shè)計(jì)了鎖相放大電路。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用開關(guān)式相敏檢波器完成被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)之間的運(yùn)算。根據(jù)互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算法則，需要使用乘法器和積分器完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間的運(yùn)算。在電路設(shè)計(jì)中，采用AD630 型集成芯片，與低通濾波器組成近似的乘法器和積分器，完成鎖相、放大及相關(guān)運(yùn)算功能，并最終得到與相位差θ相關(guān)的直流信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣及處理[12-14]。鎖相放大及濾波電路如圖5 所示。

圖5 鎖相放大及濾波電路

根據(jù)交流阻抗法的原理，可用式（1）計(jì)算得到蓄電池內(nèi)阻的精確值：

其中，U=Us·Uref，K為電路的增益系數(shù)，ΔR為導(dǎo)線的阻值。

2.3 外圍電路

系統(tǒng)選用的單片機(jī)為ATMEGA8，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、上位機(jī)通信等功能。該單片機(jī)功能齊全、接口豐富，在該檢測(cè)系統(tǒng)中，主要完成以下三個(gè)方面的工作：①采集蓄電池端電壓、內(nèi)阻和溫度檢測(cè)模塊獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)，并對(duì)各路信號(hào)檢測(cè)模塊采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。②通過I/O端口PB0-PB2 控制四路模擬開關(guān)CD4502，并根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，選擇蓄電池內(nèi)阻測(cè)量放大電路的不同增益。③通過TXD 向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)和發(fā)送報(bào)警命令等，通過RXD 接收上位機(jī)指令，以執(zhí)行下位機(jī)系統(tǒng)控制等。ATMEGA8 及其外圍電路如圖6所示。

圖6 ATMEGA8及其外圍電路

ATMEGA8 外圍電路主要由晶振電路、復(fù)位電路和穩(wěn)壓電路三部分組成。此外，該系統(tǒng)選用RS232通用串行接口通信模式，從而可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)接口和上位機(jī)接口的電平匹配，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的信息傳遞。

3 系統(tǒng)核心程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及調(diào)理程序和上位機(jī)建模分析程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用的語言是C 編譯器ICCAVR 和可視化編程語言C++Builder，其核心程序是蓄電池荷電狀態(tài)估測(cè)程序。蓄電池荷電狀態(tài)估測(cè)程序設(shè)計(jì)流程如圖7 所示。

圖7 蓄電池荷電狀態(tài)估測(cè)程序設(shè)計(jì)流程

根據(jù)測(cè)量電壓的變化程度，判斷電池是否處于靜置狀態(tài)。若電壓和內(nèi)阻的關(guān)系滿足|V(n+1)-V(n)|＞20R(n)，且|V(n)-V(n-1) |＞20R(n-1)，則電池處于使用狀態(tài)，否則處于靜置狀態(tài)。若電池處于靜置狀態(tài)，則系統(tǒng)采用基于LS-SVM 的荷電狀態(tài)估測(cè)模型進(jìn)行荷電狀態(tài)估測(cè)；若電池處于使用狀態(tài)，則系統(tǒng)采用基于BP 網(wǎng)絡(luò)的荷電狀態(tài)估測(cè)模型[15-16]，估算在線電池剩余容量。蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)荷電狀態(tài)估測(cè)界面如圖8 所示。

圖8 蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)荷電狀態(tài)估測(cè)界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

以6-QM-40 型裝甲車輛鉛酸蓄電池為測(cè)試對(duì)象，其規(guī)格為12 V/40 Ah，對(duì)充滿電的鉛酸蓄電池用10 A 的放電電流放電，當(dāng)蓄電池端電壓為10.5 V 時(shí)，截止放電。在放電過程中，利用已有的檢測(cè)線設(shè)備檢測(cè)蓄電池荷電狀態(tài)，得到此型號(hào)鉛酸蓄電池在10 A定電流放電和25 ℃的溫度條件下，實(shí)際滿容量為41.84 Ah。根據(jù)放電時(shí)間不同，得到不同端電壓和內(nèi)阻條件下的蓄電池荷電狀態(tài)實(shí)測(cè)值。每次放電完畢后，間隔兩個(gè)小時(shí)用來穩(wěn)定蓄電池狀態(tài)，以測(cè)得較準(zhǔn)確的靜置狀態(tài)下蓄電池端電壓、內(nèi)阻和溫度值。測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

將表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)載入系統(tǒng)上位機(jī)靜置估測(cè)的LS-SVM 自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)LS-SVM 進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)訓(xùn)練后的檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)此型號(hào)的鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)進(jìn)行估測(cè)，用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)另一個(gè)此種型號(hào)的蓄電池進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)及荷電狀態(tài)估測(cè)，并與核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)法得到的實(shí)測(cè)荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到的數(shù)據(jù)如表2 所示。

對(duì)表2 中蓄電池估測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比可知，系統(tǒng)估測(cè)值與實(shí)際值相差不大，其最大誤差為2.19%，滿足裝甲車輛蓄電池在作戰(zhàn)狀態(tài)下使用的誤差范圍要求，該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)靜置狀態(tài)下鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)估測(cè)具有較好的效果。但隨著放電的進(jìn)行，端電壓下降，內(nèi)阻增大，此時(shí)得到的荷電狀態(tài)值與實(shí)測(cè)值相比，誤差較大，這是由蓄電池的放電曲線決定的，系統(tǒng)在測(cè)量蓄電池深放電時(shí)的精度還可以進(jìn)一步提升。

表2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

針對(duì)裝甲車輛蓄電池在惡劣環(huán)境下的使用問題，文中在兼顧測(cè)量精度和實(shí)用性的同時(shí)，利用ATMEGA8 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套裝甲車輛蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，可廣泛用于裝甲車輛蓄電池在靜置或使用狀態(tài)下的荷電狀態(tài)測(cè)量。同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)在獲得蓄電池特性參數(shù)和荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)后，還可以存儲(chǔ)起來建立蓄電池健康檔案，對(duì)電池進(jìn)行電池失效預(yù)測(cè)，為及時(shí)排除潛伏性故障和預(yù)知電池發(fā)展趨勢(shì)等提供準(zhǔn)確可靠的參考信息。