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引言 鉛酸蓄電池行業(yè)與電力、交通、信息等產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，在汽車(chē)、叉車(chē)等運輸工具和大型不間斷供電電源系統中處于控制地位，是社會(huì )生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)和人類(lèi)生活中不可或缺的。我國蓄電池行業(yè)規模相當龐大，應用也非常廣泛，鑒于鉛酸蓄電池的使用不當帶來(lái)的問(wèn)題(如硫化、容量減小、使用壽命縮短等)，實(shí)現蓄電池的智能化管理顯得非常必要，而國內目前應用于該領(lǐng)域的嵌入式系統產(chǎn)品很少。本設計利用8位微控制器MB95F136來(lái)實(shí)現對鉛酸蓄電池的智能管理，包括電池的充放電監測控制、電池容量檢測及顯示與報警等，從而有效地實(shí)現對鉛酸蓄電池系統的智能化管理，提高了蓄電池的使用壽命，降低了維護成本。 1 系統概述 本設計充分利用MB95F136的特點(diǎn)實(shí)現對蓄電池電壓、電流及溫度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。智能控制系統的充放電過(guò)程，可以顯示蓄電池的電量，對不正確的、或對電池壽命有較大損害的使用狀況予以控制和報警提示，可以在電池需要充電時(shí)提醒用戶(hù)及時(shí)充電或者切換備用電源，防止過(guò)充過(guò)放等。為實(shí)現對鉛酸蓄電池的智能化管理，系統通過(guò)實(shí)時(shí)對蓄電池的動(dòng)態(tài)參數進(jìn)行自動(dòng)修正來(lái)獲得準確的計算依據，從而計算出準確的電量和蓄電池的狀態(tài)信息，并取得蓄電池的充電參數。 本文設計的蓄電池管理系統主要有以下幾個(gè)功能： ①實(shí)時(shí)監測蓄電池的溫度，通過(guò)溫度及其他參數來(lái)計算蓄電池的充放電參數，避免因使用不當或蓄電池溫度過(guò)高等因素縮短蓄電池的壽命。 ②實(shí)時(shí)監測蓄電池的端電壓和電流，若發(fā)現電池容量小于警戒閾值，即提醒充電或自動(dòng)切換備用電池。 ③能通過(guò)對參數的分析計算出蓄電池的剩余容量，并通過(guò)數碼管實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。 ④系統能夠自動(dòng)修正蓄電池的內部參數來(lái)適應因使用給蓄電池帶來(lái)的一些變化，還能通過(guò)控制充放電電路獲得更好的充電效果。 本系統結構如圖1所示。 
2 系統硬件設計 2．1 系統控制核心 本系統在設計上采用F2MC一8FX系列單片機MB95F136作為系統的控制核心。MB95F136在系統中不僅要實(shí)時(shí)監測蓄電池的電流、電壓、溫度等參數以及系統運行狀態(tài)，還必須根據所采集到的數據進(jìn)行處理，并對充電控制模塊輸出控制信號以實(shí)現對蓄電池系統的智能管理；同時(shí)，還負責實(shí)現按鍵控制和系統狀態(tài)輸出顯示。Fujitsu公司的MB95F136采用的是O．35μm低漏電工藝技術(shù)，掩膜產(chǎn)品可以在1．8 V和1μA的低耗電工作模式(時(shí)鐘模式)下運行，流水線(xiàn)總線(xiàn)架構可提供雙倍執行速度，最小指令周期為62．5 ns。它在具備快速處理和低耗電特性的同時(shí)，配有豐富的定時(shí)器；集成1個(gè)8通道的8／10位可選A／D轉換器，可以方便地應用于系統中對電壓、電流的采集。雙操作閃存也是F2MC一8FX系列8位微控制器的特點(diǎn)之一，當一個(gè)程序在一個(gè)存儲區中運行時(shí)，可以在另一個(gè)存儲區中完成重寫(xiě)，從而減少外部存儲器零件的數量來(lái)縮小電路板的表面積。另外，LVD(低電壓檢測)以及CSV(時(shí)鐘監視器)功能可以提高系統的穩定性和可靠性。 2．2 電源電路設計 本系統中，為了增強系統應用的靈活性，系統電源取自于被管理的蓄電池。為此，必須采用DC-DC模塊進(jìn)行隔離。由于選用的DC—DC模塊要求輸入電壓≥24 V，因此系統管理的蓄電池必須是2節以上標稱(chēng)為12 V的電池組，否則就需要另外設計電源電路；為了增強系統的可靠性，系統可以設置一個(gè)3 V的電池盒用于備用電池，一旦取自蓄電池的電源出現故障，系統仍能照常運行。系統電源電路原理圖如圖2所示。
2．3 電流電壓采集電路 監測的對象主要是電池組的電壓和電流。電壓由分壓精密電阻取得，經(jīng)過(guò)相應的放大后送至單片機的A／D口。蓄電池的充放電流經(jīng)過(guò)O．01Ω采樣電阻采樣、放大，然后送至單片機的A／D端口POl。對蓄電池進(jìn)行檢測的關(guān)鍵在于對電壓采樣的精確程度，因而采樣電路設計得是否適當對整個(gè)系統至關(guān)重要。由于 MB95F136內嵌的A／D轉換器可以工作于5 V基準電壓下，故采用圖3所示的電流電壓采集電路。該電路的最大好處是，不但可以保證采樣值能隨蓄電池端電壓的變化相應地實(shí)時(shí)變化，而且能夠使數據更加準確、可靠。該電路為典型的線(xiàn)性電路，根據運算放大器的特性，可計算出經(jīng)過(guò)采樣電路后的輸出電壓為O．01 Q×I×23。
2．4 參數存儲模塊 在系統投入工作前要進(jìn)行參數(如產(chǎn)品序列、零點(diǎn)調整、蓄電池標準電壓等)的設置，系統將這些參數寫(xiě)入EE—PROM中。為了減少讀／寫(xiě)EEPROM的次數，在系統開(kāi)機時(shí)將數據從EEPROM中讀出，保存在單片機的RAM中。EEPROM的主要功能是參數數據的保存與定量備份，主要用來(lái)存儲一些系統運行參數，如計算蓄電池電量的參考數據、修正系數等。 本系統采用的是具有2 Kb容量的EEPROMAT24C02。該芯片是采用I2C總線(xiàn)協(xié)議的串行。EEP—ROM，可在無(wú)電源狀態(tài)下長(cháng)期、可靠地存儲系統內重要數據，工作壽命可達100萬(wàn)次。I2C總線(xiàn)極大地方便了系統的設計，無(wú)須設計總線(xiàn)接口，且有助于縮小系統的PCB面積和降低復雜度。 2．5 溫度采集模塊設計 本設計采用美國Dallas公司生產(chǎn)的DSl8820單總線(xiàn)數字式智能型溫度傳感器，直接將溫度物理量轉化為數字信號，并以總線(xiàn)方式傳送到控制器進(jìn)行數據處理。DS18B20對于實(shí)測的溫度提供了9～12位的數據和報警溫度寄存器，測溫范圍為一55～+125℃，其中在一10～+85℃的范圍內測量精度為±0．5℃。此傳感器可適用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動(dòng)化測量及控制系統，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)。此外，每一個(gè)DSl8820有唯一的系列號，因此多個(gè)DSl8820可以存在于同一條單線(xiàn)總線(xiàn)上，給應用帶來(lái)了極大的方便。 測溫電路設計如圖4所示。系統采用熱傳導的粘合劑將器件粘附在蓄電池表面上，管芯溫度與表面溫度之差大約在O．2℃之內。當環(huán)境空氣溫度與被測量的蓄電池溫度不同時(shí)，應將器件的背面和引線(xiàn)與空氣隔離。接地引腳是通向管芯的最主要的熱量路徑，必須保證接地引腳也與被測溫的蓄電池有良好的熱接觸。
2．6 可控充放電模塊 該模塊是實(shí)際設計中的硬件難點(diǎn)。它與外電網(wǎng)相連，對車(chē)載電池進(jìn)行充電；能根據控制電路發(fā)出的指令或標志位，實(shí)現對蓄電池分階段以不同電流充電；且有自動(dòng)斷電的功能，可實(shí)現智能充電。本系統主要是針對電動(dòng)車(chē)蓄電池組進(jìn)行管理，用于給蓄電池組充電的電流都比較大。為此，選擇了基于IGBT的智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)進(jìn)行大電流充放電管理。IPM是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT和驅動(dòng)電路及保護電路構成；內有過(guò)電壓、過(guò)電流、短路和過(guò)熱等故障檢測電路，具有自動(dòng)保護功能。蓄電池充放電主回路如圖5所示。
圖5中，Q1和Q2集成在一個(gè)IPM中。Q2打開(kāi)時(shí)給蓄電池組充電，Q1打開(kāi)時(shí)蓄電池組通過(guò)R1放電；蓄電池組給負載供電時(shí)，Q1、Q2均閉合。為改善功率開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)，主電路中采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。在采用大電流充電的情況下，由于長(cháng)時(shí)間對蓄電池組進(jìn)行充電，電荷堆積于電池電極上而產(chǎn)生反向電壓，實(shí)際上表現為電池內阻的增加，不但蓄電池中的有效化學(xué)物質(zhì)不能完全參加化學(xué)反應，降低了蓄電池組容量的利用率，而且還會(huì )引起蓄電池組的嚴重發(fā)熱，從而影響充電速度與質(zhì)量，繼而影響蓄電池組的性能和壽命。消除它的有效方法是采用負脈沖方法：在電池兩端瞬間放電去除電極上堆積的電荷，從而改變蓄電池固有的指數曲線(xiàn)形式的充電接受特性，提高電池的受電能力。為此，采用了“充-停-放-充-停-放”循環(huán)充電的充電策略。其脈沖充電特性如圖6所示，時(shí)間參數由蓄電池的參數決定。
2．7 電量及狀態(tài)輸出指示和報警模塊 為降低系統復雜度及成本，本設計采用3個(gè)8段數碼管來(lái)顯示系統狀態(tài)�？梢赃M(jìn)行簡(jiǎn)單的參數設定，實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)、溫度等數據以實(shí)現較好的人機交互。本設計采用在軟件上對輸入進(jìn)行消抖處理的方案，并對按鍵狀態(tài)進(jìn)行連續的判斷處理，直到按鍵松開(kāi)為止，然后才執行相應的處理程序。數據顯示采用3位7段數碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，使用74HC595鎖存動(dòng)態(tài)顯示數據。本設計巧妙地將按鍵輸入與動(dòng)態(tài)顯示數位選擇端口共用，從而減少了單片機端口的應用，達到了系統優(yōu)化及降低產(chǎn)品成本的目的。報警采用的是蜂鳴器。 3 系統軟件設計 本系統軟件設計流程如圖7所示。系統啟動(dòng)后，立即執行系統初始化程序，從EEPROM中讀取上次運行得到的參數。然后開(kāi)始讀取溫度傳感器中的數據以獲取當前系統溫度，再調用A／D采樣子程序以獲取10位精度的電壓電流信號數據。經(jīng)過(guò)處理可以得到最終的蓄電池運行狀態(tài)，根據不同的狀態(tài)進(jìn)行各自的處理程序，并將狀態(tài)數據輸出到數碼管顯示。系統在運行時(shí)將根據已有的數據和監測到的數據，自動(dòng)對參數進(jìn)行修正，以準確地反映蓄電池的內部參數，實(shí)現系統管理的智能化。 結語(yǔ) 本系統采用MB95F136作為控制器，充分利用了其外圍接口多、功能強、集成高精度A／D轉換器、操作方便、實(shí)際成本低，以及便于系統模塊化和小型化的優(yōu)點(diǎn)。系統可以實(shí)時(shí)、準確地監測蓄電池的狀態(tài)和顯示蓄電池的電量，在電量不足時(shí)能夠自動(dòng)切換電源系統以實(shí)行自我保護。參數數據的更新依據是經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗、對實(shí)測參數進(jìn)行比較和運算的結果，通過(guò)實(shí)驗，剩余電量計算值較未更新參數時(shí)更接近實(shí)際值。實(shí)踐證明，該智能型鉛酸蓄電池管理系統智能化程度高、測量準確，能及時(shí)發(fā)現并控制對蓄電池的不當使用，提供自我保護，并能夠準確地判斷系統的運行狀態(tài)，不僅大大提高了被供電系統的穩定性，而且有助于提高蓄電池的使用壽命和效率。 參考文獻 1. 費萬(wàn)民.張艷莉.解紅軍 蓄電池管理系統及其實(shí)現 [期刊論文] -電力自動(dòng)化設備2001(8) 2. 孫逢春.張承寧.郭海濤 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統和剩余容量計研究 1998(2) 3. 袁方偉.陳思忠 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的研究 [期刊論文] -汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)2003(3) 4. 朱松然 鉛蓄電池技術(shù) 2002 5. 宋海斌.常越 基于 TMS320F2407A的蓄電池管理系統的設計 [期刊論文] -低壓電器2005(7) 作者：華僑大學(xué) 錢(qián)江 凌朝東 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2009 (1) |
