基于單片機的車(chē)輛蓄電池報警器設計

0 引 言

蓄電池是汽車(chē)上的重要部件，不僅為發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)提供動(dòng)力，而且為用電設備提供電能，并存儲充電系統的多余電能，蓄電池技術(shù)狀態(tài)的好壞直接影響汽車(chē)的正常運行。實(shí)際工作生活中，蓄電池技術(shù)狀況的檢查手段比較落后，特別就一般車(chē)輛而言，缺少在線(xiàn)、直觀(guān)、實(shí)時(shí)的反映蓄電池技術(shù)狀況的儀器儀表，多數為無(wú)法啟動(dòng)車(chē)輛時(shí)才送檢，通常因蓄電池保管不善、保養不及時(shí)、放電過(guò)度而早期損壞。為了解決對車(chē)輛蓄電池技術(shù)狀況的實(shí)時(shí)監測問(wèn)題，做到及時(shí)對需要充電的蓄電池進(jìn)行充電，對需要維護修理的蓄電池進(jìn)行維護保養，研制一款能對車(chē)輛蓄電池的技術(shù)狀態(tài)檢測報警的蓄電池報警器有實(shí)際意義。

車(chē)輛蓄電池報警器要能實(shí)現的基本功能包括：特定條件下蓄電池剩余電量指示，蓄電池內阻大報警，充電電壓過(guò)高報警，非規范啟動(dòng)(單次起動(dòng)時(shí)間超過(guò)5 s 、兩次啟動(dòng)間隔時(shí)間少于15s、連續啟動(dòng)次數超過(guò)3 次)發(fā)動(dòng)機提示報警。而且根據實(shí)際使用條件，報警器要輕便、實(shí)用、直觀(guān)、可靠，并且做到不影響車(chē)輛性能，安裝簡(jiǎn)單，適用性好。

1 檢測方法的選擇

蓄電池剩余電量的指示是報警器的一個(gè)主要功能，合理的選擇蓄電池剩余電量檢測方法成為報警器設計的關(guān)鍵。常見(jiàn)的蓄電池剩余電量的檢測方法有：密度法、開(kāi)路電壓法、放電法、內阻法、庫侖計法等。選擇的原則是要能夠滿(mǎn)足整體功能的設計要求，并考慮使用環(huán)境、條件以及成本等因素。

1.1 蓄電池剩余電量常見(jiàn)檢測方法

●密度法：蓄電池剩余電量和其內部電解液密度密切相關(guān)，通過(guò)測量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。電解液密度隨蓄電池放電程度的增加而按比例下降。

充足電的蓄電池到放電終了，電解液密度約下降0.16,即電解液密度下降0.04,蓄電池約下降25%[1].通常用吸液管密度計測量電解液密度，用溫度計測出電解液溫度，再根據標準溫度進(jìn)行換算。只能離線(xiàn)人工檢測。

●開(kāi)路電壓法：蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關(guān)，而根據能斯特方程的描述電解液濃度和溫度變化會(huì )引起電池電動(dòng)勢的變化。因此，通過(guò)測量蓄電池的端電壓，也可以推算出蓄電池的剩余電量。

●放電法：通過(guò)對蓄電池施加一負載，計算單位時(shí)間內的電池端電壓變化率，根據變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著(zhù)剩余電量大，否則反之。為了實(shí)現在線(xiàn)測量，縮短測量時(shí)間，需要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會(huì )產(chǎn)生嚴重損傷，嚴重影響電池的使用壽命[2].

●內阻法：內阻與電池容量的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數可以達到8 8 % .因此，通過(guò)測量電池內阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池完全充電(充滿(mǎn))和完全放電(放完)時(shí)，其內阻相差2 ~4 倍左右。隨著(zhù)電池充電過(guò)程的進(jìn)行，內阻逐步減小;隨著(zhù)放電過(guò)程的進(jìn)行，內阻逐步增大。

另外，隨著(zhù)電池老化，其內阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is,然后檢測電池端電壓Vo 以及Is 和Vo 兩者之間的夾角θ。通過(guò)公式Z =Vo/Io,R=Zcos θ，即可得到電池內阻值，從而得到剩余電量。內阻法4 線(xiàn)制接線(xiàn)，精確度相對高。

●庫侖計法：通過(guò)對流入/ 流出電池的總電流進(jìn)行積分，得到的凈電荷數即為剩余容量。庫侖計電路一般使用一個(gè)阻值非常低的串聯(lián)電阻作為檢流電阻，通過(guò)檢測檢流電阻上的壓降反推電流，再通過(guò)電流對時(shí)間的積分來(lái)計算電量變化。電池初始容量可以預置，也可由完整充電周期來(lái)統計學(xué)習。Maxim 公司提供一系列精確的智能電池電量計芯片，如DS2780,在一塊芯片內集成了庫侖計、溫度傳感、電池電壓檢測、時(shí)鐘和非易失存儲器，能夠對電池電量進(jìn)行精確計算。

1.2 報警器選擇開(kāi)路電壓法

1.2.1 開(kāi)路電壓法的局限性

● 對于不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的電池，其開(kāi)路電壓與容量之間的關(guān)系有差異。

●只有通過(guò)測量電池空載時(shí)的開(kāi)路電壓才能獲得相對準確的結果，而在運行時(shí)由于負載電流在內阻上產(chǎn)生的壓降將影響開(kāi)路電壓的測量精度。

●蓄電池在充電(以及大電流放電)后會(huì )產(chǎn)生虛高(與虛低)現象，主要原因是充電時(shí)電解質(zhì)濃度分布不均勻而形成表面電荷，表面電荷將提高蓄電池電壓而引起虛高現象。表面電荷可通過(guò)短時(shí)低電流放電消除，也可在蓄電池靜置幾個(gè)小時(shí)后自行消除。

1.2.2 選擇開(kāi)路(端)電壓法的理由

●與其他使用蓄電池的方式不同，汽車(chē)蓄電池在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)大電流放電，而在引擎正常運轉后會(huì )帶動(dòng)發(fā)電機向蓄電池充電。所以對蓄電池剩余電量的關(guān)心是在點(diǎn)火啟動(dòng)前，而在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)和附屬電器設備關(guān)閉時(shí)的端電壓可以近似為開(kāi)路電壓，此時(shí)通過(guò)開(kāi)路電壓法來(lái)判斷剩余電量是可行、恰到好處的。而在點(diǎn)火以及充電過(guò)程中則可通過(guò)端電壓曲線(xiàn)的變化來(lái)分析判斷內阻大，充電電壓過(guò)高，非規范啟動(dòng)電機等技術(shù)狀態(tài)并伺機報警。

● 與其他任何方法相比開(kāi)路(端)電壓法對蓄電池的影響最小，只需兩根線(xiàn)并接到蓄電池上，同時(shí)作為報警器的電源和檢測信號的輸入，安裝最簡(jiǎn)便;不需要對蓄電池改動(dòng)或增加附件，適應性好，互換性強。

●由于蓄電池端電壓變化率(約為30 %~40 %)遠小于其內阻變化率(相差2 ~4 倍)，因此采用開(kāi)路電壓法的精確度無(wú)法與內阻法相比。但報警器的使用環(huán)境并不要求很高精確度，而開(kāi)路電壓法能夠滿(mǎn)足精度要求，并且電路簡(jiǎn)單，成本低。

通過(guò)對各種檢測方法的分析比較，綜合考慮報警器實(shí)際使用條件，安裝，成本等因素，我們選擇開(kāi)路(端)電壓法作為報警器的基本檢測方法。

2 系統設計

報警器采用以微處理器(MCU)為核心，包括分壓取樣與信號調理單元，A/D 轉換模塊單元、電源單元、顯示及報警輸出單元、按鍵與設置單元構成。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖