電動(dòng)車(chē)電池容量計解決方案設計

標簽：電池容量 電源

1 前言

環(huán)境保護(簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)保)是由于生產(chǎn)發(fā)展導致的環(huán)境污染問(wèn)題過(guò)于嚴重，首先引起發(fā)達國家的重視而產(chǎn)生的，利用國家法律法規約束和輿論宣傳而逐步引起全社會(huì )重視，由發(fā)達國家到發(fā)展中國家興起的一場(chǎng)保衛生態(tài)環(huán)境和有效處理污染問(wèn)題的措施。

實(shí)際上，不僅電動(dòng)車(chē)需要電池容量計，許多使用電池的場(chǎng)合都對此有迫切的要求。傳統的對電池監視的手段僅僅是一塊電壓表，而電壓卻不能準確反映電池的容量，經(jīng)常出現電壓正常，卻無(wú)容量的現象。作為使用者常常感到困惑的就是不知電池還能使用多久，因此影響到許多關(guān)鍵場(chǎng)合的使用，還易出現誤判引起事故。因此研制一臺反映電池容量的儀器就顯得十分必要了。目前國外已有同類(lèi)產(chǎn)品問(wèn)世，但可能由于技術(shù)保密的原因，未見(jiàn)介紹其實(shí)現的方法。

本文以電動(dòng)車(chē)為使用對象，提出了一種采用電量計量方法實(shí)現的電池容量計，可在一定條件下計量電池容量。它基于這樣一種原理，即對電池充進(jìn)能量和放出能量進(jìn)行計算并乘以相應的損失系數從而指示電池的容量(該系數應考慮到充電效率及電池放電電流大小以及其它因素對電池容量的影響)。

2 基本原理

電池的性能參數主要有電動(dòng)勢、容量、比能量和電阻。電動(dòng)勢等于單位正電荷由負極通過(guò)電池內部移到正極時(shí)，電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動(dòng)勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無(wú)關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時(shí)作單位。在電池反應中，1千克反應物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱(chēng)為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進(jìn)行，同時(shí)電池內阻也要引起電動(dòng)勢降，因此常把比能量高的電池稱(chēng)做高能電池。電池的面積越大，其內阻越小。

電池的容量除了一些電池本身的因素外，主要取決于充電量和放電量，顯然如果始終能記錄下電池的充放電情況就可以測出容量。我們設想在傳統的單一電池上裝備這種稱(chēng)之為電池容量計的儀器以達到顯示容量的目的。該容量計動(dòng)態(tài)監視電池充進(jìn)電量的總和及放出總電量并運算后直觀(guān)顯示。影響電池容量的其它因素綜合為一個(gè)損失系數，該系數乘以充放電量的算數和即為電池剩余容量。由于電池的種類(lèi)、大小、性能不盡相同，損失系數是不相同的，主要靠試驗獲得，故這里不討論系數問(wèn)題，只研究完成計量電量功能的電路。

電池容量是指電池存儲電量的大小。電池容量的單位是“mAh”，中文名稱(chēng)是毫安時(shí)(在衡量大容量電池如鉛蓄電池時(shí)，為了方便起見(jiàn)，一般用“Ah”來(lái)表示，中文名是安時(shí)，1Ah=1000mAh)。若電池的額定容量是1300mAh，如果以0.1C(C為電池容量)即130mA的電流給電池放電，那么該電池可以持續工作10小時(shí)(1300mAh/130mA=10h);如果放電電流為1300mA，那供電時(shí)間就只有1小時(shí)左右(實(shí)際工作時(shí)間因電池的實(shí)際容量的個(gè)別差異而有一些差別)。這是理想狀態(tài)下的分析，數碼設備實(shí)際工作時(shí)的電流不可能始終恒定在某一數值(以數碼相機為例，工作電流會(huì )因為L(cháng)CD顯示屏、閃光燈等部件的開(kāi)啟或關(guān)閉而發(fā)生較大的變化)，因而電池能對某個(gè)設備的供電時(shí)間只能是個(gè)大約值，而這個(gè)值也只有通過(guò)實(shí)際操作經(jīng)驗來(lái)估計。

電池充放電有多種方式，恒流、限壓、脈沖、負脈沖等等，所以簡(jiǎn)單地用電流乘以時(shí)間計量容量的方式無(wú)法適應除恒流外的其他方式，而積分方式又不能適應負脈沖充電的需要，同時(shí)它需要時(shí)間參數，亦不太適合。無(wú)論何種充電方式，其影響電池容量的關(guān)鍵參數即為電流和時(shí)間，負脈沖充電情況下只是同時(shí)有負電流。為此我們設計了如下工作方式的電池容量計電路，原理方框圖見(jiàn)圖1。

圖1 電池容量計原理框圖

首先監測電池的充放電電流，將其轉換為電壓信號后放大，送入電壓頻率轉換器使其變?yōu)轭l率信號，通過(guò)一定方式將計數值顯示出來(lái)，這就構成了一臺電池容量計。實(shí)際上，頻率的高低代表了電流的大小，電流大則頻率高，在同一時(shí)間內記錄的脈沖個(gè)數就多，反之亦然。而充放時(shí)間亦反映在對脈沖的計數上，時(shí)間長(cháng)則計數個(gè)數多。如此，就利用計數方式完成了對電池充放電量的計算。

在化學(xué)電池中，化學(xué)能直接轉變?yōu)殡娔苁强侩姵貎炔孔园l(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應的結果，這種反應分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。負極活性物質(zhì)由電位較負并在電解質(zhì)中穩定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩定的氧化劑組成，如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物，氧或空氣，鹵素及其鹽類(lèi)，含氧酸及其鹽類(lèi)等。電解質(zhì)則是具有良好離子導電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機或無(wú)機非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當外電路斷開(kāi)時(shí)，兩極之間雖然有電位差(開(kāi)路電壓)，但沒(méi)有電流，存儲在電池中的化學(xué)能并不轉換為電能。當外電路閉合時(shí)，在兩電極電位差的作用下即有電流流過(guò)外電路。同時(shí)在電池內部，由于電解質(zhì)中不存在自由電子，電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應，以及反應物和反應產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。為吉布斯反應自由能增量(焦);F為法拉第常數=96500庫=26.8安·小時(shí);n為電池反應的當量數。這是電池電動(dòng)勢與電池反應之間的基本熱力學(xué)關(guān)系式，也是計算電池能量轉換效率的基本熱力學(xué)方程式。

絕對值放大器和可逆計數器二者的結合，實(shí)現了對充電中放電間隙(即負脈沖充電)的計量，同時(shí)用一套電路完成了充放電兩個(gè)方向的計算。充電時(shí)正向計數，放電時(shí)反向計數(減數)，用電流的流向控制可逆計數器的計數方向。

3 方案論證及技術(shù)關(guān)鍵的解決

3.1 電流取樣

電流取樣的目的是將電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，一般有三種方式：

(1)取樣電阻;

(2)分流器;

(3)霍爾器件。

從電動(dòng)車(chē)電池使用來(lái)看，電流較大，顯然使用取樣電阻并不合適，而分流器又太重且體積也較大，不太適用，故霍爾器件較為適用。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車(chē)上安裝。它的缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴，但對于汽車(chē)上使用的電池價(jià)格來(lái)講完全可以忽略。由于選用可以購買(mǎi)到的成熟產(chǎn)品，電路較簡(jiǎn)單不再列出。