基于智能型的鉛酸蓄電池管理系統研究

　　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：

　?、賹?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。

　?、趯?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。

　?、勰芡ㄟ^(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)。

　?、芟到y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