鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2019年08月10日
智能型的鉛酸蓄電池管理系統
智能型的鉛酸蓄電池管理系統
引言
鉛酸蓄電池行業與電力、交通、信息等產業發展息息相關，在汽車、叉車等運輸工具和大型不間斷供電電源系統中處于控制地位，是社會生產經營活動和人類生活中不可或缺的。我國蓄電池行業規模相當龐大，應用也非常廣泛，鑒于鉛酸蓄電池的使用不當帶來的問題(如硫化、容量減小、使用壽命縮短等)，實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域的嵌入式系統產品很少。本設計利用8位微控制器MB95F136來實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的特點實現對蓄電池電壓、電流及溫度的實時在線監測。智能控制系統的充放電過程，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提醒用戶及時充電或者切換備用電源，防止過充過放等。為實現對鉛酸蓄電池的智能化管理，系統通過實時對蓄電池的動態參數進行自動修正來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功能：
①實時監測蓄電池的溫度，通過溫度及其他參數來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高等因素縮短蓄電池的壽命。
②實時監測蓄電池的端電壓和電流，若發現電池容量小于警戒閾值，即提醒充電或自動切換備用電池。
③能通過對參數的分析計算出蓄電池的剩余容量，并通過數碼管實時顯示出來。
④系統能夠自動修正蓄電池的內部參數來適應因使用給蓄電池帶來的一些變化，還能通過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在系統中不僅要實時監測蓄電池的電流、電壓、溫度等參數以及系統運行狀態，還必須根據所采集到的數據進行處理，并對充電控制模塊輸出控制信號以實現對蓄電池系統的智能管理；同時，還負責實現按鍵控制和系統狀態輸出顯示。Fujitsu公司的MB95F136采用的是O．35μm低漏電工藝技術，掩膜產品可以在1．8V和1μA的低耗電工作模式(時鐘模式)下運行，流水線總線架構可提供雙倍執行速度，最小指令周期為62．5ns。它在具備快速處理和低耗電特性的同時，配有豐富的定時器；集成1個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位微控制器的特點之一，當一個程序在一個存儲區中運行時，可以在另一個存儲區中完成重寫，從而減少外部存儲器零件的數量來縮小電路板的表面積。另外，LVD(低電壓檢測)以及CSV(時鐘監視器)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模塊進行隔離。由于選用的DC—DC模塊要求輸入電壓≥24V，因此系統管理的蓄電池必須是2節以上標稱為12V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3V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，經過相應的放大后送至單片機的A／D口。蓄電池的充放電流經過O．01Ω采樣電阻采樣、放大，然后送至單片機的A／D端口pOl。對蓄電池進行檢測的關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系統至關重要。由于MB95F136內嵌的A／D轉換器可以工作于5V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時變化，而且能夠使數據更加準確、可靠。該電路為典型的線性電路，根據運算放大器的特性，可計算出經過采樣電路后的輸出電壓為O．01Q×I×23。
2．4參數存儲模塊
在系統投入工作前要進行參數(如產品序列、零點調整、蓄電池標準電壓等)的設置，系統將這些參數寫入EE—pROM中。為了減少讀／寫EEpROM的次數，在系統開機時將數據從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2Kb容量的EEpROMAT24C02。該芯片是采用I2C總線協議的串行。EEp—ROM，可在無電源狀態下長期、可靠地存儲系統內重要數據，工作壽命可達100萬次。I2C總線極大地方便了系統的設計，無須設計總線接口，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公司生產的DSl8820單總線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，并以總線方式傳送到控制器進行數據處理。DS18B20對于實測的溫度提供了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域、各種環境的自動化測量及控制系統，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強、易配微處理器等優點。此外，每一個DSl8820有唯一的系列號，因此多個DSl8820可以存在于同一條單線總線上，給應用帶來了極大的方便。
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。當環境空氣溫度與被測量的蓄電池溫度不同時，應將器件的背面和引線與空氣隔離。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
該模塊是實際設計中的硬件難點。它與外電網相連，對車載電池進行充電；能根據控制電路發出的指令或標志位，實現對蓄電池分階段以不同電流充電；且有自動斷電的功能，可實現智能充電。本系統主要是針對電動車蓄電池組進行管理，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(IntelligentpowerModule，IpM)進行大電流充放電管理。IpM是先進的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT和驅動電路及保護電路構成；內有過電壓、過電流、短路和過熱等故障檢測電路，具有自動保護功能。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IpM中。Q2打開時給蓄電池組充電，Q1打開時蓄電池組通過R1放電；蓄電池組給負載供電時，Q1、Q2均閉合。為改善功率開關器件的工作狀態，主電路中采用了軟開關技術。在采用大電流充電的情況下，由于長時間對蓄電池組進行充電，電荷堆積于電池電極上而產生反向電壓，實際上表現為電池內阻的增加，不但蓄電池中的有效化學物質不能完全參加化學反應，降低了蓄電池組容量的利用率，而且還會引起蓄電池組的嚴重發熱，從而影響充電速度與質量，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”循環充電的充電策略。其脈沖充電特性如圖6所示，時間參數由蓄電池的參數決定。
2．7電量及狀態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8段數碼管來顯示系統狀態。可以進行簡單的參數設定，實時顯示狀態、溫度等數據以實現較好的人機交互。本設計采用在軟件上對輸入進行消抖處理的方案，并對按鍵狀態進行連續的判斷處理，直到按鍵松開為止，然后才執行相應的處理程序。數據顯示采用3位7段數碼管動態顯示方式，使用74HC595鎖存動態顯示數據。本設計巧妙地將按鍵輸入與動態顯示數位選擇端口共用，從而減少了單片機端口的應用，達到了系統優化及降低產品成本的目的。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。經過處理可以得到最終的蓄電池運行狀態，根據不同的狀態進行各自的處理程序，并將狀態數據輸出到數碼管顯示。系統在運行時將根據已有的數據和監測到的數據，自動對參數進行修正，以準確地反映蓄電池的內部參數，實現系統管理的智能化。
結語
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、實際成本低，以及便于系統模塊化和小型化的優點。系統可以實時、準確地監測蓄電池的狀態和顯示蓄電池的電量，在電量不足時能夠自動切換電源系統以實行自我保護。參數數據的更新依據是經過多次實驗、對實測參數進行比較和運算的結果，通過實驗，剩余電量計算值較未更新參數時更接近實際值。實踐證明，該智能型鉛酸蓄電池管理系統智能化程度高、測量準確，能及時發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，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。
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