智能型的鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)

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、叉車等運(yùn)輸工具和大型不間斷供電電源系統(tǒng)中處于控制地位，是社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)和人類生活中不可或缺的。我國(guó)蓄電池行業(yè)規(guī)模相當(dāng)龐大，應(yīng)用也非常廣泛，鑒于鉛酸蓄電池的使用不當(dāng)帶來(lái)的問題(如硫化、容量減小、使用壽命縮短等)，實(shí)現(xiàn)蓄電池的智能化管理顯得非常必要，而國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用于該領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品很少。本設(shè)計(jì)利用8位微控制器MB95F136來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池的智能管理，包括電池的充放電監(jiān)測(cè)控制、電池容量檢測(cè)及顯示與報(bào)警等，從而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池系統(tǒng)的智能化管理，提高了蓄電池的使用壽命，降低了維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)概述
    本設(shè)計(jì)充分利用MB95F136的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池電壓、電流及溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。智能控制系統(tǒng)的充放電過程，可以顯示蓄電池的電量，對(duì)不正確的、或?qū)﹄姵貕勖休^大損害的使用狀況予以控制和報(bào)警提示，可以在電池需要充電時(shí)提醒用戶及時(shí)充電或者切換備用電源，防止過充過放等。為實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池的智能化管理，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)修正來(lái)獲得準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù)，從而計(jì)算出準(zhǔn)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(shù)。
    本文設(shè)計(jì)的蓄電池管理系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)功能：
    ①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的溫度，通過溫度及其他參數(shù)來(lái)計(jì)算蓄電池的充放電參數(shù)，避免因使用不當(dāng)或蓄電池溫度過高等因素縮短蓄電池的壽命。
    ②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓和電流，若發(fā)現(xiàn)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能通過對(duì)參數(shù)的分析計(jì)算出蓄電池的剩余容量，并通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。
    ④系統(tǒng)能夠自動(dòng)修正蓄電池的內(nèi)部參數(shù)來(lái)適應(yīng)因使用給蓄電池帶來(lái)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)控制核心
    本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用F2MC一8FX系列單片機(jī)MB95F136作為系統(tǒng)的控制核心。MB95F136在系統(tǒng)中不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的電流、電壓、溫度等參數(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，還必須根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)充電控制模塊輸出控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池系統(tǒng)的智能管理；同時(shí)，還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)按鍵控制和系統(tǒng)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(yùn)行，流水線總線架構(gòu)可提供雙倍執(zhí)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(zhuǎn)換器，可以方便地應(yīng)用于系統(tǒng)中對(duì)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(dāng)一個(gè)程序在一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中運(yùn)行時(shí)，可以在另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中完成重寫，從而減少外部存儲(chǔ)器零件的數(shù)量來(lái)縮小電路板的表面積。另外，LVD(低電壓檢測(cè))以及CSV(時(shí)鐘監(jiān)視器)功能可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2．2 電源電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中，為了增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，系統(tǒng)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(tǒng)管理的蓄電池必須是2節(jié)以上標(biāo)稱為12 V的電池組，否則就需要另外設(shè)計(jì)電源電路；為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)可以設(shè)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(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能照常運(yùn)行。系統(tǒng)電源電路原理圖如圖2所示。

2．3 電流電壓采集電路
    監(jiān)測(cè)的對(duì)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)過相應(yīng)的放大后送至單片機(jī)的A／D口。蓄電池的充放電流經(jīng)過O．01Ω采樣電阻采樣、放大，然后送至單片機(jī)的A／D端口POl。對(duì)蓄電池進(jìn)行檢測(cè)的關(guān)鍵在于對(duì)電壓采樣的精確程度，因而采樣電路設(shè)計(jì)得是否適當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。由于MB95F136內(nèi)嵌的A／D轉(zhuǎn)換器可以工作于5 V基準(zhǔn)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(yīng)地實(shí)時(shí)變化，而且能夠使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。該電路為典型的線性電路，根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，可計(jì)算出經(jīng)過采樣電路后的輸出電壓為O．01 Q×I×23。

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2．4 參數(shù)存儲(chǔ)模塊
    在系統(tǒng)投入工作前要進(jìn)行參數(shù)(如產(chǎn)品序列、零點(diǎn)調(diào)整、蓄電池標(biāo)準(zhǔn)電壓等)的設(shè)置，系統(tǒng)將這些參數(shù)寫入EE—PROM中。為了減少讀／寫EEPROM的次數(shù)，在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)將數(shù)據(jù)從EEPROM中讀出，保存在單片機(jī)的RAM中。EEPROM的主要功能是參數(shù)數(shù)據(jù)的保存與定量備份，主要用來(lái)存儲(chǔ)一些系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，如計(jì)算蓄電池電量的參考數(shù)據(jù)、修正系數(shù)等。
    本系統(tǒng)采用的是具有2 Kb容量的EEPROMAT24C02。該芯片是采用I2C總線協(xié)議的串行。EEP—ROM，可在無(wú)電源狀態(tài)下長(zhǎng)期、可靠地存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)重要數(shù)據(jù)，工作壽命可達(dá)100萬(wàn)次。I2C總線極大地方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無(wú)須設(shè)計(jì)總線接口，且有助于縮小系統(tǒng)的PCB面積和降低復(fù)雜度。
2．5 溫度采集模塊設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)采用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的DSl8820單總線數(shù)字式智能型溫度傳感器，直接將溫度物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并以總線方式傳送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。DS18B20對(duì)于實(shí)測(cè)的溫度提供了9～12位的數(shù)據(jù)和報(bào)警溫度寄存器，測(cè)溫范圍為一55～+125℃，其中在一10～+85℃的范圍內(nèi)測(cè)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(cè)量及控制系統(tǒng)，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)、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(hào)，因此多個(gè)DSl8820可以存在于同一條單線總線上，給應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便。
    測(cè)溫電路設(shè)計(jì)如圖4所示。系統(tǒng)采用熱傳導(dǎo)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(nèi)。當(dāng)環(huán)境空氣溫度與被測(cè)量的蓄電池溫度不同時(shí)，應(yīng)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(cè)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(shè)計(jì)中的硬件難點(diǎn)。它與外電網(wǎng)相連，對(duì)車載電池進(jìn)行充電；能根據(jù)控制電路發(fā)出的指令或標(biāo)志位，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)智能充電。本系統(tǒng)主要是針對(duì)電動(dòng)車蓄電池組進(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(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路構(gòu)成；內(nèi)有過電壓、過電流、短路和過熱等故障檢測(cè)電路，具有自動(dòng)保護(hù)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打開時(shí)給蓄電池組充電，Q1打開時(shí)蓄電池組通過R1放電；蓄電池組給負(fù)載供電時(shí)，Q1、Q2均閉合。為改善功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)，主電路中采用了軟開關(guān)技術(shù)。在采用大電流充電的情況下，由于長(zhǎng)時(shí)間對(duì)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(xiàn)為電池內(nèi)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(yīng)，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(yán)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(fù)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(shù)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(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(shù)由蓄電池的參數(shù)決定。

2．7 電量及狀態(tài)輸出指示和報(bào)警模塊
    為降低系統(tǒng)復(fù)雜度及成本，本設(shè)計(jì)采用3個(gè)8段數(shù)碼管來(lái)顯示系統(tǒng)狀態(tài)?？梢赃M(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定，實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)、溫度等數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交互。本設(shè)計(jì)采用在軟件上對(duì)輸入進(jìn)行消抖處理的方案，并對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的判斷處理，直到按鍵松開為止，然后才執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。數(shù)據(jù)顯示采用3位7段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，使用74HC595鎖存動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)巧妙地將按鍵輸入與動(dòng)態(tài)顯示數(shù)位選擇端口共用，從而減少了單片機(jī)端口的應(yīng)用，達(dá)到了系統(tǒng)優(yōu)化及降低產(chǎn)品成本的目的。報(bào)警采用的是蜂鳴器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，立即執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序，從EEPROM中讀取上次運(yùn)行得到的參數(shù)。然后開始讀取溫度傳感器中的數(shù)據(jù)以獲取當(dāng)前系統(tǒng)溫度，再調(diào)用A／D采樣子程序以獲取10位精度的電壓電流信號(hào)數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理可以得到最終的蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)進(jìn)行各自的處理程序，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)將根據(jù)已有的數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正，以準(zhǔn)確地反映蓄電池的內(nèi)部參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理的智能化。

結(jié) 語(yǔ)
    本系統(tǒng)采用MB95F136作為控制器，充分利用了其外圍接口多、功能強(qiáng)、集成高精度A／D轉(zhuǎn)換器、操作方便、實(shí)際成本低，以及便于系統(tǒng)模塊化和小型化的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)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(tǒng)以實(shí)行自我保護(hù)。參數(shù)數(shù)據(jù)的更新依據(jù)是經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)、對(duì)實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行比較和運(yùn)算的結(jié)果，通過實(shí)驗(yàn)，剩余電量計(jì)算值較未更新參數(shù)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(tǒng)智能化程度高、測(cè)量準(zhǔn)確，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并控制對(duì)蓄電池的不當(dāng)使用，提供自我保護(hù)，并能夠準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，不僅大大提高了被供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且有助于提高蓄電池的使用壽命和效率。