摘 要： 鉛酸蓄電池的剩余容量和性能好壞是用戶(hù)非常關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題,，及時(shí)獲知其剩余容量和質(zhì)量在蓄電池檢測(cè)維修中具有非常重要的作用,。為達(dá)到快速檢測(cè)的效果，本文設(shè)計(jì)了蓄電池容量檢測(cè)系統(tǒng)，提出了恒流放電-端電壓測(cè)量法,，對(duì)蓄電池的剩余容量及性能進(jìn)行檢測(cè),。
關(guān)鍵詞： 蓄電池；容量,；電子負(fù)載,；恒流放電
0 引言
蓄電池剩余容量是指蓄電池在當(dāng)前狀態(tài)下還可以輸出的電量，通常用電池荷電狀態(tài)SOC（State of Charge）來(lái)反應(yīng)電池的剩余容量情況[1],。定義為電池在一定放電倍率下,，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。常用預(yù)測(cè)蓄電池剩余電量方法有：密度法,、開(kāi)路電壓法,、放電法、內(nèi)阻法,、安時(shí)積分法[2-3],。這些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法各有其應(yīng)用場(chǎng)合。放電法適用于對(duì)蓄電池進(jìn)行額定容量測(cè)試,，不能進(jìn)行快速檢測(cè),，放電結(jié)束需及時(shí)充電；密度法適用于開(kāi)口式的蓄電池,，無(wú)法對(duì)密封的閥控式鉛酸蓄電池進(jìn)行檢測(cè),；開(kāi)路電壓法利用蓄電池端電壓和剩余電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系以達(dá)到對(duì)待測(cè)電池的估算，方法簡(jiǎn)單,，由于蓄電池存在蓄電,，故此方法誤差較大；安時(shí)法也是對(duì)待測(cè)電池進(jìn)行放電測(cè)試來(lái)檢測(cè)其容量,，與放電法類(lèi)似,，這種檢測(cè)方法不能用于蓄電池剩余容量檢測(cè)。蓄電池內(nèi)阻越小輸出電流越大,，與蓄電池的容量及完好性有密切關(guān)系,，可以用內(nèi)阻法來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估蓄電池的性能[3-4]。
1 檢測(cè)方案選擇及其設(shè)計(jì)原理
與市場(chǎng)上采用恒流放電法檢測(cè)蓄電池額定容量的方法不同,，本文目的在于設(shè)計(jì)一個(gè)功能靈活,、檢測(cè)時(shí)間短的便攜式儀表，只需要對(duì)電池的容量及性能進(jìn)行快速估計(jì)以確定是否符合要求,。綜合考慮以上各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn),，最終提出恒流放電法和開(kāi)路電壓法相結(jié)合的方案，簡(jiǎn)稱(chēng)為恒流放電-端電壓測(cè)量法,。恒流放電-端電壓測(cè)量法即通過(guò)檢測(cè)鉛酸蓄電池在短時(shí)間恒流放電后的端電壓大小得到蓄電池的SOC并通過(guò)內(nèi)阻值判斷蓄電池性能好壞,，這種方法相對(duì)比較準(zhǔn)確,，可以通過(guò)短時(shí)間的恒流放電來(lái)降低蓄電池虛電壓的影響。具體工作原理：對(duì)蓄電池施加適當(dāng)?shù)姆烹姾懔髫?fù)載,，以一個(gè)確定的大電流I進(jìn)行恒流放電,，測(cè)量其特定時(shí)間后（一般為十幾秒）的電壓值U，根據(jù)微控制器已存儲(chǔ)的蓄電池端電壓U和容量SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算其剩余容量,。大量實(shí)驗(yàn)表明,，當(dāng)放電電流選取合適時(shí)，同一類(lèi)型蓄電池的當(dāng)前電壓U與電池的實(shí)際容量SOC直接相關(guān)[4-5],，如圖1電池端電壓-容量曲線所示,。
電池放電開(kāi)始瞬間，電壓迅速?gòu)拈_(kāi)路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài),，在電池負(fù)載電流保持不變時(shí),，電池路端電壓隨SOC變化的規(guī)律與開(kāi)路電壓隨SOC的變化規(guī)律相似。
恒流放電-端電壓法優(yōu)點(diǎn)：蓄電池短時(shí)間恒流放電時(shí),，精度相對(duì)較高,，檢測(cè)時(shí)間快。缺點(diǎn)和難點(diǎn)是：在實(shí)際應(yīng)用中需要獲取不同型號(hào)電池大量電壓和電流數(shù)據(jù),，建立電壓和SOC的關(guān)系曲線,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)框圖如圖2所示，控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,，采用低功耗高性能處理器,。主要包括按鍵模塊、電源模塊,、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊,、液晶顯示模塊,、負(fù)載模塊等部分。
下面對(duì)這幾部分功能分別介紹,。
?。?）單片機(jī)：是整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理中心，完成采集到的電壓與剩余電量SOC的關(guān)系轉(zhuǎn)換,。
?。?）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：A/D轉(zhuǎn)換電路的作用主要是把采集到的蓄電池電壓信號(hào)和電子負(fù)載電路電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)，完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,。
（3）恒流負(fù)載模塊：采用電子負(fù)載技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒流放電,，主要用于對(duì)待測(cè)蓄電池進(jìn)行短時(shí)間大電流放電,。
?。?）按鍵模塊：用來(lái)切換蓄電池恒流放電電流的大小，能在測(cè)試開(kāi)始前及測(cè)試終止后切斷負(fù)載電路,，防止蓄電池過(guò)放電,。
（5）顯示模塊：將檢測(cè)到的電壓,、電流和SOC及時(shí)顯示在LCD液晶屏上,。
（6）報(bào)警電路：待檢測(cè)電池電量過(guò)低時(shí)進(jìn)行報(bào)警,。
?。?）被測(cè)電池：主要是針對(duì)12 V閥控式鉛酸蓄電池。
總的工作流程：首先,，由按鍵設(shè)置放電電流數(shù)值大小,，單片機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器按照設(shè)置的電流大小調(diào)節(jié)電子負(fù)載的參考輸入電壓進(jìn)而控制蓄電池放電電流大小。其次,，開(kāi)始放電時(shí)單片機(jī)檢測(cè)恒流負(fù)載的輸出電流是否恒定,，若不恒定則調(diào)整D/A輸出電壓大小進(jìn)而調(diào)整蓄電池的放電電流，以實(shí)現(xiàn)待測(cè)電池按照設(shè)置數(shù)值恒流放電,。同時(shí),，單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集蓄電池端電壓，若一開(kāi)始檢測(cè)到蓄電池端電壓大小低于規(guī)定的截止電壓（10.8 V）,，則切斷恒流負(fù)載停止放電,。最后，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，通過(guò)LCD顯示檢測(cè)參數(shù),。
2.2 主控芯片選擇[6]
主控制器選用美國(guó)德州儀器的16位超低功耗、高性能微處理器MSP430系列單片機(jī),，具體型號(hào)為MSP430F2418,，該芯片內(nèi)部集成多個(gè)功能不同的模擬電路和數(shù)字電路模塊，具有處理速度快,、片上資源豐富,、開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。該低功耗芯片廣泛應(yīng)用于便攜式儀表設(shè)備,。其主要特性：
?。?）功耗低，供電電壓1.8~3.6 V,，擁有16個(gè)中斷源,，可以任意嵌套，使用靈活方便,，省電模式下可大大降低系統(tǒng)功耗,。
?。?）采用先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集（RISC），執(zhí)行一條指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期,，而傳統(tǒng)的51單片機(jī)需要12個(gè)時(shí)鐘周期,。此外，采用DMA,、多功能硬件乘法器等先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu),，計(jì)算時(shí)不占用CPU周期，提高了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力,，可實(shí)現(xiàn)FFT,、DFT等復(fù)雜數(shù)字處理算法。
?。?）片上外設(shè)豐富,。內(nèi)部集成ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器AB,、硬件乘法器,、Flash、RAM,、USART12,、看門(mén)狗模塊WDT等。
?。?）系統(tǒng)工作穩(wěn)定,，工作環(huán)境-40~+85℃，芯片內(nèi)部有JTAG接口,，方便編程與調(diào)試,。
通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)容量檢測(cè)儀的智能控制，大大簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì),。由于單片機(jī)的可重用性好,，如需改變電路工作狀態(tài)或者電路參數(shù)，只需簡(jiǎn)單的修改程序即可,，從而使電路的升級(jí)改造簡(jiǎn)單易行,，實(shí)用性增強(qiáng)。
2.3 電子負(fù)載恒流電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中采用直流電子負(fù)載模擬實(shí)際負(fù)載,，電子負(fù)載有恒流,、恒壓、恒阻等模式[7],，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需要采用其恒流模式即可滿足需要,。在恒流模式下，電子負(fù)載所流入的電流依據(jù)所設(shè)定的電流值保持恒定,，與輸入電壓大小無(wú)關(guān),。電子負(fù)載與電池連接示意圖和外部特性曲線如下圖3所示,。
恒流模式下負(fù)載電路如圖4所示，集成運(yùn)放OP07雖然引入了負(fù)反饋,，但具有電壓比較器的基本特征。工作原理：R1為輸出端大功率采樣電阻,，受熱情況下其阻值改變不大,。Vtest是蓄電池接入端的測(cè)試點(diǎn)，Uda的值由按鍵設(shè)置后由單片機(jī)自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出,，經(jīng)R2和R3分壓后,，壓降為U1，則采樣電阻R1端電壓U0=Up= Uda*R3/（R2+R3）,，輸出電流I=U0/R1,，I即為設(shè)定的電流值。當(dāng)I增加時(shí),，R1的分壓即集成運(yùn)放的反相輸入端Un也增加,，從而集成運(yùn)放OP07輸出端電壓減小，即MOS管柵極電壓減小,，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通量減少,，進(jìn)而R1端分壓減小，引入的負(fù)反饋?zhàn)罱K使Up和Un相等,，維持動(dòng)態(tài)平衡,。由此，R1上的壓降恒定,，流過(guò)R1的電流恒定,。同理，當(dāng)Vtest減小時(shí),，R1壓降減小,，Q1導(dǎo)通程度增大，R1上壓降相對(duì)提高,，最終實(shí)現(xiàn)Up=Un,，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)定輸出電流I達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[7]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
利用單片機(jī)作為智能控制核心主要實(shí)現(xiàn)如下功能：
?。?）設(shè)定蓄電池恒流放電模式及參數(shù)和放電時(shí)間大小,。通過(guò)按鍵設(shè)定預(yù)設(shè)值發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)D/A芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量輸出到負(fù)載電路控制端,。
?。?）采樣輸出電流和電池電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并在LCD液晶上顯示。單片機(jī)通過(guò)A/D芯片將采集到的電流和電壓數(shù)值進(jìn)行處理并傳送到液晶屏顯示SOC,、I,、U,、r及性能好壞。
?。?）當(dāng)電流過(guò)大時(shí),，單片機(jī)啟動(dòng)過(guò)流提示，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào),，并通過(guò)減小D/A輸出電壓降低電子負(fù)載電路的電流,，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。
程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)[8],，整體架構(gòu)功能模塊圖如5所示,。
儀表系統(tǒng)中，最主要的功能是對(duì)待測(cè)電池的剩余容量進(jìn)行快速估計(jì)以檢驗(yàn)其續(xù)航能力,，方便檢測(cè)人員維修,，軟件部分流程如圖6所示。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
本文設(shè)計(jì)的蓄電池剩余容量檢測(cè)系統(tǒng)具有恒流放電的功能,，首先測(cè)試恒流負(fù)載的功能,，通過(guò)按鍵分別設(shè)置放電電流的大小，得出一組數(shù)據(jù)如表1,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，恒流負(fù)載能夠達(dá)到基本功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)蓄電池進(jìn)行恒流放電的功能,。
對(duì)一系列12 V,、7.5 A h的鉛酸蓄電池進(jìn)行檢測(cè)，采取的放電電流為2 A,，由微控制器已存儲(chǔ)的鉛酸蓄電池端電壓和剩余容量對(duì)應(yīng)關(guān)系模型得到一組數(shù)據(jù),，如表2所示。
由表格數(shù)據(jù)可知,，若12 V鉛酸蓄電池放電到端電壓為（10.5±0.5） V左右時(shí),，電池也不會(huì)放出太多的電量，此時(shí)應(yīng)該對(duì)電池及時(shí)充電,，防止過(guò)放電縮短蓄電池的壽命,。維護(hù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，一般以放出80%左右額定容量為宜,。目的是使鉛酸蓄電池內(nèi)部的正極活性物質(zhì)中保留較多的PbO2粒子,，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高充放電效率,。
5 結(jié)論
鉛酸蓄電池作為一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng),，它在不同負(fù)載條件或不同環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)，實(shí)際可供釋放的剩余電量是不同的，而且隨著使用時(shí)間的增加,，其儲(chǔ)備容量和性能也將下降,。此外，蓄電池的老化程度和充放電次數(shù)也對(duì)其剩余容量具有影響,。下一步為提高測(cè)量精度應(yīng)綜合考慮多方面的因素,。總之,，本文基于單片機(jī)為核心處理器以恒流放電-端電壓測(cè)量法設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速估測(cè)鉛酸蓄電池的剩余容量,，為測(cè)試蓄電池的性能提供了便利，具有很高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益,。
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