基于單片機(jī)的EV動力蓄電池組電量計量系

摘 要：本文論述了用AT89C51單片機(jī)控制的蓄電池組管理及電量計量系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。硬件部分采用了積木式結(jié)構(gòu)，使檢測電路擴(kuò)展更加靈活。針對蓄電池充 放電過程中的非線性和復(fù)雜性，在檢測電路采用了光電隔離器件。在軟件的設(shè)計中，給出了計算電量的新算法，克服了單純采用安時法對固定初始放電狀態(tài)的要求， 實現(xiàn)了實時檢測。針對系統(tǒng)中可能存在的干擾，采用了加看門狗電路、設(shè)置軟件陷阱等設(shè)計。
關(guān)鍵詞：電動汽車；蓄電池；電量計量

引言
隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,解決汽車尾氣排放所帶來的大氣污染問題的較好方案是發(fā)展無空氣污染的交通工具，電動汽車隨之應(yīng)運(yùn)而生。以蓄電池作為動力源的電動汽車，無論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都是最可行的。
電動汽車用的動力蓄電池通常由多節(jié)單體電池串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成，一般串聯(lián)的單體電池數(shù)可達(dá)到十至幾十個，單體電池電壓一般是12V，總電壓在100V以上， 總?cè)萘吭?00Ah以上。本文所闡述的蓄電池性能檢測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以根據(jù)需要增加或減少被檢測電池的數(shù)量，具有較高的靈活性，單片機(jī)控制使精度可達(dá) 1％，利用改進(jìn)的開路電壓法進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，進(jìn)一步提高了精度。
由于鉛酸蓄電池容量有限并具有腐蝕性，鎳鎘蓄電池中鎘是有污染的重金屬，而鎳氫電池的容量、充放電特性都滿足要求，并且環(huán)保，因此鎳氫蓄電池是未來電動汽車用蓄電池的發(fā)展方向。本文的電動車蓄電池組管理及電量計量系統(tǒng)就是針對鎳氫蓄電池而設(shè)計的。

鎳氫電池的充放電特性
鎳氫電池由鎳氫化合物正電極、儲氫合金負(fù)電極以及堿性電解液(比如30%的氫氧化鉀溶液)組成，充、放電時的電化學(xué)反應(yīng)式如下：
電池正極：
Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e
電池負(fù)極：M+H2O+e→MH+OH-
電池總反應(yīng)：
M+Ni(OH)2→NiOOH+MH
在以上各方程中，(正方向)正向化學(xué)反應(yīng)方向為蓄電池充電時的化學(xué)反應(yīng)方向，(反方向)反向化學(xué)反應(yīng)方向為蓄電池放電時的化學(xué)反應(yīng)方向。M為儲氫合金；MH為吸附了氫原子的儲氫合金。
在鎳氫電池恒流充電的起始階段，電池端電壓迅速上升，而在電池電量接近充滿時又稍微有些下降。鎳氫電池充電內(nèi)阻較小，因而具有較高的充電效率。充滿電的鎳 氫電池，其端電壓在恒流放電起始階段下降緩慢，只是在電池電量接近放盡的時候，電池端電壓才開始大幅度地下降。在放電過程中，鎳氫電池內(nèi)阻幾乎維持在一定 值附近，變化很小，只是在放電接近完畢時，電池內(nèi)阻才急劇增大，且時間很短，說明鎳氫電池具有較高的放電效率。

系統(tǒng)概述
系統(tǒng)簡介
本系統(tǒng)具有蓄電池巡回檢測功能，可在蓄電池充、放電過程中在線檢測蓄電池端電壓、充放電電流和蓄電池溫度，能根據(jù)檢測到的電流計算剩余安時數(shù)，并按要求顯示出來,另外，本系統(tǒng)還具有故障預(yù)測功能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
主要技術(shù)參數(shù)
本系統(tǒng)擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：
(1)要求1s采集并處理一個數(shù)據(jù)。
(2) 最多可檢測45路12V的蓄電池單體電壓，1路電流和2路溫度等參數(shù)。電壓測量精度1%，溫度測量精度5%，電流測量精度1%。
(3) 系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度為0℃~40℃。
4) 系統(tǒng)顯示采用串行口通信，單片機(jī)電路有數(shù)據(jù)掉電保護(hù)、電源檢測等功能。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由三個大的模塊構(gòu)成：主電路模塊、電壓采集擴(kuò)展模塊和顯示模塊。
主電路模塊是系統(tǒng)的核心部分，其中包括由單片機(jī)小系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路、邏輯控制電路、電源電壓監(jiān)視電路和EEPROM電路構(gòu)成的信號處理和 存儲電路，集成在主電路上的20路電壓采集子電路、主電路模塊以及主電路模塊和另外兩個模塊的接口，具體框圖如圖2所示。
電壓采集擴(kuò)展模塊由25路電壓采集子電路構(gòu)成，集成有電池電壓輸入插座。電路板做成插板形式，需要擴(kuò)展的時候即可以插到主電路上的插槽上。
顯示模塊由7個數(shù)碼管顯示器、三個按鍵及兩個報警電路構(gòu)成。
幾種常用的電壓數(shù)據(jù)采集電路方案的比較如表1所示。由于電池經(jīng)過逆變器或者斬波器為電機(jī)供電，電磁干擾比較嚴(yán)重，因此應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集電路。 利用光電耦合器件組成的電壓數(shù)據(jù)采集電路方案費(fèi)用低、體積小、精度滿足系統(tǒng)要求并具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因此，本系統(tǒng)采用了這種電壓數(shù)據(jù)采集電路方案，原 理框圖如圖3所示。
在電流檢測電路中采用了LEM公司的霍爾電流傳感器LT208-S7；溫度采集電路中采用的是集成溫度傳感器LM35；采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換電路由快速逐次比較的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD1674構(gòu)成。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計
  本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計方案，各模塊子程序之間相對獨(dú)立，整個系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)清晰、便于擴(kuò)展。這些子程序包括：系統(tǒng)初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、濾波及運(yùn)算子程序、LED顯示子程序和外部中斷子程序。主程序的流程圖如圖4所示。
針對存在的干擾，可以采用軟件方法實現(xiàn)數(shù)字濾波，以提高信號的可靠性，減少虛假信息的影響。
  針對電量計量的算法，目前國際上大致有兩種方法：(1)將測量開路電壓、負(fù)載電壓、內(nèi)阻、電量中的幾種方法結(jié)合起來，再對溫度、老化等因素進(jìn)行補(bǔ)償，如內(nèi) 阻－安時法，Peukert-安時法；(2)采用更為復(fù)雜的模型，如TNO模型、Shepard模型和Martin模型的組合模型。這兩類方法各有利弊： 前者方法簡單，計算量少，對硬件要求相對較低，但精度差一些；后者精度高些，但方法復(fù)雜，計算量大，對硬件要求較高。
  本系統(tǒng)采用的算法是一種把開路電壓法、安時法和Peukert方程有機(jī)地結(jié)合起來的算法。使用開路電壓法，是考慮到開路電壓與初始電量有一個明確的關(guān)系， 可以通過實測來確定；而安時法用來計算已用電量比較準(zhǔn)確，而且適用于充電和放電兩種情況。這種方法比復(fù)雜模型的運(yùn)算量少得多，對于硬件特別是CPU的要求 不很高，便于實時完成。
 開機(jī)時，根據(jù)開路電壓U0來確定初始電量CtI：，其中a，b是常量。每秒進(jìn)行一次采樣，獲取電壓、電流、溫度，用積分法計算已用電量Cu：。初始電量CtI減去Cu就是剩余電量：Cr(t)=CtI-Cu(t)。
 此算法有一個前提條件，就是開機(jī)前電池須已經(jīng)靜置一段時間，測量結(jié)果才較準(zhǔn)確。
 剩余電量受到諸多因素的影響，主要有放電電流對電池容量的影響，以及溫度、循環(huán)使用次數(shù)對容量的影響，都需要定量地加以補(bǔ)償或修正。

提高系統(tǒng)可靠性的措施
(1) 軟件抗干擾措施。軟件抗干擾是以犧牲少量的運(yùn)行速度和程序空間來達(dá)到抗干擾目的的方法。本系統(tǒng)中采用了指令冗余、設(shè)置軟件陷阱以及數(shù)據(jù)冗余技術(shù)等軟件抗干擾措施。
(2) 硬件抗干擾措施。輸入通道采用了光電耦合器件使蓄電池電壓的變化引起的干擾較小，同時在信號處理電路中構(gòu)造了二階低通有源濾波器，可以濾出一部分干擾波。單片機(jī)連有一片電源監(jiān)視芯片WATCHDOG，在監(jiān)視電源電壓的同時，還可以防止程序跑飛或者進(jìn)入死循環(huán)。
(3) 數(shù)據(jù)指針的妥善處理。當(dāng)前數(shù)據(jù)存放的地址(數(shù)據(jù)指針)是系統(tǒng)中非常重要的信息，指針丟失或錯誤將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失和誤讀。為了保證指針的正確，本設(shè)計中采用 多指針和嚴(yán)格校驗策略：即存放多個指針，在每次存儲指針時進(jìn)行嚴(yán)格校驗，而當(dāng)多次寫入出錯時，封鎖此處RAM；在每次應(yīng)用之前，隨機(jī)讀出其中幾個指針，采 取表決的辦法決定正確值，若表決沒有形成多數(shù)，則讀取全部指針再次表決，若仍未成功，則給出顯示，同時系統(tǒng)重新初始化。

結(jié)語
  本文完整地分析和探討了蓄電池組管理及電量計量系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。系統(tǒng)以ATMEL單片機(jī)為核心，充分開發(fā)和利用了單片機(jī)的I/O資源。系統(tǒng)的總體設(shè)計采 用積木式結(jié)構(gòu)，便于測量路數(shù)的擴(kuò)展。本系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地計算剩余電量，并為進(jìn)一步的研究工作提供了一個實驗平臺，能夠適應(yīng)將來可能使用的各種計算方法。