電動車電池容量計解決方案設計

標簽：電池容量 電源

1 前言

環(huán)境保護(簡稱環(huán)保)是由于生產(chǎn)發(fā)展導致的環(huán)境污染問題過于嚴重，首先引起發(fā)達國家的重視而產(chǎn)生的，利用國家法律法規(guī)約束和輿論宣傳而逐步引起全社會重視，由發(fā)達國家到發(fā)展中國家興起的一場保衛(wèi)生態(tài)環(huán)境和有效處理污染問題的措施。

實際上，不僅電動車需要電池容量計，許多使用電池的場合都對此有迫切的要求。傳統(tǒng)的對電池監(jiān)視的手段僅僅是一塊電壓表，而電壓卻不能準確反映電池的容量，經(jīng)常出現(xiàn)電壓正常，卻無容量的現(xiàn)象。作為使用者常常感到困惑的就是不知電池還能使用多久，因此影響到許多關鍵場合的使用，還易出現(xiàn)誤判引起事故。因此研制一臺反映電池容量的儀器就顯得十分必要了。目前國外已有同類產(chǎn)品問世，但可能由于技術保密的原因，未見介紹其實現(xiàn)的方法。

本文以電動車為使用對象，提出了一種采用電量計量方法實現(xiàn)的電池容量計，可在一定條件下計量電池容量。它基于這樣一種原理，即對電池充進能量和放出能量進行計算并乘以相應的損失系數(shù)從而指示電池的容量(該系數(shù)應考慮到充電效率及電池放電電流大小以及其它因素對電池容量的影響)。

2 基本原理

電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內(nèi)部移到正極時，電池非靜電力(化學力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質(zhì)，與電池的大小無關。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。在電池反應中，1千克反應物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進行，同時電池內(nèi)阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大，其內(nèi)阻越小。

電池的容量除了一些電池本身的因素外，主要取決于充電量和放電量，顯然如果始終能記錄下電池的充放電情況就可以測出容量。我們設想在傳統(tǒng)的單一電池上裝備這種稱之為電池容量計的儀器以達到顯示容量的目的。該容量計動態(tài)監(jiān)視電池充進電量的總和及放出總電量并運算后直觀顯示。影響電池容量的其它因素綜合為一個損失系數(shù)，該系數(shù)乘以充放電量的算數(shù)和即為電池剩余容量。由于電池的種類、大小、性能不盡相同，損失系數(shù)是不相同的，主要靠試驗獲得，故這里不討論系數(shù)問題，只研究完成計量電量功能的電路。

電池容量是指電池存儲電量的大小。電池容量的單位是“mAh”，中文名稱是毫安時(在衡量大容量電池如鉛蓄電池時，為了方便起見，一般用“Ah”來表示，中文名是安時，1Ah=1000mAh)。若電池的額定容量是1300mAh，如果以0.1C(C為電池容量)即130mA的電流給電池放電，那么該電池可以持續(xù)工作10小時(1300mAh/130mA=10h);如果放電電流為1300mA，那供電時間就只有1小時左右(實際工作時間因電池的實際容量的個別差異而有一些差別)。這是理想狀態(tài)下的分析，數(shù)碼設備實際工作時的電流不可能始終恒定在某一數(shù)值(以數(shù)碼相機為例，工作電流會因為LCD顯示屏、閃光燈等部件的開啟或關閉而發(fā)生較大的變化)，因而電池能對某個設備的供電時間只能是個大約值，而這個值也只有通過實際操作經(jīng)驗來估計。

電池充放電有多種方式，恒流、限壓、脈沖、負脈沖等等，所以簡單地用電流乘以時間計量容量的方式無法適應除恒流外的其他方式，而積分方式又不能適應負脈沖充電的需要，同時它需要時間參數(shù)，亦不太適合。無論何種充電方式，其影響電池容量的關鍵參數(shù)即為電流和時間，負脈沖充電情況下只是同時有負電流。為此我們設計了如下工作方式的電池容量計電路，原理方框圖見圖1。

圖1 電池容量計原理框圖

首先監(jiān)測電池的充放電電流，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后放大，送入電壓頻率轉(zhuǎn)換器使其變?yōu)轭l率信號，通過一定方式將計數(shù)值顯示出來，這就構成了一臺電池容量計。實際上，頻率的高低代表了電流的大小，電流大則頻率高，在同一時間內(nèi)記錄的脈沖個數(shù)就多，反之亦然。而充放時間亦反映在對脈沖的計數(shù)上，時間長則計數(shù)個數(shù)多。如此，就利用計數(shù)方式完成了對電池充放電量的計算。

在化學電池中，化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁强侩姵貎?nèi)部自發(fā)進行氧化、還原等化學反應的結果，這種反應分別在兩個電極上進行。負極活性物質(zhì)由電位較負并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的氧化劑組成，如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物，氧或空氣，鹵素及其鹽類，含氧酸及其鹽類等。電解質(zhì)則是具有良好離子導電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當外電路斷開時，兩極之間雖然有電位差(開路電壓)，但沒有電流，存儲在電池中的化學能并不轉(zhuǎn)換為電能。當外電路閉合時，在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時在電池內(nèi)部，由于電解質(zhì)中不存在自由電子，電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應，以及反應物和反應產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。為吉布斯反應自由能增量(焦);F為法拉第常數(shù)=96500庫=26.8安·小時;n為電池反應的當量數(shù)。這是電池電動勢與電池反應之間的基本熱力學關系式，也是計算電池能量轉(zhuǎn)換效率的基本熱力學方程式。

絕對值放大器和可逆計數(shù)器二者的結合，實現(xiàn)了對充電中放電間隙(即負脈沖充電)的計量，同時用一套電路完成了充放電兩個方向的計算。充電時正向計數(shù)，放電時反向計數(shù)(減數(shù))，用電流的流向控制可逆計數(shù)器的計數(shù)方向。

3 方案論證及技術關鍵的解決

3.1 電流取樣

電流取樣的目的是將電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，一般有三種方式：

(1)取樣電阻;

(2)分流器;

(3)霍爾器件。

從電動車電池使用來看，電流較大，顯然使用取樣電阻并不合適，而分流器又太重且體積也較大，不太適用，故霍爾器件較為適用。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車上安裝。它的缺點是價格稍貴，但對于汽車上使用的電池價格來講完全可以忽略。由于選用可以購買到的成熟產(chǎn)品，電路較簡單不再列出。