基于MATLAB的蓄電池充放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：為了更科學(xué)、直觀的掌握電池的充放電特性，設(shè)計(jì)了基于MATLAB的蓄電池充放電監(jiān)控系統(tǒng)、主要有包括蓄電池容量檢測(cè)、蓄電池損壞度檢測(cè)、蓄電池充電狀態(tài)檢測(cè)等。利用檢測(cè)電路采樣溫度、電流、電壓等性能指標(biāo)，通過串口和CAN總線等方式上傳到上位機(jī)。利用MATLAB編寫上位機(jī)的分析軟件，實(shí)時(shí)地反映了蓄電池充放電過程中的狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：充放電檢測(cè)；多任務(wù)調(diào)度；時(shí)間片輪轉(zhuǎn)；串口工具箱；句柄繪圖

隨著石油價(jià)格的不斷調(diào)高，人們承擔(dān)了越來越多的燃料成本壓力。多數(shù)人開始關(guān)注以其他能源為能量的交通工具，以電池為能量來源的出行工具越來越多。而電池的安全、壽命等性能也日益引起人們的關(guān)注。目前能夠被電動(dòng)自行車采用的有以下三種：鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。因?yàn)殂U酸蓄電池成本低，性價(jià)比高，現(xiàn)在的電動(dòng)車上絕大多數(shù)裝的是鉛酸蓄電池。本文就針對(duì)單節(jié)鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)的充電特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述
與電池充放電有關(guān)的參量包括：電池端電壓、充電電流、電池溫度等。因此，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)這三個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確采集。系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)南MCU、模擬采樣電路、溫度采集電路和上位機(jī)組成。MCU采集電池充放電時(shí)端電壓、電流和溫度信息，然后信息通過串行通信接口發(fā)送到上位機(jī)，再由MATLAB接收處理，并繪制曲線。電流和電壓每秒采集10次，溫度每秒采集1次。MCU每秒向上位機(jī)傳遞一組數(shù)據(jù)，MATLAB跟蹤更新數(shù)據(jù)，達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示電壓、電流、溫度的效果。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 MCU選擇
本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的MCU選用了STC12C5A60S2，芯片資源有：60K的flash，1280字節(jié)高速RAM，8通道10位A／D、2通道UART、2通道16位定時(shí)器、1通道內(nèi)部看門狗定時(shí)器。晶振選擇為11．0592MHz。
2．2 溫度采集芯片選擇
溫度采集的電路芯片選用Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20，它是DALLAS公司生產(chǎn)的線式數(shù)字溫度傳感器，采用3引腳T0-92型小體積封裝；溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0．0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字方式串行輸出。具有直接輸出數(shù)字信號(hào)，不存在信號(hào)傳輸過程干擾、擴(kuò)展方便、不需要設(shè)計(jì)另外的信號(hào)調(diào)制電路等優(yōu)點(diǎn)。
為了使溫度的采集更準(zhǔn)確，本系統(tǒng)使用兩片DS18B20，A／D轉(zhuǎn)換精度選擇為12位，貼在電池壁的不同位置。
2．3 電流和電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
電壓檢查使用電阻分壓，經(jīng)電壓跟隨電路到A／D轉(zhuǎn)換接口。運(yùn)放的作用是提高輸入阻抗，減小檢測(cè)電路對(duì)充電電路的影響，提高測(cè)量精度。
電流檢測(cè)有兩種方法：高端檢測(cè)和低端檢測(cè)。低端檢測(cè)實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但是這種方案的壞處是負(fù)載會(huì)比實(shí)際地線抬高一個(gè)直流電壓，測(cè)量不準(zhǔn)確；另外，電源和負(fù)載具有不同的參考地，對(duì)EMI的控制不利。高端檢測(cè)的難點(diǎn)在于輸入端存在共模電壓，測(cè)量電路復(fù)雜。本系統(tǒng)采用Maxim的MAX4173來測(cè)量差模電壓，其內(nèi)部包括一個(gè)差分放大器。選擇兩片MAX4173能夠?qū)崿F(xiàn)電流的雙向采樣，電流檢測(cè)電路如圖2所示。

3 MCU軟件設(shè)計(jì)
MCU完成功能包括讀兩路A／D轉(zhuǎn)換(電壓、電流)；讀兩路DS18B20轉(zhuǎn)換結(jié)果；串口通信。電壓、電流變化較為劇烈，采樣周期要短，但周期短會(huì)造成數(shù)據(jù)量大，加重傳輸和數(shù)據(jù)分析負(fù)擔(dān)，經(jīng)權(quán)衡，取電壓、電流的采樣周期為0．1s。溫度是一個(gè)時(shí)間參數(shù)較長的物理量，可以放寬采樣時(shí)間，這里取采樣周期為1s。