基于單片機(jī)的EV動(dòng)力蓄電池組電量計(jì)量系統(tǒng)

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(lái)的大氣污染問(wèn)題的較好方案是發(fā)展無(wú)空氣污染的交通工具，電動(dòng)汽車隨之應(yīng)運(yùn)而生。以蓄電池作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車，無(wú)論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都是最可行的。

電動(dòng)汽車用的動(dòng)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?cái)?shù)可達(dá)到十至幾十個(gè)，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(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以根據(jù)需要增加或減少被檢測(cè)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(kāi)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(lái)電動(dòng)汽車用蓄電池的發(fā)展方向。本文的電動(dòng)車蓄電池組管理及電量計(jì)量系統(tǒng)就是針對(duì)鎳氫蓄電池而設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shí)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?yàn)樾铍姵爻潆姇r(shí)的化學(xué)反應(yīng)方向，(反方向)反向化學(xué)反應(yīng)方向?yàn)樾铍姵胤烹姇r(shí)的化學(xué)反應(yīng)方向。M為儲(chǔ)氫合金；MH為吸附了氫原子的儲(chǔ)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(shí)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(shí)候，電池端電壓才開(kāi)始大幅度地下降。在放電過(guò)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(shí)，電池內(nèi)阻才急劇增大，且時(shí)間很短，說(shuō)明鎳氫電池具有較高的放電效率。

系統(tǒng)概述

系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)具有蓄電池巡回檢測(cè)功能，可在蓄電池充、放電過(guò)程中在線檢測(cè)蓄電池端電壓、充放電電流和蓄電池溫度，能根據(jù)檢測(cè)到的電流計(jì)算剩余安時(shí)數(shù)，并按要求顯示出來(lái),另外，本系統(tǒng)還具有故障預(yù)測(cè)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(gè)數(shù)據(jù)。
(2) 最多可檢測(cè)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(cè)量精度1%，溫度測(cè)量精度5%，電流測(cè)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(cè)等功能。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由三個(gè)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(hào)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(hào)處理和 存儲(chǔ)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(gè)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(shí)候即可以插到主電路上的插槽上。

顯示模塊由7個(gè)數(shù)碼管顯示器、三個(gè)按鍵及兩個(gè)報(bào)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(guò)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(cè)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(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方案，各模塊子程序之間相對(duì)獨(dú)立，整個(gè)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(duì)存在的干擾，可以采用軟件方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，以提高信號(hào)的可靠性，減少虛假信息的影響。

針對(duì)電量計(jì)量的算法，目前國(guó)際上大致有兩種方法：(1)將測(cè)量開(kāi)路電壓、負(fù)載電壓、內(nèi)阻、電量中的幾種方法結(jié)合起來(lái)，再對(duì)溫度、老化等因素進(jìn)行補(bǔ)償，如內(nèi) 阻－安時(shí)法，Peukert-安時(shí)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(jiǎn)單，計(jì)算量少，對(duì)硬件要求相對(duì)較低，但精度差一些；后者精度高些，但方法復(fù)雜，計(jì)算量大，對(duì)硬件要求較高。

本系統(tǒng)采用的算法是一種把開(kāi)路電壓法、安時(shí)法和Peukert方程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的算法。使用開(kāi)路電壓法，是考慮到開(kāi)路電壓與初始電量有一個(gè)明確的關(guān)系， 可以通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)確定；而安時(shí)法用來(lái)計(jì)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(duì)于硬件特別是CPU的要求 不很高，便于實(shí)時(shí)完成。

開(kāi)機(jī)時(shí)，根據(jù)開(kāi)路電壓U0來(lái)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(jì)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(gè)前提條件，就是開(kāi)機(jī)前電池須已經(jīng)靜置一段時(shí)間，測(cè)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(duì)電池容量的影響，以及溫度、循環(huán)使用次數(shù)對(duì)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(lái)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(shí)在信號(hào)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(shí)，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(cuò)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(jì)中采用 多指針和嚴(yán)格校驗(yàn)策略：即存放多個(gè)指針，在每次存儲(chǔ)指針時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格校驗(yàn)，而當(dāng)多次寫入出錯(cuò)時(shí)，封鎖此處RAM；在每次應(yīng)用之前，隨機(jī)讀出其中幾個(gè)指針，采 取表決的辦法決定正確值，若表決沒(méi)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(shí)系統(tǒng)重新初始化。

結(jié)語(yǔ)

本文完整地分析和探討了蓄電池組管理及電量計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)以ATMEL單片機(jī)為核心，充分開(kāi)發(fā)和利用了單片機(jī)的I/O資源。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采 用積木式結(jié)構(gòu)，便于測(cè)量路數(shù)的擴(kuò)展。本系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算剩余電量，并為進(jìn)一步的研究工作提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠適應(yīng)將來(lái)可能使用的各種計(jì)算方法。