48V20Ah鉛酸電池組管控系統的設計_鉛酸電池組_電池壽命

48V20Ah鉛酸電池組管控系統的設計

2012/8/2 21:04:04

1 概述

自去年3月國家將鉛酸電池企業的整治作為2011年環保專項行動的首要任務以來，48V鉛酸電池組的價格都有了不同程度的上漲，平均在百元左右。占鉛酸電池市場總產量的37%以上、保持97.5%的使用比例的電動自行車行業應該從鉛酸電池是使用過程中想方設法延長電池的使用壽命，提高電池組的循環次數。

由于電池的電能是由化學能轉換而來的，也就是說電池能量釋放是依靠化學反應。電池在制造過程中，其極板的厚薄、活性物質活化程度等的細小差別都會影響電池的性能，同一類型、規格、型號的電池在電壓、內阻、容量方面存在差別，性能表現很不一致。因此電池本身所存在的性能一致性差等原因，以及與之配套使用的不同廠家的充電器性能差異，當用傳統的充電器對串聯而成的蓄電池組進行充電時，組中各電池塊所分得的充電電壓通常是不相等的。也就是說每塊電池所分配到的充電電壓是有大有小。電壓差的大小與組中電池間的性能好壞直接相關。使用傳統的充電器對串聯而成的蓄電池組進行充電，隨著電池組循環次數的增加，必然會導致某塊電池過充、某塊電池欠充，引起某塊電池過放。如此循環，使串聯電池組容量下降加快，使用壽命縮短。為了減弱電池一致性差因素的影響，最有效的辦法是根據組內各電池的狀態進行管理和控制。

2 系統結構

電池管理控制系統主要是為了保障電池的合理使用，實時監控電池組內各單塊電池的狀態，防止單塊電池出現欠充電、過充電和過放電，延長電池組的使用壽命。為了避免電池組中電池在充電過程中出現欠充、過充，有效的辦法是在充電過程中根據電池的荷電狀態及時進行均衡，盡可能地保持電池電量的均等。為了避免電池組中電池過放，合理的方法是及時提供電池組的荷電信息給用戶、以及限制負載的用電量直至停止供電。因此管理控制系統應具備人機交互、電流采集、電壓采集、溫度采集、電量均衡、充電調節、放電控制等功能^[1]，其結構框圖如圖1所示。

圖1 電池管理控制系統結構框圖

3 硬件組成

電池管理控制系統按照各自的功能由11個單元電路組成：單片機基本電路、存儲器電路、鍵盤顯示電路、充電電流采集電路、放電電流采集電路、電池組溫度采集電路、放電控制電路、充電控制電路、4路電池電壓采集電路、4路電池電量均衡電路、以及供電電路。所有單元電路都在同一個單片機控制下工作。

1）單片機基本電路

單片機基本電路是單片機的一個最小系統，由單片機芯片和晶體時鐘振蕩電路組成^[2]。

2）存儲器電路

存儲器電路使用的是常用芯片，根據需要存儲的數據量選用ATMEL公司I2C 總線的AT24C系列芯片。

3）鍵盤顯示電路

鍵盤顯示電路由4個獨立的按鍵和一個LCD顯示屏組成。每個鍵占用一個MCU口，顯示屏使用并口型。

4）充電電流采集電路

由于48V20Ah電池組的充電電流一般不會超過5A，所以采用精密電阻測量的方法^[3]以減小硬件成本。

5）放電電流采集電路

電動自行車在行駛中的電流一般在5A左右，瞬時最大值也不會超過30A，考慮到成本的因素，放電電流測量也使用精密電阻測量的方法，與充電電流的測量電路類似，只是放大器的放大倍數不同。

圖2 電流測量電路

6）電池組溫度采集電路

溫度采集則采用了單總線集成溫度傳感器DS18B20。其主要性能有采用單總線接口方式與微處理器連接時僅需一條I/O口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊；單總線具有經濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環境的現場溫度測量，使用方便等優點。測量溫度范圍寬，測量精度高；DS18B20的測量范圍為-55℃-125℃，在-10℃-85℃范圍內，精度為±0.5℃。在使用時不需要任何外圍元件。持多點組網功能；多個DS18B20可以并聯在唯一的單線上，實現多點測溫。供電方式靈活。測量參數可配置；DS18B20的測量分辨率可通過程序設定為9-12位。負壓特性；電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。掉電保護功能；DS18B20內部含有EEPROM，在系統掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。DS18B20測溫電路如圖3所示。