48V20Ah鉛酸電池組管控系統的設計
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
5)放電電流采集電路
電動自行車在行駛中的電流一般在
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
圖3
7)放電控制電路
放電控制有兩種途徑,一種是傳統方法一樣通過外接繼電器來控制供電電路的通斷;另一種方法是通過輸出工業標準信號0~5V模擬量去限制負載的變化。
8)充電控制電路
充電控制MCU控制MOSFET管承擔[4],電路如圖4所示。利用單片機I/O引腳輸出高或低電平,使三極管Q802工作在導通或截止狀態下,從而控制MOSFET管的通斷。實現恒流、恒壓、限流、脈沖充電功能。
圖4
9)4路電池電壓采集電路
4路電壓采集電路中的每一路都采樣差動式運算放大器電路進行電池電壓的采樣[3],電路原理如圖5所示。
圖5
10)4路電池電量均衡電路
電量均衡電路使用的是可控開關串接電阻電路,通過控制開關的閉合進行放電[5]。由于采用的是耗能型均衡,故只在充電過程中電池電壓大于13.5V后才啟用,電池間的電壓差在0.1V~0.7V范圍內投用,默認值為0.2V。
11)供電電路
系統的供電由蓄電池組本身提供,通過DC/DC變換器得到工作電源。系統的工作電壓有+12V、-12V和+5V。
3 軟件設計
系統應用程序開發采用基于Windows平臺的開發工具,源代碼文件按工程化分為.h頭文件和.c實現文件兩類。其中程序的源代碼按功能要求分為管理、顯示、時鐘、均衡、電壓/電流采集、溫度、時鐘、存儲、通信等文件,主程序的流程圖如圖6所示。
圖6
4 結束語
對電動自行車蓄電池組進行管理和控制,減弱了電池一致性差因素的影響,合理地使用電池有了保障。本系統參數測量準確、可靠性高、抗干擾能力強,實時準確地顯示蓄電池的狀態,有助于提高蓄電池組的循環次數,延長電池組的使用壽命。
參考文獻
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[2]陳潔. 一款適合課堂教學的簡易單片機實驗開發器[J]. 電子世界,2008(5):28-29
[3]陳竹. 電池管理系統中基本物理量的采集方法[J]. 電動自行車, 2011(11):22-24
[4]樊海軍, 丁學明等. 鋰電池組智能管理系統設計及實現[J]. 電源技術, 2011(5):510-513
[5]沈金榮, 李書旗. 電動車用VRLA蓄電池組均衡電路設計與實驗研究[J]. 蓄電池, 2008(2):68-72

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