48V20Ah鉛酸電池組管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 概述
自去年3月國(guó)家將鉛酸電池企業(yè)的整治作為2011年環(huán)保專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)的首要任務(wù)以來(lái)，48V鉛酸電池組的價(jià)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(chǎng)總產(chǎn)量的37%以上、保持97.5%的使用比例的電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)應(yīng)該從鉛酸電池是使用過(guò)程中想方設(shè)法延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高電池組的循環(huán)次數(shù)。
由于電池的電能是由化學(xué)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的，也就是說(shuō)電池能量釋放是依靠化學(xué)反應(yīng)。電池在制造過(guò)程中，其極板的厚薄、活性物質(zhì)活化程度等的細(xì)小差別都會(huì)影響電池的性能，同一類(lèi)型、規(guī)格、型號(hào)的電池在電壓、內(nèi)阻、容量方面存在差別，性能表現(xiàn)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(dāng)用傳統(tǒng)的充電器對(duì)串聯(lián)而成的蓄電池組進(jìn)行充電時(shí)，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(shuō)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(guān)。使用傳統(tǒng)的充電器對(duì)串聯(lián)而成的蓄電池組進(jìn)行充電，隨著電池組循環(huán)次數(shù)的增加，必然會(huì)導(dǎo)致某塊電池過(guò)充、某塊電池欠充，引起某塊電池過(guò)放。如此循環(huán)，使串聯(lián)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(jù)組內(nèi)各電池的狀態(tài)進(jìn)行管理和控制。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電池管理控制系統(tǒng)主要是為了保障電池的合理使用，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組內(nèi)各單塊電池的狀態(tài)，防止單塊電池出現(xiàn)欠充電、過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。為了避免電池組中電池在充電過(guò)程中出現(xiàn)欠充、過(guò)充，有效的辦法是在充電過(guò)程中根據(jù)電池的荷電狀態(tài)及時(shí)進(jìn)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(guò)放，合理的方法是及時(shí)提供電池組的荷電信息給用戶、以及限制負(fù)載的用電量直至停止供電。因此管理控制系統(tǒng)應(yīng)具備人機(jī)交互、電流采集、電壓采集、溫度采集、電量均衡、充電調(diào)節(jié)、放電控制等功能[1]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 電池管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3 硬件組成
電池管理控制系統(tǒng)按照各自的功能由11個(gè)單元電路組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)基本電路、存儲(chǔ)器電路、鍵盤(pán)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(gè)單片機(jī)控制下工作。
1）單片機(jī)基本電路
單片機(jī)基本電路是單片機(jī)的一個(gè)最小系統(tǒng)，由單片機(jī)芯片和晶體時(shí)鐘振蕩電路組成[2]。
2）存儲(chǔ)器電路
存儲(chǔ)器電路使用的是常用芯片，根據(jù)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量選用ATMEL公司I2C 總線的AT24C系列芯片。
3）鍵盤(pán)顯示電路
鍵盤(pán)顯示電路由4個(gè)獨(dú)立的按鍵和一個(gè)LCD顯示屏組成。每個(gè)鍵占用一個(gè)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(huì)超過(guò)
5）放電電流采集電路
電動(dòng)自行車(chē)在行駛中的電流一般在
圖2 電流測(cè)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(shí)僅需一條I/O口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量溫度范圍寬，測(cè)量精度高；DS18B20的測(cè)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(tǒng)方法一樣通過(guò)外接繼電器來(lái)控制供電電路的通斷；另一種方法是通過(guò)輸出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0～5V模擬量去限制負(fù)載的變化。
8）充電控制電路
充電控制MCU控制MOSFET管承擔(dān)[4]，電路如圖4所示。利用單片機(jī)I/O引腳輸出高或低電平，使三極管Q802工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下，從而控制MOSFET管的通斷。實(shí)現(xiàn)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(dòng)式運(yùn)算放大器電路進(jìn)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(kāi)關(guān)串接電阻電路，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的閉合進(jìn)行放電[5]。由于采用的是耗能型均衡，故只在充電過(guò)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(nèi)投用，默認(rèn)值為0.2V。
11）供電電路
系統(tǒng)的供電由蓄電池組本身提供，通過(guò)DC/DC變換器得到工作電源。系統(tǒng)的工作電壓有+12V、-12V和+5V。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)采用基于Windows平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具，源代碼文件按工程化分為.h頭文件和.c實(shí)現(xiàn)文件兩類(lèi)。其中程序的源代碼按功能要求分為管理、顯示、時(shí)鐘、均衡、電壓/電流采集、溫度、時(shí)鐘、存儲(chǔ)、通信等文件，主程序的流程圖如圖6所示。
圖6
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)電動(dòng)自行車(chē)蓄電池組進(jìn)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(tǒng)參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示蓄電池的狀態(tài)，有助于提高蓄電池組的循環(huán)次數(shù)，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。
參考文獻(xiàn)
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