汽車脈動(dòng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/吳旭彬 關(guān)景新

1 前言

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，汽車因?yàn)殡娖繂栴}而出現(xiàn)的故障占整個(gè)汽車故障率的17%。一般來說，汽車的電瓶的壽命長(zhǎng)達(dá)2～3年，但由于車主停車熄火后汽車大燈未關(guān)閉等不良習(xí)慣或用電設(shè)備故障等原因，一直消耗電瓶的能量，引起電瓶虧電等故障，當(dāng)汽車使用者需要使用汽車時(shí)，因電瓶故障無法啟動(dòng)汽車，帶來了極大不便。目前，主要采用對(duì)汽車電瓶進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法來預(yù)防，國(guó)內(nèi)外有不少該方面的研究和應(yīng)用，一種方法通過離線的電瓶檢測(cè)工具檢測(cè)電瓶的放電電流、開路電壓、內(nèi)部阻抗等參數(shù)來判斷電瓶的壽命和性能，但這需要專業(yè)人員和專用設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)，不便于廣大汽車使用者使用；另外一種方法是如有些昂貴的汽車出廠了自帶了電瓶監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，可以通過儀表盤進(jìn)行顯示，這類系統(tǒng)只能在車鑰匙插入汽車后才能工作，顯示的內(nèi)容也僅限于電瓶電量，無法預(yù)測(cè)電瓶功能失效的時(shí)間。

針對(duì)上述的問題，本文基于電瓶檢測(cè)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套汽車脈動(dòng)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以24小時(shí)全天連續(xù)監(jiān)測(cè)電瓶的電量，通過電瓶性能分析來判斷是否存在人為誤操作或者設(shè)備損壞情況，根據(jù)預(yù)判結(jié)果產(chǎn)生遠(yuǎn)程預(yù)警，提示車主檢查處理，避免出現(xiàn)無法發(fā)動(dòng)汽車的尷尬局面。

2 電瓶性能檢測(cè)方法

汽車的電瓶是一種化學(xué)類的電瓶，衡量電瓶性能優(yōu)劣的最具有代表性的兩個(gè)參數(shù)是額定容量和內(nèi)阻。質(zhì)量好的電瓶能夠存儲(chǔ)較多的電量，內(nèi)阻則能夠反映電瓶的健康狀況，數(shù)值越小電瓶向外提供電流的能力越強(qiáng)。

圖1：內(nèi)阻檢測(cè)（左：直流放電法 右：交流注入法）

圖2：汽車脈動(dòng)管理系統(tǒng)的功能圖

圖3：硬件設(shè)計(jì)總框圖

2.1 內(nèi)阻檢測(cè)

內(nèi)阻檢測(cè)主要有直流放電法和交流流入法兩種。直流放電法通過對(duì)電瓶施加一個(gè)直流電流I放電，檢測(cè)出電路閉合時(shí)刻的電壓下降數(shù)值，依據(jù)歐姆定律公式即可以求出內(nèi)阻值，見圖1左。交流注入法一般采用一個(gè)已知頻率的交流正弦電流小信號(hào)注入到電瓶?jī)?nèi)部，通過檢測(cè)由內(nèi)阻產(chǎn)生的響應(yīng)電壓小信號(hào)以及提取出兩者之間的相位差，依據(jù)歐姆定律可計(jì)算得出電瓶?jī)?nèi)阻值，見圖1右。

圖4：內(nèi)阻及開路電壓測(cè)試示意圖

直流放電法檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，但檢測(cè)時(shí)經(jīng)常需要較大的放電電流，長(zhǎng)時(shí)間放電對(duì)電瓶產(chǎn)生一定的損害；交流注入法可以避免放電時(shí)對(duì)電瓶產(chǎn)生的損害，但抗干擾能力弱，低頻交流小信號(hào)幅值容易受到紋波電流、諧波電流、和噪聲源的干擾，準(zhǔn)確度不高。

圖5：直流交變電路設(shè)計(jì)

圖6：電流采樣電路

圖7：電壓檢測(cè)電路

圖8：差分放大采樣電路

2.2 剩余容量測(cè)量

剩余容量SOC 的檢測(cè)是一種便于檢測(cè)判斷性能好壞的直觀方法，但存在很多難點(diǎn)，目前主要通過放電實(shí)驗(yàn)法、開路電壓法、內(nèi)阻法等來方法來估算剩余容量SOC。放電實(shí)驗(yàn)法將電瓶進(jìn)行不間斷的放電一直到截止電壓，獲得放電時(shí)間和電流兩者的乘積，從而得到此時(shí)狀態(tài)下的實(shí)際剩余電量，這種方法適用于所有類型的電瓶，但實(shí)際上沒什么用，因?yàn)榉烹姷倪^程需要很長(zhǎng)時(shí)間而且放電后需要對(duì)電瓶及時(shí)充電。開路電壓法和內(nèi)阻法兩者是通過開路電壓或者內(nèi)阻來估算剩余電量的方法，開路電壓法是根據(jù)電瓶在開路狀態(tài)時(shí)的電壓與剩余容量SOC 之間存在很明顯的相關(guān)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)阻法是依據(jù)電瓶?jī)?nèi)阻與電瓶的SOC 密切相關(guān)這一特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

汽車脈動(dòng)管理系統(tǒng)是一個(gè)有關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車電瓶電量和性能的裝置。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了以下三個(gè)因素：

（1）不間斷監(jiān)測(cè)電瓶的電量；

（2）間斷性分析電瓶的性能；

（3）遠(yuǎn)程預(yù)警告知車主。

主要包括三個(gè)模塊：智能硬件、服務(wù)后臺(tái)和使用APP。如圖2所示。智能硬件對(duì)汽車的電瓶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將相關(guān)的電瓶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器后臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)抄送給車主的手機(jī)進(jìn)行顯示，若發(fā)生異常，將有參考價(jià)值的建議在APP上顯示，供車主參考處理突發(fā)情況。

4 硬件設(shè)計(jì)

以STM32單片機(jī)核心設(shè)計(jì)在線檢測(cè)電瓶剩余容量和內(nèi)阻的硬件電路，見圖3。硬件主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和與服務(wù)后臺(tái)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸部分，采用了通用的GSM模塊SIC900進(jìn)行實(shí)施，該模塊只需要單片機(jī)使用串口進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)，方便快捷。

結(jié)合直流放電、交流注入的內(nèi)阻檢測(cè)和開路電壓、內(nèi)阻估算剩余電量的優(yōu)缺點(diǎn)，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了直流交變的方法進(jìn)行實(shí)施，見圖4所示，具體過程為：通過一個(gè)恒流負(fù)載電路產(chǎn)生一個(gè)交變電流施加在待測(cè)電瓶的兩端，使得電瓶以電流大小為I 和0A 進(jìn)行周期性放電，周期T=50ms，占空比為50%，即0A 放電25ms，然后電流大小為I再放電25ms；接著提取出電瓶向外輸出I 和0A 兩種電流時(shí)的電壓差ΔU，然后按照公式 得到內(nèi)阻r，最后通過多次測(cè)量求平均值提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，也避免大電流對(duì)電瓶過度放電造成的損害。

4.1 直流交變電路的設(shè)計(jì)

圖9：應(yīng)用服務(wù)程序（左：后臺(tái)管理；中、右：移動(dòng)應(yīng)用）

直流交變電路主要實(shí)現(xiàn)直流的模擬控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成交變控制放電的功能，見圖5。圖中的DAC1-PA4是來自于STM32單片機(jī)的DAC引腳模擬產(chǎn)生的周期方波信號(hào)，該信號(hào)用來控制由U3A和功率器件Q1、Q2組成的放電回路，考慮到需要消除功率器件MOSFET自身物理結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生自激振蕩從而使器件穩(wěn)定的輸出電流，在電路中引入了PI 調(diào)節(jié)器，通過比例調(diào)節(jié)的作用，可以減小電路中出現(xiàn)的偏差，而積分調(diào)節(jié)則可以消除電路中的穩(wěn)態(tài)誤差。放電時(shí)電流經(jīng)過電阻R19和R20 兩端時(shí)產(chǎn)生的負(fù)反饋信號(hào)由U3B 放大輸出后也進(jìn)入到PI 調(diào)節(jié)電路U3A中，兩個(gè)信號(hào)相互補(bǔ)充實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電路中的電流使之達(dá)到恒定。

STM32 的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC1 轉(zhuǎn)換后的電壓加載到U3A 的同相端作為放電控制參考電壓，記作 。U3B 的同相端電壓為放電回路采樣電阻上的反饋電壓，記作Ui，同時(shí)將輸出的電壓記作Uout，放電電流記作I，采樣電阻R19、R20并聯(lián)后取值記作R，則Ui=IR，那么根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，可以得出代入電阻值后，得到放電電流和單片機(jī)DAC輸出的控制電壓之間的關(guān)系

可見，通過此設(shè)計(jì)產(chǎn)生兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）電瓶放電電流的大小由單片機(jī)的DAC值來控制；

（2）通過對(duì)單片機(jī)DAC的時(shí)間控制可以產(chǎn)生周期變化的信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)不同放電電流值進(jìn)行交替放電。為此，系統(tǒng)只要能獲取到交替放電時(shí)的電壓差值便可以根據(jù) 順利計(jì)算出內(nèi)阻。

4.2 信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

在信號(hào)檢測(cè)方面，系統(tǒng)需要檢測(cè)放電電流的大小、電瓶的開路電壓和交變放電時(shí)的差動(dòng)電壓值才能完整地計(jì)算表征電瓶的性能。這些信號(hào)的采樣都需要用到STM32單片機(jī)自帶12位的ADC功能，極大地方便了設(shè)計(jì)。

在電流采樣設(shè)計(jì)時(shí)，采用了寬帶高壓的運(yùn)算放大器TL082，見圖6。電瓶放電電流經(jīng)過采樣電阻時(shí)轉(zhuǎn)化為電壓反饋信號(hào) ，輸入至運(yùn)算放大器U5B 的同向端作為輸入，兩倍放大后再經(jīng)過電壓跟隨器U5A 進(jìn)行隔離緩沖后輸入到PA6 引腳的ADC2中采集。

在開路電壓檢測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了隔離干擾的性能要求，見圖7。首先使用了精密電阻的分壓電路將電瓶的電壓值縮小至可測(cè)量的范圍，R4和R6構(gòu)成的分壓比為1/6 ，電壓跟隨器U1A(LM358)輸出端的信號(hào)最大值控制在2V 左右，再由U1B構(gòu)成的低通濾波器濾除干擾供單片機(jī)的ADC1 輸入端引腳PA5 采集。為了消除毛刺提高穩(wěn)定性，在采集端和地之間加了C7 濾波電容。

在差動(dòng)電壓設(shè)計(jì)時(shí)，由于電瓶的內(nèi)阻為毫歐數(shù)量級(jí)，當(dāng)放電電流較小時(shí)，內(nèi)阻上產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)比較小，為此需要將小信號(hào)進(jìn)行放大處理采用了儀器儀表的專用差分放大測(cè)量芯片AD620，見圖8。該芯片只需要外接增益電阻RG即可實(shí)現(xiàn)放大微小信號(hào)差，可以通過方程來獲得其增益大小，由于本文中接入了電阻阻值為494Ω，電壓增益為101，放大后的電壓差信號(hào)在單片機(jī)的ADC采集范圍內(nèi)。同時(shí)，采用的直流交變法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的電瓶端電壓響應(yīng)信號(hào)也為交流信號(hào)，需要在AD620的輸入端采用電容C4、C7進(jìn)行濾掉直流信號(hào)，即可得到電瓶有無電流放電時(shí)的電壓差 。

5 服務(wù)后臺(tái)及移動(dòng)設(shè)計(jì)

汽車脈動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)主要設(shè)計(jì)是服務(wù)器后臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)主要方面：

（1）網(wǎng)絡(luò)映射，采用了花生殼第三方的內(nèi)網(wǎng)映射服務(wù)可以快捷的實(shí)現(xiàn)；

（2）與電瓶智能硬件進(jìn)行通信，服務(wù)器后臺(tái)存儲(chǔ)了電瓶的電量與端電壓、內(nèi)阻之間的特性曲線數(shù)據(jù)，采用查表法即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及性能分析，然后將結(jié)果向使用者的移動(dòng)端進(jìn)行發(fā)送。服務(wù)程序采用C++語言在集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2015進(jìn)行開發(fā)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采用SQL2015 數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)管理者可通過服務(wù)軟件向智能硬件發(fā)送指令、查看電瓶的放電測(cè)試結(jié)果，見圖9左。

汽車脈動(dòng)系統(tǒng)通過移動(dòng)APP的設(shè)計(jì)開發(fā)向汽車使用者提供應(yīng)用服務(wù)，見圖9中及右兩圖。當(dāng)服務(wù)后臺(tái)分析到電瓶出現(xiàn)問題，將通過APP向使用者發(fā)布預(yù)警信號(hào)，使用者根據(jù)預(yù)警信號(hào)即可進(jìn)行預(yù)防處理，避免汽車電瓶故障而無法啟動(dòng)汽車。

6 總結(jié)

本系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能檢測(cè)硬件，在Visual studio集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)了服務(wù)器平臺(tái)，開發(fā)了android版的用戶使用APP，形成了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車電瓶的性能和預(yù)警的汽車脈動(dòng)管理系統(tǒng)，經(jīng)過測(cè)試表明，當(dāng)汽車電瓶出現(xiàn)故障時(shí)，車主可以及時(shí)收到處理提示信息，從而高效低成本地應(yīng)對(duì)汽車電瓶故障問題。