電池容量檢測儀設(shè)計(jì)

王 婷 褚曉銳 楊曉娟 李姚凡

（1、西昌學(xué)院，四川 西昌 615700 2、重慶市南川區(qū)道南中學(xué)校，重慶 408400）

隨著新能源汽車發(fā)展，退役電池在梯次利用成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。該過程中，退役電池相互搭配需要依據(jù)其實(shí)際容量而定，且后續(xù)使用過程中需要長期監(jiān)控電池容量。[1]因此，本文提出一種能夠自動化長期檢測電池容量的系統(tǒng)。

1 電池容量檢測方案

電充容量檢測通常使用兩種方法檢測。一種是以放電的方式，檢測電池從充滿到放空的功率，并對時(shí)間做積分。這種方式檢測電池容量，準(zhǔn)確度程度高，但耗時(shí)較長。另一種方式是通過測量電池內(nèi)阻，估算電池容量。[2]該方法優(yōu)點(diǎn)是測量速度快，缺點(diǎn)由于電池內(nèi)阻與容量的關(guān)系只能通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算，而每個(gè)電池的個(gè)體性能參數(shù)不同，因此其內(nèi)阻與容量的關(guān)系確定性不強(qiáng)。[3]

考慮到上述兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出綜合使用上述兩種方法構(gòu)建一種電池容量檢測裝置。該裝置既能以測量電池內(nèi)阻的方式，快速估算電池容量，又能通過放電方式，準(zhǔn)確測量電池容量。

電池容量實(shí)際測量公式如下:

上式中，IL為電池放電電流，通過測量獲取。t為累積放電時(shí)間，通過計(jì)時(shí)獲取。在電池電壓降低到電池最低允許放電電壓值時(shí)，截止放電。并返回最終電池容量測定結(jié)果。

內(nèi)阻測試原理為：電池短時(shí)間在阻值RL已知，且固定不變的負(fù)載上放電時(shí)，測定負(fù)載端電壓UL，再測定斷開負(fù)載時(shí)的電池電壓U0，按照如下公式計(jì)算電池內(nèi)阻：

因此，檢測方案需要具備電池端電壓檢測功能、負(fù)載斷開與接入功能、負(fù)載電流檢測功能、充電功能以及設(shè)備自身供電。設(shè)備檢測結(jié)果通過OLED顯示器顯示，輸入使用按鍵鍵盤，所以還需要人機(jī)交互功能。上述功能模塊統(tǒng)籌測控需使用中央控制模塊完成。

中央控制模塊直接控制負(fù)載的通斷，并使用電壓、電流測量模塊測量相關(guān)參數(shù)。在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候控制充電電路的啟停。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上文制定的電路方案，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。由于主控電路居于核心地位，其他電路的設(shè)計(jì)要以主控為基礎(chǔ)，因此先設(shè)計(jì)主控電路。

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

綜合考慮上一章功能模塊，可選用STM32F103單片機(jī)作為主控單元，選擇依據(jù)論證如下：

2.1.1 該單片機(jī)自帶3路12位，共計(jì)21通道AD轉(zhuǎn)換器，可完成電池電壓檢測任務(wù)。也可間接檢測負(fù)載電流，該部分設(shè)計(jì)將在后續(xù)電流檢測電路部分詳細(xì)論證；

2.1.2 該單片機(jī)具備超過20個(gè)雙向IO接口，可作為負(fù)載接入電路的開關(guān)控制引腳，也可控制充電電路的啟停，還可通過IO引腳連接鍵盤和顯示設(shè)備；

2.1.3 該單片機(jī)內(nèi)存高達(dá)64k字節(jié)，flash空間為128k字節(jié)，即便使用ucos3操作系統(tǒng)，占用空間仍未超過50%。因此存儲空間富裕；

2.1.4 該單片機(jī)使用cortex m3處理器，最高運(yùn)行頻率為72mHz，可提供較高算力。

在中控電路（圖1）上分別將A0，A1引腳引出，作為電流采樣、電壓采樣電路的端口。上述接口在單片機(jī)內(nèi)部可連接ADC1的通道0和通道1。兩個(gè)通道分時(shí)復(fù)用可測量得到電池的電流和電壓數(shù)據(jù)。

圖1 中控電路原理圖

考慮到設(shè)備需要人機(jī)交互功能，因此將A2至A7作為鍵盤按鍵電路引出，該部分引腳在單片機(jī)內(nèi)部可通過程序設(shè)置上拉輸入模式，直接連接按鍵。將B8，B9作為顯示器的數(shù)據(jù)輸出線路引出并通過軟件設(shè)置為推挽輸出。

B12至B14分別連接充電啟動電路、蜂鳴器電路、測溫電路。

2.2 電流測量電路、電壓采樣電路設(shè)計(jì)

電流測量電路（圖2）目的在于測量電池放電電流，以此統(tǒng)計(jì)電池容量。設(shè)計(jì)選用BTS7960芯片，通過設(shè)置該芯片的IS引腳合適的對地電阻值，再測量“I_Sensor”節(jié)點(diǎn)電壓，可間接計(jì)算得到負(fù)載電流。計(jì)算公式如下：

圖2 電流測量電路

上式中：IL為負(fù)載電流；K=8.5，為系數(shù)由芯片特性決定；US為“I_Sensor”節(jié)點(diǎn)電壓，可通過單片機(jī)測量得到；RS為外接對地電阻，此處假設(shè)負(fù)載電流為5A，單片機(jī)測量電壓范圍為0至3.3 V,反向計(jì)算得到RS=5.6 kΩ。因此，在設(shè)計(jì)該接地電阻的時(shí)候，使用5.6 KΩ電阻?？紤]到可能調(diào)整該電阻的情況，設(shè)置了一個(gè)并聯(lián)電阻作為后備替補(bǔ)位置，如果不用，焊接時(shí)保持留空即可。

電池電壓測量電路如圖3所示。由于電池電壓充滿為12V,單片機(jī)測量電路最大測量電壓為3.3 V。因此設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)分壓電路將電池電壓按比例分壓后從“Test_Bat”節(jié)點(diǎn)輸入單片機(jī)采樣。

圖3 電池電壓測量電路

3 軟件設(shè)計(jì)

在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)按功能分為多個(gè)模塊完成。多個(gè)模塊的協(xié)同配合，在使用操作系統(tǒng)的前提下可達(dá)到簡化設(shè)計(jì)難度的效果。

3.1 操作系統(tǒng)選擇

結(jié)合本設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)需要具備的特點(diǎn)如下：（1）輕量化，可燒入單片機(jī)；（2）開發(fā)難度低，開發(fā)周期短；（3）可靠性高，可支持軟件系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作。綜合考慮，UCOS3可達(dá)到上述目的。該操作系統(tǒng)編譯后僅占用50kB空間，最小模式運(yùn)行內(nèi)存占用僅10kB；其源代碼完全公開，接口文檔健全，因此容易開發(fā)；該操作系統(tǒng)采用c語言開發(fā)，系統(tǒng)內(nèi)部不存在動態(tài)內(nèi)存開銷，穩(wěn)定性極佳。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)按層次劃分為驅(qū)動開發(fā)、應(yīng)用層開發(fā)。

驅(qū)動層包括如下部分：（1）溫度測量驅(qū)動；（2）電池電壓、電流測量驅(qū)動；（3）按鍵掃描驅(qū)動；（4）顯示驅(qū)動。該部分底層硬件驅(qū)動，按照技術(shù)手冊編寫、移植即可。

應(yīng)用開發(fā)分別為基本數(shù)據(jù)顯示模塊、充電模塊、放電實(shí)測容量模塊、內(nèi)阻測試模塊。其中，基本數(shù)據(jù)顯示模塊通過驅(qū)動獲取電池電壓、溫度數(shù)據(jù)并顯示。充電模塊工作時(shí)，通過檢測電池電壓，如果電壓低于充滿狀態(tài)電壓，則啟動充電電路進(jìn)行充電。

電池容量測定模塊首先會檢測電池是否充滿，如果沒充滿，則進(jìn)入充電狀態(tài)，充滿則通過實(shí)際放電的方式進(jìn)行容量實(shí)測。

按照第一章當(dāng)中的公式，可完成內(nèi)阻測定模塊編寫。

最后，再將以上模塊用狀態(tài)機(jī)方式完成編寫，狀態(tài)之間的切換根據(jù)變量“CurState”實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)之間可相互存在邏輯切換關(guān)系，例如：充電完成后自動切換到放電模式。也可由人工按鍵方式切換狀態(tài)。

4 測試結(jié)果

經(jīng)測試，該設(shè)計(jì)成果可順利完成電池內(nèi)阻測定以及電池容量測定的功能，測試結(jié)果如圖4。

圖4 容量測定及內(nèi)阻測試圖