1、智能电池管理系统设计智能电池管理系统设计【摘要】 本文采用STC12C5404AD单片机作为系统的核心控制部分，利用蓄电池的不同放电电流曲线，拟合出归一化的放电曲线，通过软件合理的算法，创新地提出了一种对蓄电池的剩余电量、剩余工作时间的估计方法。通过此课题的研究可以解决电动车、UPS、直流电源系统等以电池作为后备电源的蓄电池监测问题，具有较大实际应用价值。目录1、前言-3 1.1系统开发背景-3 1.2系统开发意义-32、总体方案设计及功能描述-43、功能模块硬件简介与实现-4 3.1蓄电池的工作电压采集电路-4 3.1.1 电压采集电路图-4 3.1.2 总体参数设定-5 3.1.3 LM3
2、58双运放集成放大电路介绍-5 3.2键盘电路-5 3.3数码管显示电路-6 3.3.1 数码管显示总体电路图-63.3.2 ULN2003达林顿管简介-63.4报警电路-64、工作原理及系统构成-74.1 铅酸蓄电池的基本电特性-74.1.1蓄电池的电动势和开路电压-74.1.2工作电压和终止电压-74.1.3蓄电池内阻-74.1.4电池的容量-7 4.2 电池的特性曲线-75、系统软件设计-9 5.1整体设计思路介绍-9 5.2主要部分流程图-10 5.2.1 主程序流程图-10 5.2.2 定时器T0中断流程图-10 5.2.3 数据显示流程图-106、总结-11致谢词-11参考文献-1
3、2附页-131 前言1.1系统开发背景目前存在如下一些方法可以检测蓄电池的剩余电量，下面依次列出其优缺点：1.开路电压法：即通过检测开路电压来得到剩余电量的大小。因为铅酸电池的剩余电量与它的开路电压有一定的直线(正比)关系，通过检测开路电压就能够直接得到剩余电量的大小，电动车要求能量管理系统能在充放电过程中准确的显示剩余电量，而充放电进行的过程中开路电压是无法检测到的。另外虽然这种方法能够直接比较准确的得到剩余电量的百分比数，但是由于额定容量绝对值是随着温度、电池退化等因素变化，使得这种方法一般用于UPS、储能电池，对用于电动车误差较大。2.恒流电压法：即检测铅酸电池在恒流放电时的端电压。这种
4、方法比较准确。但电动车在行驶时是变负载的，铅酸电池的放电电流是变化而不是恒定的。所以，这种方法应用于电动车能量管理系统中不太合适。3.内阻法：即通过计算铅酸电池的内阻来推算剩余电量，这种方法实现比较困难，因为电池的工作条件对电池的内阻影响很大，内阻的计算需要考虑电动势的大小、端电压、放电电流值，在电动车的实际工况下，特别是电流变化是很快的，因此计算起来比较复杂，另外在放电的初期，内阻随放电率的变化并不明显，即在电池放电的前期，应用内阻法是不准确的，因此内阻法应用于电动车能量管理系统来计算剩余电量误差较大。4.检测溶液密度法：即检测铅酸蓄电池溶液的密度，因为铅酸蓄电池的剩余电量跟它的溶液密度有一
5、定的关系，通过溶液密度来得到剩余电量，这种方法准确可靠。但是应用到电动车上却不合适，一方面现在电动车为了提高抗震性一般采用密封铅酸蓄电池，这种蓄电池检测溶液密度十分困难。另一方面由于充电时产生冒气现象，即水分解成氧气和氢气从正负极冒出，这样使得铅酸蓄电池溶液水分减少，密度增加。这时通过检测溶液密度来得到剩余电量可靠性就差多了。5.安时法：该方法较前述的几种方法而言，实现起来较简单，受电池本身情况的限制小，宜于发挥微机监测的优点。但是安时法没有从电池内部解决电量与电池状态的关系，而只是从外部记录进出电池的能量，不可避免的使电量的计量可能因为电池状态的变化而失去精确度，比如电池温度老化因素的影响等
6、。6.恢复效应法：如果能够找到可以正确描述电压恢复与时间的关系的函数，可以利用此函数推算电压在未来长时间后可能恢复到的稳定值，从而得到电池此时对应的开路电压，进而利用开路电压与剩余电量的线性关系得到电池此时的剩余电量。这种方法在铅酸蓄电池的使用初期比较准确，应用于电动车上也是比较好的。但是由于铅酸电池的额定容量随着充放电的次数的增多会发生变化，另外，在不同的放电电流下不同的环境温度下以及上次充电情况的不同额定容量都是不一样的，而这种方法没有考虑到这些因素。7.建立蓄电池的数学模型：主要做法是通过实验获得的电池数据，建立电池的多输入单输出的线性CAR模型，通过系统辨识的方法，得出蓄电池的动态模型
7、参数，利用此试验建模的研究结果，探讨实现对蓄电池SOC估计的修正方法。8.模糊推理和神经网络的方法：在蓄电池剩余电量的预测中，考虑到影响电池荷电状态的因素很多，系统模型难以建立的问题，用模糊逻辑推理和神经网络的方法来判断电池的荷电状态一直是研究的热点，但其考虑的问题很多，在工程上不易实现。 由此可见，虽然蓄电池的剩余电量的估计方法很多，但能够在工程上实现的不多，本文创新的提出了一种易于在工程上实现的方法。1.2 系统开发意义欲提高铅酸蓄电池的寿命特性，除需对生产技术要素进行改进外，电池的使用管理也是个很重要的环节。有效的电池管理系统会有利于电池的寿命提高。所以对蓄电池的剩余电量的正确估计成为电
8、池管理系统的中心问题。估计蓄电池的剩余电量就成为能量管理系统的一个关键难点。如果能够正确估计蓄电池的剩余电量，就能够在实现能量管理系统的其它功能时做到避免对蓄电池造成损害，合理利用蓄电池提供的电能，可以在同样的情况下使得电动车能够行驶更远的距离，延长电池组的使用寿命。2总体方案设计及功能描述本设计是以STC12C5404AD单片机为控制中心，主要通过检测蓄电池的工作电压，利用蓄电池的放电特性曲线，通过一种算法来实现蓄电池的剩余电量的检测。硬件电路比较简单，去检测蓄电池的工作电压又容易实现，由此易于在工程上实现，有较大的实际意义。图2.1智能电池管理系统框图功能描述：当电动车启动工作后，蓄电池的
9、工作电压采集电路开始采集信号，送给A/D采样编码，STC12C5404AD单片机对采集的电压进行处理。然后把当前的电压和剩余时间交替地的在数码管上显示。当蓄电池的当前电压过低显示容量快要用完了时，报警提示。3功能模块硬件简介与实现：3.1蓄电池的工作电压采集电路：3.1.1 电压采集电路图： 蓄电池是电动车的主要动力源。为保证电动车的正常和安全行驶，电池管理系统必须实时监测电动车电池的电压数据。通过电压采集电路和A/D转换实现电压数据的获取。 因为ADC转换器输入电压最大只能是5v，而电动车的蓄电池在充满电的情况下的端电压为52v左右，所以为了安全，电压采集电路设计成输入电压为4055v，输出
10、电压为05v，即当采集电路输入电压为40v时，输出为0v，当采集电路输入电压为55v时，输出电压为5v。电路图如下：U1BU1AUC1UI图3.1 电池电压采集电路3.1.2 总体参数设定：3.1.3 LM358双运放集成放大电路介绍：3.2键盘电路采用A/D转换做按键扫描，利用分压原理，不同的按键按下采样到不同的电压，当采样到相应的电压时判断相应的按键按下。对分压电阻阻值合理设定可以得到精确的按键电路，避免了按键的误判断。图3.2键盘电路3.3数码管显示电路 3.3.1 数码管显示总体电路图数码管显示电路图采用动态显示，利用1个74LS164接两个四位数码管的数据端，另1个74LS164经过
11、ULN2003达林顿管将驱动电流放大后接两个数码管的片选端，单片机再通过SPI的方式将数据发送给74LS164驱动数码管显示 。图3.3数码管显示电路 图3.3电路接成动态扫描形式，优点是能够节省大量的I/O端口，这虽然使编程比较复杂，但是此种设计消耗电流大约在20mA左右，能极大的降低功耗，节省能源，保护环境，又能提高系统稳定性。 3.3.2 ULN2003达林顿管简介3.4报警电路 报警信号能引人注意,提起警觉，使操作人员不至于忽视,及时采取措施,本设计利用单片机P2.1口控制三极管的导通和关断来控制蜂鸣器报警。图3.4报警电路4 工作原理及系统构成4.1 铅酸蓄电池的基本电特性4.1.1
12、蓄电池的电动势和开路电压电动势是电池在理论上输出能量大小的度量之一。如果其他条件相同，那么电动势越高的电池，理论上能输出的能量就越大，使用价值就越高。电池的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电位之差。4.1.2工作电压和终止电压又称为放电电压,指电池接通负荷时电池在放电过程中所显示的电压。因为放电时我们不允许电压低于某一最低的电压，此电压称终止电压.4.1.3蓄电池内阻电池内阻包括欧姆内阻和极化电阻两部分，二者之和为电池的全内阻。欧姆内阻主要是由电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻组成。它与电池的尺寸、结构、电极的成型方式、隔膜材质和装配的紧度有关。极化内阻指在正极和负极在进行
13、电化学反应时，由于极化引起的电阻。4.1.4电池的容量铅酸蓄电池的容量就是其蓄电能力，是蓄电池最重要的性能之一，通常用充足电的铅酸蓄电池在一定的放电条件下，放电至蓄电池的端电压达到规定的放电终止电压时，可以用蓄电池中获得的总电量来表示，其单位为安时(Ah)。4.2 电池的特性曲线 通常，铅酸电池在一定电流下进行充电和放电时，都是用曲线来表示电池的端电压、以及电解液的密度和温度随时间的变化。把这些曲线称为该电池的特性曲线，用来表示蓄电池的各种特性。铅酸蓄电池从1AH到5000AH，电压一般为2V，6V，12V。下面例举出几个例子：6v蓄电池c/3放电曲线如下（其中“C”为蓄电池理论容量AH）（图
14、为超威电池，型号为3DM180 6V180AH（GEL）放电曲线。厂家网站提供。）图4.1 6v超威电池放电曲线12v蓄电池c/2放电曲线如下（超威电池，型号6-DZM-25 12v放电曲线。厂家来人提供数据拟合。）：图4.2 12v超威电池放电曲线2v蓄电池不同放电电流时的曲线如下（蓄电池手册朱松然编第3章第64页。）：图4.3 不同放电电流放电曲线把2v和12v规格的蓄电池不同时间的放电曲线全部归一化到48v 电压c/5电池放电，则曲线如下：图4.4 归一化的放电曲线由图4.4可知，把2v和12v放电曲线规一化到48v时各有一条曲线，如图最下面的是2v蓄电池的曲线，最上面的是12v蓄电池的
15、曲线，中间的是通过2v和12v蓄电池的放电数据拟合出来的曲线。综上所述，蓄电池的剩余电量与其工作电压有一定的关系，不管蓄电池的容量与额定电压是多少，其总体放电趋势是一样的。由此可以通过采样蓄电池的工作电压来估计它的剩余电量。总的设计思路是这样的：研究了大量的蓄电池放电特性曲线，整理出来大量数据，拟合出48v电压，c/5放电速率特性曲线，即把所有的放电电流特性曲线归一化为c/5放电速率特性曲线。原曲线与归一化曲线的关系如下：tx是归一化曲线上两点算出的值，tx是经过的实际时间。ts是计算出来的剩余时间，而实际时间是ts除以比例系数n。5 系统软件设计5.1、整体设计思路介绍 总体思路：蓄电池的剩
16、余电量的检测包括当前工作电压与剩余时间的检测，系统资源主要用到了定时器，ADC。主程序进行SPI、ADC、定时器的初始化，判断ADC是否转换结束，并读取转换结果，并作数据分析及显示。定时器中断子程序，用于键盘的扫描、定时及定时启动ADC。定时器中断：进行50ms定时启动ADC采样蓄电池的工作电压，保存到一个数组里面，同时定时1s刷新电压显示，这时ADC也采样了20次，对这20个数据剔除5个最大值和5个最小值，把剩下的10个数加权平均下保存到另一个长度是180的数组里面，这意味着该数组可以保存3分钟数据。算法控制：因为蓄电池的工作电压是会波动的，当电动车突然加大油门或是减小油门时，蓄电池的工作电
17、压会陡然下降或是陡然回升。通过对当前电压与前一分钟对应时间的电压进行比较，若出现陡降或是陡升或是不变的情况则用前一分钟对应时间的值显示，否则用当前值显示。那蓄电池工作电压变化多大才认为是有突变呢，这个要根据蓄电池在实际使用中测定。在软件中可先在宏定义中随便设一个值，以后可以随具体情况修改。根据归一化出来的放电曲线，我们可以得出一个数组，软件通过查这个表得出当前放电时间，又实际放电时间已知，则可求归一化的比例系数，并求出剩余时间。5.2、主要部分流程图如下：5.2.1、主程序流程图5.2.2、定时器T0中断流程图 5.2.3数据显示流程图6.总结 通过本设计让我对蓄电池有了比较深入的了解，查阅了大量文献。本设计实现了对当前蓄电池的工作电压采样，剩余电量、剩余工作时间的估计。但算法还需要再完善。 本次设计让我明白了一个道理，最好的学习是实战，实实际际的去动手操作，为了用的学习才会最有动力。
