李 宇，蔡丹丹，杜 曉

（鹽城師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，安徽 鹽城 224002）

鉛酸蓄電池因成本低、性價比高而被廣泛應(yīng)用在電動自行車、電動三輪車、電動汽車中。鉛酸蓄電池的使用壽命可達(dá)4 年，但實際使用中，由于缺乏正確、有效的維護(hù)，壽命大大縮短[1,2]。此外，一組電動車電池中某個單體電池性能的下降會導(dǎo)致整組電池更換。更多的舊蓄電池的廢棄和更多新蓄電池的生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重環(huán)境污染，同時導(dǎo)致使用成本升高。

本文設(shè)計了一種鉛酸蓄電池的智能維護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)︺U酸電池進(jìn)行智能維護(hù)，延長鉛酸電池的使用壽命，從而降低使用成本、減少環(huán)境污染。

1 硬件電路設(shè)計

圖1 鉛酸電池智能維護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鉛酸電池智能維護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由彩色LCD 觸摸屏、充電板、放電板、電流取樣與隔離放大電路、電壓取樣電路、中心控制板等部分組成。中心控制板是整個系統(tǒng)的控制核心，完成電流信號的A/D 轉(zhuǎn)換、電壓信號的A/D轉(zhuǎn)換、輸出PWM 信號控制放電電流的大小、輸出電壓信號控制充電電流的大小。輸出PWM 信號經(jīng)隔離后變換為模擬電壓控制充電板、放電板的電壓以適用不同電壓鉛酸電池的維護(hù)，與彩色LCD屏通信，實現(xiàn)人—機(jī)交互功能。

本文主要介紹控制部分的軟硬件設(shè)計。

1.1 主控制模塊

主控制模塊的主要功能是接收LCD 屏發(fā)來的指令并完成相應(yīng)的檢測功能，如采集電池充電板/放電板送來的電壓、電流信號，輸出控制信號控制充/放電電流、設(shè)定與被檢測電池相對應(yīng)的控制電壓，指示當(dāng)前工作狀態(tài)等。

主控制模塊電路如圖2 所示，其主要由數(shù)字信號控制器（DSC）dsPIC33EP16GS504 組成。dsPIC33EP16GS504 內(nèi)部有3 個12 位高速ADC 內(nèi)核[3]，其中2 個是專用內(nèi)核，1 個是共用內(nèi)核，兩個專用ADC 內(nèi)核分別用于電流、電壓的測量。

圖2 主控制模塊

充/放電電路的輸出電壓按3:20 采樣后，經(jīng)二級低通濾波后送入芯片專用ADC 內(nèi)核，充電電流經(jīng)采樣放大后送入另一個專用ADC 內(nèi)核。由于該芯片部分型號的ADC 模塊在輸入模擬電壓較小時（實驗中發(fā)現(xiàn)小于大約16 mV 時A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果總是0），轉(zhuǎn)換誤差較大，因此電流采樣及調(diào)理電路設(shè)計為：電流在0 A～80 A 時對應(yīng)的輸出電壓為0.5 V～2.5 V，這樣可以減小小電流時的測量誤差。

控制芯片內(nèi)部有一個12 位的DAC 模塊，DAC模塊輸出的電壓經(jīng)第34 腳輸出，用于控制充電板上的充電電流。

控制芯片內(nèi)部有3 個分辨率為1.04 ns 的高速、高分辨率PWM 模塊，設(shè)計中使用了其中2 個PWM 模塊：一個PWM 模塊輸出PWM 信號用于控制放電電流，另一個PWM 模塊輸出的PWM信號經(jīng)電路調(diào)理后間接實現(xiàn)DAC 功能，用于控制充電電壓。

1.2 PWM 實現(xiàn)DAC 電路

額定電壓不同的蓄電池，充電板上輸出的充電電壓不同。同一種蓄電池，在充電過程的不同階段，充電電壓也不同。充電電壓控制模塊即為實現(xiàn)這一功能而設(shè)計，如圖3 所示。

控制芯片輸出的PWM信號經(jīng)高速光耦6N137隔離后在TL431 的第3 腳得到幅度約為3 V 的脈沖，此脈沖信號經(jīng)兩級RC 低通濾波，再經(jīng)運算放大器OPA2171 放大后輸出，用于控制充電板輸出的充電電壓。改變PWM 占空比可改變OPA2171的輸出電壓，以匹配不同蓄電池的額定電壓，同時滿足充電過程中不同階段所需充電電壓。

圖3 PWM 實現(xiàn)DAC 電路

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括DSC 上的程序設(shè)計及液晶顯示部分的程序設(shè)計，下面分別介紹。

2.1 DSC 程序設(shè)計

DSC 上的軟件主要實現(xiàn)以下功能：

（1）電池容量檢測、電池修復(fù)、電池充電、電池深度放電等四種工作過程控制；

（2）與LCD 觸摸屏通信；

（3）輸出控制量給充電板/放電板；

（4）電流/電壓采集。

完整程序比較復(fù)雜，這里僅給出主要程序流程圖，見圖4。

DSC 上電或復(fù)位后，系統(tǒng)對DSC 內(nèi)部的ADC模塊、DAC 模塊、時鐘系統(tǒng)、PWM 模塊、定時器模塊、I/O 端口、中斷系統(tǒng)等進(jìn)行初始化，為系統(tǒng)運行做準(zhǔn)備，然后讀取EEPROM 芯片AT24C02中的特殊地址中的數(shù)據(jù)，以判斷前次電池容量檢測是否正常完成。如果前次執(zhí)行電池容量檢測過程中突遇停電，則讀取數(shù)據(jù)接續(xù)上次工作，繼續(xù)完成電池容量檢測，否則，等待來自LCD 屏的指令，執(zhí)行相應(yīng)的功能。

2.2 串口顯示模塊程序設(shè)計

顯示部分采用深圳淘晶馳電子有限公司的5.0寸串口觸摸屏顯示模塊，利用該公司提供的配套軟件很容易完成顯示部分的設(shè)計。

顯示模塊上的程序主要完成以下功能：

（1）接收來自DSC 的數(shù)據(jù)；

（2）根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)或更新已有頁面；

（3）接收用戶觸摸指令，從而設(shè)置工作參數(shù)；

（4）將指令、參數(shù)發(fā)送給DSC。

圖4 DSC 上的主要程序流程圖

3 電池容量測試

蓄電池智能維護(hù)系統(tǒng)具有電池容量檢測、電池修復(fù)、充電、深度放電等功能，其中電池容量檢測對放電電流的測量精度和控制精度以及電池電壓測量精度要求高。進(jìn)行電池容量檢測實驗測試對象為額定電壓12 V 標(biāo)注容量為200 Ah 的鉛酸電池。電流、電壓數(shù)據(jù)分別如表1、表2 所示。

表1 中的設(shè)定值是利用觸摸屏模塊設(shè)定的放電電流值，實測值是利用Fluke-15B 萬用表在1 m?電流取樣電阻上測得的電壓，然后計算得到。

表1 容量檢測過程中放電電流實驗測試數(shù)據(jù)

表2 容量檢測過程中電池電壓實驗測試數(shù)據(jù)

實際測試中對某一設(shè)定的放電電流，實際的放電電流在設(shè)定的電流值附近不斷變化（程序?qū)崿F(xiàn)的電流PID 控制所致），因此實測會出現(xiàn)最大值和最小值。

表2 中電池電壓測量值是本系統(tǒng)對電池電壓的測量的結(jié)果，電池電壓實際值是利用Fluke-15B萬用表測量得到。

由表1 和表2 可知，電池容量檢測精度滿足實際要求。

4 結(jié)束語

本文利用dsPIC33EP16GS504 和串口液晶顯示模塊設(shè)計了一種鉛酸電池智能維護(hù)系統(tǒng)的控制電路。電池容量檢測結(jié)果表明，所設(shè)計的電路滿足實際需求。