東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 許繼偉 邵 騰 呂詩璐

新能源汽車在國家政策下的得到巨大的發(fā)展。廣大的購車人士在購買新能源汽車的時(shí)候往往會(huì)關(guān)注汽車能源方面的問題。由于鋰電池具有高比能，循環(huán)次數(shù)多，自然放電率低等優(yōu)點(diǎn)成為大部分新能源汽車的主要選擇。根據(jù)最新的調(diào)研數(shù)據(jù)：表明國的新能源汽車銷量有明顯地提升，速度增長呈現(xiàn)為上升趨勢(shì)，在所有銷售的新能源汽車三元鋰電池一度高達(dá)70%，在對(duì)用戶地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，購車人士在買車時(shí)對(duì)于電池技術(shù)過硬、電池安全性及續(xù)駛里程長的比例分別達(dá)到44.6%、42.2%、42.2%。由此可知，人們對(duì)電池技術(shù)和安全性的重視。鋰電池具有良好的性能指標(biāo)，單節(jié)的鋰電池能達(dá)到3.7V～4.2V，隨著電池方面的儲(chǔ)能技術(shù)的提升和生產(chǎn)工藝改進(jìn)。涉及鋰電池的充放電的專用芯片在用電設(shè)備上是十分常見，但是這些芯片往往需要配上額外的電路才能使用，也只能提供了一些充放電管理和簡單的保護(hù)。這些只能滿足于些小型設(shè)備，像新能源汽車這些對(duì)充電和放電兩個(gè)環(huán)節(jié)尤其重要并要求精度高的大型設(shè)備無法滿足。

在市場的芯片分為單獨(dú)使用的和帶微機(jī)控制接口的。一種只能簡單實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電的保護(hù)，另一種能實(shí)現(xiàn)與處理設(shè)備一同工作，也能參與更加復(fù)雜的工作，便于更好的檢測。由于這些芯片是集成化的，功能發(fā)面往往具有單一化，導(dǎo)致靈活性差，嚴(yán)重的限制芯片在電池檢測方面的使用。

1 方案設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)、PLC技術(shù)和電力電子技術(shù)融合。能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)對(duì)鋰電池智能檢測系統(tǒng)（如圖1）。電力電子器件有良好的性能，它們可以有效地降低鋰電池在充電時(shí)的功率損耗。單片機(jī)將采集A/D數(shù)據(jù)（充放電時(shí)的電池電壓和電流值）并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，便于精確知道電源中的參數(shù)情況，也會(huì)采集溫度等信號(hào)并進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也將采集的數(shù)據(jù)上傳到微控制器進(jìn)行處理。依據(jù)單片測定這些參數(shù)對(duì)電池的充電狀態(tài)，剩余電量的計(jì)算，同時(shí)也能利用PLC技術(shù)對(duì)電池的充放電狀態(tài)進(jìn)行檢測和控制，對(duì)充放電的電壓電流和溫度異常分析和處理。在電力電子，PLC，單片機(jī)的組合下，提高了對(duì)電源監(jiān)控的分析和處理性能，避免發(fā)生電池故障，提高電池的安全系數(shù)。

圖1 單片機(jī)對(duì)電池的檢測模型

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 對(duì)電池的充電的測定（如圖2）

圖2 鋰電池的充電過程

對(duì)電池充電曲線的測定，方便我們?cè)诒O(jiān)測鋰電池充電電壓電流進(jìn)行比較，也會(huì)對(duì)參數(shù)發(fā)生變化的趨勢(shì)提供參考。

2.2 溫度監(jiān)測模塊

溫度監(jiān)測模塊使用的是ML X90614作為紅外探頭，連接到單片機(jī)上，收集溫度數(shù)據(jù)。MLX90614一款無接觸式的紅外線溫度感應(yīng)芯片，避免與電池接觸，對(duì)監(jiān)測電池發(fā)生局部發(fā)熱的彌補(bǔ)。監(jiān)測的范圍為-20°C～120°C，精度為0.14。精度很高，對(duì)溫度的變化很敏感。對(duì)電池的安全性有巨大的保證。

2.3 充電保護(hù)和電路監(jiān)測

對(duì)于充電保護(hù)采用的是芯片TP4056。TP4056是對(duì)于單個(gè)電池的充電保護(hù)，集成程度較高，也有對(duì)電池充電的溫度也有一定控制，在充電時(shí)的電流也會(huì)根據(jù)電池容量進(jìn)行一定的改變，保證電池較高的效率。pcf8591是將電路中的充放電是電流電壓的進(jìn)行采集，在一定的條件下，計(jì)算電池中的剩余電量。

2.4 串口通信和上位機(jī)的控制

將單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單地處理。保存在單片機(jī)內(nèi)，利用單片機(jī)的串口通信的功能，將儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。上位機(jī)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析，將接受的剩余電量的數(shù)據(jù)和電路中的參數(shù)，計(jì)算出還需要多少時(shí)間。上位機(jī)也會(huì)顯示數(shù)據(jù)并用波形顯示充電曲線，根據(jù)上面的曲線進(jìn)行比較，突出充電的出現(xiàn)的警報(bào)狀態(tài)，持續(xù)報(bào)警時(shí)間過長或當(dāng)某個(gè)重要的參數(shù)達(dá)到警戒值后斷開充電。也會(huì)對(duì)電池的溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度到一定的時(shí)可以啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行降溫。在降溫后如果還是持續(xù)升溫，會(huì)利用電力電子器件將斷電處理。在上位機(jī)顯示各種數(shù)據(jù)，可以向操作人員提供參考。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

編寫代碼，將電壓、電流和溫度等一些參數(shù)由模擬信號(hào)，采集編碼成數(shù)字信號(hào)和利用參數(shù)計(jì)算一些例如剩余電量，也會(huì)連接風(fēng)扇和電力電子器件。利用串口將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。我們用visual studio編寫上位機(jī)。將單片機(jī)上傳地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集編碼，主要的問題是將單片機(jī)上傳數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變成有用的數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)上傳地時(shí)候，設(shè)置標(biāo)識(shí)符來保證單片機(jī)上傳地?cái)?shù)據(jù)有用。提高數(shù)據(jù)有效性，將這些采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，繪出電流的波形和預(yù)計(jì)充電時(shí)間。在計(jì)算預(yù)計(jì)時(shí)間時(shí)要根據(jù)電池充電的波形進(jìn)行比較。這樣可以有效的減少充電過程電壓電流變化影響的時(shí)間誤差。在放電低于預(yù)定放電的值時(shí)，上位機(jī)會(huì)發(fā)送停止充電的信號(hào)，然后利用電力電子器件來實(shí)現(xiàn)對(duì)斷電指令。

結(jié)論：本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)于單節(jié)電池各項(xiàng)性能指標(biāo)監(jiān)測。電池在充放電的過程中進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，分析并操控單片機(jī)對(duì)電池管理。但是產(chǎn)品也有些不足的地方，在本次實(shí)驗(yàn)上我只是做了單節(jié)，而沒有進(jìn)行電池組的實(shí)驗(yàn)。尤其是在電池?fù)p壞后，進(jìn)行電流分配的問題。我們的實(shí)驗(yàn)成品可以進(jìn)行一定變化，去適應(yīng)各種情況。最近些年有許多火災(zāi)是電瓶充電發(fā)生的故障。造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。我們的產(chǎn)品可以避免這種情況的發(fā)生，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，適用于大多數(shù)大中小需求鋰電池，也可以拓展技術(shù)要求高的設(shè)備等。為了滿足更多的需求，本設(shè)計(jì)還需要?jiǎng)?chuàng)新更多實(shí)用功能。