智能型的铅酸蓄电池管理系统
引 言
铅酸蓄电池行业与电力、交通、信息等产业发展息息相关，在汽车、叉车等运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地位，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的。我国蓄电池行业规模相当庞大，应用也非常广泛，鉴于铅酸蓄电池的使用不当带来的问题(如硫化、容量减小、使用寿命缩短等)，实现蓄电池的智能化管理显得非常必要，而国内目前应用于该领域的嵌入式系统产品很少。本设计利用8位微控制器MB95F136来实现对铅酸蓄电池的智能管理，包括电池的充放电监测控制、电池容量检测及显示与报警等，从而有效地实现对铅酸蓄电池系统的智能化管理，提高了蓄电池的使用寿命，降低了维护成本。
1 系统概述
本设计充分利用MB95F136的特点实现对蓄电池电压、电流及温度的实时在线监测。智能控制系统的充放电过程，可以显示蓄电池的电量，对不正确的、或对电池寿命有较大损害的使用状况予以控制和报警提示，可以在电池需要充电时提醒用户及时充电或者切换备用电源，防止过充过放等。为实现对铅酸蓄电池的智能化管理，系统通过实时对蓄电池的动态参数进行自动修正来获得准确的计算依据，从而计算出准确的电量和蓄电池的状态信息，并取得蓄电池的充电参数。
本文设计的蓄电池管理系统主要有以下几个功能：
①实时监测蓄电池的温度，通过温度及其他参数来计算蓄电池的充放电参数，避免因使用不当或蓄电池温度过高等因素缩短蓄电池的寿命。
②实时监测蓄电池的端电压和电流，若发现电池容量小于警戒阈值，即提醒充电或自动切换备用电池。
③能通过对参数的分析计算出蓄电池的剩余容量，并通过数码管实时显示出来。
④系统能够自动修正蓄电池的内部参数来适应因使用给蓄电池带来的一些变化，还能通过控制充放电电路获得更好的充电效果。
本系统结构如图1所示。
2 系统硬件设计
2．1 系统控制核心
本系统在设计上采用F2MC一8FX系列单片机MB95F136作为系统的控制核心。MB95F136在系统中不仅要实时监测蓄电池的电流、电压、温度等参数以及系统运行状态，还必须根据所采集到的数据进行处理，并对充电控制模块输出控制信号以实现对蓄电池系统的智能管理；同时，还负责实现按键控制和系统状态输出显示。Fujitsu公司的MB95F136采用的是O．35μm低漏电工艺技术，掩膜产品可以在1．8 V和1μA的低耗电工作模式(时钟模式)下运行，流水线总线架构可提供双倍执行速度，最小指令周期为62．5 ns。它在具备快速处理和低耗电特性的同时，配有丰富的定时器；集成1个8通道的8／10位可选A／D转换器，可以方便地应用于系统中对电压、电流的采集。双操作闪存也是F2MC一8FX系列8位微控制器的特点之一，当一个程序在一个存储区中运行时，可以在另一个存储区中完成重写，从而减少外部存储器零件的数量来缩小电路板的表面积。另外，LVD(低电压检测)以及CSV(时钟监视器)功能可以提高系统的稳定性和可靠性。
2．2 电源电路设计
本系统中，为了增强系统应用的灵活性，系统电源取自于被管理的蓄电池。为此，必须采用DC-DC模块进行隔离。由于选用的DC—DC模块要求输入电压≥24 V，因此系统管理的蓄电池必须是2节以上标称为12 V的电池组，否则就需要另外设计电源电路；为了增强系统的可靠性，系统可以设置一个3 V的电池盒用于备用电池，一旦取自蓄电池的电源出现故障，系统仍能照常运行。系统电源电路原理图如图2所示。
2．3 电流电压采集电路
监测的对象主要是电池组的电压和电流。电压由分压精密电阻取得，经过相应的放大后送至单片机的A／D口。蓄电池的充放电流经过O．01Ω采样电阻采样、放大，然后送至单片机的A／D端口POl。对蓄电池进行检测的关键在于对电压采样的精确程度，因而采样电路设计得是否适当对整个系统至关重要。由于MB95F136内嵌的A／D转换器可以工作于5 V基准电压下，故采用图3所示的电流电压采集电路。该电路的最大好处是，不但可以保证采样值能随蓄电池端电压的变化相应地实时变化，而且能够使数据更加准确、可靠。该电路为典型的线性电路，根据运算放大器的特性，可计算出经过采样电路后的输出电压为O．01 Q×I×23。
2．4 参数存储模块
在系统投入工作前要进行参数(如产品序列、零点调整、蓄电池标准电压等)的设置，系统将这些参数写入EE—PROM中。为了减少读／写EEPROM的次数，在系统开机时将数据从EEPROM中读出，保存在单片机的RAM中。EEPROM的主要功能是参数数据的保存与定量备份，主要用来存储一些系统运行参数，如计算蓄电池电量的参考数据、修正系数等。
本系统采用的是具有2 Kb容量的EEPROMAT24C02。该芯片是采用I2C总线协议的串行。EEP—ROM，可在无电源状态下长期、可靠地存储系统内重要数据，工作寿命可达100万次。I2C总线极大地方便了系统的设计，无须设计总线接口，且有助于缩小系统的PCB面积和降低复杂度。
2．5 温度采集模块设计
本设计采用美国Dallas公司生产的DSl8820单总线数字式智能型温度传感器，直接将温度物理量转化为数字信号，并以总线方式传送到控制器进行数据处理。DS18B20对于实测的温度提供了9～12位的数据和报警温度寄存器，测温范围为一55～+125℃，其中在一10～+85℃的范围内测量精度为±0．5℃。此传感器可适用于各种领域、各种环境的自动化测量及控制系统，具有微型化、功耗低、性能高、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。此外，每一个DSl8820有唯一的系列号，因此多个DSl8820可以存在于同一条单线总线上，给应用带来了极大的方便。
测温电路设计如图4所示。系统采用热传导的粘合剂将器件粘附在蓄电池表面上，管芯温度与表面温度之差大约在O．2℃之内。当环境空气温度与被测量的蓄电池温度不同时，应将器件的背面和引线与空气隔离。接地引脚是通向管芯的最主要的热量路径，必须保证接地引脚也与被测温的蓄电池有良好的热接触。
2．6 可控充放电模块
该模块是实际设计中的硬件难点。它与外电网相连，对车载电池进行充电；能根据控制电路发出的指令或标志位，实现对蓄电池分阶段以不同电流充电；且有自动断电的功能，可实现智能充电。本系统主要是针对电动车蓄电池组进行管理，用于给蓄电池组充电的电流都比较大。为此，选择了基于IGBT的智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)进行大电流充放电管理。IPM是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT和驱动电路及保护电路构成；内有过电压、过电流、短路和过热等故障检测电路，具有自动保护功能。蓄电池充放电主回路如图5所示。
图5中，Q1和Q2集成在一个IPM中。Q2打开时给蓄电池组充电，Q1打开时蓄电池组通过R1放电；蓄电池组给负载供电时，Q1、Q2均闭合。为改善功率开关器件的工作状态，主电路中采用了软开关技术。在采用大电流充电的情况下，由于长时间对蓄电池组进行充电，电荷堆积于电池电极上而产生反向电压，实际上表现为电池内阻的增加，不但蓄电池中的有效化学物质不能完全参加化学反应，降低了蓄电池组容量的利用率，而且还会引起蓄电池组的严重发热，从而影响充电速度与质量，继而影响蓄电池组的性能和寿命。消除它的有效方法是采用负脉冲方法：在电池两端瞬间放电去除电极上堆积的电荷，从而改变蓄电池固有的指数曲线形式的充电接受特性，提高电池的受电能力。为此，采用了“充-停-放-充-停-放”循环充电的充电策略。其脉冲充电特性如图6所示，时间参数由蓄电池的参数决定。
2．7 电量及状态输出指示和报警模块
为降低系统复杂度及成本，本设计采用3个8段数码管来显示系统状态。可以进行简单的参数设定，实时显示状态、温度等数据以实现较好的人机交互。本设计采用在软件上对输入进行消抖处理的方案，并对按键状态进行连续的判断处理，直到按键松开为止，然后才执行相应的处理程序。数据显示采用3位7段数码管动态显示方式，使用74HC595锁存动态显示数据。本设计巧妙地将按键输入与动态显示数位选择端口共用，从而减少了单片机端口的应用，达到了系统优化及降低产品成本的目的。报警采用的是蜂鸣器。
3 系统软件设计
本系统软件设计流程如图7所示。系统启动后，立即执行系统初始化程序，从EEPROM中读取上次运行得到的参数。然后开始读取温度传感器中的数据以获取当前系统温度，再调用A／D采样子程序以获取10位精度的电压电流信号数据。经过处理可以得到最终的蓄电池运行状态，根据不同的状态进行各自的处理程序，并将状态数据输出到数码管显示。系统在运行时将根据已有的数据和监测到的数据，自动对参数进行修正，以准确地反映蓄电池的内部参数，实现系统管理的智能化。
结 语
本系统采用MB95F136作为控制器，充分利用了其外围接口多、功能强、集成高精度A／D转换器、操作方便、实际成本低，以及便于系统模块化和小型化的优点。系统可以实时、准确地监测蓄电池的状态和显示蓄电池的电量，在电量不足时能够自动切换电源系统以实行自我保护。参数数据的更新依据是经过多次实验、对实测参数进行比较和运算的结果，通过实验，剩余电量计算值较未更新参数时更接近实际值。实践证明，该智能型铅酸蓄电池管理系统智能化程度高、测量准确，能及时发现并控制对蓄电池的不当使用，提供自我保护，并能够准确地判断系统的运行状态，不仅大大提高了被供电系统的稳定性，而且有助于提高蓄电池的使用寿命和效率。