基于单片机的EV动力蓄电池组电量计量系统

引言

        随着汽车工业的迅速发展,解决汽车尾气排放所带来的大气污染问题的较好方案是发展无空气污染的交通工具，电动汽车随之应运而生。以蓄电池作为动力源的电动汽车，无论从技术上还是经济上都是最可行的。
        电动汽车用的动力蓄电池通常由多节单体电池串联或者并联构成，一般串联的单体电池数可达到十至几十个，单体电池电压一般是12V，总电压在100V以上， 总容量在100Ah以上。本文所阐述的蓄电池性能检测系统在结构设计上可以根据需要增加或减少被检测电池的数量，具有较高的灵活性，  
        由于铅酸蓄电池容量有限并具有腐蚀性，镍镉蓄电池中镉是有污染的重金属，而镍氢电池的容量、充放电特性都满足要求，并且环保，因此镍氢蓄电池是未来电动汽车用蓄电池的发展方向。本文的电动车蓄电池组管理及电量计量系统就是针对镍氢蓄电池而设计的。
  
  镍氢电池的充放电特性
        镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以及碱性电解液(比如30%的氢氧化钾溶液)组成，充、放电时的电化学反应式如下：
    电池正极：
    Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e
    电池负极：M+H2O+e→MH+OH-
    电池总反应：
    M+Ni(OH)2→NiOOH+MH
        在以上各方程中，(正方向)正向化学反应方向为蓄电池充电时的化学反应方向，(反方向)反向化学反应方向为蓄电池放电时的化学反应方向。M为储氢合金；MH为吸附了氢原子的储氢合金。
        在镍氢电池恒流充电的起始阶段，电池端电压迅速上升，而在电池电量接近充满时又稍微有些下降。镍氢电池充电内阻较小，因而具有较高的充电效率。充满电的镍 氢电池，其端电压在恒流放电起始阶段下降缓慢，只是在电池电量接近放尽的时候，电池端电压才开始大幅度地下降。在放电过程中，镍氢电池内阻几乎维持在一定 值附近，变化很小，只是在放电接近完毕时，电池内阻才急剧增大，且时间很短，说明镍氢电池具有较高的放电效率。
  
  系统概述
    系统简介
        本系统具有蓄电池巡回检测功能，可在蓄电池充、放电过程中在线检测蓄电池端电压、充放电电流和蓄电池温度，能根据检测到的电流计算剩余安时数，并按要求显示出来,另外，本系统还具有故障预测功能。其结构框图如图1所示。
    主要技术参数
        本系统拟达到的技术指标如下：
    (1)要求1s采集并处理一个数据。
  (2) 最多可检测45路12V的蓄电池单体电压，1路电流和2路温度等参数。电压测量精度1%，温度测量精度5%，电流测量精度1%。
  (3) 系统的工作环境温度为0℃~40℃。
  4) 系统显示采用串行口通信，单片机电路有数据掉电保护、电源检测等功能。
  
  系统的硬件结构
        本系统由三个大的模块构成：主电路模块、电压采集扩展模块和显示模块。
        主电路模块是系统的核心部分，其中包括由单片机小系统、A/D转换器、信号调理电路、逻辑控制电路、电源电压监视电路和EEPROM电路构成的信号处理和 存储电路，集成在主电路上的20路电压采集子电路、主电路模块以及主电路模块和另外两个模块的接口，具体框图如图2所示。
        电压采集扩展模块由25路电压采集子电路构成，集成有电池电压输入插座。电路板做成插板形式，需要扩展的时候即可以插到主电路上的插槽上。
        显示模块由7个数码管显示器、三个按键及两个报警电路构成。
        几种常用的电压数据采集电路方案的比较如表1所示。由于电池经过逆变器或者斩波器为电机供电，电磁干扰比较严重，因此应采用抗干扰能力强的数据采集电路。 利用光电耦合器件组成的电压数据采集电路方案费用低、体积小、精度满足系统要求并具有很强的抗干扰能力，因此，本系统采用了这种电压数据采集电路方案，原 理框图如图3所示。
         在电流检测电路中采用了LEM公司的霍尔电流传感器LT208-S7；温度采集电路中采用的是集成温度传感器LM35；采样保持和A/D转换电路由快速逐次比较的12位A/D转换器AD1674构成。
  
  系统的软件设计
        本系统采用模块化的程序设计方案，各模块子程序之间相对独立，整个系统软件结构清晰、便于扩展。这些子程序包括：系统初始化子程序、A/D转换子程序、滤波及运算子程序、LED显示子程序和外部中断子程序。主程序的流程图如图4所示。
        针对存在的干扰，可以采用软件方法实现数字滤波，以提高信号的可靠性，减少虚假信息的影响。
        针对电量计量的算法，目前国际上大致有两种方法：(1)将测量开路电压、负载电压、内阻、电量中的几种方法结合起来，再对温度、老化等因素进行补偿，如内 阻－安时法，Peukert-安时法；(2)采用更为复杂的模型，如TNO模型、Shepard模型和Martin模型的组合模型。这两类方法各有利弊： 前者方法简单，计算量少，对硬件要求相对较低，但精度差一些；后者精度高些，但方法复杂，计算量大，对硬件要求较高。
        本系统采用的算法是一种把开路电压法、安时法和Peukert方程有机地结合起来的算法。使用开路电压法，是考虑到开路电压与初始电量有一个明确的关系， 可以通过实测来确定；而安时法用来计算已用电量比较准确，而且适用于充电和放电两种情况。这种方法比复杂模型的运算量少得多，对于硬件特别是CPU的要求 不很高，便于实时完成。
         开机时，根据开路电压U0来确定初始电量CtI：，其中a，b是常量。每秒进行一次采样，获取电压、电流、温度，用积分法计算已用电量Cu：。初始电量CtI减去Cu就是剩余电量：Cr(t)=CtI-Cu(t)。
         此算法有一个前提条件，就是开机前电池须已经静置一段时间，测量结果才较准确。
   剩余电量受到诸多因素的影响，主要有放电电流对电池容量的影响，以及温度、循环使用次数对容量的影响，都需要定量地加以补偿或修正。
  
  提高系统可靠性的措施
        (1) 软件抗干扰措施。软件抗干扰是以牺牲少量的运行速度和程序空间来达到抗干扰目的的方法。本系统中采用了指令冗余、设置软件陷阱以及数据冗余技术等软件抗干扰措施。
        (2) 硬件抗干扰措施。输入通道采用了光电耦合器件使蓄电池电压的变化引起的干扰较小，同时在信号处理电路中构造了二阶低通有源滤波器，可以滤出一部分干扰波。单片机连有一片电源监视芯片WATCHDOG，在监视电源电压的同时，还可以防止程序跑飞或者进入死循环。
        (3) 数据指针的妥善处理。当前数据存放的地址(数据指针)是系统中非常重要的信息，指针丢失或错误将导致数据的丢失和误读。为了保证指针的正确，本设计中采用 多指针和严格校验策略：即存放多个指针，在每次存储指针时进行严格校验，而当多次写入出错时，封锁此处RAM；在每次应用之前，随机读出其中几个指针，采 取表决的办法决定正确值，若表决没有形成多数，则读取全部指针再次表决，若仍未成功，则给出显示，同时系统重新初始化。
    结语
      本文完整地分析和探讨了蓄电池组管理及电量计量系统的设计和实现。系统以ATMEL单片机为核心，充分开发和利用了单片机的I/O资源。系统的总体设计采 用积木式结构，便于测量路数的扩展。本系统能够较为准确地计算剩余电量，并为进一步的研究工作提供了一个实验平台，能够适应将来可能使用的各种计算方法。