基于单片机系统的电动自行车专用电池容量测试仪的设计

邢卫东

(郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450000)

某品牌电动车使用的蓄电池在顾客使用数月后(一般在半年以内，未过三保期)，发现有个别电池组出现早衰现象，这时厂家需为顾客更换整组电池，维修成本较大.经对更换下来的电池组检测分析发现，电池组中的3块电池并非全部失效，几乎都是只有一块电池失效造成整组电池无法继续使用，其余两块电池几乎处于全新状态.为了节约维修成本，完全可以将电池组中损坏的电池更换掉，配一块相同容量的电池供用户继续使用.测量电池容量最初的方法是采用将电池接上大功率电阻放电并计时的方法，即每隔5 min记录放电电流，并监视电压，当电压下降至10.5 V时中止放电，然后根据记录估算出电池容量.这种方法的缺点是精度差、效率低、工作量大.

基于此，笔者设计了一种容量测试仪，一次可同时测试6块电池.该机采用预设固定电流值和固定保护电压值，单片机根据单只电池的终止电压来控制电池放电，当一组电池恒流放电完后，即可根据屏幕显示的放电时间对电池进行筛选、配组.该机最大的特点是可在无人员监视的情况下实现全自动测试，确保每只电池不被过放电，同时还具有反接、过压保护等多项保护功能，确保被测电池和设备的安全.

1 工作原理

该机主要包括3大部分：电源部分、单片机计时显示及控制部分和由6组完全相同的恒流型电子负载，见图1.设计参数依据《中华人民共和国国家标准GB/T 221990-2008》中6.6节“2 hr容量实验”的规定[1].当按下启动按钮，单片机启动恒流电子负载，开始对电池以5 A恒流放电，并开始计时，当电池电压低于保护电压10.5 V时停止放电，同时计时停止并将放电时间显示在液晶显示屏上.依据放电时间，换算出电池容量.

图1 原理框图Fig.1 Block diagram

1.1 电源部分

电源部分为整个系统提供所需的稳定的低压直流电压，主要由78系列三端集成稳压器提供+5 V、+12 V、+24 V电压以及一个用可调精密稳压器TL431实现的精密电压基准Vref.这里重点介绍电压基准Vref的取值.GB/T 221990-2008中规定电池放电中止电压为10.5 V，Vref用于和电池电压相比较，当其中一组电池在放电过程中，电压低于Vref时，比较器输出停止信号，此信号输送给单片机以中止相应的电池放电.正常情况下，比较器输入的电池电压应取自电池的电极上，所以应在电池电极上引出两根连线，一根用于5 A恒流通路，另一根用于电池电压取样.但考虑到本机放电电流为固定值，经过预先对导线上的压降进行补偿处理后，仅用一根导线即可.经实测，导线上的压降为0.25 V，输入比较器的电池电压(即取样电压)应为10.5 V-0.25 V=10.25 V，所以Vref取10.25 V.

1.2 单片机计时显示及控制部分

单片机选用AT89C51，它是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4 K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器，其输出引脚和指令系统都于MCS-51兼容[2].显示器采用字符型16位×1行的液晶显示模块.字符型液晶显示模块在世界上是比较通用的，而且接口格式也比较统一，它的操作指令及其模块接口信号定义都是兼容的[3].在本测试仪中，采用总线结构连接，不仅电路连接简单，而且程序也简单.

整个系统采用总线结构设计，如图2所示.74LS244[4]用于将采集到的电池电压的状态信号(高于10.5 V为高电平，低于10.5 V为低电平)输送至单片机，由单片机通过74LS377[5]输出控制信号，控制恒流型电子负载的放电及停止，并由液晶显示模块显示电池放电时间.

图2 单片机计时显示及控制部分详细图Fig.2 Single chip timing chat dispaly and control section details

1.3 恒流型电子负载

本机共有6个完全相同的恒流型电子负载，如图3所示.WL431是一个可调式电压基准，其组成的恒流典型电路参见WL431.pdf电子文档说明[6].

由U2，T1，T8，T9和U1B组成的恒流放电电路对电池恒流放电.放电产生的能量，大部分由T1、T8、T9以热能的方式通过散热器释放.其稳流过程如下：电池电压↓→流过检流电阻RS1的电流↓→C点电压↓→经U1B放大后的C点电压(B点电压)↓→流入U2的电流Ik↓→A点电压↑→流入T2基极的电流↑→流过检流电阻RS1的电流↑，直到B点电压稳定在2.495 V.电位器W1用于调整恒流电流的大小.

散热器的选择： 本机每一组的放电最高限制电压为15 V，因此每一组功率管将产生15 V×5 A=75 W的热能.按照每瓦热能需10～20 cm2散热片计算[7]，则散热器的散热面积不应低于750 cm2.

图3 恒流电子负载Fig.3 Constant electronic load

2 程序流程

本机程序流程如图4所示.主程序在开机或复位后，首先对液晶显示模块LCM初始化，对定时器T0置初值，所有使用的变量清零，开放中断，然后等待启动按钮按下.

启动按钮按下后，单片机通过74LS377将控制信息加至六组恒流型电子负载，开始以5 A恒流放电，同时计时器开始工作.然后，单片机通过74LS244读入采集到的电池电压状态信号.单片机通过以74LS244读入的信号为基础，从第一组开始，以第一、二、三、四、五、六、一的顺序循环对各组电池进行判断.例如：当第二组放电电压降至10.5 V以下时，74LS244读入的一个字节数据中，第二位D1数据为0(低电平)，单片机据此判断第二组电池放电完毕.然后，通过74LS377将停止信号加至第二组恒电子负载，停止第二组电池放电.当六组电池全部放电完毕，程序转入发出连续的蜂鸣音，提示操作人员.

图4 程序流程 Fig.4 Program flow

3 结束语

经实际应用，本电动自行车专用电池容量测试仪取得了很好的效果.本机不仅可以用于售后服务中的容量测试，也可以用于对新购进的电池进行容量鉴定.本文讲述的是一个基本的电路，在此基础上可以很方便地加入一些其他功能，如增加实时电压显示，将实时采集的电压数据传递到计算机中绘出放电曲线等，本机将会更加完善.

参考文献:

[1] GB/T 22199-2008.电动助力车用密封铅酸蓄电池[S].

[2] 余永权. ATMEL89系列FLASH单片机原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社，1997:21-26.

[3] 李维提, 郭强.液晶显示应用技术[M].北京：电子工业出版社，2000:51-60.

[4] 李华. MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993:28-29.

[5] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999:55-58.

[6] 《中国集成电路大全》编写委员会.中国集成电路大全TTL集成电路[M].北京：国防工业出版社，1985:16-25.

[7] 何小艇.电子系统设计[M].杭州：浙江大学出版社，2001：72-78.