一种基于单片机的剩余容量在线检测新方法

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(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213000)

0 引 言

目前，随着电动车行业的发展，人们不仅享受到拥有电动车对于出行的便捷性，也常常被电动车蓄电池的充电速度、续航能力、使用寿命等问题所困扰。尤其是人们常常需要了解电池的剩余容量的实时状况以更方便的出行，就好比我们想要知道汽车油箱里的油还有多少一样。而且，对蓄电池剩余容量有较准确的认识对于防止蓄电池的过充、过放有着至关重要的意义[1-4]。因而，蓄电池剩余容量的检测在当下成为了一个比较热门的话题。传统测电池剩余容量的方法有：密度法、开路电压法、内阻法和电量积累法[5-8]。对于密封式蓄电池，密度法不适用。开路电压法无法实现在线检测。对于内阻法，由于电池内阻与电池及其微小，其与剩余电量之间关系比较复杂，通用性也比较差。对于电量积累法，因为不能抑制使用中的积累误差带来的估算偏差，因此测量不够准确，常常需要比较困难的校准[9-11]。考虑到这些传统方法在应用中存在的以上问题，采用本文介绍一种利用回跳电压估算剩余容量的新方法，该方法能够更加便捷可靠地在线检测蓄电池的剩余容量。

1 系统结构和功能

系统结构框图如图1所示。主要包括电压、电流和温度检测部分、单片机系统、输出显示及报警部分。主要工作过程由单片机检测蓄电池的工作电流，当蓄电池短暂脱离负载时，电流为零，此时电池的电压会有一个跳变，称之为回跳电压，单片机这时采集这个回跳电压信号和温度信号并按一定的算法求出剩余容量送显，在不足10%容量时启动报警。

图1 系统结构框图

2 主要硬件电路设计

硬件电路的设计部分主要包括电压、电流以及温度等数据采集部分，由于输送至单片机的信号应为数字信号，故需要将采集到的模拟信号转换为数字信号，又考虑到实际所测的模拟量值必须在模数转换器的量程范围之内，故数据采集模块的设计是个重要内容。

2.1 电压采集模块

电压采集由运放及电阻完成，由于蓄电池的回跳电压范围为10.5～13 V之间，而A/D芯片的输入范围为0～5 V，由运放实现回跳电压(如图2中vi)和参考电压vref1的比较输出适合A/D的电压水平，参考电压Vref1可用AD584产生10 V的基准电压，则输出端的电压范围为0.5～3 V提供给A/D的通道。电压采集模块如图2所示。

图2 电压采集模块

2.2 电流采集模块

电流采集由运放及电阻完成，输入的电流经电阻R1、R2，取R2上电压，将电流采集转换成电压采集并通过电压跟随器取出电压，为达到A/D转换器所能输入的量程，再将所得电压输入到反馈放大电路中，放大倍数为1+，据此来选择适当阻值的电阻。电流采集模块如图3所示。

图3 电流采集模块

2.3 模数转换模块

芯片ADC0809为一个8路8位逐次逼近型的模数转换芯片，其工作电压为0～5 V，同时带有SPI并行总线接口。单片机的定时器产生2 MHz的外部时钟信号给A/D芯片的CLK脚，完成模/数转换后数据读入单片机。A/D的参考电压采用5 V基准电压。

2.4 温度检测模块

外界环境的温度对铅酸蓄电池剩余容量有影响。经研究发现，回跳电压与电池的剩余容量呈现一定的正比关系，即回跳电压的值越大，剩余容量越大；温度越高，回跳电压所表示的剩余容量越小。根据检测到的温度来确定不同算法的修正方式，使计算得到的电池剩余容量值更加准确合理。

本设计的温度检测装置采用了数字温度传感器DS18B20，DS18B20拥有独特的单线接线方式，在与单片机连接时仅需要一条线即可实现双向通讯。测温范围-55～+125 ℃，固有测温误差1 ℃。能够较准确、迅速地检测出环境温度并输送至单片机。

2.5 显示及报警

剩余容量值经修正后送至LED显示，显示模块由三合一共阴LED数码管、译码器、反相器和限流电阻组成。报警系统由蜂鸣器、三极管、电阻组成，若剩余容量低于10%，则启动报警。

3 系统软件设计

软件设计采用模块化编程，主流程图如图4所示。

图4 系统主流程图

主要包括主程序、系统初始化程序、数据采集程序、电流判定程序、计算修正程序以及显示报警程序。主程序模块是中心模块，控制其他各个模块使其高效可靠运行，使系统工作更加顺利。

数据采集程序循环运行，实时采集电压、电流、温度数据以及控制A/D转换，通过控制A/D转换通道，对接收的数据进行分析处理，同时，由于在测量过程中存在一些干扰，在软件方面还要采用复合数字滤波以减小干扰信号造成的误差。这样就使各数据

能够迅速准确反映至单片机内部，再经过一系列处理计算得到电池的剩余容量，最后将所得结果送显或报警。

在实际应用中，存在蓄电池持续供电不间断的情况，此时，需要采用单片机系统的定时功能。在数据采集阶段，如果在规定的时间内电流一直不为零，就通过定时功能短暂切断供电回路以采集数据。

4 结束语

文中介绍了一种以单片机为核心，兼顾温度对测量的影响，通过对铅酸蓄电池离线回跳电压的检测来进行在线估算蓄电池剩余容量的新方法，实现了检测的智能化。本文所介绍的设计结构简单、成本低、可靠性高,满足蓄电池在线检测剩余容量的要求，有较优越的应用价值。

特别致谢“大学生实践创新创业训练计划”(项目国家级编号：201311055003)和常州工学院“大学生实践创新训练项目”(项目编号：J120712)对项目的支持！

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