一种小型铝空气电池管理系统的设计

张占军，赖忠喜

（台州职业技术学院机电研究所，浙江台州318000）

铝空气电池是以铝合金为负极、空气电极为正极、中性水溶液或碱性水溶液为电解质构成的一种新型高能量化学电源。由于其具有能量密度大、质量轻、材料来源丰富、无污染、可靠性高、寿命长、使用安全等优点[1-4]，因此在应急电源，后备电源，军事便携电源，电动汽车电源和水下电源等各行各业都有广泛应用[5-7]。

在铝-空气电池的工作过程中，铝空气电池反应生成的氢氧化铝会降低电解液的电导率和堵塞电解液通道，同时金属空气电池阳极发生的副反应会析出氢气，消耗铝，但是不产生电能，所产生的能量是以热的形式产生，其结果降低了铝空气电池能量的输出效率并且也影响电池输出功率的稳定性，为此文献[8]设计了一种铝空气电池系统，该系统可以实现电解液的循环，能有效的分离沉淀，控制氢气含量和电池的内部温度，提高电池的稳定性和可靠性。但是该技术方案的不足之处在于它不能对铝空气电池的输出电压、电流、剩余电量（SOC值）、电解液的温度和氢气浓度进行实时显示和监控，并且它也不具有过载、过流、欠压和过温等智能保护功能。为此文中设计了一种以STC12C5A60S2为核心的铝空气电池管理系统，该系统能对铝空气电池的运行状态进行全方位动态监控，并且具有完善的保护功能，从而达到延长其使用寿命，降低运行成本，提高铝空气电池的可靠性和使用效率的目的。

1 总体设计

1.1 铝空气电池的总体结构

该铝空气电池的额定功率为300 W，额定电压为12 V，额定电流为25 A，电池的额定容量为350 Ah。铝空气电池的整体结构如图1所示，其主要包括锂电池、铝空气电池管理系统、电解液箱、电池堆、通风系统、电解液上液系统，电解液回液系统、排氢系统、测温系统、过滤系统和散热系统。其中锂电池在铝空气电池启动时为铝空气电池管理系统和其它用电设备提供操作电源，当铝空气电池成功运行后，整个系统都由铝空气电池进行供电。铝空气电池堆是由10片单体电池串联而构成。电池运行过程如下:首先电解液全部存储于电解液箱中，然后由电信号控制关闭回流直通阀，打开电解液上液系统中的水泵，经电池堆中的电解液缓冲器均匀分配后进入电池堆中的每一个单体电池，每个单体电池充满电解液后，电池堆电压逐渐升高，当达到一定电压后，铝电池堆开始供电，控制回流直通阀打开，电解液流经电池堆后，经过电解液回液系统进入电解液箱体，再经过过滤系统，过滤去除反应的固体产物，由电解液上液系统再注入电池堆实现电解液的循环，停止时，将电解液上液系统水泵停止，则电池堆中的电解液由于重力的作用重新回到电解液箱，电池停止供电，如需要重新供电时，启动电解液上液系统的水泵，则电池系统重新恢复供电。

图1 铝空气电池结构原理图

1.2 铝空气电池管理系统的整体设计

铝空气电池管理系统的整体原理框图如图2所示，系统主要包括微控制器模块、数据采集模块、电源模块、执行模块、报警模块、键盘输入与显示模块。数据采集模块通过各种传感器将铝空气电池的各种运行参数（电压、电流、电解液温度和氢气浓度）转换成相应的电信号，经调理电路后送入到单片机ADC输入端口，单片机经过AD转换和相应的处理会将铝空气电池运行参数实时显示在液晶显示器上，同时单片机根据所采集铝空气电池运行参数控制相应的执行机构，使铝空气电池工作在最佳的运行状态。通过键盘输入模块可以预先设定各个运行参数的报警极限值，当参数超出预先设定值后，系统立即发出声光报警，切断负载的供电，提醒相关操作人员及时采取相应的安全措施。

图2 铝空气电池管理系统框图

2 系统硬件设计

2.1 微控制器模块

微控制器模块选用宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机是一种高性能，低功耗，超强抗干扰的微控制器[9]，该单片机内部自带高达60K FLASH ROM，集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，非常适合要求抗干扰能力强、运算速度快的场合。

2.2 数据采集模块

数据采集模块的主要功能是对铝空气电池输出的电压、电流、电解液的温度和电解液箱的氢气浓度进行采集。铝空气电池的输出电压通过电阻分压的方法采集得到，如图3所示，其中R16和R21为精度0.1%的高精密电阻，铝空气电池的输出电压经过两个电阻的分压后通过由SGM358所构成的电压跟随器，然后利用R17和C22组成的滤波电路，滤除干扰信号后将其送入到单片机的ADC输入通道。铝空气电池的输出电流采用高精度霍尔式电流传感器CS020GT[10]来进行采集，该传感器利用霍尔效应开环原理，具有高精度、良好的线性度和响应时间快的优点，其电源电压为+5 V，可以测量的电流范围为0～±40 A，原边额定输入电流为 20 A，响应时间≤3 μs，霍尔式电流传感器输出的电压信号经过R27，C28滤波电路进行滤波后输入到由SGM358运放芯片所构成的电压跟随器上，然后经过R26，C27所构成的一阶低通滤波器滤除干扰噪声，最后输入到单片机的ADC口进行采样。电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低等特点，能减少电流传感器的输出信号与单片机ADC输入信号之间的干扰。电压与电流采集模块的电路原理图如图3所示。

图3 电压与电流采集模块电路原理图

温度传感器选用美国DALLAS公司生产的可组网数字式温度传感器DS18B20[11]，该传感器的测量范围为-50～+125℃，精度可达0.1℃，转换时间小于750 ms[11]。它不需要AD转换，采用“一线总线”的数字方式传输，是一种一线制接口器件，大大减少了对单片机IO口的占用，而且外围电路简单，和传统的测温元件相比，其抗干扰能力和测量精度都有了很大提高[8]。氢气浓度传感器选用河南Winsensor公司生产的MQ-8半导体型氢气传感器[12]。MQ-8氢气传感器以SnO2为气敏材料，可探测100～10 000 ppm浓度的氢气，具有成本低，寿命长，灵敏性好和驱动电路简单等特点。为了减少氢气传感器的输出信号与单片机ADC输入电压信号的前后干扰，在氢气浓度传感器的输出信号后面加了一个由SGM321运放芯片搭建的跟随器，用以隔离前后级信号之间的影响。温度和氢气浓度采集模块电路原理图如图4所示。

图4 温度和氢气浓度采集模块电路原理图

2.3 电源管理模块

电源管理模块主要为整个系统的电路提供电压，本系统各个元器件所需的供电电压为12 V和5 V。其中12 V主要为执行元件提供电压，该电压直接由铝空气电池输出提供，其余原器件都由5 V电压供电。电源管理模块采用TI公司生产的LM2596将铝空气电池输出的12 V转换为5 V电压。LM2596[13]是降压开关型集成稳压芯片，能够输出3 A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，可固定输出3.3 V，5 V，12 V 3种电压，也可实现在1.2～37 V之间的可调输出。该器件使用方便，只需4个的外围器件便可构成高效的稳压电路。图5为电源模块电路原理图。

图5 电源模块电路图

2.4 键盘输入与显示模块

键盘输入模块用于铝空气电池系统参数报警值的设置，该模块设置了3个独立按键K1、K2、K3，其中K1为功能选择键，K2、K3分别作为++键，和--键，用于对所设参数进行递增和递减作用。显示模块用于实时显示铝空气电池系统的运行参数，为降低铝空气电池系统的硬件成本，该模块采用了LCD1602字符型液晶显示器。按键和液晶显示器的工作过程如下：正常工作时，液晶显示器处在实时显示模式，当功能选择键K1依次按下四次时，液晶显示器分别进入到电流上限报警值，电压下限报警值，温度上限报警值和氢气浓度上限报警值模式，在这四种设置模式下，可以通过K2、K3键来调整参数的报警值。当K1键按下五次时，液晶显示器重新回到实时显示模式。通过对按键的操作可以方便的对铝空气电池的参数报警值进行修改，具有很强的操作灵活性。图6为键盘输入与显示模块电路原理图。

图6 键盘输入与显示模块电路原理图

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

硬件电路确定后，铝空气电池管理系统的主要功能将依赖于系统软件功能的实现。为了增强管理系统的可靠性、可移植性和易维护性，本系统控制软件采用模块化和结构化的程序设计思想[14]，将系统的整体功能分为不同的模块，各个模块单独设计、编程、调试，完成之后进行系统总的联调。本系统程序均采用C语言来进行编写。本电池管理系统的主要功能是实现对铝空气电池参数的实时监测和控制，主要包括系统初始化程序、铝空气电池参数采集程序、SOC估算程序、报警子程序、LCD显示子程序、E2PROM读写程序、执行机构控制程序等。系统的软件流程如图7所示。

图7 系统主程序流程图

铝空气电池开始工作时，系统所使用的电能都由锂电池提供，铝空气电池管理系统首先进行I/O的设置和定义相关变量等初始化的工作，同时开启回流直通阀和电解液泵，泵将电解液均匀的分配到电池堆中去，铝空气电池的两端电压逐渐升高，当铝空气电池的电压达到14.5 V时，即认为铝空气电池可以进行正常工作，此时，铝空气电池管理系统控制继电器将锂电池断电，而将铝空气电池的开关合上，之后系统的能量都由铝电池提供，接着控制系统从E2PROM读取上次铝空气电池关闭时候的SOC值，并进行定时器的初始化工作，然后进行对铝空气电池各种参数（电池电压，电流，电解液温度和氢气浓度）的采集工作，接着根据采集的各种参数对各个执行机构进行相应的控制，具体控制要求如下：如果电解液采集的温度超过40°时，则开启散热风扇和轴流风扇，如果温度超过报警温度值（默认80°），则报警并停止铝空气电池工作。如果采集的氢气浓度超过1 000 PPM，则开启排氢风扇，如果采集的电池电流超过它的额定电流（默认25 A）或者电压低于它的放电截止电压（默认9 V）的时候，控制系统就会报警（蜂鸣器响10 s），并关闭负载的输出，然后过1分钟后再接通负载并再次检测电池电压和电流，如果电池电压和电流都在正常允许范围内，铝空气电池则继续工作，否则循环检测。液晶显示程序将所采集的铝空气电池的各种参数和SOC值显示在液晶显示器中。如果按下铝空气电池的停止按钮，系统则会把当前的SOC值存入E2PROM，同时控制电解液泵使铝空气电池停止工作，而如果当检测到SOC值≤1%时，系统会报警提示更换电解液和铝片，同时会将新的SOC值（100%）存入E2PROM并停止铝空气电池工作。如果两种情况都不满足，系统则会对铝空气电池的参数进行循环的监测和控制。

3.2 SOC值的估算

由于本系统对SOC值的估算精度要求不高，因此铝空气电池SOC值的计算采用安时积分法，该方法比较简单，容易实现，而且实时性也好，能通过测得的电流对时间的积分来确定SOC值，铝空气电池在放电过程中的SOC计算公式[15]如下所示：

式中：SOC0为铝空气电池初始放电状态的SOC值，Qf为电池额定容量，Qt为电池在时间t内所放出的总电量，i为放电的电流，K为电流修正系数，Δt为采样时间。

由于铝空气电池只能放电[16-19]，而不能充电，为简便计算，将K设置为1，本系统通过霍尔电流传感器，每隔200 ms（Δt）采样一次铝空气电池的电流i，铝空气电池的额定容量Qf为350 Ah。

4 结 论

文中设计了一种以STC12C5A60S2为核心的小型铝空气电池管理系统，该系统不仅可对铝空气电池的输出电压、电流、剩余电量（SOC值）、电解液箱的氢气浓度和温度进行实时准确的监控和显示，并且还具有过载保护、过流保护、过温保护等多重保护功能，能按照预先设定的参数对输出继电器进行自动调节。本系统结构简单，可靠性高，易于推广，具有一定的实用价值。

[1]刘岳滨，赵军红，胡东杰.新型铝-空气电池管理系统设计[J].四川兵工学报，2013，34（7）:116-119.

[2]赵少宁，李艾华.铝空气电池的研究现状和应用前景[J].电源技术，2014，38（10）:1969-1971.

[3]何勇.基于铝—空气金属燃料电池系统的电—电增程式电动汽车研制[D].成都：西华大学，2015.

[4]赵少宁，李艾华，蔡艳平，等.铝空气燃料电池堆的设计与实现[J].机械与电子，2013（9）:21-23.

[5]Y J Z，Lu C B，Zheng F，et al.The Core System Design for New Kilowatt Aluminum-Air Battery[J].Renewable Energy&Power Technology II，2014（672-674）:704-707.

[6]蔡艳平，李艾华，徐斌，等.铝-空气新能源电池技术及其放电特性[J].电源技术，2015，39（6）:1232-1234.

[7]熊亚琪，刘常青，周敏嘉.铝-空气电池的研究进展[J].电池，2014，44（2）:116-117.

[8]张树雄，张立，李传宏.一种铝空气燃料电池系统：中国，CN103296338A[P].2013-09-11.

[9]谢绍霞，郭三华，曹丽娟，等.基于单片机STC12C5A60S2与无线模块CC1101的电动温控阀控制器设计[J].电子设计工程，2016，24（13）:104-106.

[10]乔思洁.锂电池管理系统的研究与设计[D].青岛：中国海洋大学，2009.

[11]敖邦乾，刘智权，邹江，等.一种多点无线温度监测报警及调控系统设计[J].现代电子技术，2016，39（18）:57-60.

[12]陈宣扬.可燃气体检测报警技术研究[D].杭州：浙江工业大学，2011.

[13]潘传勇，丁国臣，陈世夏.基于LM2596的不间断直流电源设计[J].现代电子技术，2013（17）:107-109.

[14]陈方元，赖忠喜，陈文波，等.一种简易温室控制系统的设计[J].电子设计工程.2012，20（21）:15-18.

[15]陈峥，林辉，李兵强，等.可充电式混合动力汽车电池管理系统设计[J].测控技术，2012，31（10）:112-116.

[16]杨赛风，张建民，崔心水.微生物燃料电池阳极氨氮去除的影响因素[J].西安工程大学学报，2016，30（3）:284-289.

[17]程时润，万钧力，刘浩.基于LabVIEW的光伏电池建模与仿真[J].陕西电力，2015（7）:17-21，26.

[18]秦亮，李长录，毛辉.基于BQ78PL116的锂离子电池组均衡电路[J].工业仪表与自动化装置，2015（1）:42-45.

[19]朱春颖，沈海军，顾豪，等.Elman网络模型参考自适应控制在镍氢电池智能充电中的应用[J].工业仪表与自动化装置，2013（4）:56-58.