一种小型铝空气电池管理系统的设计

文/杜益帆 赖忠喜

1 引言

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，该电池具有成本低、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，在各行各业都有广泛的应用。但是铝空气电池在使用过程中会出现欠压，过流与电解液过温等现象，造成铝空气电池不可逆的损害，降低铝空气电池的使用寿命，为此本文利用先进的计算机控制技术和传感技术有机地结合起来，设计了一种铝空气电池管理控制系统，该系统可提高铝-空气电池的智能性和稳定性，进而能够提高铝空电池的使用寿命和使用效率。

2 系统整体设计

图1为铝空气电池管理控制系统的总体结构框图，系统由数据采集模块、电解液降温模块、单片机模块、放电保护模块、电源模块等构成，单片机模块通过数据采集模块采集铝空气电池的运行参数（输出电流、输出电压和电解液温度），然后根据所采集的这些参数对各个模块进行相应的控制，使铝空气电池工作在最佳的工作状态，当铝空气电池出现过流，欠压和电解液过温时，系统通过放电保护模块切开铝空气电池与负载的连接，从而保证铝空气电池高效、安全、稳定的运行。

3 系统硬件设计

3.1 单片机的选择

单片机模块采用宏晶科技公司生产的STC15W408AS单片机, STC15W408AS单片机内部有512字节RAM数据存储器，具有8通道10位高速ADC和5个定时器，可在系统编程与仿真，同时该单片机具有大容量片内EEPROM功能，擦除次数10万次以上，内置高精度R/C时钟和高可靠复位电路，不需要外部晶振和外部复位电路，非常适合在此场合应用。

3.2 数据采集模块的设计

数据采集模块主要用于采集铝空气电池的运行参数，其电路原理图如图2所示，电流采集模块采用Allegro

公司生产的ACS712-X20A电流传感器，该传感器单5V供电，在25℃时其输出总误差为1.5%，测量范围为-20～20A，图中IN+端接着铝空气电池的正极，IN-端与电源模块和放电保护模块的输入端相连，电流传感器输出的电压信号通过滤波电路后输入到单片机的ADC1引脚。

铝空气电池的输出电压通过电阻分压的方法采集得到，图2中R22和R25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R24和C57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，图中的二极管D5和D6组成二极管钳位电路对单片机起到保护作用。

电解液温度传感器选用美国 DALLAS 公司生产的数字式温度传感器DS18B20，该传感器的测量范围为-50℃～+125℃，转换时间小于750ms，精度可达 0.1℃。图中DS18B20的VCC引脚接+5V，输出引脚DQ连接到单片机的P1.7口上，为了能够使单片机读取稳定的高电平，在VCC和DQ引脚上接了一个4.7K的上拉电阻。

3.3 放电保护模块的设计

放电保护模块电路原理图如图3所示，图中FD与单片机的P3.6引脚相连。当铝空气电池正常工作时，单片机控制FD端口输出高电平，三级管Q4饱和导通，此时MOS管Q3的栅极电压接近于0V，则MOS管Q3导通，铝空气电池为负载供电，而当铝空气电池出现过流，欠压和电解液过温时，单片机会控制FD端口输出低电平，此时Q4，Q3处于截止状态，铝空气电池与负载断开连接，从而保护铝空气电池免遭损坏。

3.4 电源模块电路原理图

电源模块主要为系统的各个元器件提供电源，本系统器件都是由+5V来进行供电，由于该铝空气电池由5个铝-空气电池单体串联而成，而每个单体的工作电压在0.8V到1.5V之间，也即该铝空气电池组的输出工作电压为4V～7.5V之间，为此本采用TI公司生产的电压降压-升压转换器TPS63061,该芯片具有降压和升压模式间自动切换，静态电流小，效率高达93%，电源模块电路原理图如图4所示。

3.5 其它模块的设计

液晶显示模块采用0.96寸的OLED液晶显示器模块，该模块通过I2C接口与单片机模块进行通讯，用于实时显示铝空气电池的剩余电量（SOC）、输出电流、输出电压和电解液温度。

电解液降温模块由风扇驱动模块和散热风扇构成，风扇驱动模块由MOS管、电阻、二极管和电容所组成，用于接收单片机输出的PWM控制信号从而驱动散热风扇，使电解液温度控制在合适的范围内。

报警模块由蜂鸣器和发光二极管所组成，主要用于当铝空气电池出现过流、欠压、和电解液温度过高时，发出报警信号，提醒用户采取相应的安全措施。

4 系统软件设计

用KEIL C编程软件编写了系统程序，图5为系统的主程序流程图，当用户开始使用铝空气电池时，首先将电解液倒入电解液箱里，激活铝空气电池，系统开始工作，单片机首先完成相关变量、I/O口、AD转换器和定时器等的初始化工作，接着单片机从EEPROM里读取上次所存储的铝空气电池SOC，然后通过数据采集模块实时采集铝空气电池的运行参数，接着单片机根据所采集的运行参数对系统的各个模块进行控制，具体为：

（1）单片机根据所采集的电解液温度输出PWM波控制风扇驱动模块，使电解液温度控制在合适范围内。

（2）定时每过1S，采用安时积分法计算当前的SOC值。

（3）定时每过30S将当前的SOC值存储到单片机的EEPROM中。

（4）将采集的运行参数和当前的SOC值显示在液晶显示器上。

图2：数据采集模块电路原理图

图3：放电保护模块电路原理图

图4：电源模块电路原理图

图5：系统主程序流程图

（5）如果采集的参数超过了报警值，系统则会发出报警同时通过放电保护模块断开铝空气电池与负载的连接，保证铝空气电池安全可靠的运行。

5 总结

为提高铝空气电池的使用效率和使用寿命，设计了一种以STC15W408AS单片机为核心的铝空气电池管理系统，该系统不仅实现了对铝空气电池运行参数进行实时监控，而且还具有多种智能保护和故障报警功能，保证了铝空气电池运行的安全性和高效性。