汽车蓄电池欠压报警系统的设计与实现

郭海涛，王创展

（广东建设职业技术学院 机电工程系，广东 广州 510440）

0 引 言

截至2022年6月底，全国机动车保有量达4.06亿辆，其中汽车3.10亿辆。汽车的普及提升了人们的出行效率，但也带来了一些特定的麻烦，其中发生率极高的问题之一就是汽车蓄电池老化亏电，导致驾驶员无法正常启动汽车。启动汽车时需由蓄电池触发点火装置。蓄电池的标注使用年限一般为2年，实际使用过程中一般不宜超过3年。当前越来越多的车辆配备了自动启停功能，由于自启停型蓄电池价格较贵，司机一般会物尽其用，只有到亏电了才会更换电池，进一步加剧了车辆启动事故的发生概率。

1 蓄电池欠压检测的原理

蓄电池欠压导致的抛锚故障是偶发的，但在汽车全寿命周期内的发生率较高，要降低该类故障的发生率，就需要设计蓄电池欠压报警装置。蓄电池的衰减呈指数型，从无法保持相对稳定的电压到严重亏电无法正常启动车辆，其衰减期约为1～2个月。这一阶段，蓄电池的衰减有规律可循，车灯亮度是判断蓄电池衰减与否的参考指标之一。正常状态下的蓄电池提供给车载照明系统的供电电压稳定，而当蓄电池开始衰减，输出的供电电压同步降低，欠压状态下汽车大灯亮度显著降低，呈现昏黄色。欠压报警装置可以有效检测蓄电池的衰减性特征。车辆非启动状态下蓄电池的工作电压为12～13.2 V ；车辆启动后，车内发电机对蓄电池持续充电，正负极间的电压约为13.3～14.8 V。蓄电池性能衰减的典型特征是无法维持12 V及以上的电压，当其常态化电压低于12 V时，说明已经处于性能衰退期[1]。

蓄电池属于恒压电源，在早期使用阶段，电压稳定。当蓄电池开始衰减，其持续过程一般在45天左右，之后就会发生车辆无法启动的现象。如果标称12 V蓄电池的检测电压为11.6 V（衰减幅度3%），则汽车无法正常启动。失去稳压能力是电池衰减的重要特征，一般将12 V作为衡量电池稳压性能的阈值电压，蓄电池的测量电压为12 V时，汽车仍能够启动，但是点火电压已经显著降低，此时应该进行信号预警，并由驾驶员决定是否更换蓄电池[2,3]。

蓄电池一般位于汽车的前引擎盖下，车内电子设备的各接口基本都是固化的，单独布线检测蓄电池两极电压不可行，因此应该利用已知的一些车内设备进行检测。车载点烟器接口是汽车的标配外设，它直接连在汽车蓄电池的正负接线柱上，2者电压相同，中间弹性头为正极，2边卡扣（弹簧片）为负极。

点烟器接口提供的最大功率一般为150 W，根据不同车型，其接口电压多为12 V和24 V，小型车电压一般为直流12 V，大型货车多是直流24 V，可以同时满足多个用电器及其他设备取电的需求，超功率取电会造成电路过载。小型车的标准电压为12 V的原因是它直连蓄电池，而蓄电池正负极之间的标称电压差为12 V。车辆启动时，蓄电池电压会有所提升，比12 V提高2 V左右。

点烟器接口与蓄电池是直接相连的，因此可以通过检测点烟器的电压数据了解蓄电池的健康程度，从而评估和预警即将到来的电池亏电事件[4]。如果采集到欠压信息，即驱动产生低压报警信号，经由单片机编程处理进行输出，驱动语音模块报警，以声音或发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示方式提示给驾驶员。

2 系统设计

要完成车辆欠压预警系统设计，可以围绕单片机和集成运算放大器搭建硬件电路。单片机型号选择STC89C52RC，集成运算放大器选择LM324。LM324是4路运算放大器集成电路（Integrated Circuit，IC），由公共电源供电，输入失调电压非常低，幅度为2 mV，工作温度范围为0～70 ℃，而最高结温可高达150 ℃，其引脚与内部逻辑如图1所示。

图1 LM324引脚与内部逻辑

在欠压报警系统的设计过程中，硬件电路设计要着重解决2个问题，一是欠压检测电路如何设计，二是检测信号的输入、采集与程序编写。

2.1 检测电路设计

欠压检测电路的设计要进行电压比较。本文研究车载系统，电源取自车辆本身，即既要检测蓄电池的性能是否衰减，又要依赖蓄电池提供电量。因此，本系统的电源取自被测量源，如果测得点烟器正负端电压值低于12 V要向单片机传递1个晶体管-晶体管逻辑（Transistor Transistor Logic，TTL）电平信号，接收到该信号的单片机产生报警信号[5]。

在欠压检测电路设计时，需要获得稳定的参考电压，以便于实时电压与参考电压进行比较。实时电压与阈值电压分别接入LM324的同向输入端和反向输入端，利用集成运算放大器的非线性处理方法进行电压比较，完成信号输出[6]。

生成合适的参考电压是项目实现的难点和要点，主要有以下2种思路。一是按照常规方案，先进行升压，然后再进行降压，即进行直流转换（Direct Current-Direct Current，DC-DC）。由于欠压报警系统中的阈值电压取自被检测电路，为了确保阈值电压为标准12 V电压，需对输入电压升压，将升高后的电压输入稳压电路获得标准12 V阈值电压。当被检测电压高于阈值电压时，工作在非线性工作状态下的集成运算放大器产生高电平信号，即预警信号[7]。二是利用专用芯片进行实时电压向参考电压的转变处理。选择专用集成电路电源模块B1212-2W产生12 V阈值电压。该芯片的输入电压标称值是12 V，但输入电压范围（Voltage of Direct Current，VDC）为10.8～13.2 V，其输出电压为12 V，满载输出电流为167 mA，承受的最大功率约为2 W，可以作为供电电源给电路供电，并提供阈值电压。在电路设计过程中，将被检测电压接入LM324的3引脚，将B1212-2W输出的12 V电压作为阈值电压接入LM324的2引脚（见图2），两个电压相互比较，通过LM324的引脚1接入后端单片机的P2.0引脚。

图2 单片机信号检测与报警电路设计

2.2 信号检测与程序编写

以单片机为核心的单元，从LM324的引脚1采集信号，当实时电压低于12 V时，引脚1为低电平，蜂鸣器报警功能实现的程序代码为

三极管PN249工作在开关状态，在1 kHz方波信号的控制下，蜂鸣器发出有规律的报警声。

2.3 元件选型注意事项

蓄电池欠压预警系统在设计和制造过程中要对所用元器件进行选型，如果需要LED提醒，则还可以继续添加LED驱动设备。就其功能模块而言，至少包括电压处理模块、集成运放非线性比较模块、信号检测与输入模块、单片机处理模块以及报警驱动等[8]。由于汽车点烟器的体积比较小，因此欠压报警装置的尺寸要与点烟器接口相匹配。在选择各类芯片及搭建外围电路时，应选择小型元器件，以贴面元件为主构建硬件系统，同时考虑到温度对系统及元件产生的影响，因为点烟器工作过程中的温度上升较快，当温度较高时会影响到与之连接的各芯片和元件，因此元件选型时要考虑散热问题[9,10]。

3 结 论

当前国内汽车的保有量还将持续快速增长，必然会有越来越多的车辆遇到亏电无法启动的问题。本文所提出的软硬件方案是一种行之有效的解决方法，并且欠压报警系统应该走集成化路线，与常见的车载点烟器充电头进行整合设计。当前有多种集成电路芯片是专门面向车载充电器应用的电源管理片上系统，如果在车载充电器基础上增加欠压报警功能，多功能集成，则将有效提升车载充电设备的性价比和实用性。