基于ARM 的電瓶車蓄電池在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計

左現(xiàn)剛,張志霞,劉艷昌

（河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

近年來,電動車以其經(jīng)濟(jì)、便捷等特點,逐步成為群眾出行代步的重要工具,保有量迅猛增長.但由于安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不健全、市場監(jiān)管不到位、存放充電方面問題突出等原因,電動車火災(zāi)事故頻發(fā),給人民群眾生命財產(chǎn)安全造成重大損失.線路老化、電池短路、充電器不匹配、過多充電、電壓不穩(wěn)、充電環(huán)境等都是電動車火災(zāi)頻發(fā)的原因,這使得建設(shè)智能化及統(tǒng)一的多級聯(lián)網(wǎng)電瓶車安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)成為了一種必然的趨勢,方能更好地避免安全隱患.

趙旺彬等[1]提出基于多繞組變壓器的主動均衡拓?fù)潆娐?將串聯(lián)蓄電池組中電壓較高單體的能量傳輸?shù)诫姵亟M中,從而實現(xiàn)單體之間的電壓均衡,實現(xiàn)了大電流快速均衡.易琨等[2]提出了多階段模糊自適應(yīng)PID 控制應(yīng)用于鉛酸蓄電池充電過程,提高了診斷準(zhǔn)確率.王杰等[3]提出了一種基于蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)和便攜式放電負(fù)載的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程核容作業(yè),減少了維護(hù)成本.劉紅銳等[4]提出了一種針對鋰離子蓄電池組的均衡器,實現(xiàn)了電池組的充放電電流的可控可調(diào).王洪等[5]提出適應(yīng)智能電網(wǎng)要求的電源閥控密閉鉛酸蓄電池組智能管理策略,實現(xiàn)了直流電源狀態(tài)運維檢修.劉素玲等[6]提出了一種基于改進(jìn)的安時法和耗散式均衡電路的電池管理系統(tǒng)策略,對低速電動汽車剩余電量的估計有較高的準(zhǔn)確性.王麗平等[7]提出一種定期測量法對SOH 進(jìn)行預(yù)測的系統(tǒng),實現(xiàn)了對SOH 一致性的修正.

電動車電池監(jiān)控系統(tǒng)以SOC 為參考,目前有三類估算SOC 的方法：開路電壓法[8],電流積分法[9]和電量計法[10].基于對以上研究成果的分析,本文提出了一種針對電瓶車蓄電池的在線檢測系統(tǒng).

1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)由控制單元,電壓檢測電路,電流電量檢測電路,溫度采集電路,GSM 電路,如圖1 所示.

圖1 電池組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of remote monitoring system for battery pack

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電壓巡檢電路

鉛酸電池為四節(jié)串聯(lián),由于串聯(lián)電流相等,每節(jié)電池的電量在同步降低,又由于電池的不一致性,導(dǎo)致每節(jié)電池的電壓不一致,從而反映出每節(jié)電池的衰減速度不一致,剩余電量SOC 不一致[11-13].此電路利用光耦繼電器將每節(jié)電池的電壓單獨切換到ADC 采集.如圖2 所示.

圖2 電壓巡檢電路Fig.2 Voltage patrol circuit

2.2 ADC 采集電路

ADC 采集電路是由熔斷器與穩(wěn)壓二極管組成的保護(hù)電路,當(dāng)由于巡檢電路誤動作或損壞導(dǎo)致切換的電壓超壓,穩(wěn)壓二極管會被擊穿從而使熔斷器熔斷.電壓信號經(jīng)過電容濾波后經(jīng)過3 個3 KΩ 電阻分壓,在這里考慮到ADC 采集所需的電流,則3 個電阻值大小總和不能超過11 KΩ.管腳1 的兩個電阻為I2C 地址選擇.如圖3 所示.

圖3 ADC 采集電路Fig.3 ADC Acquisition circuit

2.3 信號隔離電路

MCU 供電方式為非隔離電源0～48 V,取電GND 為0,ADC 芯片的GND 跟隨巡檢電路變化而變化,所有I2C 信號需使用信號隔離芯片隔離如圖所示ADUM1250 可對電壓不同的電路進(jìn)行雙向信號隔離傳輸.如圖4 所示.

圖4 信號隔離電路Fig.4 Signal isolation circuit

2.4 電流電量檢測采樣電路

此電路為電量計采樣電路,如圖5 所示.R41、R42、R43 為采樣電阻,主路電流通過后會產(chǎn)生相應(yīng)的壓降,電壓信號通過阻抗匹配電阻后先經(jīng)過電容濾波C10、C12 組成的共模濾波,然后經(jīng)過電容C11 整體濾波后連接芯片[14].

圖5 電流采樣電路Fig.5 Current sampling circuit

2.5 總壓采集與供電

此電路為電量計的供電電路與采樣電路,電阻R5、穩(wěn)壓二極管D2 與MOS 管Q2,組成穩(wěn)壓電路,對電池總正電壓進(jìn)行壓降.MOS 管Q3、Q1 與電阻R10、R12、R14 組成芯片總壓檢測電路,測量電池總壓.如圖6 所示.

圖6 總壓采集與供電Fig.6 Total voltage acquisition and power supply

2.6 電量計電路

Bq34110 CEDV 電池電量監(jiān)測計可為單節(jié)和多節(jié)電池提供CEDV 電量監(jiān)測和放電結(jié)束（EOS）確定功能[15].該器件配有增強(qiáng)型特性,從而為各類備用系統(tǒng)中常用的始終保持滿電量且極少放電的電池提供支持.Bq34110 電量監(jiān)測計支持多種電池化學(xué)成分,包括鋰離子、磷酸鐵鋰、鉛酸（PbA）、鎳氫（NiMH）和鎳（NiCd）.

電量監(jiān)測計使用補(bǔ)償放電結(jié)束電壓（CEDV）技術(shù)獲取電壓、電流和溫度數(shù)據(jù),并借此提供充電狀態(tài)（SOC）和健康狀況（SOH）數(shù)據(jù).這款電量監(jiān)測計還整合了放電結(jié)束（EOS）確定功能,可在電池電量不足和即將完全放電時發(fā)出警報.監(jiān)測計中的數(shù)據(jù)可由MCU 通過400 kHz I2C 總線讀取.另外,還有兩個ALERT 輸出可供使用,例如向主機(jī)發(fā)出中斷或者實現(xiàn)其他功能,具體根據(jù)配置選項來決定.如圖7 所示.

圖7 電量計電路Fig.7 Calorimeter Circuit

2.7 霍爾采集電路

當(dāng)主路電流穿過霍爾傳感器,傳感器會將電流轉(zhuǎn)換為0～5 V 的模擬量輸出,MCU 片內(nèi)ADC 對此電壓進(jìn)行采集就可得出當(dāng)前電壓值大小.電阻R56 可提高電壓響應(yīng)速度放置信號延遲.霍爾采集電路如圖8 所示.

圖8 霍爾采集電路Fig.8 Hall acquisition circuit

3 無線通信模塊

3.1 GSM 供電

由于GSM 部分發(fā)射過程有較大功率,4 節(jié)鉛酸電池串聯(lián)后電壓最高可達(dá)到58 V, 而電池電壓過高55 V 以上的穩(wěn)壓芯片很少,所以采用SC9903 這種高壓非隔離穩(wěn)壓芯片,最高可支持72 V 的電壓.電源電壓輸入之后先經(jīng)過電容濾波,R91 與R93 為芯片提供基準(zhǔn)電壓,MOS 管負(fù)責(zé)主路的高頻開關(guān), 高頻電流通過電感后會產(chǎn)生壓降,再經(jīng)過電容濾波后會形成穩(wěn)定的支流供電.GSM 供電電路如圖9 所示.

圖9 GSM 供電電路Fig.9 GSM Power Supply Circuit

3.2 MCU 供電

5 V 供電系統(tǒng)為IC 外設(shè)芯片供電,采用SC7777 這種高壓非隔離穩(wěn)壓芯片,最高可支持72 V 的電壓,電源電壓輸入之后先經(jīng)過電容濾波,MOS 管負(fù)責(zé)主路的高頻開關(guān),高頻電流通過電感后會產(chǎn)生壓降,再經(jīng)過電容濾波后會形成穩(wěn)定的支流供電.MCU 部分使用3.3 V 供電,通過UA78M33QDCYRQ1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源供電,得到穩(wěn)定的3.3 V 供電.如圖10 所示.

圖10 控制芯片供電電路Fig.10 Power Supply Circuit of Control Chip

3.3 GSM 模塊

USR-LTE-7S4 是為實現(xiàn)串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,通過運營商網(wǎng)絡(luò)相互傳輸數(shù)據(jù)而開發(fā)的產(chǎn)品,通過簡單的AT 指令進(jìn)行設(shè)置,即可輕松使用本產(chǎn)品實現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸.13-14 管腳為模塊供電管腳,12-11 管腳為模塊GND 管腳,模塊通過串口與MCU 連接進(jìn)行通訊.如圖11 所示.

圖11 GSM 通訊模塊Fig.11 GSM Communication Module

3.4 溫度采集電路

溫度采集部分采樣100 KΩ NTC 熱敏電阻,與電池負(fù)極電極相連,由于面積較大能反映出電池內(nèi)部溫度,100 KΩ 熱敏電阻與100 KΩ 定值電阻分壓后通過MCU ADC 采集后對照溫度數(shù)據(jù)表可測得當(dāng)前電池溫度,如圖12 所示.計算公式如公式（1）和公式（2）所示.

式（1）、式（2）中：T1和 T2指的是 K 度,即開爾文溫度.Rt 是熱敏電阻在 T1溫度下的阻值.R 是熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱阻值.100 KΩ 的熱敏電阻25 ℃的值為100 KΩ（即R=100 KΩ），T2=（273.15+25）,EXP 是 e 的 n 次方.

圖12 溫度采集電路Fig.12 Temperature Acquisition Circuit

4 實驗數(shù)據(jù)與分析

為了測試系統(tǒng)的性能[16],對4 個新舊不同的12 V 電池進(jìn)行監(jiān)測,蓄電池開始充電時的SOC 值分別為12%、18%、24%、26%,均衡時間為10 000 s 的時候,各單個電池的SOC 值分別為72%、81%、85%、89%；開始放電時的SOC 值分別為70%、79%、84%、86%,均衡時間為10 000 s 的時候,各單個電池的SOC 值分別為11%、16%、22%、25%；電池充放電及溫度的變化如圖13～17 所示.從圖中可以看出,電壓測量精度可以達(dá)到0.1 V,電池溫度精度可以達(dá)到0.1 ℃,電流的測量精度可以達(dá)到0.1 A,精度符合對電池性能和健康狀況判斷的精度要求.

圖13 電池放電波形圖Fig.13 Battery discharge waveform

圖14 電池放電電流波形圖Fig.14 Battery discharge current waveform

圖15 電池組溫度曲線圖Fig.15 Temperature graph of battery pack

圖16 各單體電池充電SOC 實時曲線Fig.16 Real-time charging SOC curve of each single battery

圖17 各單體電池放電SOC 實時曲線Fig.17 Real-time discharge SOC curve of each single battery

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種在線檢測電瓶車蓄電池的檢測系統(tǒng),實際測量結(jié)果也驗證了該系統(tǒng)能對電池組的SOC 和SOH 進(jìn)行在線預(yù)測,滿足對電池組的檢測要求,對延長電池組的壽命、提高利用率效果良好,下一步還需要進(jìn)一步估算精度提高.該系統(tǒng)具有較高的實用和推廣價值.