基于單片機(jī)的車輛蓄電池報(bào)警器設(shè)計(jì)

0 引 言

蓄電池是汽車上的重要部件，不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)提供動(dòng)力，而且為用電設(shè)備提供電能，并存儲(chǔ)充電系統(tǒng)的多余電能，蓄電池技術(shù)狀態(tài)的好壞直接影響汽車的正常運(yùn)行。實(shí)際工作生活中，蓄電池技術(shù)狀況的檢查手段比較落后，特別就一般車輛而言，缺少在線、直觀、實(shí)時(shí)的反映蓄電池技術(shù)狀況的儀器儀表，多數(shù)為無法啟動(dòng)車輛時(shí)才送檢，通常因蓄電池保管不善、保養(yǎng)不及時(shí)、放電過度而早期損壞。為了解決對(duì)車輛蓄電池技術(shù)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測問題，做到及時(shí)對(duì)需要充電的蓄電池進(jìn)行充電，對(duì)需要維護(hù)修理的蓄電池進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，研制一款能對(duì)車輛蓄電池的技術(shù)狀態(tài)檢測報(bào)警的蓄電池報(bào)警器有實(shí)際意義。

車輛蓄電池報(bào)警器要能實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：特定條件下蓄電池剩余電量指示，蓄電池內(nèi)阻大報(bào)警，充電電壓過高報(bào)警，非規(guī)范啟動(dòng)(單次起動(dòng)時(shí)間超過5 s 、兩次啟動(dòng)間隔時(shí)間少于15s、連續(xù)啟動(dòng)次數(shù)超過3 次)發(fā)動(dòng)機(jī)提示報(bào)警。而且根據(jù)實(shí)際使用條件，報(bào)警器要輕便、實(shí)用、直觀、可靠，并且做到不影響車輛性能，安裝簡單，適用性好。

1 檢測方法的選擇

蓄電池剩余電量的指示是報(bào)警器的一個(gè)主要功能，合理的選擇蓄電池剩余電量檢測方法成為報(bào)警器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。常見的蓄電池剩余電量的檢測方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內(nèi)阻法、庫侖計(jì)法等。選擇的原則是要能夠滿足整體功能的設(shè)計(jì)要求，并考慮使用環(huán)境、條件以及成本等因素。

1.1 蓄電池剩余電量常見檢測方法

●密度法：蓄電池剩余電量和其內(nèi)部電解液密度密切相關(guān)，通過測量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。電解液密度隨蓄電池放電程度的增加而按比例下降。

充足電的蓄電池到放電終了，電解液密度約下降0.16,即電解液密度下降0.04,蓄電池約下降25%[1].通常用吸液管密度計(jì)測量電解液密度，用溫度計(jì)測出電解液溫度，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行換算。只能離線人工檢測。

●開路電壓法：蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關(guān)，而根據(jù)能斯特方程的描述電解液濃度和溫度變化會(huì)引起電池電動(dòng)勢的變化。因此，通過測量蓄電池的端電壓，也可以推算出蓄電池的剩余電量。

●放電法：通過對(duì)蓄電池施加一負(fù)載，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的電池端電壓變化率，根據(jù)變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著剩余電量大，否則反之。為了實(shí)現(xiàn)在線測量，縮短測量時(shí)間，需要對(duì)蓄電池大電流放電，而大電流放電對(duì)蓄電池將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，嚴(yán)重影響電池的使用壽命[2].

●內(nèi)阻法：內(nèi)阻與電池容量的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到8 8 % .因此，通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測其剩余電量。蓄電池完全充電(充滿)和完全放電(放完)時(shí)，其內(nèi)阻相差2 ~4 倍左右。隨著電池充電過程的進(jìn)行，內(nèi)阻逐步減小;隨著放電過程的進(jìn)行，內(nèi)阻逐步增大。

另外，隨著電池老化，其內(nèi)阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is,然后檢測電池端電壓Vo 以及Is 和Vo 兩者之間的夾角θ。通過公式Z =Vo/Io,R=Zcos θ，即可得到電池內(nèi)阻值，從而得到剩余電量。內(nèi)阻法4 線制接線，精確度相對(duì)高。

●庫侖計(jì)法：通過對(duì)流入/ 流出電池的總電流進(jìn)行積分，得到的凈電荷數(shù)即為剩余容量。庫侖計(jì)電路一般使用一個(gè)阻值非常低的串聯(lián)電阻作為檢流電阻，通過檢測檢流電阻上的壓降反推電流，再通過電流對(duì)時(shí)間的積分來計(jì)算電量變化。電池初始容量可以預(yù)置，也可由完整充電周期來統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)。Maxim 公司提供一系列精確的智能電池電量計(jì)芯片，如DS2780,在一塊芯片內(nèi)集成了庫侖計(jì)、溫度傳感、電池電壓檢測、時(shí)鐘和非易失存儲(chǔ)器，能夠?qū)﹄姵仉娏窟M(jìn)行精確計(jì)算。

1.2 報(bào)警器選擇開路電壓法

1.2.1 開路電壓法的局限性

● 對(duì)于不同廠商生產(chǎn)的電池，其開路電壓與容量之間的關(guān)系有差異。

●只有通過測量電池空載時(shí)的開路電壓才能獲得相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果，而在運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載電流在內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降將影響開路電壓的測量精度。

●蓄電池在充電(以及大電流放電)后會(huì)產(chǎn)生虛高(與虛低)現(xiàn)象，主要原因是充電時(shí)電解質(zhì)濃度分布不均勻而形成表面電荷，表面電荷將提高蓄電池電壓而引起虛高現(xiàn)象。表面電荷可通過短時(shí)低電流放電消除，也可在蓄電池靜置幾個(gè)小時(shí)后自行消除。

1.2.2 選擇開路(端)電壓法的理由

●與其他使用蓄電池的方式不同，汽車蓄電池在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)大電流放電，而在引擎正常運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。所以對(duì)蓄電池剩余電量的關(guān)心是在點(diǎn)火啟動(dòng)前，而在點(diǎn)火開關(guān)和附屬電器設(shè)備關(guān)閉時(shí)的端電壓可以近似為開路電壓，此時(shí)通過開路電壓法來判斷剩余電量是可行、恰到好處的。而在點(diǎn)火以及充電過程中則可通過端電壓曲線的變化來分析判斷內(nèi)阻大，充電電壓過高，非規(guī)范啟動(dòng)電機(jī)等技術(shù)狀態(tài)并伺機(jī)報(bào)警。

● 與其他任何方法相比開路(端)電壓法對(duì)蓄電池的影響最小，只需兩根線并接到蓄電池上，同時(shí)作為報(bào)警器的電源和檢測信號(hào)的輸入，安裝最簡便;不需要對(duì)蓄電池改動(dòng)或增加附件，適應(yīng)性好，互換性強(qiáng)。

●由于蓄電池端電壓變化率(約為30 %~40 %)遠(yuǎn)小于其內(nèi)阻變化率(相差2 ~4 倍)，因此采用開路電壓法的精確度無法與內(nèi)阻法相比。但報(bào)警器的使用環(huán)境并不要求很高精確度，而開路電壓法能夠滿足精度要求，并且電路簡單，成本低。

通過對(duì)各種檢測方法的分析比較，綜合考慮報(bào)警器實(shí)際使用條件，安裝，成本等因素，我們選擇開路(端)電壓法作為報(bào)警器的基本檢測方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

報(bào)警器采用以微處理器(MCU)為核心，包括分壓取樣與信號(hào)調(diào)理單元，A/D 轉(zhuǎn)換模塊單元、電源單元、顯示及報(bào)警輸出單元、按鍵與設(shè)置單元構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖