電池容量計(jì)的一種實(shí)現(xiàn)方法

摘要：介紹一種計(jì)量電池容量的方法，即對(duì)電池充進(jìn)能量和放出能量進(jìn)行計(jì)算并乘以相應(yīng)的損失系數(shù)從而指示電池的容量。采用對(duì)電流變換后的脈沖計(jì)數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)適用多數(shù)充放電情況的電池容量計(jì)量。研究實(shí)施該方法的技術(shù)途徑，提出具體的設(shè)計(jì)電路，其樣機(jī)已投入試用。

關(guān)鍵詞：充放電電量電池容量計(jì)

　　A Kind of Method of Implementing Battery Capacity Meter

Abstract： Introduces a method of measuring battery capacity, which calculates the charging energy and discharging energy and then the data is multiplied by a loss factor. In the end the results can indicate the capacity. Uses the skill of counting the pulses which are changed from the currents, so the method can be used to measure battery capacity on most of occasions that variety batteries are charged and discharged by variety rules. Researches the technology route of implementing the method and designs the circuit in details. Nowadays the meter has been practiced well.

Keywords:Charging and discharging Coulomb Battery capacity meter

1引言

　　隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，世界各國(guó)競(jìng)相開展環(huán)保汽車的研制，我國(guó)也正在投入資金開發(fā)以電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車。而電動(dòng)車必不可少的儀器就是電池容量計(jì)，就象普通汽車的油量表一樣，告訴使用者電池還剩余多少容量，能夠行駛多少公里。實(shí)際上，不僅電動(dòng)車需要電池容量計(jì)，許多使用電池的場(chǎng)合都對(duì)此有迫切的要求。傳統(tǒng)的對(duì)電池監(jiān)視的手段僅僅是一塊電壓表，而電壓卻不能準(zhǔn)確反映電池的容量，經(jīng)常出現(xiàn)電壓正常，卻無容量的現(xiàn)象。作為使用者常常感到困惑的就是不知電池還能使用多久，因此影響到許多關(guān)鍵場(chǎng)合的使用，還易出現(xiàn)誤判引起事故。因此研制一臺(tái)反映電池容量的儀器就顯得十分必要了。目前國(guó)外已有同類產(chǎn)品問世，但可能由于技術(shù)保密的原因，未見介紹其實(shí)現(xiàn)的方法。

　　本文以電動(dòng)車為使用對(duì)象，提出了一種采用電量計(jì)量方法實(shí)現(xiàn)的電池容量計(jì)，可在一定條件下計(jì)量電池容量。它基于這樣一種原理，即對(duì)電池充進(jìn)能量和放出能量進(jìn)行計(jì)算并乘以相應(yīng)的損失系數(shù)從而指示電池的容量（該系數(shù)應(yīng)考慮到充電效率及電池放電電流大小以及其它因素對(duì)電池容量的影響）。

2基本原理

　　電池的容量除了一些電池本身的因素外，主要取決于充電量和放電量，顯然如果始終能記錄下電池的充放電情況就可以測(cè)出容量。我們?cè)O(shè)想在傳統(tǒng)的單一電池上裝備這種稱之為電池容量計(jì)的儀器以達(dá)到顯示容量的目的。該容量計(jì)動(dòng)態(tài)監(jiān)視電池充進(jìn)電量的總和及放出總電量并運(yùn)算后直觀顯示。影響電池容量的其它因素綜合為一個(gè)損失系數(shù)，該系數(shù)乘以充放電量的算數(shù)和即為電池剩余容量。由于電池的種類、大小、性能不盡相同，損失系數(shù)是不相同的，主要靠試驗(yàn)獲得，故這里不討論系數(shù)問題，只研究完成計(jì)量電量功能的電路。

　　電池充放電有多種方式，恒流、限壓、脈沖、負(fù)脈沖等等，所以簡(jiǎn)單地用電流乘以時(shí)間計(jì)量容量的方式無法適應(yīng)除恒流外的其他方式，而積分方式又不能適應(yīng)負(fù)脈沖充電的需要，同時(shí)它需要時(shí)間參數(shù)，亦不太適合。顯然電池容量計(jì)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足多數(shù)的充放電方式。無論何種充電方式，其影響電池容量的關(guān)鍵參數(shù)即為電流和時(shí)間，負(fù)脈沖充電情況下只是同時(shí)有負(fù)電流。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了如下工作方式的電池容量計(jì)電路，原理方框圖見圖1。

　　首先監(jiān)測(cè)電池的充放電電流，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后放大，送入電壓頻率轉(zhuǎn)換器使其變?yōu)轭l率信號(hào)，最后送入計(jì)數(shù)器記錄脈沖的個(gè)數(shù)，通過一定方式將計(jì)數(shù)值顯示出來，這就構(gòu)成了一臺(tái)電池容量計(jì)。實(shí)際上，頻率的高低代表了電流的大小，電流大則頻率高，在同一時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖個(gè)數(shù)就多，反之亦然。而充放時(shí)間亦反映在對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)上，時(shí)間長(zhǎng)則計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)多。如此，就利用計(jì)數(shù)方式完成了對(duì)電池充放電量的計(jì)算。

圖1電池容量計(jì)原理框圖

　　絕對(duì)值放大器和可逆計(jì)數(shù)器二者的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電中放電間隙（即負(fù)脈沖充電）的計(jì)量，同時(shí)用一套電路完成了充放電兩個(gè)方向的計(jì)算。充電時(shí)正向計(jì)數(shù)，放電時(shí)反向計(jì)數(shù)（減數(shù)），用電流的流向控制可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向。

3方案論證及技術(shù)關(guān)鍵的解決

3.1電流取樣

　　電流取樣的目的是將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，一般有三種方式：

　?。?）取樣電阻；

　?。?）分流器；

　?。?）霍爾器件（包括互感器類）。

　　從電動(dòng)車電池使用來看，電流較大，顯然使用取樣電阻并不合適，而分流器又太重且體積也較大，不太適用，故霍爾器件較為適用。其優(yōu)點(diǎn)是線性程度優(yōu)于0.1％，適于范圍較大的跟蹤，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，這樣可即時(shí)跟蹤汽車起動(dòng)的瞬時(shí)電流。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車上安裝。它的缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴，但對(duì)于汽車上使用的電池價(jià)格來講完全可以忽略。由于選用可以購(gòu)買到的成熟產(chǎn)品，電路較簡(jiǎn)單不再列出。

3.2絕對(duì)值放大器

　　由于充放電電流方向不同，采用絕對(duì)值放大器，它將霍爾器件輸出的正負(fù)信號(hào)統(tǒng)一放大為正信號(hào)，然后送往壓頻轉(zhuǎn)換器。

　　絕對(duì)值放大器的設(shè)計(jì)方法較多，從電源上來看，有單電源、雙電源兩種方式，采用的運(yùn)放個(gè)數(shù)有一個(gè)和多個(gè)。本機(jī)由于采用霍爾器件且為雙向電流，故單電源沒有優(yōu)點(diǎn)，而單運(yùn)放的放大器，電阻取值太多，精度要求高，并且對(duì)負(fù)載亦應(yīng)考慮，不太適用。

　　本機(jī)采用由二運(yùn)放構(gòu)成的絕對(duì)值放大器，選用低失調(diào)、低漂移的運(yùn)算放大器0P－07，精度高且性能不受負(fù)載影響，這里苛求絕對(duì)值放大器的精度，不是為系統(tǒng)精度作貢獻(xiàn)，而是從另外一點(diǎn)考慮的。這就是前面提到的，就電池容量計(jì)而言，對(duì)電池監(jiān)測(cè)的最好辦法應(yīng)是同電池一體，始終監(jiān)視電池狀況。而這就要求電池沒有充放電流時(shí)，放大器的輸出為零，否則經(jīng)過長(zhǎng)期擱置后，容量計(jì)由于放大器誤差的關(guān)系指示充滿或放光，產(chǎn)生誤判。以高精度、低失調(diào)、低漂移設(shè)計(jì)完成后的樣機(jī)，滿度誤差為1mv，零度誤差小于1mv。參見圖2。

圖2絕對(duì)值放大器原理圖