48V20Ah铅酸电池组管控系统的设计_铅酸电池组_电池寿命

48V20Ah铅酸电池组管控系统的设计

2012/8/2 21:04:04

1 概述

自去年3月国家将铅酸电池企业的整治作为2011年环保专项行动的首要任务以来，48V铅酸电池组的价格都有了不同程度的上涨，平均在百元左右。占铅酸电池市场总产量的37%以上、保持97.5%的使用比例的电动自行车行业应该从铅酸电池是使用过程中想方设法延长电池的使用寿命，提高电池组的循环次数。

由于电池的电能是由化学能转换而来的，也就是说电池能量释放是依靠化学反应。电池在制造过程中，其极板的厚薄、活性物质活化程度等的细小差别都会影响电池的性能，同一类型、规格、型号的电池在电压、内阻、容量方面存在差别，性能表现很不一致。因此电池本身所存在的性能一致性差等原因，以及与之配套使用的不同厂家的充电器性能差异，当用传统的充电器对串联而成的蓄电池组进行充电时，组中各电池块所分得的充电电压通常是不相等的。也就是说每块电池所分配到的充电电压是有大有小。电压差的大小与组中电池间的性能好坏直接相关。使用传统的充电器对串联而成的蓄电池组进行充电，随着电池组循环次数的增加，必然会导致某块电池过充、某块电池欠充，引起某块电池过放。如此循环，使串联电池组容量下降加快，使用寿命缩短。为了减弱电池一致性差因素的影响，最有效的办法是根据组内各电池的状态进行管理和控制。

2 系统结构

电池管理控制系统主要是为了保障电池的合理使用，实时监控电池组内各单块电池的状态，防止单块电池出现欠充电、过充电和过放电，延长电池组的使用寿命。为了避免电池组中电池在充电过程中出现欠充、过充，有效的办法是在充电过程中根据电池的荷电状态及时进行均衡，尽可能地保持电池电量的均等。为了避免电池组中电池过放，合理的方法是及时提供电池组的荷电信息给用户、以及限制负载的用电量直至停止供电。因此管理控制系统应具备人机交互、电流采集、电压采集、温度采集、电量均衡、充电调节、放电控制等功能^[1]，其结构框图如图1所示。

图1 电池管理控制系统结构框图

3 硬件组成

电池管理控制系统按照各自的功能由11个单元电路组成：单片机基本电路、存储器电路、键盘显示电路、充电电流采集电路、放电电流采集电路、电池组温度采集电路、放电控制电路、充电控制电路、4路电池电压采集电路、4路电池电量均衡电路、以及供电电路。所有单元电路都在同一个单片机控制下工作。

1）单片机基本电路

单片机基本电路是单片机的一个最小系统，由单片机芯片和晶体时钟振荡电路组成^[2]。

2）存储器电路

存储器电路使用的是常用芯片，根据需要存储的数据量选用ATMEL公司I2C 总线的AT24C系列芯片。

3）键盘显示电路

键盘显示电路由4个独立的按键和一个LCD显示屏组成。每个键占用一个MCU口，显示屏使用并口型。

4）充电电流采集电路

由于48V20Ah电池组的充电电流一般不会超过5A，所以采用精密电阻测量的方法^[3]以减小硬件成本。

5）放电电流采集电路

电动自行车在行驶中的电流一般在5A左右，瞬时最大值也不会超过30A，考虑到成本的因素，放电电流测量也使用精密电阻测量的方法，与充电电流的测量电路类似，只是放大器的放大倍数不同。

图2 电流测量电路

6）电池组温度采集电路

温度采集则采用了单总线集成温度传感器DS18B20。其主要性能有采用单总线接口方式与微处理器连接时仅需一条I/O口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点。测量温度范围宽，测量精度高；DS18B20的测量范围为-55℃-125℃，在-10℃-85℃范围内，精度为±0.5℃。在使用时不需要任何外围元件。持多点组网功能；多个DS18B20可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。供电方式灵活。测量参数可配置；DS18B20的测量分辨率可通过程序设定为9-12位。负压特性；电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。掉电保护功能；DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。DS18B20测温电路如图3所示。