蓄电池剩余容量在线测试仪设计方法

蓄电池剩余容量在线测试仪
新闻来源：北京市计科能源技术开发公司　　 作者：陈子平*　王斯成　　　日期：2005-6-24 15:51:00 　

　　摘　要　本文描述了蓄电池剩余容量在线测试仪在设计原理和电路结构。测试仪依据蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型，用单片机实现其计算，并辅以小键盘输入参数，液晶显示测量结果。本测试仪在线测试蓄电池剩余容量的理想工具。

　　关键词　蓄电池剩余容量 = 荷电状态（SOC）　在线测试仪

　　　　　　　　　Ｂａｔｔｅｒｙ ＳＯＣ Ｏｎｌｉｎｅ Ｔｅｓｔｅｒ
　　　　　　　　　　　　　by Chen Ziping*　Wang Sicheng

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ　This paper describes the design principle and electric circuit of Battery SOC Online Tester. It is based on SOC mathematical model for battery discharging and charging process. SOC can be calculated by microprocessor during test .The parameters can be input by keyboard and the test results can be displayed on LCD screen. This tester is a ideal tool for battery SOC measurement.
　　ＫｅｙＷｏｒｄ 　The Left Capacity of Battery = State of Charge　Online Tester

0　概述

　　蓄电池是一种使用非常广泛的产品，例如太阳能光伏系统、移动通讯的基站、汽车等等都少不了它，它又是成本比较高的产品，因此如何延长其使用寿命，是一项很有意义的工作。而快速在线检测蓄电池的剩余容量SOC（又称蓄电池的荷电状态），便于蓄电池的用户或检修工程师迅速了解蓄电池的状态，以便采取措施，防止蓄电池的过充电和过放电，从而可达到延长蓄电池的使用寿命。SOCT-I蓄电池容量测试仪就是为达此目的而研制的。

1　蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型

　　铅酸蓄电池剩余容量（SOC）与蓄电池端电压、充放电电流、初始电液比重、环境温度等物理化学参数之间的关系可以用数学模型表示（数学模型另文发表），基于这个数学模型，就可以通过测量蓄电池充放电过程中的各个物理参数得知蓄电池的当前容量。数学模型表达式如下：

U放 =Ur - axLOG(1+DOD/SOC)- bxLOG(1+I/(Ahx(1+K(T-25)))xDODx100) -I/(Ahx(1+K(T-25)))xcx(0.01x(25-T))xDOD
　　a：由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1~0.2；
　　b：电化学极化项常数，0.1~0.15；
　　c：内阻极化项常数，0.08~0.15；
　　U充 = Ur+ dxLOG(1+SOC/DOD)+ exLOG(I/(Ahx(1+K(T-25)))xSOCx100)  
+I/(Ahx(1+K(T-25)))xfx(0.01x(25-T))xDOD
　　d：由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1~0.2；
　　e：电化学极化项常数，0.2~0.25；
　　f：内阻极化项常数，0.15~0.25；

　　JK SOC-I蓄电池剩余容量测试仪就是根据上述蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型研制的。

2　蓄电池剩余容量在线测试仪的研制方案

　　从数学模型可以看出几个主要物理量对SOC的影响较大：
　　1）不同充放电率I/Ah          
　　2）不同初始电压Ur      
　　3）不同温度T
　　温度主要影响蓄电池的额定容量。
　　温度对额定容量的影响：Ca=Cr×[1+K（T-25）]
　　Ca：任何温度下的蓄电池实际容量；
　　Cr：蓄电池在25℃下的额定容量；
　　T：实际温度℃；
　　K：温度系数，温度每变化1℃，SOC变化约为0.5%～0.8%。

　　温度对额定容量的影响表现在对充放电率I/Ah的影响，温度降低或增加20℃，充放电率增大或减小10% ～16%。一般蓄电池的工作温度最多在25±10℃ 变化，因此，充放电率也只在 ±（5%～ 8%）变化。对SOC的影响就更小。

　　可以看出温度对SOC的影响比起I/Ah、Ur要小得多。

　　从蓄电池端电压与SOC之间关系的数学模型分析，SOC除了与端电压有关以外，还与蓄电池充放电率、初始电动势、温度等物理量有关，因此在设计蓄电池容量在线测试仪时，必须考虑到这些物理量的输入方式，同时必须便于工程师携带。还有一个因素即成本，应在保证实现所有功能前提下尽可能降低成本。

　　综合考虑上述因素，拟采用下述方案：

　　1）用嵌入式微处理器芯片作为仪器的核心器件，由它按蓄电池端电压与SOC之间关系数学模型完成主要计算。
　　2）有两个模拟量需实测：蓄电池电压、环境温度。为降低成本，拟采用串行数据输出的 A/D转换芯片。
　　3）蓄电池充放电率、初始电动势拟采用小键盘输入。
　　4）采用128×64LCD液晶显示器显示输入量及计算出的SOC。
　　5）为便于携带供电方式拟采用2种方式：电池或15V稳压电源 。

3　蓄电池剩余容量在线测试仪的实现

　　按上述方案设计的蓄电池容量在线测试仪功能框图如图1所示。
电路说明：

　　1）微处理器采用AT89S52单片机，此单片机低成本，低功耗，高性能，易扩充，并有8K程序存储器，SOC的计算及键盘输入、LCD显示等控制都由此芯片完成。

　　2）温度检测采用了DALLAS的DS18B20。此芯片具有温度传感器和A/D转换功能，转换后的串行数据通过one _wire(一线)与CPU通讯。测量温度范围从-55 ℃到+125 ℃，芯片转换精度为0.0625℃。

　　3）端电压采样采用物美价廉的电压转频率芯片LM331，调到转换精度为1/1 000V，即调成1V电压转换为1 000Hz频率。

LM331芯片的原理及应用电路器件参数详见LM331数据手册。

　　4）电源模块采用一个插入开关，当没有外部电源时由电池供电，当有外部电源接入时，断开电池连接，由15V直流适配器给电路供电。

　　软件处理流程主程序见图2（略）所示。

　　蓄电池剩余容量在线测试仪样机如图3（略）所示。
 
　　本测试仪所用数学模型已经广东番禺恒达蓄电池总厂产品测试，误差不超过10%。