電動(dòng)車(chē)電池容量計(jì)解決方案設(shè)計(jì).doc

1 前言 環(huán)境保護(hù)(簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)保)是由于生產(chǎn)發(fā)展導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題過(guò)于嚴(yán)重，首先引起發(fā)達(dá)國(guó)家的重視而產(chǎn)生的，利用國(guó)家法律法規(guī)約束和輿論宣傳而逐步引起全社會(huì)重視，由發(fā)達(dá)國(guó)家到發(fā)展中國(guó)家興起的一場(chǎng)保衛(wèi)生態(tài)環(huán)境和有效處理污染問(wèn)題的措施。實(shí)際上，不僅電動(dòng)車(chē)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(wú)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(lèi)產(chǎn)品問(wèn)世，但可能由于技術(shù)保密的原因，未見(jiàn)介紹其實(shí)現(xiàn)的方法。本文以電動(dòng)車(chē)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 基本原理電池的性能參數(shù)主要有電動(dòng)勢(shì)、容量、比能量和電阻。電動(dòng)勢(shì)等于單位正電荷由負(fù)極通過(guò)電池內(nèi)部移到正極時(shí)，電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動(dòng)勢(shì)取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無(wú)關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時(shí)作單位。在電池反應(yīng)中，1千克反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱(chēng)為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因?yàn)殡姵刂械姆磻?yīng)物并不全按電池反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)電池內(nèi)阻也要引起電動(dòng)勢(shì)降，因此常把比能量高的電池稱(chēng)做高能電池。電池的面積越大，其內(nèi)阻越小。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(chēng)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(lèi)、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(wèn)題，只研究完成計(jì)量電量功能的電路。電池容量是指電池存儲(chǔ)電量的大小。電池容量的單位是“mAh”，中文名稱(chēng)是毫安時(shí)(在衡量大容量電池如鉛蓄電池時(shí)，為了方便起見(jiàn)，一般用“Ah”來(lái)表示，中文名是安時(shí)，1Ah=1000mAh)。若電池的額定容量是1300mAh，如果以0.1C(C為電池容量)即130mA的電流給電池放電，那么該電池可以持續(xù)工作10小時(shí)(1300mAh/130mA=10h);如果放電電流為1300mA，那供電時(shí)間就只有1小時(shí)左右(實(shí)際工作時(shí)間因電池的實(shí)際容量的個(gè)別差異而有一些差別)。這是理想狀態(tài)下的分析，數(shù)碼設(shè)備實(shí)際工作時(shí)的電流不可能始終恒定在某一數(shù)值(以數(shù)碼相機(jī)為例，工作電流會(huì)因?yàn)長(zhǎng)CD顯示屏、閃光燈等部件的開(kāi)啟或關(guān)閉而發(fā)生較大的變化)，因而電池能對(duì)某個(gè)設(shè)備的供電時(shí)間只能是個(gè)大約值，而這個(gè)值也只有通過(guò)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)估計(jì)。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(wú)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。無(wú)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(jiàn)圖1。圖1 電池容量計(jì)原理框圖首先監(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)，通過(guò)一定方式將計(jì)數(shù)值顯示出來(lái)，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。在化學(xué)電池中，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁强侩姵貎?nèi)部自發(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，這種反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。負(fù)極活性物質(zhì)由電位較負(fù)并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳?xì)浠衔锏?。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的氧化劑組成，如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物，氧或空氣，鹵素及其鹽類(lèi)，含氧酸及其鹽類(lèi)等。電解質(zhì)則是具有良好離子導(dǎo)電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機(jī)或無(wú)機(jī)非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當(dāng)外電路斷開(kāi)時(shí)，兩極之間雖然有電位差(開(kāi)路電壓)，但沒(méi)有電流，存儲(chǔ)在電池中的化學(xué)能并不轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)外電路閉合時(shí)，在兩電極電位差的作用下即有電流流過(guò)外電路。同時(shí)在電池內(nèi)部，由于電解質(zhì)中不存在自由電子，電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應(yīng)，以及反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。為吉布斯反應(yīng)自由能增量(焦);F為法拉第常數(shù)=96500庫(kù)=26.8安小時(shí);n為電池反應(yīng)的當(dāng)量數(shù)。這是電池電動(dòng)勢(shì)與電池反應(yīng)之間的基本熱力學(xué)關(guān)系式，也是計(jì)算電池能量轉(zhuǎn)換效率的基本熱力學(xué)方程式。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：(1)取樣電阻;(2)分流器;(3)霍爾器件。從電動(dòng)車(chē)電池使用來(lái)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。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車(chē)上安裝。它的缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴，但對(duì)于汽車(chē)上使用的電池價(jià)格來(lái)講完全可以忽略。由于選用可以購(gòu)買(mǎi)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(lái)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(méi)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，就電池容量計(jì)而言，放大器的輸出為零，否則經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(mǎn)度誤差為1mv，零度誤差小于1mv.參見(jiàn)圖2。 圖2 絕對(duì)值放大器原理圖3.3壓頻轉(zhuǎn)換器壓頻轉(zhuǎn)換器是電池容量計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，它的線(xiàn)性度和精度直接影響到整機(jī)。實(shí)現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換的方法也有很多種。該器件較好的線(xiàn)性度為全程跟蹤精度提供了保證，并以較少的元件使體積縮小，電路原理見(jiàn)圖3。 圖3 壓頻轉(zhuǎn)換器原理圖3.4 可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器部分全部采用CMOS電路，一是功耗低，這對(duì)依靠電池本身供電顯得極為重要;二是其電平與運(yùn)放電平匹配，并使顯示范圍增大。見(jiàn)圖4。 圖4可逆計(jì)數(shù)器原理圖采用了14級(jí)脈沖進(jìn)位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器4020一片，4位可逆二進(jìn)制計(jì)數(shù)器4516二片，構(gòu)成21級(jí)計(jì)數(shù)器。而低14位則僅用來(lái)計(jì)數(shù)并不用作輸出，且4020是單向計(jì)數(shù)，無(wú)減法功能。 此種設(shè)計(jì)有兩大優(yōu)點(diǎn)：(1)4020是高集成度的計(jì)數(shù)器，可代替3片半4516來(lái)使用，這樣大大縮小了體積。(2)當(dāng)作加法時(shí)，4020可精確到最低位;作減法時(shí)，誤差為低十四位，但這個(gè)十四位也是一次性的最大誤差，無(wú)累加性，因?yàn)殡娐飞喜捎昧水惒?、同步?jì)數(shù)混用的方法。當(dāng)減去14個(gè)數(shù)，4020輸出異步脈沖4516減“1”，如同作真正減法一樣，而4020的數(shù)值是不能輸出的，這使得結(jié)果十分精確。3.5 控制電路該部分包含有預(yù)置電路、防溢出電路、計(jì)數(shù)方向控制電路。本樣機(jī)為適用范圍寬，在計(jì)數(shù)器的預(yù)置和控制電路上均增加了撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，這樣可以通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)置計(jì)數(shù)部分初值和終值，可達(dá)到檢測(cè)使用已知電池電容的目的，比較方便。同時(shí)為防計(jì)數(shù)器雙向溢出，分別設(shè)置防溢出電路，使計(jì)數(shù)器計(jì)到零和滿(mǎn)值時(shí)均不再計(jì)數(shù)，以防錯(cuò)誤。通過(guò)對(duì)電流流向的比對(duì)，輸出脈沖控制可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，構(gòu)成方向控制電路。3.6 顯示顯示有數(shù)字式、指針式兩種方式。為保證直觀的顯示，同時(shí)盡可能沿用普通汽車(chē)的儀表，仍采用汽車(chē)上原有指示電池電壓的電壓表。而在電壓表上設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)它來(lái)切換電壓、容量的指示，這樣較為方便。這需要將計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓。顯然用D/A轉(zhuǎn)換是可以的，但電路復(fù)雜程度上升，成本也有所提高。故為了簡(jiǎn)化電路我們僅借用D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的思想，利用權(quán)電阻T形網(wǎng)絡(luò)將4516的7位數(shù)值變換成模擬量輸出，推動(dòng)電壓表指示，見(jiàn)圖5。 圖5顯示電路原理圖3.7 工作電源部分電池容量計(jì)不同于其它儀器的是它只能使用電池作為電源，而由于電池電壓的變化及波動(dòng)，直接使用顯然是不合適的，為此必須由電池引出產(chǎn)生二次電源。首先霍爾器件需電源12V，電路控制計(jì)數(shù)等部分也亦借用12V，另外我們考慮到為了使容量指示更直觀清晰，其最大電壓范圍應(yīng)大些，同時(shí)也能充分利用其電壓表有效指示。其電壓表范圍為40V，而電池電壓最高為30V，故設(shè)定容量指示最大指示為28V，這就需要電源電壓為30V.由于電池起動(dòng)時(shí)有大電流放電，使電壓波動(dòng)十分厲害，約1530V，為適應(yīng)其變化，同時(shí)減小容量計(jì)自身功耗，提高效率，設(shè)計(jì)全部采用開(kāi)關(guān)電源。首先+12V的獲得是采用LM2575降壓調(diào)整器，該芯片輸入電壓可達(dá)40V，固定振蕩頻率52kHz，電壓、電流調(diào)整率較好，適應(yīng)容量計(jì)的要求。-12V是利用+12V為輸入，通過(guò)34063DC/DC變換器加以變換而成。這樣損失了部分功率。我們?cè)O(shè)計(jì)用M2575HV(輸入電壓60V)由電池電壓直接引入，損失較小。故我們?cè)谠O(shè)計(jì)中一直在尋找簡(jiǎn)潔的方法，最后經(jīng)試驗(yàn)決定利用555振蕩器升壓并采用倍壓整流的方法將12V提升至30V，效果極好，見(jiàn)圖6。4 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1 電壓/頻率關(guān)系的設(shè)定電壓010V對(duì)應(yīng)頻率010kHz 圖6 30V電源原理圖電流01000A對(duì)應(yīng)電壓010V這幾個(gè)值的選取，綜合考慮了霍爾元件、放大器、F/V轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的最佳值及試驗(yàn)樣機(jī)的需要。4.2 計(jì)數(shù)位數(shù)4020-14位4516兩片共8位，加起來(lái)為22位，僅采用21位，其計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為：221=2.097152106.對(duì)10kHz的計(jì)數(shù)時(shí)間T=(2211/104)秒=3.49分。當(dāng)10kHz對(duì)應(yīng)1000A時(shí)，對(duì)45Ah電池來(lái)講T=C/I=45/1000=0.045h=2.7分3.49分，可見(jiàn)計(jì)時(shí)已夠，滿(mǎn)度計(jì)時(shí)安時(shí)數(shù)為(2211/104)1000/3600=58.25Ah.4.3 誤差的計(jì)算前14級(jí)計(jì)數(shù)時(shí)間為T(mén)=214，總計(jì)時(shí)為T(mén)=221，相對(duì)誤差T/T=214/221=0.78%.可見(jiàn)前14級(jí)誤差極小，尚不足1%，且其僅在做減法時(shí)一次性出現(xiàn)，可以忽略。故采用一片4020代替三片4516是合