電動車電池容量計解決方案設(shè)計.doc

1 前言 環(huán)境保護(簡稱環(huán)保)是由于生產(chǎn)發(fā)展導(dǎo)致的環(huán)境污染問題過于嚴重，首先引起發(fā)達國家的重視而產(chǎn)生的，利用國家法律法規(guī)約束和輿論宣傳而逐步引起全社會重視，由發(fā)達國家到發(fā)展中國家興起的一場保衛(wèi)生態(tài)環(huán)境和有效處理污染問題的措施。實際上，不僅電動車需要電池容量計，許多使用電池的場合都對此有迫切的要求。傳統(tǒng)的對電池監(jiān)視的手段僅僅是一塊電壓表，而電壓卻不能準確反映電池的容量，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)鍵場合的使用，還易出現(xiàn)誤判引起事故。因此研制一臺反映電池容量的儀器就顯得十分必要了。目前國外已有同類產(chǎn)品問世，但可能由于技術(shù)保密的原因，未見介紹其實現(xiàn)的方法。本文以電動車為使用對象，提出了一種采用電量計量方法實現(xiàn)的電池容量計，可在一定條件下計量電池容量。它基于這樣一種原理，即對電池充進能量和放出能量進行計算并乘以相應(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)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內(nèi)部移到正極時，電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無關(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)生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應(yīng)物并不全按電池反應(yīng)進行，同時電池內(nèi)阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。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出容量。我們設(shè)想在傳統(tǒng)的單一電池上裝備這種稱之為電池容量計的儀器以達到顯示容量的目的。該容量計動態(tài)監(jiān)視電池充進電量的總和及放出總電量并運算后直觀顯示。影響電池容量的其它因素綜合為一個損失系數(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，主要靠試驗獲得，故這里不討論系數(shù)問題，只研究完成計量電量功能的電路。電池容量是指電池存儲電量的大小。電池容量的單位是“mAh”，中文名稱是毫安時(在衡量大容量電池如鉛蓄電池時，為了方便起見，一般用“Ah”來表示，中文名是安時，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(1300mAh/130mA=10h);如果放電電流為1300mA，那供電時間就只有1小時左右(實際工作時間因電池的實際容量的個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)備實際工作時的電流不可能始終恒定在某一數(shù)值(以數(shù)碼相機為例，工作電流會因為LCD顯示屏、閃光燈等部件的開啟或關(guān)閉而發(fā)生較大的變化)，因而電池能對某個設(shè)備的供電時間只能是個大約值，而這個值也只有通過實際操作經(jīng)驗來估計。電池充放電有多種方式，恒流、限壓、脈沖、負脈沖等等，所以簡單地用電流乘以時間計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)負脈沖充電的需要，同時它需要時間參數(shù)，亦不太適合。無論何種充電方式，其影響電池容量的關(guān)鍵參數(shù)即為電流和時間，負脈沖充電情況下只是同時有負電流。為此我們設(shè)計了如下工作方式的電池容量計電路，原理方框圖見圖1。圖1 電池容量計原理框圖首先監(jiān)測電池的充放電電流，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后放大，送入電壓頻率轉(zhuǎn)換器使其變?yōu)轭l率信號，通過一定方式將計數(shù)值顯示出來，這就構(gòu)成了一臺電池容量計。實際上，頻率的高低代表了電流的大小，電流大則頻率高，在同一時間內(nèi)記錄的脈沖個數(shù)就多，反之亦然。而充放時間亦反映在對脈沖的計數(shù)上，時間長則計數(shù)個數(shù)多。如此，就利用計數(shù)方式完成了對電池充放電量的計算。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)分別在兩個電極上進行。負極活性物質(zhì)由電位較負并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。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，含氧酸及其鹽類等。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，有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當外電路斷開時，兩極之間雖然有電位差(開路電壓)，但沒有電流，存儲在電池中的化學(xué)能并不轉(zhuǎn)換為電能。當外電路閉合時，在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時在電池內(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=26.8安小時;n為電池反應(yīng)的當量數(shù)。這是電池電動勢與電池反應(yīng)之間的基本熱力學(xué)關(guān)系式，也是計算電池能量轉(zhuǎn)換效率的基本熱力學(xué)方程式。絕對值放大器和可逆計數(shù)器二者的結(jié)合，實現(xiàn)了對充電中放電間隙(即負脈沖充電)的計量，同時用一套電路完成了充放電兩個方向的計算。充電時正向計數(shù)，放電時反向計數(shù)(減數(shù))，用電流的流向控制可逆計數(shù)器的計數(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變?yōu)殡妷盒盘?，一般有三種方式：(1)取樣電阻;(2)分流器;(3)霍爾器件。從電動車電池使用來看，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。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車上安裝。它的缺點是價格稍貴，但對于汽車上使用的電池價格來講完全可以忽略。由于選用可以購買到的成熟產(chǎn)品，電路較簡單不再列出。3.2 絕對值放大器由于充放電電流方向不同，采用絕對值放大器，它將霍爾器件輸出的正負信號統(tǒng)一放大為正信號，然后送往壓頻轉(zhuǎn)換器。絕對值放大器的設(shè)計方法較多，從電源上來看，有單電源、雙電源兩種方式，采用的運放個數(shù)有一個和多個。本機由于采用霍爾器件且為雙向電流，故單電源沒有優(yōu)點，而單運放的放大器，電阻取值太多，精度要求高，并且對負載亦應(yīng)考慮，不太適用。本機采用由二運放構(gòu)成的絕對值放大器，選用低失調(diào)、低漂移的運算放大器0P-07，精度高且性能不受負載影響，就電池容量計而言，放大器的輸出為零，否則經(jīng)過長期擱置后，容量計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)計完成后的樣機，滿度誤差為1mv，零度誤差小于1mv.參見圖2。 圖2 絕對值放大器原理圖3.3壓頻轉(zhuǎn)換器壓頻轉(zhuǎn)換器是電池容量計的核心部分，負責(zé)將放大的信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，它的線性度和精度直接影響到整機。實現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換的方法也有很多種。該器件較好的線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，電路原理見圖3。 圖3 壓頻轉(zhuǎn)換器原理圖3.4 可逆計數(shù)器計數(shù)器部分全部采用CMOS電路，一是功耗低，這對依靠電池本身供電顯得極為重要;二是其電平與運放電平匹配，并使顯示范圍增大。見圖4。 圖4可逆計數(shù)器原理圖采用了14級脈沖進位二進制計數(shù)器4020一片，4位可逆二進制計數(shù)器4516二片，構(gòu)成21級計數(shù)器。而低14位則僅用來計數(shù)并不用作輸出，且4020是單向計數(shù)，無減法功能。 此種設(shè)計有兩大優(yōu)點：(1)4020是高集成度的計數(shù)器，可代替3片半4516來使用，這樣大大縮小了體積。(2)當作加法時，4020可精確到最低位;作減法時，誤差為低十四位，但這個十四位也是一次性的最大誤差，無累加性，因為電路上采用了異步、同步計數(shù)混用的方法。當減去14個數(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、計數(shù)方向控制電路。本樣機為適用范圍寬，在計數(shù)器的預(yù)置和控制電路上均增加了撥動開關(guān)，這樣可以通過撥動開關(guān)設(shè)置計數(shù)部分初值和終值，可達到檢測使用已知電池電容的目的，比較方便。同時為防計數(shù)器雙向溢出，分別設(shè)置防溢出電路，使計數(shù)器計到零和滿值時均不再計數(shù)，以防錯誤。通過對電流流向的比對，輸出脈沖控制可逆計數(shù)器的計數(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，同時盡可能沿用普通汽車的儀表，仍采用汽車上原有指示電池電壓的電壓表。而在電壓表上設(shè)置一個開關(guān)，通過它來切換電壓、容量的指示，這樣較為方便。這需要將計數(shù)器的二進制數(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，推動電壓表指示，見圖5。 圖5顯示電路原理圖3.7 工作電源部分電池容量計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，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.由于電池起動時有大電流放電，使電壓波動十分厲害，約1530V，為適應(yīng)其變化，同時減小容量計自身功耗，提高效率，設(shè)計全部采用開關(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40V，固定振蕩頻率52kHz，電壓、電流調(diào)整率較好，適應(yīng)容量計的要求。-12V是利用+12V為輸入，通過34063DC/DC變換器加以變換而成。這樣損失了部分功率。我們原設(shè)計用M2575HV(輸入電壓60V)由電池電壓直接引入，損失較小。故我們在設(shè)計中一直在尋找簡潔的方法，最后經(jīng)試驗決定利用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，見圖6。4 產(chǎn)品的設(shè)計與計算4.1 電壓/頻率關(guān)系的設(shè)定電壓010V對應(yīng)頻率010kHz 圖6 30V電源原理圖電流01000A對應(yīng)電壓010V這幾個值的選取，綜合考慮了霍爾元件、放大器、F/V轉(zhuǎn)換設(shè)計的最佳值及試驗樣機的需要。4.2 計數(shù)位數(shù)4020-14位4516兩片共8位，加起來為22位，僅采用21位，其計數(shù)個數(shù)為：221=2.097152106.對10kHz的計數(shù)時間T=(2211/104)秒=3.49分。當10kHz對應(yīng)1000A時，對45Ah電池來講T=C/I=45/1000=0.045h=2.7分3.49分，可見計時已夠，滿度計時安時數(shù)為(2211/104)1000/3600=58.25Ah.4.3 誤差的計算前14級計數(shù)時間為T=214，總計時為T=221，相對誤差T/T=214/221=0.78%.可見前14級誤差極小，尚不足1%，且其僅在做減法時一次性出現(xiàn)，可以忽略。故采用一片4020代替三片4516是合