基于單片機的車輛蓄電池報警器設計

0 引 言

蓄電池是汽車上的重要部件，不僅為發(fā)動機啟動提供動力，而且為用電設備提供電能，并存儲充電系統(tǒng)的多余電能，蓄電池技術狀態(tài)的好壞直接影響汽車的正常運行。實際工作生活中，蓄電池技術狀況的檢查手段比較落后，特別就一般車輛而言，缺少在線、直觀、實時的反映蓄電池技術狀況的儀器儀表，多數(shù)為無法啟動車輛時才送檢，通常因蓄電池保管不善、保養(yǎng)不及時、放電過度而早期損壞。為了解決對車輛蓄電池技術狀況的實時監(jiān)測問題，做到及時對需要充電的蓄電池進行充電，對需要維護修理的蓄電池進行維護保養(yǎng)，研制一款能對車輛蓄電池的技術狀態(tài)檢測報警的蓄電池報警器有實際意義。

車輛蓄電池報警器要能實現(xiàn)的基本功能包括：特定條件下蓄電池剩余電量指示，蓄電池內阻大報警，充電電壓過高報警，非規(guī)范啟動(單次起動時間超過5 s 、兩次啟動間隔時間少于15s、連續(xù)啟動次數(shù)超過3 次)發(fā)動機提示報警。而且根據(jù)實際使用條件，報警器要輕便、實用、直觀、可靠，并且做到不影響車輛性能，安裝簡單，適用性好。

1 檢測方法的選擇

蓄電池剩余電量的指示是報警器的一個主要功能，合理的選擇蓄電池剩余電量檢測方法成為報警器設計的關鍵。常見的蓄電池剩余電量的檢測方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內阻法、庫侖計法等。選擇的原則是要能夠滿足整體功能的設計要求，并考慮使用環(huán)境、條件以及成本等因素。

1.1 蓄電池剩余電量常見檢測方法

●密度法：蓄電池剩余電量和其內部電解液密度密切相關，通過測量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。電解液密度隨蓄電池放電程度的增加而按比例下降。

充足電的蓄電池到放電終了，電解液密度約下降0.16,即電解液密度下降0.04,蓄電池約下降25%[1].通常用吸液管密度計測量電解液密度，用溫度計測出電解液溫度，再根據(jù)標準溫度進行換算。只能離線人工檢測。

●開路電壓法：蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關，而根據(jù)能斯特方程的描述電解液濃度和溫度變化會引起電池電動勢的變化。因此，通過測量蓄電池的端電壓，也可以推算出蓄電池的剩余電量。

●放電法：通過對蓄電池施加一負載，計算單位時間內的電池端電壓變化率，根據(jù)變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著剩余電量大，否則反之。為了實現(xiàn)在線測量，縮短測量時間，需要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會產生嚴重損傷，嚴重影響電池的使用壽命[2].

●內阻法：內阻與電池容量的相關性非常好，相關系數(shù)可以達到8 8 % .因此，通過測量電池內阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池完全充電(充滿)和完全放電(放完)時，其內阻相差2 ~4 倍左右。隨著電池充電過程的進行，內阻逐步減小;隨著放電過程的進行，內阻逐步增大。

另外，隨著電池老化，其內阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is,然后檢測電池端電壓Vo 以及Is 和Vo 兩者之間的夾角θ。通過公式Z =Vo/Io,R=Zcos θ，即可得到電池內阻值，從而得到剩余電量。內阻法4 線制接線，精確度相對高。

●庫侖計法：通過對流入/ 流出電池的總電流進行積分，得到的凈電荷數(shù)即為剩余容量。庫侖計電路一般使用一個阻值非常低的串聯(lián)電阻作為檢流電阻，通過檢測檢流電阻上的壓降反推電流，再通過電流對時間的積分來計算電量變化。電池初始容量可以預置，也可由完整充電周期來統(tǒng)計學習。Maxim 公司提供一系列精確的智能電池電量計芯片，如DS2780,在一塊芯片內集成了庫侖計、溫度傳感、電池電壓檢測、時鐘和非易失存儲器，能夠對電池電量進行精確計算。

1.2 報警器選擇開路電壓法

1.2.1 開路電壓法的局限性

● 對于不同廠商生產的電池，其開路電壓與容量之間的關系有差異。

●只有通過測量電池空載時的開路電壓才能獲得相對準確的結果，而在運行時由于負載電流在內阻上產生的壓降將影響開路電壓的測量精度。

●蓄電池在充電(以及大電流放電)后會產生虛高(與虛低)現(xiàn)象，主要原因是充電時電解質濃度分布不均勻而形成表面電荷，表面電荷將提高蓄電池電壓而引起虛高現(xiàn)象。表面電荷可通過短時低電流放電消除，也可在蓄電池靜置幾個小時后自行消除。

1.2.2 選擇開路(端)電壓法的理由

●與其他使用蓄電池的方式不同，汽車蓄電池在啟動時有一個大電流放電，而在引擎正常運轉后會帶動發(fā)電機向蓄電池充電。所以對蓄電池剩余電量的關心是在點火啟動前，而在點火開關和附屬電器設備關閉時的端電壓可以近似為開路電壓，此時通過開路電壓法來判斷剩余電量是可行、恰到好處的。而在點火以及充電過程中則可通過端電壓曲線的變化來分析判斷內阻大，充電電壓過高，非規(guī)范啟動電機等技術狀態(tài)并伺機報警。

● 與其他任何方法相比開路(端)電壓法對蓄電池的影響最小，只需兩根線并接到蓄電池上，同時作為報警器的電源和檢測信號的輸入，安裝最簡便;不需要對蓄電池改動或增加附件，適應性好，互換性強。

●由于蓄電池端電壓變化率(約為30 %~40 %)遠小于其內阻變化率(相差2 ~4 倍)，因此采用開路電壓法的精確度無法與內阻法相比。但報警器的使用環(huán)境并不要求很高精確度，而開路電壓法能夠滿足精度要求，并且電路簡單，成本低。

通過對各種檢測方法的分析比較，綜合考慮報警器實際使用條件，安裝，成本等因素，我們選擇開路(端)電壓法作為報警器的基本檢測方法。

2 系統(tǒng)設計

報警器采用以微處理器(MCU)為核心，包括分壓取樣與信號調理單元，A/D 轉換模塊單元、電源單元、顯示及報警輸出單元、按鍵與設置單元構成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖