電動(dòng)車電池容量計(jì)解決方案設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：電池容量 電源

1 前言

環(huán)境保護(hù)(簡(jiǎn)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(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題的措施。

實(shí)際上，不僅電動(dòng)車需要電池容量計(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)外已有同類產(chǎn)品問世，但可能由于技術(shù)保密的原因，未見介紹其實(shí)現(xiàn)的方法。

本文以電動(dòng)車為使用對(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、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，一般用“Ah”來表示，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)值也只有通過實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)來估計(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)，通過一定方式將計(jì)數(shù)值顯示出來，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衔锏取Ｕ龢O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(jī)或無機(jī)非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當(dāng)外電路斷開時(shí)，兩極之間雖然有電位差(開路電壓)，但沒有電流，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=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(diǎn)是價(jià)格稍貴，但對(duì)于汽車上使用的電池價(jià)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(jiǎn)單不再列出。