- 電池容量計(jì)基本原理
- 方案及技術(shù)關(guān)鍵的解決
- 產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)與計(jì)算
- 絕對(duì)值放大器
- 壓頻轉(zhuǎn)換器
- 可逆計(jì)數(shù)器
隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展環(huán)保汽車的研制，我國(guó)也正在投入資金開(kāi)發(fā)以電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車。而電動(dòng)車必不可少的儀器就是電池容量計(jì)，就象普通汽車的油量表一樣，告訴使用者電池還剩余多少容量，能夠行駛多少公里。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(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）。
基本原理
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(wèn)題，只研究完成計(jì)量電量功能的電路。
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。顯然電池容量計(jì)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足多數(shù)的充放電方式。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。
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)，最后送入計(jì)數(shù)器記錄脈沖的個(gè)數(shù)，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。
圖1電池容量計(jì)原理框圖
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。
方案論證及技術(shù)關(guān)鍵的解決
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：
?。?）取樣電阻；
?。?）分流器；
（3）霍爾器件（包括互感器類）。
從電動(dòng)車電池使用來(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。其優(yōu)點(diǎn)是線性程度優(yōu)于0.1％，適于范圍較大的跟蹤，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，這樣可即時(shí)跟蹤汽車起動(dòng)的瞬時(shí)電流。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(lái)講完全可以忽略。由于選用可以購(gòu)買到的成熟產(chǎn)品，電路較簡(jiǎn)單不再列出。
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，這里苛求絕對(duì)值放大器的精度，不是為系統(tǒng)精度作貢獻(xiàn)，而是從另外一點(diǎn)考慮的。這就是前面提到的，就電池容量計(jì)而言，對(duì)電池監(jiān)測(cè)的最好辦法應(yīng)是同電池一體，始終監(jiān)視電池狀況。而這就要求電池沒(méi)有充放電流時(shí)，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
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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。從形式上看，有分立元件和專用集成芯片兩種形式，一般的分立元件精度、體積、調(diào)整復(fù)雜程度均高于集成芯片，但其價(jià)格較低，而專用芯片在線性度、電壓穩(wěn)定度、精度等指標(biāo)相對(duì)可接受的價(jià)格而言有所降低。我們考慮到體積和充放電全程跟蹤及性能價(jià)格比的問(wèn)題，選擇了VFC32為電壓頻率轉(zhuǎn)換器件，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(jiàn)圖3。
圖3壓頻轉(zhuǎn)換器原理圖
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。其中高7位計(jì)數(shù)器數(shù)值有效作為計(jì)數(shù)值并輸出，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)：
?。?）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。
?。?）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)（雖然4020是加），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。
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。
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(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
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15～30V，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，但由于60V的LM2575HV未能買到，只得作罷。將來(lái)如有批量，可定貨。好在－12V功率有限，損失較小?！ ?0V一組電源，其電壓高，電流小，如采用普通DC變換器如2575或其他器件，體積過(guò)大，且磁心元件等都大為浪費(fèi)，得不償失。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。
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與計(jì)算
電壓/頻率關(guān)系的設(shè)定
電壓0～10V對(duì)應(yīng)頻率0～10kHz
圖630V電源原理圖
電流0～1000A對(duì)應(yīng)電壓0～10V
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。
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=2.097152×106。
對(duì)10kHz的計(jì)數(shù)時(shí)間
T=(221×1/104)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，滿度計(jì)時(shí)安時(shí)數(shù)為
(221×1/104)×1000/3600=58.25Ah。
3誤差的計(jì)算
前14級(jí)計(jì)數(shù)時(shí)間為△T=214，總計(jì)時(shí)為T=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是合理的。
性能測(cè)試結(jié)果
整機(jī)測(cè)試，條件為充放電流15A，電壓（代表容量）指示滿容量為28.002V，電池容量放盡后，電壓（代表容量）指示為0V，指示容量與實(shí)際容量誤差為3％，符合設(shè)計(jì)要求。
在輸出容量等于輸入容量乘以損失系數(shù)的模式下，本文以電動(dòng)車為使用對(duì)象，對(duì)輸入取樣、絕對(duì)值放大、壓頻轉(zhuǎn)換、顯示及工作電源各部分作了深入細(xì)致的闡述，進(jìn)行了非常有益的探索，是目前計(jì)量電池容量的有效方法之一，適用于無(wú)記憶效應(yīng)、性能相對(duì)穩(wěn)定的電池。
