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电池容量计的一种实现方法

导读: 本文以电动车为使用对象,提出了一种采用电量计量方法实现的电池容量计,可在一定条件下计量电池容量。它基于这样一种原理,即对电池充进能量和放出能量进行计算并乘以相应的损失系数从而指示电池的容量。

  1引言

  随着环保意识的逐渐加强,世界各国竞相开展环保汽车的研制,我国也正在投入资金开发以电池为动力的电动汽车。而电动车必不可少的仪器就是电池容量计,就象普通汽车的油量表一样,告诉使用者电池还剩余多少容量,能够行驶多少公里。实际上,不仅电动车需要电池容量计,许多使用电池的场合都对此有迫切的要求。传统的对电池监视的手段仅仅是一块电压表,而电压却不能准确反映电池的容量,经常出现电压正常,却无容量的现象。作为使用者常常感到困惑的就是不知电池还能使用多久,因此影响到许多关键场合的使用,还易出现误判引起事故。因此研制一台反映电池容量的仪器就显得十分必要了。目前国外已有同类产品问世,但可能由于技术保密的原因,未见介绍其实现的方法。

  本文以电动车为使用对象,提出了一种采用电量计量方法实现的电池容量计,可在一定条件下计量电池容量。它基于这样一种原理,即对电池充进能量和放出能量进行计算并乘以相应的损失系数从而指示电池的容量(该系数应考虑到充电效率及电池放电电流大小以及其它因素对电池容量的影响)。

  2基本原理

  电池的容量除了一些电池本身的因素外,主要取决于充电量和放电量,显然如果始终能记录下电池的充放电情况就可以测出容量。我们设想在传统的单一电池上装备这种称之为电池容量计的仪器以达到显示容量的目的。该容量计动态监视电池充进电量的总和及放出总电量并运算后直观显示。影响电池容量的其它因素综合为一个损失系数,该系数乘以充放电量的算数和即为电池剩余容量。由于电池的种类、大小、性能不尽相同,损失系数是不相同的,主要靠试验获得,故这里不讨论系数问题,只研究完成计量电量功能的电路。

  电池充放电有多种方式,恒流、限压、脉冲、负脉冲等等,所以简单地用电流乘以时间计量容量的方式无法适应除恒流外的其他方式,而积分方式又不能适应负脉冲充电的需要,同时它需要时间参数,亦不太适合。显然电池容量计的设计应满足多数的充放电方式。无论何种充电方式,其影响电池容量的关键参数即为电流和时间,负脉冲充电情况下只是同时有负电流。为此我们设计了如下工作方式的电池容量计电路,原理方框图见图1。

  首先监测电池的充放电电流,将其转换为电压信号后放大,送入电压频率转换器使其变为频率信号,最后送入计数器记录脉冲的个数,通过一定方式将计数值显示出来,这就构成了一台电池容量计。实际上,频率的高低代表了电流的大小,电流大则频率高,在同一时间内记录的脉冲个数就多,反之亦然。而充放时间亦反映在对脉冲的计数上,时间长则计数个数多。如此,就利用计数方式完成了对电池充放电量的计算。

  

  图1电池容量计原理框图

  绝对值放大器和可逆计数器二者的结合,实现了对充电中放电间隙(即负脉冲充电)的计量,同时用一套电路完成了充放电两个方向的计算。充电时正向计数,放电时反向计数(减数),用电流的流向控制可逆计数器的计数方向。

  3方案论证及技术关键的解决

  3.1电流取样

  电流取样的目的是将电流信号变为电压信号,一般有三种方式:

  (1)取样电阻;

  (2)分流器;

  (3)霍尔器件(包括互感器类)。

  从电动车电池使用来看,电流较大,显然使用取样电阻并不合适,而分流器又太重且体积也较大,不太适用,故霍尔器件较为适用。其优点是线性程度优于0.1%,适于范围较大的跟踪,动态性能好,响应时间小于1μs,这样可即时跟踪汽车起动的瞬时电流。另外,其尺寸小,重量轻适于在汽车上安装。它的缺点是价格稍贵,但对于汽车上使用的电池价格来讲完全可以忽略。由于选用可以购买到的成熟产品,电路较简单不再列出。

  3.2绝对值放大器

  由于充放电电流方向不同,采用绝对值放大器,它将霍尔器件输出的正负信号统一放大为正信号,然后送往压频转换器。

  绝对值放大器的设计方法较多,从电源上来看,有单电源、双电源两种方式,采用的运放个数有一个和多个。本机由于采用霍尔器件且为双向电流,故单电源没有优点,而单运放的放大器,电阻取值太多,精度要求高,并且对负载亦应考虑,不太适用。

  本机采用由二运放构成的绝对值放大器,选用低失调、低漂移的运算放大器0P-07,精度高且性能不受负载影响,这里苛求绝对值放大器的精度,不是为系统精度作贡献,而是从另外一点考虑的。这就是前面提到的,就电池容量计而言,对电池监测的最好办法应是同电池一体,始终监视电池状况。而这就要求电池没有充放电流时,放大器的输出为零,否则经过长期搁置后,容量计由于放大器误差的关系指示充满或放光,产生误判。以高精度、低失调、低漂移设计完成后的样机,满度误差为1mv,零度误差小于1mv。参见图2。

  

  图2绝对值放大器原理图

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