电池化生监控系统

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊PAGEPAGE5第1章绪论1.1课题的研究背景及意义随着全球工业化，雾霾、酸雨等环境方面出现的各种问题已经影响了人们的健康及正常生活，解决生存环境问题刻不容缓。而且例如石油等不可再生资源的大量消耗并造成严重污染，这也在提醒着我们生活中要多多利用清洁能源如新能源汽车，这也就是在客观上需要我们大力发展电力行业与新能源产业。电池作为能源储存装置是人们日常生活中的必备品，起着重要的作用，而其中蓄电池作为各种工业应用系统中不可或缺的部分，在许多领域内使用，并且扮演着至关重要的角色，做出了无与伦比的贡献。例如，蓄电池应用在提出节能减排的新型电动汽车上，再例如，蓄电池应用于国防军工，应用于航空航天、矿山下井，等等。它的影响范围之大，使用范围之广是我们可以想象的。为了科学制造电池、高效率利用电池、合理应用电池，这就要求我们投入更多时间与精力来创新研发。蓄电池是将化学能直接转化为电能的装置，从而进行一系列工作。它的体积相对较小，不占用太多空间，工作效率也较高，所以较为人们所接受。但蓄电池的广泛应用也随之会出现多种问题，而其中使用寿命问题是广为关注的。蓄电池的单体电压为2V，电压较低，在应用时基本采用多节串联后投入使用，但绝大多数电池组中的蓄电池使用寿命达不到预期使用寿命，例如汽车上使用的蓄电池寿命大概2~4年，短的甚至不到一年，这会产生严重的资源浪费，那节能减排之路会更加困难，更是严重违背了国家坚持的可持续发展战略目标。自从影响现今汽车工业的重要发明铅酸蓄电池问世以来，并在化学电源中起重大作用。但是在实际情况中使用铅酸蓄电池时，便不得不考虑它的使用寿命，使用寿命又受多种因素制约，电池充放电就是其中关键。为了减少干扰其正常工作效率的电池过充或过放现象带来的危害，很有必要深入探究电池检测与控制技术。在铅酸蓄电池过充电，充电的电流很小、小到可以忽略不计时，可由于铅酸蓄电池内部容器中的液体长时间处于高温状态，使附着在活泼物质内表的小粒子粉尘很容易掉下来，也会导致外部结构过分氧化，会发生一系列化学反应产生一些气体，便会引发一些不必要的危险。虽然蓄电池充电方式对电池的影响要大于放电的方式，但不能说电池过放电没有危害。由于蓄电池串联充电时，每个单体电池之间会有一些差异，在蓄电池放电时储能较少的电池就会因为先放电截止并等待储能较多的电池截止放电，它会一直处于过放电状态，过放电一样也会影响电池的容量以及使用寿命。蓄电池毕竟不是一次性产品，而是需要重复利用，但经多次恶性循环般的充放电过后，单体电池之间的差异会逐渐拉大，对电池组的使用效果造成不好的效果。那么延长铅酸蓄电池使用年限，提高工作能力，就成为我们要需要攻克的问题，就需要一种方法来挑选出单体特性相近的蓄电池组成电池组，使其处于同一水平下，也更好控制。蓄电池的高效长寿是人们所追求的，所以当然要深入探究蓄电池的充放电监测与控制，这样才可以完成所追求的目标。工业科技水平的日益发展，使得人们对铅酸蓄电池的研究也更加深入，虽然在如今的状态下，单体电池之间误差无法完全消除，但在生产制造方面也有所改善，这也有利于电池的高效长寿。21世纪，人类面对共同的问题就是环境资源问题，资源是有限的，好的环境更是我们赖以生存的，如何利用这是需要我们深思熟虑的，自然能量资源需大力发展。而铅酸蓄电池作为可以储存备用电能装置，前途一片光明，不论从各个角度出发，都需发展铅酸蓄电池组的监测和控制管理技术，不仅仅是为了系能源汽车科技的发展，也是顺应时代，为了人们的生存、繁衍与传承。1.2蓄电池监控系统研究现状1.2.1蓄电池历年发展史19世纪50年代末，隶属于法兰西王国的比利牛斯-大西洋省奥尔泰兹行省的雷蒙德·路易斯研发铅酸蓄电池，因为此电池成本低廉，适用范围广泛而被大众接受。20世纪60年代末，美国计划登月选择无人月球车，无人月球车的动力能源主要选择了太阳能电池，铅酸蓄电池没有被采用但也得到了长足的发展。20世纪70年代中期，历经艰难险阻，GatesRutter公司披荆斩棘克服重重阻碍研发出新型的铅酸蓄电池，就是阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）的前身。20世纪80年代末段，伴随着电信产业的飞速发展，阀控式密封铅酸蓄电池在电信部门得到迅速发展的机会。20世纪90年代初期，利用测量电导所用的方法对VRLA电池监控与测试其数据与功能优缺点。并且亚洲基本上所有国家的电信部门都开始提倡采用这个电池。20世纪90年代末期，电池产业发展迅猛，其中VRLA电池由于自身的优越性能等各种优点，用户使用认可度达到空前高度，多种工作生活方面都可以使用此电池，用户的体验极好。5年前，中国各个省市的铅酸蓄电池行业累计完成产量同比增长达4.58%。虽然现在许多人都在研究锂电池和燃料电池等，但在生产过程中，成本太高，使用过程中，电池特性也会发生变化。大规模生产还是有些不切实际，而铅酸蓄电池的优点这两者却无法比拟。历经百年发展改进，世界强国都在大力发展，美国的公司、日本的知名企业都在中国建立了属于自己的基地，目的就是为了发展蓄电池，世界各个国家的各种以电器为主的企业也都开始大力发展蓄电池。蓄电池无论工艺或者性能都已愈发成熟，可以在多方面发展，研究蓄电池还有很重大意义，可以造福社会。1.2.2蓄电池监控系统国内外研究现状现今，人们对环境保护愈发重视，清洁能源的使用也是飞速发展，新能源汽车也是应运而生。能够无污染、高效使用能源的电动汽车是以蓄电池为基础，通过蓄电池产生电能来运行。为此国家也给予高度重视，为电动车行业的发展投入了大量的时间和精力。蓄电池作为重要元件，对它的研究更是必不可少。延长蓄电池使用寿命，高效利用蓄电池，保证蓄电池正常安全工作，就必须对它进行监控管理。纵观国内外，大量高校与企业的科研工作者都贡献出自己的一份能力来对蓄电池监控与检测系统进行研究。国外研究现状国外的一些发达国家研究蓄电池监控与测量系统较中国这些发展中国家早一些，欧美与日本投入极大人力物力，已超100亿美元而且还在递增，并且他们的技术处于世界领先地位，例如日本青森工业研究中心自1997年研究至今。一些公司已经开发出了适用于电动汽车的电池管理系统，比较有代表性的电池管理系统：来自德国的Mentzer电子有限公司和维尔纳·兰斯拉夫为领导团队历经磨难研究开发的BADICOaCH系统；德国的豪克设计的BATTMAN系统；美国的一家公司研发的通常称为SmartGuard的电池管理系统。其中BADICOaCH系统相较于他们曾经研发的一些系统有了较为长足的改进，它具有许多不同于之前的一些功能，例如:电池诊断等。电池诊断的意思就是对于近期20多个充放电周期的各种详尽数据进行存储并且利用一些功能来管理，包括电流、电压和电池温度。并且可以判断这个电池是好或者是坏，通过快速查找功能对电池的基本信息和电池的不正确使用情况进行查找记录在案，还具有显示电池基本数据、对上位机进行通信以及错误、危险警报的功能。而SmartGuard电池管理系统具有的功能和上述功能相近但又有所不同，它的电池诊断功能是提供反向警报：由于放电极性的差异。并且此系统还可以对电池的历史使用进行记录和归档。在现在化发展大趋势下，各个国家的大型公司以及科研单位都在研发具有自身特色的电池管理系统，这些产品都能够高效的利用蓄电池以及延长蓄电池的使用寿命。对蓄电池监控系统的技术完善，还在继续向完美的目标前进。国内研究现状中国具有全世界最多的人口，历史不会回头，工业化一直在持续，那么中国的汽车使用量逐年递增也是不足为奇的一件事情。这就带来了一系列问题，节能环保就成了主题。中国在“十五”期间设立了电动汽车重大专门研究项目，把蓄电池的科研项目落实在实际行动上，从现在来看这已经过去了好多年，其中的艰难也就不足为外人道也。当然在技术方面就会取得重大突破，付出总是和收获成正比的。研究一直在进行并且从未停下脚步，一些此系统研究项目已经应用到社会中电动汽车的实际应用中。中国基本上各个地方政府当然会大力响应国家号召，积极将系统开发以及车辆使用列入省市产业当前及未来的规划中。在国家计划的支持下，省市地方政府的号召下，人民日益提高的意识下，尤其是在电动汽车电池管理系统方面，中国已经接近国际水平。北京交通大学自从上个世纪90年代末期，就开始了对徐电池管理系统的研究，并设计出多种不同类型的蓄电池管理系统。中国国内的比亚迪公司，浙江湖州市的超威集团，河北保定市的风帆公司都致力于研究蓄电池，例如超威集团自主研发的智能型铅酸蓄电池，也有和大的突破性。还有奇瑞汽车设计的包含主控系统和数据采集系统两个子系统的蓄电池管理系统，都有着很大进步。中国政府对电动汽车的发展非常重视，推动中国向电动汽车转型的主要动力就是政府要改善城市地区空气质量。在2014年北京市第一次举行新能源汽车车牌摇号，有号的才可以买电动汽车，对于此中发展起着相当重要的作用。三年以前，中国电动汽车的量就是世界第一，约占全球总量的三分之一，仅中国就占全球电动汽车销量的40%左右，是美国的两倍多。就在上个月，日本媒体报道称，世界的市场一定会是中国，纯电动汽车在中国必将大火。预计在明年，日本的丰田也会首先在中国投入两辆纯电动汽车。从未来发展角度来讲，由于电动汽车的普及，那对于铅酸蓄电池监测和控制系统的研究发展也应该大力推进，其效果也是可以预料的，这值得重视与肯定。1.3论文主要工作及章节安排过充电或者过放电的情况在铅酸蓄电池在充放电的过程中是不可避免的一件事情，而这件事情的发生对电池的使用年限和工作耐久度是具有极大考验的。本篇论文首先对铅酸蓄电池的工作原理和内部基本结构进行了详细的介绍，通过原理和内部结构进一步阐述有关铅酸蓄电池，加深了解；接下来又详细介绍了充放电反应，了解其如何发生反应。并且用荷电状态SOC作为一个检查方式来对铅酸蓄电池的充放电进行判断监测与控制，然后又给出它的几种常见的估算方式。通过一系列的比较其优缺点决定采用EKF法来进行估算它的SOC。本设计以STM32F103C8T6单片机作为主控制器芯片；GBJ1001芯片IC-MC34063芯片、AMS1117-3.3芯片和B0505S-1W的隔离电源芯片作为系统电源芯片；DS18B20芯片作为采集温度的芯片；MMBT29HHUI07三极管、TLP227GA-2光电耦合器和ADS1110芯片进行采集电压；LA100-P霍尔电流传感器采集电流；MAX485芯片来实现与上位机的通讯；EEPROM作为储存芯片存贮数据的铅酸蓄电池监测与控制系统，通过以上介绍的方式对铅酸蓄电池的充放电监测与控制技术进行研究。本篇论文各章的主要研究内容的安排如下：第1章首先概述了课题的研究背景以及意义，并阐述了铅酸蓄电池的发展历程和充放电监测与控制技术的国内外研究现状，最后介绍了该课题具体的研究内容。第2章介绍了铅酸蓄电池的工作原理化学反应方程式和内部结构，然后基本了解蓄电池主要参数。并描述了几种常见的铅酸蓄电池SOC估算的方法，与此同时也基本分析了这几种方法的优缺点并确定了本篇论文所选用的SOC估算方法，最后设计了本设计所需的基本的系统整体设计框图。第3章按照第2章设计的系统整体框图，设计铅酸蓄电池充放电的监测和控制系统，并对此系统的各个硬件部分的选择以及参数进行详尽的介绍，并说明了该如何采集SOC估算所需要的各种参数变量。第4章继续延续第3章的思路，设计此系统的软件流程，并详细软件的运行方法、步骤和程序流程图。第5章对本篇论文所做之事进行一个全面的总结。┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊长春工业大学学士学位毕业论文第2章铅酸蓄电池的特性和整体设计方案2.1铅酸蓄电池的种类（1）普通蓄电池：极板由Pb和PbO2构成，硫酸的水溶液就是它所使用的电解液。它的优点明显并被大众接受，因为它价格低。但是缺点也同样就是存储电能低，而且需要经常维护，具体特性如表2.1所示。表2.1普通蓄电池特性普通蓄电池特性1.高容量2.长寿命3.高CCA，起动性能好4.充电接受及耐振动性能优越5.优质的复合玻璃纤维隔板应用6.TTP技术应用7.先进的防硫酸盐化设计8.先进合金技术，少维护设计9.可靠的液孔塞密封设计10.干荷设计，贮存期长11.型号齐全，美观大方，高标准设计，即启即用（2）干荷蓄电池：之所以称为干荷蓄电池，那么就是说这个电池在完全干燥时，能保存电能并且时间很长大概两年。而且在下一次使用的时候只需加入电解液等待半个小时左右就差不多可以使用。（3）免维护蓄电池：自身结构具有其他蓄电池不具备的优势，使用过程中所消耗的电解液特别的少。并且使用年限很长，不惧怕高温、缓震性能很好、占空间很小都是它特有的优点。铅酸蓄电池有多种系列，常见的有2V、6V、12V、24V等系列，电池容量也是分门别类、五花八门，200mA的、500mA的、1300mA的应有尽有。2.2铅酸蓄电池基本简介2.2.1铅酸蓄电池的基本结构铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器和电解液等构成，它的结构如下图2.1、图2.2所示：图2.SEQFigure\*ARABIC1铅酸蓄电池基本结构图2.2铅酸蓄电池基本结构（1）极板：铅酸蓄电池的极板大多数都是纯铅制作的，极少数也有极板不是纯铅是铅镍合金制成栅架，上面涂上有效物质。正极的有效物质是PbO2，这么做的目的就是它的体积小，基本能无阻碍的通过电解液，增大接触面并且加快反应速度；负极的有效物质为深灰色的海绵状铅。为了获取较大的蓄电池容量，通常将多片正极板并联，组成正极板组，同理负极板也是如此。（2）容器：用来盛装电解液和支撑极板的，通常有玻璃容器、塑料容器、衬铅木容器和硬橡胶容器四种。具有耐酸、耐热、耐震的功能。（3）隔板：为防止正负极板接触发生短路，除少数特殊组合的极板间留有大空隙外，各个类型的铅酸蓄电池都需要在两极板之间插入隔板。隔板上分布着细小的孔，可保证电解液顺利通过，更能防止正负极板相接触，还可控制反应速度。隔板种类繁多，具体怎么选择就看要做什么类型的蓄电池了。（4）电解液：铅酸蓄电池的电解液是高纯浓硫酸是蒸馏水通过一些方法稀释的，不同的铅酸蓄电池的电解液密度自然也不同。但是不论是什么蓄电池，它要使用的电解液必须是纯净的。并且在制造所需要的铅酸蓄电池时，应根据当地实际情况和厂家要求进行选择电解质相对密度。2.2.2铅酸蓄电池工作原理铅酸蓄电池进行放电时，铅酸蓄电池内部发生化学反应将化学能转为电能提供给负载，放电时它的化学反应式如下所示：放电时正极化学反应：PbO2+4H放电时负极化学反应：Pb+SO4放电总化学反应：PbO2+Pb+铅酸蓄电池进行充电时，就是把从外电路的接收到的电能转为化学能并且存起来。充电时化学反应式如下所示：充电时阳极化学反应：PbSO4+充电时阴极化学反应：PbSO4充电总化学反应：2PbSO4+铅酸蓄电池在充电时正极还有可能发生电解水反应。由于铅酸蓄电池具有电位差，所以铅酸蓄电池放电时它会在在电位差作用下，电子从负极流入正极的同时会发生一些化学反应。有的反应会在极板上生成硫酸铅，而有的反应会生成水。电解液中的电子会形成稳定回路，就有了电流，所以蓄电池会持续向外放电。由于持续放电，那么相对来说电解液的浓度就会随之降低这是无法避免的一部分，那电池的内阻就是不可挽回的事实，电池电动势也降低。所以充电时，就应该外接一个直流电源，目的就是使生成的物质可以通过另一些反应恢复成原样，让可持续性不再成为梦想而是变为现实，经过的反应在此就不一一列举了。然后蓄电池就会将电能转为化学能存贮起来。充电快要完成的时候，由于有外接电源在此作用之下，电解水的反应可定会发生，避免不了的话就只能够听之任之。2.3铅酸蓄电池的主要参数铅酸蓄电池具有多个会影响它的工作性能的参数，进而影响其使用年限和耐久度。这些参数包括铅酸蓄电池电压、容量、内阻、充放电速率和SOC等。2.3.1铅酸蓄电池的容量与手机所用的锂电池一样，同意铅酸蓄电池也有容量，它就是指在一定条件下电池可以输出的容量，一般用C来表示，容量又可以细细划分：理论容量、实际容量和额定容量。理论容量顾名思义就是使用公式计算出来的理论上存在的最大值：（2-7）其中极板上面活性物质完全反应的质量为m0。q就是活性物质已经反应掉的量。实际容量，名字就代表了一切，是指一定条件下铅酸蓄电池实际放出的电量。用公式来表示的话就是：（2-8）或是：（2-9）额定容量,作为工科院校的学生，额定二字我们不会陌生，它是指铅酸蓄电池在设计和制造过程中所规定的，以一恒流放电到结束所输出电量。2.3.2铅酸蓄电池的内阻铅酸蓄电池是需要工作的，电流在工作会流过铅酸蓄电池，那么它当然不可能不受到一丝丝阻力就开始工作，所以那个阻力叫做内阻，铅酸蓄电池内阻有包括欧姆内阻在内的许多。而欧姆内阻又可以细细划分为极板、隔板、电解液、联条和极柱的电阻组成，但是电阻可能会随之极板腐蚀、温度等因素的变化而变化，导致内阻不稳定，但单次测量数值基本稳定。浓差极化内阻是离子浓度变化引起，它的内阻值始终是变化的。活化极化内阻是电化学体系决定的，体系定了，内阻当然也就定了，只有在后期电池寿命快达到，才会有细微的变化。2.3.3铅酸蓄电池的电压铅酸蓄电池电压包括电动势、开路电压和端电压。由于蓄电池的工作会有充放电，而同时就会受到里面结构与化学反应影响，所以端电压又有充电电压和放电电压。2.3.4SOC英文就是StateofCharge，为了方便SOC就是它的缩写，他代表着电池的荷电状态，也可以叫这个是剩余电量，代表的是电池剩余可放电电量与其完全充电状态的电量的比值，通常不用数字什么的表示，而是用百分数。其一般用一个字节表示（取值范围为0~100），含义的话基本都懂，例如SOC=0时就代表电池完全没电了。2.4SOC估算方法（1）放电测试法：不论是哪一种电池，用一定放电速度进行恒流放电到截止电压，将I乘以t可以得到电池的SOC值。但是这种方法需要的条件比较难以接受，不可能在实际应用中有实验室般理想可靠的环境，因此不适合实际应用。（2）开路电压法：开路电压法就是需要开路电压，放电到它的截止电压并得到它与电解液离子浓度之间变化关系，可以间接得到它与SOC的对应关系，注意是一对一。。尽管此方法对于各种蓄电池都有效，但是自身也存在着缺陷，长期使用该方法，其测量结果并不能够保证完全准确，因此也不适用于运行中的电池SOC估算。（3）人工神经网络法：是一种新型算法，模拟最深不可测的人类的大脑，无需深入研究电池的内部结构，需要从你想要测量的电池中得到大量关于输出输入的数据，将这些数据送到提前建立好的系统中，就能够获得真正意义上的正在工作中的SOC值。虽然运算结果表现出一定准确性，但也有计算量大、耗时、需要大量存储空间等一些问题。（4）电流积分法：在本领域是世界上使用最为普遍的SOC估算方法之一，透过现象看本质，它就是在电池开始工作充放电时，一次次的累计电量来估算电池SOC，与此同时补偿是必不可少的一项。和其他方法相比较，它作为世界上使用最多的方法的原因就是简单受信任。但这种方法也不可能全是优点，最最明显的缺点就是它要电池初始SOC值，采集电流的时候还要时时准确可靠，减少误差带来的影响，可惜误差一直存在无法消除。还有就是需要引入相关修正系数对累计误差进行纠正。（5）系统滤波法：对于以上几种方法，系统滤波法有闭环控制和实时性强的优点，现今被大众所接受的就是卡尔曼滤波算法。出道即巅峰它就是最为优秀的SOC估算方法，基本上可以用做各个系统，实话实说它就是一种递推算法。因此，对于计算机运算来说，卡尔曼滤波的运算量和存储量都较少，能够满足实时性要求，目前广泛应用于工程实践。2.5设计采用的SOC估算方法对于上述方法就行比较发现，电流积分法虽然经常用来估测SOC，但它作用时间有限，短期效果还算可以，但是长期来看不行；时间越长，误差就会越大。对于以上的问题，利用EKF这种特殊方法来预估SOC；这种方法就是把开路电压法、电流积分法与EKF法结合这三种方法结合，团结起来一起共同面对，效果会比单一的好太多，毕竟团结力量大。2.6系统整体设计图2.3系统整体设计框图铅酸蓄电池充放电具有特性和铅酸蓄电池使用年限与耐久度进行分析来看的话，进行了如图2.3所示的系统整体设计，系统主要分为以下几个模块：（1）数据样本采集模块电路如何实现，通过数据采样实现。需要通过单体电池电压检测使用MMBT29HHUI07三极管、TLP227GA-2光电耦合器等来采集电压信号，通过电流温度检测DS18B20采集温度信号，通过LA100-P霍尔电流传感器采集电流信号，并把采集到的模拟信号通过AD转换器转变为数字信号，传送给STM32F103R8T6芯片及外围电路组成的中央单元。（2）中央处理模块在本篇论文所设计的监控系统中，中央处理单元是最为重要的。可以说没有它就没有了一切后续。它可以实现的功能有很多，有数据采集、模拟信号数字信号处理、估算SOC值、实现与上位机通讯以及外围电路，基本上管理一起。首先中央处理模块控制实现数据采样，将通过单体电池电压检测使用MMBT29HHUI07三极管、TLP227GA-2光电耦合器等来采集电压信号，通过电流温度检测DS18B20采集温度信号，通过LA100-P霍尔电流传感器采集电流信号，并把采集到的模拟信号通过AD转换器转变为数字信号，之后对这些数据进行处理，之后估算SOC值，整理根据以上并对电池组的状态进行分析。（3）通讯模块所谓通讯就是联络，为什么要联络，就是为了让系统不再孤立，主控芯片可以将一些数据上送给上位机PC端。若不是这样，那么这个系统设计也是无用之功，白白耗费精力罢了。上位机接收到了类似电压等的数据必然将进行下一步，那就是开始发送信号，并且让软件执行相应的各种流程，之后便实现了设计这个系统的这个目的：对充放电过程监控管理。2.7本章小结在本章首先开始介绍了铅酸蓄电池的种种，想要弄明白或者说了解一个物品，就要从里到外由浅入深的弄懂它的组成结构，各个部分都是干什么的，又能够实现哪些功能。那么如何实现这些功能呢，那就要清楚有什么外部因素和内部因素会影响或者干扰它，让它实现的过程中不够顺利，所以接下来又说明了参数的影响，SOC值也就顺理成章的引申出来。如准确何获取它，方法有很多，那就需要对这些进行一一对比，查缺补漏，明白优缺点从而选定方法。最后根据以上设计了系统整体框图。

第3章基铅酸蓄电池监控系统设计要设计系统不是想象那么简单，不是想怎么设计就怎么设计，当然它是有要求的。完完全全按照系统设计之后还要思考的，它是否能够安全的运行，在工作过程中又能否发生本可以避免的意外。所以基于以上的顾虑，由于系统测试时电流电压大，那么进行检测的时候就需要把它分别检测，分别的意思就是测试时互不影响。这样才能保证系统安全，不至于将芯片等烧毁，安全性就是个问题，而且浪费人力物力财力，得不偿失。3.1主控芯片的选择什么是主控，主控就是主要控制，就像省会之于各省，就像中央之于中国，那就是绝对的核心。那么主控芯片的选择可以说是整个系统中最最重要的一环，没有它就进行不下去。并且选择的时候还是有针对性的，也不能看着哪个好就选择哪个，要好并且还有适合。这个系统需要的是实时性速度，处理速度要快，系统设计需要运算而且量还不少，运算能力必须要好，那么基于以上种种要求，最终选择了主控芯片是STM32F103C8T6。STM32F103C8T6基本参数如表3.1所示。表3.1STM32F103C8T6基本参数及特点STM32F103C8T6基本参数及特点STM32F103C8T6基本参数及特点类别集成电路(IC)程序存储器容量64KB(64Kx8)家庭嵌入式-微控制器程序存储器类型FLASH芯体尺寸32-位RAM容量20Kx8速度72MHz电压-电源(Vcc/Vdd)2V~3.6V外围设备DMA，电机控制PWM，PWM，温度传感器数据转换器A/D10x12b输入/输出IO口数37振荡器型内部工作温度-40摄氏度--+85摄氏度定时器多个DMA接口1个CAN接口1个USART接口3个I2C接口2个STM32F103C8T6主控芯片和外围复位电路、开关电路等如下图3.1所示。图3.1STM32F103C8T6主控芯片电路图3.2电源模块的设计不论任何系统都需要供电，那么供电肯定不是想怎么弄就怎么弄，稳定那是必须要的，供电的稳定才能够使系统稳定的工作，才能让设计更好的进行下去。但是在这个设计中所选用的芯片它们能够正常稳定工作的电压各不相同，比如刚才选用的STM32F103C8T6主控就需要3.3V的电压供电。设计这个系统所为就是方便人民的正常使用，由于中国额定工作电压是220V，那么为了这个原因就该选择220V供电。但是220V电压不能够直接接入系统，否则玩笑就开大了，所以需要降压达到实际所需要的。那么想得到所需要的就得付出，就需要多次转化，让所有的的芯片都能够正常工作。220V电压首先就应该经过变压器变压，再把输出的电压采用经过逐一对比所得到的GBJ1001芯片处理，将它转换成+24V的直流电压，GBJ1001芯片基本参数如表3.2所示。表3.2GBJ1001芯片基本参数GBJ1001芯片基本参数GBJ1001芯片基本参数功能描述桥式整流器峰值反向电压1000V正向连续电流4.5A最大浪涌电流450A正向电压下降1V最大反向漏泄电流10uA典型结电容55pF储存温度范围-65℃—+150℃+24V如何变为5V，这就需要选择芯片了，最后选择了IC-MC34063芯片，基本参数如表3.3所示。表3.3IC-MC34063芯片基本参数参数名称符号范围单位输入电压Vin2.5~40V输出电压Vout1.25~40V最大输出电流Iomax1.5A最高工作频率f0.1~100kHz功率P1.5W工作温度Ta0~+70℃AMS1117-3.3芯片是最常用的把+5V的电压转换成+3.3V的，那么之后所有的芯片现在就都可以正常的工作了。AMS1117-3.3芯片基本参数如表3.4所示。表3.4AMS1117-3.3芯片基本参数参数名称符号范围单位输入电压Vin15V输出电压Vout3~3.4V工作结温范围Tj-40~+125℃储存温度Tstg-65~+150℃通过对比，电压转换选择了以上的三种芯片，但是之前已经介绍了系统安全的重要性，所以在此基础上还需要进行DCDC电压隔离。隔离芯片不少B035S-2W、IA0505S-102W和B0505S-1W电源芯片经过对比选择了B0505S-1W，基本参数如表3.5所示，并设计了如图3.2、3.3、3.4和3.5所示的电路图。表3.5B0505S-1W基本参数B0505S-1W基本参数B0505S-1W基本参数类型电源模块电源电流200mA电源电压5V针脚数4个用途共地隔离功率1W图3.2220V转+24V转换电路图3.3+24V转+5V转换电路图3.4电源隔离电路图3.5+5V转+3.3V转换电路3.3温度检测模块的设计万物都需要合适的温度来生存和进行工作等一些列的事情。那么由人类制造出来的机械物品同样也逃不过去。温度对铅酸蓄电池的影响还是蛮大的，而且有关温度的环节，例如检测环境温度并对每个单体蓄电池进行温度检测以防止其出现超温。在第二章里面就已经介绍了铅酸蓄电池的工作原理，它是化学能与电能互相转化的装置，理所应当会发生化学反应，而化学反应就会吸收或者释放热能，释放能量就会产生高温，这是中学就了解的知识。高温还会使电池的容量发生变化，所以对温度进行测量这是非常有必要的。由于主控芯片只有37可通用IO口，所以节省资源设计采用了DS1820传感器进行温度检测。DS18B20有3个引脚，它们分别是电源线，型号线及地线。各引脚功能如表3.6所示。表3.6DS18B20引脚功能表DS18B20符号说明1GND接地2DQ数据输入/输出脚3VDD可选的VDD引脚工作总要有顺序，DS18B20这一芯片在工作时分为两个过程，检测温度毫无疑问是第一步，之后就要处理数据，基本参数如下表3.7。表3.7DS18B20基本参数DS18B20基本参数名称DS18B20温度传感器序列号，存储64位，ROM温度测量范围-55摄氏度~+125摄氏度温度分辨率0.0625摄氏度精度±0.5读取温度数9位一个总线可接多个DS18B20，那么序列号的方便就体现出来了,按照这个就能分别进行检测读数，如图3.6所示就是不锈钢DS18B20探头实物图，以方便安装。图3.6DS18B20不锈钢探头DS18B20测出温度值以后不算完成，还需要进行2进制16进制转化。DS18B20温度/数据及进制关系如下表3.8所示。表3.8DS18B20温度/数据表温度℃数据输入（二进制）数据输出（十六进制）+125000000001111101000FA+2500000000001100100032+1/200000000000000010001000000000000000000000-1/21111111111111111FFFF-251111111111001110FFCE-551111111110010010FF92设计采用如图3.7所示的电路原理设计图，将数据通过Q输出端口给STM32F103C8T6。图3.7温度检测电路3.4电压检测模块的设计铅酸蓄电池的电压和温度一样是判断电池工作状态的另一个重要因素，估算SOC值也少不了它。但是在铅酸蓄电池工作的时候，或者没电了充电时，电压就不会一成不变了，那就需要测量。而电池组里面不止一个电池，那么端电压就会很大，测量的时候就要为安全考虑，就像供电电源的选择一样，需要隔离才能测。本设计就采用了MMBT2907三极管和TLP227GA-2光电耦合器来进行这个繁重的工作。测出来的数据还要变成数字信号，就需要选择一个其他的芯片来转换一下，ADS1110就发挥出它的作用了，然后再传给STM32F103C8T6让它来处理，各有分工。MMBT2907三极管和TLP227GA-2光电耦合器和ADS1110芯片基本参数分别如表3.9、表3.10、表3.11所示。表3.9MMBT2907三极管名称特性符号最大额定值单位集电极-发射极电压VCEO-60Vdc集电极-基电压VCBO-60Vdc发射极-基级电压VEBO-5.0Vdc集电极电流-连续IC-600mAdc表3.10TLP227GA-2光电耦合器名称特性符号最大值单位电源电压VDD320V正向电流IF25mA开状态电流ION100mA工作温度TOPR65℃表3.11IC-ADS1110芯片基本参数输入电流（瞬间）100mA输入电流（连续）10mA工作温度-40℃~+125℃存贮温度-60℃~+150℃对GND、Vin+、Vin-电压-0.3V~+0.3V对GND、SDA、SCL电压-0.5V~+6V对GND的VDD-0.3V~+6V本设计需要的铅酸蓄电池数目有些多，不能够一一详尽的描述它测量的过程，那下面以5节为例来讲一下，测量图就如图3.8、图3.9所示。在图3.8、图3.9中，如果图3.9中最下方的输入端口是低电平，最下方的两个三极管就被导通，使得与它相连的光电耦合器开始工作，此时，蓄电池BT1被接通，输出端口就输出蓄电池BT1的电压。如果倒数第二个和第三个是低电平，与之相连的两个三极管就被导通，后面的两个光电耦合器也会开始工作，此时，蓄电池BT2被接通，输出端口就输出蓄电池BT2的电压。不过，单数号的电池和双数号的测出的电池正负极是相反的，因此，连接后面的QSDL和OSDL电路，当测奇数电池时，同时也把JK端设为低电平，图3.8中第二个三极管被导通，与之相连的光电耦合器开始工作；同理，当测偶数电池时，也让OK端为低电平，与之相连的三极管被导通，后面的光电耦合器开始工作，这样就相当于给输出端口一个命令，输出电压的符号就是一样的。根据以上，就能对所有连接的电池进行电压监测。IC-ADS1110可以将电压模拟信号转化为电压数字信号，参数如表3.12所示，并设计了如图3.10所示的电路图。表3.12IC-ADS1110基本参数IC-ADS1110基本参数名称IC-ADS1110功能连续自我校对准A/D转换器分辨率16位工作电压2.7V~5.5V连接方式串行接口图3.8电压采集电路图(1)图3.9电压采集电路图(2)图3.10电压转换电路图从输出端口输出的电压经过低偏移电压运算放大OP07C组成的差分放大电路的处理，输出电压是V0，其数值为：(3-1)当R54=R55且R56=R57时，则上式可以简化为：(3-2)之后再让V0转换为数字信号给CPU。3.5电流检测模块的设计因为SOC值较为准确才可以进行下去这个设计，所以得到它需要很稳定的测量，SOC的估算在这个系统中是最为重要的，测量估算它所需要的参数很有必要。通过选择与对比，最终决定选用传感器LA100-P。LA100-P是使用霍尔效应的传感器，精度高、抗干扰能力强是它的优点，LA100-P霍尔传感器基本参数如表3.13所示。表3.13LA100-P霍尔传感器基本参数特性符号范围单位工作温度Ta-40~+85℃转换率Kn1:2000—电流消耗Ic10mA额定有效值电流Ipn100A电源电压（±5%）Vc±（12~15）V反应时间Tm<500ns响应时间Tr<1us频带宽度DC200kHz测量范围I0~150V因为霍尔式电流传感器LA100-P工作电压是12V，可以选择一个比较快捷的方式，就是选择一个合适的开关电源将220V直接转12V，省时省财省力，何乐不为。为了省力将电流信号检测电路中的霍尔电流传感器接在电池AB端，把电路中的电流信号转换成电压信号，从电流电路输出端口输出。图3.11电流信号检测电路电池充放电有正有负，而计算的时候需要取正值，当然不能直接拿去负号，需要增添二极管来得到绝对值。还要选用运算放大器。并且计算是可以选择合适的电阻来避免计算带来的不必要的麻烦。所以选用四个10.05K的电阻和一个5.025K的电阻组合，具体如下：R58=R59=R62=R61=2R60,可以简化计算，得到输出结果为：(3-3)将输入端电阻选为2个11.55K的电阻和2个3.5K的电阻，分别对称，即:R64=R65、R66=R67、R66=3.3R64,得到输出电压为：(3-4)图3.12电流处理电路图为了起保护作用，二极管的选用是必不可少的，一样的电路输出端口输出电压直接连到CPU的引脚上。在公式中参考电压是U2。3.6通讯模块的设计通讯是为了让系统不再孤立，主控芯片可以将一些数据上送给上位机PC端。若不是这样，那么这个系统设计也是无用之功，白白耗费精力罢了。上位机接收到了类似电压等的数据必然将进行下一步，那就是开始发送信号，所以通讯模块的存在也重要经过对比，本篇论文选用MAX485作为进行通讯的模块，基本参数如表3.14所示。表3.14MAX485基本参数MAX485基本参数额定电压+5V额定电流300uA通讯频率2.5Mbps引脚数8个工作方式半双工通讯方式输出端RO输入端DIMAX485芯片基本上和所有的通讯芯片一样，能发送那当然也能够接收信号，端口只有两个A和B，那什么时候才是传送数据又是什么时候接收数据呢，这就和A与B的电平有关联了，B大于A就是说是传送，B小于A就是说这是接受。在与CPU连接时，它工作特别简洁，仅仅需要一个信号就能够完成所交给它的任务。但是A,B与电路直接还有电阻存在。该芯片有8个引脚，其中2、3引脚是数据发送接收端。当2端口电平较低时，该芯片就会接收信号；反之这个芯片就发送信号。它的1、4引脚与CPU的30、31引脚相连，通讯单元电路如图3.13所示。图3.13通讯模块图3.7存储单元电路设计测出数据的目的就是为了判断电池的工作状态，但是数据需要存储，如果不存下来，那么那么多的测试与检测就没有了意义。为了实现这一目的，就要把数据存下来，以便于接下来的应用。所以在本次设计中，通过对比选用EEPROM芯片来进行储存数据，它的硬件设计电路如图3.14所示。图3.14EEPROM电路图在系统工作时，CPU会把测量出的所有相关数据保存在EEPROM中。在进行SOC估算的时候，主控芯片CPU会根据需要调用有关数据。其中，它的5、6引脚接到CPU的14、15引脚上面。3.8本章小结本章在上一章的介绍下，在它的基础上，设计了铅酸蓄电池的监控系统。这个系统用STM32F103C8T6单片机作为主控制器芯片；GBJ1001芯片IC-MC34063芯片、AMS1117-3.3芯片和B0505S-1W的隔离电源芯片作为系统电源芯片；DS18B20芯片作为采集温度的芯片；MMBT29HHUI07三极管、TLP227GA-2光电耦合器和ADS1110芯片进行采集电压；LA100-P霍尔电流传感器采集电流；MAX485芯片来实现与上位机的通讯；EEPROM作为存储芯片。之后进行数据采集，可以估算SOC值。

第4章基监控系统软件流程设计4.1EKF法估算SOC在第二章已经介绍了电池荷电状态SOC以及本文所采用的估算SOC的方法。可以通过EKF法来进行一步一步的估算，得到最优。4.2系统软件设计的基本要求在第三章也就是上一章已经设计选择了系统的硬件，让它执行设计的功能，但是一个篱笆三个桩，一个好汉三个帮，光有硬件是万万不行的，所以马不停蹄就设计了第三章电路所