系統(tǒng)設計
2.1 硬件結構
為完成蓄電池內阻、電壓、電流等參數(shù)的測量，實現(xiàn)蓄電池SOH及SOC的準確估算，本文設計的便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案如圖3所示。該系統(tǒng)以高速、低功耗、高抗干擾的單片機MC9S12XS128為控制中心，主要由過流保護電路、電壓及電流采樣電路、隔離驅動電路、內阻測量子系統(tǒng)、恒流放電子系統(tǒng)、電池充電子系統(tǒng)、LCD液晶顯示和通信接口等部分組成。
圖3 系統(tǒng)硬件結構圖
2.2 下位機軟件
便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測系統(tǒng)的主程序是一個不停循環(huán)的結構，周而復始地根據用戶指令對蓄電池進行檢測與控制，軟件實現(xiàn)主流程如圖4所示。系統(tǒng)主要有兩大功能，即估算電池狀態(tài)和自校準，其工作原理及過程如下：
1）估算電池狀態(tài)。單片機控制內阻測量子系統(tǒng)進行瞬態(tài)脈沖放電，同步測量蓄電池內阻、電壓的數(shù)據，根據式（3）和（4）估算出SOH、SOC；
2）自校準。單片機控制電池充電子系統(tǒng)，使蓄電池達到完全充滿的狀態(tài)，接著控制恒流放電子系統(tǒng)以0.1C放電倍率進行連續(xù)放電，放出已知容量后測量并記錄內阻、電壓數(shù)據，循環(huán)連續(xù)放電和測量直至蓄電池完全放電。然后根據釋放的最大容量可得出參照健康狀態(tài)SOH0，以及參照電壓表V[i]和參照內阻R[i]。LCD液晶屏和觸摸屏便于用戶查看數(shù)據和操作控制。通信接口設有RS485、Wifi、以太網等，可實現(xiàn)與電腦或手機等終端進行交互和實時在線監(jiān)測功能，提高了系統(tǒng)的靈活性、高效性。
圖4 軟件主程序流程圖
2.3 上位機軟件
為了便于蓄電池SOH和SOC的在線監(jiān)測與控制，采用C++語言設計了系統(tǒng)的上位機軟件，界面簡潔美觀，易于操作。上位機軟件可通過TCP或串口方式進行通信，不僅可以實時監(jiān)測蓄電池的電壓、電流、內阻、SOH、SOC等信息，還可以設置單體電壓、額定容量、截止電壓、放電電流等。該軟件不僅可以控。制蓄電池進行檢測、放電和充電，還可以監(jiān)測蓄電池的充電狀態(tài)以及用電情況。
3 實驗結果
為驗證本系統(tǒng)對不同蓄電池的SOH及SOC的檢測效果，采用額定容量分別為100、150、300AH的12V蓄電池，分別檢測放電過程中SOH和SOC的變化。實驗時，首先使蓄電池達到完全充滿電狀態(tài)，然后檢測出蓄電池的當前健康狀態(tài)SOH和容量狀態(tài)SOC，接著用蓄電池監(jiān)測儀ART-5780進行0.1C恒流放電測試，放出10％左右的容量后再檢測SOH和SOC。循環(huán)檢測和放電測試，直至蓄電池完全放電。獲得總放電容量Cmax后，通過逆向計算得出每次檢測時的實際剩余容量Cremainn,根據式（1）和（2）可算出SOH和SOC的真實值。最后得到的SOH真實值分別為91％、34％和98％，實驗結果如圖5所示。
圖5 實驗結果
圖5（a）為蓄電池SOH的檢測曲線，圖5（b）為SOH檢測誤差曲線，可以看出，SOH檢測值能夠很好地跟蹤真實值，呈良好的相關關系，而且基本不受放電時間的影響，檢測誤差很小，最大誤差僅為3.7％。圖5（c）為蓄電池SOC檢測值與真實值的對比曲線，圖5（d）為SOC檢測誤差曲線，可以看出，SOC的檢測值與真實值為正比例關系，最大誤差僅為8.1％，可見檢測結果十分準確，而且對不同老化的電池具有同樣的檢測效果。本系統(tǒng)對蓄電池SOH和SOC的檢測結果準確可靠，精度分別達到了96.3％和91.9％，完全能夠滿足實際應用的要求。
4 結語
針對蓄電池SOC和SOH的估算問題，本文在實現(xiàn)“精確檢測蓄電池內阻+同步檢測蓄電池端電壓”的基礎上，提出了一種蓄電池SOC和SOH的在線估算新方法。基于該方法設計了便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實時在線檢測蓄電池的內阻、電壓、電流等特性參數(shù)，還可以快捷地對蓄電池健康狀態(tài)SOH及剩余容量SOC進行高精度的估算。實驗結果表明，該議器對SOH和SOC的檢測精度分別達到了96.3％和91.9％，可廣泛用于蓄電池電源管理系統(tǒng)的現(xiàn)場檢測和在線監(jiān)測，以及廢舊蓄電池的辨別和預警等，對提高蓄電池的利用率、延長鉛酸蓄電池的壽命以及減少廢舊鉛酸蓄電池對環(huán)境的污染具有重要的現(xiàn)實意義，應用前景十分廣闊。
來源：武漢大學學報（工學版）
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