系統設計

2.1　硬件結構

為完成蓄電池內阻、電壓、電流等參數的測量，實現蓄電池SOH及SOC的準確估算，本文設計的便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測系統的硬件實現方案如圖3所示。該系統以高速、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、恒流放電子系統、電池充電子系統、LCD液晶顯示和通信接口等部分組成。
 

圖3  系統硬件結構圖
2.2　下位機軟件

便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測系統的主程序是一個不停循環的結構，周而復始地根據用戶指令對蓄電池進行檢測與控制，軟件實現主流程如圖4所示。系統主要有兩大功能，即估算電池狀態和自校準，其工作原理及過程如下：

1）估算電池狀態。單片機控制內阻測量子系統進行瞬態脈沖放電，同步測量蓄電池內阻、電壓的數據，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，使蓄電池達到完全充滿的狀態，接著控制恒流放電子系統以0.1C放電倍率進行連續放電，放出已知容量后測量并記錄內阻、電壓數據，循環連續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據和操作控制。通信接口設有RS485、Wifi、以太網等，可實現與電腦或手機等終端進行交互和實時在線監測功能，提高了系統的靈活性、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的在線監測與控制，采用C++語言設計了系統的上位機軟件，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，還可以監測蓄電池的充電狀態以及用電情況。

3　實驗結果

為驗證本系統對不同蓄電池的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，然后檢測出蓄電池的當前健康狀態SOH和容量狀態SOC，接著用蓄電池監測儀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“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，該系統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，還可以快捷地對蓄電池健康狀態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的現場檢測和在線監測，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境的污染具有重要的現實意義，應用前景十分廣闊。

來源：武漢大學學報（工學版）

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