电池容量计的一种实现方法

大家好，小科来为大家解答以上问题。电池容量计的一种实现方法这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1、电池容量计的一种实现方法

2、本文介绍了一种测量电池容量的方法，即计算电池的充电能量和放电能量，并乘以相应的损耗系数来表示电池容量。采用电流转换后计数脉冲的方法，实现适合大多数充放电情况的电池容量测量。研究了实现该方法的技术途径，并给出了具体的设计电路。样机已投入试运行。

3、关键词：充放电电池容量计。

4、一种实现电池电量计的方法

5、文摘：介绍了一种测量电池容量的方法，该方法计算充电能量和放电能量，然后将数据乘以损耗因子。最后，结果可以显示容量。利用计数由电流变化而来的脉冲的技巧，因此该方法可用于测量各种电池按各种规则充电和放电的大多数情况下的电池容量。研究了实现该方法的技术路线，并对电路进行了详细设计。如今这计价器已经被很好地使用了。

6、关键词：充放电库仑电池容量计

7、1导言

8、随着环保意识的不断增强，世界各国都在竞相开发环保汽车，也在投资开发电池驱动的电动汽车。电动汽车必不可少的仪表是电池容量表，它告诉用户电池还剩多少容量，可以行驶多少公里，就像普通汽车的燃油表一样。事实上，不仅电动汽车需要电池容量表，很多使用电池的场合也有迫切的要求。传统的监测电池的手段只是电压表，但电压并不能准确反映电池的容量，往往会导致电压正常但没有容量的现象。作为用户，经常会感到困惑，不知道电池能用多久，影响了很多关键场合的使用，容易出现误判和事故。因此，开发一种反映电池容量的仪器是非常必要的。目前国外已经生产了类似的产品，但由于技术保密，还没有出台实施办法。

9、本文提出了一种基于电动汽车的电池容量测量仪，可以在一定条件下测量电池容量。它是基于计算电池的充电能量和放电能量，乘以相应的损耗系数来表示电池容量的原理(该系数应考虑电池的充电效率、放电电流等因素对电池容量的影响)。

10、2基本原则。

11、除了电池本身的一些因素外，电池的容量主要取决于充放电。显然，如果电池的充放电可以一直记录下来，就可以测出容量。我们设想在传统的单体电池上配备这种称为电池容量计的仪器，达到显示容量的目的。容量计动态监测电池的总充放电，计算后直观显示。影响电池容量的其他因素被整合到损耗系数中，损耗系数乘以充电和放电容量的算术和，以获得剩余电池容量。由于电池的种类、尺寸和性能不一样，损耗系数也不一样，主要是通过实验得到的，这里不讨论系数问题，只研究测量电量的电路。

12、电池的充放电方式有很多，比如恒流、限压、脉冲、负脉冲等。所以单纯用电流乘以时间来测量容量不能适应恒流之外的其他方式，积分方式不能满足负脉冲充电的需要，同时需要时间参数，不是很适合。显然，电池容量计的设计应该满足大多数充放电模式。无论哪种充电方式，影响电池容量的关键参数是电流和时间，负电流只存在于负脉冲充电的情况下。因此，我们设计了以下工作模式的电池容量表电路，原理框图如图1所示。

13、首先监测电池的充放电电流，转换成电压信号，然后放大，送入电压-频率转换器，转换成频率信号。最后送入计数器记录脉冲数，并以一定方式显示计数值，形成电池容量表。事实上，频率代表电流，电流越高，频率越高，同时记录的脉冲越多，反之亦然。充放电时间也体现在脉冲的计数上，时间越长，计数次数越多。这样，通过计数完成电池充放电容量的计算。

14、图1电池容量计原理框图。

15、绝对值放大器和可逆计数器的结合实现了充电时放电间隙的测量(即负脉冲充电)，同时用一套电路计算充放电方向。充电时向前计数，放电时向后计数(减)，通过电流流向控制可逆计数器的计数方向。

16、3方案论证及技术关键解决方案。

17、3.1电流采样。

18、电流采样的目的是将电流信号转换成电压信号。一般有三种方式：

19、(1)采样电阻；

　　（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

3.3压频转换器

　　压频转换器是电池容量计的核心部分，负责将放大的信号转换为频率信号，它的线性度和精度直接影响到整机。实现压频转换的方法也有很多种。从形式上看，有分立元件和专用集成芯片两种形式，一般的分立元件精度、体积、调整复杂程度均高于集成芯片，但其价格较低，而专用芯片在线性度、电压稳定度、精度等指标相对可接受的价格而言有所降低。我们考虑到体积和充放电全程跟踪及性能价格比的问题，选择了VFC32为电压频率转换器件，该器件较好的线性度为全程跟踪精度提供了保证，并以较少的元件使体积缩小，电路原理见图3。

图3压频转换器原理图

3.4可逆计数器

计数器部分全部采用CMOS电路，一是功耗低，这对依靠电池本身供电显得极为重要；二是其电平与运放电平匹配，并使显示范围增大。见图4。

图4可逆计数器原理图

　　采用了14级脉冲进位二进制计数器4020一片，4位可逆二进制计数器4516二片，构成21级计数器。其中高7位计数器数值有效作为计数值并输出，而低14位则仅用来计数并不用作输出，且4020是单向计数，无减法功能。

　　此种设计有两大优点：

　　（1）4020是高集成度的计数器，可代替3片半4516来使用，这样大大缩小了体积。

　　（2）当作加法时，4020可精确到最低位；作减法时，误差为低十四位，但这个十四位也是一次性的最大误差，无累加性，因为电路上采用了异步、同步计数混用的方法。当减去14个数（虽然4020是加），4020输出异步脉冲4516减"1"，如同作真正减法一样，而4020的数值是不能输出的，这使得结果十分精确。

3.5控制电路

　　该部分包含有预置电路、防溢出电路、计数方向控制电路。

　　本样机为适用范围宽，在计数器的预置和控制电路上均增加了拨动开关，这样可以通过拨动开关设置计数部分初值和终值，可达到检测使用已知电池电容的目的，比较方便。

　　同时为防计数器双向溢出，分别设置防溢出电路，使计数器计到零和满值时均不再计数，以防错误。

　　通过对电流流向的比对，输出脉冲控制可逆计数器的计数，构成方向控制电路。

3.6显示

　　显示有数字式、指针式两种方式。为保证直观的显示，同时尽可能沿用普通汽车的仪表，仍采用汽车上原有指示电池电压的电压表。而在电压表上设置一个开关，通过它来切换电压、容量的指示，这样较为方便。

　　这需要将计数器的二进制数转化为电压。显然用D/A转换是可以的，但电路复杂程度上升，成本也有所提高。故为了简化电路我们仅借用D/A转换网络的思想，利用权电阻T形网络将4516的7位数值变换成模拟量输出，推动电压表指示，见图5。

图5 显示电路原理图

3.7工作电源部分

　　电池容量计不同于其它仪器的是它只能使用电池作为电源，而由于电池电压的变化及波动，直接使用显然是不合适的，为此必须由电池引出产生二次电源。

　　首先霍尔器件需电源±12V，电路控制计数等部分也亦借用±12V，另外我们考虑到为了使容量指示更直观清晰，其最大电压范围应大些，同时也能充分利用其电压表有效指示。其电压表范围为40V，而电池电压最高为30V，故设定容量指示最大指示为28V，这就需要电源电压为30V。

　　由于电池起动时有大电流放电，使电压波动十分厉害，约15～30V，为适应其变化，同时减小容量计自身功耗，提高效率，设计全部采用开关电源。

　　首先＋12V的获得是采用LM2575降压调整器，该芯片输入电压可达40V，固定振荡频率52kHz，电压、电流调整率较好，适应容量计的要求。

　　－12V是利用＋12V为输入，通过34063DC/DC变换器加以变换而成。这样损失了部分功率。我们原设计用M2575HV（输入电压60V）由电池电压直接引入，但由于60V的LM2575HV未能买到，只得作罢。将来如有批量，可定货。好在－12V功率有限，损失较小。　　30V一组电源，其电压高，电流小，如采用普通DC变换器如2575或其他器件，体积过大，且磁心元件等都大为浪费，得不偿失。故我们在设计中一直在寻找简洁的方法，最后经试验决定利用555振荡器升压并采用倍压整流的方法将12V提升至30V，效果极好，见图6。

4产品的设计与计算

4.1电压/频率关系的设定

　　电压0～10V对应频率0～10kHz

图6 30V电源原理图

　　电流0～1000A对应电压0～10V

　　这几个值的选取，综合考虑了霍尔元件、放大器、F/V转换设计的最佳值及试验样机的需要。

4.2计数位数

　　4020－14位4516两片共8位，加起来为22位，仅采用21位，其计数个数为：

　　221=2.097152×106。

　　对10kHz的计数时间

T=(221×1/104)秒=3.49分。

　　当10kHz对应1000A时，对45Ah电池来讲

T=C/I=45/1000=0.045h=2.7分<3.49分 ，

可见计时已够，满度计时安时数为

(221×1/104)×1000/3600=58.25Ah。

4.3误差的计算

　　前14级计数时间为△T=214，总计时为T=221,相对误差△T/T=214/221=0.78％。

　　可见前14级误差极小，尚不足1％，且其仅在做减法时一次性出现，可以忽略。故采用一片4020代替三片4516是合理的。

5性能测试结果

　　整机测试，条件为充放电流15A，电压（代表容量）指示满容量为28.002V，电池容量放尽后，电压（代表容量）指示为0V，指示容量与实际容量误差为3％，符合设计要求。

6结论

　　在输出容量等于输入容量乘以损失系数的模式下，本文以电动车为使用对象，对输入取样、绝对值放大、压频转换、显示及工作电源各部分作了深入细致的阐述，进行了非常有益的探索，是目前计量电池容量的有效方法之一，适用于无记忆效应、性能相对稳定的电池。

本文到此结束，希望对大家有所帮助。