0 引言

    蓄電池被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域和人們的日常生活當(dāng)中，其使用壽命與欠充、過充以及過放密切相關(guān)。如何有效保證和提高蓄電池的使用壽命是蓄電池管理系統(tǒng)設(shè)計中急需解決的問題。

    蓄電池管理系統(tǒng)的設(shè)計主要從充電和放電兩個方面進行，不同的應(yīng)用場景所采取的充放電控制策略也各有側(cè)重。目前，充電策略主要采用三段式充電^[1，2]，研究較熱的主要是脈沖充電^[3，4]，旨在避免蓄電池欠充與過充；放電策略主要采用設(shè)置門限電壓的方式，旨在避免蓄電池過放。

    針對本課題的具體研究對象，本文設(shè)計了一套基于μC/OS-II的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多任務(wù)設(shè)計對12 V車載蓄電池進行維護和管理。設(shè)計綜合應(yīng)用了μC/OS-II實時多任務(wù)管理、反激式開關(guān)電源技術(shù)、數(shù)字PI控制器與脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過對蓄電池工作過程中電壓和電流的變化進行分析，合理控制蓄電池的工作進程，從而保證和提高了蓄電池的循環(huán)使用壽命，對蓄電池應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具有重要的促進意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

    蓄電池狀態(tài)監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)主要由兩個部分構(gòu)成：反激式開關(guān)電源與AVR單片機數(shù)字控制電路。反激式開關(guān)電源將市電轉(zhuǎn)換為低壓直流電為蓄電池充電，AVR單片機數(shù)字控制電路實現(xiàn)對蓄電池充、放電進程實時、高效的統(tǒng)一控制。圖1為硬件電路整體結(jié)構(gòu)框圖。

    軟件設(shè)計采用對AVR單片機移植μC/OS-II^[5]操作系統(tǒng)內(nèi)核，實現(xiàn)多任務(wù)管理。圖2為用戶任務(wù)管理的樹狀圖。

1.1 反激式開關(guān)電源設(shè)計

    開關(guān)電源的具體設(shè)計指標(biāo)如下：工頻輸入AC 220（1±20%）V；直流輸出18 V/10 A和10 V/0.6 A；開關(guān)頻率f_S=65 kHz，輸出功率P_out=180 W，工作效率η≥85%，最大占空比D_max=0.45，電流連續(xù)型工作模式（CCM）。具體設(shè)計主要包括3個部分：EMI濾波、高頻變壓器以及環(huán)路補償。

1.1.1 EMI濾波

    開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）主要以傳導(dǎo)干擾和近場干擾為主，包括共模干擾和差模干擾2種狀態(tài)。EMI濾波器^[6-8]可以有效濾除電網(wǎng)中的共模與差模干擾。EMI濾波電路主要由共模電感、X電容、Y電容與泄放電阻組成。共模電感由兩個同向繞制的線圈組成，用于消除回路差分電流；X電容并接在共模電感兩側(cè)，用于消除差模干擾；Y電容跨接在輸出端且串聯(lián)中點接地，用于抑制共模干擾；泄放電阻用于消除在濾波器中可能出現(xiàn)的靜電積累。

1.1.2 高頻變壓器設(shè)計

    高頻變壓器設(shè)計是開關(guān)電源設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，變壓器性能的優(yōu)劣直接影響開關(guān)電源的工作穩(wěn)定性和使用性能。式(1)～式(11)給出了高頻變壓器設(shè)計中參數(shù)的計算過程。其中，B_m為磁通密度最大變化量，J為電流密度，K_u為窗口系數(shù)，V_o為輸出電壓，V_D為整流二極管壓降，V_a為輔助繞組輸出電壓。

    初級輸入電壓最小值

    初級電流峰值

    在CCM模式下，梯形脈寬電流的最小值為I_P1，最大值為I_P2，設(shè)I_P2=3I_P1，且I_P1+I_P2=I_PK，則：

    初級繞組電感量最小值

    根據(jù)式(1)～式(11)計算高頻變壓器參數(shù)，利用Saber軟件對高頻變壓器進行建模分析，得到如圖3所示的分析結(jié)果。其中，變壓器繞組結(jié)構(gòu)為初級繞組分別在最內(nèi)層與最外層各繞N_P/2匝，次級繞組與輔助繞組均繞在中間層，以減小變壓器漏感。

    圖3說明了工作頻率為65 kHz時，變壓器的自感與計算結(jié)果相符合；變壓器漏感較小，開關(guān)管的電壓應(yīng)力減小，符合設(shè)計要求。

1.1.3 環(huán)路補償

    環(huán)路補償^[9，10]采用TL431與線性光耦LTV817構(gòu)成外部誤差放大器，以開關(guān)電源的輸出誤差為反饋信號，調(diào)節(jié)UC3843輸出PWM的占空比，實現(xiàn)開關(guān)電源穩(wěn)壓輸出。圖4為由TL431與LTV817組成的環(huán)路補償。其中R₅、C₂和C₃組成一個帶積分的二階環(huán)節(jié)，保證了系統(tǒng)響應(yīng)速度的穩(wěn)定性和快速性。

1.2 數(shù)控單元電路設(shè)計

    AVR單片機數(shù)控單元采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)對蓄電池充放電過程進行統(tǒng)一管理。數(shù)控單元主要包括以下3個部分：數(shù)據(jù)采集與處理單元、蓄電池充放電控制與反接保護電路以及場效應(yīng)管柵極驅(qū)動單元。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理單元

    12 V蓄電池在工作過程中端電壓在10.5 V～14.0 V之間變化，單片機AD轉(zhuǎn)換參考電壓為5 V，因此需要對采樣信號進行線性調(diào)理。本設(shè)計采用阻值為400 kΩ和100 kΩ，精度為1%的電阻進行分壓采樣，分壓系數(shù)k=0.2。

    蓄電池充放電電流采用霍爾傳感器獲取。由于傳感器的輸出存在2.5 V直流偏置，為消除偏置電壓，減少單片機轉(zhuǎn)換與計算時間，使用LM358構(gòu)建差分電路，獲取實際的電流轉(zhuǎn)換電壓進行AD采樣。

    電路噪聲和外界干擾的存在使得AD采樣信號中混有各種噪聲，為提高采樣信號信噪比，本文采用巴特沃斯低通濾波器設(shè)計方法設(shè)計了通帶截止頻率為100 Hz，阻帶截止頻率為500 Hz，輸出增益為1的二階有源低通濾波器對信號進行濾波處理。

1.2.2 蓄電池充放電控制與反接保護電路

    系統(tǒng)采用PWM方式實現(xiàn)對蓄電池充放電過程的統(tǒng)一管理^{[11，12]}。根據(jù)場效應(yīng)管的伏安特性可知，在MOS管的飽和區(qū)，當(dāng)V_GS固定時，V_DS的變化對I_DS的影響不大，具有恒流源特性。因此，通過數(shù)字PI控制器自適應(yīng)調(diào)整場效應(yīng)管的柵源電壓可以得到設(shè)定的恒流輸出，實現(xiàn)多段式恒壓限流充電管理。放電過程中，蓄電池端電壓會從13.1 V逐漸下降至工作截止電壓10.5 V，使得蓄電池的輸出不穩(wěn)定。因此，采用PWM脈寬調(diào)制的方式對直流負(fù)載進行供電，使蓄電池穩(wěn)定輸出。

    為防止由于交流電源斷開后蓄電池對開關(guān)電源電路反向放電，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，通過在回路中串接肖特基二極管MBR20100防止蓄電池逆向放電。同時，考慮到蓄電池接入時可能出現(xiàn)反接，造成電路板元件損壞，設(shè)計采用MOS管反接保護電路，通過電阻R9和穩(wěn)壓二極管D2提供場效應(yīng)管的柵源電壓。當(dāng)蓄電池反接時，柵源電壓V_GS=0，場效應(yīng)管截止，充電回路被斷開。圖5為蓄電池充放電控制與反接保護電路設(shè)計。

1.2.3 場效應(yīng)管柵極驅(qū)動

    場效應(yīng)管柵極驅(qū)動IR4427驅(qū)動芯片。該芯片具有獨立同相雙PWM門級驅(qū)動控制通道，兼容TTL電平，可直接由單片機的PWM輸出電平控制門級驅(qū)動器輸出。設(shè)計中通過單片機的定時器0和定時器1產(chǎn)生兩路PWM，分別與IR4427的PWM輸入端連接，從而產(chǎn)生直接用于驅(qū)動充放電控制回路場效應(yīng)管的PWM信號。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 蓄電池管理程序設(shè)計

    軟件設(shè)計采用在AVR單片機中移植μC/OS-II作為程序運行平臺，使用多任務(wù)管理實現(xiàn)蓄電池充、放電過程控制的高效、可靠管理。

    μC/OS-II是一種可剝奪式實時操作系統(tǒng)，CPU始終運行優(yōu)先級高且已就緒的任務(wù)。因此，在任務(wù)分配中需要根據(jù)任務(wù)的實時性和重要性合理分配任務(wù)的優(yōu)先級。

    μC/OS-II在AVR單片機上移植需要對與處理器和應(yīng)用程序相關(guān)的代碼進行修改。與處理器相關(guān)：頭文件OS_CPU.H中處理器的字長、數(shù)據(jù)類型、中斷以及堆棧生長方向的宏定義；匯編文件OS_CPU_A.ASM中四個子程序：OSStartHighRdy（使任務(wù)指針一直指向就緒任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)控制塊OS-TCB）、OSCtxSw（普通任務(wù)的切換）、OSInitCtxSw（中斷級任務(wù)的切換）和OSTickISR（時鐘節(jié)拍中斷）；C文件OS_CPU_C.C中堆棧的初始化函數(shù)OStaskStkInit（），用于在任務(wù)堆棧中模擬一次中斷。與應(yīng)用程序相關(guān)的代碼文件：INCLUDES.H用于程序的文件包含，簡化頭文件書寫，增強代碼的可移植性；OS_CFG.H中包含有操作系統(tǒng)功能的啟動配置宏定義。圖6為基于μC/OS-II操作系統(tǒng)平臺的軟件設(shè)計流程圖。

2.2 蓄電池壽命評估預(yù)測算法設(shè)計

    本設(shè)計采用壽命預(yù)測^[13]算法實現(xiàn)對蓄電池使用性能和使用壽命進行評估預(yù)測。算法設(shè)計步驟如下所示：

    (1)以蓄電池放電曲線為分析標(biāo)準(zhǔn)，把蓄電池電壓下降至12 V時作為分析數(shù)據(jù)的記錄起點；

    (2)采樣頻率100 Hz，使用滑動窗口均值濾波對采樣序列進行預(yù)處理；

    (3)每秒鐘記錄一次采樣值，重復(fù)50次，將得到的采樣值取平均，記為Y_i；

    (4)重復(fù)步驟(3)8次，得到輸出序列Y={Y_i}，輸入序列X={X_i=i}，i=1，2，…，8；

    (5)采用最小二乘法對局部放電數(shù)據(jù)進行高階曲線擬合，獲取各階系數(shù)的參數(shù)辨識結(jié)果。

    利用最小二乘對擬合曲線的各階參數(shù)進行辨識的過程如下：

    首先確定函數(shù)類：選擇的函數(shù)類應(yīng)形式簡單，易于計算，同時其幾何分布應(yīng)與測量數(shù)據(jù)的分布相似。n次多項式是常用且簡單的形式。為減小單片機的計算復(fù)雜度，這里選擇二階多項式函數(shù)類進行測量數(shù)據(jù)的曲線擬合。

    選取擬合函數(shù)類的數(shù)學(xué)表達式為：

    解矩陣方程便可得辨識參數(shù)a₀、a₁、a₂，進而根據(jù)辨識參數(shù)的變化規(guī)律對蓄電池的性能和使用壽命作出評估預(yù)測。

3 實驗測試與算例分析

    為驗證系統(tǒng)的運行效果，設(shè)計了如下實驗對該系統(tǒng)的功能進行驗證。實驗采用四節(jié)12V-12AH的蓄電池并聯(lián)工作，放電實驗采用逆變器轉(zhuǎn)換蓄電池電能給2只并聯(lián)的220 V～200 W特種燈泡放電。

3.1 蓄電池充、放電實驗

    充電策略采用多段式恒壓限流^[14]充電：涓流充電，當(dāng)蓄電池端電壓小于10.5 V工作截止電壓時采用1 A小電流充電；當(dāng)蓄電池端電壓大于10.5 V小于13.5 V時進入恒流充電，最大電流取0.1 C～0.25 C，本設(shè)計中恒流充電電流取6 A，符合8小時充電規(guī)則；蓄電池電壓在13.5 V到14.0 V之間時使用階梯式恒壓限流充電，浮充階段充電電流取0.01 C，本設(shè)計取0.5 A作為浮充電流^[15]。

    蓄電池放電實驗采用PWM控制方式，通過逆變器將電能轉(zhuǎn)換為交流輸出，供給燈泡放電。蓄電池放電過程中端電壓會隨著放電過程的進行逐漸下降，當(dāng)電壓下降至10.5 V截止工作電壓時，PWM輸出恒為低電平，斷開負(fù)載，防止蓄電池過放帶來的壽命損失。如圖7為PWM控制下的蓄電池充放電曲線，放電電流數(shù)據(jù)取傳感器的轉(zhuǎn)換輸出電壓值，轉(zhuǎn)換精度為40 mV/A，用以鑒別該蓄電池管理系統(tǒng)的控制效果；表1給出了不同充電階段下充電電流的控制誤差，用以評估數(shù)字PI控制下蓄電池充電階段劃分的精度和有效性。

    從圖7中可以看出：數(shù)字PI控制下，多段式恒壓限流充電方式得到有效實施，PWM控制放電具有良好的均值電流恒流特性。

    從表1中可以看出，不同充電階段下充電電流的最大誤差ΔI_max<0.3 A，最小誤差ΔI_min<0.2 A，平均誤差ΔI_avg<0.1 A，可見PI控制器對蓄電池的充電過程具有很高的控制精度。

3.2 蓄電池壽命預(yù)測

    為了讓用戶在使用蓄電池過程中及時了解蓄電池的性能和剩余使用壽命，采用壽命預(yù)測評估算法獲取蓄電池局部放電擬合曲線的一次項和二次項系數(shù)，對蓄電池使用性能和剩余使用壽命進行評估預(yù)測。表2給出了蓄電池經(jīng)過若干次放電后的局部放電曲線擬合結(jié)果。

    根據(jù)表2可知，隨著蓄電池放電次數(shù)的增加，擬合曲線一階系數(shù)的絕對值越來越大，二階系數(shù)則沒有明顯的規(guī)律，因此得出結(jié)論：通過對以12 V為起點的局部放電擬合曲線的一階系數(shù)的計算可以對蓄電池的使用性能和壽命進行有效評估和預(yù)測，從而指導(dǎo)用戶對蓄電池的使用與維護。

4 結(jié)論

    本系統(tǒng)通過對μC/OS-II實時多任務(wù)管理、反激式開關(guān)電源技術(shù)、數(shù)字PI控制器與PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了對12 V車載蓄電池的有效管理。系統(tǒng)具有防止蓄電池欠充、過充以及過放、故障檢測與報警、蓄電池性能與使用壽命預(yù)測分析功能；在提高蓄電池充電效率，保障供電時長的前提下，有效保證和提高了車載蓄電池的使用壽命。此外，本文提出了通過采用最小二乘對蓄電池局部放電曲線進行擬合，獲取擬合曲線一次項系數(shù)，對蓄電池的使用壽命和性能進行評估的方法，可以為用戶對蓄電池的維護和管理提供參考性的意見。同時，為避免由于擬合結(jié)果失真造成評估結(jié)果的誤判，系統(tǒng)還采用統(tǒng)計蓄電池完全充放電次數(shù)的方式對誤判進行甄別。

    目前，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于12 V車載蓄電池管理，處于試用階段。進一步的研究將通過設(shè)計更加可靠的評估算法，結(jié)合機器學(xué)習(xí)和人工智能的理念使該系統(tǒng)更加智能化，為蓄電池提供更加完善可靠的維護和管理功能。對于12 V光伏系統(tǒng)中蓄電池的管理，該系統(tǒng)也具有一定的應(yīng)用前景，可以根據(jù)設(shè)計要求修改驅(qū)動程序和外圍硬件電路實現(xiàn)光伏系統(tǒng)蓄電池的有效管理。

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作者信息：

湯健強，周鳳星，沈春鵬

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）