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(jì)中急需解決的問題。

    蓄電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要從充電和放電兩個(gè)方面進(jìn)行，不同的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)本課題的具體研究對(duì)象，本文設(shè)計(jì)了一套基于μC/OS-II的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多任務(wù)設(shè)計(jì)對(duì)12 V車載蓄電池進(jìn)行維護(hù)和管理。設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用了μC/OS-II實(shí)時(shí)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(duì)蓄電池工作過程中電壓和電流的變化進(jìn)行分析，合理控制蓄電池的工作進(jìn)程，從而保證和提高了蓄電池的循環(huán)使用壽命，對(duì)蓄電池應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

    蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：反激式開關(guān)電源與AVR單片機(jī)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(jī)數(shù)字控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充、放電進(jìn)程實(shí)時(shí)、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(jì)采用對(duì)AVR單片機(jī)移植μC/OS-II^[5]操作系統(tǒng)內(nèi)核，實(shí)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(jì)

    開關(guān)電源的具體設(shè)計(jì)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(jì)主要包括3個(gè)部分：EMI濾波、高頻變壓器以及環(huán)路補(bǔ)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(chǎng)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(gè)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(diǎn)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(jì)

    高頻變壓器設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(jì)中參數(shù)的計(jì)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(jí)輸入電壓最小值

    初級(jí)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(jí)繞組電感量最小值

    根據(jù)式(1)～式(11)計(jì)算高頻變壓器參數(shù)，利用Saber軟件對(duì)高頻變壓器進(jìn)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(jí)繞組分別在最內(nèi)層與最外層各繞N_P/2匝，次級(jí)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(shí)，變壓器的自感與計(jì)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(jì)要求。

1.1.3 環(huán)路補(bǔ)償

    環(huán)路補(bǔ)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(hào)，調(diào)節(jié)UC3843輸出PWM的占空比，實(shí)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(bǔ)償。其中R₅、C₂和C₃組成一個(gè)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(jì)

    AVR單片機(jī)數(shù)控單元采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)蓄電池充放電過程進(jìn)行統(tǒng)一管理。數(shù)控單元主要包括以下3個(gè)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(hù)電路以及場(chǎng)效應(yīng)管柵極驅(qū)動(dòng)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(jī)AD轉(zhuǎn)換參考電壓為5 V，因此需要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行線性調(diào)理。本設(shè)計(jì)采用阻值為400 kΩ和100 kΩ，精度為1%的電阻進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)換與計(jì)算時(shí)間，使用LM358構(gòu)建差分電路，獲取實(shí)際的電流轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行AD采樣。

    電路噪聲和外界干擾的存在使得AD采樣信號(hào)中混有各種噪聲，為提高采樣信號(hào)信噪比，本文采用巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

1.2.2 蓄電池充放電控制與反接保護(hù)電路

    系統(tǒng)采用PWM方式實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電過程的統(tǒng)一管理^[11，12]。根據(jù)場(chǎng)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(shí)，V_DS的變化對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓可以得到設(shè)定的恒流輸出，實(shí)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(huì)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(duì)直流負(fù)載進(jìn)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(duì)開關(guān)電源電路反向放電，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕ㄟ^在回路中串接肖特基二極管MBR20100防止蓄電池逆向放電。同時(shí)，考慮到蓄電池接入時(shí)可能出現(xiàn)反接，造成電路板元件損壞，設(shè)計(jì)采用MOS管反接保護(hù)電路，通過電阻R9和穩(wěn)壓二極管D2提供場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓。當(dāng)蓄電池反接時(shí)，柵源電壓V_GS=0，場(chǎng)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(hù)電路設(shè)計(jì)。

1.2.3 場(chǎng)效應(yīng)管柵極驅(qū)動(dòng)

    場(chǎng)效應(yīng)管柵極驅(qū)動(dòng)IR4427驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片具有獨(dú)立同相雙PWM門級(jí)驅(qū)動(dòng)控制通道，兼容TTL電平，可直接由單片機(jī)的PWM輸出電平控制門級(jí)驅(qū)動(dòng)器輸出。設(shè)計(jì)中通過單片機(jī)的定時(shí)器0和定時(shí)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(dòng)充放電控制回路場(chǎng)效應(yīng)管的PWM信號(hào)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 蓄電池管理程序設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)采用在AVR單片機(jī)中移植μC/OS-II作為程序運(yùn)行平臺(tái)，使用多任務(wù)管理實(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，CPU始終運(yùn)行優(yōu)先級(jí)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(shí)時(shí)性和重要性合理分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

    μC/OS-II在AVR單片機(jī)上移植需要對(duì)與處理器和應(yīng)用程序相關(guān)的代碼進(jìn)行修改。與處理器相關(guān)：頭文件OS_CPU.H中處理器的字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)類型、中斷以及堆棧生長(zhǎng)方向的宏定義；匯編文件OS_CPU_A.ASM中四個(gè)子程序：OSStartHighRdy（使任務(wù)指針一直指向就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)控制塊OS-TCB）、OSCtxSw（普通任務(wù)的切換）、OSInitCtxSw（中斷級(jí)任務(wù)的切換）和OSTickISR（時(shí)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(jiǎn)化頭文件書寫，增強(qiáng)代碼的可移植性；OS_CFG.H中包含有操作系統(tǒng)功能的啟動(dòng)配置宏定義。圖6為基于μC/OS-II操作系統(tǒng)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)流程圖。

2.2 蓄電池壽命評(píng)估預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用壽命預(yù)測(cè)^[13]算法實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池使用性能和使用壽命進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。算法設(shè)計(jì)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(shí)作為分析數(shù)據(jù)的記錄起點(diǎn)；

    (2)采樣頻率100 Hz，使用滑動(dòng)窗口均值濾波對(duì)采樣序列進(jìn)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(duì)局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行高階曲線擬合，獲取各階系數(shù)的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果。

    利用最小二乘對(duì)擬合曲線的各階參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)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(jiǎn)單，易于計(jì)算，同時(shí)其幾何分布應(yīng)與測(cè)量數(shù)據(jù)的分布相似。n次多項(xiàng)式是常用且簡(jiǎn)單的形式。為減小單片機(jī)的計(jì)算復(fù)雜度，這里選擇二階多項(xiàng)式函數(shù)類進(jìn)行測(cè)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(dá)式為：

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

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與算例分析

    為驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行效果，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用四節(jié)12V-12AH的蓄電池并聯(lián)工作，放電實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

    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(shí)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(shí)進(jìn)入恒流充電，最大電流取0.1 C～0.25 C，本設(shè)計(jì)中恒流充電電流取6 A，符合8小時(shí)充電規(guī)則；蓄電池電壓在13.5 V到14.0 V之間時(shí)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(jì)取0.5 A作為浮充電流^[15]。

    蓄電池放電實(shí)驗(yàn)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(huì)隨著放電過程的進(jìn)行逐漸下降，當(dāng)電壓下降至10.5 V截止工作電壓時(shí)，PWM輸出恒為低電平，斷開負(fù)載，防止蓄電池過放帶來(lái)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(píng)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(shí)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(duì)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(cè)

    為了讓用戶在使用蓄電池過程中及時(shí)了解蓄電池的性能和剩余使用壽命，采用壽命預(yù)測(cè)評(píng)估算法獲取蓄電池局部放電擬合曲線的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)，對(duì)蓄電池使用性能和剩余使用壽命進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。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(duì)值越來(lái)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(duì)以12 V為起點(diǎn)的局部放電擬合曲線的一階系數(shù)的計(jì)算可以對(duì)蓄電池的使用性能和壽命進(jìn)行有效評(píng)估和預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)用戶對(duì)蓄電池的使用與維護(hù)。

4 結(jié)論

    本系統(tǒng)通過對(duì)μC/OS-II實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)與報(bào)警、蓄電池性能與使用壽命預(yù)測(cè)分析功能；在提高蓄電池充電效率，保障供電時(shí)長(zhǎng)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(duì)蓄電池局部放電曲線進(jìn)行擬合，獲取擬合曲線一次項(xiàng)系數(shù)，對(duì)蓄電池的使用壽命和性能進(jìn)行評(píng)估的方法，可以為用戶對(duì)蓄電池的維護(hù)和管理提供參考性的意見。同時(shí)，為避免由于擬合結(jié)果失真造成評(píng)估結(jié)果的誤判，系統(tǒng)還采用統(tǒng)計(jì)蓄電池完全充放電次數(shù)的方式對(duì)誤判進(jìn)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(jìn)一步的研究將通過設(shè)計(jì)更加可靠的評(píng)估算法，結(jié)合機(jī)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(hù)和管理功能。對(duì)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(jì)要求修改驅(qū)動(dòng)程序和外圍硬件電路實(shí)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(qiáng)，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）