基于MATLAB的蓄電池充放電監測系統

摘要：為了更科學、直觀的掌握電池的充放電特性，設計了基于MATLAB的蓄電池充放電監控系統、主要有包括蓄電池容量檢測、蓄電池損壞度檢測、蓄電池充電狀態檢測等。利用檢測電路采樣溫度、電流、電壓等性能指標，通過串口和CAN總線等方式上傳到上位機。利用MATLAB編寫上位機的分析軟件，實時地反映了蓄電池充放電過程中的狀態。
關鍵詞：充放電檢測；多任務調度；時間片輪轉；串口工具箱；句柄繪圖

隨著石油價格的不斷調高，人們承擔了越來越多的燃料成本壓力。多數人開始關注以其他能源為能量的交通工具，以電池為能量來源的出行工具越來越多。而電池的安全、壽命等性能也日益引起人們的關注。目前能夠被電動自行車采用的有以下三種：鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。因為鉛酸蓄電池成本低，性價比高，現在的電動車上絕大多數裝的是鉛酸蓄電池。本文就針對單節鉛酸蓄電池設計的充電特性監測系統。

1 系統概述
與電池充放電有關的參量包括：電池端電壓、充電電流、電池溫度等。因此，系統需要實現這三個參數的準確采集。系統框圖如圖1所示，系統南MCU、模擬采樣電路、溫度采集電路和上位機組成。MCU采集電池充放電時端電壓、電流和溫度信息，然后信息通過串行通信接口發送到上位機，再由MATLAB接收處理，并繪制曲線。電流和電壓每秒采集10次，溫度每秒采集1次。MCU每秒向上位機傳遞一組數據，MATLAB跟蹤更新數據，達到動態顯示電壓、電流、溫度的效果。

2 硬件設計
2．1 MCU選擇
本監測系統的MCU選用了STC12C5A60S2，芯片資源有：60K的flash，1280字節高速RAM，8通道10位A／D、2通道UART、2通道16位定時器、1通道內部看門狗定時器。晶振選擇為11．0592MHz。
2．2 溫度采集芯片選擇
溫度采集的電路芯片選用Dallas公司生產的DS18B20，它是DALLAS公司生產的線式數字溫度傳感器，采用3引腳T0-92型小體積封裝；溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可編程為9位～12位A／D轉換精度，測溫分辨率可達0．0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字方式串行輸出。具有直接輸出數字信號，不存在信號傳輸過程干擾、擴展方便、不需要設計另外的信號調制電路等優點。
為了使溫度的采集更準確，本系統使用兩片DS18B20，A／D轉換精度選擇為12位，貼在電池壁的不同位置。
2．3 電流和電壓檢測電路設計
電壓檢查使用電阻分壓，經電壓跟隨電路到A／D轉換接口。運放的作用是提高輸入阻抗，減小檢測電路對充電電路的影響，提高測量精度。
電流檢測有兩種方法：高端檢測和低端檢測。低端檢測實現起來比較容易，但是這種方案的壞處是負載會比實際地線抬高一個直流電壓，測量不準確；另外，電源和負載具有不同的參考地，對EMI的控制不利。高端檢測的難點在于輸入端存在共模電壓，測量電路復雜。本系統采用Maxim的MAX4173來測量差模電壓，其內部包括一個差分放大器。選擇兩片MAX4173能夠實現電流的雙向采樣，電流檢測電路如圖2所示。

3 MCU軟件設計
MCU完成功能包括讀兩路A／D轉換(電壓、電流)；讀兩路DS18B20轉換結果；串口通信。電壓、電流變化較為劇烈，采樣周期要短，但周期短會造成數據量大，加重傳輸和數據分析負擔，經權衡，取電壓、電流的采樣周期為0．1s。溫度是一個時間參數較長的物理量，可以放寬采樣時間，這里取采樣周期為1s。