用微控制器簡化電池充電狀態(tài)的測量

　　從再生能源（如光電池面板或風(fēng)力發(fā)電機(jī)）接收能量的系統(tǒng)一般會將能量保存在可充電電池中，再提供給負(fù)載。通常情況下，兩個(gè)過程是同時(shí)發(fā)生的。對電池剩余電量的周期性評估可以保證延長電池的性能和壽命，同時(shí)控制電池供給負(fù)載的電流。電池的剩余電量包括前次計(jì)算的充電量，加上新增電量，或者減去消耗的電量。根據(jù) Coulomb定律，可以用下式計(jì)算出累積充電量：

　　其中QACC是電池最新的累積電量，i表示在時(shí)間間隔Δt期間累積的電流量。

　　在不連續(xù)的情況下，該式變成

　　其中n表示在時(shí)間間隔Δt內(nèi)電流Ik的測量次數(shù)。雖然Δt值可以任意選擇，但選等于一小時(shí)的值比較方便，因?yàn)殡姵刂圃焐虡?biāo)定容量的單位是安培小時(shí)。

　　為了簡化微控制器的硬件，降低算術(shù)運(yùn)算所需內(nèi)存數(shù)量，可以將1小時(shí)劃分為128個(gè)測量周期，并用寄存器移位方法完成公式中所需的分割?？梢詮?2個(gè)電流采樣取平均值作為每次充電測量值，采樣值經(jīng)微處理器內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換。一個(gè)ADC的輸入通道用于轉(zhuǎn)換充電電流，另一個(gè)ADC用于轉(zhuǎn)換放電電流。因此，剩余電池充電量的公式就簡化為 QREM=QPREV±QACC，其中QREM 是剩余電池充電量，QPREV是前次計(jì)算的充電量，加號表明是凈充電，而減號則表明是凈放電。

　　如圖1所示，電路包括一個(gè)8腳的飛思卡爾(Freescale)公司(www.freescale.com)低成本MC68HC908QT2微控制器IC3。電流采樣電阻R1兩端的電壓會根據(jù)電池充電還是放電而轉(zhuǎn)換極性。IC2A和IC2B分別接成相同增益的非反相和反相放大器，用于檢測R1兩端的電壓。非反相放大器IC2A只響應(yīng)充電電流產(chǎn)生的正向電壓，而對放電電流產(chǎn)生的負(fù)輸入電壓則提供零輸出。反相放大器IC2B則只響應(yīng)負(fù)輸入，而對正充電電流提供0V。兩個(gè)運(yùn)放的輸出都是正的，范圍從0 V至約5V，從而簡化了與ADC多路輸入的接口設(shè)計(jì)。IC2采用德州儀器(Texas Instruments)公司(www.ti.com)的TLC277，它的優(yōu)點(diǎn)是占用印制電路板面積小，并有低的輸入失調(diào)電壓。

　　確定了最低、最高期望的充、放電電流后，就可以計(jì)算出檢測電阻R1的值和放大器增益G，公式如下：

　　其中IMAX是最大放電電流，VIN(MAX)是最大ADC輸入。在本例中，最大充、放電電流均約為1A。

　　因此，對1A充電或放電電流和最大ADC輸入為5V時(shí)，可以選擇0.5Ω的R1，增益為10或100。一旦計(jì)算出了電池的充電能力，就可以通過單線接口SIP、I2C、CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控處理器或其它目標(biāo)（參考文獻(xiàn)1）。為使電池壽命最長，可以用微處理器的輸出來控制外部負(fù)載吸入的電流。

　　制造商一般交付充滿電的鉛酸電池，這是為了防止出現(xiàn)硫酸鉛沉淀問題，本設(shè)計(jì)假定一塊電池開始時(shí)處于滿充電狀態(tài)。如要將此電路用于鉛酸電池以外的其它化學(xué)性質(zhì)電池，必須修改電池最大可充能量值，該值保存在一個(gè)專用的硬件寄存器內(nèi)。

參考文獻(xiàn)
1. Raynus, Abel, "Single wire connects microcontrollers," EDN, Oct 22, 1998, pg 102, www.edn.com/archives/1998/102298/22di.htm#single.