0 引言

    蓄電池被廣泛應用于多種工業領域和人們的日常生活當中，其使用壽命與欠充、過充以及過放密切相關。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設計中急需解決的問題。

    蓄電池管理系統的設計主要從充電和放電兩個方面進行，不同的應用場景所采取的充放電控制策略也各有側重。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，本文設計了一套基于μC/OS-II的蓄電池狀態監測與智能控制系統。該系統采用多任務設計對12 V車載蓄電池進行維護和管理。設計綜合應用了μC/OS-II實時多任務管理、反激式開關電源技術、數字PI控制器與脈寬調制（PWM）技術，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使用壽命，對蓄電池應用技術的發展具有重要的促進意義。

1 系統結構及工作原理

    蓄電池狀態監測與智能控制系統主要由兩個部分構成：反激式開關電源與AVR單片機數字控制電路。反激式開關電源將市電轉換為低壓直流電為蓄電池充電，AVR單片機數字控制電路實現對蓄電池充、放電進程實時、高效的統一控制。圖1為硬件電路整體結構框圖。

    軟件設計采用對AVR單片機移植μC/OS-II^[5]操作系統內核，實現多任務管理。圖2為用戶任務管理的樹狀圖。

1.1 反激式開關電源設計

    開關電源的具體設計指標如下：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，電流連續型工作模式（CCM）。具體設計主要包括3個部分：EMI濾波、高頻變壓器以及環路補償。

1.1.1 EMI濾波

    開關電源產生的電磁干擾（EMI）主要以傳導干擾和近場干擾為主，包括共模干擾和差模干擾2種狀態。EMI濾波器^[6-8]可以有效濾除電網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，用于消除差模干擾；Y電容跨接在輸出端且串聯中點接地，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的靜電積累。

1.1.2 高頻變壓器設計

    高頻變壓器設計是開關電源設計中最重要的環節，變壓器性能的優劣直接影響開關電源的工作穩定性和使用性能。式(1)～式(11)給出了高頻變壓器設計中參數的計算過程。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，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I_P2=3I_P1，且I_P1+I_P2=I_PK，則：

    初級繞組電感量最小值

    根據式(1)～式(11)計算高頻變壓器參數，利用Saber軟件對高頻變壓器進行建模分析，得到如圖3所示的分析結果。其中，變壓器繞組結構為初級繞組分別在最內層與最外層各繞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果相符合；變壓器漏感較小，開關管的電壓應力減小，符合設計要求。

1.1.3 環路補償

    環路補償^[9，10]采用TL431與線性光耦LTV817構成外部誤差放大器，以開關電源的輸出誤差為反饋信號，調節UC3843輸出PWM的占空比，實現開關電源穩壓輸出。圖4為由TL431與LTV817組成的環路補償。其中R₅、C₂和C₃組成一個帶積分的二階環節，保證了系統響應速度的穩定性和快速性。

1.2 數控單元電路設計

    AVR單片機數控單元采用PWM脈寬調制技術對蓄電池充放電過程進行統一管理。數控單元主要包括以下3個部分：數據采集與處理單元、蓄電池充放電控制與反接保護電路以及場效應管柵極驅動單元。

1.2.1 數據采集與處理單元

    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轉換參考電壓為5 V，因此需要對采樣信號進行線性調理。本設計采用阻值為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，減少單片機轉換與計算時間，使用LM358構建差分電路，獲取實際的電流轉換電壓進行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計方法設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

    系統采用PWM方式實現對蓄電池充放電過程的統一管理^[11，12]。根據場效應管的伏安特性可知，在MOS管的飽和區，當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，通過數字PI控制器自適應調整場效應管的柵源電壓可以得到設定的恒流輸出，實現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定。因此，采用PWM脈寬調制的方式對直流負載進行供電，使蓄電池穩定輸出。

    為防止由于交流電源斷開后蓄電池對開關電源電路反向放電，利用二極管的單向導通特性，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反接，造成電路板元件損壞，設計采用MOS管反接保護電路，通過電阻R9和穩壓二極管D2提供場效應管的柵源電壓。當蓄電池反接時，柵源電壓V_GS=0，場效應管截止，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計。

1.2.3 場效應管柵極驅動

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

2 系統軟件設計

2.1 蓄電池管理程序設計

    軟件設計采用在AVR單片機中移植μC/OS-II作為程序運行平臺，使用多任務管理實現蓄電池充、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，CPU始終運行優先級高且已就緒的任務。因此，在任務分配中需要根據任務的實時性和重要性合理分配任務的優先級。

    μC/OS-II在AVR單片機上移植需要對與處理器和應用程序相關的代碼進行修改。與處理器相關：頭文件OS_CPU.H中處理器的字長、數據類型、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（使任務指針一直指向就緒任務中優先級最高的任務控制塊OS-TCB）、OSCtxSw（普通任務的切換）、OSInitCtxSw（中斷級任務的切換）和OSTickISR（時鐘節拍中斷）；C文件OS_CPU_C.C中堆棧的初始化函數OStaskStkInit（），用于在任務堆棧中模擬一次中斷。與應用程序相關的代碼文件：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中包含有操作系統功能的啟動配置宏定義。圖6為基于μC/OS-II操作系統平臺的軟件設計流程圖。

2.2 蓄電池壽命評估預測算法設計

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

    (1)以蓄電池放電曲線為分析標準，把蓄電池電壓下降至12 V時作為分析數據的記錄起點；

    (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處理；

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

    (4)重復步驟(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據進行高階曲線擬合，獲取各階系數的參數辨識結果。

    利用最小二乘對擬合曲線的各階參數進行辨識的過程如下：

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

    選取擬合函數類的數學表達式為：

    解矩陣方程便可得辨識參數a₀、a₁、a₂，進而根據辨識參數的變化規律對蓄電池的性能和使用壽命作出評估預測。

3 實驗測試與算例分析

    為驗證系統的運行效果，設計了如下實驗對該系統的功能進行驗證。實驗采用四節12V-12AH的蓄電池并聯工作，放電實驗采用逆變器轉換蓄電池電能給2只并聯的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，本設計中恒流充電電流取6 A，符合8小時充電規則；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，放電電流數據取傳感器的轉換輸出電壓值，轉換精度為40 mV/A，用以鑒別該蓄電池管理系統的控制效果；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，對蓄電池使用性能和剩余使用壽命進行評估預測。表2給出了蓄電池經過若干次放電后的局部放電曲線擬合結果。

    根據表2可知，隨著蓄電池放電次數的增加，擬合曲線一階系數的絕對值越來越大，二階系數則沒有明顯的規律，因此得出結論：通過對以12 V為起點的局部放電擬合曲線的一階系數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測，從而指導用戶對蓄電池的使用與維護。

4 結論

    本系統通過對μC/OS-II實時多任務管理、反激式開關電源技術、數字PI控制器與PWM脈寬調制技術的綜合應用，實現了對12 V車載蓄電池的有效管理。系統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，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，為避免由于擬合結果失真造成評估結果的誤判，系統還采用統計蓄電池完全充放電次數的方式對誤判進行甄別。

    目前，該系統主要應用于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計更加可靠的評估算法，結合機器學習和人工智能的理念使該系統更加智能化，為蓄電池提供更加完善可靠的維護和管理功能。對于12 V光伏系統中蓄電池的管理，該系統也具有一定的應用前景，可以根據設計要求修改驅動程序和外圍硬件電路實現光伏系統蓄電池的有效管理。

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作者信息：

湯健強，周鳳星，沈春鵬

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢430081）