引 言

     **储能蓄电池行业与电力、交通、信息等产业发展息息相关，在汽车、叉车等运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地位，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的。我国蓄电池行业规模相当庞大，应用也非常广泛，鉴于铅酸蓄电池的使用不当带来的问题(如硫化、容量减小、使用寿命缩短等)，实现蓄电池的智能化管理显得非常必要，而国内目前应用于该领域的嵌入式系统产品很少。本设计利用8位微控制器MB95F136来实现对铅酸蓄电池的智能管理，包括电池的充放电监测控制、电池容量检测及显示与报警等，从而有效地实现对铅酸蓄电池系统的智能化管理，提高了蓄电池的使用寿命，降低了维护成本。

1 系统概述

    本设计充分利用MB95F136的特点实现对蓄电池电压、电流及温度的实时在线监测。智能控制系统的充放电过程，可以显示蓄电池的电量，对不正确的、或对电池寿命有较大损害的使用状况予以控制和报警提示，可以在电池需要充电时提醒用户及时充电或者切换备用电源，防止过充过放等。为实现对铅酸蓄电池的智能化管理，系统通过实时对蓄电池的动态参数进行自动修正来获得准确的计算依据，从而计算出准确的电量和蓄电池的状态信息，并取得蓄电池的充电参数。

    本文设计的蓄电池管理系统主要有以下几个功能：

    ①实时监测蓄电池的温度，通过温度及其他参数来计算蓄电池的充放电参数，避免因使用不当或蓄电池温度过高等因素缩短蓄电池的寿命。

    ②实时监测蓄电池的端电压和电流，若发现电池容量小于警戒阈值，即提醒充电或自动切换备用电池。

    ③能通过对参数的分析计算出蓄电池的剩余容量，并通过数码管实时显示出来。

    ④系统能够自动修正蓄电池的内部参数来适应因使用给蓄电池带来的一些变化，还能通过控制充放电电路获得更好的充电效果。

    本系统结构如图1所示。

2、新能源汽车方面：40.2万辆/60.4%

　　今年1-11月，新能源汽车产销量分别达到42.7万辆和40.2万辆，同比分别增长59.0%和60.4%。

　　分月份来看，11月份产量出现较大突破，达到84796辆，同比增长27.3%，环比增长99.6%;分车型种类来看，乘用车、客车、专用车产量占比分别为48.4%、33.4%、18.2%，乘用车仍是新能源汽车的主要构成部分;分动力类型看，专用车EV占比100.0%;乘用车EV占比89.1%，乘用车PHEV占比10.9%;客车EV占比86.4%，客车PHEV占比13.6%。总体来看，纯电动占比90.2%，插电式混合动力占比9.8%。纯电动仍是各车型种类重点推广方向。

　　3、动力电池方面：142亿瓦时/60Gwh/34%

　　今年1-10月，中国新能源汽车动力电池配套总量达142亿瓦时，其中纯电动汽车车型动力电池配套量超过129亿瓦时，占比为91%;插电式混合动力车型动力电池配套量12亿瓦时，占比为9%。

　　 **储能蓄电池在政策和资本的双重驱动下，2016年动力电池产能达60GWh。主流动力电池厂处于扩产状态，到2016年底动力电池产能较去年同期增长超100%;2016年受补贴、三元暂缓、骗补、动力电池规范调整等影响，部分扩产规划搁浅;2017年开始产能过剩，价格竞争开始，降成本压力加大。

　　在动力电池的市场走向中，三元正在成为大趋势，2016年三元动力电池产量占比34%，同比增长11个百分点，主要受乘用车增长拉动;三元客车“解禁”将进一步推动三元发展;国家2020年300Wh/kg能量密度要求，必须通过新材料体系、新电池技术来实现。

2 系统硬件设计

系统控制核心

    本系统在设计上采用F2MC一8FX系列单片机MB95F136作为系统的控制核心。MB95F136在系统中不仅要实时监测蓄电池的电流、电压、温度等参数以及系统运行状态，还必须根据所采集到的数据进行处理，并对充电控制模块输出控制信号以实现对蓄电池系统的智能管理；同时，还负责实现按键控制和系统状态输出显示。Fujitsu公司的MB95F136采用的是O．35μm低漏电工艺技术，掩膜产品可以在1．8 V和1μA的低耗电工作模式(时钟模式)下运行，流水线总线架构可提供双倍执行速度，**小指令周期为62．5 ns。它在具备**处理和低耗电特性的同时，配有丰富的定时器；集成1个8通道的8／10位可选A／D转换器，可以方便地应用于系统中对电压、电流的采集。双操作闪存也是F2MC一8FX系列8位微控制器的特点之一，当一个程序在一个存储区中运行时，可以在另一个存储区中完成重写，从而减少外部存储器零件的数量来缩小电路板的表面积。另外，LVD(低电压检测)以及CSV(时钟监视器)功能可以提高系统的稳定性和可靠性。

电源电路设计

    本系统中，为了增强系统应用的灵活性，系统电源取自于被管理的蓄电池。为此，必须采用DC-DC模块进行隔离。由于选用的DC—DC模块要求输入电压≥24 V，因此系统管理的蓄电池必须是2节以上标称为12 V的电池组，否则就需要另外设计电源电路；为了增强系统的可靠性，系统可以设置一个3 V的电池盒用于备用电池，一旦取自蓄电池的电源出现故障，系统仍能照常运行。系统电源电路原理图如图2所示。

 电流电压采集电路

    监测的对象主要是电池组的电压和电流。电压由分压精密电阻取得，经过相应的放大后送至单片机的A／D口。蓄电池的充放电流经过O．01Ω采样电阻采样、放大，然后送至单片机的A／D端口POl。对蓄电池进行检测的关键在于对电压采样的**程度，因而采样电路设计得是否适当对整个系统至关重要。由于MB95F136内嵌的A／D转换器可以工作于5 V基准电压下，故采用图3所示的电流电压采集电路。该电路的**好处是，不但可以保证采样值能随蓄电池端电压的变化相应地实时变化，而且能够使数据更加准确、可靠。该电路为典型的线性电路，根据运算放大器的特性，可计算出经过采样电路后的输出电压为O．01 Q×I×23。

核电池

　　把核能直接转换成电能的装置(目前的核发电装置是利用核裂变能量使蒸汽受热以推动发电机发电，还不能将核裂变过程中释放的核能直接转换成电能）。通常的核电池包括辐射β射线（高速电子流）的放射性源（例如锶-90），收集这些电子的集电器，以及电子由放射性源到集电器所通过的绝缘体三部分。放射性源一端因失去负电成为正极，集电器一端得到负电成为负极。在放射性源与集电器两端的电极之间形成电位差。这种核电池可产生高电压，但电流很小。它用于人造卫星及探测飞船中，可长期使用。

　　原电池

　　经一次放电（连续或间歇）到电池容量耗尽后，不能再有效地用充电方法使其恢复到放电前状态的电池。特点是携带方便、不需维护、可长期（几个月甚至几年）储存或使用。原电池主要有锌锰电池、锌汞电池、锌空气电池、固体电解质电池和锂电池等。锌锰电池又分为干电池和碱性电池两种。

      

    锌锰干电池

　　制造**早而至今仍大量生产的原电池。有圆柱型和叠层型两种结构。其特点是使用方便、价格低廉、原材料来源丰富、适合大量自动化生产。但放电电压不够平稳，容量受放电率影响较大。适于中小放电率和间歇放电使用。新型锌锰干电池采用高浓度氯化锌电解液、优良的二氧化锰粉和纸板浆层结构，使容量和寿命均提高一倍，并改善了密封性能。

　 碱性锌锰电池

　　以碱性电解质代替中性电解质的锌锰电池。有圆柱型和钮扣型两种。这种电池的优点是容量大，电压平稳，能大电流连续放电，可在低温(-40℃)下工作。这种电池可在规定条件下充放电数十次。

　　锌汞电池

　　由美国S.罗宾发明，故又名罗宾电池。是**早发明的小型电池。有钮扣型和圆柱型两种。放电电压平稳，可用作要求不太严格的电压标准。缺点是低温性能差（只能在0℃以上使用），并且汞有毒。锌汞电池已逐渐被其他系列的电池代替。

　　碱性空气电池

　　以空气中的氧为正极活性物质，因此比容量大。有碱性和中性两种系列，结构上又有湿式和干式两种。湿式电池只有碱性一种，用NaOH为电解液，价格低廉，多制成大容量（100安?小时以上）固定型电池供铁路信号用。干式电池则有碱性和中性两种。中性空气干电池原料丰富、价格低廉，但只能在小电流下工作。碱性空气干电池可大电流放电，比能量大，连续放电比间歇放电性能好。所有的空气干电池都受环境湿度影响，使用期短，可靠性差，不能在密封状态下使用。

　　固体电解质电池

　　以固体离子导体为电解质，分高温、常温两类。高温的有钠硫电池，可大电流工作。常温的有银碘电池，电压0.6伏，价格昂贵，尚未获得应用。已使用的是锂碘电池，电压2.7伏。这种电池可靠性很高，可用于心脏起搏器。但这种电池放电电流只能达到微安级。

　　锂电池

　　以锂为负极的电池。它是60年代以后发展起来的新型高能量电池。按所用电解质不同分为：①高温熔融盐锂电池；②有机电解质锂电池；③无机非水电解质锂电池；④固体电解质锂电池；⑤锂水电池。锂电池的优点是单体电池电压高，比能量大，储存寿命长（可达10年），高低温性能好，可在-40～150℃使用。缺点是价格昂贵，另外电压滞后和安全问题尚待改善。

　　储备电池

　　有两种激活方式，一种是将电解液和电极分开存放，使用前将电解液注入电池组而激活，如镁海水电池、储备式铬酸电池和锌银电池等。另一种是用熔融盐电解质，常温时电解质不导电，使用前点燃加热剂将电解质迅速熔化而激活，称为热电池。这种电池可用钙、镁或锂合金为负极，KCl和LiCl的低共熔体为电解质，CaCrO4、PbSO4或V2O5等为正极，以锆粉或铁粉为加热剂。采用全密封结构可长期储存（10年以上）。储备电池适于特殊用途。

　　标准电池

　　****的是惠斯顿标准电池，分饱和型和非饱和型两种。其标准电动势为1.01864伏(20℃)。非饱和型的电压温度系数约为饱和型的1/4。

　　糊式锌-锰干电池

　　由锌筒、电糊层、二氧化锰正极、炭棒、铜帽等组成。**外面的一层是锌筒，它既是电池的负极又兼作容器，在放电过程中它要被逐渐溶解；中央是一根起集流作用的碳棒；紧紧环绕着这根碳棒的是一种由深褐色的或黑色的二氧化锰粉与一种导电材料（石墨或乙炔黑）所构成的混合物，它与碳棒一起构成了电池的正极体，也叫炭包。为避免水分的蒸发，干电池的上部用石蜡或沥青密封。锌-锰干电池工作时的电极反应为锌极：Zn→Zn2+＋2e

　　纸板式锌-锰干电池

　　在糊式锌-锰干电池的基础上改进而成。它以厚度为70～100微米的不含金属杂质的**牛皮纸为基，用调好的糊状物涂敷其表面，再经过烘干制成纸板，以代替糊式锌-锰干电池中的糊状电解质层。纸板式锌-锰干电池的实际放电容量比普通的糊式锌-锰干电池要高出2～3倍。标有“高性能”字样的干电池绝大部分为纸板式。

　　碱性锌-锰干电池

　　其电解质由汞齐化的锌粉、35％的氢氧化钾溶液再加上一些钠羧甲基纤维素经糊化而成。由于氢氧化钾溶液的凝固点较低、内阻小，因此碱性锌-锰干电池能在－20℃温度下工作，并能大电流放电。碱性锌-锰干电池可充放电循环40多次，但充电前不能进行深度放电（保留60％～70％的容量），并需严格控制充电电流和充电期终的电压。

　　叠层式锌-锰干电池

　　由几个结构紧凑的扁平形单体电池叠在一起构成。每一个单体电池均由塑料外壳、锌皮、导电膜以及隔膜纸、炭饼（正极）组成。隔膜纸是一种吸有电解液的表面有淀粉层的浆层纸，它贴在锌皮的上面；隔膜纸上面是炭饼。隔膜纸如同糊式干电池的电糊层，起隔离锌皮负极和炭饼正极的作用。叠层式锌-锰干电池减去了圆筒形糊式干电池串联组合的麻烦，其结构紧凑、体积小、体积比容量大，但贮存寿命短且内阻较大，因而放电电流不宜过大。