電池容量計的一種實現方法

摘要：介紹一種計量電池容量的方法，即對電池充進能量和放出能量進行計算并乘以相應的損失系數從而指示電池的容量。采用對電流變換后的脈沖計數的方法，實現適用多數充放電情況的電池容量計量。研究實施該方法的技術途徑，提出具體的設計電路，其樣機已投入試用。

關鍵詞：充放電電量電池容量計

　　A Kind of Method of Implementing Battery Capacity Meter

Abstract： Introduces a method of measuring battery capacity, which calculates the charging energy and discharging energy and then the data is multiplied by a loss factor. In the end the results can indicate the capacity. Uses the skill of counting the pulses which are changed from the currents, so the method can be used to measure battery capacity on most of occasions that variety batteries are charged and discharged by variety rules. Researches the technology route of implementing the method and designs the circuit in details. Nowadays the meter has been practiced well.

Keywords:Charging and discharging Coulomb Battery capacity meter

1引言

　　隨著環保意識的逐漸加強，世界各國競相開展環保汽車的研制，我國也正在投入資金開發以電池為動力的電動汽車。而電動車必不可少的儀器就是電池容量計，就象普通汽車的油量表一樣，告訴使用者電池還剩余多少容量，能夠行駛多少公里。實際上，不僅電動車需要電池容量計，許多使用電池的場合都對此有迫切的要求。傳統的對電池監視的手段僅僅是一塊電壓表，而電壓卻不能準確反映電池的容量，經常出現電壓正常，卻無容量的現象。作為使用者常常感到困惑的就是不知電池還能使用多久，因此影響到許多關鍵場合的使用，還易出現誤判引起事故。因此研制一臺反映電池容量的儀器就顯得十分必要了。目前國外已有同類產品問世，但可能由于技術保密的原因，未見介紹其實現的方法。

　　本文以電動車為使用對象，提出了一種采用電量計量方法實現的電池容量計，可在一定條件下計量電池容量。它基于這樣一種原理，即對電池充進能量和放出能量進行計算并乘以相應的損失系數從而指示電池的容量（該系數應考慮到充電效率及電池放電電流大小以及其它因素對電池容量的影響）。

2基本原理

　　電池的容量除了一些電池本身的因素外，主要取決于充電量和放電量，顯然如果始終能記錄下電池的充放電情況就可以測出容量。我們設想在傳統的單一電池上裝備這種稱之為電池容量計的儀器以達到顯示容量的目的。該容量計動態監視電池充進電量的總和及放出總電量并運算后直觀顯示。影響電池容量的其它因素綜合為一個損失系數，該系數乘以充放電量的算數和即為電池剩余容量。由于電池的種類、大小、性能不盡相同，損失系數是不相同的，主要靠試驗獲得，故這里不討論系數問題，只研究完成計量電量功能的電路。

　　電池充放電有多種方式，恒流、限壓、脈沖、負脈沖等等，所以簡單地用電流乘以時間計量容量的方式無法適應除恒流外的其他方式，而積分方式又不能適應負脈沖充電的需要，同時它需要時間參數，亦不太適合。顯然電池容量計的設計應滿足多數的充放電方式。無論何種充電方式，其影響電池容量的關鍵參數即為電流和時間，負脈沖充電情況下只是同時有負電流。為此我們設計了如下工作方式的電池容量計電路，原理方框圖見圖1。

　　首先監測電池的充放電電流，將其轉換為電壓信號后放大，送入電壓頻率轉換器使其變為頻率信號，最后送入計數器記錄脈沖的個數，通過一定方式將計數值顯示出來，這就構成了一臺電池容量計。實際上，頻率的高低代表了電流的大小，電流大則頻率高，在同一時間內記錄的脈沖個數就多，反之亦然。而充放時間亦反映在對脈沖的計數上，時間長則計數個數多。如此，就利用計數方式完成了對電池充放電量的計算。

圖1電池容量計原理框圖

　　絕對值放大器和可逆計數器二者的結合，實現了對充電中放電間隙（即負脈沖充電）的計量，同時用一套電路完成了充放電兩個方向的計算。充電時正向計數，放電時反向計數（減數），用電流的流向控制可逆計數器的計數方向。

3方案論證及技術關鍵的解決

3.1電流取樣

　　電流取樣的目的是將電流信號變為電壓信號，一般有三種方式：

　　（1）取樣電阻；

　　（2）分流器；

　　（3）霍爾器件（包括互感器類）。

　　從電動車電池使用來看，電流較大，顯然使用取樣電阻并不合適，而分流器又太重且體積也較大，不太適用，故霍爾器件較為適用。其優點是線性程度優于0.1％，適于范圍較大的跟蹤，動態性能好，響應時間小于1μs，這樣可即時跟蹤汽車起動的瞬時電流。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車上安裝。它的缺點是價格稍貴，但對于汽車上使用的電池價格來講完全可以忽略。由于選用可以購買到的成熟產品，電路較簡單不再列出。

3.2絕對值放大器

　　由于充放電電流方向不同，采用絕對值放大器，它將霍爾器件輸出的正負信號統一放大為正信號，然后送往壓頻轉換器。

　　絕對值放大器的設計方法較多，從電源上來看，有單電源、雙電源兩種方式，采用的運放個數有一個和多個。本機由于采用霍爾器件且為雙向電流，故單電源沒有優點，而單運放的放大器，電阻取值太多，精度要求高，并且對負載亦應考慮，不太適用。

　　本機采用由二運放構成的絕對值放大器，選用低失調、低漂移的運算放大器0P－07，精度高且性能不受負載影響，這里苛求絕對值放大器的精度，不是為系統精度作貢獻，而是從另外一點考慮的。這就是前面提到的，就電池容量計而言，對電池監測的最好辦法應是同電池一體，始終監視電池狀況。而這就要求電池沒有充放電流時，放大器的輸出為零，否則經過長期擱置后，容量計由于放大器誤差的關系指示充滿或放光，產生誤判。以高精度、低失調、低漂移設計完成后的樣機，滿度誤差為1mv，零度誤差小于1mv。參見圖2。

圖2絕對值放大器原理圖