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汽车蓄电池电量远程监控系统设计与实现毕业论文

 2020-02-17 09:02  

摘 要

汽车蓄电池的电量是否充足关系到汽车发动机能否正常启动,关系到是否会影响人们的出行。汽车不仅在使用电器的时候会耗电,就连静止时也会耗电,所以很多车主无法实时得知汽车蓄电池的剩余电量,因此耽误了出行。鉴于以上原因,能远程实时地监控汽车蓄电池的剩余电量对于用车人员来说是很有必要的。

为了精确地了解汽车蓄电池的剩余电量并实现远程监控,本文设计了一个能远程监控蓄电池剩余电量,并且在电量过低时向终端发出警告的蓄电池电量远程监控系统。本系统的控制模块是STM32,它来控制ESP8266串口WiFi模块连接WiFi再连接到物联网平台OneNET,MCU再通过串口与电量测量模块连接,接收电压电流数据,通过实验及查资料得到电压与蓄电池对应电量的折线对应图,可以得到对应的蓄电池电量,再进行分析处理,电量不足时发出警告。OneNET物联网平台收到数据后就可以显示到电脑上,实现了蓄电池电量远程监控的目的。

关键词:蓄电池,剩余电量,远程监控

Abstract

The adequacy of the battery is related to the normal start of the car engine and whether it will affect people's travel. Cars not only consume power when they use high-power appliances, but even when they are stationary, they also consume power. Therefore, many car owners can not know the remaining power of car batteries in real time, thus delaying travel. In view of the above reasons, it is necessary for the car personnel to be able to monitor the remaining power of the car battery in real time.

In order to understand the residual power of automobile battery accurately and realize the remote monitoring, this paper designs a remote monitoring system which can monitor the residual power of battery remotely and warn the terminal when the power is too low. The control module of this system is STM32, which controls the ESP8266 serial port WiFi module to connect WiFi and then connect to the Internet of Things platform OneNET. The MCU then connects with the electricity measurement module through the serial port to receive voltage current data. Through experiments and data checking to obtain the corresponding circuit diagram of the voltage and battery corresponding to the battery, the corresponding battery power can be obtained, and then analyzed and processed, and warnings are issued when the battery is insufficient. After the OneNET Internet of Things platform receives data, it can be displayed on the computer to achieve the purpose of remote monitoring of battery power.

Key words: battery, residual power, remote monitoring

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 汽车蓄电池监测系统国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.3 本文研究内容 2

第2章 铅酸蓄电池的基本原理 4

2.1 铅酸蓄电池的工作原理 4

2.2 铅酸蓄电池的基本电特性 4

2.2.1 铅酸蓄电池的电动势及开路电压 4

2.2.2 铅酸蓄电池的容量及影响因素 5

第3章 汽车蓄电池剩余电量估计方案选择 7

3.1 蓄电池剩余电量估计方法 7

3.1.1 安时法 7

3.1.2 曲线线性化方法 7

3.1.3 神经网络方法 8

3.2 蓄电池剩余电量估计方案选择 8

第4章 系统设计 9

4.1 系统总体设计 9

4.1.1 功能要求 9

4.1.2 整体设计 10

4.2 系统硬件设计 11

4.2.1 系统硬件设计概述 11

4.2.2 单片机及最小系统 12

4.2.3 电量采集模块设计 13

4.2.4 无线通信模块设计 14

4.2.5 电源模块设计 15

4.3 系统软件设计 16

4.3.1 电量信号采集 18

4.3.2 无线通信 19

第5章 系统调试与验证 20

第6章 总结与展望 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

汽车行业的发展促进了人类的文明,促进了世界经济的繁荣发展,同时为其它行业的发展贡献了巨大的力量[1]。汽车使人们的出行和生活更加舒适和便利,加快了生活的节奏。然而,汽车在给人们的生活带来便利快捷的同时,也出现了一些会影响人们工作生活节奏的小问题,比如汽车的蓄电池电量不足的问题。

汽车蓄电池的电量是否充足关系到汽车发动机能否正常启动,关系到是否会影响人们的出行[2]。对于商用车而言,尤其是重卡,货运方式基本为长途运输,过程中需要等待货运安排及排队装卸车,花费时间少则几个小时,多则一天,为降低运输成本,用户吃穿住行都在车上解决,故用户对驻车条件下的驾乘舒适性要求越来越高。为适应全国气候差异性,驻车空调、驻车加热以及音乐播放器等舒适和娱乐性配置越来越多。在驻车情况下,电器均是通过蓄电池进行驱动,蓄电池内部的电量随着电器的使用而减少。目前蓄电池一般不采用电量管理系统,此种情况下,容易出现蓄电池因长期使用导致电量过低,而发动机难以启动的现象。而且汽车若较长时间停驻,车主离开车后并不能及时的知道汽车蓄电池电量情况,很可能到了用车时才发现蓄电池电量过低,所以如果能够远程实时获取当前蓄电池电量情况,用车人员将会省去很多麻烦[1]

本课题主要是为解决用车人员无法实时得知汽车蓄电池剩余电量的问题。要解决这个问题的办法,就要了解关于汽车蓄电池的知识[2]。在汽车静止时,我们要测量蓄电池的电量参数信号,比如说电压和电流。由于无法直接测量得到蓄电池的剩余电量,所以只能间接得到蓄电池的剩余电量[3]。但是得到的这些关系也是非线性的关系,要得到蓄电池剩余电量的精确值,就要采用其他方法。目前来说,估计蓄电池剩余电量较为准确的有一些方法,就比如说安时法、曲线线性化方法以及神经网络方法等[4],但是这些方法中的有些方法在实际情况下操作起来很困难,最后的实际效果往往差强人意。国内外市场上有一些用来监控蓄电池剩余电量的产品,这些产品大都是通过测量电池电压来大致预测剩余电量。实用的测量汽车蓄电池的剩余电量的产品[5]没有几个,准确性并不高。所以,在综合考虑各方面因素后,本系统选择了一种较为合理的方法——安时法,使蓄电池剩余电量较为准确的得到。

1.2 汽车蓄电池监测系统国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

随着汽车行业发展得风生水起,汽车蓄电池电量监控这面的研究也越来越被重视。国外很多企业很早就开始了这方面的研究。 1991年在美国成立的USABC,就为电池监测系统这方面的测试和试验上奠定了基础;1997年以后,日本的研究中心青森工业也开始了电池监测系统方面的研究[6]。目前,许多大型企业,例如日本的丰田、本田和松下等公司以及美国的通用汽车公司,都开始积极地研究电池监控系统,甚至一些公司已经有了自己的电池监控系统[7]。美国的SmartGuard系统能检测电池的过充故障,能防止过充,还能提取和显示蓄电池剩余电量最差的单体电池、记录并归档电池的历史状态[8]。德国研发的BADICOACH系统利用每一个非线性电路获取电池的电压,而这些非线性电路都添加在单体电池上。BADICOACH系统与SmartGuard系统很像的一点是它们都能出示最差的电池单元,这个电池单元是剩余电量最差,但是BADICOACH系统采用了基于RS232标准的通信机制,可以保护电池的过放电。

1.2.1 国内研究现状

虽然我国对电池监测系统的研究比起美国、日本等国家还存在很大差距,但是现在汽车产业的发展在我国已得到很大的重视,并且已经成为发展国家的战略能源的重要方向。

不只有国外在积极研究有关汽车的技术,在“十五”期间,我国各科研机构、高校与企业也加入了研究该方向的队伍里,像清华大学、北京理工大学等高校,还有东风汽车公司等公司都参与其中。不久,节能汽车的研发被列入“十一五863”计划项目,我国混合动力汽车的研究越来越创新了。自从1999年后,北京交通大学就开始进行对电池管理系统这方面的研究。到今天,已形成一个包含各种电池匹配不同车型的产品系列,这些电池包含锂离子、铅酸等许多不同类型的电池。

汽车蓄电池电量监控这方面的研究已经做到很好很出色了,不但可靠性提高,而且准确度也大幅提高[9],这对于汽车蓄电池电量监控的发展来说,已经是很大的一个进步。然后,科学不会止步,我们还需不断前进,继续进行对汽车蓄电池电量监控方面的研究。

1.3 本文研究内容

正确的估计蓄电池剩余电量是研究汽车电量管理系统的关键之处,而远程监控蓄电池剩余电量则是人们有效用车的保证,避免了电量不足导致无法用车。铅酸蓄电池从目前来看,仍然有很多不足之处,但因成本低廉、工艺成熟,尤其是近年以来技术也日趋成熟和完善,所以本课题还是以铅酸电池为研究对象。本课题的主要研究内容包含两个方面,一方面是正确估计蓄电池剩余电量,另一方面是远程监控电池的剩余电量。铅酸蓄电池的荷电状态受很多因素影响,虽然在这方面的研究不少,但是目前在估计电池荷电状态这方面还没有标准的算法,根据蓄电池剩余容量估计的技术现状,本文采用了安时法,这种方法也适用于其它类型电池的电量监控系统,具有一定的通用性。

本文一共六章,第一章为绪论,讲述监控汽车蓄电池剩余电量的背景及意义;第二章为铅酸蓄电池的基本原理,内容为蓄电池的工作原理,为蓄电池电量信号的采集做准备;第三章讲汽车蓄电池剩余电量估计方案的选择;第四章为系统设计,分为软、硬件设计;第五章对整个系统进行调试,并验证试验结果的准确性,计算精度;最后一章是总结与展望。

第2章 铅酸蓄电池的基本原理

2.1 铅酸蓄电池的工作原理

铅酸电池可以转换能量,电池放电是将化学能转化为电能,并且可以充电,即将电能转换为化学能储存。电池的工作原理是电池内的氧化还原反应。

铅酸电池在充放电后生成不同的物质。“硫酸盐双极理论”解释了目前铅酸电池的反应,大家都接受了这一理论。以下公式是铅酸蓄电池在充放电过程中的反应式:

(2.1)

以上反应为可逆反应,既可以从左到右进行,也可以从右到左进行,分别为铅酸蓄电池的充放电过程。正向反应时,为铅酸蓄电池的放电,生成硫酸铅和水,因此电解液的密度降低;逆向反应时,为铅酸蓄电池的充电,生成硫酸等,导致电解液密度减小。学者已经用大量实验证明了这一理论。

2.2 铅酸蓄电池的基本电特性

2.2.1 铅酸蓄电池的电动势及开路电压

铅酸蓄电池在接上负载以后,就会自动开始发生反应。只有当反应中的化学能和电能达到平衡转化时,才能通过计算的方法求出铅酸蓄电池的电动势,就是正极电动势减去负极电动势。但有时候电动势可以用两端的开路电压来表示,原因是在稳定的时候,电池的开路电压等于电动势。

但其实电池的电动势和开路电压根本是两回事,他们只是在稳定的时候数值相等,意义完全不同。前者表示稳态,后者表示暂态;前者有物理意义。后者无意义;测量或者计算这两种方式都可以得到电动势,而后者只是与电动势的数值接近。

电池的电动势虽然不能直接表示电池消耗的电能,但是因为电池的电动势乘以单位电量,代表着单位电量做的最大的电功率。所以当其他条件一定时,电池的电动势也能在一定程度上代表电能消耗。电动势越大,可消耗的电能就越大,这个电池的容量就越大。

电池电动势可用下式表示:

(2.2)式中:E为电池电动势,为正极电位 ,为负极电位。

根据Nernst公式和电化学的热力学方法,得到直接计算电池电动势的 Nernst 公式:

(2.3)

式中:为为标准电动势,T为绝对温度(K), Z为反应物粒子得失的电子数目,R为气体常数, F为法拉第常数,a为离子浓度。

电池的电动势与电池的大小无关,主要取决于电池本身的材料。所以,同样材料的电池,电动势取决于电解液的密度。

因为电池在充放电的过程中是不稳定的,所以不能在充放电的时候直接测量到电池的电动势。由铅酸蓄电池充放电的反应式可知,充电后,生成水,电解液密度降低,电动势会变低一些;而放电后,电解液密度增大,电动势会增大一些。

2.2.2 铅酸蓄电池的容量及影响因素

1.铅酸蓄电池的容量

铅酸蓄电池的容量表示,蓄电池从充满电开始放点,直到到达终止电压为止所放出的所有电量,就称作是铅酸蓄电池的电池容量,单位有安时和千瓦时。

放电时,电流若是恒定,可直接用下式求得电池容量:

(2.4)式中:表示蓄电池的容量(Ah),t表示放电时间(h) ,I表示放电电流(A)。

如果放电的电流不是恒定不变的,那么铅酸蓄电池的容量可用下式求:

(2.5)式中:i表示放电电流(A),t表示放电时间(h)。

2.影响容量的因素

(1)放电率对电池容量的影响

放电率就是以一定的电流放完整个电池电量所花费的时间,如下式:

(2.6) 式中表示整个电池容量,t是放电率,单位为小时, i表示放电电流。

由上式可知放电率和电流成反比关系,若放电率低就是大电流放电,反之,就是小电流放电。放电率对电池容量的影响是什么呢?原来,放电率低的话,放电电流就大,电池放电就会很快,可放电容量较小;放电率高的话,放电电流就小,电池的放电很慢,可放容量就大。

(2)温度对电池容量的影响

温度的变化也会对电池容量产生影响:温度升高,电池容量增大,原因是温度一升高,电池内部的活性物质活性增大,黏度减小,其中的离子运动和扩散能力增强,电池容量增大;反之,温度降低时,电池内部的活性物质活性减小,黏度增大,其中的离子运动和扩散能力降低,电池容量变小。在实际情况下,求电池实际容量要进行温度修正,如下式:

(2.7)

式中,代表温度为℃时电池的容量,的定义类似, K表示温度系数,代表温度每变化1摄氏度,电池的容量发生变化的数值。K也受很多因素影响,电池种类不同、电池老化等因素都会使温度系数发生变化。

(3)终止电压对电池容量的影响

电池放电的时候,电池放完电时的电压就是电池的终止电压。终止电压会因为电池种类的不同而不同。每一种电池的终止电压的数值都不尽相同,所以每种电池的放电时间也不同,那么电池容量也不同。

第3章 汽车蓄电池剩余电量估计方案选择

3.1 蓄电池剩余电量估计方法

3.1.1 安时法

查资料可知,安时法原理非常简单[13][14],不关心电池的复杂变化,只关心电池电量出入,要实时记录这一个物理量,规则是输入的电量是正的,输出的电量是负的,因为是实时的,求出的电量自然是瞬时的电量。t时刻的电量可用下式计算得出:

(3.1)

式中:SOC(t)代表t时刻的剩余电量,SOC()的定义类似,表示0.1C时的电池总容量。

在考虑充放电效率、温度和实际容量等因素后,可以得出下式:

(3.2)

式中:为充放电效率,是温度系数,是容量系数。

安时法不考虑电池内部的复杂变化,把电池当做一个黑箱,所以原理简单,容易实现。现在电池的剩余电量估计很多都采用此种方法。

3.1.2 曲线线性化方法

估计电池的剩余电量还可考虑曲线线性化方法。这种方法就是把曲线分成很多个小段,每一个曲线小段都用直线来代替,用来代替曲线小段的直线很接近曲线,把这些直线连接起来,就成了折线,代替了原来的曲线。这种方法要使精度度提高,就要增多分段个数,把曲线段数越多,直线就更容易去代替曲线。除了确定分段数,还要确定好分段端点,确方法是对曲线二次求导(假如存在的话),也可以直接观察得到。

电池的电动势和剩余电量的关系通常不是线性的,而是成非线性关系,画图的话就是一条曲线,所以可以使用曲线线性化方法估计蓄电池的剩余电量,画出折线图,每一段折线都是线性关系,电动势和剩余电量是一一对应的,就可以用电池的电动势来确定电池的剩余电量。

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