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1引言

鋁-空氣電池是以鋁合金為負(fù)極、空氣電極為正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解質(zhì)構(gòu)成的一種新型高能量化學(xué)電源，該電池具有成本低、能量密度大、質(zhì)量輕、材料來(lái)源豐富、無(wú)污染、可靠性高、壽命長(zhǎng)、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。但是鋁空氣電池在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)欠壓，過(guò)流與電解液過(guò)溫等現(xiàn)象，造成鋁空氣電池不可逆的損害，降低鋁空氣電池的使用壽命，為此本文利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和傳感技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種鋁空氣電池管理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提高鋁-空氣電池的智能性和穩(wěn)定性，進(jìn)而能夠提高鋁空電池的使用壽命和使用效率。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1為鋁空氣電池管理控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、電解液降溫模塊、單片機(jī)模塊、放電保護(hù)模塊、電源模塊等構(gòu)成，單片機(jī)模塊通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集鋁空氣電池的運(yùn)行參數(shù)（輸出電流、輸出電壓和電解液溫度），然后根據(jù)所采集的這些參數(shù)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制，使鋁空氣電池工作在最佳的工作狀態(tài)，當(dāng)鋁空氣電池出現(xiàn)過(guò)流，欠壓和電解液過(guò)溫時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)放電保護(hù)模塊切開(kāi)鋁空氣電池與負(fù)載的連接，從而保證鋁空氣電池高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)的選擇

單片機(jī)模塊采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC15W408AS單片機(jī),STC15W408AS單片機(jī)內(nèi)部有512字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有8通道10位高速ADC和5個(gè)定時(shí)器，可在系統(tǒng)編程與仿真，同時(shí)該單片機(jī)具有大容量片內(nèi)EEPROM功能，擦除次數(shù)10萬(wàn)次以上，內(nèi)置高精度R/C時(shí)鐘和高可靠復(fù)位電路，不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，非常適合在此場(chǎng)合應(yīng)用。

3.2數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集鋁空氣電池的運(yùn)行參數(shù)，其電路原理圖如圖2所示，電流采集模塊采用Allegro公司生產(chǎn)的ACS712-X20A電流傳感器，該傳感器單5V供電，在25℃時(shí)其輸出總誤差為1.5%，測(cè)量范圍為-20～20A，圖中IN+端接著鋁空氣電池的正極，IN-端與電源模塊和放電保護(hù)模塊的輸入端相連，電流傳感器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)濾波電路后輸入到單片機(jī)的ADC1引腳。鋁空氣電池的輸出電壓通過(guò)電阻分壓的方法采集得到，圖2中R22和R25為精度0.1%的高精密電阻，鋁空氣電池的輸出電壓經(jīng)過(guò)兩個(gè)電阻的分壓后通過(guò)由R24和C57組成的濾波電路，濾除干擾信號(hào)后將其送入到單片機(jī)的ADC輸入通道，圖中的二極管D5和D6組成二極管鉗位電路對(duì)單片機(jī)起到保護(hù)作用。電解液溫度傳感器選用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，該傳感器的測(cè)量范圍為-50℃~+125℃，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于750ms，精度可達(dá)0.1℃。圖中DS18B20的VCC引腳接+5V，輸出引腳DQ連接到單片機(jī)的P1.7口上，為了能夠使單片機(jī)讀取穩(wěn)定的高電平，在VCC和DQ引腳上接了一個(gè)4.7K的上拉電阻。

3.3放電保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)

放電保護(hù)模塊電路原理圖如圖3所示，圖中FD與單片機(jī)的P3.6引腳相連。當(dāng)鋁空氣電池正常工作時(shí)，單片機(jī)控制FD端口輸出高電平，三級(jí)管Q4飽和導(dǎo)通，此時(shí)MOS管Q3的柵極電壓接近于0V，則MOS管Q3導(dǎo)通，鋁空氣電池為負(fù)載供電，而當(dāng)鋁空氣電池出現(xiàn)過(guò)流，欠壓和電解液過(guò)溫時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制FD端口輸出低電平，此時(shí)Q4，Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，鋁空氣電池與負(fù)載斷開(kāi)連接，從而保護(hù)鋁空氣電池免遭損壞。

3.4電源模塊電路原理圖

電源模塊主要為系統(tǒng)的各個(gè)元器件提供電源，本系統(tǒng)器件都是由+5V來(lái)進(jìn)行供電，由于該鋁空氣電池由5個(gè)鋁-空氣電池單體串聯(lián)而成，而每個(gè)單體的工作電壓在0.8V到1.5V之間，也即該鋁空氣電池組的輸出工作電壓為4V～7.5V之間，為此本采用TI公司生產(chǎn)的電壓降壓-升壓轉(zhuǎn)換器TPS63061,該芯片具有降壓和升壓模式間自動(dòng)切換，靜態(tài)電流小，效率高達(dá)93%，電源模塊電路原理圖如圖4所示。

3.5其它模塊的設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊采用0.96寸的OLED液晶顯示器模塊，該模塊通過(guò)I2C接口與單片機(jī)模塊進(jìn)行通訊，用于實(shí)時(shí)顯示鋁空氣電池的剩余電量（SOC）、輸出電流、輸出電壓和電解液溫度。電解液降溫模塊由風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊和散熱風(fēng)扇構(gòu)成，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊由MOS管、電阻、二極管和電容所組成，用于接收單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)散熱風(fēng)扇，使電解液溫度控制在合適的范圍內(nèi)。報(bào)警模塊由蜂鳴器和發(fā)光二極管所組成，主要用于當(dāng)鋁空氣電池出現(xiàn)過(guò)流、欠壓、和電解液溫度過(guò)高時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶采取相應(yīng)的安全措施。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

用KEILC編程軟件編寫了系統(tǒng)程序，圖5為系統(tǒng)的主程序流程圖，當(dāng)用戶開(kāi)始使用鋁空氣電池時(shí)，首先將電解液倒入電解液箱里，激活鋁空氣電池，系統(tǒng)開(kāi)始工作，單片機(jī)首先完成相關(guān)變量、I/O口、AD轉(zhuǎn)換器和定時(shí)器等的初始化工作，接著單片機(jī)從EEPROM里讀取上次所存儲(chǔ)的鋁空氣電池SOC，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集鋁空氣電池的運(yùn)行參數(shù)，接著單片機(jī)根據(jù)所采集的運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行控制，具體為：（1）單片機(jī)根據(jù)所采集的電解液溫度輸出PWM波控制風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊，使電解液溫度控制在合適范圍內(nèi)。（2）定時(shí)每過(guò)1S，采用安時(shí)積分法計(jì)算當(dāng)前的SOC值。（3）定時(shí)每過(guò)30S將當(dāng)前的SOC值存儲(chǔ)到單片機(jī)的EEPROM中。（4）將采集的運(yùn)行參數(shù)和當(dāng)前的SOC值顯示在液晶顯示器上。（5）如果采集的參數(shù)超過(guò)了報(bào)警值，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出報(bào)警同時(shí)通過(guò)放電保護(hù)模塊斷開(kāi)鋁空氣電池與負(fù)載的連接，保證鋁空氣電池安全可靠的運(yùn)行。

5總結(jié)

為提高鋁空氣電池的使用效率和使用壽命，設(shè)計(jì)了一種以STC15W408AS單片機(jī)為核心的鋁空氣電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁空氣電池運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且還具有多種智能保護(hù)和故障報(bào)警功能，保證了鋁空氣電池運(yùn)行的安全性和高效性。

參考文獻(xiàn)

[1]柯浪,胡廣來(lái),馮育俊,等.鋁空氣電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及放電特性研究[J].電源技術(shù),2019,43(02):263-265.

[2]孫丁武,林維捐,謝銀斯,等.高比能鋁空氣電池研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),2019,43(01):174-176.

[3]賈小龍.48V鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué),2014.

[4]敖邦乾,劉智權(quán),鄒江,等.一種多點(diǎn)無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警及調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(18):57-60.

作者:杜益帆 賴忠喜 單位:臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院