铅蓄电池剩余电量检测研究与设计
摘 要铅蓄电池作为一款优秀的化学电源被人们广泛的使用于生活和生产领域，但如何在线监测蓄电池的剩余电量以确保蓄电池和其他系统的正常工作状态是一个较为困难的问题。本文在研究讨论了一些用于估算蓄电池剩余电量的方法的基础上，打算采用单片机STC89C52和一种芯片BQ2013H来设计电路完成此次测试。单片机与芯片之间由HDQ通信来完成指令与数据的传输，通过监测记录并且保存蓄电池各个状态的数据值，从而推算其荷电状态，且经过实验后确认能够获得较为精准的蓄电池剩余电量数据值。
目 录
第一章 绪论 1
第二章 研究背景综述 2
2.1研究背景 2
2.2铅蓄电池工作原理 3
2.3研究的意义 4
第三章 分析问题和研究方法 5
3.1研究内容 5
3.2方法的探讨 5
3.2.1密度法 5
3.2.2安时法 5
3.2.3开路电压法 5
3.2.4放电法 6
3.2.5内阻法 6
3.2.6安时法与开路电压法的结合 7
3.3利用SOC测量剩余电量 8
3.4确定研究方法 9
第四章 研究设计与测量 10
4.1芯片介绍 10
4.2使用功能 10
4.3芯片自我运行概况 11
4.4硬件设计 12
4.5软件设计 14
4.6单片机读写程序 15
4.7实验结果 16
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪论
从1859年普兰特发明蓄电池开始一直到今天已经过去了150多年，作为一种传统的电池产品，蓄电池从未停止它发展的脚步。自从铅酸蓄电池发明出来之后，因为它具有原材料容易获得，价格便宜，使用时安全可靠，适应环境温度范围较广泛和配合大电流放电等优点，其总是在化学电源领域中占有明显优势。
铅酸蓄电池在进入20世纪后被人们不断重新改进，它的循环的寿命、高倍率放电、能量密度等性能都得到了显著提高。但是当时多为开口式铅
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
酸蓄电池，在使用时逐步暴露出两个缺点，一个是充电快结束时，水分解为氢气和氧气，溶液减少，所以需要经常加水和酸保持其容量以维护正常的工作；另一个是产生的气体中携带酸，具有腐蚀性，时间一长周围设备容易损坏，这就使电池的使用得到限制。为了解决这些问题，世界各国在二十年间不断发展创新，最终研制出密封式铅酸蓄电池，企图通过实现密封解决上述问题，从而得到干净的绿色能源。
在之后的使用中人们发现其问题并未得到妥善解决，后来又经过人们的不断研发，使VRLA电池（阀控式密封铅酸蓄电池）得以问世，最终得到了人们的广泛认可。
第二章 研究背景综述
2.1研究背景
目前铅蓄电池被使用的范围非常地广，在化学电池中所占的市场份额比重最大，其销售额超过所有其它的二次电池。由于铅蓄电池在各方面的优越性使它的领头羊地位在很长的一段时间难以被替代，因为新型电池的性能难以超越它，也使它应用在大型储能或起动等一些复杂领域。虽说铅蓄电池被人们广泛的认可和使用，但它仍是一个优点与缺点并存的产品，由于它发展的时间较长，其技术研究比较成熟，且经过几代的更新与改良，降低了它的生产成本，性能也更加的安全稳定，也较好的实现了资源再生性，但相反的它循环的寿命不长，比能量偏低，而且原材料中含有一种有毒物质铅，在对铅进行加工和生产电池的过程中可能会导致铅污染，从而对环境造成潜在危害。但是科学技术在不断进步，人的管理水平也在不断提高，这使得铅蓄电池在生产流程中可能产生的污染风险减小且更易控制。随着铅蓄电池技术的不断发展突破，其结构也将得到更新换代，由此铅蓄电池将迎来一个新的时代，即性能的改善和使用寿命的延长。蓄电池凭借其丰富的原材料、低廉的价格、稳定的电压、再利用率高、使用安全可靠等优点而成为世界上使用最广泛的化学电源。在储能、动力和起动等领域铅蓄电池始终扮演重要的角色并且在未来很长一段时间内不会改变。
人们在生产生活中都需要使用能源，能源在被开发和转换后，再通过运输，最后被利用，其生产和需求之间总会有一些时间、数量和形态上的差异。为了提高能源使用效率，解决差异问题，人们通过一些技术手段先将能量储存起来，等到要使用时再将它释放，这种技术被称为储能技术。能量储存也有不同的形态，因此根据其形态不同可分为化学储能、电磁储能和机械储能。蓄电池储能属于化学储能，因为它方便储存和运输，所以不管是人们生活中还是工业生产中，处处都能见到它的身影。
蓄电池有多种分类，现在国内的铅酸电池技术比较成熟，所以其在国内应用较为广泛，但因其本身存在的缺点例如能量密度低、循环寿命短等，无法完全应用于大型储能上。国外主要将2种蓄电池用在大型储能上:一种是液钒电池,它的循环寿命很长，达13000次以上，但是体积偏大；还有一种是钠硫电池，其循环寿命没有液钒电池长，但其它性能比液钒电池高些，缺点是工作时内胆温度会升得很高容易导致爆炸。国外不仅将两种蓄电池广泛应用于商业化，还将之用在风电能源上，相比之下国内对这两种蓄电池所掌握的技术并不成熟，还在不断开展研发。
当今的科技发展迅猛，人们的生活水平也在突飞猛进，但发展的同时也为环境带来负面效应：石油等能源的不断枯竭、生态环境的持续恶化等，这就要求我们在产业和科技迅速发展的同时对新能源发展和储能技术提出进一步要求，就这样在市场的迫切需求下诞生了新型二次电池。新型二次电池有很多种类，像镍金属氢化物电池、锂离子电池、镍锌电池、铅布电池、免维护铅酸电池等新型二次电池都受到了大家的好评，在中国被大量使用，并形成一种快速发展的产业。国外许多有名的企业在国内建造了自己的基地供以生产蓄电池，如索尼、日立、三洋等。它们的市场不仅仅活动在大城市，也逐渐向中小城市发展。即使一些原本不生产蓄电池的企业也开始发展生产蓄电池产业，一部分业务逐步向铅蓄电池领域靠拢。当然随着国外公司的加入，国内相关企业与它们的竞争也日趋激烈，间接地促进了蓄电池产业的蓬勃发展。
2.2铅蓄电池工作原理
一个简单的铅蓄电池是由隔板、蓄电池盖、极板、电解液和蓄电池槽等基本的部件构成的，而极板为平板状的蓄电池一般用在汽车里。将稀硫酸和铅粉等物质混合起来制成膏状物即铅膏，把铅膏涂在栅板上就可做成平板状的极板，且有它形成正负反应之间的活性物。铅蓄电池的正极反应物为二氧化铅，负极反应物为铅，两者间的电位相差大约2V，且不因反应物数量的多少而改变。它放电时会产生很大电流，伴随着高温和电火花，同时它的内阻小而容量大，所以工作时禁止负极和正极间相互触碰从而避免造成短路，而且需要注意的是蓄电池的容量越大越不能发生这样的事。一般在铅蓄电池中正负极板被相间排列组合成为一个极群，且正极板会比负极板少一片。
目 录
第一章 绪论 1
第二章 研究背景综述 2
2.1研究背景 2
2.2铅蓄电池工作原理 3
2.3研究的意义 4
第三章 分析问题和研究方法 5
3.1研究内容 5
3.2方法的探讨 5
3.2.1密度法 5
3.2.2安时法 5
3.2.3开路电压法 5
3.2.4放电法 6
3.2.5内阻法 6
3.2.6安时法与开路电压法的结合 7
3.3利用SOC测量剩余电量 8
3.4确定研究方法 9
第四章 研究设计与测量 10
4.1芯片介绍 10
4.2使用功能 10
4.3芯片自我运行概况 11
4.4硬件设计 12
4.5软件设计 14
4.6单片机读写程序 15
4.7实验结果 16
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪论
从1859年普兰特发明蓄电池开始一直到今天已经过去了150多年，作为一种传统的电池产品，蓄电池从未停止它发展的脚步。自从铅酸蓄电池发明出来之后，因为它具有原材料容易获得，价格便宜，使用时安全可靠，适应环境温度范围较广泛和配合大电流放电等优点，其总是在化学电源领域中占有明显优势。
铅酸蓄电池在进入20世纪后被人们不断重新改进，它的循环的寿命、高倍率放电、能量密度等性能都得到了显著提高。但是当时多为开口式铅
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
酸蓄电池，在使用时逐步暴露出两个缺点，一个是充电快结束时，水分解为氢气和氧气，溶液减少，所以需要经常加水和酸保持其容量以维护正常的工作；另一个是产生的气体中携带酸，具有腐蚀性，时间一长周围设备容易损坏，这就使电池的使用得到限制。为了解决这些问题，世界各国在二十年间不断发展创新，最终研制出密封式铅酸蓄电池，企图通过实现密封解决上述问题，从而得到干净的绿色能源。
在之后的使用中人们发现其问题并未得到妥善解决，后来又经过人们的不断研发，使VRLA电池（阀控式密封铅酸蓄电池）得以问世，最终得到了人们的广泛认可。
第二章 研究背景综述
2.1研究背景
目前铅蓄电池被使用的范围非常地广，在化学电池中所占的市场份额比重最大，其销售额超过所有其它的二次电池。由于铅蓄电池在各方面的优越性使它的领头羊地位在很长的一段时间难以被替代，因为新型电池的性能难以超越它，也使它应用在大型储能或起动等一些复杂领域。虽说铅蓄电池被人们广泛的认可和使用，但它仍是一个优点与缺点并存的产品，由于它发展的时间较长，其技术研究比较成熟，且经过几代的更新与改良，降低了它的生产成本，性能也更加的安全稳定，也较好的实现了资源再生性，但相反的它循环的寿命不长，比能量偏低，而且原材料中含有一种有毒物质铅，在对铅进行加工和生产电池的过程中可能会导致铅污染，从而对环境造成潜在危害。但是科学技术在不断进步，人的管理水平也在不断提高，这使得铅蓄电池在生产流程中可能产生的污染风险减小且更易控制。随着铅蓄电池技术的不断发展突破，其结构也将得到更新换代，由此铅蓄电池将迎来一个新的时代，即性能的改善和使用寿命的延长。蓄电池凭借其丰富的原材料、低廉的价格、稳定的电压、再利用率高、使用安全可靠等优点而成为世界上使用最广泛的化学电源。在储能、动力和起动等领域铅蓄电池始终扮演重要的角色并且在未来很长一段时间内不会改变。
人们在生产生活中都需要使用能源，能源在被开发和转换后，再通过运输，最后被利用，其生产和需求之间总会有一些时间、数量和形态上的差异。为了提高能源使用效率，解决差异问题，人们通过一些技术手段先将能量储存起来，等到要使用时再将它释放，这种技术被称为储能技术。能量储存也有不同的形态，因此根据其形态不同可分为化学储能、电磁储能和机械储能。蓄电池储能属于化学储能，因为它方便储存和运输，所以不管是人们生活中还是工业生产中，处处都能见到它的身影。
蓄电池有多种分类，现在国内的铅酸电池技术比较成熟，所以其在国内应用较为广泛，但因其本身存在的缺点例如能量密度低、循环寿命短等，无法完全应用于大型储能上。国外主要将2种蓄电池用在大型储能上:一种是液钒电池,它的循环寿命很长，达13000次以上，但是体积偏大；还有一种是钠硫电池，其循环寿命没有液钒电池长，但其它性能比液钒电池高些，缺点是工作时内胆温度会升得很高容易导致爆炸。国外不仅将两种蓄电池广泛应用于商业化，还将之用在风电能源上，相比之下国内对这两种蓄电池所掌握的技术并不成熟，还在不断开展研发。
当今的科技发展迅猛，人们的生活水平也在突飞猛进，但发展的同时也为环境带来负面效应：石油等能源的不断枯竭、生态环境的持续恶化等，这就要求我们在产业和科技迅速发展的同时对新能源发展和储能技术提出进一步要求，就这样在市场的迫切需求下诞生了新型二次电池。新型二次电池有很多种类，像镍金属氢化物电池、锂离子电池、镍锌电池、铅布电池、免维护铅酸电池等新型二次电池都受到了大家的好评，在中国被大量使用，并形成一种快速发展的产业。国外许多有名的企业在国内建造了自己的基地供以生产蓄电池，如索尼、日立、三洋等。它们的市场不仅仅活动在大城市，也逐渐向中小城市发展。即使一些原本不生产蓄电池的企业也开始发展生产蓄电池产业，一部分业务逐步向铅蓄电池领域靠拢。当然随着国外公司的加入，国内相关企业与它们的竞争也日趋激烈，间接地促进了蓄电池产业的蓬勃发展。
2.2铅蓄电池工作原理
一个简单的铅蓄电池是由隔板、蓄电池盖、极板、电解液和蓄电池槽等基本的部件构成的，而极板为平板状的蓄电池一般用在汽车里。将稀硫酸和铅粉等物质混合起来制成膏状物即铅膏，把铅膏涂在栅板上就可做成平板状的极板，且有它形成正负反应之间的活性物。铅蓄电池的正极反应物为二氧化铅，负极反应物为铅，两者间的电位相差大约2V，且不因反应物数量的多少而改变。它放电时会产生很大电流，伴随着高温和电火花，同时它的内阻小而容量大，所以工作时禁止负极和正极间相互触碰从而避免造成短路，而且需要注意的是蓄电池的容量越大越不能发生这样的事。一般在铅蓄电池中正负极板被相间排列组合成为一个极群，且正极板会比负极板少一片。
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