电动叉车蓄电池电量测量的设计

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摘 要：针对电动叉车对蓄电池电量计的特殊要求，通过对进口叉车电量计的功能分析，自主开发了一款用于电动叉车的新型电量计。该电量计的基本技术指标，如电量测量、充放电判断、电量显示及低电压控制输出等，与进口电量计一致。同时，还具有通过手持编程器设定额定电压、充放电曲线参数及参数传递等功能，增强了电量计的适应性与使用灵活性。对该电量计设计原理、软硬件的基本实现方法及有关技术要点进行了阐述。

关键词：电动叉车；蓄电池；电量计；手持编程器

中图分类号：TP368.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1602805

Design of the Measuring Battery Capacity for Electric Forklift Truck

JIAN Hongmei,WANG Yihuai,ZHANG Qin

(College of Computer Science and Technology,Soochow University,Suzhou,215006,China)

Abstract：After analyzing the functions of imported forklift coulometer,a new type of coulometer only for electric forklift has been independently developed.The basic technological indexes of this coulometer consistent with the import,such as the fuel gauging,the judgment of charge and discharge,the display of residual capacity and the control of output at low voltage.At the same time,the rated voltage,the parameters of chargedischarge curve and parameter passing can be set by the handheld programmer,which expands the coulometer′s flexibility and adaptability.In this article,the design principle of coulometer,the basic method of implementing software and hardware and the related technical elements are elaborated.

Keywords：electric forklift truck;storage battery;coulometer;handheld programmer

1 引 言

使用直流电源（蓄电池）供电的电动叉车（以下简称叉车）具有转换效率高、噪声小、无废气、控制方便等优点，目前广泛的应用于企业生产和储运过程中。电动叉车的作用日渐突出，各行各业对电动叉车的需求也逐渐上升。据资料统计，1992年日本电动叉车产量就已经超过了叉车总量的1/3，在德国、意大利等一些西欧国家，电动叉车所占的比例达到50%左右，而我国目前电动叉车的所占比例为15%~20%，有着广泛的市场前景［1］。

一般的叉车电量计集电量测量、充放电判断、电量显示及低电压控制输出于一体，封装在52 mm直径的圆形外壳内。这种电量计专门为使用蓄电池供电的电动叉车设计，即使在极为恶劣工作的环境下也具有极高的可靠性。目前，国外的优质电量计多具备采样精度高、指示足够、适应范围广、可更改参数等特性，而国内的叉车电量计在性能上较进口的有些差距，因此现多从国外进口，但国外的产品大都技术保密、价格昂贵，因而国内的叉车电量计有着广阔的发展空间。

根据电动叉车对蓄电池电量计的特殊要求，分析进口叉车电量计的功能后，自主开发了一款用于电动叉车的新型电量计（VM201电量计，以下简称叉车电量计）。该叉车电量计安装在电动叉车上，用于快速、准确地反映蓄电池的使用情况，方便用户了解蓄电池的状态，具有保护蓄电池、提高其使用寿命的作用。

2 蓄电池电量的测量方法

2.1 电量的一般测量方法

蓄电池有着复杂的电化学特性，诸如开路电压、负载电压、温度、内阻、电解液的比重、电解液导电系数等参数，由此产生了一些基本的检测方法，如密度法、开路电压法、放电电压法、测量恒定电流下的电压方法、内阻法等［2］。根据它们的大小，通过参考模型计算预测蓄电池的剩余电量。

最科学且最原始的电池电量计量方法是对流经的电子流量的统计，即库仑计(Coulomb Count)。只有计算流经的电荷的多少才能获得电池的电量使用情况。但这种方法相当复杂，因为一个电池的电量无法“测量”的。即在本次放电之前，是无法通过任何手段直接“感知”将有多少Wh的电可以放出，或者还剩多少Wh的电能。因为作为化学能储存的电能并不能直接通过如同计算水库库容一样来计算水能和预计水力发电量。

2.2 普通的电压法计量分析

蓄电池有一个对电量计量十分有用的特性，就是在放电的时候，电池电压会随电量的流逝而逐渐降低，并且有相当大的斜率。这就提供给另外一种近似的电量计量途径――取电池电压法。就好像测量水箱里面的水面高度可以大概估计剩余水量这个道理一样。但是实际上电池的电压比水箱里面的平静的水面高度测量要复杂的多。用电压来估计电池的剩余容量有以下几个不稳定性：

(1) 放电电流对电池电压的影响：对同一个电池，在同等剩余容量的情况下，电压值随放电电流的大小而变化。放电电流越大，电压越低。在没有电流的情况下，电压最高。

(2) 环境温度对电池电压的影响：温度越低，同等容量电池电压越低。

(3) 循环放电对电池放电平台的影响：随着循环放电的进行，电池的放电平台趋于恶化，放电平台性能降低，所以相同电压所代表的容量也相应减少。

(4) 不同厂家，不同容量的电池，其放电的平台略有差异。

(5) 不同类型的电极材料的电池，放电平台有较大差异。

以上这些因素都会造成电压的波动和电压的差异，使电池的容量显示变得不稳定。用电压计量电池容量时，因为负载不可能一直处于小电流的待机状态，暂时的大电流的损耗，会造成电池电压快速降低，此时显示的容量要比实际容量低；而当大电流撤掉以后，电池的电压会回升，造成容量显示反而上升这种不合理的现象。因此，直接用电压并不能准确指示电池电量。

2.3 基于放电时间电压法计量分析

由于一个蓄电池的总电量是不变的，则在恒定电流放电的情况下，放电时间固定不变。根据这一特性，把蓄电池的总电量分为10段10%~100%，每一段的电量也是固定，在恒定电流的情况下放电时间也是固定不变的，这就是基于放电时间的电压法的基本思想。设计过程中，在电动叉车使用时在线测量实际情况，同时参照蓄电池的放电曲线，采用单片机对蓄电池端电压和放电时间同时进行测量，然后计算出蓄电池的剩余电量。具体的实施方法是：将蓄电池（以24 V，100 Ah为例）充满电对其放电；用标准电量计记录放电过程中蓄电池剩余电量的大小，同时使用电压表和单片机的A/D采集模块记录相应的端电压值和A/D值；放电完毕后获得完整的放电曲线，即剩余电量与蓄电池端电压（也就是对应A/D值）之间的关系。放电曲线可以由多次测量所得数据，通过工具软件用多项式拟和出来，设计电量计是将曲线信息存入单片机中，以后测量同类蓄电池时，单片机就可以根据在线测到的蓄电池端电压值，查表计算得出剩余电量值。充电曲线也以相同的方法测得。

2.4 叉车电量计的计量方法

通过对普通电压法和基于放电时间的电压法的分析，结合电动叉车工作时工作电流波动大、显示精度不高（不要求十分精确的反映蓄电池剩余电量的安时（AH）数值，只要指示出电池剩余电量占总电量的百分之几即可）的特性，本文采用基于放电时间的电压法、采样滤波、计时补偿等技术来设计实现叉车电量计。这种方法不仅可以减化硬件电路设计，而且能够较快地反映出剩余电量所含比例情况。

3 实验结果与分析

3.1 实测充电曲线及多项式回归

在实验过程中，采用CURTIS公司MODEL 803型电量计为标准电量计。电动叉车的充电状态下，实际测得标准电量计所指示的电量值、经单片机A/D采样到的蓄电池端电压值。由测量数据经过4次多项式拟合得到的充电曲线如图1所示，图中的圆点为实际测量值，没有圆点的曲线为拟合以后的曲线。（经2，3，4，5次多项式拟合曲线比较后4次曲线形状最好，所以最后采用4次多项式曲线。）

经拟合得到的多项式为：y=24.930 8+0.080 427x-0.227 834e-2x.2+

0.339 812e-4x.3-0.163 899e-6x.4(1) 拟合得到的多项式(1)，将电量值10%~100%作为x分别代入(1)，则得到充电时对应端电压值，根据端电压值和6∶1采样电路，就可以计算得到与端电压值对应的8位A/D值，如表1所示，表中的A/D值就是电量计单片机在测量时所需要的充电曲线数据。

3.2 实测放电曲线及多项式回归

在电动叉车的使用过程中(即放电状态下)实际测得标准电量计所指示的电量值、端电压值。同样，由测量数据经过4次多项式拟合得到的放电曲线如图2所示，图2中的圆点为实际测量值，没有圆点的曲线(蓝色)为拟合以后的曲线。（经2,3,4,5次多项式拟合曲线比较后4次曲线形状较好，所以最后采用4次多项式曲线。）

经拟合得到的多项式为：y=20.862 5+0.0718 72x+0.161 349e-

3x.2-0.198 805e-4x.3+0.164 773e-6x.4(2)拟合得到的多项式(2)，与获得充电信息的方法相同，得到放电状态下的电量、端电压和A/D值，如表2所示。

4 叉车电量计硬件设计与实现

4.1 系统功能

叉车电量计安装在电动叉车上，用于显示供电电池当前剩余电量和累计使用小时数，其中用10段LED指示当前剩余电量占总电量的百分数，从左到右分别表示电量为10%~100%；蓄电池累计使用的小时数采用6位段式液晶显示，显示范围0.0~99 999.9H，钥匙开关打开后显示计时沙漏。叉车电量计的主要功能有剩余电量显示、小时计显示电池累计使用时间；判断充放电状态、并根据充放电的情况使10段LED升1格或降1格；电量低于20%给出提示，低于10%时断开外部供电，保护电池；接上手持编程器后动态调整参数。

4.2 系统体系结构

根据电量计的功能要求，确定硬件系统结构如图3所示，它由微控制器（Machine Control Unit,MCU）、输入部分和输出部分3部分组成。电量计选用MC68HC908LJ12作为主控芯片，该芯片是Freescale公司于2001年推出的一款HC08单片机，它的LCD (Liquid Crystal Display) 模块可以直接驱动6位段式LCD；输入部分包括蓄电池电压输入和钥匙开关状态输入，电池电压一方面经转换后产生供系统工作电源，另一方面经过6∶1分压产生供A/D采样使用的采样电压；输出部分包括6位LCD时间显示、10段LED (lightemitting diode) 电量指示、计时状态LED指示和继电器输出控制。

图3 硬件系统框图电池电压经过一个二极管后给控制继电器产生驱动电压VJ，同时再经过一个二极管并由可调输出集成稳压器LM317产生系统供电电压VDD＝5.7 V，再通过一个二极管降压0.7 V后，得到VCC＝5 V供主控MCU工作。继电器的驱动电压由VJ经过限流电阻和5 V稳压得到，由于该电压质量要求不高，具体电路可以用与系统电压相同的稳压电路产生，也可以直接用稳压二极管产生。如图4所示。

图4 电源供电模块可调输出集成稳压器LM317的输出电压：VDD=1.25(1+R2/R1)

取R=510 Ω，R2=1.8 kΩ

则VDD5.7 V

VCC=VDD-0.7 V5.7 V-0.7 V=5 V。

5 叉车电量计系统软件设计

叉车电量计的主要功能是指示当前剩余电量情况和电池使用总时间、判断充放电状态、并根据充放电的情况使10段LED升1格或降1格。

通过使用标准电量计实验测得蓄电池的放电判断基准电压DischargeBased、充电基准电压ChargeBased，每10%电量的放电时间TimeStep，并给出放电电压基准差值数组VolDiff和每个放电电压基准值对应的放电时间数组Sum。在系统初始时，要读FLASH初始化电量指示LED和电池计时LCD，并且在程序运行过程要实时的采集电池当前端电压值，以便系统判断之用。

5.1 充电分析

要判断电池是否在充电，只要确保电压连续3 s上升，并且其值大于25.6 V（这样可以排除放电时电压回升的情况）；或者电压大于27.765 V。只要满足2个条件中的任意一个则为充电状态。充电状态下电量指示的升格判断较简单，其程序代码如下：

CVOLT=GetCHGV(CLED+1);//取当前格后一格对应的充电基准电压

j=battemp-CVOLT;//当前电压值与上一个基值的差

if (j>=0)

{

FVOLT=battemp;

if (CLED!=9) CLED=CLED+1;//LED升一格

ONOFF=GetLED［CLED］; //LED显示

//存储累计时间和当前LED格数

for (j=0;j

data［8］=CLED;

DealFLASH(); //写FLASH

}

5.2 放电分析

要判断电池是否在放电，只要确保当前电压值连续3 s下降且其值小于27.3 V，则为放电状态。放电状态下判断LED是否降格略微复杂，考虑到放电一段时间停止后，电池电量会有一定的回升，在判断时添加放电时间补偿数组Sum，其程序代码如下：

CVOLT=GetLEDV(CLED-1);//取当前格前1格对应的放电基准电压

j=CVOLT-battemp; //与当前电压值作差

//判断差值在那个范围内，进行时间补偿

if (j=VolDiff［8］)

Temptimestep=Temptimestep+Sum［4］;

if (j=VolDiff［6］)

Temptimestep=Temptimestep+Sum［3］;

if (j=VolDiff［4］)

Temptimestep=Temptimestep+Sum［2］;

if (j=VolDiff［2］)

Temptimestep=Temptimestep+Sum［1］;

if (j=VolDiff［0］)

Temptimestep=Temptimestep+Sum［0］;

if ((j>0) && (Temptimestep>=timestep))

{

FVOLT=battemp;

if (CLED!=0) CLED=CLED-1;//LED显示降1格

ONOFF=GetLED［CLED］;

timestep=Gettimestep(CLED);

Temptimestep=0;

if (CLED==1) //当电压降到20%时,置报警标志位

FLAG1=FLAG1 | 0x02;

if (CLED==0) //当电压降到10%时,置低电压保护志位

{

FLAG1=FLAG1&0xfc;//清FLAG1的0位和1位

FLAG1=FLAG1 | 0x01;//当电压降到10%时,置标志位

}

//存储累计时间和当前LED格数

for(j=0;j

data［8］=CLED;

DealFLASH();

}

5.3 读写FLASH的程序设计

由于叉车电量计要求及时的反映电量和小时计的信息，并且断电后保存这些有效信息，因此需要将其写入FLASH，并且根据小时计的精度要频繁修改这些数据。但受FLASH擦写次数的限制，如果程序中频繁地擦写FLASH某个固定区域，就会大大降低芯片的使用寿命。为此，在程序设计时，采用定时循环擦写FLASH的方式，来降低固定区域的擦写次数，以提高芯片的使用寿命。

由于小时计以小时为单位，精度为0.1 h，因此设计中6 min就写1次FLASH，写入很频繁。根据需要每次写16B（包括标志字符、小时数据、电量等信息，其中第一个字节和最后一个字节都是55H，作为记录头尾标志），程序设计时在FLASH中预留出2 kB的空间（从MYMC000~MYMC800），以便进行循环写入，避免只写1个固定位置。主要的设计思想为：由于电量计主控芯片的一页大小为128 B，而每次只写16 B，因此擦完一页后，可以在预留区域内顺序的写8次。当要写FLASH时，首先按给定的初始地址将（存储到FLASHadd中）写入数据；写完后，将计数地址FLASHadd加上16，然后判断FLASHadd是否等于MYMC800；若相等，就把MYMC000赋给FLASHadd为下次写FLASH做准备；接下来判断本次写入是否是写在一页的刚开始的16个地址空间中，即判断（FLASHadd & 0x007f）是否等于0x0010，若是就判断FLASHadd是否等于MYMC010，若是就擦除最后一页，否则擦除当前页的前一页。

5.4 与手持编程器的通信设计

SDF1型通用手持编程器（以下简称手持编程器）由其编程对象供电，通过串行通信方式(支持TTL电平通信和232电平通信)与其编程对象进行信息交换，可以对编程对象的参数进行读取、设定及参数传递等。

SDF1型手持编程器通过串行通信方式与编程对象进行信息交换。在串行通信的过程中，如果发送方和接收方没有同步开始收发数据，接收方往往会从发送方给的数据中间开始截取，这样就会造成接收到错位数据的现象。为了有效防止出现这样的问题，在每批发送的数据流头尾都加上标志字符和校验字符形成数据帧，接收方在接收到一批数据后，如果验证到数据帧头尾不正确，就将此帧数据全部丢掉，直到接收到有效的数据后才进行处理。手持编程器也采用具有同步作用的数据帧与编程对象进行通信，手持编程器主动向编程对象发送指令帧，其格式为：帧头+命令+参数数据+语言标志位+校验码+帧尾；接收编程对象回复的数据帧，其格式为：帧头+随后须接收的数据个数+参数流+校验码+帧尾。

叉车电量计遵循手持编程器的通信格式，以中断的方式接收并处理来自手持编程器的命令，主要包括设定额定电压、充放电曲线参数及参数传递等功能。电量计接收到来自手持编程器的数据包后，首先，通过数据帧的帧头、帧尾及校验字符判断数据帧是否有效；若是正确的数据，然后对数据进行解包取得命令字符，无效的数据则丢弃；接着，根据获得的命令字符，执行相应的功能函数；最后，将操作完成获得的数据包装称有效的数据帧反馈给手持编程器。

6 结 语

本系统在分析已有电量测量方法的基础上，结合电动叉车实际工作时对蓄电池电量计的特殊要求，研发了这款用于电动叉车的新型电量计。该电量计在功能和性能上与进口产品保持一致，同时又添加了手持编程器的功能，使其减少了对PC机的依赖、可动态批量的修改参数。该系统软件设计严格遵循软件工程的基本原理，合理进行模块分割、功能分化，强调扩展性和可维护性。该叉车电量计已通过后期测试，应用到一公司的实际生产中，得到了厂家和用户的广泛认可。

参 考 文 献

［1］金志号,徐翔.电动叉车的现状及其发展［J］.工程机械，2004,35(10):3738.

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［4］Kreuk CW De,Van Duin P J.A Computer Model for the Determination of the Residual Capacity of (Lead Acid)Batteries［J］.Proc.of EV S211,1992:111.

［5］蒋新华,冯毅,雷娟,等.电量计量中电流采样精度的研究［J］.电池，2006(4):4950.

［6］王吉校,钱希森.阀控铅酸蓄电池容量测试技术研究［J］.蓄电池，2007,44(2)：5759.

［7］胡鸿才,贺贵明.基于C8051F的电量测量与传输系统\.现代电子技术,2006,29(9):8385.

作者简介 荐红梅 女，1982年出生，硕士研究生。主要研究方向为嵌入式系统应用。

王宜怀 男，1962年出生，博士，硕士生导师。主要从事嵌入式系统方面的研究与开发。

张 琴 女，1983年出生，硕士研究生。主要研究方向为嵌入式系统应用。

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