使用直流電源(蓄電池) 供電的電動(dòng)叉車具有轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、無廢氣、控制方便等優(yōu)點(diǎn) ,目前廣泛的應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過程中。電動(dòng)叉車的作用日漸突出 ,各行各業(yè)對(duì)電動(dòng)叉車的需求也逐漸上升。據(jù)資料統(tǒng)計(jì) ,1992 年日本電動(dòng)叉車產(chǎn)量就已經(jīng)超過了叉車總量的 1/ 3 ,在德國、意大利等一些西歐國家 ,電動(dòng)叉車所占的比例達(dá)到 50 %左右 ,而我國目前電動(dòng)叉車的所占比例為 15 %～20 % , 有著廣泛的市場(chǎng)前景。

一般的電動(dòng)叉車電量計(jì)集電量測(cè)量、充放電判斷、電量顯示及低電壓控制輸出于一體 ,封裝在 52 mm 直徑的圓形外殼內(nèi)。這種電量計(jì)專門為使用蓄電池供電的電動(dòng)叉車設(shè)計(jì) ,即使在極為惡劣工作的環(huán)境下也具有極高的可靠性。目前 , 國外的優(yōu)質(zhì)電量計(jì)多具備采樣精高、指示足夠、適應(yīng)范圍廣、可更改參數(shù)等特性 ,而國內(nèi)的電動(dòng)叉車電量計(jì)在性能上較進(jìn)口的有些差距 ,因此現(xiàn)多從國外進(jìn)口 ,但國外的產(chǎn)品大都技術(shù)保密、價(jià)格昂貴 ,因而國內(nèi)的電動(dòng)叉車電量計(jì)有著廣闊的發(fā)展空間。

一、蓄電池電量的測(cè)量方法

1.1電量的一般測(cè)量方法

蓄電池有著復(fù)雜的電化學(xué)特性 ,諸如開路電壓、負(fù)載電壓、溫度、內(nèi)阻、電解液的比重、電解液導(dǎo)電系數(shù)等參數(shù) ,由此產(chǎn)生了一些基本的檢測(cè)方法 ,如密度法、開路電壓法、放電電壓法、測(cè)量恒定電流下的電壓方法、內(nèi)阻法等，根據(jù)他們的大小，通過參考模型計(jì)算預(yù)測(cè)蓄電池的剩余電量。

最科學(xué)且最原始的電池電量計(jì)量方法是對(duì)流經(jīng)的電子流量的統(tǒng)計(jì) ,即庫侖計(jì)( Co ulo mb Co unt ) 。只有計(jì)算流經(jīng)的電荷的多少才能獲得電池的電量使用情況。但這種方法相當(dāng)復(fù)雜 ,因?yàn)橐粋€(gè)電池的電量無法“測(cè)量”的。即在本次放電之前 ,是無法通過任何手段直接“感知”將有多少 Wh 的電可以放出 ,或者還剩多少 Wh 的電能。因?yàn)樽鳛榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存的電能并不能直接通過如同計(jì)算水庫庫容一樣來計(jì)算水能和預(yù)計(jì)水力發(fā)電量

1.2 普通的電壓法計(jì)量分析蓄電池有一個(gè)對(duì)電量計(jì)量十分有用的特性 ,就是在放電的時(shí)候 ,電池電壓會(huì)隨電量的流逝而逐漸降低 ,并且有相當(dāng)大的斜率。這就提供給另外一種近似的電量計(jì)量途徑 ———取電池電壓法。就好像測(cè)量水箱里面的水面高度可以大概估計(jì)剩余水量這個(gè)道理一樣。但是實(shí)際上電池的電壓比水箱里面的平靜的水面高度測(cè)量要復(fù)雜的多。用電壓來估計(jì)電池的剩余容量有以下幾個(gè)不穩(wěn)定性:

(1)  放電電流對(duì)電池電壓的影響: 對(duì)同一個(gè)電池 ,在同等剩余容量的情況下 ,電壓值隨放電電流的大小而變化。放電電流越大 , 電壓越低。在沒有電流的情況下 ,電壓最高。

(2)  環(huán)境溫度對(duì)電池電壓的影響: 溫度越低 ,同等容量電池電壓越低。

(3)  循環(huán)放電對(duì)電池放電平臺(tái)的影響:隨著循環(huán)放電的進(jìn)行 ,電池的放電平臺(tái)趨于化 ,放電平臺(tái)性能降低 ,所以相同電壓所代表的容量也相應(yīng)減少。

(4)  不同廠家 ,不同容量的電池 ,其放電的平臺(tái)略有差異。

(5)  不同類型的電極材料的電池 ,放電平臺(tái)有較大差異。

以上這些因素都會(huì)造成電壓的波動(dòng)和電壓的差異 ,使電池的容量顯示變得不穩(wěn)定。用電壓計(jì)量電池容量時(shí)因?yàn)樨?fù)載不可能一直處于小電流的待機(jī)狀態(tài) ,暫時(shí)的大電流的損耗 ,會(huì)造成電池電壓快速降低 ,此時(shí)顯示的容量要比實(shí)際容量低; 而當(dāng)大電流撤掉以后 ,電池的

電壓會(huì)回升 ,造成容量顯示反而上升這種不合理的現(xiàn)象。因此 ,直接用電壓并不能準(zhǔn)確指示電池電量。

1.3 基于放電時(shí)間電壓法計(jì)量分析由于一個(gè)蓄電池的總電量是不變的 ,則在恒定電流放電的情況下 ,放電時(shí)間固定不變。根據(jù)這一特性 ,把蓄電池的總電量分為 10 段 10 %～100 % ,每一段的電量也是固定 ,在恒定電流的情況下放電時(shí)間也是固定不變的 ,這就是基于放電時(shí)間的電壓法的基本思想。設(shè)計(jì)過程中 ,在電動(dòng)叉車使用時(shí)在線測(cè)量實(shí)際情況 ,同時(shí)參具體的實(shí)施方法是: 將蓄電池(以 24 V ,100 A h 為例)充滿電對(duì)其放電;用標(biāo)準(zhǔn)電量計(jì)記錄放電過程中蓄電池剩余電量的大小 ,同時(shí)使用電壓表和單片機(jī)的 A/ D 采集模塊記錄相應(yīng)的端電壓值和 A/ D 值; 放電完畢后獲得完整的放電曲線 ,即剩余電量與蓄電池端電壓(也就是對(duì)應(yīng) A/ D 值) 之間的關(guān)系。放電曲線可以由多次測(cè)量所得數(shù)據(jù) ,通過工具軟件用多項(xiàng)式擬和出來 ,設(shè)計(jì)電量計(jì)是將曲線信息存入單片機(jī)中 ,以后測(cè)量同類蓄電池時(shí) ,單片機(jī)就可以根據(jù)在線測(cè)到的蓄電池端電壓值 ,查表計(jì)算得出剩余電量值。充電曲線也以相同的方法測(cè)得。

1.4 電動(dòng)叉車電量計(jì)的計(jì)量方法

通過對(duì)普通電壓法和基于放電時(shí)間的電壓法的分析 ,結(jié)合電動(dòng)叉車工作時(shí)工作電流波動(dòng)大、顯示精度不高(不要求十分精確的反映蓄電池剩余電量的安時(shí)( A H) 數(shù)值 ,只要指示出電池剩余電量占總電量的百分之幾即可) 的特性 ,本文采用基于放電時(shí)間的電壓法、采樣濾波、計(jì)時(shí)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)叉車電量計(jì)。這種方法不僅可以減化硬件電路設(shè)計(jì) ,而且能夠較快地反映出剩余電量所含比例情況。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1實(shí)測(cè)充電曲線及多項(xiàng)式回歸

在實(shí)驗(yàn)過程中 , 采用 CU R TIS 公司 MOD EL  803型電量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)電量計(jì)。電動(dòng)叉車的充電狀態(tài)下 ,實(shí)際測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)電量計(jì)所指示的電量值、經(jīng)單片機(jī) A/ D 采樣到的蓄電池端電壓值。由測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過 4 次多項(xiàng)式擬合得到的充電曲線如圖 1 所示 ,圖中的圓點(diǎn)為實(shí)際測(cè)量值 ,沒有圓點(diǎn)的曲線為擬合以后的曲線。( 經(jīng) 2 , 3 , 4 , 5 次多項(xiàng)式擬合曲線比較后 4 次曲線形狀最好 ,所以最后采用 4 次多項(xiàng)式曲線。)

照蓄電池的放電曲線 ,采用單片機(jī)對(duì)蓄電池端電壓和放電時(shí)間同時(shí)進(jìn)行測(cè)量 ,然后計(jì)算出蓄電池的剩余電量。

圖 1   充電時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng) 4 次多項(xiàng)式擬合得到的曲線

經(jīng)擬合得到的多項(xiàng)式為:

y  = 24 . 930 8 + 0 . 080 427 x -  0 . 227 834 e -2 x2 +0 . 339 812 e -  4 x3   -  0 . 163 899 e -  6 x4

擬合得到的多項(xiàng)式(1) ,將電量值 10 %～100 %作為 x 分別代入( 1) ,則得到充電時(shí)對(duì)應(yīng)端電壓值 ,根據(jù)端電壓值和 6 ∶1 采樣電路 ,就可以計(jì)算得到與端電壓值對(duì)應(yīng)的8 位A/ D 值 ,如表 1 所示 ,表中的 A/ D 值就是電量計(jì)單片機(jī)在測(cè)量時(shí)所需要的充電曲線數(shù)據(jù)。