使用直流電源(蓄電池) 供電的電動叉車具有轉換效率高、噪聲小、無廢氣、控制方便等優點 ,目前廣泛的應用于企業生產和儲運過程中。電動叉車的作用日漸突出 ,各行各業對電動叉車的需求也逐漸上升。據資料統計 ,1992 年日本電動叉車產量就已經超過了叉車總量的 1/ 3 ,在德國、意大利等一些西歐國家 ,電動叉車所占的比例達到 50 %左右 ,而我國目前電動叉車的所占比例為 15 %～20 % , 有著廣泛的市場前景。

一般的電動叉車電量計集電量測量、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。這種電量計專門為使用蓄電池供電的電動叉車設計 ,即使在極為惡劣工作的環境下也具有極高的可靠性。目前 , 國外的優質電量計多具備采樣精高、指示足夠、適應范圍廣、可更改參數等特性 ,而國內的電動叉車電量計在性能上較進口的有些差距 ,因此現多從國外進口 ,但國外的產品大都技術保密、價格昂貴 ,因而國內的電動叉車電量計有著廣闊的發展空間。

一、蓄電池電量的測量方法

1.1電量的一般測量方法

蓄電池有著復雜的電化學特性 ,諸如開路電壓、負載電壓、溫度、內阻、電解液的比重、電解液導電系數等參數 ,由此產生了一些基本的檢測方法 ,如密度法、開路電壓法、放電電壓法、測量恒定電流下的電壓方法、內阻法等，根據他們的大小，通過參考模型計算預測蓄電池的剩余電量。

最科學且最原始的電池電量計量方法是對流經的電子流量的統計 ,即庫侖計( Co ulo mb Co unt ) 。只有計算流經的電荷的多少才能獲得電池的電量使用情況。但這種方法相當復雜 ,因為一個電池的電量無法“測量”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。因為作為化學能儲存的電能并不能直接通過如同計算水庫庫容一樣來計算水能和預計水力發電量

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

(1)  放電電流對電池電壓的影響: 對同一個電池 ,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)  環境溫度對電池電壓的影響: 溫度越低 ,同等容量電池電壓越低。

(3)  循環放電對電池放電平臺的影響:隨著循環放電的進行 ,電池的放電平臺趨于化 ,放電平臺性能降低 ,所以相同電壓所代表的容量也相應減少。

(4)  不同廠家 ,不同容量的電池 ,其放電的平臺略有差異。

(5)  不同類型的電極材料的電池 ,放電平臺有較大差異。

以上這些因素都會造成電壓的波動和電壓的差異 ,使電池的容量顯示變得不穩定。用電壓計量電池容量時因為負載不可能一直處于小電流的待機狀態 ,暫時的大電流的損耗 ,會造成電池電壓快速降低 ,此時顯示的容量要比實際容量低; 而當大電流撤掉以后 ,電池的

電壓會回升 ,造成容量顯示反而上升這種不合理的現象。因此 ,直接用電壓并不能準確指示電池電量。

1.3 基于放電時間電壓法計量分析由于一個蓄電池的總電量是不變的 ,則在恒定電流放電的情況下 ,放電時間固定不變。根據這一特性 ,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間也是固定不變的 ,這就是基于放電時間的電壓法的基本思想。設計過程中 ,在電動叉車使用時在線測量實際情況 ,同時參具體的實施方法是: 將蓄電池(以 24 V ,100 A h 為例)充滿電對其放電;用標準電量計記錄放電過程中蓄電池剩余電量的大小 ,同時使用電壓表和單片機的 A/ D 采集模塊記錄相應的端電壓值和 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(也就是對應 A/ D 值) 之間的關系。放電曲線可以由多次測量所得數據 ,通過工具軟件用多項式擬和出來 ,設計電量計是將曲線信息存入單片機中 ,以后測量同類蓄電池時 ,單片機就可以根據在線測到的蓄電池端電壓值 ,查表計算得出剩余電量值。充電曲線也以相同的方法測得。

1.4 電動叉車電量計的計量方法

通過對普通電壓法和基于放電時間的電壓法的分析 ,結合電動叉車工作時工作電流波動大、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( A H) 數值 ,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間的電壓法、采樣濾波、計時補償等技術來設計實現叉車電量計。這種方法不僅可以減化硬件電路設計 ,而且能夠較快地反映出剩余電量所含比例情況。

2實驗結果與分析

2.1實測充電曲線及多項式回歸

在實驗過程中 , 采用 CU R TIS 公司 MOD EL  803型電量計為標準電量計。電動叉車的充電狀態下 ,實際測得標準電量計所指示的電量值、經單片機 A/ D 采樣到的蓄電池端電壓值。由測量數據經過 4 次多項式擬合得到的充電曲線如圖 1 所示 ,圖中的圓點為實際測量值 ,沒有圓點的曲線為擬合以后的曲線。( 經 2 , 3 , 4 , 5 次多項式擬合曲線比較后 4 次曲線形狀最好 ,所以最后采用 4 次多項式曲線。)

照蓄電池的放電曲線 ,采用單片機對蓄電池端電壓和放電時間同時進行測量 ,然后計算出蓄電池的剩余電量。

圖 1   充電時測量數據經 4 次多項式擬合得到的曲線

經擬合得到的多項式為:

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

擬合得到的多項式(1) ,將電量值 10 %～100 %作為 x 分別代入( 1) ,則得到充電時對應端電壓值 ,根據端電壓值和 6 ∶1 采樣電路 ,就可以計算得到與端電壓值對應的8 位A/ D 值 ,如表 1 所示 ,表中的 A/ D 值就是電量計單片機在測量時所需要的充電曲線數據。