CN202872419U - 一种led应急灯电池管理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种LED应急灯电池管理装置，LED应急灯电池管理装置包括电平放大与转换单元、遥控单元，其特点是，还包括：采样与均衡单元、微控制器CPU、低压自关断单元、充电机及工作模式控制单元。它集电池监测和均衡、电池充放电保护、多工作模式切换、遥控等功能为一体，能够对应急灯电池组进行有效地监测、充放电管理和控制，以达到避免电池被过充电和过放电、降低电池性能衰减速度、延长电池使用寿命，进一步提高应急灯的安全性和可靠性。

Description

一种LED应急灯电池管理装置

技术领域

本实用新型涉及自动控制领域，是一种LED应急灯电池管理装置。

背景技术

目前，随着锂离子电池、镍氢电池、镍锌电池在应急灯中的普遍应用，备用电池组的安全性和可靠性、使用寿命和使用效率对应急灯的性能有着至关重要的影响。现有的应急灯由于供电电池长期处于充电、搁置、放电等不确定的循环工作状态中，单体电池寿命和供电稳定性受到比较大的影响。

现有的应急灯产品，一般只能工作在应急模式下，即在220V交流停止供电时启动工作。这种单一的工作模式，使应急灯的应用范围受到较大限制。因此，有必要对应急灯的工作模式进行拓展，并通过可遥控的工作模式选择和切换功能，使应急灯还可工作在非应急状态下，如后备模式等，进一步拓宽应急灯的应用范围。

在由多只单体电池串联构成的电池组中，单体电池的性能决定了电池组的性能，特别是随着充放电循环次数的增加，各单体电池性能一致性偏差也随之增大，而采用本实用新型充电均衡技术可有效地降低或减小各单体电池性能一致性偏差。现有的应急灯控制装置中不具备单体电池均衡功能，因而大大降低了电池组的有效使用容量和使用寿命。

通用应急灯主要包括电池组、充电器、充电控制单元、电光单元与人机交互单元组成。其中充电机多采用非可程控的固定参数充电器，充电控制单元往往采用非智能采集和控制方法，控制方法单一且固化，无法采用智能能源管理策略；人机交互单元多采用机械按钮和单一指示灯指示***状态。而本实用新型则采用微控制器对应急灯的各个单元的工作状态和人机交互进行智能管理，从而满足多工作模式和智能电池管理的要求。迄今未见集电池监测和均衡、电池充放电保护、多工作模式切换、遥控等功能为一体的LED应急灯电池管理装置的文献报道和实施应用。

发明内容

本实用新型的目的是，对现有技术进行实质性改进，提供一种集电池监测和均衡、电池充放电保护、多工作模式切换、遥控等功能为一体的LED应急灯电池管理装置，能够对应急灯电池组进行有效地监测、充放电管理和控制，以达到避免电池被过充电和过放电、降低电池性能衰减速度、延长电池使用寿命，进一步提高应急灯的安全性和可靠性。

实现上述目的所采取的技术方案是，一种LED应急灯电池管理装置，它包括电平放大与转换单元、遥控单元，其特征是，还包括：采样与均衡单元、微控制器CPU、低压自关断单元、充电机及工作模式控制单元，所述采样与均衡单元包括单体电压采样继电器J1～Jn、飞渡电容Cs、采样继电器JS、均衡控制继电器JB、采样放大器A1和译码器，单体电压采样继电器J1～Jn分别与各自的单体电池Bat1～Batn连接，单体电压采样继电器J1～Jn均与飞渡电容Cs连接，单体电压采样继电器J1～Jn与采样控制继电器JS和均衡控制继电器JB连接，采样控制继电器JS与采样放大器A1连接；所述低压自关断单元包括检测继电器JF、电池第一关断继电器JC1、电池第二关断继电器JC2和切换继电器JSw，检测继电器JF、电池第一关断继电器JC1、电池第二关断继电器JC2和切换继电器JSw相连接；所述充电机及工作模式控制单元包括充电器、电池充放电控制开关JCg和供电开关Jle，充电器与电池充放电控制开关JCg连接，电池充放电控制开关JCg与供电开关Jle连接；采样与均衡单元的译码器的多路插口与微控制器CPU的D08～D13脚连接，采样与均衡单元的均衡控制继电器JB与微控制器CPU的D07脚连接，采样与均衡单元的采样放大器A1与微控制器CPU的ADCO脚连接，低压自关断单元的检测继电器JF与微控制器CPU的D11脚连接，低压自关断单元的电池第二关断继电器JC2与微控制器CPU的D01脚连接，充电机及工作模式控制单元的充电器的恒流控制端口与微控制器CPU的D02脚连接，充电机及工作模式控制单元的充电器的恒压控制端口与微控制器CPU的D03脚连接，充电机及工作模式控制单元的充电器的启停控制端口与微控制器CPU的D04脚连接，充电机及工作模式控制单元的电池充放电控制开关JCg与微控制器CPU的D05脚连接，充电机及工作模式控制单元的供电开关Jle与微控制器CPU的D06脚连接，所述电平放大与转换单元与微控制器CPU的ADC1和Vref脚连接。

本实用新型的一种LED应急灯电池管理装置，以低功耗嵌入式微控制器为核心，在N对1飞渡电容单体电压检测技术的基础上，采用并联在电压测量总线上的单体电压采样继电器和均衡控制继电器，通过对电压测量总线的分时复用测控，实现对N只单体电池的电压测量和充电均衡；采用基于220V交流供电状态检测和单体电池放电截止电压检测的智能供电和自关断控制，可在220V交流断电且电池电能耗尽时，关闭电池管理控制装置供电，避免N只单体电池过放电造成的性能下降或损坏，在220V交流供电恢复后，恢复对电池管理控制装置供电；采用基于充放电电流检测的电池荷电状态计算方法与电压监测相结合的充放电管理、均衡控制方法和策略，避免了电池的过充和过放，进一步提高了电池的使用效率、延长了电池的使用寿命；为满足不同用户的应用需求，LED应急灯设计了两种工作模式，即应急模式和后备模式，并采用红外遥控方式实现两种工作模式的切换以及LED应急灯自检、电池活化和应急灯开关控制等功能，为应急灯的使用和维护提供了方便和灵活的操作方式。人机交互部分采用红外遥控方式控制应急灯的工作模式和开关状态。充放电控制、充电均衡控制、多模式切换和自关断功能，采用集飞渡电容单体电池电压测量和充电均衡功能于一体的总线复用技术及其测量和控制，实现对各单体电池的电压测量和均衡功能；采集电路采用并联在电压测量总线上的N个双路常开光继电器作为采样继电器，用于完成各单体电池电压测量通道选通，采用并联在电压测量总线上的飞渡电容完成被测单体电池电压保持，通过测量飞渡电容上的电压实现对各单体电池电压的巡回测量；采用并联在电压测量总线上的均衡用光继电器，按智能均衡算法在均衡周期内，通过同时接通某一单体电池的采样继电器和均衡用光继电器所构成的单体电池放电回路，实现对该单体电池均衡。能够对LED应急灯电池组进行有效地监测、充放电管理和控制，以达到避免电池被过充电和过放电、降低电池性能衰减速度、延长电池使用寿命，进一步提高LED应急灯的安全性和可靠性。

附图说明

图1为一种LED应急灯电池管理装置原理图；

图2为图1中采样与均衡单元1原理图；

图3 为图1中低压自关断单元3原理图；  

图4 为图1中充电机及工作模式控制单元4原理图；

图5为图1中电平放大与转换单元5原理图；

图6为图1中遥控单元6原理图。

具体实施方式

下面利用实施例对本实用新型的一种LED应急灯电池管理装置进行详细说明，但并非用来限制本实用新型的权利要求保护范围，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案均属于本实用新型的范畴。

参照图1～6，本实用新型的一种LED应急灯电池管理装置，包括采样与均衡单元1、微控制器CPU 2、低压自关断单元3、充电机及工作模式控制单元4、电平放大与转换单元5和遥控单元6。采样与均衡单元1的译码器的多路插口与微控制器CPU2的D08～D13脚连接，采样与均衡单元1的均衡控制继电器JB与微控制器CPU2的D07脚连接，采样与均衡单元1的采样放大器A1与微控制器CPU2的ADCO脚连接，低压自关断单元3的检测继电器JF与微控制器CPU2的D11脚连接，低压自关断单元3的电池第二关断继电器JC2与微控制器CPU2的D01脚连接，充电机及工作模式控制单元4的充电器的恒流控制端口与微控制器CPU2的D02脚连接，充电机及工作模式控制单元4的充电器的恒压控制端口与微控制器CPU2的D03脚连接，充电机及工作模式控制单元4的充电器的启停控制端口与微控制器CPU2的D04脚连接，充电机及工作模式控制单元4的电池充放电控制开关JCg与微控制器CPU的D05脚连接，充电机及工作模式控制单元4的供电开关Jle与微控制器CPU2的D06脚连接，所述电平放大与转换单元5与微控制器CPU2的ADC1和Vref脚连接；遥控单元6的输出端与微控制器CPU 2的DI2脚连接。微控制器CPU2采用具有12位ADC接口和多路数字IO接口的C8051F500，通过ADC完成对信号的AD转换，通过数字IO口和译码器完成对所有PHOTOMOS继电器的开关控制,具体测量、控制和数据处理计算由软件完成，软件程序的编制依据自动控制技术和计算机处理技术，是本领域技术人员所熟悉的技术。

参照图2，所述采样与均衡单元1包括单体电压采样继电器J1～Jn、飞渡电容Cs、采样继电器JS、均衡控制继电器JB、采样放大器A1和译码器，单体电压采样继电器J1～Jn分别与各自的单体电池Bat1～Batn连接，单体电压采样继电器J1～Jn均与飞渡电容Cs连接，单体电压采样继电器J1～Jn与采样控制继电器JS和均衡控制继电器JB连接，采样控制继电器JS与采样放大器A1连接；单体电压采样继电器J1～Jn通过译码器CS0～CSn插口由软件控制依次闭合，单体电池Bat1～Batn的电压依次被平移至飞渡电容Cs，由采样继电器JS配合将单体电压依次接至采样放大器A1，放大后的单体电池电压被微控制器CPU内嵌ADC转换并保存。电池组单体主动均衡由单体电压采样继电器J1～Jn和均衡控制继电器JB来实现，采样与均衡分时工作，即单体采样继电器J1～Jn在电压采样时隙中充当采样继电器，而在均衡时隙里充当均衡继电器。均衡控制继电器的JB+和JB-分别接至单体采样继电器J1-和J2+，从而构成单体均衡回路。

参照图3，所述低压自关断单元3包括检测继电器JF、电池第一关断继电器JC1、电池第二关断继电器JC2和切换继电器JSw，检测继电器JF、电池第一关断继电器JC1、电池第二关断继电器JC2和切换继电器JSw相连接；外接电源检测电路由AC/DC转换和检测继电器JF来实现，电池第一关断继电器JC1在外接电源上电的情况下处于闭合状态，同时，电池第二关断继电器JC2的射极由程序控制置低并处于闭合状态，电池第一关断由继电器JC1、电池第二关断继电器JC2闭合使a点为低电位，切换继电器JSw处于闭合从而保证微控制器CPU处于加电状态。当外部电源失电，同时电池供电电压高于关断电压时，电池第一关断由继电器JC1断开，电池第二关断继电器JC2保持闭合从而保证整机仍然处于加电状态，当外部失电且电池电压小于关断电压时，程序发关断指令，电池第二关断继电器JC2断开，切换继电器JSw断开，从而关断整机供电。

参照图4，所述充电机及工作模式控制单元4包括充电器、电池充放电控制开关JCg和供电开关Jle，充电器与电池充放电控制开关JCg连接，电池充放电控制开关JCg与供电开关Jle连接；电池充放电控制开关JCg用于控制充电状态。供电开关Jle用于控制LED应急灯的状态。

参照图5，所述电平放大与转换单元5由双路放大器A和阻容网络组成，其中Vr通过电阻R3接至放大器A的2IN+端。放大器A的2IN-端通过电阻R1接地。放大器A的2OUT经过R7接外部ADC1。Vr经电阻R4接A的1OUT和1IN+端。A的1IN-端经R6接至Vref，同时经R5和C2并联网络接地。A5V经稳压管接至电阻R7和电容C3，电容C3另一端接ADC1。

参照图6，遥控单元6由红外接收器件IFM和阻容网络组成，其中，IFM的VCC端通过电阻R1接至5V电源，VCC端通过滤波电容C1和C2接地。IFM的GND端直接接地，IFM的OUT端经5V电源和上拉电阻R2接至遥控单元的输出端，遥控单元的输出端与微控制器CPU2的DI2脚连接。

本实用新型的一种LED应急灯电池管理装置所用元器件：

单体电压采样继电器J1～Jn、采样控制继电器JS和均衡控制继电器JB均采用NEC PS7113-2A 双路常开 PHOTOMOS继电器，该继电器导通电阻为0.9Ω，最大电流为300mA，根据不同类型电池的单体电压，可通过选择不同的限流电阻，将均衡电流限制在允许范围内，在本实例中的单体电池Bat1～Batn为镍锌电池，单体电池Bat1～Batn的标称电压为1.75V，限流电阻R0,R1,……,Rn设计值为1.5Ω；飞渡电容Cs也称为N比1，或N对1飞渡电容，采用低漏电流的聚苯乙烯保持电容，电容值为0.1uF；

切换继电器JSw采用STANSON STN607D PMOS管,该PMOS管的门极所用的驱动电路为电池第一关断继电器JC1和电池第二关断继电器JC2，电池第一关断继电器JC1和电池第二关断继电器JC2均采用PC817光电耦合器，用于完成对装置的交流上电启动和自断电控制；

检测继电器JF为交流供电状态检测输入接口芯片，采用SHARP PC817光电耦合器，用于完成交流供电状态检测和信号隔离；

电池充放电控制开关JCg与供电开关Jle均采用STANSON STN4110 N沟道MOS管，NMOS门极采用由微控制器CPU2控制的PC817光电耦合器驱动；

微控制器CPU2采用具有12位ADC接口和多路数字IO接口的C8051F500，通过ADC完成对信号的AD转换，通过数字IO口和译码器完成对所有PHOTOMOS继电器的开关控制,具体测量、控制和数据处理计算由软件完成，软件程序的编制依据自动控制技术和计算机处理技术，是本领域技术人员所熟悉的技术。

本实用新型的元器件分别定义为：单体电池Bat1～Batn为若干单体电池Bat1、Bat2…Bati…Batn,其中Bati是第i只单体电池；电压采样继电器J1～Jn为若干个电压采样继电器J1、J2…Ji…Jn，其中Ji是第i只单体电池Bati对应的电压采样继电器；采样控制继电器JSample为JS；均衡控制继电器JBalance为JB；检测继电器JFeedback为JF；电池第一关断继电器JControl1为JC1、电池第二关断继电器JControl2为JC2；切换继电器JSwitch为JSw；电池充放电控制开关JCharge为JCg；供电开关Jled为Jle。

Claims (1)

1.一种LED应急灯电池管理装置，它包括电平放大与转换单元、遥控单元，其特征是，还包括：采样与均衡单元、微控制器CPU、低压自关断单元、充电机及工作模式控制单元，所述采样与均衡单元包括单体电压采样继电器J1～Jn、飞渡电容Cs、采样继电器JS、均衡控制继电器JB、采样放大器A1和译码器，单体电压采样继电器J1～Jn分别与各自的单体电池Bat1～Batn连接，单体电压采样继电器J1～Jn均与飞渡电容Cs连接，单体电压采样继电器J1～Jn与采样控制继电器JS和均衡控制继电器JB连接，采样控制继电器JS与采样放大器A1连接；所述低压自关断单元包括检测继电器JF、电池第一关断继电器JC1、电池第二关断继电器JC2和切换继电器JSw，检测继电器JF、电池第一关断继电器JC1、电池第二关断继电器JC2和切换继电器JSw相连接；所述充电机及工作模式控制单元包括充电器、电池充放电控制开关JCg和供电开关Jle，充电器与电池充放电控制开关JCg连接，电池充放电控制开关JCg与供电开关Jle连接；采样与均衡单元的译码器的多路插口与微控制器CPU的D08～D13脚连接，采样与均衡单元的均衡控制继电器JB与微控制器CPU的D07脚连接，采样与均衡单元的采样放大器A1与微控制器CPU的ADCO脚连接，低压自关断单元的检测继电器JF与微控制器CPU的D11脚连接，低压自关断单元的电池第二关断继电器JC2与微控制器CPU的D01脚连接，充电机及工作模式控制单元的充电器的恒流控制端口与微控制器CPU的D02脚连接，充电机及工作模式控制单元的充电器的恒压控制端口与微控制器CPU的D03脚连接，充电机及工作模式控制单元的充电器的启停控制端口与微控制器CPU的D04脚连接，充电机及工作模式控制单元的电池充放电控制开关JCg与微控制器CPU的D05脚连接，充电机及工作模式控制单元的供电开关Jle与微控制器CPU的D06脚连接，所述电平放大与转换单元与微控制器CPU的ADC1和Vref脚连接。

Images