CN206594275U - 蓄电池监测设备的内阻均衡模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，1号‑12号蓄电池串联构成蓄电池组，每节蓄电池分别与电池电压通道切换电路和电池电流通道切换电路连接，电池电压通道切换电路、A/D采样滤波电路、CPU处理单元、逻辑控制电路、放电控制电路依次连接，放电控制电路与电池电流通道切换电路连接，CPU处理单元与均衡放电电路连接，均衡放电电路与电池电压通道切换电路连接；CPU处理单元分别与电池电压通道切换电路、电池电流通道切换电路连接，CPU处理单元通过电源管理电路与蓄电池组连接，CPU处理单元与RS485通讯电路连接。解决了现有蓄电池因严重过充或欠充出现早期失效，减少寿命，影响整组蓄电池可靠性的问题。

Description

蓄电池监测设备的内阻均衡模块

技术领域

本实用新型属于蓄电池在线监测技术领域，涉及一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块。

背景技术

目前市面上对蓄电池的在线监控方案已有很多种，但这些方案大多只是对蓄电池组进行整体管理和数据监控，重点放在电压和温度等参数的采集、显示、查询等方面，却忽视了蓄电池组中单体电池不一致性的问题。直流电源***中蓄电池组都是串联连接的，在循环充放电过程中，各单体电池化学组分的差异以及电池运行历史的不同将使电池的不一致性扩大，导致在同一充放电条件下各单体电池的容量不同，让蓄电池组在该情况下运行，会导致蓄电池因严重过充或欠充而出现早期失效，使蓄电池组的使用寿命减少，严重影响***的可靠性。

实用新型内容

为了达到上述目的，本实用新型提供一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，解决了现有蓄电池组中的各单体电池的化学组分及运行历史不同，导致蓄电池因严重过充或欠充而出现早期失效，减少使用寿命，影响整组蓄电池可靠性的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，包括蓄电池组、电池电压通道切换电路、A/D采样滤波电路、均衡放电电路、电源管理电路、CPU 处理单元、RS485通讯电路、逻辑控制电路、放电控制电路、电池电流通道切换电路；1 号-12号蓄电池串联构成蓄电池组，每节蓄电池分别与电池电压通道切换电路和电池电流通道切换电路连接，电池电压通道切换电路、A/D采样滤波电路、CPU处理单元、逻辑控制电路与放电控制电路依次连接，放电控制电路与电池电流通道切换电路连接，CPU 处理单元与均衡放电电路连接，均衡放电电路与电池电压通道切换电路连接；CPU处理单元分别与电池电压通道切换电路、电池电流通道切换电路连接，CPU处理单元通过电源管理电路与蓄电池组连接，CPU处理单元与RS485通讯电路连接；所述放电控制电路由比较器、MOS管、功率电阻组成，比较器的第3脚是基准电压，比较器的第2脚是反馈电压，比较器的第1脚通过电阻R14与MOS管连接，MOS管与功率电阻R21连接；电容C3和电容C4串联后与电容C1、电容C5并联的一端连接比较器的第4脚，电容C3和电容C4串联后与电容C1、电容C5并联的另一端接地，电容C3和电容C4的串联结点连接比较器的第2脚。

本实用新型的特征还在于，进一步的，比较器的型号为TLV2374ID，MOS管的型号为IRFS3207。

进一步的，所述A/D采样滤波电路包括片外芯片和模数转换器，片外芯片的型号为TLC2543。

进一步的，所述CPU处理单元采用型号为STM32F103的处理器。

进一步的，所述电池电压通道切换电路采用的光MOS管型号为AB26S。

进一步的，所述电池电压通道切换电路、A/D采样滤波电路、均衡放电电路、电源管理电路、CPU处理单元、RS485通讯电路设置在上层印制电路板上；逻辑控制电路、放电控制电路、电池电流通道切换电路设置在下层印制电路板上。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过检测蓄电池的电压变化和内阻变化，通过纵向对比可以分析判断出蓄电池的容量和寿命，从而确保整个直流供电***的可靠运行。利用均衡放电电路能够对整组蓄电池的电压进行动态调整，保证每节电池的电压都在一个平均范围以内，提高整组蓄电池的可靠性。

本实用新型的PCB(印制电路板)采用两层设计方案，电池电压通道切换电路、A/D采样滤波电路、均衡放电电路、电源管理电路、CPU处理单元、RS485通讯电路设置在上层印制电路板上；逻辑控制电路、放电控制电路、电池电流通道切换电路设置在下层印制电路板上；下层印制电路板过大电流，上层印制电路板用于小信号采集和处理，上下层分开的设计能够增强模块的抗干扰性和协调性，当模块进行放电时下层PCB会有发热现象，故而在壳体的下方左右开有散热结构。本实用新型的结构简单、美观、安装方便、散热设计合理。

本实用新型中1号-12号蓄电池串联构成蓄电池组，每节蓄电池分别与电池电压通道切换电路和电池电流通道切换电路连接，采用蓄电池逐一切换的原理，节省端子数量，从而可以减小整个装置的结构体积，让整体看起来更加协调美观，另外也可以减少后期现场施工人员工作量。装置的两个侧面留有端子接线接口，左边是电池的电压切换端子和放电电流切换端子，后边是电源端子。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的结构框图。

图2是本实用新型实施例测量蓄电池内阻的电路图。

图3是本实用新型实施例放电控制电路的电路图。

图中，1.蓄电池组，2.电池电压通道切换电路，3.A/D采样滤波电路，4.均衡放电电路，5.电源管理电路，6.CPU处理单元，7.RS485通讯电路，8.逻辑控制电路，9.放电控制电路，10.电池电流通道切换电路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的结构，如图1所示，包括蓄电池组1、电池电压通道切换电路2、A/D 采样滤波电路3、均衡放电电路4、电源管理电路5、CPU处理单元6、RS485通讯电路 7、逻辑控制电路8、放电控制电路9、电池电流通道切换电路10；蓄电池组1包括1号 -12号蓄电池，1号-12号蓄电池串联，每节蓄电池分别与电池电压通道切换电路2和电池电流通道切换电路10连接，电池电压通道切换电路2、A/D采样滤波电路3、CPU处理单元6、逻辑控制电路8与放电控制电路9依次连接，放电控制电路9与电池电流通道切换电路10连接，CPU处理单元6与均衡放电电路4连接，均衡放电电路4与电池电压通道切换电路2连接；CPU处理单元6分别与电池电压通道切换电路2、电池电流通道切换电路10连接，CPU处理单元6通过电源管理电路5与蓄电池组1连接，CPU处理单元6与RS485通讯电路7连接。

电池电压通道切换电路2：采用单节循环切入采样的方法能够同时测量蓄电池组1中12节蓄电池的内阻和电压，在具体实现上还是一节一节来测量计算；电压的切换原理是通过同时导通两个光MOS管把要测量的蓄电池电压切换进来，其余的光MOS管保持截止状态；并且一次只能有一节蓄电池切入，否则容易造成短路烧坏装置。测量蓄电池内阻时需要对要测量的某一节蓄电池进行放电，放电切换的原理与电压切换原理相同，只不过是通过同时吸合两个继电器来实现的，因为放电需要的电流大，所以用继电器。采用的光MOS管型号为中国台湾的AB26S，其导通电流2A，电压35V，足以满足需求，其中进入AD芯片的信号为两根线的差分信号，这12节蓄电池就需要经过切换后正极连到AD正输入端，负极切到AD的负输入端，并且每次只能切换一节蓄电池，其它蓄电池都要保证断开，软件控制切换采集电压的流程是切换一节蓄电池采集一节蓄电池，该节蓄电池的电压采集完后，该节蓄电池的正极又作为下节蓄电池的负极，以此类推，采集完整组电压。均衡也是如此，当计算整组某一节蓄电池的电压最低时，切换到该节蓄电池进行充电，当计算某节蓄电池电压最高时，切换到该节蓄电池进行放电。

如图3所示，放电控制电路9由高速、低噪声的比较器、MOS管、功率电阻组成，比较器的第3脚是基准电压，比较器的第2脚是反馈电压，比较器的第1脚通过电阻R14 与MOS管连接，电容C3和电容C4串联后与电容C1、电容C5并联的一端连接比较器的第4脚，电容C3和电容C4串联后与电容C1、电容C5并联的另一端接地，电容C3 和电容C4的串联结点连接比较器的第2脚；由于运放的特性，使流过MOS管的电流保持在一个恒定的电流值，如果要改变放电电流大小，那么只需要改变比较器第3脚电压即可；由于MOS管工作在开关状态下，给整个信号夹杂很多干扰信号，在设计中，让 MOS管工作在线性区，整个放电控制电路9组成一个可调线性电阻，这样产生的信号干扰最小。选用的MOS管型号为IRFS3207，封装形式为TO-262，最大导通电流为75V，最大导通电流为180A，这种封装可以有效散热，如果采用TO-220还需要额外增加散热片，即增加成本又增加体积。

A/D采样滤波电路3：A/D采样滤波电路3采用片外芯片TLC2543，12位分辨率，工作范围是0-5V，SPI接口，8路转换通道，转换速度200K/S，转换精度高，抗干扰性强；完成对D/A转换模块的输出控制、A/D采样模块的采样、算法、数据处理数、通讯处理等功能，模数转换器采用TI公司的12位TLC2543AD采样芯片完成对蓄电池电压、内阻等采样，数据处理算法具有均值算法、最小二乘法等功能，数据传输采用SPI总线方式，RS485通讯电路7与上位机连接，把A/D采样滤波电路3采集到的蓄电池信息上传给上位机。

为使AD采样的信号满足TLC2543的要求，对输入信号应进行前向通道处理，对前向通道蓄电池两端输出的电压信号幅度范围进行调理、放大得到符合TLC2543采样范围信号。为保证全量程测量精度，前置通道采用分量程信号调理，程控运算放大器控制。

CPU处理单元6：采用意法半导体的STM32F103作为处理器；CPU处理单元6用于控制电池电压通道切换电路2，切换的电压流入A/D采样滤波电路3，CPU处理单元6 通过时序读取A/D芯片的转换结果，通过软件滤波算法得到最终的蓄电池组1的电压数据和内阻数据，并且把这些数据通过RS485通讯电路7传到上位机。当上位机通过RS485 通讯电路7下发均衡测试命令后，CPU处理单元6通过采样单节电池电压，并且动态排序，对最大和最小电压的蓄电池进行相应的充放电，通过长期的均衡功能实现整组电池的电压平衡。STM32F103RBt6处理器的芯片有256K片上Flash、32K片上RAM，运行速度为72MHz，供电范围为2.0–3.6V，内部8M的RC振荡器，3个12位片上A/D采样模块，转换范围为0-3.6V，2个12位D/A转换模块，12通道DMA控制器；最多11 个定时器，2个IIC控制接口，5路异步串口通讯，3路SPI接口；一路CAN接口，一路 USB接口，一路SD接口。

RS485通讯电路7：是半双工通讯，通过软件通讯协议MODBUS来实现上位机和 A/D采样滤波电路3的通讯和数据交换；RS485通讯电路7需要电气隔离，具有累加功能，由于***的信噪比相对较差，主要是白噪声，所以可采用多次采集累加取平均的方法来抑制噪声，改善信噪比。

均衡放电电路4：通过直流电源给电压最小的蓄电池充电，同时给最大电压的电池进行放电，放电是通过一个放电电阻作为负载进行放电；均衡是一个长期作用，实现整组电池的电压平衡作用。以12V电池组为例，充电是把整组的电压转换为15V左右的电压给电压低的电池进行充电，当然电路中有限流电阻，一般就是0.5A左右；放电是把电池组中电压高的电池切进来通过另一个电阻进行放电，放电电流大约也是0.5A。

电源管理电路5：本模块采用电池组给模块自供电，从而减少外来引入的交流或直流电源，装置内部有DCDC模块，可以把电池组的供电电源转换为弱电可以使用的5V和 12V电压，另外本装置在设计阶段考虑到了降低整机功耗，对一些不用的功能采用CPU 控制其关断输出以降低功耗，等需要开启时再发命令让其工作。

电池电流通道切换电路10：因为模块在测量蓄电池内阻时需要放出大约6A左右电流，上层的电压切换电路采用光MOS管切换的方式承受不了这么大的电流，所以就需要下层用小型继电器去切换了，继电器的优势在于成本低，流过的电流大。当设备开始测试电池内阻时，CPU处理单元6发送命令切换相应的继电器，把对应的蓄电池的负极切到放电控制电路9的地，把电池正极切到放电控制电路9的正极上；当切换完成后CPU 处理单元6才发送放电命令放电控制电路9开始放电。实际内阻和电压的切换原理都一样，就是保证切换后的电池正负极和采样电路和放电电路一致而已。

本实用新型通过检测蓄电池的电压变化和内阻变化，纵向对比可以分析判断出蓄电池的容量和寿命，从而确保了整个直流供电***的可靠运行，利用均衡放电电路4的均衡功能，可以对整组蓄电池的电压进行动态调整，保证每节电池的电压都在一个平均范围以内，提高整组电池的可靠性。

本实用新型的PCB(印制电路板)采用两层设计方案，下层过大电流，上层用于小信号采集和处理。其中在上层布局的电路模块包括：电池电压通道切换电路2、A/D采样滤波电路3、均衡放电电路4、电源管理电路5、CPU处理单元6、RS485通讯电路7；下层布局的电路模块包括：逻辑控制电路8、放电控制电路9、电池电流通道切换电路10。上下层分开的设计能够增强模块的抗干扰性和协调性，当模块进行放电时下层PCB会有发热现象，故而在壳体的下方左右开有散热结构。本实用新型的结构简单、美观、安装方便、散热设计合理。

本实用新型的工作原理：

首先A/D采样滤波电路3产生一串标准正弦波加载在仪表放电控制端，使蓄电池组1两端产生一个正弦电压信号；测试信号经过滤去直流信号，然后送入AD前向处理通道，进行滤波、放大、偏置处理，满足AD采样信号的要求。模数转换器将输入的模拟信号转换成数字信号，由CPU处理单元6完成信号的处理，计算出内阻值。根据欧姆定律，蓄电池组1的内阻R＝变化的电压差值/变化的电流差值，测量多节蓄电池的内阻就是通过切换光MOS管来测量对应某一节的内阻值。

考虑到蓄电池电导在不同的工作状态、不同的环境温度下有所变化，对蓄电池测试中，要在同一种工作状态下，环境温度采用仪表内部补偿的办法，这样更有利于准确判断蓄电池的健康状态。设计中，我们把影响蓄电池电导的多种因素视为一个整体，在相同的外部条件下测试，用以评估电池的荷电状态，这样可以保证测试结果的一致性。测量方法为U—I法，首先测得电池的开路电压U₀，即其电动势，然后，给定一个负载，测得其通过的电流I及负载上的电压U₁，蓄电池的内阻R＝(U₀-U₁)/I；如图2；

由于蓄电池空载时，电动势会迅速地回升，造成测量结果误差大、重复性差，经过我们大量的实验，结合基本原理公式，我们采用多种放电电流的方式，使整个测试过程中，蓄电池总是处于工作状态，这样可以很好的抑制浓差极化核电化学反应带来的测量误差。采用电导测试法检测蓄电池，必须有足够的测量精度才能满足维护需求，因而，要求对端电压的变化及流过蓄电池两端的电流测量精确。为了满足测试要求，我们在硬件电路中采用滤波积分、程控放大等技术，在软件中采用了多种滤波算法。

由于被测信号的动态范围比较大(0.01～500mV)，而且夹杂着很多高频和工频干扰信号，这样的信号不经滤波、放大是难以保证测量精度的，因此信号处理是获得精确测量的关键。通常，蓄电池两端的交流信号是非常微弱的，而且噪声和信号一同输出，同时经放大器也一同被放大，必须将噪声淹没的信号分检并进行积累、平均和保持，使信号强度逐渐增强；在该过程中，由于噪声是随机的、无规律的，经过一定时间的迭加平均后会越来越小，近乎于抵消掉了，这样一来，信噪比会得到显著改善，从而从噪声中把信号分检出来。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，其特征在于，包括蓄电池组(1)、电池电压通道切换电路(2)、A/D采样滤波电路(3)、均衡放电电路(4)、电源管理电路(5)、CPU处理单元(6)、RS485通讯电路(7)、逻辑控制电路(8)、放电控制电路(9)、电池电流通道切换电路(10)；1号-12号蓄电池串联构成蓄电池组(1)，每节蓄电池分别与电池电压通道切换电路(2)和电池电流通道切换电路(10)连接，电池电压通道切换电路(2)、A/D采样滤波电路(3)、CPU处理单元(6)、逻辑控制电路(8)与放电控制电路(9)依次连接，放电控制电路(9)与电池电流通道切换电路(10)连接，CPU处理单元(6)与均衡放电电路(4)连接，均衡放电电路(4)与电池电压通道切换电路(2)连接；CPU处理单元(6)分别与电池电压通道切换电路(2)、电池电流通道切换电路(10)连接，CPU处理单元(6)通过电源管理电路(5)与蓄电池组(1)连接，CPU处理单元(6)与RS485通讯电路(7)连接；所述放电控制电路(9)由比较器、MOS管、功率电阻组成，比较器的第3脚是基准电压，比较器的第2脚是反馈电压，比较器的第1脚通过电阻R14与MOS管连接，MOS管与功率电阻R21连接；电容C3和电容C4串联后与电容C1、电容C5并联的一端连接比较器的第4脚，电容C3和电容C4串联后与电容C1、电容C5并联的另一端接地，电容C3和电容C4的串联结点连接比较器的第2脚。

2.根据权利要求1所述的一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，其特征在于，比较器的型号为TLV2374ID，MOS管的型号为IRFS3207。

3.根据权利要求1所述的一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，其特征在于，所述A/D采样滤波电路(3)包括片外芯片和模数转换器，片外芯片的型号为TLC2543。

4.根据权利要求1所述的一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，其特征在于，所述CPU处理单元(6)采用型号为STM32F103的处理器。

5.根据权利要求1所述的一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，其特征在于，所述电池电压通道切换电路(2)采用的光MOS管型号为AB26S。

6.根据权利要求1所述的一种蓄电池监测设备的内阻均衡模块，其特征在于，所述电池电压通道切换电路(2)、A/D采样滤波电路(3)、均衡放电电路(4)、电源管理电路(5)、CPU处理单元(6)、RS485通讯电路(7)设置在上层印制电路板上；逻辑控制电路(8)、放电控制电路(9)、电池电流通道切换电路(10)设置在下层印制电路板上。