蓄電池監(jiān)測設(shè)備的內(nèi)阻均衡模塊的制作方法

本實(shí)用新型屬于蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種蓄電池監(jiān)測設(shè)備的內(nèi)阻均衡模塊。

背景技術(shù)：

目前市面上對蓄電池的在線監(jiān)控方案已有很多種，但這些方案大多只是對蓄電池組進(jìn)行整體管理和數(shù)據(jù)監(jiān)控，重點(diǎn)放在電壓和溫度等參數(shù)的采集、顯示、查詢等方面，卻忽視了蓄電池組中單體電池不一致性的問題。直流電源系統(tǒng)中蓄電池組都是串聯(lián)連接的，在循環(huán)充放電過程中，各單體電池化學(xué)組分的差異以及電池運(yùn)行歷史的不同將使電池的不一致性擴(kuò)大，導(dǎo)致在同一充放電條件下各單體電池的容量不同，讓蓄電池組在該情況下運(yùn)行，會導(dǎo)致蓄電池因嚴(yán)重過充或欠充而出現(xiàn)早期失效，使蓄電池組的使用壽命減少，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供一種蓄電池監(jiān)測設(shè)備的內(nèi)阻均衡模塊，解決了現(xiàn)有蓄電池組中的各單體電池的化學(xué)組分及運(yùn)行歷史不同，導(dǎo)致蓄電池因嚴(yán)重過充或欠充而出現(xiàn)早期失效，減少使用壽命，影響整組蓄電池可靠性的問題。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種蓄電池監(jiān)測設(shè)備的內(nèi)阻均衡模塊，包括蓄電池組、電池電壓通道切換電路、A/D采樣濾波電路、均衡放電電路、電源管理電路、CPU 處理單元、RS485通訊電路、邏輯控制電路、放電控制電路、電池電流通道切換電路；1 號-12號蓄電池串聯(lián)構(gòu)成蓄電池組，每節(jié)蓄電池分別與電池電壓通道切換電路和電池電流通道切換電路連接，電池電壓通道切換電路、A/D采樣濾波電路、CPU處理單元、邏輯控制電路與放電控制電路依次連接，放電控制電路與電池電流通道切換電路連接，CPU 處理單元與均衡放電電路連接，均衡放電電路與電池電壓通道切換電路連接；CPU處理單元分別與電池電壓通道切換電路、電池電流通道切換電路連接，CPU處理單元通過電源管理電路與蓄電池組連接，CPU處理單元與RS485通訊電路連接；所述放電控制電路由比較器、MOS管、功率電阻組成，比較器的第3腳是基準(zhǔn)電壓，比較器的第2腳是反饋電壓，比較器的第1腳通過電阻R14與MOS管連接，MOS管與功率電阻R21連接；電容C3和電容C4串聯(lián)后與電容C1、電容C5并聯(lián)的一端連接比較器的第4腳，電容C3和電容C4串聯(lián)后與電容C1、電容C5并聯(lián)的另一端接地，電容C3和電容C4的串聯(lián)結(jié)點(diǎn)連接比較器的第2腳。

本實(shí)用新型的特征還在于，進(jìn)一步的，比較器的型號為TLV2374ID，MOS管的型號為IRFS3207。

進(jìn)一步的，所述A/D采樣濾波電路包括片外芯片和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片外芯片的型號為 TLC2543。

進(jìn)一步的，所述CPU處理單元采用型號為STM32F103的處理器。

進(jìn)一步的，所述電池電壓通道切換電路采用的光MOS管型號為AB26S。

進(jìn)一步的，所述電池電壓通道切換電路、A/D采樣濾波電路、均衡放電電路、電源管理電路、CPU處理單元、RS485通訊電路設(shè)置在上層印制電路板上；邏輯控制電路、放電控制電路、電池電流通道切換電路設(shè)置在下層印制電路板上。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型通過檢測蓄電池的電壓變化和內(nèi)阻變化，通過縱向?qū)Ρ瓤梢苑治雠袛喑鲂铍姵氐娜萘亢蛪勖?，從而確保整個直流供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。利用均衡放電電路能夠?qū)φM蓄電池的電壓進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，保證每節(jié)電池的電壓都在一個平均范圍以內(nèi)，提高整組蓄電池的可靠性。

本實(shí)用新型的PCB(印制電路板)采用兩層設(shè)計方案，電池電壓通道切換電路、A/D 采樣濾波電路、均衡放電電路、電源管理電路、CPU處理單元、RS485通訊電路設(shè)置在上層印制電路板上；邏輯控制電路、放電控制電路、電池電流通道切換電路設(shè)置在下層印制電路板上；下層印制電路板過大電流，上層印制電路板用于小信號采集和處理，上下層分開的設(shè)計能夠增強(qiáng)模塊的抗干擾性和協(xié)調(diào)性，當(dāng)模塊進(jìn)行放電時下層PCB會有發(fā)熱現(xiàn)象，故而在殼體的下方左右開有散熱結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡單、美觀、安裝方便、散熱設(shè)計合理。

本實(shí)用新型中1號-12號蓄電池串聯(lián)構(gòu)成蓄電池組，每節(jié)蓄電池分別與電池電壓通道切換電路和電池電流通道切換電路連接，采用蓄電池逐一切換的原理，節(jié)省端子數(shù)量，從而可以減小整個裝置的結(jié)構(gòu)體積，讓整體看起來更加協(xié)調(diào)美觀，另外也可以減少后期現(xiàn)場施工人員工作量。裝置的兩個側(cè)面留有端子接線接口，左邊是電池的電壓切換端子和放電電流切換端子，后邊是電源端子。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例測量蓄電池內(nèi)阻的電路圖。

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例放電控制電路的電路圖。

圖中，1.蓄電池組，2.電池電壓通道切換電路，3.A/D采樣濾波電路，4.均衡放電電路，5.電源管理電路，6.CPU處理單元，7.RS485通訊電路，8.邏輯控制電路，9.放電控制電路，10.電池電流通道切換電路。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括蓄電池組1、電池電壓通道切換電路2、A/D 采樣濾波電路3、均衡放電電路4、電源管理電路5、CPU處理單元6、RS485通訊電路 7、邏輯控制電路8、放電控制電路9、電池電流通道切換電路10；蓄電池組1包括1號 -12號蓄電池，1號-12號蓄電池串聯(lián)，每節(jié)蓄電池分別與電池電壓通道切換電路2和電池電流通道切換電路10連接，電池電壓通道切換電路2、A/D采樣濾波電路3、CPU處理單元6、邏輯控制電路8與放電控制電路9依次連接，放電控制電路9與電池電流通道切換電路10連接，CPU處理單元6與均衡放電電路4連接，均衡放電電路4與電池電壓通道切換電路2連接；CPU處理單元6分別與電池電壓通道切換電路2、電池電流通道切換電路10連接，CPU處理單元6通過電源管理電路5與蓄電池組1連接，CPU處理單元6與RS485通訊電路7連接。

電池電壓通道切換電路2：采用單節(jié)循環(huán)切入采樣的方法能夠同時測量蓄電池組1 中12節(jié)蓄電池的內(nèi)阻和電壓，在具體實(shí)現(xiàn)上還是一節(jié)一節(jié)來測量計算；電壓的切換原理是通過同時導(dǎo)通兩個光MOS管把要測量的蓄電池電壓切換進(jìn)來，其余的光MOS管保持截止?fàn)顟B(tài)；并且一次只能有一節(jié)蓄電池切入，否則容易造成短路燒壞裝置。測量蓄電池內(nèi)阻時需要對要測量的某一節(jié)蓄電池進(jìn)行放電，放電切換的原理與電壓切換原理相同，只不過是通過同時吸合兩個繼電器來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榉烹娦枰碾娏鞔?，所以用繼電器。采用的光MOS管型號為中國臺灣的AB26S，其導(dǎo)通電流2A，電壓35V，足以滿足需求，其中進(jìn)入AD芯片的信號為兩根線的差分信號，這12節(jié)蓄電池就需要經(jīng)過切換后正極連到AD正輸入端，負(fù)極切到AD的負(fù)輸入端，并且每次只能切換一節(jié)蓄電池，其它蓄電池都要保證斷開，軟件控制切換采集電壓的流程是切換一節(jié)蓄電池采集一節(jié)蓄電池，該節(jié)蓄電池的電壓采集完后，該節(jié)蓄電池的正極又作為下節(jié)蓄電池的負(fù)極，以此類推，采集完整組電壓。均衡也是如此，當(dāng)計算整組某一節(jié)蓄電池的電壓最低時，切換到該節(jié)蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)計算某節(jié)蓄電池電壓最高時，切換到該節(jié)蓄電池進(jìn)行放電。

如圖3所示，放電控制電路9由高速、低噪聲的比較器、MOS管、功率電阻組成，比較器的第3腳是基準(zhǔn)電壓，比較器的第2腳是反饋電壓，比較器的第1腳通過電阻R14 與MOS管連接，電容C3和電容C4串聯(lián)后與電容C1、電容C5并聯(lián)的一端連接比較器的第4腳，電容C3和電容C4串聯(lián)后與電容C1、電容C5并聯(lián)的另一端接地，電容C3 和電容C4的串聯(lián)結(jié)點(diǎn)連接比較器的第2腳；由于運(yùn)放的特性，使流過MOS管的電流保持在一個恒定的電流值，如果要改變放電電流大小，那么只需要改變比較器第3腳電壓即可；由于MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)下，給整個信號夾雜很多干擾信號，在設(shè)計中，讓 MOS管工作在線性區(qū)，整個放電控制電路9組成一個可調(diào)線性電阻，這樣產(chǎn)生的信號干擾最小。選用的MOS管型號為IRFS3207，封裝形式為TO-262，最大導(dǎo)通電流為75V，最大導(dǎo)通電流為180A，這種封裝可以有效散熱，如果采用TO-220還需要額外增加散熱片，即增加成本又增加體積。

A/D采樣濾波電路3：A/D采樣濾波電路3采用片外芯片TLC2543，12位分辨率，工作范圍是0-5V，SPI接口，8路轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換速度200K/S，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性強(qiáng)；完成對D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸出控制、A/D采樣模塊的采樣、算法、數(shù)據(jù)處理數(shù)、通訊處理等功能，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司的12位TLC2543AD采樣芯片完成對蓄電池電壓、內(nèi)阻等采樣，數(shù)據(jù)處理算法具有均值算法、最小二乘法等功能，數(shù)據(jù)傳輸采用SPI總線方式，RS485通訊電路7與上位機(jī)連接，把A/D采樣濾波電路3采集到的蓄電池信息上傳給上位機(jī)。

為使AD采樣的信號滿足TLC2543的要求，對輸入信號應(yīng)進(jìn)行前向通道處理，對前向通道蓄電池兩端輸出的電壓信號幅度范圍進(jìn)行調(diào)理、放大得到符合TLC2543采樣范圍信號。為保證全量程測量精度，前置通道采用分量程信號調(diào)理，程控運(yùn)算放大器控制。

CPU處理單元6：采用意法半導(dǎo)體的STM32F103作為處理器；CPU處理單元6用于控制電池電壓通道切換電路2，切換的電壓流入A/D采樣濾波電路3，CPU處理單元6 通過時序讀取A/D芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過軟件濾波算法得到最終的蓄電池組1的電壓數(shù)據(jù)和內(nèi)阻數(shù)據(jù)，并且把這些數(shù)據(jù)通過RS485通訊電路7傳到上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)通過RS485 通訊電路7下發(fā)均衡測試命令后，CPU處理單元6通過采樣單節(jié)電池電壓，并且動態(tài)排序，對最大和最小電壓的蓄電池進(jìn)行相應(yīng)的充放電，通過長期的均衡功能實(shí)現(xiàn)整組電池的電壓平衡。STM32F103RBt6處理器的芯片有256K片上Flash、32K片上RAM，運(yùn)行速度為72MHz，供電范圍為2.0–3.6V，內(nèi)部8M的RC振蕩器，3個12位片上A/D采樣模塊，轉(zhuǎn)換范圍為0-3.6V，2個12位D/A轉(zhuǎn)換模塊，12通道DMA控制器；最多11 個定時器，2個IIC控制接口，5路異步串口通訊，3路SPI接口；一路CAN接口，一路 USB接口，一路SD接口。

RS485通訊電路7：是半雙工通訊，通過軟件通訊協(xié)議MODBUS來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和 A/D采樣濾波電路3的通訊和數(shù)據(jù)交換；RS485通訊電路7需要電氣隔離，具有累加功能，由于系統(tǒng)的信噪比相對較差，主要是白噪聲，所以可采用多次采集累加取平均的方法來抑制噪聲，改善信噪比。

均衡放電電路4：通過直流電源給電壓最小的蓄電池充電，同時給最大電壓的電池進(jìn)行放電，放電是通過一個放電電阻作為負(fù)載進(jìn)行放電；均衡是一個長期作用，實(shí)現(xiàn)整組電池的電壓平衡作用。以12V電池組為例，充電是把整組的電壓轉(zhuǎn)換為15V左右的電壓給電壓低的電池進(jìn)行充電，當(dāng)然電路中有限流電阻，一般就是0.5A左右；放電是把電池組中電壓高的電池切進(jìn)來通過另一個電阻進(jìn)行放電，放電電流大約也是0.5A。

電源管理電路5：本模塊采用電池組給模塊自供電，從而減少外來引入的交流或直流電源，裝置內(nèi)部有DCDC模塊，可以把電池組的供電電源轉(zhuǎn)換為弱電可以使用的5V和 12V電壓，另外本裝置在設(shè)計階段考慮到了降低整機(jī)功耗，對一些不用的功能采用CPU 控制其關(guān)斷輸出以降低功耗，等需要開啟時再發(fā)命令讓其工作。

電池電流通道切換電路10：因?yàn)槟K在測量蓄電池內(nèi)阻時需要放出大約6A左右電流，上層的電壓切換電路采用光MOS管切換的方式承受不了這么大的電流，所以就需要下層用小型繼電器去切換了，繼電器的優(yōu)勢在于成本低，流過的電流大。當(dāng)設(shè)備開始測試電池內(nèi)阻時，CPU處理單元6發(fā)送命令切換相應(yīng)的繼電器，把對應(yīng)的蓄電池的負(fù)極切到放電控制電路9的地，把電池正極切到放電控制電路9的正極上；當(dāng)切換完成后CPU 處理單元6才發(fā)送放電命令放電控制電路9開始放電。實(shí)際內(nèi)阻和電壓的切換原理都一樣，就是保證切換后的電池正負(fù)極和采樣電路和放電電路一致而已。

本實(shí)用新型通過檢測蓄電池的電壓變化和內(nèi)阻變化，縱向?qū)Ρ瓤梢苑治雠袛喑鲂铍姵氐娜萘亢蛪勖瑥亩_保了整個直流供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，利用均衡放電電路4的均衡功能，可以對整組蓄電池的電壓進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，保證每節(jié)電池的電壓都在一個平均范圍以內(nèi)，提高整組電池的可靠性。

本實(shí)用新型的PCB(印制電路板)采用兩層設(shè)計方案，下層過大電流，上層用于小信號采集和處理。其中在上層布局的電路模塊包括：電池電壓通道切換電路2、A/D采樣濾波電路3、均衡放電電路4、電源管理電路5、CPU處理單元6、RS485通訊電路7；下層布局的電路模塊包括：邏輯控制電路8、放電控制電路9、電池電流通道切換電路10。上下層分開的設(shè)計能夠增強(qiáng)模塊的抗干擾性和協(xié)調(diào)性，當(dāng)模塊進(jìn)行放電時下層PCB會有發(fā)熱現(xiàn)象，故而在殼體的下方左右開有散熱結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡單、美觀、安裝方便、散熱設(shè)計合理。

本實(shí)用新型的工作原理：

首先A/D采樣濾波電路3產(chǎn)生一串標(biāo)準(zhǔn)正弦波加載在儀表放電控制端，使蓄電池組 1兩端產(chǎn)生一個正弦電壓信號；測試信號經(jīng)過濾去直流信號，然后送入AD前向處理通道，進(jìn)行濾波、放大、偏置處理，滿足AD采樣信號的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由CPU處理單元6完成信號的處理，計算出內(nèi)阻值。根據(jù)歐姆定律，蓄電池組1的內(nèi)阻R＝變化的電壓差值/變化的電流差值，測量多節(jié)蓄電池的內(nèi)阻就是通過切換光MOS管來測量對應(yīng)某一節(jié)的內(nèi)阻值。

考慮到蓄電池電導(dǎo)在不同的工作狀態(tài)、不同的環(huán)境溫度下有所變化，對蓄電池測試中，要在同一種工作狀態(tài)下，環(huán)境溫度采用儀表內(nèi)部補(bǔ)償?shù)霓k法，這樣更有利于準(zhǔn)確判斷蓄電池的健康狀態(tài)。設(shè)計中，我們把影響蓄電池電導(dǎo)的多種因素視為一個整體，在相同的外部條件下測試，用以評估電池的荷電狀態(tài)，這樣可以保證測試結(jié)果的一致性。測量方法為U—I法，首先測得電池的開路電壓U₀，即其電動勢，然后，給定一個負(fù)載，測得其通過的電流I及負(fù)載上的電壓U₁，蓄電池的內(nèi)阻R＝(U₀-U₁)/I；如圖2；

由于蓄電池空載時，電動勢會迅速地回升，造成測量結(jié)果誤差大、重復(fù)性差，經(jīng)過我們大量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合基本原理公式，我們采用多種放電電流的方式，使整個測試過程中，蓄電池總是處于工作狀態(tài)，這樣可以很好的抑制濃差極化核電化學(xué)反應(yīng)帶來的測量誤差。采用電導(dǎo)測試法檢測蓄電池，必須有足夠的測量精度才能滿足維護(hù)需求，因而，要求對端電壓的變化及流過蓄電池兩端的電流測量精確。為了滿足測試要求，我們在硬件電路中采用濾波積分、程控放大等技術(shù)，在軟件中采用了多種濾波算法。

由于被測信號的動態(tài)范圍比較大(0.01～500mV)，而且夾雜著很多高頻和工頻干擾信號，這樣的信號不經(jīng)濾波、放大是難以保證測量精度的，因此信號處理是獲得精確測量的關(guān)鍵。通常，蓄電池兩端的交流信號是非常微弱的，而且噪聲和信號一同輸出，同時經(jīng)放大器也一同被放大，必須將噪聲淹沒的信號分檢并進(jìn)行積累、平均和保持，使信號強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；在該過程中，由于噪聲是隨機(jī)的、無規(guī)律的，經(jīng)過一定時間的迭加平均后會越來越小，近乎于抵消掉了，這樣一來，信噪比會得到顯著改善，從而從噪聲中把信號分檢出來。

需要說明的是，在本文中，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。