專利名稱：一種蓄電池電壓平衡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄電池組充電裝置，特別是應(yīng)用鉛酸電池，鋰電池，鎳鎘電池等串聯(lián)電池組的電壓檢測(cè)及電壓均衡充、放電智能裝置。
背景技術(shù)：
在電力操作電源、通訊電源、U P S電源等系統(tǒng)中都使用到了蓄電池組，且蓄電池組要求一定是在線的，正常運(yùn)行時(shí)要處于浮充電狀態(tài)，但由于電池本身特性并不一致，比如自放電速度不一樣，長(zhǎng)期浮充電時(shí)就會(huì)造成本組電池中，有的電池容量多，有的電池容量少，而蓄電池組的容量等于本組的最小容電池的容量；等到事故放電時(shí)電池組就不能放出標(biāo)稱的容量。由于浮充電壓的存在，電池組所有電池一直都處于充電狀態(tài)，理想情況下，即所有電池特性一樣時(shí)，充電電流正好等于電池自放電電流，從而使整組電池一只保持在滿容量狀態(tài)；但是所有單個(gè)電池的特性并不完成一致，在相同的浮充電流下，自放電小的電池一直處于過充狀態(tài)，自放電大的電池一直處于欠充狀態(tài)。長(zhǎng)期下去過充的電池就會(huì)電解水，使電解液減少；欠充的電池就會(huì)酸化，并出現(xiàn)結(jié)晶體；永久性的損壞電池。雖然定期對(duì)電池組進(jìn)行均衡充電操作，可以緩解這種情況，但是這時(shí)有的電池已是處于欠充電狀態(tài)了，要把整組電池充滿，過充電的電池要充入更多的電量，這樣欠充電的電池才能充滿，這樣對(duì)過充的電池也是有損害的。這就要求實(shí)時(shí)的對(duì)過充電的電池進(jìn)行放電操作，對(duì)欠充電的電池進(jìn)行補(bǔ)充電操作，隨時(shí)保持電池組每只電池時(shí)刻處于滿電狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池電壓，自動(dòng)對(duì)單只過充蓄電池進(jìn)行放電，對(duì)單只欠充蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電的蓄電池電壓平衡裝置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種蓄電池電壓平衡裝置，包括單片機(jī)，與單片機(jī)連接的蓄電池充電控制電路，還具有，
蓄電池管理芯片:通過SPI總線與所述單片機(jī)連接；
蓄電池電壓采集電路:相互串聯(lián)的多個(gè)蓄電池組成蓄電池組，蓄電池組中的每個(gè)蓄電池的正極分別與蓄電池管理芯片連接；
蓄電池放電控制電路:每個(gè)蓄電池的正極與一個(gè)P型MOSFET的源極D連接，該蓄電池的負(fù)極串接一個(gè)放電電阻后接于該P(yáng)型MOSFET的漏極S，該P(yáng)型MOSFET的柵極G與蓄電池管理芯片連接。所述單片機(jī)型號(hào)為STM32F100，蓄電池的型號(hào)為L(zhǎng)TC6802 ;單片機(jī)STM32F100引腳PB12 PB15分別連接到蓄電池管理芯片LTC6802 ;所述蓄電池組由12個(gè)蓄電池Β1 Β12串聯(lián)組成，蓄電池Bl、12的正極分別連接到蓄電池管理芯片LTC6802的引腳C12 Cl ;蓄電池管理芯片LTC6802的引腳S1 S12分別連接對(duì)應(yīng)P型MOSFET的柵極G。所述蓄電池充電控制電路為:單片機(jī)STM32F100的引腳PB8與三極管2N4403的基極連接，三極管2N4403的發(fā)射極接于整流器AC/DC的+5V輸出端，單片機(jī)STM32F100的引腳PA9 P12分別與譯碼芯片⑶4028輸入端連接，譯碼芯片⑶4028的12個(gè)輸出端分別串接一個(gè)繼電器的線圈后均接于三極管2N4403的集電極，分別與繼電器Κ1 (12—一對(duì)應(yīng)的蓄電池Bl、12中，上一極蓄電池BI的正、負(fù)極分別接于繼電器Kl的一對(duì)常開觸點(diǎn)，繼電器Kl的兩個(gè)公共端分別接于整流器AC/DC的2.35V的正、負(fù)輸出端，繼電器Kl的一對(duì)常閉觸點(diǎn)分別接于下一級(jí)蓄電池B2對(duì)應(yīng)的繼電器K2的兩個(gè)公共端。還具有主機(jī)和液晶顯示器，該液晶顯示器與主機(jī)連接；所述單片機(jī)經(jīng)通訊端口與該主機(jī)連接。本發(fā)明的有益效果是:
1、本裝置可以對(duì)每只蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)放電、充電，并對(duì)放電電流時(shí)行了限制，系統(tǒng)異常時(shí)能斷開放電回路，避免由于操作或裝置異常時(shí)對(duì)電池過放電；對(duì)充電電壓、電流進(jìn)行了限制，電壓最高不超過單只電池的浮充電壓或安全充電電壓，裝置異常時(shí)并能可靠斷開充電回路，避免由于操作或裝置異常時(shí)對(duì)電池過充電。2、通過監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓，溫度實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池組進(jìn)行均衡，使電池組的電池時(shí)刻處于滿充狀態(tài)，可以有效延長(zhǎng)電池定期均充的時(shí)間，最大限度的提高電池組的壽命。蓄電池組充電時(shí)，對(duì)過充電池進(jìn)行放電保護(hù)電池,蓄電池組放電時(shí),只對(duì)容量低的電池進(jìn)行充電，不對(duì)容量過多的電池放電，使整組蓄電池放出容量提高。3、本發(fā)明實(shí)施例提供一種電池組單節(jié)電池電壓監(jiān)測(cè)的自動(dòng)裝置，由于采用了專業(yè)的串聯(lián)電池電壓采集芯片，避免了傳統(tǒng)的采用電阻分壓法采集誤差大的問題，以及傳統(tǒng)的繼電器切換法采集速度慢、可靠性低、設(shè)置體積大、噪音大等問題。從而保證了電壓采集的精度，長(zhǎng)期工作的可靠性，本裝置具有體積小，噪音小，采集迅速，控制實(shí)時(shí)的特點(diǎn)。本裝置提供了一種對(duì) 每只電池單放電的控制回路，本放電回路由集成芯片控制，動(dòng)作迅速，控制可靠，裝置異常時(shí)可以可靠斷開，本控制可由集成I C獨(dú)立控制，也可由微控制器控制，或兩者結(jié)合控制。集成控制I C與微制器通異常時(shí)自動(dòng)停止放電，從而保證了放電的可靠性。本裝置提供了一種穩(wěn)壓限流電源，電壓穩(wěn)定在電池的浮充電壓或安全充電電壓，電流限制在一定范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)電池造成過充，不會(huì)出現(xiàn)大電流對(duì)電池造成沖擊。并可由微控制器控制電源的開關(guān)。本電源與主電源及其它制制電源隔離，不會(huì)引起其它電路的串?dāng)_，不會(huì)對(duì)測(cè)量回路引入共模干擾。本裝置提供了一種充電切換回路，本切換回路實(shí)現(xiàn)了電氣閉鎖，每次只能切換一條回路，不會(huì)造成兩只電池的短接現(xiàn)象，切換回路的控制由硬件譯碼控制，即每次只能控一路有輸出，本切換回路驅(qū)動(dòng)電源可由微控制器控制，充電回路切換時(shí)，穩(wěn)壓電源處于關(guān)閉狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了無電流切換，這樣繼電器動(dòng)作時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生火花，提高了繼電器的壽命。本裝置提供了一種電池均衡的方式，即同時(shí)對(duì)過充電池放電,對(duì)落后電池補(bǔ)充電，快速的使整組電池達(dá)到平衡狀態(tài)。本裝置提供一種組合應(yīng)用方式，當(dāng)一組電池節(jié)數(shù)多于一個(gè)均衡監(jiān)測(cè)模塊所能監(jiān)測(cè)的節(jié)時(shí)，或?qū)Ρ狙b置有更多的要求時(shí)，可以由主機(jī)，配合多個(gè)本裝置共同工作，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的控制，此時(shí)所有控制可由主機(jī)完成，統(tǒng)一規(guī)劃電池的均衡操作，比如:電池組充電時(shí)，對(duì)過充電池放電，電池組放電時(shí)對(duì)落后電池補(bǔ)充電。


圖1是本裝置電原理框圖。圖2是圖1所示蓄電池充電控制電路圖。圖3是圖1所示蓄電池電壓采樣電路圖。圖4是圖1所示蓄電池放電控制電路圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出一種蓄電池電壓平衡裝置，包括蓄電池充電控制電路與單片機(jī)連接； 蓄電池管理芯片通過SPI總線與所述單片機(jī)連接；
蓄電池電壓采集電路:相互串聯(lián)的多個(gè)蓄電池組成蓄電池組，蓄電池組中的每個(gè)蓄電池的正極分別與蓄電池管理芯片連接；
蓄電池放電控制電路:每個(gè)蓄電池的正極與一個(gè)P型MOSFET的源極D連接，該蓄電池的負(fù)極串接一個(gè)放電電阻后接于該P(yáng)型MOSFET的漏極S，該P(yáng)型MOSFET的柵極G與蓄電池管理芯片連接(參見圖3、圖4)。圖3中，蓄電池B12負(fù)極接于LTC6802的引腳GND。單片機(jī)型號(hào)為STM32F100，蓄電池的型號(hào)為L(zhǎng)TC6802 ;單片機(jī)STM32F100引腳PB12 PB15分別連接到蓄電池管理芯片LTC6802 ;所述蓄電池組由12個(gè)蓄電池Bl、12串聯(lián)組成，蓄電池B12的正極分別連接到蓄電池管理芯片LTC6802的引腳C12 Cl ;蓄電池管理芯片LTC6802的引腳SfS12分別連接對(duì)應(yīng)P型MOSFET的柵極G(參見圖3)。參見圖2，蓄電池充電控制電路為:單片機(jī)STM32F100的引腳PB8與三極管2N4403的基極連接，三極管2N4403的發(fā)射極接于整流器AC/DC的+5V輸出端，單片機(jī)STM32F100的引腳PA9 P12分別與譯碼芯片CD4028輸入端連接，譯碼芯片CD4028的12個(gè)輸出端分別串接一個(gè)繼電器的線圈后均接于三極管2N4403的集電極，分別與繼電器K1 K12——對(duì)應(yīng)的蓄電池Β1 Β12中，上一極蓄電池BI的正、負(fù)極分別接于繼電器Kl的一對(duì)常開觸點(diǎn)，繼電器Kl的兩個(gè)公共端分別接于整流器AC/DC的2.35V的正、負(fù)輸出端，繼電器Kl的一對(duì)常閉觸點(diǎn)分別接于下一級(jí)蓄電池Β2對(duì)應(yīng)的繼電器Κ2的兩個(gè)公共端。繼電器失電時(shí)，兩個(gè)公共端分別與一對(duì)常閉觸點(diǎn)連接，繼電器得電時(shí)，兩個(gè)公共端分別與一對(duì)常開觸點(diǎn)連接。圖2中，與BI對(duì)應(yīng)的繼電器Kl有三對(duì)觸點(diǎn)，左邊一對(duì)(上、下各I個(gè)，下同)為常閉觸點(diǎn)，中間一對(duì)為公共端點(diǎn)，右邊一對(duì)為常開觸點(diǎn)。圖2說明:AC/DC設(shè)置可直接由DC供電。充電電壓2.35V提供了限流供電，充電電壓2.35V正、負(fù)極分別連接到繼電器Kl的兩個(gè)公共端。繼電器Kl的一對(duì)常閉觸點(diǎn)分別連接到K2的兩個(gè)公共端，以此依次連接。Κ1 (12的(一對(duì))常開觸點(diǎn)分別連接到蓄電池Bl、12正、負(fù)極之間。繼電器的線圈供電經(jīng)過N極〈2N4403〉三極管供電。直接由單片機(jī)STM32F100單片機(jī)引腳PB8控制。單片機(jī)STM32F100引腳PA9 PA12經(jīng)過譯碼芯片⑶4028選通來控制輸出。圖3說明:蓄電池管 理芯片LTC6802通過SPI總線與STM32F100單片機(jī)連接。LTC6802內(nèi)置12位ADC，可以獨(dú)立執(zhí)行電壓采集，并且也有可控制引腳，專用于電池放電。充電部份專門設(shè)計(jì)。直接由STM32F100單片機(jī)控制充電。圖4說明:單片機(jī)STM32F100引腳PB12 PB15連接到電池管理芯片LTC6802(電池B1 B12串聯(lián):BI負(fù)接B2正，B2負(fù)接B3正，……)。電池B1 B12正極分別連接到電池管理芯片LTC6802的引腳C12 Cl。圖4說明:單片機(jī)STM32F100引腳PB12 PB15連接到電池管理芯片LTC6802。電池管理芯片LTC6802的引腳S1 S12分別連接P型MOSFET的柵極G。源極D接電池BI的正極，漏極S連接放電電阻后連到蓄電池BI的負(fù)極(即B2正極)。還具有主機(jī)和液晶顯示器，該液晶顯示器與主機(jī)連接；所述單片機(jī)經(jīng)通訊端口與該主機(jī)連接。蓄電池均衡系統(tǒng)工作流程:
1、蓄電池巡檢均衡模塊采集電壓，上傳到蓄電池均衡主機(jī)。2、蓄電池整組電壓電流模塊采集電壓電流，上傳到蓄電池均衡主機(jī)。3、蓄電池均衡主機(jī)通過采集到的整組電流，判斷當(dāng)前蓄電池工作狀態(tài)放電還是充電狀態(tài)。通過蓄電池單體電壓計(jì)算蓄電池單體最高電壓、最低電壓、平均電壓。然后廣播下發(fā)整組蓄電池工作狀態(tài)、蓄電池單體最高電壓、最低電壓、平均電壓、控制均衡使能位到蓄電池巡檢均衡模塊。4、蓄電巡檢均衡模塊獲得主機(jī)下發(fā)均衡參數(shù)后，計(jì)算出需要充電或放電的電池進(jìn)行充電或放。5、重復(fù)執(zhí)行以上步驟。蓄電池管理芯片/LTC6802，LTC6802內(nèi)程一個(gè)12位ADC模擬轉(zhuǎn)換器，自動(dòng)生成0 5V。測(cè)量精度為1.25mV。有12路可驅(qū)動(dòng)JFET管GPIO引腳，引腳控制放電。LTC6802可以管理12節(jié)電池自動(dòng)均衡電壓。當(dāng)LTC6802與CPU控制器通信不上時(shí)，所有CPIO引腳復(fù)位到IC初始化狀態(tài)。以至保護(hù)電池不過度放電。蓄電池巡檢均衡模塊電壓采集:蓄電池接線端經(jīng)過保險(xiǎn)絲后直接連到蓄電池管理芯LTC6802，微控制器CPU通過SPI直讀出LTC6802采集轉(zhuǎn)換電池電壓。采集由硬件完成。采樣精度高，溫度影響小。簡(jiǎn)化了復(fù)雜的硬件電路。LTC6802自動(dòng)切換通道采集蓄電池電壓，不需要外部微控制器進(jìn)額外的操作。一次通信可以全部讀出12路采集電壓。蓄電池巡檢均衡模塊充電:獨(dú)立隔離的充電輸出電壓，輸出電壓為2.350V,最大輸出充電電流為1000mA。充電控制多重保護(hù)，繼電器的供電控制、充電輸出電壓的前端控制和電池間充電互斥控制。充電控制過程:
1、從均衡主機(jī)上獲得整組蓄電池充放電狀態(tài)、單體最高電壓、最低電壓、平均電壓以及控制使能位。2、根據(jù)實(shí)時(shí)采集的電壓進(jìn)得計(jì)算出需要充電的電池，然后進(jìn)行充電流程序操作。3、充電流程操作:假如計(jì)算出此巡檢均衡模塊的第一節(jié)蓄電池需要充電，
1>控制AC/DC使能輸出2.35V電壓；
2>使Poer為低電平有效，使Ql三極管導(dǎo)通。給繼電器供電；
3>使⑶4028譯碼芯片的A、B、C、D引腳全部為0，選擇Ul的O通道低，驅(qū)動(dòng)Kl繼電
器；
4>其他蓄電池同樣操作。 4、充電達(dá)到蓄電池平均電壓以后，停止對(duì)此電池充電。
注:不會(huì)同時(shí)對(duì)二節(jié)或二節(jié)以上蓄電池充電，硬件設(shè)置上做了互斥的保護(hù)。充電電壓2.35V電的正端連接到Kl的公共端6，負(fù)端連接到公共端3。Kl的常閉觸點(diǎn)2、7分別連到K2的公共端6、3。以此接法下去。當(dāng)Kl切換到常開觸點(diǎn)時(shí)給第I節(jié)蓄電池充電。同時(shí)斷開給下一充電電壓，此達(dá)到保護(hù)作用。當(dāng)蓄電池巡檢均衡模塊通信不上達(dá)到4分時(shí)停止所以的充電操作。蓄電池巡檢均衡模塊放電:通過蓄電池管理芯片LTC6802來使能放電。此有二層保護(hù)，當(dāng)蓄電池巡檢均衡模塊通信不上達(dá)到4分時(shí)停止所以的放電操作。當(dāng)LTC6802與微控制器通信不上或LTC6802檢測(cè)到蓄電池巡檢均衡模塊內(nèi)溫度過高時(shí)停止放電。LTC同此可以設(shè)置停止放電的電壓，當(dāng)放到到設(shè)定的電壓時(shí)自動(dòng)停止放電。放電與充電不同，放電可以同時(shí)對(duì)多節(jié)電池放電。而充電每個(gè)蓄電池巡檢均衡模塊同時(shí)只能充一個(gè)蓄電池。放電控制過程:
1、從均衡主機(jī)上獲得整組蓄電池充放電狀態(tài)、單體最高電壓、最低電壓、平均電壓以及控制使能位。2、根據(jù)實(shí)時(shí)采集的電壓進(jìn)得計(jì)算出需要放電的電池，然后進(jìn)行放電流程序操作。3、放電流程操作:假如計(jì)算出此巡檢均衡模塊的第一節(jié)蓄電池需要充電，
1>向LTC6802設(shè)置放電參數(shù)值如停止放電電壓；
2>控制LTC6802的SI引腳為低有效，導(dǎo)通放電三極管進(jìn)行放電；
3>其他蓄電池同樣操作。4、放電達(dá)到蓄電池平均電壓以后，停止對(duì)此蓄池放電。 上述電池指蓄電池。本裝置同樣適用于其它充電電池組。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池電壓平衡裝置，包括，單片機(jī)，與單片機(jī)連接的蓄電池充電控制電路，其特征是，還具有， 蓄電池管理芯片:通過SPI總線與所述單片機(jī)連接； 蓄電池電壓采集電路:相互串聯(lián)的多個(gè)蓄電池組成蓄電池組，蓄電池組中的每個(gè)蓄電池的正極分別與蓄電池管理芯片連接； 蓄電池放電控制電路:每個(gè)蓄電池的正極與一個(gè)P型MOSFET的源極D連接，該蓄電池的負(fù)極串接一個(gè)放電電阻后接于該P(yáng)型MOSFET的漏極S，該P(yáng)型MOSFET的柵極G與蓄電池管理芯片連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蓄電池電壓平衡裝置，其特征是，所述單片機(jī)型號(hào)為STM32F100，蓄電池的型號(hào)為L(zhǎng)TC6802 ;單片機(jī)STM32F100引腳PB12 PB15分別連接到蓄電池管理芯片LTC6802 ;所述蓄電池組由12個(gè)蓄電池Β1 Β12串聯(lián)組成，蓄電池B12的正極分別連接到蓄電池管理芯片LTC6802的引腳C12 Cl ;蓄電池管理芯片LTC6802的引腳SrS12分別連接對(duì)應(yīng)P型MOSFET的柵極G。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種蓄電池電壓平衡裝置，其特征是，所述蓄電池充電控制電路為:單片機(jī)STM32F100的引腳PB8與三極管2N4403的基極連接，三極管2N4403的發(fā)射極接于整流器AC/DC的+5V輸出端，單片機(jī)STM32F100的引腳PA9 P12分別與譯碼芯片⑶4028輸入端連接，譯碼芯片⑶4028的12個(gè)輸出端分別串接一個(gè)繼電器的線圈后均接于三極管2N4403的集電極，分別與繼電器K1 K12——對(duì)應(yīng)的蓄電池Bl、12中，上一極蓄電池BI的正、負(fù)極分別接于繼電器Kl的一對(duì)常開觸點(diǎn)，繼電器Kl的兩個(gè)公共端分別接于整流器AC/DC的2.35V的正、負(fù)輸出端，繼電器Kl的一對(duì)常閉觸點(diǎn)分別接于下一級(jí)蓄電池Β2對(duì)應(yīng)的繼電器Κ2的兩個(gè)公共端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種蓄電池電壓平衡裝置，其特征是，還具有主機(jī)和液晶顯示器，該液晶顯示器與主機(jī)連接；所述單片機(jī)經(jīng)通訊端口與該主機(jī)連接。
全文摘要
一種蓄電池電壓平衡裝置，屬電力系統(tǒng)直流電源用蓄電池組充、放電智能控制裝置。蓄電池充電控制電路與單片機(jī)連接，蓄電池管理芯片通過SPI總線與單片機(jī)連接；蓄電池電壓采集電路相互串聯(lián)的多個(gè)蓄電池組成蓄電池組，蓄電池組中的每個(gè)蓄電池的正極分別與蓄電池管理芯片連接；蓄電池放電控制電路每個(gè)蓄電池的正極與一個(gè)P型MOSFET的源極D連接，該蓄電池的負(fù)極串接一個(gè)放電電阻后接于該P(yáng)型MOSFET的漏極S，該P(yáng)型MOSFET的柵極G與蓄電池管理芯片連接。放電時(shí)，僅對(duì)過充電池進(jìn)行放電，充電時(shí)，僅對(duì)容量低的電池進(jìn)行充電。本發(fā)明具有體積小、噪音小、可靠性高、控制實(shí)時(shí)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103117576SQ20131004083
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者李晶, 李杲, 張仲, 羅文科, 裴浩, 茍劍, 周登勇, 許昭德 申請(qǐng)人:四川電力科學(xué)研究院, 四川省電力公司綿陽(yáng)電業(yè)局, 國(guó)家電網(wǎng)公司