CN102306944A

CN102306944A - 一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器

Info

Publication number: CN102306944A
Application number: CN201110274039A
Authority: CN
Inventors: 亢俊健; 李亚梅; 张新东; 郭伟; 李聚光
Original assignee: Shijiazhuang University of Economics
Current assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co Ltd; Shijiazhuang University of Economics
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN102306944B

Abstract

本发明公开了一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，应用于野外灾害地质监测仪器蓄电池的智能充电及电池寿命监测管理。其由中央控制模块、充电方式转换模块、自动断电模块、电压采集模块、电流采集模块、测量内阻模块、键盘输入模块和LCD显示模块组成；在中央控制模块的控制下，充电方式转换模块可为蓄电池提供多种直流充电电压，自动断电模块可实现自动断电的功能，有效保护电池，电压采集模块、电流采集模块可测量蓄电池电压、电流的大小，键盘输入模块可选择不同的充电模式，测量内阻模块可测得蓄电池内阻，知道电池的现状，LCD显示模块用于显示测量结果。本发明体积小、重量轻、功耗低，可对蓄电池的能量实现最优化管理。

Description

一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器

技术领域

本发明涉及一种蓄电池智能管理设备，具体应用于为野外灾害地质监测仪器供电的蓄电池智能充电及电池寿命监测管理。

背景技术

普通的野外灾害地质监测仪器都采用蓄电池供电，野外工作的特殊性，使得蓄电池状态的好坏直接关系到仪器性能优劣以及测试成本的高低。因此，如何保证监测系统长时间且稳定的电源供应是一个极为关键的问题，这就对蓄电池的充电方式以及寿命管理提出了较高的要求，要求既可以实现智能充电、断电，又可以实时监测蓄电池的当前寿命，使仪器使用者能掌握蓄电池的使用情况，提高使用可靠性。

但是，现有蓄电池的充电设备，包括恒压充电方式和恒流充电方式，充电模式单一，皆无法实现对充电电压或充电电流大小的控制，例如对于恒压充电，初始充电电压大小的设置很重要，如果初始电压设置的过大或过小，均会造成电池容量及寿命减少。而且，现有的蓄电池充电器的智能化程度较低，无法根据具体电池的不同特性进行充电，无电池维护功能，也不能够动态显示充电电压和电流的大小，无法了解电池充电过程和使用状况，电池充满后不能自动断电，降低了电池的使用率。因此，现有蓄电池的充电设备无法满足野外灾害地质监测的需求。

通过对蓄电池容量进行监测可以实现电池寿命的监测，常用的方法是在蓄电池充放电过程中分别对电流和电压进行积分运算，但此法误差较大。在铅酸蓄电池的老化进程中，极板的硫化、活性物质的脱落、电解液的干涸等随时间推移而加剧，这些变化会导致蓄电池容量减小，内阻逐渐变大。由此可见，蓄电池内阻可作为判定蓄电池容量大小和其性能状态的有效指标，对蓄电池内阻进行精确测量可实现其性能状态的有效评估。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有多种充电方式、电池充满后能够自动断电、且具有控制维护功能，对蓄电池内阻进行测量具有监测电池寿命功能的灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：本发明由中央控制模块、充电方式转换模块、自动断电模块、电压采集模块、电流采集模块、测量内阻模块、键盘输入模块和LCD显示模块组成；所述充电方式转换模块的输入端接交流电源，其输出端接蓄电池，其控制端接中央控制模块的输入端；所述自动断电模块的输入端接中央控制模块的输出端，其输出端接充电方式转换模块的输入端；所述电压采集模块、电流采集模块的输入端分别接充电方式转换模块的输出端，其输出端接中央控制模块的相应输入端；所述测量内阻模块与蓄电池双向连接，并且其输出端接中央控制模块的输入端；所述键盘输入模块的输出端接中央控制模块的输入端；所述中央控制模块的输出端接LCD显示模块的输入端。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明可以对蓄电池的能量实现最优化管理。与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用功耗低的MSP430F169单片机为主控芯片，使智能电池管理器体积小、重量轻、功耗低；2、针对铅酸蓄电池的特点，设计了四阶段充电模式，该模式对电池具有维护功能，能够电池延长电池的放电时间，提高电池的充电效率及使用寿命；3、系统实时监测充电状态，能够对充电电流和充电电压过大有保护功能，避免大电流或大电压损坏电池；4、充满后能自动断电，避免过冲对电池的损伤；5、利用锁相放大技术，并在电路设计时减小电路的相移误差，实现对蓄电池微内阻的精确测量，同时为解决小内阻导致的测量导线阻抗问题，采用四线交流法进行测量，即将信号注入回路与信号测量回路分开，以减少测量误差。实现了电池寿命状态的监测；6、采用LCD实现人机交互，动态显充电状态及电池寿命监测情况。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的单片机控制电路原理图；

图3是本发明的测量内阻模块的电路原理图；

图4是本发明的工作流程图；

图中，模拟开关U1为差分4通道数字控制模拟开关4052，函数发生器U2为单片精密函数发生器ICL8038，U3、U4为仪表放大器INA122，平衡调制器U5为AD630，U6为蓄电池，单片机U7的型号为MSP430F169，液晶屏LCD１为北京友力发科贸有限公司的YLF12864J液晶屏，开关电源ADJ为脉宽调制芯片UPC494。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明智能电池管理器即可以实现智能充电根据电池状态自动选择充电方式，以延长电池寿命，又可以监测电池当前寿命，使用户能掌握电池的使用情况，提高可靠性。

如图1所示为本发明的结构框图，本发明其由中央控制模块、充电方式转换模块、自动断电模块、电压采集模块、电流采集模块、测量内阻模块、键盘输入模块和LCD显示模块组成；所述充电方式转换模块的输入端接交流电源，其输出端接蓄电池，其控制端接中央控制模块的输入端；所述自动断电模块的输入端接中央控制模块的输出端，其输出端接充电方式转换模块的输入端；所述电压采集模块、电流采集模块的输入端分别接充电方式转换模块的输出端，其输出端接中央控制模块的相应输入端；所述测量内阻模块与蓄电池双向连接，并且其输出端接中央控制模块的输入端；所述键盘输入模块的输出端接中央控制模块的输入端；所述中央控制模块的输出端接LCD显示模块的输入端。各模块之间通过总线实现连接。

如图2所示为本发明的单片机控制电路图。中央控制模块由单片机U7、第一晶振Y1、第二晶振Y2、电容C13-C21和电阻R24组成；所述单片机U7的1脚、64脚接AVCC，电容C14、C17分别接在单片机U7的1脚与地之间，电容C15、C16分别接在单片机U7的64脚与地之间；所述第二晶体Y2接在单片机U7的8脚与9脚之间；电容C20、C21分别接在单片机U7的8脚、9脚与地之间；所述第一晶体Y1接在单片机U7的52脚与53脚之间；电容C18、C19分别接在单片机U7的53脚、52脚与地之间；单片机U7的58脚经电阻R24接VCC，电容C13接在单片机U7的58脚与地之间。采用MSP430F169单片机，具有超低功耗和处理能力强等优点。MSP430F169单片机具有16位 RISC 结构，125ns指令周期；寻址方式多样，可方便实现多种运算，提高了运算速度。只需一根JTAG线就可以实现对单片机进行仿真、调试、编程等，可以省去购买昂贵的仿真器和编程器。片上外围模块包括48kFLASH、2M的RAM、12位带采样保持的A/D、双12位D/A。MSP430F169的I/O端口、看门狗、定时器及串行通信等功能及资源均优于8051单片机。采用MSP430F169使设备的复杂程度及功耗均大大降低。

所述自动断电模块由继电器K1、三极管Q2和电阻R29组成；所述单片机U7的16脚经电阻R29接三极管Q2的基极；三极管Q2的发射极接地，其集电极经继电器K1的线圈接-12V。电池充满时，通过单片机U7控制继电器K1切断充电器与蓄电池的连接，从而实现自动断电的功能，有效保护电池。

所述充电方式转换模块由开关电源ADJ和充电接口JP2组成；所述开关电源ADJ的1脚、2脚接220V交流电源，其4脚接地，其5脚接所述单片机U7的5脚；所述充电接口JP2的1脚经继电器K1的常开触点K1-1接开关电源ADJ的3脚。开关电源ADJ采用脉宽调制芯片UPC494，首先将220V交流电源通过滤波整流变成12-17V之间的直流电，做为充电的电源。MSP430F169单片机控制芯片通过给寄存器DAC12_1DAT赋不同的数字值，达到对DA信号的控制，从而调节模块输出电压的大小，实现充电时的不同电压输出。

电压采集模块由电阻R25和电阻R26组成；电阻R25与电阻R26串联后接在所述充电接口JP2的1脚与地之间，电阻R25与电阻R26的节点接所述单片机U7的4脚。本发明采用串联电阻分压原理实现电压采集。由于开关电源ADJ的最大输出电压为17V，因此将电阻R25与R26串联，其阻值比约为1：8。因为MSP430F169单片机允许的最大采样输入电压为2.5V。所以，当采样电阻R25两端最大电压是2.5V时，R26两端的电压最大为20伏，整个采样电路两端的电压最大值可以达到22.9伏，开关电源ADJ最大输出电压17伏，以达到本部分的需求。

电流采集模块由电阻R27和电阻R28组成；电阻R27与电阻R28并联后接在所述充电接口JP2的2脚与地之间，所述充电接口JP2的2脚接所述单片机U7的3脚。电流采集是将两个大功率、低阻值的电阻R27、R28与蓄电池充电线路串联，这样流过蓄电池的电流和流过采样电阻的电流的值相同。因此，只要计算出流过并联电阻的电流大小，就能获知流过蓄电池的电流大小。

键盘输入模块由第一至第四按键SW1-SW4、电阻R30-R33和电容C23-C25组成；所述第一至第四按键SW1-SW4的一端接地，其另一端分别与电阻R30-R33串联后接VCC；第一至第四按键SW1-SW4与电阻R30-R33的节点分别接所述单片机U7的12-15脚；电容C23-C25分别与第一至第四按键SW1-SW4并联。键盘输入模块采用独立式按键方式，共有SW1-SW4四个键。按键部分实现两个功能：1、选择充电模式；2、实现对电流或电压大小调节的设定。当用户在选择充电模式界面时，按下SW1键则选择四阶段自动充电模式；按下SW3键，则选择恒流充电模式；按下SW4键，则选择恒压充电模式。在恒流和恒压充电模式下可以使用键盘设置充电电流和充电电压值。

LCD显示模块由液晶屏LCD1、电位器RW2、三极管Q1、电阻R34-R36和电容C11组成；所述单片机U7的36脚经电阻R34接三极管Q1的基极；三极管Q1的集电极经电阻R36接VCC，其发射极接液晶屏LCD1的19脚；电位器RW2接在液晶屏LCD1的18脚与LCD_3.3V之间，其动臂接液晶屏LCD1的3脚；液晶屏LCD1的4-6脚、16脚、15脚、7-12脚分别接单片机U7的39-49脚；液晶屏LCD1的17脚经电阻R35接VCC，电容C11接在液晶屏LCD1的17脚与地之间。液晶屏LCD1选用北京友力发科贸有限公司的YLF12864J液晶屏。其显示分辨率是128×64像素，蓝底白字，驱动芯片是KS0107。YLF12864J实时显示铅酸蓄电池充电过程的电压和电流值的变化，开机时显示充电器欢迎界面和充电模式选择界面，以及显示系统测量内阻后对应的电池状态。采样电路输出的模拟信号，通过MSP430F169内部的12位逐次逼近比较器转换为数字信号后，如果直接显示，则无法表示真实的充电电压和电流值。通过实验方式选定合适的校正常量和数字量进行换算得到真实值，然后转换为字符点阵输出至LCD完成显示。

如图3所示为测量内阻模块的电路原理图。测量内阻模块由模拟开关U1、函数发生器U2、第一放大器U3、第二放大器U4、平衡调制器U5、电阻R1-R23、电位器RW1和电容C1-C10组成；所述函数发生器U2的4脚依次经电阻R1、电位器RW1、电阻R2接5脚，电位器RW1的动臂接+12V；函数发生器U2的6脚接+12V，其7脚接8脚，其10脚、12脚分别经电容C1、电阻R11接地；函数发生器U2的9脚接蓄电池的正极，蓄电池的负极经电阻R18接地；电阻R3接在函数发生器U2的9脚与+12V之间；所述第一放大器U3的正向输入端3脚、负向输入端2脚分别接蓄电池的正极、负极；电容C2接在第一放大器U3的正向输入端3脚与负向输入端2脚之间；第一放大器U3的1脚、8脚分别接模拟开关U1的3脚、13脚；第一放大器U3的输出端6脚接平衡调制器U5的2脚；电阻R13与电容C7串联后接在第一放大器U3的输出端6脚与地之间；所述模拟开关U1的11脚、15脚、14脚、12脚分别经电阻R6-R9接4脚、2脚、5脚、1脚；模拟开关U1的9脚、10脚分别接所述单片机U7的61脚、60脚；所述第二放大器U4的正向输入端3脚接蓄电池的负极，其负向输入端2脚接地，并且其1脚经电阻R10接8脚；电容C3接在第二放大器U4的正向输入端3脚与地之间；第二放大器U4的输出端6脚接平衡调制器U5的9脚；电阻R12与电容C6串联后接在第二放大器U4的输出端6脚与地之间；所述平衡调制器U5的3脚-6脚分别经电阻R17-R14接-12V，其18脚、19脚分别经电阻R23、R5接地，其20脚、16脚、12脚分别接19脚、2脚、13脚，其13脚接所述单片机U7的2脚；电阻R4与电阻R19串联后接在平衡调制器U5的2脚与13脚之间，电容C8、电阻R21、电阻R22、电容C9、电阻R20、电容C10依次串联后接在平衡调制器U5的2脚与地之间；电阻R4与电阻R19的节点、电阻R21与电阻R22的节点分别接平衡调制器U5的20脚，电容C9与电阻R20的节点接平衡调制器U5的13脚。ICL8038产生交流信号，将方波信号通过9脚注入蓄电池。仪表放大器U3交流差分放大及滤波提取蓄电池两端的被测电压Us后输入AD630，同时仪表放大器U4交流差分放大及滤波获得的参考电压信号Uref也输入AD630，这两个信号通过AD630的信号相关处理后，通过AD630的13脚送入MSP430F169单片机P6.3引脚后经过计算可得电池内阻，即可知道电池的现状。

用于蓄电池内阻测量的方法主要有交流注入法和直流放电法。交流注入法具有对电池无损害、可在线进行频繁测量等优点，本发明采用ICL8038产生交流源实现交流注入法测内阻。但是蓄电池内阻很小，交流注入所引起蓄电池两端响应电压信号很微弱，极易受环境噪声干扰，且蓄电池交流阻抗相位很小，监测电路的相移误差不可忽略。利用锁相放大技术，并在电路设计时减小电路相移误差，可实现对蓄电池微内阻精确测量，同时为解决小内阻导致的测量导线阻抗问题，采用四线交流法进行测量，即将信号注入回路与信号测量回路分开，以减少测量误差。本发明针对以往蓄电池内阻测量方法的不足，采用基于锁相放大技术的内阻测量电路，并对其进行了滤波分析，该测量电路抗噪声干扰能力强，相移误差小，实现了蓄电池微内阻的精确测量，达到对电池状态的监测。

本发明的工作原理：

如图4所示是本发明的工作流程图。本发明通过充电接口JP2与蓄电池连接。使用时，可通过按键SW1-SW4输入MSP430F169单片机实现充电方式选择。当用户在选择充电模式界面时，按下SW1键则选择四阶段自动充电模式；按下SW3键，则选择恒流充电模式；按下SW4键，则选择恒压充电模式。在恒流和恒压充电模式下可以使用键盘设置充电电流和充电电压值。充电时，继电器K1无效，充电接口JP2的1脚与开关电源ADJ的直流输出2脚相连实现充电。

充电过程中，MSP430F169单片机通过引脚P6.4实时采集充电电流，通过P6.5实时采集充电电压的大小，并通过LCD显示模块实时显示；通过P6.6引脚输出控制信号控制开关电源ADJ模块输出的电压与电流的大小。当检查充满电后，MSP430F169单片机通过引脚P1.4输出有效信号，使得继电器K1有效，从而吸附充电接口JP2的1脚与开关电源ADJ的直流输出2脚断开，实现自动断电功能。

内阻测量：ICL8038产生交流信号，将方波信号通过9脚注入蓄电池。仪表放大器U3交流差分放大及滤波提取蓄电池两端的被测电压Us后输入AD630，同时仪表放大器U4交流差分放大及滤波获得的参考电压信号Uref也输入AD630，这两个信号通过AD630的信号相关处理后，通过AD630的13脚送入MSP430F169单片机P6.3引脚后经过计算可得电池内阻，即可知道电池的现状。

Claims

1.一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：其由中央控制模块、充电方式转换模块、自动断电模块、电压采集模块、电流采集模块、测量内阻模块、键盘输入模块和LCD显示模块组成；所述充电方式转换模块的输入端接交流电源，其输出端接蓄电池，其控制端接中央控制模块的输入端；所述自动断电模块的输入端接中央控制模块的输出端，其输出端接充电方式转换模块的输入端；所述电压采集模块、电流采集模块的输入端分别接充电方式转换模块的输出端，其输出端接中央控制模块的相应输入端；所述测量内阻模块与蓄电池双向连接，并且其输出端接中央控制模块的输入端；所述键盘输入模块的输出端接中央控制模块的输入端；所述中央控制模块的输出端接LCD显示模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述中央控制模块由单片机U7、第一晶振Y1、第二晶振Y2、电容C13-C21和电阻R24组成；所述单片机U7的1脚、64脚接AVCC，电容（C14、C17）分别接在单片机U7的1脚与地之间，电容（C15、C16）分别接在单片机U7的64脚与地之间；所述第二晶体Y2接在单片机U7的8脚与9脚之间；电容（C20、C21）分别接在单片机U7的8脚、9脚与地之间；所述第一晶体Y1接在单片机U7的52脚与53脚之间；电容（C18、C19）分别接在单片机U7的53脚、52脚与地之间；单片机U7的58脚经电阻R24接VCC，电容C13接在单片机U7的58脚与地之间。

3.根据权利要求2所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述自动断电模块由继电器K1、三极管Q2和电阻R29组成；所述单片机U7的16脚经电阻R29接三极管Q2的基极；三极管Q2的发射极接地，其集电极经继电器K1的线圈接-12V。

4.根据权利要求3所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述充电方式转换模块由开关电源ADJ和充电接口JP2组成；所述开关电源ADJ的1脚、2脚接220V交流电源，其4脚接地，其5脚接所述单片机U7的5脚；所述充电接口JP2的1脚经继电器K1的常开触点K1-1接开关电源ADJ的3脚。

5.根据权利要求4所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述键盘输入模块由第一至第四按键SW1-SW4、电阻R30-R33和电容C23-C25组成；所述第一至第四按键SW1-SW4的一端接地，其另一端分别与电阻R30-R33串联后接VCC；第一至第四按键SW1-SW4与电阻R30-R33的节点分别接所述单片机U7的12-15脚；电容C23-C25分别与第一至第四按键SW1-SW4并联。

6.根据权利要求5所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述电压采集模块由电阻R25和电阻R26组成；电阻R25与电阻R26串联后接在所述充电接口JP2的1脚与地之间，电阻R25与电阻R26的节点接所述单片机U7的4脚。

7.根据权利要求6所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述电流采集模块由电阻R27和电阻R28组成；电阻R27与电阻R28并联后接在所述充电接口JP2的2脚与地之间，所述充电接口JP2的2脚接所述单片机U7的3脚。

8.根据权利要求7所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述LCD显示模块由液晶屏LCD1、电位器RW2、三极管Q1、电阻R34-R36和电容C11组成；所述单片机U7的36脚经电阻R34接三极管Q1的基极；三极管Q1的集电极经电阻R36接VCC，其发射极接液晶屏LCD1的19脚；电位器RW2接在液晶屏LCD1的18脚与LCD_3.3V之间，其动臂接液晶屏LCD1的3脚；液晶屏LCD1的4-6脚、16脚、15脚、7-12脚分别接单片机U7的39-49脚；液晶屏LCD1的17脚经电阻R35接VCC，电容C11接在液晶屏LCD1的17脚与地之间。

9.根据权利要求8所述的一种灾害地质监测仪器专用的智能蓄电池管理器，其特征在于：所述测量内阻模块由模拟开关U1、函数发生器U2、第一放大器U3、第二放大器U、平衡调制器U5、电阻R1-R23、电位器RW1和电容C1-C10组成；

所述函数发生器U2的4脚依次经电阻R1、电位器RW1、电阻R2接5脚，电位器RW1的动臂接+12V；函数发生器U2的6脚接+12V，其7脚接8脚，其10脚、12脚分别经电容C1、电阻R11接地；函数发生器U2的9脚接蓄电池的正极，蓄电池的负极经电阻R18接地；电阻R3接在函数发生器U2的9脚与+12V之间；

所述第一放大器U3的正向输入端3脚、负向输入端2脚分别接蓄电池的正极、负极；电容C2接在第一放大器U3的正向输入端3脚与负向输入端2脚之间；第一放大器U3的1脚、8脚分别接模拟开关U1的3脚、13脚；第一放大器U3的输出端6脚接平衡调制器U5的2脚；电阻R13与电容C7串联后接在第一放大器U3的输出端6脚与地之间；所述模拟开关U1的11脚、15脚、14脚、12脚分别经电阻R6-R9接4脚、2脚、5脚、1脚；模拟开关U1的9脚、10脚分别接所述单片U7的61脚、60脚；

所述第二放大器U4的正向输入端3脚接蓄电池的负极，其负向输入端2脚接地，并且其1脚经电阻R10接8脚；电容C3接在第二放大器U4的正向输入端3脚与地之间；第二放大器U4的输出端6脚接平衡调制器U5的9脚；电阻R12与电容C6串联后接在第二放大器U4的输出端6脚与地之间；

所述平衡调制器U5的3脚-6脚分别经电阻R17-R14接-12V，其18脚、19脚分别经电阻（R23、R5）接地，其20脚、16脚、12脚分别接19脚、2脚、13脚，其13脚接所述单片机U7的2脚；电阻R4与电阻R19串联后接在平衡调制器U5的2脚与13脚之间，电容C8、电阻R21、电阻R22、电容C9、电阻R20、电容C10依次串联后接在平衡调制器U5的2脚与地之间；电阻R4与电阻R19的节点、电阻R21与电阻R22的节点分别接平衡调制器U5的20脚，电容C9与电阻R20的节点接平衡调制器U5的13脚。