CN102593888A - 蓄电池均衡充放电控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种蓄电池均衡充放电控制系统，包括电池组正极、电池组负极、放电模块和CPU控制器，放电模块包括放电开关控制单元和放电开关，每一个单体电池与一个放电开关并联，放电开关控制单元和所述CPU控制器连接，CPU控制器设有单根与充电器数据传输的通讯线，每根通讯线均与一线通讯线连接；所述放电模块还包括电池电压检测单元，所述电池电压检测单元与电压检测支路连接，所述电压检测支路包括电阻R1和电阻R2，所述电压检测支路与单体电池并联，所述电阻R1和R2的连接节点与所述电池电压检测单元连接；所述一线通讯线与充电器、放电控制器连接。本发明简化结构、降低成本、适用性良好。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池组充放电技术，尤其是一种蓄电池均衡充放电控制系统。
背景技术
为了达到延长蓄电池组的使用寿命，在蓄电池组充放电行业一般使用均衡充电模式，确保每只单体电池的充电电压、充电电流和温度均能在蓄电池的安全工作范围，确保蓄电池充足电而又不会出现过充电现象及温度失控现象，确保蓄电池组的使用寿命和安全可靠运行。但常规均衡充电模式接线复杂，成本高，而蓄电池的使用已经应用到我们生活的每个领域，好的均衡充电方式不能适应大批量推广和应用。
还有的均衡充电是利用放电时是串联放电，充电时是并联充电，加一组串并联转换开关组，电池组内单体电池越多，电路就越复杂。
也还有充电器与蓄电池组之间使用复杂的多芯插头，使得充电器与均衡充电模块之间接线复杂，不利于大批量推广。
另外，复杂系统均衡充电使用软件通讯系统来控制，要用到多芯的通讯控制插头与插座；通用充电方式是二芯输出直接接到蓄电池组的正负极二端，大部分使用“品”字形充电器插座，如要用多芯插头与插座，成本也高，充电器也相当复杂，不易于大批量推广。
发明内容
为了克服已有蓄电池充放电技术的结构复杂、成本高、适用性较差的不足，本发明提供一种简化结构、降低成本、适用性良好的蓄电池均衡充放电控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种蓄电池均衡充放电控制系统，包括电池组正极和电池组负极，所述电池组正极和电池组负极分别与串联的多组单体电池连接，所述串联的多组单体电池通过负载开关与蓄电池放电负载连接，所述控制系统还包括放电模块和CPU控制器，所述放电模块包括放电开关控制单元和放电开关，每一个单体电池与一个放电开关并联，所述放电开关控制单元和所述CPU控制器连接，所述CPU控制器设有单根与充电器数据传输的通讯线，每根通讯线均与一线通讯线连接；所述放电模块还包括电池电压检测单元，所述电池电压检测单元与电压检测支路连接，所述电压检测支路包括电阻R1和电阻R2，所述电压检测支路与单体电池并联，所述电阻R1和R2的连接节点与所述电池电压检测单元连接；所述一线通讯线与充电器、放电控制器连接，其中，
所述充电器包括：用以根据电池电压检测单元的数据计算每一个单体电池的实时电压参数的充电电压参数计算单元；用以当某一单体电池的电压高于预设电压值时向放电开关发出脉冲放电指令，并直到所有单体电池的电压均高于预设电压值时发出充电完成状态指示的充电实时控制模块；
所述放电控制器包括：用以根据电池电压检测单元的数据计算每一个单体电池的实时电压参数的放电电压参数计算单元；用以当某一单体电池的电压低于预设电压值时向负载开关发出关断指令的放电控制单元。
进一步，所述放电模块还包括温度检测单元，单体电池上安装温度传感器，所述温度传感器与温度检测单元连接。
再进一步，所述充电器包括：用以根据温度检测单元的数据计算每一个单体的实时工作温度的充电工作温度计算单元；用以依照某一单体电池的当前温度确定放电电流的大小的充电温度实时监控模块。
所述放电控制器包括：用以根据温度检测单元的数据计算每一个单体的实时工作温度的放电工作温度计算单元；用以当某一单体电池的温度达到预设的阈值温度，发出告警指令或发出减小放电电流指令的放电温度实时监控模块。
所述充电器还包括：用以保存上电时的每个单体电池的温度的上电环境温度计算单元。
所述放电控制器还包括：用以保存上电时的每个单体电池的温度的上电环境温度计算单元。
所述充电器还包括：用以向放电模块发送握手协议，通过时钟信号启动辅助电源的充电节能控制单元。
所述放电控制器还包括：用以向放电模块发送握手协议，通过时钟信号启动辅助电源的放电节能控制单元。
所述充电器还包括：用以计算单体电池充电的容量：容量等于实际充电电流与时间的积，然后根据单体电池的容量差别启动充电器脉冲充电和放电模块的负脉冲放电进行正负修复的修复控制单元。
本发明的技术构思为：在蓄电池组内单体电池上关联一个只有一个放电开关的放电功能模块(下面简称“放电模块”)，随着CPU控制芯片的大批量推广，其价格已经做到相当低了，大家都知道CPU控制软件编制与修改相当方便，CPU之间通讯也相当方便，有RS232，RS485，CAN，USB等等通讯方式，但这些常用的方式，均要多根线进行通讯，再加上充电器的电源正负极二根线，使得在这个均衡充电行业的好处不能大面积的推广。
利用CPU自制的一线传输原理，使用CPU的一根线进行双向通讯，把电池组内“放电模块”检测到的每一组单体电池的电压、温度参数反馈给控制中心，使得整体蓄电池组与充电器之间只用到三根线，这样系统就会变化得相当简单，成本也低、单体电池的放电模块可以做成一致，硬件完全可以做到相同，方便批量生产，同时又因为模块是用独立的CPU控制，可以在写程序时写入唯一的IP地址，这样与主控充电器等之间通讯时会自动把自己的IP地址发出去，主控程序无须知道此模块充电或放电时位于电池组是哪一位置，只要根据通讯数据，自动判定下发命令让此“放电模块”执行各种命令。
可以预先给“放电模块”写入几种不同的命令，如：PWM放电，电池电压采样结果回送，温度测量回传，恒流放电等等。充电器等控制系统只要通过相应检测数据，综合作出不同的命令就可以达到命令所达到的目的。
只用到一只放电开关K1，可以做成PWM放电也可做成恒流放电，由CPU的软件去完成。与充电器的连接也只有三根线
各“放电模块”之间能通讯线可以直接相连接后接到外部总控制的通讯线上，因为“放电模块”是独立的，只是按命令去执行，所以“放电模块”之间无须通讯，只是一个执行元件，一个可软件通讯的执行元件。
充电器的控制方案为：先向“放电模块”发送握手协议，可连续发送多次，目的是让“放电模块”先启动辅助电源，因为通讯线只有产生CLK信号时，“放电模块”的辅助电源才会工作，这样“放电模块”处于节能状态，握手协议可，充电器就知道“放电模块”的IP地址，方便下一步控制，当然也可以在组装时调试好充电器与“放电模块”的配合，把IP地址直接写到充电器中。
充电前先循环检测单体电池的电压与温度后，并记录充电器的控制系统中，作为电池的环境温度及起始电压
启动充电器的充电电源输出给蓄电池组串联充电，同时不断循环检测单体电池的电压与温度，并通过计算，如果某一单体电压高于一个预先设定的电压Vx后就通过“命令输出模块”给此单体电池发送脉冲放电命令，直到所有的单体电池均能达到这个设定值，并记录所有的命令执行时间，由系统计算出单体电池充电的容量(实际充电电流与时间的积)，然后根据单体电池的容量差别启动充电器脉冲充电和“放电模块”的负脉冲放电进行正负修复电池组。
通过检测电池的温度(电池的实际工作温度)来决定“放电模块”放电电流的大小，可以是PWM放电也可以是恒流放电，如果单体电池温度过高达到报警设定温度值时应该立即停止充电，保护电池。
放电控制器的控制方案为：先向“放电模块”发送握手协议，可连续发送多次，目的是让“放电模块”先启动辅助电源，因为通讯线只有产生CLK信号时，“放电模块”的辅助电源才会工作，这样“放电模块”处于节能状态，握手协议可，充电器就就知道“放电模块”的IP地址，方便下一步控制，当然也可以在组装时调试好充电器与“放电模块”的配合，把IP地址直接写到充电器中。
放电前先循环检测单体电池的电压与温度后，并记录充电器的控制系统中，作为电池的环境温度及起始电压。
启动放电控制器的蓄电池放电负载，同时不断循环检测单体电池的电压与温度，并通过计算，如果某一单体电压低于一个预先设定的电压Vx后就停止放电，并告之用户已经有某一节电池达到保护电压，不能再继续放电，否则会出现电池过放电现象。
因为串联电池组放电有差别是正常现象，有的只有稍微差别是允许的，所以在放电过程中检测每一节的电池电压，如果发现有一节电池放电快到过放保护电压时，而另外几节电池电压相差比较大，就报警告诉用户，如果差别不大，在预先设定的允许范围内就不报警，直到某一个电池达到保护点时就切断放电负载，从而有效及时地保护蓄电池组。
通过检测电池的温度(电池的实际工作温度)，如果达到预先设定的保护温度就报警并按预先设定的电流保护方案减小负载的放电电流的，从而保护电池，如果单体电池温度过高达到极限设定温度值时应该立即停止放电，保护电池，从而提高电池的使用寿命。
本发明的有益效果主要表现在：简化结构、降低成本、适用性良好。
附图说明
图1是蓄电池均衡充放电控制系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种蓄电池均衡充放电控制系统，包括电池组正极和电池组负极，所述电池组正极和电池组负极分别与串联的多组单体电池连接，所述串联的多组单体电池通过负载开关与蓄电池放电负载连接，所述控制系统还包括放电模块和CPU控制器，所述放电模块包括放电开关控制单元和放电开关K1，每一个单体电池与一个放电开关K1并联，所述放电开关控制单元所述CPU控制器连接，所述CPU控制器设有单根与充电器数据传输的通讯线，每根通讯线均与一线通讯线连接；所述放电模块还包括电池电压检测单元，所述电池电压检测单元与电压检测支路连接，所述电压检测支路包括电阻R1和电阻R2，所述电压检测支路与单体电池并联，所述电阻R1和R2的连接节点与所述电池电压检测单元连接；所述一线通讯线与充电器、放电控制器连接，其中，
所述充电器包括：用以根据电池电压检测单元的数据计算每一个单体电池的实时电压参数的充电电压参数计算单元；用以当某一单体电池的电压高于预设电压值时向放电开关发出脉冲放电指令，并直到所有单体电池的电压均高于预设电压值时发出充电完成状态指示的充电实时控制模块；
所述放电控制器包括：用以根据电池电压检测单元的数据计算每一个单体电池的实时电压参数的放电电压参数计算单元；用以当某一单体电池的电压低于预设电压值时向负载开关发出关断指令的放电控制单元。
所述放电模块还包括温度检测单元，单体电池上安装温度传感器，所述温度传感器与温度检测单元连接。
所述充电器包括：用以根据温度检测单元的数据计算每一个单体的实时工作温度的充电工作温度计算单元；用以依照某一单体电池的当前温度确定放电电流的大小的充电温度实时监控模块。
所述放电控制器包括：用以根据温度检测单元的数据计算每一个单体的实时工作温度的放电工作温度计算单元；用以当某一单体电池的温度达到预设的阈值温度，发出告警指令或发出减小放电电流指令的放电温度实时监控模块。
所述充电器还包括：用以保存上电时的每个单体电池的温度的上电环境温度计算单元。
所述放电控制器还包括：用以保存上电时的每个单体电池的温度的上电环境温度计算单元。
所述充电器还包括：用以向放电模块发送握手协议，通过时钟信号启动辅助电源的充电节能控制单元。
所述放电控制器还包括：用以向放电模块发送握手协议，通过时钟信号启动辅助电源的放电节能控制单元。
所述充电器还包括：用以计算单体电池充电的容量：容量等于实际充电电流与时间的积，然后根据单体电池的容量差别启动充电器脉冲充电和“放电模块”的负脉冲放电进行正负修复的修复控制单元。
所述放电开关K1与限流电阻RS串联。
本实施例中，“放电模块”只用一个放电开关，“放电模块”合用一根通讯线，“放电模块”可软件做成各种功能，相互之间无须通讯，功能可以不断根据硬件进行升级。
“放电模块”附带的AD检测功能可以检测温度与电池电压，这一点是均衡充电原理所要求的，也是一种公知常识，只是我们尽量使用廉价的CPU去完成。电池电流无须检测，因为整组电池是串联的，串联电路中所有的电池组充放电电流是相同的，可以使用廉价的多功能CPU自带的或外置的AD检测与温度检测，
“放电模块”的CPU供电，为了做到节能，可以做成只有通讯有CLK信号时才有辅助电源，这样系统不工作时可以不消耗蓄电池组的电能
“放电模块”在充电时放电可以达到均衡充电的目的，同时也可以配合充电器做成正负脉冲充电，去除蓄电池硫化的功能
因为电池单只落后有的是电池生产时就已经有些质量问题，不能通过充电方式达到均衡，此时“放电模块”的检测功能，通过外部控制系统自动提示用户蓄电池组的某节电池有单只落后问题，不能修复，让用户及时更换，确保其他好的电池不再因为过放电或过充电而损坏，如果在“放电模块”中配置一只LED显示，就可以明确告诉用户是哪一节电池有故障，或通过充电器的控制系统中显示“放电模块”对应的IP地址，也能准确告之用户是哪一节电池有故障。
通过不同时间有通讯数据，可以计算出电池的环境温度与工作温度，也能计算出电池的容量差别，并作出不同时间有脉冲修改时间，确保电池充电均衡一致，同时可以不同单体电池不同的去硫化修复操作。
蓄电池组中，放电过程中检测每一节的电池电压，如果发现有一节电池放电快到过放保护电压时，而另外几节电池电压相差比较大，就报警告诉用户，如果差别不大，在预先设定的允许范围内就不报警，直到某一个电池达到保护点时就切断放电负载，从而有效及时地保护蓄电池组。
通过检测电池的温度(电池的实际工作温度)，如果达到预先设定的保护温度就报警并按预先设定的电流保护方案减小负载的放电电流的，从而保护电池，如果单体电池温度过高达到极限设定温度值时应该立即停止放电，保护电池，从而提高电池的使用寿命。
串联电池组中保证每节电池均正好放到保护点(均衡放电)实际是无法实现的，我们是以单体电池作为放电保护标准，同时配合单体电池电压采样，可以提醒用户电池的差别，让用户及时去更换差别大的电池单体，从而保护好的电池单体。
Claims (9)
1.一种蓄电池均衡充放电控制系统，包括电池组正极和电池组负极，所述电池组正极和电池组负极分别与串联的多组单体电池连接，所述串联的多组单体电池通过负载开关与蓄电池放电负载连接，其特征在于：所述控制系统还包括放电模块和CPU控制器，所述放电模块包括放电开关控制单元和放电开关，每一个单体电池与一个放电开关并联，所述放电开关控制单元和所述CPU控制器连接，所述CPU控制器设有单根与充电器数据传输的通讯线，每根通讯线均与一线通讯线连接；所述放电模块还包括电池电压检测单元，所述电池电压检测单元与电压检测支路连接，所述电压检测支路包括电阻R1和电阻R2，所述电压检测支路与单体电池并联，所述电阻R1和R2的连接节点与所述电池电压检测单元连接；所述一线通讯线与充电器、放电控制器连接，其中，
所述充电器包括：用以根据电池电压检测单元的数据计算每一个单体电池的实时电压参数的充电电压参数计算单元；用以当某一单体电池的电压高于预设电压值时向放电开关发出脉冲放电指令，并直到所有单体电池的电压均高于预设电压值时发出充电完成状态指示的充电实时控制模块；
所述放电控制器包括：用以根据电池电压检测单元的数据计算每一个单体电池的实时电压参数的放电电压参数计算单元；用以当某一单体电池的电压低于预设电压值时向负载开关发出关断指令的放电控制单元。
2.如权利要求1所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所 述放电模块还包括温度检测单元，单体电池上安装温度传感器，所述温度传感器与温度检测单元连接。
3.如权利要求2所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所述充电器包括：用以根据温度检测单元的数据计算每一个单体的实时工作温度的充电工作温度计算单元；用以依照某一单体电池的当前温度确定放电电流的大小的充电温度实时监控模块。
4.如权利要求2所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所述放电控制器包括：用以根据温度检测单元的数据计算每一个单体的实时工作温度的放电工作温度计算单元；用以当某一单体电池的温度达到预设的阈值温度，发出告警指令或发出减小放电电流指令的放电温度实时监控模块。
5.如权利要求3所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所述充电器还包括：用以保存上电时的每个单体电池的温度的上电环境温度计算单元。
6.如权利要求4所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所述放电控制器还包括：用以保存上电时的每个单体电池的温度的上电环境温度计算单元。
7.如权利要求1～6之一所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所述充电器还包括：用以向放电模块发送握手协议，通过时钟信号启动辅助电源的充电节能控制单元。
8.如权利要求1～6之一所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所述放电控制器还包括：用以向放电模块发送握手协议，通过时钟信号启动辅助电源的放电节能控制单元。
9.如权利要求1～6之一所述的蓄电池均衡充放电控制系统，其特征在于：所述充电器还包括：用以计算单体电池充电的容量：容量等于实际充电电流与时间的积，然后根据单体电池的容量差别启动充电器脉冲充电和放电模块的负脉冲放电进行正负修复的修复控制单元。
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