CN102684269A

CN102684269A - 一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统

Info

Publication number: CN102684269A
Application number: CN2012101702816A
Authority: CN
Inventors: 李复活
Original assignee: Henan Suda Electric Automobile Technology Co Ltd
Current assignee: Henan Suda Electric Automobile Technology Co Ltd
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统，包括纳米铅酸蓄电池及与纳米铅酸蓄电池相连接的电源电路、充电电路和放电电路，其中，还包括微处理器、存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路；所述微处理器分别与存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、充电电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路连接；所述温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路分别与纳米铅酸蓄电池连接，输入输出控制电路与放电电路连接。本发明利用微控制器来实现对高性能纳米铅酸蓄电池的智能化控制，提高了纳米铅酸蓄电池的使用寿命，降低了维护成本。

Description

一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统

技术领域

本发明属于电动汽车应用技术领域，特别涉及到一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统。

背景技术

电动汽车目前常用的动力来自于铅酸电池、锂电池、镍氢电池等。纳米铅酸电池具有高电池单体电压、高比能量和高能量密度，是当前比能量最高的电池，但由于纳米铅酸电池的能量密度比较高，当发生误用或滥用时，容易引起安全事故。

发明内容

由鉴于此，本发明的目的是提供一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统，利用微控制器来实现对高性能纳米铅酸蓄电池的智能化控制，提高了纳米铅酸蓄电池的使用寿命，降低了维护成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统，包括纳米铅酸蓄电池及与纳米铅酸蓄电池相连接的电源电路、充电电路和放电电路，其中，还包括微处理器、存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路；所述微处理器分别与存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、充电电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路连接；所述温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路分别与纳米铅酸蓄电池连接，输入输出控制电路与放电电路连接。

进一步，所述温度检测电路采用DS18B20温度传感器，所述温度传感器粘附在纳米铅酸蓄电池表面上，所述温度传感器一管脚接地，一管脚接5V电压，一管脚分别连接微处理器和电阻，电阻另一端接5V电压。

进一步，所述电源电路采用DC－DC隔离模块。

进一步，显示单元采用74HC595芯片，采用3位8段数码管动态显示方式。

本发明的有益效果为：

本发明利用微控制器来实现对高性能纳米铅酸蓄电池的智能化控制，包括电池的充放电监测控制、电池容量检测及显示与报警等，能够自动切断充放电回路，其电量均衡的功能，能够保证单节电池的压差维持在一个很小的范围内，还具有过温、过流、剩余电量估测等功能。有效地实现了对纳米铅酸蓄电池系统的智能化控制，提高了高性能纳米铅酸蓄电池的使用寿命，降低了维护成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书或者附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明电源电路的电路原理图；

图3为本发明电流电压采集电路原理图；

图4为本发明温度检测电路原理图；

图5为本发明充放电主回路电路原理图；

图6为本发明蓄电池脉冲充电时序示意图；

图7本发明的控制流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括纳米铅酸蓄电池及与纳米铅酸蓄电池相连接的电源电路、充电电路和放电电路，微处理器、存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路；微处理器分别与存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、充电电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路连接；温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路分别与纳米铅酸蓄电池连接，输入输出控制电路与放电电路连接。

微处理器采用F2MC—8FX系列单片机MB95F136， MB95F136在系统中不仅要实时监测纳米铅酸电池的电流、电压、温度等参数以及系统运行状态，还必须根据所采集到的数据进行处理，并对充电控制模块输出控制信号以实现对纳米铅酸电池系统的智能控制。同时，还负责实现按键控制和系统状态输出显示。Fujitsu公司的MB95F136采用的是O．35μm低漏电工艺技术，掩膜产品可以在1．8 V和1μA的低耗电工作模式(时钟模式)下运行，流水线总线架构可提供双倍执行速度，最小指令周期为62．5 ns。它在具备快速处理和低耗电特性的同时，配有丰富的定时器；集成1个8通道的8／10位可选A／D转换器，可以方便地应用于系统中对电压、电流的采集。双操作闪存也是F2MC一8FX系列8位微控制器的特点之一，当一个程序在一个存储区中运行时，可以在另一个存储区中完成重写，从而减少外部存储器零件的数量来缩小电路板的表面积。另外，LVD(低电压检测)以及CSV(时钟监视器)功能可以提高系统的稳定性和可靠性。

存储单元采用EEPROM，在本发明投入工作前要进行参数、零点调整、蓄电池标准电压等的设置，系统将这些参数写入EEPROM中。为了减少读／写EEPROM的次数，在系统开机时将数据从EEPROM中读出，保存在单片机的RAM中。EEPROM的主要功能是参数数据的保存与定量备份，主要用来存储一些系统运行参数，如计算蓄电池电量的参考数据、修正系数等。本系统采用的是具有2 Kb容量的EEPROMAT24C02。该芯片是采用I2C总线协议的串行，可在无电源状态下长期、可靠地存储系统内重要数据，工作寿命可达100万次。I2C总线极大地方便了系统的设计，无须设计总线接口，且有助于缩小系统的PCB面积和降低复杂度。

如图2所示，为了增强系统应用的灵活性，系统电源取自于被管理的纳米铅酸电池，采用DC-DC模块进行隔离。由于选用的DC—DC模块要求输入电压≥24 V，因此本发明的蓄电池采用是2节以上标称为12 V的电池组，为了增强系统的可靠性，可以设置一个3 V的电池盒用于备用电池，一旦取自蓄电池的电源出现故障，系统仍能照常运行。

如图3所示，电压检测电路和电流检测电路监测的对象主要是纳米铅酸蓄电池电池组的电压和电流。电压由分压精密电阻取得，经过相应的放大后送至单片机的A／D口。蓄电池的充放电流经过O．01Ω采样电阻采样、放大，然后送至单片机的A／D端口POl。对电池组进行检测的关键在于对电压采样的精确程度，因而采样电路设计得是否适当对整个系统至关重要。由于MB95F136内嵌的A／D转换器可以工作于5 V基准电压下，故采用图3所示的电流电压采集电路。该电路的最大好处是，不但可以保证采样值能随蓄电池端电压的变化相应地实时变化，而且能够使数据更加准确、可靠。该电路为典型的线性电路，根据运算放大器的特性，可计算出经过采样电路后的输出电压为O．01 Q×I×23。

如图4所示，温度检测电路采用美国Dallas公司生产的DSl8820单总线数字式智能型温度传感器，直接将温度物理量转化为数字信号，并以总线方式传送到控制器进行数据处理。DS18B20对于实测的温度提供了9～12位的数据和报警温度寄存器，测温范围为一55～+125℃，其中在一10～+85℃的范围内测量精度为±0．5℃。此传感器可适用于各种领域、各种环境的自动化测量及控制系统，具有微型化、功耗低、性能高、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。此外，每一个DSl8820有唯一的系列号，因此多个DSl8820可以存在于同一条单线总线上，给应用带来了极大的方便。

将DS18B20采用热传导的粘合剂粘附在蓄电池表面上，管芯温度与表面温度之差大约在O．2℃之内。当环境空气温度与被测量的蓄电池温度不同时，应将器件的背面和引线与空气隔离。接地引脚是通向管芯的最主要的热量路径，必须保证接地引脚也与被测温的蓄电池有良好的热接触。

如图5所示，该模块是实际设计中的硬件难点。它与外电网相连，对车载纳米铅酸电池进行充电，能根据控制电路发出的指令或标志位，实现对蓄电池分阶段以不同电流充电。且有自动断电的功能，可实现智能充电。本系统主要是针对电动汽车高性能纳米铅酸电池组进行管理，用于给电池组充电的电流都比较大。为此，选择了基于IGBT的智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)进行大电流充放电管理。IPM是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT和驱动电路及保护电路构成，内有过电压、过电流、短路和过热等故障检测电路，具有自动保护功能。

Q1和Q2集成在一个IPM中。Q2打开时给电池组充电，Q1打开时蓄电池组通过R1放电，电池组给负载供电时，Q1、Q2均闭合。为改善功率开关器件的工作状态，主电路中采用了软开关技术。在采用大电流充电的情况下，由于长时间对电池组进行充电，电荷堆积于电池电极上而产生反向电压，实际上表现为电池内阻的增加，不但电池中的有效化学物质不能完全参加化学反应，降低了电池组容量的利用率，而且还会引起电池组的严重发热，从而影响充电速度与质量，继而影响电池组的性能和寿命。

消除它的有效方法、是采用负脉冲方法，在电池两端瞬间放电去除电极上堆积的电荷，从而改变蓄电池固有的指数曲线形式的充电接受特性，提高电池的受电能力。为此，采用了“充-停-放-充-停-放”循环充电的充电策略。其脉冲充电特性如图6所示，时间参数由纳米铅酸电池的参数决定。

为降低系统复杂度及成本，本发明采用了3个8段数码管来显示系统状态。可以进行简单的参数设定，实时显示状态、温度等数据以实现较好的人机交互。本设计采用在软件上对输入进行消抖处理的方案，并对按键状态进行连续的判断处理，直到按键松开为止，然后才执行相应的处理程序。数据显示采用3位8段数码管动态显示方式，使用74HC595锁存动态显示数据。本设计巧妙地将按键输入与动态显示数位选择端口共用，从而减少了单片机端口的应用，达到了系统优化及降低产品成本的目的。报警采用的是蜂鸣器。

如图7所示，系统启动后，立即执行系统初始化程序，从EEPROM中读取上次运行得到的参数。然后开始读取温度传感器中的数据以获取当前系统温度，再调用A／D采样子程序以获取10位精度的电压电流信号数据。经过处理可以得到最终的蓄电池运行状态，根据不同的状态进行各自的处理程序，并将状态数据输出到数码管显示。系统在运行时将根据已有的数据和监测到的数据，自动对参数进行修正，以准确地反映纳米铅酸电池的内部参数，实现系统管理的智能化。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统，包括纳米铅酸蓄电池及与纳米铅酸蓄电池相连接的电源电路、充电电路和放电电路，其特征在于：还包括微处理器、存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路；所述微处理器分别与存储单元、显示及报警单元、输入输出控制电路、充电电路、温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路连接；所述温度检测电路、电压检测电路和电流检测电路分别与纳米铅酸蓄电池连接，输入输出控制电路与放电电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统，其特征在于：所述温度检测电路采用DS18B20温度传感器，所述温度传感器粘附在纳米铅酸蓄电池表面上，所述温度传感器一管脚接地，一管脚接5V电压，一管脚分别连接微处理器和电阻，电阻另一端接5V电压。

3.根据权利要求1或2所述的一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统，其特征在于：所述电源电路采用DC－DC隔离模块。

4.根据权利要求3所述的一种纳米铅酸蓄电池智能控制系统，其特征在于：显示单元采用74HC595芯片，采用3位8段数码管动态显示方式。