CN103018671A

CN103018671A - 蓄电池智能监测和维护装置

Info

Publication number: CN103018671A
Application number: CN2012102000666A
Authority: CN
Inventors: 王晓秋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及一种蓄电池智能监测和维护装置，该装置由以处理器为控制核心的蓄电池放电主回路、蓄电池电压检测电路、蓄电池放电电流检测电路、温度测量电路、工作电源电路、上位机供电的且与装置主电路隔离的RS485通讯接口电路以及异常报警指示电路组成。这种装置可以独立的安装在所有蓄电池上，它尤其能在蓄电池离线或在线状态下对蓄电池进行电压、温度、内阻和负载测试。无论装置与上位机通讯与否，都可以离线或在线对蓄电池进行电压、温度、内阻和负载测试，当电压、温度、内阻的测量结果以及负载放电的终了电压与处理器程序中预先设定的值比较发现异常时，声、光报警指示电路将告警，起到在离线和在线状态下都能监测和维护蓄电池的作用。

Description

蓄电池智能监测和维护装置

所属技术领域

本发明涉及一种蓄电池智能监测和维护装置，尤其能在蓄电池离线或在线状态下对蓄电池进行电压、温度、内阻和负载测试。

背景技术

目前公知的各种蓄电池事实上都需要维护，因此已有各种各样的离线(充电器断开)的蓄电池维护测试仪和在线(充电器闭合)的蓄电池组监控系统。如离线的负载容量测试仪、可离线或在线使用的蓄电池内阻测试仪，在线蓄电池组电压、温度和内阻监视系统。但是无论离线还是在线的蓄电池测试仪都需要人为定期的对蓄电池进行测试，而所有在线蓄电池组的电压、温度和内阻监视系统，其信号线较多，增大了接线的难度和复杂度，影响测试精度，降低了备用电源系统可靠性。到目前为止，市场上还没有出现智能蓄电池，这种智能蓄电池可以离线或在线对蓄电池本身进行电压、温度、内阻和负载测试。

发明内容

本发明是一种蓄电池智能监测和维护装置，这种装置可以独立的安装在所有蓄电池上，并使其成为智能蓄电池，这种智能蓄电池在装置内部处理器程序的控制下，可以离线或在线对蓄电池进行电压、温度、内阻和负载测试，当电压、温度、内阻的测量结果以及负载测试的终了电压与处理器程序中预先设定的值比较发现异常时，声、光报警指示电路将告警。这种装置安装在每个蓄电池的上盖，大大减少了接线的复杂性。这种装置上有两个完全相同的由上位机供电的RS485数据通讯接口。在装有这种装置的蓄电池组成的蓄电池组中，当RS485通讯接口与上位机通讯时，每个装置拥有唯一的地址编码，在上位机处理器的程序控制下，可以定期实现对蓄电池组离线或在线内阻和负载测试；当该装置不与外部通讯时，装置本身带定时器的处理器的控制程序可以定期实现蓄电池组的离线或在线内阻和负载测试。这种装置的工作电源由于是由被测蓄电池提供的，当进行电压和内阻测量时，为了提高测量的精度，连线采用了六线法。

本发明所采用的技术方案

这种蓄电池智能监测和维护装置由以处理器为控制核心的蓄电池放电主回路、蓄电池电压检测电路、蓄电池放电电流检测电路、温度测量电路、工作电源电路、上位机供电的与该装置主电路隔离的RS485通讯接口电路以及声、光报警电路组成。本发明的特征是：第一，在以处理器为控制核心的蓄电池放电主电路中，一个或多个并联的功率电子开关管MOSFET或IGBT的漏极端与电阻负载的一端串联连接，负载电阻的另一端连接到蓄电池的正极，MOSFET或IGBT的源极端与一电流取样电阻连接，电流取样电阻的另一端连接到蓄电池的负极，MOSFET或IGBT的漏极和源极两端跨接一保护吸收电容。MOSFET或IGBT和负载电阻、电流取样电阻以及蓄电池构成放电主回路。第二，蓄电池电压检测电路中，有两个串联电阻组成分压电路，分压电阻的两端再并联在蓄电池两极，然后将连接蓄电池负极的分压电阻上的电压信号滤波，再经过一限流电阻送入A/D模数转换器，A/D转换器将分压电阻上的模拟信号转换成数字信号，可编程处理器读取二进制数字，再乘以两分压电阻的比值，就可以计算出被测蓄电池的电压值。电流检测电路是直接将放电主回路中的电流取样电阻上的电压信号滤波后，送入A/D模数转换器，A/D转换器将电流取样电阻上的模拟信号转换成数字信号，可编程处理器读取二进制数字，就得到取样电阻上的电压，再乘以取样电阻的阻值就是蓄电池放电电流值。电压检测电路和电流检测电路中的A/D转换器可以采用处理器内部的多通道的A/D转换器，也可以采用单片的多通道A/D转换器；A/D转换器精度的选择因被测蓄电池内阻范围的不同而不同，如测量2V、1000AH以上容量的蓄电池就必须选择16位或以上的A/D转换器。第三，温度测量采用集成电路DS18B20。第四，内阻、电压、温度和负载测试的四个报警指示灯分别串联一电阻后与处理器的四个数字I/O口相联，一个控制蜂鸣器的三极管的基极串联一电阻后与处理器的一个数字I/O口相联。第五，通过对处理器编制程序，每个装置拥有唯一的地址编码。第六，每个装置上都设置两个完全相同的由上位机供电的而且与装置主电路隔离的RS485通讯接口。常用的MAX485通讯接口电路通过两个光藕与主电路的处理器数据通讯接口TDI和TDO相联，MAX485芯片的工作电源由上位机提供。第七，本装置的工作电源由被测蓄电池提供，当进行电压和内阻测量时，为了提高测量的精度，连线采用了六线法，即：蓄电池放电主回路中连接蓄电池正负极的两根线，测量蓄电池电压变化的两根信号线，工作电源正负进出两根线。第八，这种装置可以独立的安装在所有蓄电池上。

本方案中，无论装有这种装置的蓄电池处于离线状态还是在线状态，装置中处理器控制程序可以对蓄电池实施自动的定期的内阻测试。在进行内阻测试时，处理器控制程序既可以采用固定占空比的脉宽负载放电测量蓄电池内阻的方法，也可以采用不固定占空比的、即变脉宽的负载放电测量蓄电池内阻的方法。在放电主回路中，功率器件MOSFET或IGBT在导通脉宽的控制下，蓄电池通过负载电阻放电，在放电结束时，电压测量电路分别读取放电结束时脉冲关断瞬间和关断后1至2毫秒期间的电压值，电流测量电路读取放电结束瞬间的电流值，由处理器编程按欧姆定律计算，得出蓄电池的内阻值。

本方案中，无论装有这种装置的蓄电池处于离线状态还是在线状态，装置中处理器控制程序可以对蓄电池实施自动的、定期的负载测试。在进行负载测试时，当处理器控制程序产生固定占空比的脉宽控制信号控制MOSFET或IGBT开关时，蓄电池将进行恒脉宽负载放电；当处理器产生变占空比的脉宽控制信号控制MOSFET或IGBT开关时，蓄电池将进行变脉宽负载放电；当处理器取电流取样电阻上的电压信号作为电流反馈信号时，则可以实现脉宽调制PWM控制MOSFET或IGBT，实现对蓄电池的恒流负载放电。当采用恒流负载放电时，处理器控制程序可以根据蓄电池容量的大小设置不同的放电电流和放电时间，对蓄电池实施负载放电，电压测量电路可以测量负载放电时蓄电池的起始和终了电压。

本方案中，每个装置有两个完全相同的由上位机供电的RS485通讯接口。装有这种装置的蓄电池组成的蓄电池组中，装置间的接口的连接可以不按照蓄电池的串联顺序连接，即：在任何一个装置中的一个接口可以连接另一个装置的任一个接口，另一个接口可以与第三个装置的任一个接口连接，任何未连接的接口则可以与上位机连接，实现所有装置与上位机的通讯。由于每个装置有唯一的地址编码，当上位机与该装置通过RS485接口通讯时，通过对上位机的处理器和装置本身的处理器进行编程，就可以自动的定期实现蓄电池组的离线或在线内阻和负载测试；当该装置不与外部连接时，也就是该装置独立安装在蓄电池上时，通过对装置本身具有定时器的处理器编程，也可以实现自动的定期蓄电池组的离线或在线内阻和负载测试。

本方案中，该装置无论在生产蓄电池时就安装在蓄电池上，还是安装在已经投入使用的蓄电池上，该装置的正极总是连接在蓄电池的正极柱上，负极总是连接在蓄电池的负极柱上；用于温度检测的DS18B20贴于装置下面和蓄电池上盖之间，并将导热硅胶涂抹于DS18B20与蓄电池上盖之间，以保证导热良好。

本发明通过安装一种蓄电池智能监测和维护装置使蓄电池智能化来实现对蓄电池自身的电压、温度、内阻测量和负载测试，达到了对蓄电池智能监测和维护的目的，从而大大提高蓄电池系统的可靠性，延长蓄电池的使用寿命，减少用户的投资。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明。

图1是本发明的主电路。

图2是VSS由上位机供电的、有两路完全相同的RS485通讯接口电路。

图3是这种装置由被测蓄电池提供工作电源的电路。

具体实施方式

图1中，BATTERY是被测蓄电池，本实施例以12V蓄电池为例，并选用C8051F021处理器为例。C8051F021是内部带定时器和一个8通道的12位A/D转换器的处理器。两个并联的功率电子开关管M1和M2的漏极端D与负载电阻RL的一端串联连接，负载电阻RL的另一端连接到蓄电池的正极P，两个并联的功率电子开关管M1和M2的源极端E与电流取样电阻r一端连接，电流取样电阻r的另一端连接到蓄电池的负极N，C2是跨接在r两端的滤波电容，电容C1是连接在M1和M2漏极和源极两端的吸收保护电容。蓄电池BATTERY、负载放电电阻RL、两个并联的MOSFET管M1/M2、电容C1以及电流取样电阻r构成放电主回路。C8051F021、R1/Q1、R2/Q2、Q3/Q4/R5、Q5/Q6/R6、R3/R4组成放电控制电路。C8051F021的42和43脚输出的控制信号分别经过R1、Q1、Q3/Q4、R5组成的M1的驱动电路和R2、Q2、Q5/Q6、R6组成的M2的驱动电路后，去驱动放电主回路功率MOSFET管M1和M2。电源VDD给M1和M2提供驱动电压，VCC是处理器C8051F021的工作电源，DGND和AGND分别是处理器的数字地56脚和模拟地5脚。电阻R16、R17组成分压电路，R16和R17串联后再分别连接到蓄电池BATTERY的正(P)负(N)极两端，然后将电阻R16上的电压，经电容C4滤波后，再经过电阻R18送入C8051F021的9脚，再进入内部的12位A/D转换器。电阻R16、R17、R18、电容C4和处理器C8051F021内部的12位A/D转换器组成电压检测电路。电容C2将电流取样电阻上的电压信号滤波后，送入C0851F021的12脚再进入内部的12位A/D转换器。电容C2和C8051F021内部的12位A/D转换器组成电流检测电路。图1中Ds18B20是集成的温度测量器件，其2脚通过电阻R8连接到处理器C8051F021的16脚。R8、R9、C3和DS18B20以及C8051F021内部的A/D转换器构成温度测量电路。工作电源指示灯PS和电阻R10以及处理器的55脚组成工作指示电路。内阻报警指示灯In-r的负极串联电阻R11后，接C8051F021的54脚，In-r、R11和C8051F021的54脚构成内阻的光报警指示电路。电压报警指示灯V的负极串联电阻R12后，接C8051F021的53脚，V、R12和C8051F021的53脚构成电压光报警指示电路。温度报警指示灯T的负极串联电阻R13后，接C8051F021的52脚，T、R13和C8051F021的52脚构成温度光报警指示电路。负载测试报警指示灯LTV的负极串联电阻R14后，接C8051F021的51脚，LTV、R14和C8051F021的51脚构成负载测试光报警指示电路。蜂鸣器Buzzer受Q7控制，Q7的基极通过电阻R7接C8051F021的44脚，Buzzer、Q7、R7和C8051F021的44脚构成声音报警指示电路。图1中，001是从蓄电池的正极P连接到装置内部负载电阻RL一端的连线，002是蓄电池的负极N连接到装置内部取样电阻r一端的连线。003是电压分压电阻R17的一端S+连接到蓄电池正极P的连线，004是分压电阻R16的一端s-连接到蓄电池负极N的连线。C8051F021的60和61脚分别是连接图2中通讯电路的数据输入端TDI和输出端TDO。

图2中，电阻R19、R23、R24、光耦U1和MAX485的1脚组成该装置主电路数据输入端TDI，R20、R21、R27、光耦U2和MAX485的4脚组成该装置主电路的数据输出端TDO。MAX485的6、7脚和电阻R22、R25、R26组成两个相同的RS485通讯接口Port1、Port2，图中标记Port1由信号线TX00、TY00和电源正极VSS、地线GND组成，标记Port2由信号线TX11、TY11和电源正极VSS、地线GND组成。MAX485的工作电源VSS由与该装置连接的上位机提供。本发明称Port1和Port2为由上位机供电的两个完全相同的RS485通讯接口。

图3中，工作电源VDD和VCC由12V蓄电池BATTERY提供。VCC由以U2MC34063AD DC/DC变换器电源芯片为核心的降压电源电路产生，R32、R33、R34、C12、C13、D2、L2是与U2产生VCC的外围电路元件。VDD由以U1MC34063AD DC/DC变换器电源芯片为核心的升压电源电路产生，R28、R29、R30、R31、C30、C10、C11、D1、L1是与U1产生VDD的外围电路元件。图中标号005和006是工作电源输入线，他们分别是工作电源电路连接被测蓄电池的正极P和负极N的两根连线。005和006号工作电源输入线是独立的，即不与蓄电池放电主回路连接蓄电池正负极的两根线001、002和测量蓄电池电压的两根信号线003、004共用。

电压的测量：图1中，对处理器C8051F021进行编程，可以实时测量蓄电池的电压。蓄电池两端的电压经电阻R16、R17分压，再将R16上的电压信号经电容C4滤波后经R18送到处理器C8051F021的9脚进入内部的12位A/D转换器，A/D转换器将蓄电池上的模拟信号转换成数字信号，处理器C8051F021读取的二进制数字，再乘以R17和R16的比值，就得到相应的蓄电池电压值。

电流的测量：图1中，对处理器C8051F021进行编程，可以测量蓄电池的放电电流。电流取样电阻r上的模拟电压信号经C2滤波后送到C8051F021的12脚进入内部12位A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，处理器C8051F021读取的二进制数字就是取样电阻r上的电压，再乘以电阻r的值就得到蓄电池放电电流值。

温度测量：图1中，对处理器C8051F021进行编程，可以实时测量蓄电池的温度。温度测量器件DS18B20的2脚的输出信号经电阻R8送到处理器C8050F021的16脚进入内部12位A/D转换器，处理器C8051F021读取的二进制数字就是温度值。

蓄电池内阻的测量：对处理器C8051F021进行编程，可以自动的定期的对蓄电池进行内阻测量。本实施例采用固定占空比的脉宽负载放电测量蓄电池内阻的方法。为了提高电压和内阻的测量精度，连线采用六线法。即在图1中，电压检测电阻R16、R17与蓄电池正负极P、N的两根连线003、004和放电电流回路与蓄电池正负极P、N的两根连线001、002以及图3中的工作电源正负输入端分别连接蓄电池正极P和蓄电池负极N的两根连线005、006°C8051F021的42和43脚输出控制信号分别经过R1、Q1、Q3/Q4、R5组成的M1的驱动电路和R2、Q2、Q5/Q6、R6组成的M2的驱动电路后，去驱动控制MOSFET M1和M2开关，实现蓄电池的恒脉宽电流放电。在放电结束时，电压测量电路分别读取放电结束时脉冲关断瞬间和关断后1至2毫秒期间的电压值，电流测量电路读取放电结束时的电流值，由处理器C8051F021按欧姆定律计算，得出蓄电池的内阻值。

负载测试：对处理器C8051F021进行编程，可以自动的定期的对蓄电池进行负载测试。本实施例采用恒流负载放电，即在图1中，电流取样电阻r上的电压信号作为电流反馈信号，处理器C8051F021的42、43脚产生的脉宽调制信号分别经过R1、Q1、Q3/Q4、R5组成的M1的驱动电路和R2、Q2、Q5/Q6、R6组成的M2的驱动电路后，去驱动控制MOSFET M1和M2开关，实现蓄电池的恒流放电。处理器C8051F021控制程序可以根据蓄电池容量的大小设置不同的放电电流和放电时间，对蓄电池实施负载放电。电压测量电路可以测量负载放电时蓄电池的起始和终了电压。

通讯连接：在图2中，每个装置有唯一的地址编码和两个完全相同的由上位机供电的RS485通讯接口PORT1和PORT2。装有这种装置的蓄电池组中，装置间PORT1或PORT2的连接可以不按照蓄电池的串联顺序连接。任何未连接的接口则可以与上位机连接，进行通讯。当上位机通过PORT1或PORT2与该装置通讯连接时，通过对上位机的处理器和装置本身的处理器C8051F021进行编程，就可以定期实现蓄电池组的离线或在线内阻和负载测试；当该装置不与外部通讯时，通过对装置本身具有定时器的处理器C8051F021编程，控制程序也可以定期实现蓄电池组的离线或在线内阻和负载测试。

报警指示：图1中，当发现蓄电池的内阻或电压或温度或负载测试的终了电压超出处理器C8051F021程序中预先设定的范围时，装置上相应的报警指示灯In-r、V、T、LTV将会闪烁，同时蜂鸣器BUZZER有声音报警。

Claims

1.一种蓄电池智能监测和维护装置，它可以测量蓄电池的电压、温度和内阻，其特征是这种装置可以独立的安装在所有蓄电池上，并使其成为智能蓄电池，这种智能蓄电池在装置内部处理器程序的控制下，可以离线或在线对蓄电池进行电压、温度、内阻和负载测试，当电压、温度、内阻的测量结果以及负载测试的终了电压与处理器程序中预先设定的值比较发现异常时，声、光报警指示电路将告警。

2.根据权利要求1所述的蓄电池智能监测和维护装置，其特征是这种装置上有两个完全相同的由上位机供电的RS485数据通讯接口，且任何一个装置中的一个接口可以连接另一个装置的任一个接口；在装有这种装置的蓄电池组中，当RS485通讯接口与上位机通讯时，每个装置有唯一的地址编码，在上位机处理器的程序控制下，可以定期实现蓄电池组的离线或在线内阻和负载测试；当该装置不与外部连接时，装置本身带定时器的处理器的控制程序也可以定期实现蓄电池组的离线或在线内阻和负载测试。

3.根据权利要求1所述的蓄电池智能监测和维护装置，其特征是这种装置的工作电源是由被测蓄电池提供的，为了提高电压和内阻的测量精度，连线采用了六线法。

4.根据权利要求1所述的蓄电池智能监测和维护装置，其特征是无论装有这种装置的蓄电池处于离线状态还是在线状态，当测量蓄电池内阻时，既可以采用固定占空比的脉宽负载放电测量蓄电池内阻的方法，也可以采用不固定占空比的、即变脉宽的负载放电法。

5.根据权利要求1所述的蓄电池智能监测和维护装置，其特征是无论装有这种装置的蓄电池处于离线状态还是在线状态，这种装置可以对蓄电池采用固定占空比的脉宽负载放电，也可以采用不固定占空比的、即变脉宽的负载放电，还可以采用恒流负载放电；当采用恒流负载放电时，处理器控制程序可以根据蓄电池容量的大小设置不同的放电电流和放电时间，实施蓄电池负载放电。