CN103078358A

CN103078358A - 锂离子蓄电池组的模块控制器

Info

Publication number: CN103078358A
Application number: CN2012103878165A
Authority: CN
Inventors: 肖林京; 孙传余; 于志豪; 公栋梁
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: CN103078358B

Abstract

本发明属于电池充放电控制技术领域，具体公开了一种锂离子蓄电池组的模块控制器。所述模块控制器包括电源电路、MCU、充放电控制电路、电流检测电路、温度检测电路与LED显示电路；其中，充放电控制电路，包括充电控制单元与放电控制单元，充电控制单元与放电控制单元由MCU控制实现锂离子蓄电池组的充放电选择；电流检测电路，用于检测锂离子蓄电池组的母线电流。本发明中所述及的模块控制器，能够对锂离子蓄电池组充放电过程中的电压、电流与温度进行检测，保证锂离子蓄电池组能够合理地进行充放电，不会出现过压、过流、短路与过温等损害电池寿命的现象，使得电池能更加持久有效的工作。

Description

锂离子蓄电池组的模块控制器

技术领域

本发明属于电池充放电控制技术领域，具体涉及一种锂离子蓄电池组的模块控制器。

背景技术

蓄电池组作为一种储能元件，能够进行充电、放电多次循环使用，为电气、电子等设备的使用提供了重要能源供应。要完成对蓄电池组的充放电控制，需要专门的控制模块来实现。传统的蓄电池组主要为镉镍蓄电池组、氢镍蓄电池组，其充电方式通常采用多阶段恒流充电方式：即首先进行大电流充电，然后转为小电流充电，最后转为涓流充电；而放电则通过放电调节器进行放电控制。这种充放电方式存在如下问题：充放电技术所采用的控制电路非常复杂、且耗能较大。

锂离子蓄电池组，具有比能量高、充放电效率高、无记忆效应、热效应小等优点，逐渐取代了镉镍蓄电池组与氢镍蓄电池组。锂离子蓄电池充放电方式的好坏，将直接影响到锂离子蓄电池组的使用寿命与安全性，若充放电方式的选择不合理，极其容易造成锂离子蓄电池组过压欠压、过流、过温与短路等异常现象，甚至造成锂离子蓄电池组的损坏。为此，迫切需要提出一种合理的对锂离子蓄电池充放电进行管理的模块控制器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种锂离子蓄电池组的模块控制器，以保证锂离子蓄电池组能够合理地进行充放电。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

锂离子蓄电池组的模块控制器，包括电源电路、MCU、充放电控制电路、电流检测电路、温度检测电路与LED显示电路；

所述电源电路，提供所述模块控制器正常工作时所需要的稳定电压；

所述充放电控制电路，包括充电控制单元与放电控制单元，充电控制单元与放电控制单元由MCU控制实现锂离子蓄电池组的充放电选择；

所述电流检测电路，与所述充放电控制电路连接，用于检测锂离子蓄电池组的母线电流；

所述温度检测电路，用于采集锂离子蓄电池组中单个锂离子蓄电池的温度，并将该温度信息传递至MCU。

所述LED显示电路，连接在MCU上，用于显示锂离子蓄电池组的平均温度和电压。

进一步的，所述电源电路设置有供电电源与DC/DC转换器，供电电源连接到DC/DC转换器的输入端，在DC/DC转换器的输入端、输出端分别并联设置有两个电容；所述供电电源的正极端串联连接一个二极管。在DC/DC转换器的输入端、输出端分别并联设置有两个电容，用于储能和提高电源电路的抗干扰性能，利于为所述模块控制器正常工作时所需要的稳定电压；另外，在供电电源的正极端串联连接一个二极管，以保证电源电路中电流的方向。

进一步的，所述充电控制单元包括一个光电耦合器、一个三极管与一个场效应管；位于光电耦合器输入端侧的发光二极管正极连接一上拉电阻，负极连接在所述三极管的集电极上，三极管的发射极接地，基极通过一个电阻连接到MCU的一个控制信号端上，光电耦合器输出端侧分别连接到锂离子蓄电池组的正极端与所述场效应管的栅极上；

所述放电控制单元包括一个光电耦合器、一个三极管与一个场效应管；位于光电耦合器输入端侧的发光二极管正极连接一上拉电阻，负极连接在所述三极管的集电极上，三极管的发射极接地，基极通过一个电阻连接到MCU的另一个控制信号端上，光电耦合器输出端侧分别连接到锂离子蓄电池组的负极端与所述场效应管的栅极上。

当MCU检测到锂离子蓄电池组在充放电过程中出现过压欠压、过流、短路与过温等异常状况时，会做出响应，使得锂离子蓄电池组的模块控制器停止为锂离子蓄电池组充电或放电，以确保锂离子蓄电池组的安全性。

更进一步的，在所述充电控制单元中，场效应管的源极与漏极之间连接有阻容电路；在所述放电控制单元中，场效应管的源极与漏极之间连接有阻容电路。阻容电路用于吸收和消耗充电控制单元或放电控制单元断开时感性负载产生的自感电动势，有效防止过压造成的负载绝缘击穿。

进一步的，所述电流检测电路包括一个霍尔电流传感器、一个参考电压输出电路和一个AD采样电路；

所述霍尔电流传感器的输入端为锂离子蓄电池组的充/放电电流输入端，霍尔电流传感器的输出端连接在所述AD采样电路的一个输入管脚上；

所述参考电压输出电路的输出端连接在AD采样电路的另一个输入管脚上；

所述AD采样电路的输出管脚连接在MCU上。电流检测电路采用AD采样电路，利用AD采样电路中运算放大器构成减法电路来放大霍尔电流传感器的输出电压与参考电压输出电路的参考电压之间的差值，以达到提高电流检测精度的目的。

更进一步的，所述AD采样电路的输入和输出管脚数量相同且都不少于两路，分别连接在MCU的对应管脚上。

进一步的，所述温度检测电路中包含有与蓄电池组中锂离子蓄电池数量相同的温度传感器，且每个温度传感器贴分别附于与其对应的锂离子蓄电池的极耳处；所有的温度传感器并联于温度检测总线上，并通过温度检测总线将单个锂离子蓄电池的温度信息传递至MCU上。温度检测电路的核心器件是数字温度传感器DS18B20，通过MCU的编程可以实现对单个锂离子蓄电池温度的采集，采集是按照单个锂离子蓄电池的数字温度传感器DS18B20接入温度检测电路的顺序进行。

本发明中所述及的锂离子蓄电池组的模块控制器具有如下优点：

（1）本发明中锂离子蓄电池组的模块控制器采用电源电路、MCU、充放电控制电路、电流检测电路、温度检测电路与LED显示电路，能够实现对锂离子蓄电池组充放电过程中电压、电流、温度的检测，并能直观的显示锂离子蓄电池组的平均温度和电压；当MCU检测到锂离子蓄电池组在充放电过程中出现过压欠压、过流、短路与过温等异常状况时，会做出响应，使得锂离子蓄电池组的模块控制器停止为锂离子蓄电池组充电或放电，以确保锂离子蓄电池组的安全性，提高锂离子蓄电池组的使用寿命。

（2）在所述电源电路中，DC/DC转换器的输入端、输出端分别并联设置有两个电容，用于储能和提高电源电路的抗干扰性能，为所述模块控制器正常工作时所需要的稳定电压，另外，供电电源的正极端串联连接一个二极管，以确保电源电路中电流的方向。

（3）充放电控制电路包括充电控制单元与放电控制单元两部分，这两部分由MCU控制，通过MCU的两个控制信号端所输出的高电平或低电平，来选择充电控制单元或放电控制单元中场效应管的通与断，进而实现MCU控制锂离子蓄电池组充放电的选择，当MCU检测到锂离子蓄电池组在充放电过程中出现异常情况时，充电控制单元与放电控制单元中的场效应管均处于关断状态，确保了锂离子蓄电池组的安全性。

（4）在充电控制单元或放电控制单元中，场效应管的源极与漏极之间连接有阻容电路，用于吸收和消耗充电控制单元或放电控制单元断开时感性负载产生的自感电动势，有效防止过压造成的负载绝缘击穿。

（5）电流检测电路采用AD采样电路，利用AD采样电路中运算放大器构成减法电路来放大霍尔电流传感器的输出电压与参考电压输出电路的参考电压之间的差值，以达到提高电流检测精度的目的。

（6）温度检测电路采用的核心器件是数字温度传感器DS18B20，通过MCU的编程可以实现对单个锂离子蓄电池温度的采集，采集是按照单个锂离子蓄电池的数字温度传感器DS18B20接入温度检测电路的顺序进行的。

附图说明

图1为本发明中锂离子蓄电池组的模块控制器的结构框图；

图2为本发明中锂离子蓄电池组的模块控制器的整体硬件结构图；

图3为图2中电源电路的硬件结构图；

图4为图2中充放电控制电路的硬件结构图；

图5为图2中电流检测电路的硬件结构图；

图6为图2中LED显示电路的硬件结构图。

具体实施方式

锂离子蓄电池组的模块控制器，是一个针对锂离子蓄电池组进行充放电的模块控制器。在模块控制器的作用下，能够保证锂离子蓄电池组合理地进行充放电，不会出现过压欠压、过流、短路与过温等损害电池寿命的现象，使得电池能更加持久有效的工作，在保证系统安全工作的同时，保证了人身和财产的安全。下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步论述：

结合图1至图6所示，锂离子蓄电池组的模块控制器，包括电源电路、MCU、充放电控制电路、电流检测电路、温度检测电路与LED显示电路；

电源电路，能够为模块控制器的正常工作提供稳定的电压；

充放电控制电路，包括充电控制单元与放电控制单元，充电控制单元与放电控制单元由MCU控制实现锂离子蓄电池组的充放电选择；

电流检测电路，与所述充放电控制电路连接，用于检测锂离子蓄电池组的母线电流；

温度检测电路，用于采集锂离子蓄电池组中单个锂离子蓄电池的温度，并将该温度信息传递至MCU。

LED显示电路，连接在MCU上，用于显示锂离子蓄电池组的平均温度和电压。

模块控制器要正常工作，必须要有稳定的电压来源。模块控制器需要的工作电压为5V和3.3V两种，而供电电源的电压为锂离子蓄电池组的电压，约为26.4V。为此，需要将供电电源电压经过DC/DC转换器转换为所需要的5V电压。供电电源连接到DC/DC转换器的输入端，在DC/DC转换器的输入端、输出端分别并联设置有两个电容，用于储能和提高电源电路的抗干扰性能，以便为模块控制器的正常工作提供稳定的电压；供电电源的正极端串联连接一个二极管，保证了电源电路中电流的流向。要得到3.3V电压，则由5V电压通过AMS1117-3.3芯片转换即可实现。

充放电控制电路的设计，是锂离子蓄电池组的模块控制器的核心部分。充放电控制电路包括充电控制单元与放电控制单元，充电控制单元包括一个光电耦合器、一个三极管与一个场效应管，优选的，光电耦合器采用TLP521-2芯片，场效应管采用IRF540芯片，是组成充电开关电路的重要器件，三极管采用9013芯片。光电耦合器TLP521-2的输入端侧为一个发光二极管，输出端侧为一个光敏三极管，发光二极管的正极通过一上拉电阻连接至5V电压，负极连接在三极管9013的集电极上，三极管9013的发射极接地，基极通过一个电阻连接到MCU的一个控制信号端Charger-dirve上；光敏三极管的集电极通过一上拉电阻连接到锂离子蓄电池组的正极端，光敏三极管的发射极光连接到场效应管IRF540的栅极上，以便提供栅极电流使得场效应管导通。

放电控制单元包括一个光电耦合器、一个三极管与一个场效应管，优选的，光电耦合器采用TLP521-2芯片，场效应管采用IRF540芯片，是组成放电开关电路的重要器件，三极管采用9013芯片。光电耦合器TLP521-2的输入端侧为一个发光二极管，输出端侧为一个光敏三极管，发光二极管的正极通过一上拉电阻连接至5V电压，负极连接在三极管9013的集电极上，三极管9013的发射极接地，基极通过一个电阻连接到MCU的另一个控制信号端Discharger-dirve上；光敏三极管的集电极连接到场效应管IRF540的栅极上，以便提供栅极电流使得场效应管导通，光敏三极管的发射极连接到锂离子蓄电池组的负极端。

当Charger-dirve为高电平，Discharger-dirve为低电平时，充电控制单元中的场效应管导通，放电控制单元中的场效应管不导通，电流从锂离子蓄电池组的正极端流入，从负极端流出，锂离子蓄电池组处于充电状态；当Charger-dirve为低电平，Discharger-dirve为高电平时，充电控制单元中的场效应管不导通，放电控制单元中的场效应管导通，电流从锂离子蓄电池组的正极端流出，从负极端流入，锂离子蓄电池组处于放电状态。

当MCU检测到锂离子蓄电池组在充放电过程中，出现过压欠压、过流、短路与过温等异常状况时，会做出响应，使得锂离子蓄电池组的模块控制器停止为锂离子蓄电池组充电或放电，以确保锂离子蓄电池组的安全性。

电流检测电路，用于检测锂离子蓄电池组的母线电流，使得锂离子蓄电池组的充/放电电流值始终被监控状态，避免过流引起的事故。

电流检测电路包括一个霍尔电流传感器、一个参考电压输出电路和一个AD采样电路；

霍尔电流传感器连接在充电电控制电路中，霍尔电流传感器以锂离子蓄电池组的充/放电电流作为输入端的输入信号，霍尔电流传感器的输出端信号作为AD采样电路的输入信号之一，并通过一个电阻连接在AD采样电路中运算放大器LMV324的一个输入管脚上，运算放大器LMV324的另一个输入信号则由稳压二极管TL431所在的参考电压输出电路给出：TL431的阳极接地，阴极通过一电阻连接5V电压，参考端与阳极之间并联一个电阻，参考端与阴极之间并联两个电阻，阴极和阳极之间还并联有两个电容与一个电位器，电位器的一端通过一个电阻连接到运算放大器LMV324的另一个输入管脚上。此时，阳极相对地的电压恒定，只需要调整电位器，就能改变对运算放大器LMV324输入管脚处的参考电压。

该AD采样电路的输入和输出管脚数量相同且都不少于两路，分别连接在MCU的对应管脚上。本发明中的两路输入分别为霍尔电流传感器的输出电压和TL431电路输出的参考电压，输出端子OUT_TO_AD0、OUT_TO_AD1、OUT_TO_AD2、OUT_TO_AD3与OUT_TO_AD4分别为两路输入信号电压差值的10倍、两路输入信号电压差值的2倍、霍尔电流传感器的输出电压、霍尔电流传感器的输出电压的10/11和霍尔电流传感器的输出电压的1/5。电流检测电路中使用霍尔电流传感器的工作原理是：输入电流信号，输出对应的电压信号，2.5V电压对应零电流，呈线性关系。故此，调整参考电压为2.5V，利用运算放大器构成减法电路来放大霍尔电流传感器的输出电压与参考电压之间的差值，以达到提高电流检测精度的目的。AD采样电路的两路输出管脚，分别连接在MCU的对应管脚上。

至于OUT_TO_AD0、OUT_TO_AD1、OUT_TO_AD2、OUT_TO_AD3与OUT_TO_AD4的选择，则是由MCU编程确定，例如，霍尔电流传感器的输出电压为3.5V，经过减法电路求差、放大10倍后得到10V的OUT_TO_AD0输出，超出了AD采样电路的0～3.3V的采样范围，MCU编程会选择OUT_TO_AD1进行采样。OUT_TO_AD1是对两个电压输入求差、放大两倍得到的电压值，为2V的输出电压，在AD采样范围内，便可得出锂离子蓄电池组的母线电流的大小。

温度检测电路中包含有与蓄电池组中锂离子蓄电池数量相同的温度传感器，且每个温度传感器贴分别附于与其对应的锂离子蓄电池的极耳处；所有的温度传感器并联于温度检测总线上，并通过温度检测总线将单个锂离子蓄电池的温度信息传递至MCU上。温度检测电路的核心器件为数字温度传感器DS18B20，共有三个引脚，电源引脚VCC接3.3V电压，地引脚GND接地，单数据总线DQ通过上拉电阻连接3.3V电压，并连接MCU传递信息。通过MCU的编程可以实现对单个锂离子蓄电池温度的采集，采集是按照单个锂离子蓄电池的数字温度传感器DS18B20接入温度检测电路的顺序进行。

LED显示电路的目的在于显示锂离子蓄电池组的平均温度与电压，便于针对充放电过程中出现的不同情况及时做出正确的反应。LED显示电路主要由三个部分组成：LED数码管、总线驱动器74HCT245和7路反相器ULN2003。LED数码管的段选通过两排阻连接到74HCT245的B1～B8，74HCT245的A1～A8连接到MCU；LED数码管的片选连接到ULN2003的输出端，ULN2003的输入端连接到MCU。74HCT245和ULN2003作为驱动芯片，在MCU的程序下使LED显示锂离子蓄电池组的平均温度和电压。

Claims

1.锂离子蓄电池组的模块控制器，其特征在于，包括电源电路、MCU、充放电控制电路、电流检测电路、温度检测电路与LED显示电路；

所述温度检测电路，用于采集锂离子蓄电池组中单个锂离子蓄电池的温度，并将该温度信息传递至MCU；

2.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组的模块控制器，其特征在于，所述电源电路设置有供电电源与DC/DC转换器，供电电源连接到DC/DC转换器的输入端，在DC/DC转换器的输入端、输出端分别并联设置有两个电容；所述供电电源的正极端串联连接一个二极管。

3.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组的模块控制器，其特征在于，所述充电控制单元包括一个光电耦合器、一个三极管与一个场效应管；位于光电耦合器输入端侧的发光二极管正极连接一上拉电阻，负极连接在所述三极管的集电极上，三极管的发射极接地，基极通过一个电阻连接到MCU的一个控制信号端上，光电耦合器输出端侧分别连接到锂离子蓄电池组的正极端与所述场效应管的栅极上；

4.根据权利要求3所述的锂离子蓄电池组的模块控制器，其特征在于，在所述充电控制单元中，场效应管的源极与漏极之间连接有阻容电路；在所述放电控制单元中，场效应管的源极与漏极之间连接有阻容电路。

5.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组的模块控制器，其特征在于，所述电流检测电路包括一个霍尔电流传感器、一个参考电压输出电路和一个AD采样电路；

所述AD采样电路的输出管脚连接在MCU上。

6.根据权利要求5所述的锂离子蓄电池组的模块控制器，其特征在于：所述AD采样电路的输入和输出管脚数量相同且都不少于两路，分别连接在MCU的对应管脚上。

7.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组的模块控制器，其特征在于，所述温度检测电路中包含有与蓄电池组中锂离子蓄电池数量相同的温度传感器，且每个温度传感器贴分别附于与其对应的锂离子蓄电池的极耳处；所有的温度传感器并联于温度检测总线上，并通过温度检测总线将单个锂离子蓄电池的温度信息传递至MCU上。