CN103354385B - 移动机器人多电池组无缝切换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人多电池组无缝切换电路，将该切换电路用于多电池组不间断电源管理系统，使移动机器人可以根据任务需要，综合考虑移动机器人系统的可靠性、便携性和续航能力等因素，灵活的选择电池组的容量及数量，实现主电池P1，备用电池P2，备用电池P3等的顺序放电及电池组间的无缝切换，即各电池组独立串行供电，因此只要电池组中有一块电池处于正常状态则系统处于正常工作状态。

Description

移动机器人多电池组无缝切换电路

技术领域

本发明涉及测量控制技术领域，尤其涉及一种移动机器人多电池组无缝切换电路。

背景技术

智能移动机器人电源管理系统为机动平台和任务载荷中的电气设备提供能源，电源管理系统的可靠性直接决定了智能移动机器人是否能够正常稳定地工作，通常情况下由主电源对负载进行供电，若主电源发生故障不能给负载供电，为了提高系统运行的可靠性，常常需对主电源设置备份电源。同时，电源所能提供的电量直接决定了移动机器人的工作时间。但是考虑到机器人的便携性和续航能力等因素，难以通过增加更多的电池组的方式来提高机器人的续航能力。

现有技术多为交流电和备用电池之间的切换研究，且已经有成熟的应用产品，但对于电池组间的无缝切换技术研究较少，目前通常通过软件控制实现双电池的切换，系统结构如图1所示，电量监测电路不断监测当前运行的电池组即电源的电量，并将监测的电压值送入控制单元，当前运行的电池组的电量不足时，控制单元对电源切换电路发出切换信号，将当前运行的电池组切换到备用电池组，对应用系统进行供电；但是由于电源电压等会有一定的波动，所以控制单元监测系统电量信息时一般需要进行多次测量并进行滤波求平均值，导致电源切换电路的实时性降低，具有一定的延时时间；另外如电源发生故障时，控制单元将会断电，电源切换电路由于缺少电路切换控制信号而失去作用造成系统掉电。

目前也有通过硬件的实现电池间的切换方式，但其一般应用于主电池出现故障时的自动无缝切换即当主电池瞬间掉电时进行电池组间的切换，但不考虑主电池电量低时的情况，降低了系统的可靠性，且扩展性较差。

发明内容

本发明的目的是提出移动机器人多电池组无缝切换电路，采用硬件与软件相接合的方式实现多电池组间的无缝切换。

该电路包括三个电池组P1、P2、P3，P1的负端2接地，正端1接继电器U1的公共端3，通过继电器U1的常闭输出端5分别接二极管D1的正端、常闭行程开关S1的2端和电阻R1的一端，继电器U1的4端悬空，继电器U1的1和2端接继电器驱动电路，二极管D1的负端分别接常闭行程开关S2的2端、二极管D3的正端和电阻R3的一端，常闭行程开关S1的1端与常闭行程开关S2的2端短接，常闭行程开关S2的1端接输出VOUT；

P2负端2接地，正端1接继电器U2的公共端3，通过继电器U2的常闭输出端5分别接P沟道MOS管的Q1的3端、电容C2的一端和P沟道MOS管控制器U3的7端VIN，电容C2的另一端接地，P沟道MOS管控制器U3的3端GND和6端SENSE接地，P沟道MOS管控制器U3的8端GATE接P沟道MOS管Q1的1端，P沟道MOS管Q1的2端分别接电容C1的正端和二极管D2的正端，电容C1的负端接地，二极管D2的负端与二极管D3的正端短接，二极管D3的负端接输出端VOUT，P沟道MOS管控制器U3的1端STAT、4端NC和5端NC悬空，继电器U2的4端悬空，继电器U2的1和2端接继电器驱动电路，电阻R1的另外一端分别接P沟道MOS管控制器U3的2端CTL、电阻R2的一端和稳压管D4的负端，电阻R2的另外一端接地，稳压管D4的正端接地；

P3的负端2接地，正端1分别接电容C4的一端、P沟道MOS管控制器U4的7端VIN、P沟道MOS管Q2的3端，电容C4的另外一端接地，P沟道MOS管控制器U4的3端GND和6端SENSE接地，P沟道MOS管控制器U4的1端STAT、4端NC和5端NC悬空，8端接P沟道MOS管Q2的1端，P沟道MOS管Q2的2端分别接电容C3的正端和二极管D5的正端，电容C3的负端接地，二极管D5的负端接输出端VOUT，电阻R3的另外一端分别接电阻R4的一端、稳压管D6的负端和P沟道MOS管控制器U4的2端CTL，电阻R4的另外一端接地，稳压管D6的正端接地；

继电器U1、U2的常闭输出端5和P3的正端1分别接电量监测输入端BATTERY1、BATTERY2、BATTERY3。

本发明的有益效果：

将该切换电路用于多电池组不间断电源管理系统，使移动机器人可以根据任务需要，综合考虑移动机器人系统的可靠性、便携性和续航能力等因素，灵活的选择电池组的容量及数量，实现主电池P1，备用电池P2，备用电池P3等的顺序放电及电池组间的无缝切换，即各电池组独立串行供电，因此只要电池组中有一块电池处于正常状态则系统处于正常工作状态。

附图说明

图1为现有电池软件切换框图；

图2为本发明的电路图；

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明的目的是提出移动机器人多电池组无缝切换电路，采用硬件与软件相接合的方式实现多电池组间的无缝切换。

该电路包括三个电池组P1、P2、P3，P1的负端2接地，正端1接继电器U1的公共端3，通过继电器U1的常闭输出端5分别接二极管D1的正端、常闭行程开关S1的2端和电阻R1的一端，继电器U1的4端悬空，继电器U1的1和2端接继电器驱动电路，二极管D1的负端分别接常闭行程开关S2的2端、二极管D3的正端和电阻R3的一端，常闭行程开关S1的1端与常闭行程开关S2的2端短接，常闭行程开关S2的1端接输出VOUT；

P2负端2接地，正端1接继电器U2的公共端3，通过继电器U2的常闭输出端5分别接P沟道MOS管的Q1的3端、电容C2的一端和P沟道MOS管控制器U3的7端VIN，电容C2的另一端接地，P沟道MOS管控制器U3的3端GND和6端SENSE接地，P沟道MOS管控制器U3的8端GATE接P沟道MOS管Q1的1端，P沟道MOS管Q1的2端分别接电容C1的正端和二极管D2的正端，电容C1的负端接地，二极管D2的负端与二极管D3的正端短接，二极管D3的负端接输出端VOUT，P沟道MOS管控制器U3的1端STAT、4端NC和5端NC悬空，继电器U2的4端悬空，继电器U2的1和2端接继电器驱动电路，电阻R1的另外一端分别接P沟道MOS管控制器U3的2端CTL、电阻R2的一端和稳压管D4的负端，电阻R2的另外一端接地，稳压管D4的正端接地；

P3的负端2接地，正端1分别接电容C4的一端、P沟道MOS管控制器U4的7端VIN、P沟道MOS管Q2的3端，电容C4的另外一端接地，P沟道MOS管控制器U4的3端GND和6端SENSE接地，P沟道MOS管控制器U4的1端STAT、4端NC和5端NC悬空，8端接P沟道MOS管Q2的1端，P沟道MOS管Q2的2端分别接电容C3的正端和二极管D5的正端，电容C3的负端接地，二极管D5的负端接输出端VOUT，电阻R3的另外一端分别接电阻R4的一端、稳压管D6的负端和P沟道MOS管控制器U4的2端CTL，电阻R4的另外一端接地，稳压管D6的正端接地；

继电器U1、U2的常闭输出端5和P3的正端1分别接电量监测输入端BATTERY1、BATTERY2、BATTERY3；

该电路由电池组1控制电池组2的通断，当电池组1电量小于阈值时，利用软件方式断开继电器，从而供电电源切换至电池组2；当电池组1发生故障时，会通过硬件方式快速切换至电池组2。该切换电路的具体工作流程：1)首先由电池组P1供电，当电量监测输入端BATTERY1监测到电池组P1电量小于设定阈值时，继电器U1的3端和4端短接，P1断开，P沟道MOS管控制器U3的2端CTL被电阻R2下拉至0V，导致P沟道MOS管的3端至2端瞬间导通，实现P2的供电；2）当P1出现故障时，P沟道MOS管控制器U3的2端CTL被电阻R2下拉至0V，导致P沟道MOS管的3端至2端瞬间导通，实现P2的供电；

当电池组P2电量小于设定阈值时或电池组P2出现故障时，切换流程与上述流程相同；

所述P沟道MOS管控制器U3和U4选择LTC4414，控制P沟道MOS管来实现电源的自动切换，用于控制P沟道MOS管。LTC4414组成高端功率开关电路，由CTL端施加逻辑电平来控制P沟道MOS管的通、断。当CTL端为高(V_CTL>=0.9V)时，P沟道MOS管断开，当CTL端为低时(V_CTL<=0.35V)，P沟道MOS管形成通路。

根据芯片的电压匹配关系，P沟道MOS管控制器LTC4414的控制端的高低电平分别为0.9V和0.35V，而输入电压一般为18V到26V，所以在控制端加上稳压管D4和D6以实现电压匹配；同时为了能有效的降低系统功耗，增设了行程开关S1和S2，当备用电池组P2、P3没有安装时，行程开关S1和S2闭合，二极管D1和D3短路，避免电流流过二极管D1和D3时会消耗一定的能量，可以有效降低系统的功耗。同时为保持LTC4414工作的稳定性，在其电路周围加上一定数量的去耦电容C1、C2、C3、C4。当备用电池P2不存在时，防倒流二极管D3的作用使得U4的CTL端保持为低电平，Q2处于导通状态，系统由备用电池P3提供能源。

该电路实现了主电池P1，备用电池P2，备用电池P3的顺序放电，且各电池组间的关系独立，无依存关系。还可以扩展为更多路，实现多个电池组之间的无缝切换。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.移动机器人多电池组无缝切换电路，其特征在于，该电路包括三个电池组P1、P2、P3，P1的负端2接地，正端1接继电器U1的公共端3，通过继电器U1的常闭输出端5分别接二极管D1的正端、常闭行程开关S1的2端和电阻R1的一端，继电器U1的4端悬空，继电器U1的1和2端接继电器驱动电路，二极管D1的负端分别接常闭行程开关S2的2端、二极管D3的正端和电阻R3的一端，常闭行程开关S1的1端与常闭行程开关S2的2端短接，常闭行程开关S2的1端接输出VOUT；

P2负端2接地，正端1接继电器U2的公共端3，通过继电器U2的常闭输出端5分别接P沟道MOS管Q1的3端、电容C2的一端和P沟道MOS管控制器U3的7端VIN，电容C2的另一端接地，P沟道MOS管控制器U3的3端GND和6端SENSE接地，P沟道MOS管控制器U3的8端GATE接P沟道MOS管Q1的1端，P沟道MOS管Q1的2端分别接电容C1的正端和二极管D2的正端，电容C1的负端接地，二极管D2的负端与二极管D3的正端短接，二极管D3的负端接输出端VOUT，P沟道MOS管控制器U3的1端STAT、4端NC和5端NC悬空，继电器U2的4端悬空，继电器U2的1和2端接继电器驱动电路，电阻R1的另外一端分别接P沟道MOS管控制器U3的2端CTL、电阻R2的一端和稳压管D4的负端，电阻R2的另外一端接地，稳压管D4的正端接地；

P3的负端2接地，正端1分别接电容C4的一端、P沟道MOS管控制器U4的7端VIN、P沟道MOS管Q2的3端，电容C4的另外一端接地，P沟道MOS管控制器U4的3端GND和6端SENSE接地，P沟道MOS管控制器U4的1端STAT、4端NC和5端NC悬空，8端接P沟道MOS管Q2的1端，P沟道MOS管Q2的2端分别接电容C3的正端和二极管D5的正端，电容C3的负端接地，二极管D5的负端接输出端VOUT，电阻R3的另外一端分别接电阻R4的一端、稳压管D6的负端和P沟道MOS管控制器U4的2端CTL，电阻R4的另外一端接地，稳压管D6的正端接地；

继电器U1、U2的常闭输出端5和P3的正端1分别接电量监测输入端BATTERY1、BATTERY2、BATTERY3。

2.如权利要求1所述的移动机器人多电池组无缝切换电路，其特征在于，所述P沟道MOS管控制器U3和U4选择LTC4414控制器。