CN103944232A - 一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂电池组保护电路，特别涉及一种适用于水下机器人的锂电池组过放电保护电路。本发明包括基准电压电路1、输入电压滤波电路2、比较电路3、水下感知电路4、逻辑控制电路5、电池组正电位输入端子VIN、电池组地电位输入端子GND、第一继电器接线端子JO1、第二继电器接线端子JO2、导电探头接线端子PB1、导线探头接线端子PB2与外部电路器件。本发明能对锂电池组过放电进行保护，又不影响水下机器人的自身安全性能。输入电压滤波保护电路能够滤除瞬态干扰，提高保护电路的抗干扰能力。

Description

一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路

技术领域

本发明涉及锂电池组保护电路，特别涉及一种适用于水下机器人的锂电池组过放电保护电路。

背景技术

由于锂电池具有能量密度高、无记忆效应、循环寿命长、自放电率低等优点，自主式水下机器人常采用锂电池组作为主要电源。然而由于锂电池的化学特性，在使用过程中，如果对其过充电或过放电，会严重影响电池的使用性能与使用寿命，有时还会导致电池的安全问题，所以做好锂电池的过充、过放保护尤为重要。

水下机器人锂电池组在陆上充电时，一般采用具有过充、过流保护且能够自动平衡各单体锂电池电压的锂电池专用平衡充电器，因此，水下机器人的锂电池组的过充保护可以由锂电池充电器来完成。水下机器人在工作过程中，虽然有相应的检测设备对锂电池组的电压和电流进行实时检测，并将检测结果传送给主控制台，但是并不具备过放电断电保护功能，因此，水下机器人的锂电池组过放电保护电路是不可缺少的。

水下机器人在陆上调试或存放时，由于持续调试时间过长或者调试结束后没有关掉水下机器人主电源等各种原因导致锂电池组电压低于设定的阈值时，过放电保护电路应断开供电回路以防止对电池发生过放电损害。此时，由于水下机器人在陆地上，所以水下机器人的这种断电保护不会对机器人的自身安全造成影响。但是当水下机器人在水下执行作业任务时，一旦因某种原因导致供电锂电池组输出电压低于保护阈值时，这种断电保护将使水下机器人失去控制，造成任务失败，甚至水下机器人失事，对水下机器人的自身安全造成极大的威胁。此时，应屏蔽这种保护，而由主控制台根据锂电池组的电压、电流状态信息制定相应的保护策略。因此，能够感知自身所处环境(陆上或者水下)，并根据感知结果自主选择工作模式的锂电池过放电保护电路，对于延长水下机器人的锂电池组使用寿命以及保证水下机器人的自身安全具有重要意义。

目前，锂电池保护电路技术相对成熟，如专利申请号为201220651300.2，名称为《锂电池保护电路》的中国专利，能够在锂电池放电电压过低或放电电流过大时断开电池与负载的连接，在充电电压过高或者充电电流过大时断开电池与充电器的连接，可靠保护锂电池，但是不具备水下环境感知功能，并不适用于自主式水下机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能对锂电池组过放电进行保护，又不影响水下机器人自身安全性能的水下机器人的锂电池组过放电保护电路。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括基准电压电路1、输入电压滤波电路2、比较电路3、水下感知电路4、逻辑控制电路5、电池组正电位输入端子VIN、电池组地电位输入端子GND、第一继电器接线端子JO1、第二继电器接线端子JO2、导电探头接线端子PB1、导线探头接线端子PB2与外部电路器件，电池组电压输入端子VIN连接电池组BT的正极，电池组地电位输入端子GND连接电池组BT的负极，用于采集电池组电压以及给保护电路供电；第一继电器接线端子JO1、第二继电器接线端子JO2连接电池组供电回路上的继电器开关J1，用以控制继电器开关的开合；导电探头接线端子PB1、导电探头接线端子PB2通过水下感知电路4连接外置导电探头，用以感知水下环境。

基准电压电路1由稳压芯片U1、第一比较器U2、以及第一电阻R1、第二电阻R2组成，稳压芯片U1的输入与电池组输入的正电位相连，稳压芯片U1的输入地与电池组输入的地电位相连，稳压芯片U1输出连接到第一比较器U2的正向输入端，第二电阻R2的两端分别连接稳压芯片U1的输出和地，第一电阻R1连接比较器的负向输入端和输出端，构成跟随电路。

输入电压滤波电路2由第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第四二极管D4、电容C1组成，第五电阻R5、第六电阻R6串联，构成分压电路，将电池组输入电压进行分压；电容C1和第七电阻R7并联后与第四二极管D4串联，构成滤波电路，滤除瞬态干扰电压值，最后输出到比较电路3。

比较电路3由第三电阻R3、第四电阻R4以及第二比较器U3组成，基准电压电路1的输出、输入电压滤波电路2的输出分别经第三电阻R3、第四电阻R4后连接到第二比较器U3的负向、正向输入端，第二比较器U3通过第一二极管D1输出比较结果到逻辑控制电路5，当电池组电量充足时，正向高于负向，第二比较器U3输出高电位，反之，第二比较器U3输出地电位。

水下感知电路4由第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第五二极管D5、第三比较器U4以及由第一导电探头接线端子PB1、第二导电探头接线端子PB2接入的外置导电探头组成，第八电阻R8和第五二极管D5串联，组成分压电路接入第三比较器U4的负向输入端，第九电阻R9、导电探头、第十电阻R10依次串联，组成分压电路接入第三比较器U4的正向输入端，第三比较器U4通过第三二极管输出比较结果到逻辑控制电路5。

逻辑控制电路5由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3组成，第一二极管D1、第三二极管D3并联，组成逻辑“或”电路，第二二极管D2作为续流二极管反向并联接入继电器接线端，逻辑控制电路5通过第一继电器接线端子JO1、第二继电器接线端子JO2与继电器开关J1相连。

本发明的有益效果在于：

本锂电池组保护电路具有水下感知功能，能够感知水下机器人所处工作环境(陆上或者水下)，并根据感知结果自主选择工作模式，从而既能对锂电池组过放电进行保护，又不影响水下机器人的自身安全性能。抗干扰能力强。水下机器人在陆上调试过程中，推进器等执行器上电瞬间，电流较大，会将锂电池组电压拉低，甚至低于设定阈值，从而引起保护电路实行断电保护，造成水下机器人断电。本发明专利的输入电压滤波保护电路能够滤除这种瞬态干扰，提高保护电路的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明专利的电路框图。

图2为本发明专利的一个实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明专利涉及一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路。该保护电路主要由基准电压电路、输入电压滤波电路、比较电路、水下感知电路以及逻辑控制电路等电路单元组成，通过电池组电压输入端子、继电器接线端子、导电探头接线端子与外部电路器件连接。当水下机器人陆上调试以及存放时，该保护电路能够在锂电池组电压低于阈值时，断开供电回路以防止对电池发生损害；当水下机器人水中作业时，该保护电路能够感知水下环境，自主屏蔽过放电保护功能，防止水下机器人因意外断电而陷于危险之中。该保护电路既能对锂电池组过放电进行保护，又不影响水下机器人自身安全性能，尤其适用于自主式水下机器人，也可应用于其他自主水下作业设备。

该保护电路包括，电池组正电位输入端子VIN，电池组地电位输入端子GND，继电器接线端子JO1，继电器接线端子JO2，导电探头接线端子PB1，导线探头接线端子PB2；电池组电压输入端子VIN、GND连接锂电池组，用于采集锂电池组电压以及给保护电路供电，继电器接线端子JO1、JO2连接锂电池组供电回路上的继电器开关，用以控制其开合，导电探头接线端子PB1、PB2连接外置导电探头，用以感知水下环境。

保护电路内部包括以下单元：

基准电压电路，产生一基准电压，作为后续电压比较的基准值，送入比较电路；

输入电压滤波电路，采集电池组电压，滤除瞬态干扰的电压值，然后送入比较电路；

比较电路，接收基准电压电路和输入电压滤波电路的电压值并比较，得出比较结果，送入逻辑控制电路；

水下感知电路，感知水下环境，得出感知结果，送入逻辑控制电路；

逻辑控制电路，将比较电路和水下感知电路的结果进行逻辑运算，产生控制信号控制继电器开关开合。

电池组正电位输入端子VIN，电池组地电位输入端子GND，继电器接线端子JO1，继电器接线端子JO2，导电探头接线端子PB1，导线探头接线端子PB2；电池组电压输入端子连接锂电池组，用于采集锂电池组电压以及给保护电路供电，继电器接线端子连接锂电池组供电回路上的继电器开关，用以控制其开合，导电探头接线端子连接外置导电探头，用以感知水下环境。

保护电路内部包括以下单元：基准电压电路，产生一基准电压，作为后续电压比较的基准值，送入比较电路；输入电压滤波电路，采集电池组电压，滤除瞬态干扰的电压值，然后送入比较电路；比较电路，接收基准电压电路和输入电压滤波电路的电压值并比较，得出比较结果，送入逻辑控制电路；水下感知电路，感知水下环境，得出感知结果，送入逻辑控制电路；逻辑控制电路，将比较电路和水下感知电路的结果进行逻辑运算，产生控制信号控制继电器开关开合。

水下机器人的锂电池组过放电保护电路的工作过程如下：当水下机器人在陆上调试或存放时，水下感知电路输出低电位，此种情况下，逻辑控制电路输出与比较电路输出一致，输入电压滤波电路采集锂电池组电压值并滤除瞬态干扰后，在比较电路中与基准电压电路产生的基准电压值进行比较，当前者高于后者时，说明电池电量充足，比较电路输出高电位，逻辑控制电路输出高电位，驱动锂电池组供电电路上的常开继电器开关闭合，对水下机器人内部系统进行供电，当前者低于后者时，说明电池电量不足，比较电路输出低电位，逻辑控制电路输出低电位，继电器开关断开，关断锂电池组供电回路；当水下机器人在水下作业时，水下感知电路输出高电位，此种情况下，无论比较电路输出何种电位，逻辑控制电路均输出高电位，驱动继电器开关闭合。

如图1所示，本发明专利主要由基准电压电路1、输入电压滤波电路2、比较电路3、水下感知电路4、逻辑控制电路5等电路单元组成，通过电池组正电位输入端子VIN、电池组地电位输入端子GND、继电器接线端子JO1、继电器接线端子JO2、导电探头接线端子PB1、导线探头接线端子PB2与外部电路器件连接。其中，电池组电压输入端子VIN、GND连接电池组BT的正、负极，用于采集电池组电压以及给保护电路供电；继电器接线端子JO1、JO2连接电池组供电回路上的继电器开关J1，用以控制其开合；导电探头接线端子PB1、PB2连接外置导电探头，用以感知水下环境。

如图2所示，基准电压电路1由稳压芯片U1、比较器U2、以及电阻R1、R2组成，稳压芯片U1的输入和地与电池组输入的正、地电位相连，U1输出连接到比较器的正向输入端，电阻R2的两端分别连接稳压芯片U1的输出和地，R1连接比较器的负向输入端和输出端，构成跟随电路。其工作过程是：稳压芯片U1在锂电池组BT的供电下，产生基准电压，并通过由比较器U2和电阻R1构成的跟随电路，输出到比较电路3。

如图2所示，输入电压滤波电路2由电阻R5、R6、R7、二极管D4、电容C1组成。电阻R5、R6串联，构成分压电路，将电池组输入电压进行分压，以利于检测；电容C1和电阻R7并联后与二极管D4串联，构成滤波电路，滤除瞬态干扰电压值，最后输出到比较电路3。

如图2所示，比较电路3由电阻R3、R4以及比较器U3组成，基准电压电路1的输出、输入电压滤波电路2的输出分别经电阻R3、R4后连接到比较器U3的负向、正向输入端，比较器输出比较结果到逻辑控制电路5。当电池组电量充足时，正向高于负向，比较器U3输出高电位，反之，比较器U3输出地电位。

如图2所示，水下感知电路4由电阻R8、R9、R10、二极管D5、比较器U4以及由导电探头接线端子PB1、PB2接入的外置导电探头组成。电阻R8和二极管D5串联，组成分压电路接入比较器U4的负向输入端，电阻R9、导电探头、电阻R10串联，组成分压电路接入比较器U4的正向输入端。比较器U4输出比较结果到逻辑控制电路5。当机器人处于陆上时，比较器输出地电位，当机器人处于水下时，PB1、PB2导通，比较器输出高电位。

如图2所示，逻辑控制电路5由二极管D1、D2、D3组成。二极管D1、D3并联，组成逻辑“或”电路，二极管D2作为续流二极管反向并联接入继电器接线端。逻辑控制电路5通过继电器接线端子JO1、JO2与继电器开关J1相连，控制供电回路导通和关断。

Claims (6)

1.一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路，包括基准电压电路(1)、输入电压滤波电路(2)、比较电路(3)、水下感知电路(4)、逻辑控制电路(5)、电池组正电位输入端子(VIN)、电池组地电位输入端子(GND)、第一继电器接线端子(JO1)、第二继电器接线端子(JO2)、导电探头接线端子(PB1)、导线探头接线端子(PB2)与外部电路器件，其特征在于：电池组电压输入端子(VIN)连接电池组(BT)的正极，电池组地电位输入端子(GND)连接电池组(BT)的负极，用于采集电池组电压以及给保护电路供电；第一继电器接线端子(JO1)、第二继电器接线端子(JO2)连接电池组供电回路上的继电器开关(J1)，用以控制继电器开关的开合；导电探头接线端子(PB1)、导电探头接线端子(PB2)通过水下感知电路(4)连接外置导电探头，用以感知水下环境。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路，其特征在于：所述基准电压电路(1)由稳压芯片(U1)、第一比较器(U2)、以及第一电阻(R1)、第二电阻(R2)组成，稳压芯片(U1)的输入与电池组输入的正电位相连，稳压芯片(U1)的输入地与电池组输入的地电位相连，稳压芯片(U1)输出连接到第一比较器(U2)的正向输入端，第二电阻(R2)的两端分别连接稳压芯片(U1)的输出和地，第一电阻(R1)连接比较器的负向输入端和输出端，构成跟随电路。

3.根据权利要求1所述的一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路，其特征在于：输入电压滤波电路(2)由第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第四二极管(D4)、电容(C1)组成，第五电阻(R5)、第六电阻(R6)串联，构成分压电路，将电池组输入电压进行分压；电容(C1)和第七电阻(R7)并联后与第四二极管(D4)串联，构成滤波电路，滤除瞬态干扰电压值，最后输出到比较电路(3)。

4.根据权利要求1所述的一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路，其特征在于：比较电路(3)由第三电阻(R3)、第四电阻(R4)以及第二比较器(U3)组成，基准电压电路(1)的输出、输入电压滤波电路(2)的输出分别经第三电阻(R3)、第四电阻(R4)后连接到第二比较器(U3)的负向、正向输入端，第二比较器(U3)通过第一二极管(D1)输出比较结果到逻辑控制电路(5)，当电池组电量充足时，正向高于负向，第二比较器(U3)输出高电位，反之，第二比较器(U3)输出地电位。

5.根据权利要求1所述的一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路，其特征在于：水下感知电路(4)由第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第五二极管(D5)、第三比较器(U4)以及由第一导电探头接线端子(PB1)、第二导电探头接线端子(PB2)接入的外置导电探头组成，第八电阻(R8)和第五二极管(D5)串联，组成分压电路接入第三比较器(U4)的负向输入端，第九电阻(R9)、导电探头、第十电阻(R10)依次串联，组成分压电路接入第三比较器(U4)的正向输入端，第三比较器(U4)通过第三二极管输出比较结果到逻辑控制电路(5)。

6.根据权利要求1所述的一种水下机器人的锂电池组过放电保护电路，其特征在于：逻辑控制电路(5)由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)组成，第一二极管(D1)、第三二极管(D3)并联，组成逻辑“或”电路，第二二极管(D2)作为续流二极管反向并联接入继电器接线端，逻辑控制电路(5)通过第一继电器接线端子(JO1)、第二继电器接线端子(JO2)与继电器开关(J1)相连。