CN104459554A - 一种大容量蓄电池化成单体监测装置 - Google Patents

Abstract

一种大容量蓄电池化成单体监测装置，本发明的目的是设计一种结构合理，检测效果好的大容量蓄电池化成单体监测装置。一种大容量蓄电池化成单体监测装置，本装置设有正、负极极片，正、负极极片通过导线与防接反电路相连，防接反电路与超低输入电压升压电路串联，与超低输入电压升压电路并联的设有电压采样电路，超低输入电压升压电路和电压采样电路与单片机通过导线联通。本发明体积小、重量轻、安装方便、节省人力。

Description

一种大容量蓄电池化成单体监测装置

技术领域：

    本发明涉及大容量蓄电池化成的监测，特别是主要用于军工、铁路等大容量方形蓄电池化成工序中，事实监测并显示单体电池电压，并具有高压低压电池报警功能的大容量蓄电池化成单体监测装置。

背景技术：

大容量方形蓄电池主要应用于军工及铁路领域，主要作用为提供启动电源或为应急用电备用电源。蓄电池化成是蓄电池组装完成后的一个重要工序，目的是使电池内的活性物质借助第一次充电转化成具有正常电化学作用的物质，并使电极主要是负极表面生成有效的钝化膜或SEI膜，化成不充分将使电池容量不足，寿命降低。在电池化成期间，为得知每一只电池的状态，主要是电压值，需按照工艺每隔几分钟进行一次单体电池电压测量统计。在民用领域多使用的是小型圆柱蓄电池，由于体积小，市场上针对小型圆柱电池的化成设备较成熟，一台设备上可装载500到1000只电池同时化成，并可事实监测单只电池的相关数据并上传电脑，自动化程度较高。

而大容量方形蓄电池在大批量生产时将，需要将几十至上百只电池串联进行充放电化成，大容量方形蓄电池由于其体积较大，串联后总长度超过10米，若采用小型圆柱电池相同的检测方式，则每个电池需2根检测线，以100只电池算，就是200根线，且最远处需引出10米长，这显然不实际，市场上也无相应的设备。

在现在的实际生产中，通常都是有工作人员每隔几分钟用外用表测量一次单体电池端电压，通常需要两个工作人员，一个负责测量，一个负责记录。由于电池较多，测量第一只电池和最后一只电池的时间最快也要间隔5分钟，这样在电池充电或放电的非平台期阶段，5分钟的间隔以不能完全反应电池真正状态了。

发明内容：

本发明的目的是设计一种结构合理，检测效果好的大容量蓄电池化成单体监测装置。

本发明的技术方案是，一种大容量蓄电池化成单体监测装置，其特征在于：本装置设有正、负极极片，正、负极极片通过导线与防接反电路相连，防接反电路与超低输入电压升压电路串联，与超低输入电压升压电路并联的设有电压采样电路，超低输入电压升压电路和电压采样电路与单片机通过导线联通。

所述的防反接电路是由一个N型增强型场效应管和一个限流电阻组成。

所述的超低输入电压升压电路，升压芯片的VIN脚为电压输入端，将电容C1并接在VIN脚和地之间，EN为芯片工作使能端，连接至VIN脚表示开启芯片工作，PS端为节能模式端，连接至VIN脚表示不在节能模式下工作，UVLO端低压锁存比较输入端，L端为升压电感端，将电感L1并接在L端和VIN端之间；VAUX端为芯片内部控制电路提供控制电压，在VAUX端连接一个电容C3起到稳定内部控制电源电压的作用，B端为输出电压反馈端，通过电阻R2和R3将输出电压分压反馈给FB端；VOUT端为升压输出端，将电容C3并接在VOUT脚和地之间，以起到输出电源滤波的作用 。

所述的电压采样电路，由限流电阻R4、滤波电容C4和稳压二极管D1组成。

本发明具有以下特点

（1）本发明工作电源取自被测电池，自身无需电源，可在极低的电压下工作，功耗极低：该装置采用两线结构接法，即装置电源线和电压采样线公用一组导线。单片机采样低压低功耗型，升压电路效率可达到90%，可在电池电压低至0.3V时正常工作，整机工作电流在毫安级，功耗极低，与容量在几十甚至几百安时的电池相比，可忽略不计。

（2）本发明体积小、重量轻、安装方便：该装置所有元器件采用全贴片小型封装，线路板进行紧凑设计，整体体积非常小，重量轻，当正负电线采样硬导线后，其导线应力就可以支撑整个装置。

（3）检测精度高：采样的单片机内置10位高精度A/D转换器，精度可达到0.1%，可满足使用要求。

（4）电压事实显示、节省人力：电池电压值通过数码管事实显示，方便工作人员记录，节省时间。与之前一个人测量，一个人记录的方式比较，可省去一名测量人员。

    （5）上下限报警：可设置电压上下限进行报警，以检测到个别电池的异常或不合格。

附图说明：

图1本发明的总工作原理框图；

图2本发明防反接电路原理图；

图3本发明超低输入电压升压电路原理图；

图4是本发明电压采样电路原理图；

图5是本发明的单片机及周边电路原理图；

图6是本发明软件控制流程图；

图7是本发明外形机构图。

具体实施方式：

结合附图详细描述实施例，

一种大容量蓄电池化成单体监测装置，本装置设有正、负极极片9、10，正、负极极片通过导线8与防接反电路1相连，防接反电路与超低输入电压升压电路3串联，与超低输入电压升压电路并联的设有电压采样电路2，超低输入电压升压电路和电压采样电路与单片机4通过导线联通，与单片机相连的设有数码管7、蜂鸣器6、按键5，

如图1所示，本发明监测装置由防反接电路、超低输入电压升压电路、电压采样电路、单片机及周边电路组成。电池端电压通过采样/电源复用线经防反接电路至升压电路，将电压升至单片机所需的工作电压，同时电池电压信号经采样线到采样电路进行限流限压滤波保护，传至单片机A/D转换端口，单片机对电压信号进行计算处理，输出给数码管进行事实显示，另单片机可由按键设施报警上下限，当检测到电池电压超出设置范围时，提示报警。

图2所示为本发明防反接电路原理图。由一个N型增强型场效应管和一个限流电阻组成。利用场效应管的开关特性，控制电路的导通和断开来实现防反接，当电池按图示方向正确连接时，场效应馆的栅极通过限流电阻的到一个正的电压，场效应管的漏极和源极会导通。当电池反接时，场效应管栅极得到一个负压，场效应管的漏极和源极会形成断路，以保护整体电路。由于场效应管的内阻很小，现在已经能够做到毫欧级，解决了许多采用二极管防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。图中电阻为限流作用，限制栅极电流过大。

图3所示为本发明的超低输入电压升压电路。由升压芯片及其外围元器件组成。升压芯片采用TI公司的TPS61200低输入电压同步升压转换器，该芯片可由1到3节碱性、镉镍、镍氢、或单节锂电供电，输入电压可低至0.3V仍正常工作，效率可达90%。此芯片采用10脚SON封装，尺寸紧3mm×3mm。电路中芯片VIN脚为电压输入端，将电容C1并接在VIN脚和地之间，以起到输入电源滤波的作用；EN为芯片工作使能端，连接至VIN脚表示开启芯片工作；PS端为节能模式端，连接至VIN脚表示不在节能模式下工作；UVLO端低压锁存比较输入端，将连接至VIN脚使能低压锁存功能；L端为升压电感端，将电感L1并接在L端和VIN端之间；VAUX端为芯片内部控制电路提供控制电压，在VAUX端连接一个电容C3起到稳定内部控制电源电压的作用。FB端为输出电压反馈端，通过电阻R2和R3将输出电压分压反馈给FB端；VOUT端为升压输出端，将电容C3并接在VOUT脚和地之间，以起到输出电源滤波的作用 。

图4所示为本发明的电压采样电路。由限流电阻R4、滤波电容C4和稳压二极管D1组成。限流电阻R4防止电路输入电流过大；滤波电容C4滤除输入电压的交流成分，是最终到单片机的电压信号更纯净稳定；稳压二极管D1防止输入电压过高损害后面电路。

图5所示本发明的单片机及外围电路。单片机采样STC公司的STC15W408AS芯片，该芯片为低功耗单片机，并且内置了高精度R/C时钟和集成MAX810复位芯片，用户在设计产品时便可省去外部晶振和复位电路。芯片内置10位高精度A/D转换器，转换精度为千分之一，可满足使用要求。选用小封装形式TSSOP20，其外形尺寸仅6.5mm×6.5mm。电路中，升压电路将电压升至3.3V连接至单片机的电源脚VCC和地引脚GND，采样电路将采样的电压连接至单片机A/D转换脚A/D0和地引脚GND。单片机内部程序将采样到的电压信号经过处理输出给数码管LED1 显示，由于采用低功耗LED，单片机可直接驱动LED而无需外部驱动电路。单片机同时接受两个按键的输入信号，通过内部程序设置上下限，当电池电压超限时驱动蜂鸣器F1报警。

图6为本发明的软件控制流程图。1、当装置连接到电池后，单片机首先上电初始化，以设置I/O口模式中断方式、优先权等。2、检测按键是否按下，无按下则向下执行，按下则处理按键程序后再向下执行。3、电压采样A/D转换程序，将模拟的电池电压值转换成数字值。4、数码管扫描显示，将数字电压值转换成数码管断码值，并使用动态扫描的方式使数码管显示电压。5、检测电压是否大于上限，大于则转向报警处理，不大于则向下执行。6、检测电压是否小于下限，小于则转向报警处理，不小于则向弟2步，周而复始。

图7为本发明外形结构图。数码管采用0.28英尺小型数码管，与单片机等电路共同封装在一个外形尺寸在15mm×30mm×15mm的盒子内。电池夹具采用非金属材料，外形类似常见的文件夹，夹具两端内侧各有两片金属片，作用是当夹具夹在电池上时与极柱接触。数码管盒子固定在夹具上，电压采样线分别连接至正极触片和负极触片。使用时，将夹具直接夹在电池极柱上即开始工作。

Claims (4)

1.一种大容量蓄电池化成单体监测装置，其特征在于：本装置设有正、负极极片，正、负极极片通过导线与防接反电路相连，防接反电路与超低输入电压升压电路串联，与超低输入电压升压电路并联的设有电压采样电路，超低输入电压升压电路和电压采样电路与单片机通过导线联通。

2.如权利要求1所述的一种大容量蓄电池化成单体监测装置，其特征在于：所述的防反接电路是由一个N型增强型场效应管和一个限流电阻组成。

3.如权利要求1所述的一种大容量蓄电池化成单体监测装置，其特征在于：所述的超低输入电压升压电路，升压芯片的VIN脚为电压输入端，将电容C1并接在VIN脚和地之间，EN为芯片工作使能端，连接至VIN脚表示开启芯片工作，PS端为节能模式端，连接至VIN脚表示不在节能模式下工作，UVLO端低压锁存比较输入端，L端为升压电感端，将电感L1并接在L端和VIN端之间；VAUX端为芯片内部控制电路提供控制电压，在VAUX端连接一个电容C3起到稳定内部控制电源电压的作用，B端为输出电压反馈端，通过电阻R2和R3将输出电压分压反馈给FB端；VOUT端为升压输出端，将电容C3并接在VOUT脚和地之间，以起到输出电源滤波的作用 。

4.如权利要求1所述的一种大容量蓄电池化成单体监测装置，其特征在于：所述的电压采样电路，由限流电阻R4、滤波电容C4和稳压二极管D1组成。