CN104467040A - 车载式不间断电源蓄电池控制管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种车载式不间断电源蓄电池控制管理装置，旨在解决现有UPS蓄电池使用过程中因使用操作及管理不善而导致蓄电池过早地老化、损坏等问题，从而导致UPS电源工作异常，造成车船上面的通信设备、日常电器、精密仪器等设备彻底瘫痪。

Description

车载式不间断电源蓄电池控制管理装置

技术领域

本发明涉及不间断电源(UPS)领域，尤其涉及一种车载式不间断电源技术领域。 

背景技术

随着我国各种功能车辆的蓬勃发展,越来越多的各种通信设备、日常电器、精密仪器被应用其中,但也由此带来一些必然的问题。在移动应用的过程中如何保证其正常工作不受影响呢首先要解决的就是电力问题，没有稳定的电力供应系统,所有车载设备的应用及使用寿命都将受到极大的影响，当前最好的解决方案就是配置一套性能优良的UPS不间断电源系统。而蓄电池是UPS的心脏，不管UPS系统多么复杂，其性能最终取决于它的蓄电池，如果蓄电池失效，再好的UPS也无法提供后备电源。如何实时监视蓄电池的工作状态，并精确地预测其临界失效期以及如何延长蓄电池的有效寿命，是保证UPS供电系统稳定、可靠的关键。能否正确地掌握和用好UPS的蓄电池管理技术对UPS本身的高可靠性和高效率具有至关重要的影响。这是因为一旦市电电源因故发生故障时，UPS将依靠由蓄电池组所提供的直流能源来维护UPS逆变器的正常工作。此时，如果因管理不善而导致蓄电池过早地老化、损坏，势必会导致UPS自动关机，从而造成车载的通信设备、日常电器、精密仪器等设备彻底瘫痪。大量的运行实践表明。由于对蓄电池的使用特性和对UPS的蓄电池管理功能不熟悉或理解不够，致使蓄电池其实际使用寿命大大缩短的事例是屡见不鲜的。基于上述原因，有必要采用先进的蓄电池管理技术来延长蓄电池的实际使用寿命，防止造成蓄电池加速老化，容量(安时数)下降，从而尽可能地降低由于蓄电池使用不当而带来的不必要的损失。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载式不间断电源蓄电池控制管理装置，旨在解决现有UPS蓄电池使用过程中因使用操作及管理不善而导致蓄电池过早地老化、损坏等问题，从而导致UPS电源工作异常，造成车载的通信设备、日常电器、精密仪器等设备彻底瘫痪。 

本发明的技术方案是这样实现的，车载式不间断电源蓄电池控制管理装置其特征在于：包括电压传感器1、UPS电源2、转换开关单元3、检测单元4、蓄电池组5、隔离单元6、控制单元7、CAN单元8，显示报警单元9、人机对话单元10。 

汽车发电机输出的交流电压送到UPS电源2，UPS电源2中的A/D电路将交流变换为直流为蓄电池组5充电，同时将此直流电压送到UPS电源2中的D/A电路进行逆变变换为交流输出给通信设备、日常电器、精密仪器等负载。 

所述电压传感器1用于检测车辆发电机的输出电压状况，并将此检测的信号送往控制单元7进行判断处理。 

所述转换开关单元3接收控制单元7的指令，控制其单元中的开关Ka和Kb开启或关闭，即控制对蓄电池组5的充电和放电。 

所述检测单元主要采用了Linear公司的一种专用的电池状态监测芯片LTC6802， 检测单元4与蓄电池组5连接，用于检测蓄电池组5中的单体电池的电压和温度并将检测的参数处理后通过隔离单元6送控制单元7。隔离单元6采用了最先进的数字隔离器芯片ADuM 1411用作电池状态监测芯片LTC6802与微控制器LPC11C22之间的隔离。隔离器芯片ADuM 1411采用了磁耦合隔离技术及高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在性能、功耗、体积等各方面都有光电隔离器件无法比拟的优势。 

所述控制单元7采用的核心芯片是恩智浦半导体的集成高速CAN物理层收发器的微控制器LPC11C22， LPC11C22集成了TJF1051 CAN收发器。控制单元7是车载式不间断电源蓄电池控制管理装置的中心管理单元，它接收来自电压传感器1、检测单元4和人机对话单元10的信号，它输出控制信号给转换开关单元3、显示报警单元9，它与CAN单元8连接进行通信将相关信息通过CAN单元8和车辆CAN总线送至车辆仪表控制盘。 

所述显示报警单元9接收来自控制单元7的信息进行实时显示车辆发电机的输入电压和蓄电池组5的工作温度和各单体电池的电压；在车辆发电机的输入电压和蓄电池组5的工作温度和各单体电池的电压出现异常情况时则发出声光报警予以警示。 

所述人机对话单元10与控制单元7连接，通过键盘对有关参数进行设置。 

  所述CAN单元8完成与车辆CAN总线的连接及通信。 

本发明的有益效果：车载式不间断电源蓄电池控制管理装置主要有三个功能： 

第一、通过检测单元实时监测蓄电池组单体电池的外特性参数（如单体电池电压、电池工作环境温度等），采用适当的算法，实现电池内部状态（如容量和SOC等）的估算和监控；

第二、能够将电池充电电量、蓄能电量、放电电量、供电消耗、剩余电量、蓄电池工作环境温度等实时记录显示出来，让用户随时掌握蓄电池的工作状态和性能，并根据蓄电池的状况进行及时的处理。

第三、通过CAN通信总线，与汽车控制器和仪表盘等实现数据交换。 

附图说明

图1：车载式不间断电源蓄电池控制管理装置框图 

图2：专用的电池状态监测芯片LTC6802检测接线原理图

图3：专用的电池状态监测芯片LTC6802内部电路框图

图4：专用的电池状态监测芯片LTC6802外部放电示意图

图5：车载式不间断电源蓄电池控制管理装置总体控制原理图

图6：数字隔离器芯片ADuM 1411的引脚图

图7： 微处理器LPC11C22到引脚图

图8：转换开关单元控制原理图

图9：电压、温度采集及均衡控制软件流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明： 本发明采用专用的电池状态监测芯片LTC6802采集12只串联单体电池电压。微处理器LPC11C22利用SPI总线读取LTC6802采集的串联单体电池的电压，同时，利用温度传感器对12只串联单体电池的表面温度进行采集，通过CAN总线将采集到的12只单体电池的电压、温度上传，实时监测12只单体电池的工作状态。以此为基本系统，利用多个基本系统就实现对大数量电池串联构成的电池组的状态监测。 

参见图1，本发明提供了一种车载式不间断电源蓄电池控制管理装置，包括电压传感器1，UPS电源2、转换开关单元3、检测单元4、蓄电池组5、隔离单元6、控制单元7、CAN单元8，显示报警单元9、人机对话单元10。 

在图1中汽车发电机输出的交流电源输入到UPS电源2的A/D转换电路，经过转换后的直流电压输入到UPS电源2的D/A转换电路，经过D/A转换电路逆变后的交流电压输出给通信设备、日常电器、精密仪器等负载；同时经过A/D转换电路变换后的直流电压通过转换开关单元3送入蓄电池组5为蓄电池组充电；控制单元7通过传感器1检测车辆发电机的输出交流电压是否正常，如果电压异常或掉电，控制单元7将发出指令给显示报警单元9令其发出报警；同时发送控制信号给转换开关单元3， 当命令使得开关Ka打开时，Ka开关的“触点（1、2）”和“触点（3、4）”闭合，UPS电源2的A/D电路输出的直流通过Ka开关闭合的触点对蓄电池组5进行充电；在车辆发电机交流输入失电或电压异常时，转换开关单元3接收控制单元7的指令，控制其单元中的开关Ka关闭Kb开启，Kb开关的“触点（1、2）”及“触点（3、4）”闭合，蓄电池组5的直流电压通过Kb开关闭合的触点送入送往UPS电源2中的D/A电路，使其D/A电路工作进行逆变输出交流电源给负载。在车辆发电机交流输入恢复时，控制单元7发出指令关闭开关Kb，Kb开关的“触点（1、2）”及“触点（3、4）”断开，停止了蓄电池组5对UPS电源2中的D/A电路的供电，于此同时控制单元7发出指令开启开关Ka对蓄电池组进行充电。 

检测单元4用于对蓄电池组5的单体电池进行检测和处理，检测处理后的信号送到隔离单元6后再送入控制单元7，控制单元7一方面将检测到的蓄电池组的相关信息送到显示报警单元9予以显示和报警，另一方面将控制信号送到转换开关单元3，关断或开启蓄电池组5的充电通道，保证蓄电池组5的正常；控制单元7与CAN单元8连接，蓄电池组5的各相关信息都可以通过CAN单元8与车辆CAN总线通信，将这些信息在车辆的仪表盘上予以显示，操作人员可以随时了解蓄电池组5的工作状况；人机对话单元10可以根据具体情况对蓄电池组5相关参数的检测给予设置，可以对转换开关单元3的转换时间予以设置；可以对车辆发电机输出电压参数和掉电时间予以设置，以保证整个装置的使用的灵活性和安全性。 

图2是蓄电池组检测单元电路框图，在实际工作状况中，随着蓄电池组充放电的进行，蓄电池组的电压不断变化，各单体电池之间电压也会出现差异，这种电压的不一致性也会大大影响电池组的性能，所以有必要检测每个单体电池的电压。本发明发明采用专用的电池状态监测芯片对单体电池电压进行检测，并将检测处理后的数字信号传至由微处理器为核心的控制单元。单体电池电压的检测精度为0.36mV。电池组温度也是影响电池组性能的重要参数，电池组温度过高或过低会造成电池组不可逆转破坏，本发明采用温度传感器检测蓄电池组壳体温度，温度检测精度为1℃。 

图2中IC1是采用Linear公司的LTC6802，这是是一种专用的电池状态监测芯片，它内置1个12位ADC、1个精准电压基准、1个高电压输入多工器和1个串行接口，无需使用光耦合器或光隔离器。能测量高达12只串联电池电压，13 ms完成所有电池电压检测，整体测量误差小于0.25％，具有高电磁兼容能力、低功耗的优点。 

LTC6802管脚功能如下所示： 

 V +: 器件工作电源正端， 芯片工作电源由电池提供， V + 与电池组总正相连; 

V-: 电源负端， 与电池组总负相连; 

C1 -C12: 电池电压输入端; 

S1 - S12: 电池均衡控制端;

VT1, VT2:温度传感器输入端;

VREF: 3. 075电压基准; 

VREG:线性电压基准; 

TOS: 芯片在串联组中位置选择端;

MMB: 监控模式选择端; 

WDTB: 看门狗输出; 

GPIO1,GPIO2: 通用I/O 口; 

VMODE: 通讯模式选择端;

SCKI、SDI、SDO、CSBI: SPI接口; 

CSBO、SBOI、SCKO:级联时与下一级芯片通讯的SPI接口。

电压采集和均衡部分工作原理是这样的： 

在图2可以看到IC1芯片LTC6802的C1-C12脚是监测电池单体电压的输入端，单体电池E1-E12的正极分别与C1-C12相连；E1-E12串联连接，E1的正极与LTC6802的V+连接，E12的负极与LTC6802的V-连接。

在图2可以看到IC1芯片LTC6802的S1-S12脚是电池均衡控制脚。当电池组中的某个电池单体出现过充、过压时，S引脚将用与对这个电池单体放电，以保证每个单体电池的一致。每个S引脚内部含有一个用于放电的N沟MOSFET, 用于对电池单体进行放电。LTC6802可采用内部与外部两种均衡方式。每个S输出管脚内部均与N 沟道MOSFET 相连。内部MOS管最大导通电阻为20欧。当采用内部均衡时， 通过外部电阻与内部MOSFET 串联对电池放电。内部MOSFET 也可用于控制外部均衡电路。为获得更大的放电电流， 提高放电效率，通常采用外部均衡。S管脚内部的10K 上拉电阻使其输出可驱动外电路中P 沟道MOSFET 的门极。通过外部串联MOS管与电阻对电池放电。芯片内部MOSFET的开通与关断由IC3微处理器LPC11C22对LTC6802进行控制，LTC6802芯片自身无法控制。 

图3是LTC6802内部电路框图,图4是LTC6802外部放电示意图，在图中可以看到每个单体电池输入均具有一个相关联的MOSFET开关，用于对过充电电池进行放电。S引脚输出包含一个内部10K的上拉电阻，因此当加载上高阻态(例如外部MOSFET门电路)时，S引脚可以作为数字输出使用。IC3微处理器LPC11C22可以通过SPI总线从LTC6802读取数据，并控制相应电池输入的MOSFET的导通和关闭，以实现电池电芯的均衡。 

  图4是 LTC6802外部放电示意图，此图是一路的原理图，余下11路于此相同。为了防止电池输入之间的能量压差，可以在每个电池输入上增加一个齐纳二极管DW1。这些二极管在电池接触点连接时，会自动在缺失的输入上分配安全电压。 

RC和C1组成RC滤波器，DW2用以保护T1，R1是放电限流电阻，功率比较大。假如检测到单体电池E1电压超出设定值，IC3微处理器LPC11C22发出控制指令，S1输出控制信号经电阻R4加到MOSFET管T1的栅极，MOSFET管T1导通，单体电池E1的正极电流经R2、T1、R1到E1的负极进行放电，直到E1的电压达到设定值放电停止，使得单体电池E1----E2的电压保持一致，这就是均衡控制的原理。 

  在图2中IC1芯片LTC6802的VT1和VT2脚是温度传感器测量输入脚，分别接有温度电阻Rt1和Rt2，Rt1和与R13;Rt2与R14串联后与VREF脚连接，VREF脚是3.075V电压参考输出脚，CA电容与VREF连接作为旁路。 

在图2中IC1芯片LTC6802的WDTB脚是看门狗计时器输出引脚(低电平有效)。IC1芯片LTC6802包含一个内部看门狗计时器电路。如果SCKI引脚连续2s没有活动，WDTB漏极开路输出将被置低。WDTB引脚保持低电平直到监测到SCKI引脚有跳变发生。当看门狗电路计时结束时，配置寄存器将会被置于默认状态。在上电状态时，S引脚输出关闭。因此，当芯片与MPU的通信中断时，看门狗计时器提供了一种可以关闭电池放电的方法。计时结束后，芯片进入最小功耗的待机模式。需要注意此时从外部将WDTB引脚置低不能重设配置寄存器。配置寄存器中的WDTEN(字节CNFGO,第7位)允许用户关闭看门狗计时器。WDTEN的默认值是1，此时看门狗处于开启状态。当MMB为低电平时，看门狗计时器关闭。当读取配置寄存器时，字节CNFG。中的第7位将会反映WDTB引脚的状态，而与写入WDTEN位的值无关。因此，如果通过向WDTEN位写入0关闭看门狗，WDTB可以作为通用输入引脚，此时读取WDTEN位其返回值即为WDTN引脚的输入值。 

IC1芯片LTC6802有待机、测量和监视三种工作模式,待机模式是一种节能模式，进入待机模式后，除串口外的所有电路关闭;在测量模式中，LTC6802可测量各电池单体的电压并将结果存储于内存中,测量模式也能监视各个电池单体是否处于过压和欠压状态;在监视状态中，芯片只监视处于欠压和过压状态的电池单体,SDO引脚用于传递由欠压或过压产生的信号,串口此时处于关闭状态。 

图5是车载式不间断电源蓄电池控制管理装置总体控制原理图，在图中可以看到IC1芯片LTC6802的SPI总线的4个脚分别是SCKI:串行时钟输入；SDI:串行数据输入；SDO:串行数据输出；CSBI:片选输入(低电平有效)，这4个脚作为SPI总线通过数字隔离器IC2芯片AduM1411与IC3微处理器LPC11C22的SSEL0、MISO0、MOSI0、SCK0连接进行通信，IC3微处理器LPC11C22读取采集到的电压和温度数值，然后根据各只电池的电压确定需要均衡的电池，微处理器LPC11C22通过发出指令，让IC1芯片LTC6802相应寄存器来启动或关闭均衡，同时通过CAN总线的数据发送脚CAN_TXD和数据接收脚CAN_RXD,将电压、温度数据及均衡状态通过隔离变压器B1和CAN总线插座与车辆CAN总线进行连接通信。 

在图5可以看到它的3、4、5、6脚是输入脚分别与IC1芯片LTC6802的SPI、SCKI、SDI、CSBI相接，它的11、12、13、14脚是输出脚分别与IC3微处理器LPC11C22 SSEL0、MISO0、MOSI0、SCK0脚相接，从图中可以考到每一路输入和输出之间都有一个磁耦合隔离。 

图6是IC2数字隔离器芯片ADuM 1411的引脚图，ADuM 1411是ADI公司推出基于其专利iCoupler磁耦合隔离技术的通用型四通道数字隔离器。采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在性能、功耗、体积等各方面都有光电隔离器件无法比拟的优势。 

图7是微处理器LPC11C22到引脚图。IC3是恩智浦半导体的集成高速CAN物理层收发器的微控制器LPC11C22，作为一种独特的系统级封装解决方案，LPC11C22集成了TJF1051 CAN收发器，在低成本LQFP48封装中实现了完整的CAN功能。基于ARM Cortex-MO的LPC11C22微控制器是低功耗，32位微控制器家族中的一员，而向8, 16位微处理应用，具有高性能，低功耗，简单指令集，统一编址寻址等优点。 

图8是转换开关单元控制原理图，Kb是磁保持继电器，磁保持继电器作为继电器的一种，也是一种自动开关，对电路起自动接通和切断作用，所不同的是，磁保持继电器的常闭常开作用完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠一定量的脉冲电信号的触发而完成的，因此，具有省电节能、性能稳定、体积小、承载能力大的特点，比一般电磁继电器性能优越。微处理器输出口输出控制信号给BL8023双向继电器驱动集成电路驱动磁保持继电器的动作， 图8是磁保持驱动器控制其中的一路，其它的工作原理一样，微处理器输出口P1.0经驱动电路和二极管D1、D2经电阻R1、R2到地，保持低电平,这样当在A端加高电平时，磁保持继电器Ka动作，触点1和2及3和4接通，蓄电池电压经触点输出给UPS，反之在B端加高电平，磁保持继电器复归，触点1和2及3和4断开系动词电压无法经触点输出。 

Kb的控制动作原理与Ka是一样的，（参见图1转换开关单元3）只不过Ka的动作目的是将UPS的直流输出电压送入蓄电池对其充电，Kb的动作目的是将蓄电池的直流电压送入UPS的D/A电路。 

BL8023双向继电器驱动集成电路管脚功能如下： 

3P:输入A.接触发脉冲，也可接电平触发;

7P:输入B.接触发脉冲，也可接电平触发;

2脚、6脚是空脚;

1P:输出QA接继电器的线包一端;

5P:输入QB接继电器的线包另一端;

8P:Vdd加继电器工作电压正端;

4P:V ss加继电器工作电压负端。

图9是电压、温度采集及均衡控制软件流程图，整个系统的硬件部分不是很复杂，硬件必须要在软件的指挥下才能有效正确地工作，软件采用C语言编写，在此不作详细说明。 

本说明书未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知的现有技术，虽然本发明己通过有关的实施案例进行了图示和描述，但是，本专业技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。 

  

Claims (3)

1.一种车载式不间断电源蓄电池控制管理装置，其特征在于：包括电压传感器(1)、UPS电源(2)、转换开关单元(3)、检测单元(4)、蓄电池组(5)、控制单元(6)、隔离单元（7）、CAN单元(8)，显示报警单元(9)、人机对话单元(10)；所述电压传感器(1)用于检测车辆发电机的输出电压状况，并将此检测的信号送往控制单元(7)进行判断处理；所述转换开关单元（3）接收控制单元（7）的指令，控制其单元中的开关Ka和Kb开启或关闭，即控制对蓄电池组（5）的充电和放电；所述检测单元(4)与蓄电池组(5)连接，用于检测蓄电池组(5)中的单体电池的电压和温度并将检测的参数处理后送隔离单元（7），经过隔离处理的信号再送往控制单元(7)；所述控制单元(7)是移动式UPS蓄电池管理系统的中心管理单元，它接收来自电压传感器（1）、检测单元(4)和人机对话单元（10）的信号，它输出控制信号给转换开关单元(3)、显示报警单元（9），它与CAN单元（8）连接进行通信将相关信息通过CAN单元（8）和车辆CAN总线送至车辆仪表控制盘；所述显示报警单元（9）接收来自控制单元(7)的信息进行实时显示车辆发电机的输入电压和蓄电池组(5)的工作温度和各单体电池的电压；在车辆发电机的输入电压和蓄电池组(5)的工作温度和各单体电池的电压出现异常情况时则发出声光报警予以警示；所述人机对话单元（10）与控制单元(7)连接，通过键盘对有关参数进行设置；所述CAN单元(8)完成与车辆CAN总线的连接及通信。

2.根据权利要求1所述的一种车载式不间断电源蓄电池控制管理装置，其特征是采用了采用了Linear公司的一种专用的电池状态监测芯片LTC6802， 检测单元(4)与蓄电池组(5)连接，用于检测蓄电池组(5)中的单体电池的电压和温度并将检测的参数处理后送控制单元(6)。

3.根据权利要求1所述的一种车载式不间断电源蓄电池控制管理装置，其特征是控制单元采用的核心芯片是恩智浦半导体的集成高速CAN物理层收发器的微控制器LPC11C22,它接收来自电压传感器(1)、检测单元(4)和人机对话单元(10)的信号，它输出控制信号给转换开关单元(3)、显示报警单元(9)，它与CAN单元（8）连接进行通信将相关信息通过CAN单元（8）和车辆CAN总线送至车辆仪表控制盘。