CN104993575A - 一种用于自行车站点的电源管理系统 - Google Patents

Abstract

一种用于自行车站点的电源管理系统，它主要包括一外部电源和一配置有充电电路并与外部电源连接的蓄电池，所述的外部电源和蓄电池分别通过一防反接电路并接于一电源电池切换电路，该电源电池切换电路通过一受控于智能控制器的负载输出控制电路连接于负载；所述的智能控制器由一单片机及外围电路构成，该智能控制器分别连接外部电源和蓄电池进行电流电压检测，同时还连接于负载进行电压监测；所述的外部电源通过相接的防反接电路连接于所述的充电电路；所述的智能控制器包括一由STM芯片构成的单片机，该单片机通过485通讯连接基站并与一后台服务器相连；它具有结构组成合理，使用安全方便，能进行多电源输入且能够自动切换的电源输出电路，并能防止输入电源反接，提高电源使用的安全性，实现系统或设备正常工作等特点。

Description

一种用于自行车站点的电源管理系统

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，具体涉及市电及备用电池的自动快速切换，以及电池的充电技术，可用于自行车站点以及其他需要有备用电池的场所。

背景技术

电源管理系统是保证整个系统正常工作的前提，在某些应用场合，设备需要24小时不间断供电，在断电的情况下也要有备用电源支持其工作。现有的供电电源单一，且无法对负载电路进行短接，过压，过流保护；对于蓄电池无法进行有效长期的充电，如恒压恒流充电，过冲保护，电池温度过高保护。鉴于上述问题，需要一种多电源输入且能够自动切换的电路，实现系统的正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成合理，使用安全方便，能进行多电源输入且能够自动切换的电源输出电路，并能防止输入电源反接，提高电源使用的安全性，实现系统或设备正常工作的用于自行车站点的电源管理系统。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用于自行车站点的电源管理系统，它主要包括一外部电源和一配置有充电电路并与外部电源连接的蓄电池，所述的外部电源和蓄电池分别通过一防反接电路并接于一电源电池切换电路，该电源电池切换电路通过一受控于智能控制器的负载输出控制电路连接于负载；所述的智能控制器由一单片机及外围电路构成，该智能控制器分别连接外部电源和蓄电池进行电流电压检测，同时还连接于负载进行电压监测。

所述的外部电源通过相接的防反接电路连接于所述的充电电路；所述的智能控制器包括一由STM芯片构成的单片机，该单片机通过485通讯连接基站并与一后台服务器相连。

所述的充电电路包括一具有涓流、横流、过充电和浮充电模式的PWM降压型铅酸电池充电管理芯片，输入电源旁设置有能够吸收输入电源上产生波纹电流的两个电容，所述芯片内部的低电压锁存电路监测输入电压，并在输入电压低于6V时，内部电路被关断；

充电电路还包括过充电电压检测电路，它是在蓄电池的电压端设置由两个电阻构成的电阻分压反馈电路，该电阻分压反馈电路连接至芯片的FB管脚，且所述芯片可以根据FB管脚的电压决定充电状态；

所述的防反接电路主要有一N沟道的第一MOS管构成，所述的第一MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电源通过两个分压电阻分压后为第一MOS管提供电压偏置，并利用第一MOS管的开关特性控制电路的导通和断开；

所述的电源电池切换电路主要由第二MOS管构成，所述的第二MOS管的1脚相接有由两个分压电阻组成的分压电路，其中一分压电阻接于外部电源上，另一分压电阻接地，所述第二MOS管的2脚分别连接于负载输出控制电路和外部电源，第二MOS管的3脚连接蓄电池。

所述的负载输出控制电路包括一串接于电源和负载的第三MOS管，该第三MOS管的中端1脚通过连接一光电耦合器连接于智能控制器，该智能控制器通过连接负载进行电压检测，还通过连接电源进行电流电压检测，并在上述检测的基础上用于对相连的第三MOS管进行负载输出控制。

本发明在使用时，当主电源切断时，实现备用电源，即蓄电池与主电源的快速切换，同时在主电源存在时对备用电源进行恒流、恒压充电，且能有效防止备用电源过充、过流现象，同时在负载出现过压、短路的情况下，快速切断负载输出，具有一定的安全性。

本发明具有结构组成合理，使用安全方便，能进行多电源输入且能够自动切换的电源输出电路，并能防止输入电源反接，提高电源使用的安全性，实现系统或设备正常工作等特点。

附图说明

图1是本发明的系统结构组成框图。

图2是本发明所述充电电路原理图。

图3是本发明所述防反接电路原理图。

图4是本发明所述电源电池切换电路原理图。

图5是本发明所述负载输出控制电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的一种用于自行车站点的电源管理系统，它主要包括一外部电源1和一配置有充电电路2并与外部电源1连接的蓄电池3，所述的外部电源1和蓄电池3分别通过一防反接电路4、5并接于一电源电池切换电路6，该电源电池切换电路6通过一受控于智能控制器7的负载输出控制电路8连接于负载9；所述的智能控制器7由一单片机及外围电路构成，该智能控制器7分别连接外部电源1和蓄电池3进行电流电压检测，同时还连接于负载9进行电压监测。

所述的外部电源1通过相接的防反接电路4连接于所述的充电电路2；所述的智能控制器7包括一由STM芯片构成的单片机，该单片机通过485通讯10连接基站11并与一后台服务器12相连。

结合图2所示，本发明所述的充电电路2包括一具有涓流、横流、过充电和浮充电模式的PWM降压型铅酸电池充电管理芯片，输入电源旁设置有能够吸收输入电源上产生波纹电流的两个电容，所述芯片内部的低电压锁存电路监测输入电压，并在输入电压低于6V时，内部电路被关断；

充电电路还包括过充电电压检测电路，它是在蓄电池的电压端设置由两个电阻构成的电阻分压反馈电路，该电阻分压反馈电路连接至芯片的FB管脚，且所述芯片可以根据FB管脚的电压决定充电状态；

所述的防反接电路主要有一N沟道的第一MOS管构成，所述的第一MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电源通过两个分压电阻分压后为第一MOS管提供电压偏置，并利用第一MOS管的开关特性控制电路的导通和断开；

所述的电源电池切换电路主要由第二MOS管构成，所述的第二MOS管的1脚相接有由两个分压电阻组成的分压电路，其中一分压电阻接于外部电源上，另一分压电阻接地，所述第二MOS管的2脚分别连接于负载输出控制电路和外部电源，第二MOS管的3脚连接蓄电池。

4、根据所述的用于自行车站点的电源管理系统，其特征在于所述的负载输出控制电路包括一串接于电源和负载的第三MOS管，该第三MOS管的中端1脚通过连接一光电耦合器连接于智能控制器，该智能控制器通过连接负载进行电压检测，还通过连接电源进行电流电压检测，并在上述检测的基础上用于对相连的第三MOS管进行负载输出控制。

具体电路包括：蓄电池的充放电路，外部电源及蓄电池的输入电路及防反接电路，外部电源及蓄电池的快速切换电路，控制负载输出的控制电路，485通讯电路。整个系统框图如图1所示：

1.蓄电池的充放电路

为了解决现有技术对电池过冲，过放及电池温度过高造成的危害，本设计提出以下接决方案，

采用图中芯片CN3717，CN3717是PWM降压型铅酸电池充电管理芯片，具有涓流，恒流，过充电和浮充电模式，。

(1)电源从输入电源端进入，电源旁接C1，C5电容，吸收在输入电源上产生的纹波电流。芯片内部的低电压锁存电路监测输入电压，当输入电压低于6V(典型值)时，内部电路被关断，充电器不

工作。

(2)过充电电压的设置，电池端的电压通过电阻R6和R7构成的电阻分压网络反馈到FB管脚， CN3717根据FB管脚的电压决定充电状态。当FB管脚的电压接近3.69V时，充电器进入过充电状态。在过充电状态，下降， BAT管脚电压保持不变。考虑到流入FB管脚的偏置电流，在过充电状态电池端对应的的电压为：

VBAT＝ 3.69×(1＋R7／ R6)＋ IB× R7

其中， IB是FB管脚的偏置电流，其典型值为40nA。在开始充电时，如果电池电压低于所设置的过充电电压的75.6%，充电器进入涓流充电模式，此时充电电

流为所设置的恒流充电电流的19% 在恒流充电阶段， 即使电池电压再降低到过充电电压的75.6%， 芯片也不进入涓流充电模式，而是保持在恒流充电模式。

(3)充电电流可由图中的RCS设定，配合电感L的选择，最大充电电流可为5A。

(4)该设计还具有电池温度检测功能。在TEMP管脚和地之间接负温度系数的热敏电阻。当电池的温度超出可以接受的范围时，充电将被暂时停止，直到电池温度回复到正常范围内。

(5)该设计还有充电状态指示功能。当电池在充电时，第4引脚呈现低电平，第5引脚是高电平，此时LED D4灯亮，D3灯灭。 当电池充满电时，芯片第四引脚被置为高电平，芯片第五引脚置为低电平，此时LED D3亮，D4灭。此两盏的亮灭可表示充电的不同状态。

该设计为了保证电流调制回路和电压调制回路的稳定性。从COM1管脚到地之间接一个470pF的电容，从COM2到地之间串联连接一个120Ω的电阻和一个220nF的瓷片电容，从COM3到地之间连接一个100nF的瓷片电容。

2.外部电源及蓄电池的输入电路及防反接装置

为了解决现有技术中电源输入反接对整个系统造成的危害，本设计中加入了如上图2的防反接电路，具体实现如下：

N沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电源通过电阻R1，R2分压后为MOS管提供电压偏置，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。正接时候，A点提供VGS电压，MOS饱和导通。反接的时候MOS不能导通，所以起到防反接作用。VZ1为稳压管防止栅源电压过高击穿mos管。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ实际损耗很小，2A的电流，功耗为（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散热片。解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题，同时保护由于输入电源反接对整个系统和电池造成的伤害。

3.为了实现外部电源和蓄电池之间的快速切换，

使用以下电路，当有外部电源存在时PMOS管1脚被R1，R2电阻分压后拉至高电平，此时MOS管切断，负载使用外部电源供电。当外部电源消失时，PMOS管1脚被拉至低电平，此时系统由电池供电。这样做的优点是能够通过最大限度的减小其导通电阻来实现MOS管的功耗最小化，实现断电时电源的快速切换，不影响系统的正常工作，而且不会影响线性控制环路的动态特性。

4.为了解决外部负载出现短路，外部电源电压输入过高或过低对系统造成的危害，设计以下电路。

通过对输入电源和输出负载端进行电流电压检测，一旦检测到输入电压过高或者过低，单片机负载输出控制端就出现低电平，此时下图M15 1脚被拉高，MOS 管截止，电源到负载电路被切断。

5.该设计还具有远程控制电源开启关闭功能

在复杂天气状况下或者出现紧急状况时，后台控制人员可以发送指令关闭或开启电源。如图1中6 所示，服务器发送命令后，当图1 所示5单片机收到命令后，负载输出控制引脚被拉低，输入与输出端电路被切断，负载没有供电，最大程度的保护负载。

1.如上1，使用整流桥堆的防输入电源反接电路

2.如上2，一种损耗较小的不同电源之间的快速切换电路及其应用。

3.如上3，一种智能充电技术，具有防过冲，过放，温度过高，自动切换充电状态及睡眠状态，以保证电池的最大使用寿命

4.如上5，可以远程控制电源输出或关闭。

Claims (4)

1.一种用于自行车站点的电源管理系统，它主要包括一外部电源和一配置有充电电路并与外部电源连接的蓄电池，其特征在于所述的外部电源和蓄电池分别通过一防反接电路并接于一电源电池切换电路，该电源电池切换电路通过一受控于智能控制器的负载输出控制电路连接于负载；所述的智能控制器由一单片机及外围电路构成，该智能控制器分别连接外部电源和蓄电池进行电流电压检测，同时还连接于负载进行电压监测。

2.根据权利要求1所述的用于自行车站点的电源管理系统，其特征在于所述的外部电源通过相接的防反接电路连接于所述的充电电路；所述的智能控制器包括一由STM芯片构成的单片机，该单片机通过485通讯连接基站并与一后台服务器相连。

3.根据权利要求1或2所述的用于自行车站点的电源管理系统，其特征在于所述的充电电路包括一具有涓流、横流、过充电和浮充电模式的PWM降压型铅酸电池充电管理芯片，输入电源旁设置有能够吸收输入电源上产生波纹电流的两个电容，所述芯片内部的低电压锁存电路监测输入电压，并在输入电压低于6V时，内部电路被关断；

充电电路还包括过充电电压检测电路，它是在蓄电池的电压端设置由两个电阻构成的电阻分压反馈电路，该电阻分压反馈电路连接至芯片的FB管脚，且所述芯片可以根据FB管脚的电压决定充电状态；

所述的防反接电路主要有一N沟道的第一MOS管构成，所述的第一MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电源通过两个分压电阻分压后为第一MOS管提供电压偏置，并利用第一MOS管的开关特性控制电路的导通和断开；

所述的电源电池切换电路主要由第二MOS管构成，所述的第二MOS管的1脚相接有由两个分压电阻组成的分压电路，其中一分压电阻接于外部电源上，另一分压电阻接地，所述第二MOS管的2脚分别连接于负载输出控制电路和外部电源，第二MOS管的3脚连接蓄电池。

4.根据权利要求3所述的用于自行车站点的电源管理系统，其特征在于所述的负载输出控制电路包括一串接于电源和负载的第三MOS管，该第三MOS管的中端1脚通过连接一光电耦合器连接于智能控制器，该智能控制器通过连接负载进行电压检测，还通过连接电源进行电流电压检测，并在上述检测的基础上用于对相连的第三MOS管进行负载输出控制。