CN105005003A - 一种可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置 - Google Patents

Abstract

一种可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置，目的在于提供一种用于可串联、并联的能量回馈式可充电电池电压，电流的检测电路。本发明采用的技术方案是：包括监控主机、单片机、PWM整流/逆变电路、串并联控制模块，监控主机通过RS485通讯模块与单片机连接，串并联控制模块分别通过D/A转换模块、串并联控制器与单片机连接，串并联控制模块采集到的电流电压信号经由A/D转换模块传送至单片机，串并联控制模块还通过、PWM整流/逆变电路与电网连接在一起。该装置的作用是使可充电电池检测电路系统简单化，提高系统稳定性差、消除对可充电电池充放电的冲击电流，并由上位机及单片机对系统进行操控。

Description

一种可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置

技术领域

本发明涉及一种用于可充电电池检测电路的串、并联，并可实现能量回馈的检测装置。

背景技术

目前，随着世界可再生能源的日益紧缺，可充电电池作为清洁能源的一种受到越来越多的关注，其在消费、汽车和工业领域具有巨大发展潜力，这些领域对可充电电池的需求不断增长。欧洲、北美和中国等国家与地区政府针对碳排放实行严格的监管条例亦在推动该市场发展。可充电电池行业的发展进一步带动了可充电电池检测设备的发展，促使与之匹配的检测方法、标准以及设备发展的完善。

    传统的可充电电池检测电路系统复杂，体积庞大，无形中增加了成本，且稳定性差，冲击电流大，可对电池造成无法估计的损伤。并且设备的针对性强，在放电过程中亦有巨大能量浪费现象，例：5V3A设备只能针对此电压、电流量程以下的单支可充电电池进行检测，如需20V10A充电电流则必须重新购置更大量程的设备，在应用过程中容易造成设备的闲置与浪费。传统设备在放电过程中，由于采用了电阻能耗方式，将造成能量的巨大浪费，如以厂家一天5000只20V20A的可充电电池组生产能力计算，在放电检测过程中用了1小时，即2000W/时的电量在此过程中白白损耗掉，此举不仅是对能源的浪费亦给生产厂家造成了巨大的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于可串联、并联的能量回馈式可充电电池电压，电流的检测电路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置，包括监控主机、单片机、PWM整流/逆变电路、串并联控制模块，监控主机通过RS485通讯模块与单片机连接，串并联控制模块分别通过D/A转换模块、串并联控制器与单片机连接，串并联控制模块采集到的电流电压信号经由A/D转换模块传送至单片机，串并联控制模块还通过、PWM整流/逆变电路与电网连接在一起。

所述的串并联控制模块包括：串并联接收器、可控硅控制模组、继电器控制器、继电器、可控硅，串并联接收器分别与多个可控硅控制模组、多个继电器控制器连接，每个可控硅控制模组与两个或两个以上可控硅连接；相邻电池的正极和负极之间连接有可控硅；

每个继电器控制器与两个或两个以上继电器连接，相邻电池的正极之间、负极之间分别连接有继电器的两个常开触点。

所述的可控硅控制模组与七个可控硅连接，每个继电器控制器与七个继电器连接；所述的串并联接收器采用型号AT89S52的 8位微控制器，可控硅控制模组采用8个TC787可控硅控制芯片组合而成，继电器控制器采用型号为ULN2803的达林顿管驱动器。

所述的A/D转换模块采用型号ADS1110的A/D转换芯片；D/A转换模块采用12位型号为DAC7611的数字模拟转换器，

所述的监控主机为工业电子计算机。

该装置的作用是使可充电电池检测电路系统简单化，提高系统稳定性差、消除对可充电电池充放电的冲击电流，并由上位机及单片机对系统进行操控。本装置在放电检测过程中可将电池放电能量回馈至电网，而不是简单的白白浪费，此举不仅是对绿色环保亦给生产厂家降低损耗。

附图说明

图1为单相PWM整流/逆变电路的电气原理图图。

图2为电气原理方框图。

图3为串并联控制电气原理图。

具体实施方式

实施例

下面参考附图对本发明作进一步阐述。

本发明设计的可充电电池能量回馈模块采用单相PWM整流／逆变电路，其原理图如图1所示。其工作原理为：通过对开关管VDl、VD2、VD3、VD4进行控制，就可以在整流桥的交流输入端产生一个正弦调制波Uab。Uab中不含低次谐波成分，只含有与正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量和与三角载波有关的频率很高的谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流Is产生很小的脉动。在交流电源电压一定时，Is的幅值和相位由Uab中基波分量的幅值及其与Us的相位差决定。改变Uab中基波分量的幅值和相位，就可以使Is与Us同相位或是反相位。

获得电网电压相位角的一般途径是先产生一个与电网电压同步的信号，再通过同步信号获得相位角。一般采用锁相环来获得。锁相环一般由鉴相嚣、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成。其基本工作原理是鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差信号转变成电压，经过环路滤波器滤波后去控制压控振荡器，从而改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致。

串并联控制模块的电气原理图如图3所示，虚线框内部为串并联控制模块。如图2所示，交流输入通过PWM整流/逆变电路输送至串并联控制模块, 串并联控制模块与待测电池A、B等电池连接，后经由串并联控制模块内部电流、电压采集后送至A/D转换模块，将模拟量转换为数字量，并被单片机读取。

本检测装置装载若干个待测电池A、B……以后，由监控主机进行设定充、放电电流电压数值，经RS485通讯模块将数据发送至单片机。单片机处理后，单片机经由D/A转换模块，将数字量转换成模拟量并送至串并联控制模块，以达到精确恒流、恒压目的。

本发明的最大特点在于可以兼容不同规格的充电电池。它的串并联控制模块可以为低电压大电流，或高电压小电流检测提供选择。例如：若需大电流时则将电池A和电池B两正极、两个负极两端直接并联后接入电池即可；如需高电压时，则将电池A的负极与电池B正极直接连接，并在A端正极与B端负极内接入待检电池，即可提供高电压小电流检测。

本检测装置的监控主机为工业电子计算机，带有RS232串口方便与通讯设备相连接。RS485通讯模块中MAX232是标准串口设计单电源电平转换芯片。其1-6脚与4只电容构成电荷泵电路，产生+12V与-12V两种电源，提供给RS232串口电平。第7-14脚构成两个数据通道，其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。MAX1482是低功耗收发器,用于RS-485通讯.是功能摆率限制的驱动器,最大限度地减少EMI,并降低由不恰当的电缆端接反射，数据传输速率保证高达250kbps。单片机采用STM32F103,其带有2个12位模数转换器，1μs转换时间(多达16个输入通道)转换范围：0至3.6V双采样，接收所述A/D转换电路输出的电压的数字量，并将其与处理器预存的充、放电电流值进行比较，使其输出值恒定。

串并联控制模块电气原理如图3所示。当需要高电压，如10V时，则由主控机（即单片机）发出串联命令，串并联控制模块的串并联接收器（型号AT89S52）接收到命令后，控制可控硅控制模组中G1信号端变为高电平，通过可控硅T1将电池B1端与电池A2端相连接，此时在电池A1端与电池B2端接入电池组即可得到所需电压；同理如需15V时,则通控制可控硅模组中G1、G2控制端子使得相邻三块电池电极串联，将电池B1端与电池A2端相连，电池B2端与电池A3端相连即可。

如需大电流时，如20A则由主控机发出并联命令，串并联控制模块的串并联接收器收到命令后，控制继电器控制器J1信号端使得继电器导通，这样电池A1端与A2端、A2端与B2端相连。此时，将待测电池正极接在电池A1、或A2端，负极与电池B1或B2端即可得到所需电流。（此并联时不采用可控硅而采用继电器，是因为可控硅在导通时会有一定降压在1V左右，而此电压则会导致供电电压存在一定的偏差，当不同电压施加在同一电池端时，无法保证电池端电压，而采用继电器方案时，由于继电器在吸合后所产生的电压偏差几乎为0，所以不存在电压差问题，得以保证施加于电池两端电压相等。）

可控硅控制模组采用8个TC787可控硅控制芯片，TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路。

管脚功能如下：

(1) 同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。

(2) 脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A)分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7(-B)、引脚9(-A)、引脚11(-C)分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。

(3) 控制端：① 引脚4(Vr)：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压VDD。② 引脚5(Pi)：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。③ 引脚6(Pc)：TC787工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。④ 引脚13(Cx)：该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。⑤ 引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca)：对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。

(4) 电源端：TC787/可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地，而引脚17(VDD)允许施加的电压为8～18V。双电源工作时，引脚3(VSS)接负电源，其允许施加的电压幅值为-4～-9V，引脚17(VDD)接正电源，允许施加的电压为+4～+9V。

继电器控制器采用ULN2803，是高电压大电流八路达林顿晶体管芯片，该芯片中的八路NPN达林顿晶体管是低逻辑电平数字电路和大电流高电压需求器件，如继电器、打印机和其它类似负载间接口的理想器件，此芯片输入输出电压可达50V，集电极电流500mA。

详细工作流程如下：

1.监控主机设置对电池的充、放电电流，电压数值。

2.数据经由RS485通讯模块传送至单片机的第10脚（RXD）、11脚（TXD）。被单片机接收后进行处理。

3. 单片机按所设定的充、放电电流，电压值送至D/A转换模块，实施控制进行充、放电。其中，D/A转换模块使用的芯片是一个具有三线制串行接口、最高20MHz时钟电路的12位数字模拟转换器DAC7611，其第2脚（CS）为芯片选择信号，低电平有效，第3脚（CLK）为同步串行时钟输入，第4脚（SDI）为串行数据输入，在串行时钟的上升沿数据被移入 DAC7611内部的串行移位寄存器。第5脚（LD）为装载控制信号。控制移入的数据装载到DAC7611内部的DAC寄存器，触发数模转换。低电平有效。第8脚（Vout）为电压输出。电压范围在0到4.095V。

4. 经过D/A转换模块过的模拟量被送入串并联控制模块。

5. 串并联控制模块中电压采集芯片采用低噪声、高精度运算放大器OP07。OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。由于具有非常低的输入失调电压，在很多应用场合不需要额外的调零措施。同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。宽的输入电压范围（最少±13V）与高达110dB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。电流传感器为高精密度锰镍铜合金箔采样电阻器，模拟量电压输出。

6.采集到的数值通过A/D转换模块送入到单片机对串并联控制模块电路进行有效控制。多路选择开关为CD4051。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关。

 7. A/D转换模块将采集到的电流、电压数值的模拟量转换成数字量的芯片为ADS1110。此芯片为带有I2C总线、带有差分输入和高达16位的分辨率的连续自校准的串行A／D转换器，能对电流、电压做更精确的检测。

 8. 单片机读取到A/D转换模块的电流、电压数据后，再经由RS485通讯模块输送到监控主机。

9. 监控主机对所有数据进行整理、计算，并显示结果。

10.监控主机通过所有数据进行实时判断流程是否符合结束条件，如达到则立即发出结束命令，使本次工作结束。

Claims (5)

1.一种可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置，其特征在于：包括监控主机、单片机、PWM整流/逆变电路、串并联控制模块，监控主机通过RS485通讯模块与单片机连接，串并联控制模块分别通过D/A转换模块、串并联控制器与单片机连接，串并联控制模块采集到的电流电压信号经由A/D转换模块传送至单片机，串并联控制模块还通过PWM整流/逆变电路与电网连接在一起。

2.根据权利要求1所述的可串联、并联的可充电串并联控制模块电池能量回馈式检测装置，其特征在于：所述的串并联控制模块包括：串并联接收器、可控硅控制模组、继电器控制器、继电器、可控硅，串并联接收器分别与多个可控硅控制模组、多个继电器控制器连接，每个可控硅控制模组与两个或两个以上可控硅连接，相邻电池的正极和负极之间连接有可控硅；每个继电器控制器与两个或两个以上继电器连接，相邻电池的正极之间、负极之间分别连接有继电器的两个常开触点。

3.根据权利要求2所述的可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置，其特征在于：所述的可控硅控制模组与七个可控硅连接，每个继电器控制器与七个继电器连接；所述的串并联接收器采用型号AT89S52的8位微控制器，可控硅控制模组采用8个TC787可控硅控制芯片组合而成，继电器控制器采用型号为ULN2803的达林顿管驱动器。

4.根据权利要求1所述的可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置，其特征在于：所述的A/D转换模块采用型号ADS1110的A/D转换芯片；D/A转换模块采用12位型号为DAC7611的数字模拟转换器，串并联控制模块中电压采集芯片采用低噪声、高精度运算放大器OP07，电流传感器为高精密度锰镍铜合金箔采样电阻器。

5.根据权利要求4所述的可串联、并联的可充电电池能量回馈式检测装置，其特征在于：所述的监控主机为工业电子计算机。