CN105743188B - 铅酸电池组保护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铅酸电池组保护系统，包括电压产生模块、充放电驱动模块、充放电模块和控制模块。通过将充放电模块中第一电压采样点、第二电压采样点和第一电流采样点所采集的电压或电流数据传送给控制模块，并由控制模块控制充放电驱动模块开始工作或停止工作，从而能够及时接通或者关断充、放电回路，有效实现了对铅酸电池组的充电过充保护、放电过放保护和放电输出短路保护，电压控制精度高、功耗低、结构简单、稳定性好、成本低。并且，通过在充放电模块中设置多个滑动变阻器，实现了一定电压范围内的多个待操作电池组成的电池组的充电和放电。
Description
技术领域
本发明涉及铅酸电池领域，特别是涉及铅酸电池组保护系统。
背景技术
目前，国内外在铅酸电池保护系统方面的研究已经取得了非常大的成绩，铅酸电池保护系统也从早期的单方面检测电池电压、温度、电流等简单功能朝着更加智能化、集成化、低能耗、高可靠性方向发展。但是，这些已经存在的铅酸电池保护系统在实际应用中存在诸多问题，一、保护电路复杂、制作成本高、体积大，保护电路多为充电器的附件；二、功能单一，保护电路只能实现单一功能保护；三、通用性差，及具体的电路只适用于特定品牌的产品电路。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种电压控制精度高、功耗低的能够实现充电过充保护和放电过放保护的铅酸电池组保护系统。
本发明所述的铅酸电池组保护系统，包括电压产生模块、充放电驱动模块、充放电模块和控制模块，充放电驱动模块包括充电驱动单元和放电驱动单元；电压产生模块产生放电驱动单元所需电压和控制模块的工作电压，充放电模块产生充电驱动单元所需电压，充放电模块中设有分别与控制模块连接的第一电压采样点和第二电压采样点；当控制模块检测到第一电压采样点电压大于0且小于最大充电电压时，控制模块控制充电驱动单元工作，充放电模块中的充电回路接通，当控制模块检测到第一电压采样点电压等于最大充电电压时，控制模块和充电驱动单元均不工作，充放电模块中的充电回路断开；当控制模块检测到第二电压采样点电压大于最小放电电压时，控制模块控制放电驱动单元工作，充放电模块中的放电回路接通，当控制模块检测到第二电压采样点电压等于最小放电电压时，控制模块和放电驱动单元均不工作，充放电模块中的放电回路断开。
为了实现放电输出短路保护，防止因放电电流过大而导致待操作电池被损坏，所述充放电模块中还设有与控制模块连接的第一电流采样点。当控制模块检测到第一电流采样点电流大于或等于最大放电电流时，控制模块控制放电驱动单元不工作，断开充放电模块中的放电回路。
进一步，所述电压产生模块包括三极管Q1，三极管Q1的集电极连接待操作电池的正极，三极管Q1的基极连接稳压二极管D1的负极，稳压二极管D1的正极连接待操作电池的负极，三极管Q1的发射极连接三端稳压器W1的输入端，三端稳压器W1的输出端产生控制模块的工作电压，三极管Q1的发射极产生放电驱动单元所需电压。
进一步，所述三极管Q1的集电极与基极之间连接电阻R1，三极管Q1的发射极与待操作电池的负极之间连接电容C1。
进一步，所述充电驱动单元包括第一光耦合器OC1，放电驱动单元包括第二光耦合器OC2；第一光耦合器OC1中发光二极管的正极连接控制模块中的充电控制端口，第一光耦合器OC1中三极管的集电极和发射极分别连接充放电模块，第二光耦合器OC2中发光二极管的正极连接控制模块中的放电控制端口，第二光耦合器OC2中三极管的集电极连接电压产生模块，第二光耦合器OC2中三极管的发射极连接充放电模块。
进一步，所述第一光耦合器OC1中发光二极管的负极通过电阻R10接地，第一光耦合器OC1中三极管的发射极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接NMOS管Q2的源极，第一光耦合器OC1中三极管的发射极还连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接NMOS管Q2的栅极；所述第二光耦合器OC2中发光二极管的负极通过电阻R13接地，第二光耦合器OC2中三极管的发射极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接地，第二光耦合器OC2中三极管的发射极还连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接NMOS管Q3的栅极。
进一步，所述充放电模块包括电磁继电器K1，电磁继电器K1中线圈的一端连接充电接口的正极和电磁继电器K1的常开触点，电磁继电器K1中线圈的另一端连接滑动变阻器R2中金属杆的一端，滑动变阻器R2中电阻丝的一端连接NMOS管Q2的源极，NMOS管Q2的源极还连接充电接口的负极，NMOS管Q2的栅极连接第一光耦合器OC1中三极管的发射极，NMOS管Q2的漏极连接待操作电池的负极，待操作电池的正极连接电磁继电器K1的动触点，电磁继电器K1的常闭触点连接放电接口的正极，放电接口的负极连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的栅极连接第二光耦合器OC2中三极管的发射极，NMOS管Q3的源极连接待操作电池的负极；充电接口的正极还连接滑动变阻器R3中电阻丝的一端，滑动变阻器R3中金属杆的一端连接第一光耦合器OC1中三极管的集电极，滑动变阻器R3中电阻丝的另一端作为第一电压采样点，滑动变阻器R3中电阻丝的另一端还连接滑动变阻器R5中金属杆的一端，滑动变阻器R5中电阻丝的一端连接充电接口的负极；放电接口的正极还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端作为第二电压采样点，电阻R4的另一端还连接滑动变阻器R6中金属杆的一端，滑动变阻器R6中电阻丝的一端连接NMOS管Q3的源极。
进一步，所述NMOS管Q3的源极作为第一电流采样点。
进一步，所述NMOS管Q3的源极还连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接待操作电池的负极。
进一步，所述控制模块包括单片机P1，单片机P1包括第一电压检测端口、第二电压检测端口、第一电流检测端口、充电控制端口、放电控制端口和电源端口；第一电压检测端口连接第一电压采样点，第二电压检测端口连接第二电压采样点，第一电流检测端口连接第一电流采样点，充电控制端口连接充电驱动单元，放电控制端口连接放电驱动单元，电源端口连接电压产生模块。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的充放电模块中设置了第一电压采样点和第二电压采样点，并通过控制模块对第一电压采样点和第二电压采样点所采集到的电压信号进行判断，从而实现电池组的充电过充保护和放电过放保护；
(2)本发明的充放电模块中设置了多个滑动变阻器，能够实现一定电压范围内的多个待操作电池组成的电池组的充电和放电，通用性强，可以适用于多种不同电压的铅酸电池组；
(3)本发明的控制模块和充放电驱动模块在第一电压采样点电压等于最大充电电压、第二电压采样点电压等于最小放电电压这两种情况下均不工作，有效降低了本发明系统的功耗；
(4)本发明系统电压控制精度高、结构简单、稳定性好、成本低、体积小。
附图说明
图1为本发明的具体实施方式的电路图；
图2为本发明的具体实施方式的充电流程图；
图3为本发明的具体实施方式的放电流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式提供了一种铅酸电池组保护系统，如图1所示，包括电压产生模块1、充放电驱动模块2、充放电模块3和控制模块4。充放电驱动模块2包括充电驱动单元21和放电驱动单元22。控制模块4包括单片机P1，单片机P1包括第一电压检测端口、第二电压检测端口、第一电流检测端口、充电控制端口、放电控制端口和电源端口。
电压产生模块1包括三极管Q1，三极管Q1的集电极连接待操作电池的正极，三极管Q1的基极连接稳压二极管D1的负极，稳压二极管D1的正极连接待操作电池的负极，三极管Q1的集电极与基极之间连接电阻R1，三极管Q1的发射极与待操作电池的负极之间连接电容C1，三极管Q1的发射极连接三端稳压器W1的输入端，三端稳压器W1的输出端产生控制模块4的工作电压并送至单片机P1的电源端口，三极管Q1的发射极产生放电驱动单元22所需电压并送至放电驱动单元22中第二光耦合器OC2的三极管的集电极。
充电驱动单元21包括第一光耦合器OC1，第一光耦合器OC1中发光二极管的正极连接控制模块4中的充电控制端口，第一光耦合器OC1中发光二极管的负极通过电阻R10接地，第一光耦合器OC1中三极管的集电极连接充放电模块3中的滑动变阻器R3的金属杆的一端，第一光耦合器OC1中三极管的发射极连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接充放电模块3中NMOS管Q2的栅极，第一光耦合器OC1中三极管的发射极还连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接NMOS管Q2的源极。放电驱动单元22包括第二光耦合器OC2，第二光耦合器OC2中发光二极管的正极连接控制模块4中的放电控制端口，第二光耦合器OC2中发光二极管的负极通过电阻R13接地，第二光耦合器OC2中三极管的集电极连接电压产生模块1中三极管Q1的发射极，第二光耦合器OC2中三极管的发射极连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接充放电模块3中NMOS管Q3的栅极，第二光耦合器OC2中三极管的发射极还连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接地。
充放电模块3包括电磁继电器K1，电磁继电器K1中线圈的一端连接充电接口的正极和电磁继电器K1的常开触点，电磁继电器K1中线圈的另一端连接滑动变阻器R2中金属杆的一端，滑动变阻器R2中电阻丝的一端连接NMOS管Q2的源极，NMOS管Q2的源极还连接充电接口的负极，NMOS管Q2的栅极连接充电驱动单元21中电阻R8的另一端，NMOS管Q2的漏极连接待操作电池的负极，待操作电池的正极连接电磁继电器K1的动触点，电磁继电器K1的常闭触点连接放电接口的正极，放电接口的负极连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的栅极连接放电驱动单元22中电阻R11的另一端，NMOS管Q3的源极连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接待操作电池的负极，NMOS管Q3的源极还作为第一电流采样点33。充电接口的正极还连接滑动变阻器R3中电阻丝的一端，滑动变阻器R3中金属杆的一端连接第一光耦合器OC1中三极管的集电极，滑动变阻器R3中电阻丝的另一端作为第一电压采样点31，滑动变阻器R3中电阻丝的另一端还连接滑动变阻器R5中金属杆的一端，滑动变阻器R5中电阻丝的一端连接充电接口的负极。放电接口的正极还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端作为第二电压采样点32，电阻R4的另一端还连接滑动变阻器R6中金属杆的一端，滑动变阻器R6中电阻丝的一端连接NMOS管Q3的源极。充放电模块3中的滑动变阻器R2、R3、R5和R6的作用是为了适应铅酸电池组的电压范围，因为铅酸电池组是由多个电池组成的，整个铅酸电池组的电压范围是一个区间，而不是一个点，所以可以通过调节滑动变阻器R2、R3、R5和R6的阻值来适应不同的待操作电池。
控制模块4包括单片机P1，单片机P1包括第一电压检测端口、第二电压检测端口、第一电流检测端口、充电控制端口、放电控制端口和电源端口。第一电压检测端口连接第一电压采样点31，第二电压检测端口连接第二电压采样点32，第一电流检测端口连接第一电流采样点33，充电控制端口连接第一光耦合器OC1中发光二极管的正极，放电控制端口连接第二光耦合器OC2中发光二极管的正极，电源端口连接电压产生模块中三极管Q1的发射极。
以上就是本系统的电路结构，其中各部分参数为：
电压产生模块1中：R1＝10KΩ，三极管Q1的型号为2SC2383，稳压二极管D1的稳压值为9.1V，C1＝10uF，三端稳压器W1的型号为7805。
充放电驱动模块2中：R8＝13Ω，R9＝10KΩ，R10＝1KΩ，R11＝13Ω，R12＝10KΩ，R13＝1KΩ。
充放电模块3中：NMOS管Q2、Q3的型号均为IRF540N，R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝100KΩ，R7＝0.1Ω，电磁继电器K1为12V或者24V线圈工作电压继电器。
控制模块4中：单片机P1的型号为PIC12F683。
下面结合流程图来介绍一下如何利用本系统对额定电压为12V的待操作电池进行充电保护和放电保护。
充电保护过程：如图2所示，当充电器接入充电接口的正、负极时，单片机P1的第一电压检测端口检测到第一电压采样点31电压大于0且小于最大充电电压，单片机P1的充电控制端口给第一光耦合器OC1中的发光二极管供电，使得NMOS管Q2导通，并且此时电磁继电器K1的常开触点闭合，从而形成充电回路。当单片机P1的第一电压检测端口检测到第一电压采样点31电压等于最大充电电压时，单片机P1的充电控制端口停止给第一光耦合器OC1中的发光二极管供电，使得NMOS管Q2关断，从而断开充电回路，有效实现了对待操作电池的过充保护，并且此时单片机P1和充放电驱动模块2均不工作，有效降低了系统的功耗。其中，最大充电电压是待操作电池充电到电压上限值时第一电压采样点31的电压，本具体实施方式中最大充电电压为待操作电池被充电至14.83V时第一电压采样点31的电压。
放电保护过程：如图3所示，当负载接入放电接口的正、负极时，单片机P1的第二电压检测端口检测到第二电压采样点32电压大于最小放电电压，单片机P1的放电控制端口给第二光耦合器OC2中的发光二极管供电，使得NMOS管Q3导通，从而形成放电回路。当单片机P1的第二电压检测端口检测到第二电压采样点32电压等于最小放电电压时，单片机P1的放电控制端口停止给第二光耦合器OC2中的发光二极管供电，使得NMOS管Q3关断，从而断开放电回路，有效实现了对待操作电池的过放保护，并且此时单片机P1和充放电驱动模块2均不工作，有效降低了系统的功耗。此外，在放电的过程中，当单片机P1的第二电压检测端口检测到第一电流采样点33电流大于或等于最大放电电流时，单片机P1的放电控制端口停止给第二光耦合器OC2中的发光二极管供电，使得NMOS管Q3关断，从而断开放电回路，有效实现了对待操作电池的放电输出短路保护，防止待操作电池因过放而损坏。其中，最小放电电压是待操作电池放电到电压下限值时第二电压采样点32的电压，最大放电电流是待操作电池放电到电池所容许的电流上限值时第一电流采样点33的电流。本具体实施方式中最小放电电压是待操作电池被放电至10.8V时第二电压采样点32的电压，最大放电电流是23A。
Claims (7)
1.铅酸电池组保护系统，其特征在于：包括电压产生模块(1)、充放电驱动模块(2)、充放电模块(3)和控制模块(4)，充放电驱动模块(2)包括充电驱动单元(21)和放电驱动单元(22)；电压产生模块(1)产生放电驱动单元(22)所需电压和控制模块(4)的工作电压，充放电模块(3)产生充电驱动单元(21)所需电压，充放电模块(3)中设有分别与控制模块(4)连接的第一电压采样点(31)和第二电压采样点(32)；当控制模块(4)检测到第一电压采样点(31)电压大于0且小于最大充电电压时，控制模块(4)控制充电驱动单元(21)工作，充放电模块(3)中的充电回路接通，当控制模块(4)检测到第一电压采样点(31)电压等于最大充电电压时，控制模块(4)和充电驱动单元(21)均不工作，充放电模块(3)中的充电回路断开；当控制模块(4)检测到第二电压采样点(32)电压大于最小放电电压时，控制模块(4)控制放电驱动单元(22)工作，充放电模块(3)中的放电回路接通，当控制模块(4)检测到第二电压采样点(32)电压等于最小放电电压时，控制模块(4)和放电驱动单元(22)均不工作，充放电模块(3)中的放电回路断开；所述充电驱动单元(21)包括第一光耦合器OC1，放电驱动单元(22)包括第二光耦合器OC2；第一光耦合器OC1中发光二极管的正极连接控制模块(4)中的充电控制端口，第一光耦合器OC1中三极管的集电极和发射极分别连接充放电模块(3)，第二光耦合器OC2中发光二极管的正极连接控制模块(4)中的放电控制端口，第二光耦合器OC2中三极管的集电极连接电压产生模块(1)，第二光耦合器OC2中三极管的发射极连接充放电模块(3)；所述第一光耦合器OC1中发光二极管的负极通过电阻R10接地，第一光耦合器OC1中三极管的发射极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接NMOS管Q2的源极，第一光耦合器OC1中三极管的发射极还连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接NMOS管Q2的栅极；所述第二光耦合器OC2中发光二极管的负极通过电阻R13接地，第二光耦合器OC2中三极管的发射极连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接地，第二光耦合器OC2中三极管的发射极还连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接NMOS管Q3的栅极；所述充放电模块(3)包括电磁继电器K1，电磁继电器K1中线圈的一端连接充电接口的正极和电磁继电器K1的常开触点，电磁继电器K1中线圈的另一端连接滑动变阻器R2中金属杆的一端，滑动变阻器R2中电阻丝的一端连接NMOS管Q2的源极，NMOS管Q2的源极还连接充电接口的负极，NMOS管Q2的栅极连接第一光耦合器OC1中三极管的发射极，NMOS管Q2的漏极连接待操作电池的负极，待操作电池的正极连接电磁继电器K1的动触点，电磁继电器K1的常闭触点连接放电接口的正极，放电接口的负极连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的栅极连接第二光耦合器OC2中三极管的发射极，NMOS管Q3的源极连接待操作电池的负极；充电接口的正极还连接滑动变阻器R3中电阻丝的一端，滑动变阻器R3中金属杆的一端连接第一光耦合器OC1中三极管的集电极，滑动变阻器R3中电阻丝的另一端作为第一电压采样点(31)，滑动变阻器R3中电阻丝的另一端还连接滑动变阻器R5中金属杆的一端，滑动变阻器R5中电阻丝的一端连接充电接口的负极；放电接口的正极还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端作为第二电压采样点(32)，电阻R4的另一端还连接滑动变阻器R6中金属杆的一端，滑动变阻器R6中电阻丝的一端连接NMOS管Q3的源极；所述待操作电池为电池组的组成部分，电池组由多个待操作电池组成。
2.根据权利要求1所述的铅酸电池组保护系统，其特征在于：所述充放电模块(3)中还设有与控制模块(4)连接的第一电流采样点(33)；当控制模块(4)检测到第一电流采样点(33)电流大于或等于最大放电电流时，控制模块(4)控制放电驱动单元(22)不工作，断开充放电模块(3)中的放电回路。
3.根据权利要求1所述的铅酸电池组保护系统，其特征在于：所述电压产生模块(1)包括三极管Q1，三极管Q1的集电极连接待操作电池的正极，三极管Q1的基极连接稳压二极管D1的负极，稳压二极管D1的正极连接待操作电池的负极，三极管Q1的发射极连接三端稳压器W1的输入端，三端稳压器W1的输出端产生控制模块(4)的工作电压，三极管Q1的发射极产生放电驱动单元(22)所需电压。
4.根据权利要求3所述的铅酸电池组保护系统，其特征在于：所述三极管Q1的集电极与基极之间连接电阻R1，三极管Q1的发射极与待操作电池的负极之间连接电容C1。
5.根据权利要求1所述的铅酸电池组保护系统，其特征在于：所述NMOS管Q3的源极作为第一电流采样点(33)。
6.根据权利要求5所述的铅酸电池组保护系统，其特征在于：所述NMOS管Q3的源极还连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接待操作电池的负极。
7.根据权利要求1所述的铅酸电池组保护系统，其特征在于：所述控制模块(4)包括单片机P1，单片机P1包括第一电压检测端口、第二电压检测端口、第一电流检测端口、充电控制端口、放电控制端口和电源端口；第一电压检测端口连接第一电压采样点(31)，第二电压检测端口连接第二电压采样点(32)，第一电流检测端口连接第一电流采样点(33)，充电控制端口连接充电驱动单元(21)，放电控制端口连接放电驱动单元(22)，电源端口连接电压产生模块(1)。
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