CN107947264A - 一种直流屏蓄电池组管理与维护系统 - Google Patents

一种直流屏蓄电池组管理与维护系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，主要解决了直流屏蓄电池组中蓄电池单体过充电过放电中导致蓄电池组寿命急剧缩短的问题。该系统由若干个单体电池管理与维护子系统组成，子系统与子系统之间使用无限通讯模块连接，无限通讯模块与总控制模块连接，总控制模块与显示模块连接，无限通讯模块将子系统的数据输送到总控制模块；子系统包括蓄电池单体、均衡充电模块、电压检测模块、采样电阻和控制模块。通过上述方案，本发明达到了对蓄电池组中的每个单体蓄电池的管理与维护，充分的延长蓄电池组的使用寿命，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种直流屏蓄电池组管理与维护系统
技术领域
本发明属于能源设备技术领域，具体地讲，是涉及一种直流屏蓄电池组管理与维护系统。
背景技术
在发电厂和变电站中，直流电源扮演着一个非常重要的角色，为许许多多的直流设备提供直流电源，为各种直流设备和应急设备供能量，是当今电力系统控制系统和保护系统的根底。直流屏主要应用于电力系统中需要使用直流供电的设备，以及其他需要使用直流设备的用户。所有的这些设备都是由蓄电池组成的，为了延长蓄电池组的使用寿命，使其能够安全稳定的运行，需要对使用过程中的蓄电池进行维护与管理，对蓄电池运行状态下的电压、内阻等进行监控和测量，以确保蓄电池组始终处于良好的工作的状态。近年来针对蓄电池组的电量监测、电压测量、内阻监测，以及均衡充电的研究数不胜数。对于蓄电池组各个参数的测量方法，在各个领域研究下，产生了几种优劣不同的测量方法。
不仅如此，当前世界能源危机越来越严峻，储能技术的研究也是本世纪最重要的研究之一，而检测蓄电池的工作状态，对蓄电池的工作状态进行实时的监控和对使用中的蓄电池进行自动维护，可以延长蓄电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流屏电池组管理与维护系统，主要解决现有技术中存在的直流屏蓄电池组中蓄电池单体过充电过放电中导致蓄电池组寿命急剧缩短的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，包括若干个蓄电池单体管理与维护小系统，与蓄电池单体管理与维护小系统连接的无限通讯模块，与无限通讯模块连接的按键模块，以及与蓄电池单体管理与维护小系统连接的显示模块；所述蓄电池单体管理与维护子系统包括蓄电池单体，与蓄电池单体连接的均衡充电模块，与蓄电池单体连接的电压检测模块，与蓄电池单体连接的采样电阻模块，以及与电压检测模块与采样电阻模块均连接的控制模块；其中蓄电池单体管理与维护小系统相互间通过无限通讯模块连接；
所述均衡充电模块包括XL4015芯片，一端与芯片XL4015第5引脚连接、另一端接地的电容C6，正极同时与VCC和芯片XL4015第5引脚连接、负极接地的电解电容C5，第2引脚与芯片XL4015第5引脚连接、第1引脚接地的输入端连接器Vin，负极与芯片XL4015第3引脚连接、正极接地的二极管D2，一端与二极管D2负极连接的电感L1，正极与电感L1另一端连接、负极接地的电解电容C7，一端与芯片XL4015第3引脚连接、滑动端与芯片XL4015第2引脚连接的滑动变阻器Ru，一端与滑动变阻器Ru另一端连接、另一端接地的电阻R10，负极与芯片XL4015第2引脚连接的二极管D1，第1引脚与二极管D1正极连接的LM358芯片，一端与二极管负极连接、滑动端与芯片LM358第2引脚连接的滑动变阻器Ri，一端与滑动变阻器Ri另一端连接、另一端接地的电阻R12，一端与芯片LM358第3引脚连接、另一端接地的电阻R11，第2引脚与芯片LM358第3引脚连接、第1引脚与电感L1的另一端连接的连接器Vout，以及一端与连接器Vout第1引脚连接、另一端接地的电容C8，其中，芯片XL4015第1引脚接地，芯片XL4015第4引脚接控制器使能端EN，芯片LM358第4引脚接VCC，芯片LM358第5引脚接地。
进一步地，所述电压检测模块包括ADS1115芯片，一端与芯片ADS1115第1引脚连接、另一端与控制器连接的电阻R2，一端与芯片ADS1115第2引脚连接、另一端与控制器连接的电阻R1一端与芯片ADS1115第4引脚连接、一端接VCC的电阻R3，并联后一端与芯片ADS1115第4引脚连接、另一端接地的电容C1与电容C2，一端与芯片ADS1115第5引脚连接、另一端接地的电容C4，一端与芯片ADS1115第5引脚连接的电阻R7，一端与采样电阻模块、另一端与电阻R7另一端连接的电阻R8，一端与电阻R7另一端连接、另一端接地的电阻R9，一端与芯片ADS1115第8引脚连接、另一端接地的电容C3，一端芯片ADS1115第8引脚连接电阻R6，一端与电阻R6另一端连接、另一端接地的电阻R5，以及，一端与电阻R6另一端连接、另一端接采样电阻模块的电阻R4，其中，芯片ADS1115第3引脚接地。
进一步地，所述采样电阻模块包括第3引脚与电阻R8连接的继电器芯片SPDT，一端与芯片SPDT第1引脚连接、另一端接地的电阻R13，正极与芯片SPDT第2引脚连接、另一端接5V电源的二极管D3，集电极与芯片SPDT第2引脚连接、发射极接地的三极管Q1，一端与三极管Q1基极连接的电阻R14，第1引脚与电阻R14另一端连接、第1引脚接电阻R8的连接器J3。
进一步地，所述控制模块采用STM32系列单片机。
进一步地，所述无限通讯模块采用ESP866通讯模块。
进一步地，所述继电器选用TQC-3FF型。
具体地，所述显示模块采用2.0的液晶显示屏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用均衡充电模块对于整个系统来说非常关键，均衡充电模块的整个电路可以看作两部分组成，一部分是XL4015A电源管理芯片构成恒压电路，另一部分是由XL4015与LM358构成的恒流源电路，实际工作中，根据蓄电池状态选取不同的输出模式。
(2)本发明在充电过程中将蓄电池单体从系统中隔离出来或者对单个电池进行并联充电，对每个模块设置一个浮充电压，通过对ADC连续采集5个电压数，5个数最中间的那个数选取为实际测量电压值，充电的时候通过ADC采集到的蓄电池电压值和设置的浮充电压值一直进行比较，当蓄电池端电压值达到设置的浮充电压值时停止充电，如此反复，整个蓄电池组中的单个蓄电池电压最终达到一个均衡的状态。
(3)本发明设置3个按键，分别代表不同的按键功能，每个按键分别接在单片机的I/O口上，当有按键按下时，单片机收到一个低电平，单片机做出相应响应，相比一键多功能，节约了响应时间，可以更好的保护蓄电池，而且在调试过程中也更加方便,并且开关外部并联一个电容可以消除发出信号时的抖动，防止误操作的发生。
(4)本发明采用STM32F103C8T6，具有9个接口共计5种，并且接口的通讯速率快，而且STM32F103C8T6本身具有高性能、低功耗的优点，拥有I/O口80个，大容量存储空间等优势。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明电压检测电路硬件原理图。
图3为本发明的电阻检测电路原理图。
图4为本发明的均衡充电模块硬件原理图。
图5为本发明的按键电路原理图。
图6为本发明15V-5V稳压电路原理图。
图7为本发明5V-3.3V稳压电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图7所示，一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，包括若干个蓄电池单体管理与维护小系统、无限通讯模块、按键模块及显示模块；所述蓄电池单体管理与维护子系统包括蓄电池单体、均衡充电模块、电压检测模块、采样电阻模块和控制模块；其中蓄电池单体管理与维护小系统相互间通过无限通讯模块连接，无限通讯模块、按键模块、显示模块、电压检测模块、采样电阻模块均与控制模块相连接，蓄电池单体与均衡充电模块相连，且电压检测模块、采样电阻模块与蓄电池相连。
并且控制模块采用拥有多达9个通讯接口的STM32F103C8T6单片机，无限通讯模块采用ESP866通讯模块，显示模块采用一块2.0的液晶显示屏，电压检测模块采用ADS1115芯片具有内部基准的超小型、低功耗、16位分辨率高精度数模转换器。电压检测模块主芯片为ADS1115，ADS1115芯片封装共有8个引脚，5V电源经过C1，C2去耦和滤波过后接入ADS作为电源，5、6、7、8引脚是模拟电压输入通道0、1、2、3，由于ADS1115只对0-5V电压采集的时候分辨率才能够达到16位，而蓄电池浮充电压为13.8V，所以蓄电池电压信号不能直接输入ADS1115芯片，需要经过分压处理之后才能输入芯片进行模数转换。如图2所示，蓄电池单体正极电压接入系统，通过R8，R9分压之后输入，R7主要起到限流保护作用，C4的主要作用是去耦和滤波。
蓄电池电阻检测模块硬件设计原理图如图3所示，在蓄电池正极接一个JQC-3FF型继电器，然后在继电器另一输出端接入一个精确电阻。测量电阻时，关继电器，将蓄电池单体开路电压E检测出来，然后将电阻R13接入电路，测得此时蓄电池单体两端电压U，继电器1、3脚在正常时候是断开的，当2、5脚通电之后，继电器内部结构发生改变，1、3脚互通将采样电阻接入蓄电池正极。继电器的驱动是采用常用的三极管驱动，5脚接5V直流电源，当三极管基极通电也就是接收到触发信号时，三级管导通。三极管基极和发射极之间导通压降只有0.7V，电压为3.3V，可能会输出一个较大的电流，为了防止三级管被击穿，所以接入R14限制电流的增加。而2、5脚之间实际上连接有一个电感，当测量完毕，断电的瞬间会产生一个非常大的电流，如果不采取保护措施的话，三级管也会被击穿，当接入一个二极管，断电之后，电感和二极管D1之间会形成一个自回路，起到续流的作用，不会对三级管造成冲击
均衡充电模块对于整个系统来说非常关键，均衡充电模块如图4所示，整个电路可以看作两部分组成，一部分是XL4015A电源管理芯片构成恒压电路，另一部分是由XL4015与LM358构成的恒流源电路，实际工作中，根据蓄电池状态选取不同的输出模式，不带恒流功能的设计是不能用来给蓄电池充电的，在实际使用中，耗完电的蓄电池与充电模块的压差较大。会导致充电电流过高，导致蓄电池损坏，所以刚开始对蓄电池充电的时候应该使用恒流充电，当充到一定程度时切换为恒压充电，其中XL4015是开关降压型DC-DC转换芯片；均衡充电模块采用15V直流适配器直接供电。
每个蓄电池连接一个小系统，系统间通过ESP866无限通讯模块将各种数据信息传递到STM32F103C8T6单片机内，蓄电池充电采用恒压恒流的充电方法进行充电，按下SW2开关，STM32F103C8T6单片机收到一个低电平信号，STM32F103C8T6单片机判断后进行充电，对每个模块设置一个浮充电压，通过采样电阻模块的16位ADC连续采集5个电压数并显示在2.0的液晶显示屏，采集到的5个数中，数值在最中间的那个数即为实际测量电压值，充电过程中，ADC连续性的采集蓄电池电压值并与设置的浮充电压值一直进行比较，当蓄电池端电压值达到设置的浮充电压值时停止充电，如此反复对各个蓄电池进行充电，整个蓄电池组中的单个蓄电池电压最终达到一个均衡的状态，同时也可以通过按下SW1停止充电，并且开关外部并联一个电容可以消除发出信号时的抖动防止误操作的发生，其中按键电路如图5所示。
供电部分，均衡充电模块采用15直流适配器直接供电，供电电压稳定；继电器和液晶显示器需要使用5V进行供电，所以需要对15V直流电压稳压到5V，如图6所示，是一个具有15V输入5V输出的直流稳压电路，IC采用的是德州仪器生产的降压开关型集成稳压芯片，内部含固定频率振荡器和基准电压，并具有完善的保护电路、热关段等。主控模块的STM32单片机额定工作电压为3.3V，所以采用类似的方法进行稳压，如图7所示为5V稳压到3.3V电路原理图，IC采用的是AMS1117，输入5V电压，输出端固定输出3.3V电压，C14，C15，C16为高频去耦电容。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，其特征在于，包括若干个蓄电池单体管理与维护小系统，与蓄电池单体管理与维护小系统连接的无限通讯模块，与无限通讯模块连接的按键模块，以及与蓄电池单体管理与维护小系统连接的显示模块；所述蓄电池单体管理与维护子系统包括蓄电池单体，与蓄电池单体连接的均衡充电模块，与蓄电池单体连接的电压检测模块，与蓄电池单体连接的采样电阻模块，以及与电压检测模块与采样电阻模块均连接的控制模块；其中蓄电池单体管理与维护小系统相互间通过无限通讯模块连接；
所述均衡充电模块包括XL4015芯片，一端与芯片XL4015第5引脚连接、另一端接地的电容C6，正极同时与VCC和芯片XL4015第5引脚连接、负极接地的电解电容C5，第2引脚与芯片XL4015第5引脚连接、第1引脚接地的输入端连接器Vin，负极与芯片XL4015第3引脚连接、正极接地的二极管D2，一端与二极管D2负极连接的电感L1，正极与电感L1另一端连接、负极接地的电解电容C7，一端与芯片XL4015第3引脚连接、滑动端与芯片XL4015第2引脚连接的滑动变阻器Ru，一端与滑动变阻器Ru另一端连接、另一端接地的电阻R10，负极与芯片XL4015第2引脚连接的二极管D1，第1引脚与二极管D1正极连接的LM358芯片，一端与二极管负极连接、滑动端与芯片LM358第2引脚连接的滑动变阻器Ri，一端与滑动变阻器Ri另一端连接、另一端接地的电阻R12，一端与芯片LM358第3引脚连接、另一端接地的电阻R11，第2引脚与芯片LM358第3引脚连接、第1引脚与电感L1的另一端连接的连接器Vout，以及一端与连接器Vout第1引脚连接、另一端接地的电容C8，其中，芯片XL4015第1引脚接地，芯片XL4015第4引脚接控制器使能端EN，芯片LM358第4引脚接VCC，芯片LM358第5引脚接地。
2.根据权利要求1所述的一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，其特征在于，所述电压检测模块包括ADS1115芯片，一端与芯片ADS1115第1引脚连接、另一端与控制器连接的电阻R2，一端与芯片ADS1115第2引脚连接、另一端与控制器连接的电阻R1一端与芯片ADS1115第4引脚连接、一端接VCC的电阻R3，并联后一端与芯片ADS1115第4引脚连接、另一端接地的电容C1与电容C2，一端与芯片ADS1115第5引脚连接、另一端接地的电容C4，一端与芯片ADS1115第5引脚连接的电阻R7，一端与采样电阻模块、另一端与电阻R7另一端连接的电阻R8，一端与电阻R7另一端连接、另一端接地的电阻R9，一端与芯片ADS1115第8引脚连接、另一端接地的电容C3，一端芯片ADS1115第8引脚连接电阻R6，一端与电阻R6另一端连接、另一端接地的电阻R5，以及，一端与电阻R6另一端连接、另一端接采样电阻模块的电阻R4，其中，芯片ADS1115第3引脚接地。
3.根据权利要求2所述的一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，其特征在于，所述采样电阻模块包括第3引脚与电阻R8连接的继电器芯片SPDT，一端与芯片SPDT第1引脚连接、另一端接地的电阻R13，正极与芯片SPDT第2引脚连接、另一端接5V电源的二极管D3，集电极与芯片SPDT第2引脚连接、发射极接地的三极管Q1，一端与三极管Q1基极连接的电阻R14，第1引脚与电阻R14另一端连接、第1引脚接电阻R8的连接器J3。
4.根据权利要求3所述的一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，其特征在于，所述控制模块采用STM32系列单片机。
5.根据权利要求4所述的一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，其特征在于，所述无限通讯模块采用ESP866通讯模块。
6.根据权利要求5所述的一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，其特征在于，所述继电器选用TQC-3FF型。
7.根据权利要求6所述的一种直流屏蓄电池组管理与维护系统，其特征在于，所述显示模块采用2.0的液晶显示屏。
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