CN108008312A - 蓄电池组状态在线测量电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了蓄电池组状态在线测量电路及方法，该在线测量电路包括由放电电阻组、芯片电流传感器和第一MOS管依次串联而成的放电测量电路，从放电电阻组端接出的正极线、以及从第一MOS管端接出的负极线上，分别分出有对应于蓄电池组的蓄电池数量N的正接线BatN1A和负接线BatN0A，在正接线BatN1A和负接线BatN0A上分别设有由选线继电器K控制的开关，正极线和负极线之间并联接有恒流充电电源，隔离继电器和第二MOS管串联而成的充电电路、电压传感器，控制器CPU控制该在线测量电路，该方法为通过闭合需要测量的单节电池两极的选线继电器，选取电池，获取电压和内阻数据，本发明能更精确地检测出异常单体蓄电池电压和内阻，且还能实现对落后的蓄电池进行均衡充电。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池组状态在线测量电路，本发明还涉及采用所述电路进行蓄电池组状态在线测量的方法。
背景技术
在48V通信电源屏、电力220V/110V直流屏、UPS电源屏和EPS电源屏中，蓄电池的使用量很大。由多个单体蓄电池之间串联形成一组蓄电池组，为这些电源屏提供后备能源。外部交流电正常时，由电源屏的整流充电模块给蓄电池组充电。当电网交流电停电时，由蓄电池组给电源屏提供不间断能源。
蓄电池组一般是由十几节，或是几十节单体蓄电池串联形成。整流充电模块并接在整组蓄电池的两端给蓄电池组充电，充电电流流过整组串联的每一个单体蓄电池。因单体蓄电池的性能参数存在微小个体差异，在给整组蓄电池的串联充电过程中，必然出现某些蓄电池已充满或过充，某些蓄电池还没有充满或欠充现象。长时间的积累，过充或欠充的蓄电池性能会急剧下降。一旦由多个单体蓄电池串联构成的蓄电池组中出现某一个蓄电池失效，就会导致整组蓄电池不能正常供电输出，从而引起严重停电事故。
目前对蓄电池组的检测，普遍采用的做法有两种：一种是定期对蓄电池组进行核对性放电。检查蓄电池组容量是否达标，这项工作是非常繁琐的。对蓄电池组放电和后续的充电需要持续几天时间，过程中产生大量的热能，并且工作人员必须职守在蓄电池室，不断的记录各节单体蓄电池的端电压，耗费大量的人力物力。而蓄电池由正常到落后的转换时间只需要半个月左右。在定期放电核对性维护的周期内往往不能发现落后的蓄电池，造成电源供电系统很大的安全隐患。另一种是采用在线电池巡检仪，仅在线测量每一节蓄电池电压。因蓄电池内部的复杂性，这种检测方法也是不完善的，不能准确检测出异常单体蓄电池的电流。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种蓄电池组状态在线测量电路。
本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供采用上述测量电路进行蓄电池组状态在线测量的方法。
采用本发明的在线测量电路进行蓄电池组状态在线测量，能更精确地检测出异常单体蓄电池电压和内阻，且还能实现对落后的蓄电池进行均衡充电。
本发明的原理是：首先由测量仪上的CPU程序分别控制多个继电器的投切，在线选择待测的某节单体蓄电池；然后在选出的该单体蓄电池两极由电路瞬间投入和切除辅助负载，让该单体蓄电池瞬间放电；在此过程中，由高速AD采样芯片采集该待测单体蓄电池两端电压的值U0、瞬间的电压差值U1、短时的电压差值U2；同时采集在辅助负载投入时，该待测蓄电池的放电电流I0；最后由欧姆定律R＝U/I，计算单体蓄电池的欧姆内阻和参考极化内阻；同时还可以由电路实现投入或切除对蓄电池的均衡充电和放电。
解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案。
一种蓄电池组状态在线测量电路，其特征是包括：
一由放电电阻组、芯片电流传感器U14和第一MOS管U11依次串联而成的放电测量电路，从放电电阻组端接出的正极线+Ibat、以及从第一MOS管U11端接出的负极线-Ibat上，分别分出有对应于所述蓄电池组的蓄电池数量N的正接线BatN1A和负接线BatN0A，在正接线BatN1A和负接线BatN0A上分别设有由选线继电器K控制的触点开关；所述的选片继电器各自设有控制电路，控制电路设有控制输入端。
一由恒流充电电源、隔离继电器K19、K20和第二MOS管U10串联而成的充电电路，两端并联接入所述的正极线(+Ibat)和负极线(-Ibat)；
一电压采集回路，并联接入所述的正极线+Vbat和负极线-Vbat；
一控制器CPU，通过硬件译码器分别连接所述各选线继电器的控制电路的输入端、隔离继电器的控制电路输入端、第一MOS管和第二MOS管的控制端；
所述正接线BatN1A和负接线BatN0A在测量时分别接入蓄电池组的各蓄电池的正负极。
所述的放电电阻组为：两个电阻R57和R58并联之后再串联一个熔芯Fu2，熔芯Fu2与芯片电流传感器U14连接。
所述的选片继电器的控制电路为：控制端来的控制信号经基极电阻连接三极管的基极，工作电压Vcc一端接入三极管的集电极、另一端经电阻后接三极管基极，三极管的发射极经继电器后接地，在继电器的两端还并联有二极管，其负极接地。
所述的芯片电流传感器U14的两个IP+端口外接熔芯Fu2、两个IP-端口连接第一MOS管的4个D端口、Vcc端口接工作电压Vcc、Vo端口经电阻R59后连接脉冲电流信号输出端、gnd端口经电容C9后连接到脉冲电流信号输出端。
所述的第一MOS管的三个S端口接负接线BatN0A、G端口接控制信号。
所述在线测量电路还包括AD芯片，所述电流传感器和电压采集回路的数据通过AD芯片传输给计算机。
所述CPU为32位ARM系列的STM32F407芯片，所述AD芯片为24Bit的ADS1255，所述MOS管为IRF7413，所述硬件译码器的型号为74HC154，所述电流传感器的型号为ACS712。
所述AD芯片通过由光电隔离的RS485通信口与计算机连接。
解决上述第二个技术问题，本发明所采用的技术方案如下。
一种蓄电池组状态在线测量方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，闭合需要测量的单节电池两极的选线继电器，由电压采集回路获取选取的单节电池两极的初始电压；
步骤二，延时闭合第一MOS管，通过电流传感器获取放电电流，同时通过电压采集回路再次获取放电电压；
步骤三，完成获取放电电流和放电电压后，断开第一MOS管；
步骤四，断开闭合的继电器。
在闭合需要测量的单节电池两极的继电器与闭合第一MOS管之间相隔的时间为20ms，在闭合第一MOS管之后的1ms内获取一次放电电流和放电电压，在闭合第一MOS管之后50ms时再获取一次放电电流和放电电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明由继电器和MOS管的配合完成在线测量，先合继电器，延时后再闭合MOS管，避开继电器触点的抖动时间；分断时，先分断MOS管，再分断继电器。由MOS管接通和分断大电流，继电器只作为隔离的选通通路，从而避免了继电器触点的抖动和拉弧，因此在对较大容量的电池进行测量时，该电路可以更好的测量，而现有的测量电路会由于拉弧、抖动等原因使得测量困难，出现较大误差。本发明避开了继电器触点的抖动，而且MOS管动作时间足够短，从而能获取更精确的数据。
2、在需要对存在问题或过充电的电池放电时，通过选线继电器选择该电池，再闭合第一MOS管，即可对该单体电池进行放电，达到了均衡放电。
3、在需要对存在问题或充电不足的电池充电时，通过选线继电器选择该电池，闭合隔离继电器，再闭合第二MOS管，即可对该单体电池进行充电，达到了均衡充电。
4、在需要对异常单体蓄电池激活时，通过选线继电器选择该电池，闭合隔离继电器，再脉动控制第二MOS管的分合，将外部引入的高电压值的电压源脉动加载在该蓄电池上。实现辅助异常蓄电池的激活活化。
附图说明
图1是本发明的蓄电池组状态在线测量电路的电路图；
图2是本发明的充电电路的电路图；
图3是本发明的电压采集回路的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述。
如图1所示为本发明的蓄电池组状态在线测量电路实施例的电路图，图中只显示了电池组的三个单节电池，由于与之连接的其他单节电池和电路为重复电路，已省略，图中K1～K7为继电器，Bat01～Bat03为电池组的单节电池，R57、R58和Fu2的组合为放电电阻组，U14为电流传感器，U11为第一MOS管。
该在线测量电路由放电电阻组、芯片电流传感器U14和第一MOS管U11依次串联而成的放电测量电路，MOS管为IRF7413，电流传感器U14的型号为ACS712，从放电电阻组端接出的正极线+Ibat、以及从第一MOS管U11端接出的负极线-Ibat上，分别分出有对应于蓄电池组的蓄电池数量N的正接线BatN1A和负接线BatN0A，图中正接线BatN1A包括正接线Bat11A、Bat21A和Bat31A，分别对应电池设置，负接线BatN0A包括负接线Bat10A、Bat20A和Bat30A，分别对应电池设置，正接线和负接线分别与对应的单节电池的电极连接。
放电电阻组为：两个电阻R57和R58并联之后再串联一个熔芯Fu2，熔芯Fu2与芯片电流传感器U14连接。芯片电流传感器U14的两个IP+端口外接熔芯Fu2、两个IP-端口连接第一MOS管的4个D端口、Vcc端口接工作电压Vcc、Vo端口经电阻R59后连接脉冲电流信号输出端、gnd端口经电容C9后连接脉冲电流信号输出端。第一MOS管的三个S端口接负接线BatN0A、G端口接控制信号。在闭合一组选线继电器K选取电池后，再闭合第一MOS管时，放电电阻对选取的电池进行放电，电流传感器U14将通过的电流转换为较小信号，其他装置可以通过电流传感器获取电流数据。
在正接线BatN1A和负接线BatN0A上分别设有由选线继电器K控制的触点开关，选线继电器K各自设有控制电路，控制电路设有控制输入端。选线继电器K的控制电路为：控制端来的控制信号经基极电阻连接三极管的基极，Vcc工作电压一端接入三极管的集电极、另一端经电阻后接三极管基极，三极管的发射极经继电器后接地，在继电器的两端还并联有二极管，其负极接地。
在正极线+Ibat和负极线-Ibat之间并联接入有由恒流充电电源和第二MOS管串联而成的充电电路。如图2所示为该实施例的充电电路，图中电路的右端的正负极连接恒流电源，左端分别与正极线+Ibat和负极线-Ibat连接，在该图上方的正极连接线上依次设有熔丝Ful、继电器K19及继电器K19的控制电路、二极管D22，在该图下方的负极连接线上依次设有第二MOS管U10、继电器K20及继电器K20的控制电路、二极管D23，第二MOS管U10的下端出线为控制端。
在通过选线继电器K选取单节电池后，闭合隔离继电器K19,K20,再闭合第二MOS管即可为选取的单节电池充电，可实现电池组的均衡充电，此时不可闭合第一MOS管U11。
该在线测量电路还包括控制器CPU，CPU为32位ARM系列的STM32F407芯片，CPU通过硬件译码器分别有导线连接各选线继电器K的控制电路的输入端、第一MOS管和第二MOS管的控制端，硬件译码器的型号为74HC154，CPU传输控制信号给硬件译码器，再由硬件译码器控制需要闭合的选片继电器K，硬件译码器提供硬件级互锁，通过硬件译码器能确保选出唯一的一组继电器，从而选出需要的电池，为后续提供通道，解决了串联蓄电池组的检测隔离问题。该在线测量电路还包括AD芯片，AD芯片为24Bit的ADS1255，电流传感器和电压采集回路分别与AD芯片连接，AD芯片通过由光电隔离的RS485通信口与计算机连接，电流传感器和电压采集回路的数据通过AD芯片传输给计算机。
如图3所示为该实施例的电压采集回路，在每个单节电池的连端均连接有PhotoMOSRELAYS光驱动器U1～U4，图中的U35为AD芯片ADS1255，U16为硬件译码器74HC154，该电压采集回路的输入U1～U4部分为现有的技术。
在上述的在线测量电路基础上使用的一种蓄电池组状态在线测量方法，其包括以下步骤：
步骤一，闭合需要测量的单节电池两极的选线继电器K，此时其余选线继电器K均为断开状态，由电压采集回路获取选取的单节电池两极的初始电压；
步骤二，在闭合需要测量的单节电池两极的继电器后，延时20ms，再闭合第一MOS管，从而避开继电器触点的抖动时间，使得之后能精准测量数据，此后，通过电流传感器获取两次放电电流，同时通过电压采集回路再次获取两次放电电压，获取的时间为：在闭合第一MOS管之后的1ms内获取一次放电电流和放电电压，在闭合第一MOS管之后50ms时再获取一次放电电流和放电电压。第一MOS管和继电器的结合，实现了瞬间闭合和断开，从而实现电池的在线测量。
步骤三，完成获取放电电流和放电电压后，断开第一MOS管；
步骤四，通过第一MOS管切断大电流后，再断开闭合的继电器。
放电电流和放电电压通过AD芯片后，输送给计算机，计算机通过初始电压、放电电流和放电电压计算选取的电池的欧姆内阻和参考极化内阻，从而精确的测量单体蓄电池的状态数据。
用上述的在线测量电路进行异常单体蓄电池的均衡放电包括以下步骤：
步骤一，闭合需要均衡放电的异常单体蓄电池两极的选线继电器K，此时其余选线继电器K均为断开状态，由电压采集回路获取选取的单节电池两极的初始电压；
步骤二，在闭合需要均衡放电的异常单体蓄电池两极的继电器后，延时20ms，再闭合第一MOS管，使得放电和测量都能得到精准数据，通过电压采集回路获取蓄电池电压数据。
步骤三，完成均衡放电后，断开第一MOS管；
步骤四，通过第一MOS管切断大电流后，再断开闭合的继电器。
用上述的在线测量电路进行异常单体蓄电池的均衡充电包括以下步骤：
步骤一，闭合需要均衡放电的异常单体蓄电池两极的选线继电器K，此时其余选线继电器K均为断开状态，由电压采集回路获取选取的单节电池两极的初始电压；
步骤二，闭合隔离继电器K19,K20后，延时20ms，再闭合第二MOS管U10，恒流电流通过该通路给异常单体蓄电池充电，通过电压采集回路获取蓄电池电压数据。
步骤三，完成均衡充电后，断开第二MOS管U10；
步骤四，通过第二MOS管切断大电流后，再断开闭合的继电器。
Claims (10)
1.一种蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于，包括：
一由放电电阻组、芯片电流传感器(U14)和第一MOS管(U11)依次串联而成的放电测量电路，从所述放电电阻组端接出的正极线(+Ibat)、以及从所述第一MOS管(U11)端接出的负极线(-Ibat)上，分别分出有对应于所述蓄电池组的蓄电池数量N的正接线(BatN1A)和负接线(BatN0A)，在所述正接线(BatN1A)和负接线(BatN0A)上分别设有由选线继电器(K)控制的开关；所述的选线继电器各自设有控制电路，所述控制电路设有控制输入端；
一由恒流充电电源、隔离继电器(K19,K20)和第二MOS管(U10)串联而成的充电电路，两端并联接入所述的正极线(+Ibat)和负极线(-Ibat)；
一电压采集回路，并联接入所述的正极线(+Vbat)和负极线(-Vbat)；
一控制器CPU，通过硬件译码器分别有导线连接所述各选线继电器的控制电路的输入端、第一MOS管和第二MOS管的控制端；
所述正接线(BatN1A)和负接线(BatN0A)在测量时分别接入蓄电池组的各蓄电池的正负极。
2.根据权利要求1所述的蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于：所述的放电电阻组为：两个电阻(R57和R58)并联之后再串联一个熔芯(Fu2)，所述熔芯(Fu2)与芯片电流传感器(U14)连接。
3.根据权利要求2所述的蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于：所述的选线继电器的控制电路为：控制端来的控制信号经基极电阻连接三极管的基极，工作电压(Vcc)一端接入所述三极管的集电极、另一端经电阻后接所述三极管基极，所述三极管的发射极经继电器后接地，在所述选线继电器的两端还并联有二极管，其负极接地。
4.根据权利要求3所述的蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于：所述的芯片电流传感器(U14)的两个IP+端口外接所述熔芯(Fu2)、两个IP-端口连接所述第一MOS管的4个D端口、Vcc端口接工作电压(Vcc)、Vo端口经电阻(R59)后连接脉冲电流信号输出端、gnd端口经电容(C9)后连接脉冲电流信号输出端。
5.根据权利要求4所述的蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于：所述的第一MOS管的三个S端口接所述负接线(BatN0A)、G端口接控制信号。
6.根据权利要求5所述的蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于：所述在线测量电路还包括AD芯片，所述电流传感器和电压采集回路的数据通过所述AD芯片传输给计算机。
7.根据权利要求6所述的蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于：所述CPU为32位ARM系列的STM32F407芯片，所述AD芯片为24Bit的ADS125，所述MOS管为IRF7413，所述硬件译码器的型号为74HC154，所述电流传感器的型号为ACS712。
8.根据权利要求7所述的蓄电池组状态在线测量电路，其特征在于：所述AD芯片通过由光电隔离的RS485通信口与所述计算机连接。
9.采用权利要求1至8任意一项所述的蓄电池组状态在线测量电路进行测量的蓄电池组状态在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，闭合需要测量的单节电池两极的所述选线继电器，由所述电压采集回路获取选取的单节电池两极的初始电压；
步骤二，延时闭合所述第一MOS管，通过所述电流传感器获取放电电流，同时通过所述电压采集回路再次获取放电电压；
步骤三，完成获取放电电流和放电电压后，断开第一MOS管；
步骤四，断开闭合的继电器。
10.根据权利要求9所述的蓄电池组状态在线测量方法，其特征在于：在闭合需要测量的单节电池两极的所述选线继电器与闭合所述第一MOS管之间相隔的时间为20ms，在闭合所述第一MOS管之后的1ms内获取一次放电电流和放电电压，在闭合所述第一MOS管之后50ms时再获取一次放电电流和放电电压。
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