CN108808778A - 一种智能蓄电池充放电结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于蓄电池充放电设备领域，尤其涉及一种智能蓄电池充放电结构。本发明的智能蓄电池充放电结构通过简化电路结构，通过隔离各部分结构，采用复用结构，在实现充放电监控管理的基础之上，降低了电路成本，提高安全性，为设计高效安全的蓄电池充放电设备以及方案提供了基础。
Description
技术领域
本发明属于蓄电池充放电设备领域，尤其涉及一种智能蓄电池充放电结构。
背景技术
目前直流供电系统对蓄电池组配置有严格要求，同一直流系统中配置的所有蓄电池应采用同品牌、同型号甚至是同批次的蓄电池组，从而降低蓄电池组或单体电池之间性能差异对直流供电系统安全运行的不良影响。传统的蓄电池充放电过程是基于人的控制过程。由专门人员在特定环境中对蓄电池进行充放电的操作。这样做不仅会耗费大量的人力、物力和财力，也会导致对蓄电池维护效率的大大降低。随着半导体技术、计算机技术、通信技术以及相应处理算法的出现和快速发展，蓄电池的充放电过程和维护越来越无人化和智能化。目前所使用的蓄电池充放电管理装置一般都是依据蓄电池的充放电曲线，根据蓄电池的SOC量来对蓄电池进行充放电管理。这样做的问题是算法复杂，计算量大，成本相对较高，不能够有效地实现对蓄电池的维护，从而有效地延长蓄电池的使用寿命。而且频繁地充放电也会对蓄电池造成损害，从而影响蓄电池的使用寿命。另一方面，蓄电池会被用于某些无人值守的地方，如果派专人进行维护，不仅工作量大，同时也会降低蓄电池的安全性。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种更安全有效的蓄电池充放电结构，隔离危险因素，防止电路短路或者电压串入等问题，提高设备内芯片的安全性。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种智能蓄电池充放电结构，包括串联蓄电池组，
包括用于处理数据的主控芯片，所述主控芯片设有用于连接外部电路的IO数据端口，用于输出PWM信号的定时器，用于实现电压检测的ADC；
包括用于为各芯片以及模块供电的电源模块，所述电源模块包括第一电源，第二电源以及辅助电源，第一电源包括用于作为电源芯片的LM2940S稳压芯片，LM2940S稳压芯片的IN输入端连接至6～15V的外部直流电源，LM2940S的IN输入端和GND端之间设有 CT1输入钽电容，LM2940S的OUT输入端和GND端之间设有CT2输出钽电容，CT1输入钽电容和CT2输出钽电容两侧还分别跨接有用于消除高频信号的滤波电容C23和C24；第二电源包括AMS1117稳压器，第一电源的OUT端输出信号作为AMS1117的IN端的输入信号，AMS1117的IN端和GND端之间还设有滤波电容C22；AMS1117稳压器的OUT输出端与GND端之间接有并联的输出钽电容CT3以及滤波电容C21；辅助电源包括LM5010稳压芯片，LM5010稳压芯片中，SW引脚用于电压输出，FB引脚连接至芯片内的比较器作为反馈引脚；
包括用于对环境温度以及蓄电池组进行温度检测的温度检测模块，温度检测模块包括设置在各蓄电池上的DS1820传感器，所述DS1820传感器挂载在同一根总线上并通过总线连接至LM2940S的IO数据端口；
包括用于对串联蓄电池进行电压检测的电压检测模块，电压检测模块包括分压控制电路以及电压隔离电路；分压控制电路中包括用于实现对分压网络的选通的隔离控制多个 TPL179D光耦继电器，TPL179D光耦继电器；各TPL179D光耦继电器的4脚分别连接至各蓄电池的正极，各TPL179D光耦继电器的1脚分别连接至主控芯片STM32的IO口； STM32通过各IO口控制各光耦继电器的通断；电压隔离电路由线性光耦一个NCNR201以及两个精密运放OPA2180构成，两个精密运放OPA2180分别与NCNR201构成隔离输入电路以及隔离输出电路；在隔离输入电路中，分压电路的输出电压输入至第一OPA2180的A 运放的+INA端，其输出端OUTA通过电阻Rr2连接至A运放的-INA端，第一OPA2180的A 运放的输出端通过限流电阻Rr1后连接至NCNR201的LED正极以使LED发光供电；LED发光后，NCNR201内的两个二极管PD1和PD2分别产生感应电流，PD1产生的电流经过电阻RH1后引入第一OPA2180的B运放的+INB端；在隔离输出电路中，PD2产生的感应电流经过电阻RH2和Rr4连接第二OPA2180的+INA端，第二OPA2180的OUTA端经电阻Rr5连接其-INA端构成电压跟随器，所述电压跟随器的输出电压VA1连接至主控芯片的ADC引脚；
包括电流检测模块，电流检测模块由线性电流传感器ACS712和第三OPA2180构成，ACS712的两个IP-引脚连接至蓄电池组的正极，ACS712的输出端VIOUT依次连接分压电阻Rc1和Rc2后接地，两个分压电阻中间引出输出端输出电压Vcr；Vcr接入第三OPA2180的 +INB端，Vcr经过B运放转换成VA2后接入STM32的采样口。
进一步地，本发明的智能蓄电池充放电结构还包括用于进行计时的DS3231时钟芯片以及用于存储数据的AT24C32数据存储芯片，两个芯片均接入3.3V电压，并且挂载在同一个I2C总线上；其中AT24C32的A0、A1、A2引脚连接至高电平；DS3231的VBAT引脚连接蓄电池组供电；。
进一步地，对本发明的智能蓄电池充放电结构进一步优化还包括，所述第一电源输出电压为5V，所述第二电源输出电压为3.3V，所述辅助电源输出12V和5V电压，所述电压检测模块中的第一OPA2180使用12V辅助电源供电，第二OPA2180使用5V辅助电源供电。
进一步地，对本发明的智能蓄电池充放电结构进一步优化还包括，所述电流检测模块中，分压电阻Rc2还并联有滤波电容C32。
其有益效果在于：
电源模块为各芯片以及整个结构的稳定运行提供了基础，通过多个电源的设计对不同电压等级的需求进行匹配满足，各电源之间相互隔离，有效防止电源之间以及设备之间异常问题的连锁影响，通过稳定输出的设计以及过滤结构对输入输出信号进行有效保护和隔离，提高信号的准确性稳定性；串行总线结构的温度传感模块能够有效减少IO口资源的需求，在节省整个结构资源需求的同时，降低可能产生误差的接口数目，提高结构性能，提高安装效率，降低维护设计的工作量；隔离式的电压和电流检测模块，保证了整个结构的安全，分呀控制设计实现检测电路的复用，降低电路成本。本发明的智能蓄电池充放电结构通过简化电路结构，通过隔离各部分结构，采用复用结构，在实现充放电监控管理的基础之上，降低了电路成本，提高安全性，为设计高效安全的蓄电池充放电设备以及方案提供了基础。
附图说明
图1是本发明的实施例的结构架构图；
图2是本发明实施例中第一电源的结构原理图；
图3是本发明实施例中第二电源的结构原理图；
图4是本发明实施例中辅助电源的结构原理图；
图5是本发明实施例中分压控制电路的结构原理图；
图6是本发明实施例中电压隔离电路结构原理图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
本发明的智能蓄电池充放电结构的实施例的具体架构图如图1所示，其主要由控制芯片、温度检测电路、电流检测电路、电压检测电路构成，其他结构还包括显示电路、通信电路以及存储和时钟模块电路等。为保证系统安全，电压、电流检测采用隔离方法进行，以防止电路因短路等问题导致电池组电压串入，造成芯片大量烧毁。
本实施例中采用STM32F32F103RCT6作为主控芯片，主控芯片核心外围电路主要包括用于实现时钟、复位、BOOT、JTAG等功能的电路。
由于本发明中需要使用多个不同等级的电源以满足各芯片以及各模块的电压需求，因此本发明的电源模块包括第一电源(如图2所示)，第二电源(如图3所示)以及辅助电源(如图4所示)，第一电源包括用于作为电源芯片的LM2940S稳压芯片，LM2940S稳压芯片的IN输入端连接至6～15V的外部直流电源，LM2940S的IN输入端和GND端之间设有CT1输入钽电容，LM2940S的OUT输入端和GND端之间设有CT2输出钽电容，CT1 输入钽电容和CT2输出钽电容两侧还分别跨接有用于消除高频信号的滤波电容C23和C24；第二电源包括AMS1117稳压器，第一电源的OUT端输出信号作为AMS1117的IN端的输入信号，AMS1117的IN端和GND端之间还设有滤波电容C22；AMS1117稳压器的OUT输出端与GND端之间接有并联的输出钽电容CT3以及滤波电容C21；辅助电源包括LM5010稳压芯片，LM5010稳压芯片中，SW引脚用于电压输出，FB引脚连接至芯片内的比较器作为反馈引脚；
设计中的芯片的工作电压各不相同，主控芯片STM32F32F103RCT6需要3.3V供电，而电流检测电路以及显示模块中的芯片等结构需要5V电源进行供电，电压检测模块中的电路需要需要与上述5V、3.3V电源隔离的12V和5V辅助电源单独供电以实现电器隔离，防止相互干扰。
本实施例中的第一电源选取LM2940S-5.0稳压芯片作为5V电源控制芯片，该电源控制芯片的输入端采用6V～15V电压等级的电池或直流电源等外部电源进行供电，LM2940S的 IN输入端和GND端之间设有CT1输入钽电容，LM2940S的OUT输入端和GND端之间设有CT2输出钽电容，C23和C24为滤波电容并分别与CT1和CT2并联，用于滤除输入输出中的高频干扰信号，提高信号的准确度。
第二电源包括AMS1117稳压器，第一电源的OUT端输出信号作为AMS1117的IN端的输入信号，AMS1117的IN端和GND端之间还设有滤波电容C22；AMS1117稳压器的OUT 输出端与GND端之间接有并联的输出钽电容CT3以及滤波电容C21，其具体电路如图3所示；辅助电源可以由串联铅酸电池组进行供电，宽输入电压降压开关稳压芯片LM5010作为12V辅助电源芯片；辅助电源电路用于输出与第一电源和第二电源隔离的5V和12V电压，其中LM5010的2脚SW为电压输出引脚；9脚FB为输出反馈引脚，连接到芯片内部调节和过压比较器；Rs1为反馈采样电阻，通过调节其与Rs2、Rs3的比例关系可调整LM5010 的输出电压。
温度检测模块需要对多个温度数据进行检测(包括环境温度以及蓄电池温度)，为节省主控芯片IO端口资源，设计采用DS1820传感器进行温度检测，DS18B20是一种单总线温度传感器，可在线挂载多个DS18B20的方式对蓄电池组中的多个蓄电池进行温度检测
本发明中用于对串联蓄电池进行电压检测的电压检测模块，电压检测模块包括分压控制电路(如图5所示)以及电压隔离电路(如图6所示)；分压控制电路中包括用于实现对分压网络的选通的隔离控制多个TPL179D光耦继电器，TPL179D光耦继电器；各 TPL179D光耦继电器的4脚分别连接至各蓄电池的正极，各TPL179D光耦继电器的1脚分别连接至主控芯片的IO口；STM32通过各IO口控制各光耦继电器的通断；电压隔离电路由线性光耦一个NCNR201以及两个精密运放OPA2180构成，两个精密运放OPA2180分别与NCNR201构成隔离输入电路以及隔离输出电路；在隔离输入电路中，分压电路的输出电压输入至第一OPA2180的A运放的+INA端，其输出端OUTA通过电阻Rr2连接至A运放的 -INA端，第一OPA2180的A运放的输出端通过限流电阻Rr1后连接至NCNR201的LED正极以使LED发光供电；LED发光后，NCNR201内的两个二极管PD1和PD2分别产生感应电流， PD1产生的电流经过电阻RH1后引入第一OPA2180的B运放的+INB端；在隔离输出电路中，PD2产生的感应电流经过电阻RH2和Rr4连接第二OPA2180的+INA端，第二OPA2180 的OUTA端经电阻Rr5连接其-INA端构成电压跟随器，所述电压跟随器的输出电压VA1连接至主控芯片的ADC引脚；
特别的，由于后级隔离转换电路输入电压要低于主控芯片的采样最高电压，为使得分压电路的输出电压保持在合理范围，需要根据蓄电池组充电时最高端电压以及放电时蓄电池组的最低端电压对电路的具体参数进行调整。为提线路检测精度，减少因电阻误差和温漂而造成的误差，电路中采用低温漂精密电阻。
电流检测模块由线性电流传感器ACS712和第三OPA2180构成，ACS712的两个IP-引脚连接至蓄电池组的正极，ACS712的输出端VIOUT依次连接分压电阻Rc1和Rc2后接地，两个分压电阻中间引出输出端输出电压Vcr；Vcr接入第三OPA2180的+INB端，Vcr经过B 运放转换成VA2后接入主控芯片的采样口。
本实施例中选取ACS712系列芯片中量程为20A的ACS712ELCTR-20A作为电流检测芯片其在电流为10A是输出电压为3.5V左右，超过主控芯片AD采样的最高电压3.3V，需要对其进行分压后才能接入单片机AD采样端口。设计中采用20kΩ的精密电阻Rc1，30KΩ精密电Rc2对ACS712输出电压进行分压，以保证其输出电压不会超过3.3V，其输出电压为 Vcr。将分压输出Vcr经过运放A2构成电压跟随器后转换成VA2，然后再送入主控芯片的采样口，运放的输入电阻对分压电路产生影响可忽略。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。
Claims (5)
1.一种智能蓄电池充放电结构，包括串联蓄电池组，其特征在于，
包括用于处理数据的主控芯片，所述主控芯片设有用于连接外部电路的IO数据端口，用于输出PWM信号的定时器，用于实现电压检测的ADC；
包括用于为各芯片以及模块供电的电源模块，所述电源模块包括第一电源，第二电源以及辅助电源，第一电源包括用于作为电源芯片的LM2940S稳压芯片，LM2940S稳压芯片的IN输入端连接至6～15V的外部直流电源，LM2940S的IN输入端和GND端之间设有CT1输入钽电容，LM2940S的OUT输入端和GND端之间设有CT2输出钽电容，CT1输入钽电容和CT2输出钽电容两侧还分别跨接有用于消除高频信号的滤波电容C23和C24；第二电源包括AMS1117稳压器，第一电源的OUT端输出信号作为AMS1117的IN端的输入信号，AMS1117的IN端和GND端之间还设有滤波电容C22；AMS1117稳压器的OUT输出端与GND端之间接有并联的输出钽电容CT3以及滤波电容C21；辅助电源包括LM5010稳压芯片，LM5010稳压芯片中，SW引脚用于电压输出，FB引脚连接至芯片内的比较器作为反馈引脚；
包括用于对环境温度以及蓄电池组进行温度检测的温度检测模块，温度检测模块包括设置在各蓄电池上的DS1820传感器，所述DS1820传感器挂载在同一根总线上并通过总线连接至LM2940S的IO数据端口；
包括用于对串联蓄电池进行电压检测的电压检测模块，电压检测模块包括分压控制电路以及电压隔离电路；分压控制电路中包括用于实现对分压网络的选通的隔离控制多个TPL179D光耦继电器，TPL179D光耦继电器；各TPL179D光耦继电器的4脚分别连接至各蓄电池的正极，各TPL179D光耦继电器的1脚分别连接至主控芯片的IO口；STM32通过各IO口控制各光耦继电器的通断；电压隔离电路由线性光耦一个NCNR201以及两个精密运放OPA2180构成，两个精密运放OPA2180分别与NCNR201构成隔离输入电路以及隔离输出电路；在隔离输入电路中，分压电路的输出电压输入至第一OPA2180的A运放的+INA端，其输出端OUTA通过电阻Rr2连接至A运放的-INA端，第一OPA2180的A运放的输出端通过限流电阻Rr1后连接至NCNR201的LED正极以使LED发光供电；LED发光后，NCNR201内的两个二极管PD1和PD2分别产生感应电流，PD1产生的电流经过电阻RH1后引入第一OPA2180的B运放的+INB端；在隔离输出电路中，PD2产生的感应电流经过电阻RH2和Rr4连接第二OPA2180的+INA端，第二OPA2180的OUTA端经电阻Rr5连接其-INA端构成电压跟随器，所述电压跟随器的输出电压VA1连接至主控芯片的ADC引脚；
包括电流检测模块，电流检测模块由线性电流传感器ACS712和第三OPA2180构成，ACS712的两个IP-引脚连接至蓄电池组的正极，ACS712的输出端VIOUT依次连接分压电阻Rc1和Rc2后接地，两个分压电阻中间引出输出端输出电压Vcr；Vcr接入第三OPA2180的+INB端，Vcr经过B运放转换成VA2后接入主控芯片的采样口。
2.根据权利要求1所述一种智能蓄电池充放电结构，其特征在于，包括用于进行计时的DS3231时钟芯片以及用于存储数据的AT24C32数据存储芯片，两个芯片均接入3.3V电压，并且挂载在同一个I2C总线上；其中AT24C32的A0、A1、A2引脚连接至高电平；DS3231的VBAT引脚连接蓄电池组供电。
3.根据权利要求1所述一种智能蓄电池充放电结构，其特征在于，所述第一电源输出电压为5V，所述第二电源输出电压为3.3V，所述辅助电源输出12V和5V电压，所述电压检测模块中的第一OPA2180使用12V辅助电源供电，第二OPA2180使用5V辅助电源供电。
4.根据权利要求1所述一种智能蓄电池充放电结构，其特征在于，所述电流检测模块中，分压电阻Rc2还并联有滤波电容C32。
5.根据权利要求1所述一种智能蓄电池充放电结构，其特征在于，所述主控芯片是指STM32F32F103RCT6。
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