CN110601324A - 电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，输出电路包括两组以上的AC/DC充电模块、两组以上的电池组以及两组以上的DC/DC模块，各组AC/DC充电模块分别与220V交流市电连接，每组AC/DC充电模块分别与一组电池组连接，通过AC/DC充电模块将交流市电转换成低压直流电给电池组供电，每组电池组分别与一组DC/DC模块连接，各组DC/DC模块输出端并联连接，输出进行供电。本发明采用两组以上并联连接的单格电池组经升压后进行输出供电，其单格电池组中有单体损坏时，仅需更换单格电池组即可，无需全部电池进行更换，既可以满足供电需要，又可减少维修时的浪费。
Description
技术领域
本发明公开一种电池组输出电路，特别是一种电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路。
背景技术
后备电源是一种离线设备，它仅仅在正常的电源受到干扰时才工作。后备电源系统使用一种特别的可以感受交流线路电压的电路，如果传感器检测到线路上电压降低，系统很快就切换到后备电池和电源变换器上，电源变换器将电池电源转化为220V/110V的交流电源，然后提供给系统。后备电源通常采用的是电池组实现的。
目前，电池组作为后备电源，大部分都是串联一组使用，其中，如果有一节电池出现落后或故障，将会影响整组电池的正常运行，但是，维修时，如果只更换故障或落后的电池，由于新旧电池特性的不一致，会造成整组电池的特性不佳，因此，大部分时候都是采用整组更换，而造成不必要的浪费。
发明内容
针对上述提到的现有技术中的后备电源采用串联方式连接，当单体电池损坏时，只能整串进行更换，造成不必要的浪费的缺点，本发明提供一种电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其采用两组以上并联连接的单格电池组经升压后进行输出供电，可减少维修时的浪费。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，输出电路包括两组以上的AC/DC充电模块、两组以上的电池组以及两组以上的DC/DC模块，各组AC/DC充电模块分别与220V交流市电连接，每组AC/DC充电模块分别与一组电池组连接，通过AC/DC充电模块将交流市电转换成低压直流电给电池组供电，每组电池组分别与一组DC/DC模块连接，各组DC/DC模块输出端并联连接，输出进行供电。
本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路还包括有集中监控单元、电池电压检测单元和电池温度检测单元，电池电压检测单元用于检测各个电池组的电池电压并输入给集中监控单元，电池温度检测单元用于检测各个电池组的电池温度并输入给集中监控单元。
所述的电池电压检测单元采用运算放大器，电池组电压通过分压电阻分压后连接至运算放大器的同向输入端，运算放大器的反相输入端与输出端之间连接有平衡电阻，将运算放大器连接成电压跟随器，每组电池组上连接有一个电池电压检测单元，各个电池电压检测单元分别输出电压检测信号给集中监控单元。
所述的电池温度检测单元采用热敏电阻，热敏电阻连接在运算放大器上，经运算放大器对其输出信号进行放大后，输出给集中监控单元。
所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路还包括有电池电流检测单元，电池电流检测单元采用放大器，通过分压电阻检测电池两极电压，从而转换成电流信号。
所述的电池组与AC/DC充电模块之间连接有继电器，继电器控制端与集中监控单元连接。
所述的集中监控单元上连接通信单元，通信单元包括有通信芯片和电平匹配单元，电平匹配单元连接在通信芯片和集中监控单元之间。
所述的AC/DC充电模块分别包括有一个MCU单元、功率因数校正单元、PFC控制单元、整流滤波单元、电池电压检测单元、电池电流检测单元以及RS-485通信单元，PFC控制单元连接在功率因数校正单元上，控制功率因数校正单元工作，整流滤波单元连接在功率因数校正单元的输出端上，电池电压检测单元和电池电流检测单元分别与电池格进行连接，电池电压检测单元和电池电流检测单元的输出端分别连接在MCU单元上，RS-485通信单元连接在MCU单元上。
所述的DC/DC模块包括PWM升压单元、整流输出单元、PWM辅助电源单元、输出电流检测单元、输出电压检测单元以及封锁保护单元，PWM升压单元与电池格连接，电池格输出电源通过PWM升压单元转换成PWM方波信号，经变压器升压后输出给整流输出单元，经整流输出单元整流成高压直流电后输出进行供电，PWM辅助电源单元将电池电压稳压至+5V给进行供电，输出电流检测单元和输出电压检测单元分别连接在整流输出单元的输出端上，输出电流检测单元和输出电压检测单元分别与PWM升压单元连接。
本发明的有益效果是：本发明采用两组以上并联连接的单格电池组经升压后进行输出供电，其单格电池组中有单体损坏时，仅需更换单格电池组即可，无需全部电池进行更换，既可以满足供电需要，又可减少维修时的浪费。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明电路方框图。
图2为本发明中的集中监控单元部分电路原理图。
图3为本发明集中监控单元中的单片机部分电路原理图。
图4为本发明集中监控单元中的电源部分电路原理图。
图5为本发明集中监控单元中的接口部分电路原理图。
图6为本发明集中监控单元中的通信信号放大部分电路原理图。
图7为本发明集中监控单元中的通信芯片部分电路原理图。
图8为本发明集中监控单元中的+3.3V电源部分电路原理图。
图9为本发明集中监控单元中的+5V电源部分电路原理图。
图10为本发明集中监控单元中的-5V电源部分电路原理图。
图11为本发明中的电流检测单元部分电路原理图。
图12为本发明中的单组电流检测单元部分电路原理图。
图13为本发明中的单组电压检测单元部分电路原理图。
图14为本发明中的温度检测单元部分电路原理图。
图15为本发明中的单组温度检测单元部分电路原理图。
图16为本发明中的母线电压检测单元部分电路原理图。
图17为本发明中的母线电流检测单元部分电路原理图。
图18为本发明中的输出电压和输出电流部分电路原理图。
图19为本发明中的通道选择部分电路原理图。
图20为本发明中AC/DC模块中功率因数校正单元部分电路原理图。
图21为本发明中AC/DC模块中线性稳压单元部分电路原理图。
图22为本发明中AC/DC模块中PFC控制单元部分电路原理图。
图23为本发明中AC/DC模块中交流电压检测部分电路原理图。
图24为本发明中AC/DC模块中辅助电源部分电路原理图。
图25为本发明中AC/DC模块中DC/DC单元部分电路原理图。
图26为本发明中AC/DC模块中检测电池电压和电池电流部分电路原理图。
图27为本发明中AC/DC模块中MCU和485部分电路原理图。
图28为本发明中AC/DC模块中过流过压保护部分电路原理图。
图29为本发明中DC/DC模块中辅助电源部分电路原理图。
图30为本发明中DC/DC模块中电流检测及指示灯部分电路原理图。
图31为本发明中DC/DC模块中输出电压检测及保护部分电路原理图。
图32为本发明中DC/DC模块中升压模块部分电路原理图。
具体实施方式
本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。
请结合参看附图1至附图32，本发明中的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路主要包括两组以上的AC/DC充电模块、两组以上的电池组以及两组以上的DC/DC模块，各组AC/DC充电模块分别与220V交流市电连接，每组AC/DC充电模块分别与一组电池组连接，通过AC/DC充电模块将交流市电转换成低压直流电给电池组供电，每组电池组分别与一组DC/DC模块连接，通过DC/DC模块将电池组输出电压转换成需要的电压，各组DC/DC模块输出端并联连接，输出进行供电。
电池组包括一个以上串联连接的电池构成，本实施例中，每个电池组包括6个串联连接的蓄电池单元构成，每个蓄电池单元电压为2V，6个串联的蓄电池电压为12V，构成一个电池组或称为一个电池格，具体实施时，也可采用其它数量或其他形式的电池。
本实施例中，电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路还包括有集中监控单元、电池电压检测单元和电池温度检测单元，电池电压检测单元用于检测各个电池组的电池电压并输入给集中监控单元，电池温度检测单元用于检测各个电池组的电池温度并输入给集中监控单元。
本实施例中，电池电压检测单元采用运算放大器，电池组电压通过分压电阻分压后连接至运算放大器的同向输入端，运算放大器的反相输入端与输出端之间连接有平衡电阻，将运算放大器连接成电压跟随器，对电池组电压进行检测，每组电池组上连接有一个电池电压检测单元，各个电池电压检测单元分别输出电压检测信号给集中监控单元。电池温度检测单元采用热敏电阻，热敏电阻连接在运算放大器上，经运算放大器对其输出信号进行放大后，输出给集中监控单元。
本实施例中，电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路还包括有电池电流检测单元，电池电流检测单元采用放大器，通过分压电阻检测电池两极电压，从而转换成电流信号。
本实施例中，每组电池组与AC/DC充电模块之间连接有继电器，继电器控制端与集中监控单元连接，通过集中监控单元控制继电器的通断，当电池电压过低时，为了防止过放，集中监控单元会控制继电器断开相应的电池通路，对电池起到保护作用。
本实施例中，集中监控单元采用型号为STM32F303VCT6的单片机，具体实施时，也可以采用其它型号或其他系列的单片机。集中监控单元连接有输入按键，输入按键通过上拉电阻与正电源连接，集中监控单元上还连接有LCD接口，通过LCD接口连接LCD显示屏，进行信息显示。
本实施例中，集中监控单元上连接通信单元，通信单元包括有通信芯片和电平匹配单元，电平匹配单元连接在通信芯片和集中监控单元之间，由于集中监控单元的工作电压为+3.3V，通信芯片工作电压为+5V，需要电平匹配单元在二者之间进行电平匹配。本实施例中，通信芯片采用型号为SN75LBC184的RS-485通信芯片，具体实施时，其也可以采用其他型号或者符合其他通信协议的通信芯片。
本实施例中，电源单元包括变压器、+5V电源、+3.3V电源和-5V电源，通过变压器将220V交流电源转换成+12V电源，+5V电源采用型号为LM2576的稳压芯片将+12V电源稳压至+5V电源进行供电，+3.3V电源采用型号为LM1117的稳压芯片，将+5V电源稳压至+3.3V进行供电，-5V电源采用NE555，NE555的Q输出端连接有三极管QM22和三极管QM23的基极，三极管QM22和三极管QM23串联连接在+12V和地之间，三极管QM22和三极管QM23的连接端上连接电容CM35正极，电容CM28负极即为-5V输出。
本实施例中，每组AC/DC充电模块分别包括有一个MCU单元、功率因数校正单元、PFC控制单元、整流滤波单元、电池电压检测单元、电池电流检测单元以及RS-485通信单元，PFC控制单元连接在功率因数校正单元上，控制功率因数校正单元工作，对输入电源进行功率因数校正，整流滤波单元连接在功率因数校正单元的输出端上，对经过功率因数校正单元校正后的电源进行整流滤波，电池电压检测单元和电池电流检测单元分别与电池格进行连接，用于检测电池格的充电电流和充电电压，电池电压检测单元和电池电流检测单元的输出端分别连接在MCU单元上，用于将检测信号输出给MCU单元，RS-485通信单元连接在MCU单元上，可通过RS-485总线与集中监控单元连接，进行数据通信。
本实施例中，MCU单元采用型号为ATMEGA 88PA–AU的单片机，具体实施时，也可以采用其他型号的其他系列的单片机，RS-485通信单元采用通用485通信芯片。
功率因数校正单元采用整流滤波电路将交流市电转换成直流电，再通过PFC控制单元控制其进行功率因数校正，以提高其功率因数，本实施例中，PFC控制单元采用型号为NCP1654B的功率因数校正芯片。
本实施例中，电池电压检测单元和电池电流检测单元采用放大电路对充电电压和充电电流进行检测，对检测信号进行放大后输出给MCU单元，对电池充电进行控制。
本实施例中，整流滤波单元采用DC/DC电路，即将经功率因数校正单元输出的直流电转换成方波，再经变压器进行变压后输出给整流滤波电路，经整流滤波电路整流后给电池进行充电。
本实施例中，AC/DC充电模块中还包括有第一辅助电源单元，第一辅助电源单元将电池电源转换成+12V进行供电，第一辅助电源单元上连接有线性稳压单元，线性稳压单元采用稳压二极管，将第一辅助电源输出端输出电压稳压至+5V，给485单元供电。
本实施例中，电池输出端上连接有输出电流检测单元，用于检测电池的输出，输出电流检测单元的输出端上连接有过流保护单元，当电池输出电流过大时，可通过过流保护单元对其进行过流保护。
本实施例中，DC/DC模块主要包括PWM升压单元、整流输出单元、PWM辅助电源单元、输出电流检测单元、输出电压检测单元以及封锁保护单元，PWM升压单元与电池格连接，电池格输出电源通过PWM升压单元转换成PWM方波信号，经变压器升压后输出给整流输出单元，经整流输出单元整流成高压直流电后输出进行供电，PWM辅助电源单元将电池电压稳压至+5V给进行供电，输出电流检测单元和输出电压检测单元分别连接在整流输出单元的输出端上，用于检测输出电流和输出电压，输出电流检测单元和输出电压检测单元分别与PWM升压单元连接，当检测到输出电流或者输出电压过高时，则封锁PWM升压单元的PWM信号，防止其损坏。
本发明在使用时，包括如下几个过程：
1、充电过程：AC/DC充电模块完成每只电池的充电，具体工作原理如下：
1)恒流充电阶段，AC/DC充电模块以设置的充电电流(可通过集中监控单元进行设置)输出对电池充电，当输出电压达到均充电压值(可通过集中监控单元进行设置)时，进入恒压充电阶段；
2)恒压充电阶段，AC/DC充电模块以均充电压对电池进行恒压充电，在恒压充电状态，当检测到充电电流小于终止电流(可通过集中监控单元进行设置)时，模块进入浮充状态；
3)浮充阶段，AC/DC充电模块以浮充电压(可通过集中监控单元进行设置)对电池进行浮充电，在浮充电状态，如果检测到充电电流大于转换电流(可通过集中监控单元进行设置)时，自动转入均充状态，重复1)、2)、3)状态；
4)当在浮充状态连续运行超过设置的维护周期时，自动进入1)、2)、3)状态。
2、供电过程，DC/DC模块将输入的单格电池电压升压为系统需要的直流电压(DC48V/120V/220V)，所有模块均并联运行、自主均流；故障模块自动退出，不影响系统运行。
本发明中，集中监控单元对所有的AC/DC充电模块、DC/DC模块工作状态进行监控、每格电池电压、每个电池温度，监控内容包括如下：
1)设置“充电电流”、“均充电压”、“浮充电压”、“充电终止电流”、“转换电流”、“维护周期”、“定时监测电池内阻间隔”等；
2)交流输入电压；
3)每个AC/DC充电模块的输出电压、每组电池的充放电电流、工作状态(均充或浮充)、告警状态、故障状态；
4)每个DC/DC模块的工作/故障状态；
5)监测DC/DC的输出电压及总输出电流；
6)通过RS485采集每组电池的单格电池电压；
7)通过RS485采集每组电池的温度。
本发明采用两组以上并联连接的单格电池组经升压后进行输出供电，其单格电池组中有单体损坏时，仅需更换单格电池组即可，无需全部电池进行更换，既可以满足供电需要，又可减少维修时的浪费。
Claims (9)
1.一种电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的输出电路包括两组以上的AC/DC充电模块、两组以上的电池组以及两组以上的DC/DC模块，各组AC/DC充电模块分别与220V交流市电连接，每组AC/DC充电模块分别与一组电池组连接，通过AC/DC充电模块将交流市电转换成低压直流电给电池组供电，每组电池组分别与一组DC/DC模块连接，各组DC/DC模块输出端并联连接，输出进行供电。
2.根据权利要求1所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路还包括有集中监控单元、电池电压检测单元和电池温度检测单元，电池电压检测单元用于检测各个电池组的电池电压并输入给集中监控单元，电池温度检测单元用于检测各个电池组的电池温度并输入给集中监控单元。
3.根据权利要求2所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的电池电压检测单元采用运算放大器，电池组电压通过分压电阻分压后连接至运算放大器的同向输入端，运算放大器的反相输入端与输出端之间连接有平衡电阻，将运算放大器连接成电压跟随器，每组电池组上连接有一个电池电压检测单元，各个电池电压检测单元分别输出电压检测信号给集中监控单元。
4.根据权利要求2所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的电池温度检测单元采用热敏电阻，热敏电阻连接在运算放大器上，经运算放大器对其输出信号进行放大后，输出给集中监控单元。
5.根据权利要求2所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路还包括有电池电流检测单元，电池电流检测单元采用放大器，通过分压电阻检测电池两极电压，从而转换成电流信号。
6.根据权利要求2所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的电池组与AC/DC充电模块之间连接有继电器，继电器控制端与集中监控单元连接。
7.根据权利要求2所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的集中监控单元上连接通信单元，通信单元包括有通信芯片和电平匹配单元，电平匹配单元连接在通信芯片和集中监控单元之间。
8.根据权利要求1所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的AC/DC充电模块分别包括有一个MCU单元、功率因数校正单元、PFC控制单元、整流滤波单元、电池电压检测单元、电池电流检测单元以及RS-485通信单元，PFC控制单元连接在功率因数校正单元上，控制功率因数校正单元工作，整流滤波单元连接在功率因数校正单元的输出端上，电池电压检测单元和电池电流检测单元分别与电池格进行连接，电池电压检测单元和电池电流检测单元的输出端分别连接在MCU单元上，RS-485通信单元连接在MCU单元上。
9.根据权利要求1所述的电池组单格电池独立充电管理升压后并机输出电路，其特征是：所述的DC/DC模块包括PWM升压单元、整流输出单元、PWM辅助电源单元、输出电流检测单元、输出电压检测单元以及封锁保护单元，PWM升压单元与电池格连接，电池格输出电源通过PWM升压单元转换成PWM方波信号，经变压器升压后输出给整流输出单元，经整流输出单元整流成高压直流电后输出进行供电，PWM辅助电源单元将电池电压稳压至+5V给进行供电，输出电流检测单元和输出电压检测单元分别连接在整流输出单元的输出端上，输出电流检测单元和输出电压检测单元分别与PWM升压单元连接。
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