CN1469524A - 一种蓄电池充放电控制系统 - Google Patents

Abstract

一种蓄电池充放电控制系统，包括主模块和由若干个为一组的若干组子模块所组成，所述的主模块包括主机板、与主机板分别相连的显示器、键盘和若干译码器，每个译码器对应连接一组子模块，又，各子模块与各蓄电池分别一一对应相连，其中；主机板通过子模块采集数据，并向子模块发送各种充/放电指令，控制整个蓄电池组的均衡过程以及人机交互；各子模块完成对一个电池的充/放电工作，自主地完成电压均衡过程，以使该蓄电池的电压达到所设定的目标电压。本发明具有如下优点：对各个行业的各种蓄电池都能进行平衡充放电、检测、监视和报警；可以离线工作，也可在线工作；可对电池初始充电和均衡，也可对已充电状态下的电池组进行均衡；结构紧凑、维护方便。

Description

一种蓄电池充放电控制系统

(一)技术领域

本发明涉及一种蓄电池充放电控制系统。

(二)背景技术

铅酸蓄电池是目前应用最广泛的一种蓄电池，它具有容量大，寿命长，成本低等优点。铅酸蓄电池的理论寿命可达20年。但许多蓄电池的实际使用年限却只有五，六年，既增加了无谓的浪费又加剧了环境污染。究其原因是，铅酸蓄电池通常是由若干个电池串联在一起组成蓄电池组用作电源。对这些蓄电池组进行充电时，使用统一的充电电流，由于这些电池自身的技术参数不尽一致，所以造成有些电池充电不足，有些充电过足。充电不足，充电过足都将加速电池的损坏，从而进一步拉大了电池组内单个电池间的差距。正是这种恶性循环极大地缩短了蓄电池组的使用寿命。同时蓄电池组的不均衡性又会加速个别蓄电池的性能恶化，导致使用蓄电池组的应用系统可靠性变差，严重时甚至使系统瘫痪，这在通信、电力控制等系统中时有发生。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄电池充放电控制系统，它能大大延长铅酸蓄电池的寿命，而且能增强应用系统的稳定性、可靠性和安全性，防止系统出现隐患。

本发明所提供的一种蓄电池充放电控制系统，其特征在于，包括主模块和由若干个为一组的若干组子模块所组成，所述的主模块包括主机板、与主机板分别相连的显示器、键盘和若干译码器，每个译码器对应连接一组子模块，又，各子模块与各蓄电池分别一一对应相连，其中；主机板通过子模块采集数据，通过译码器板和选中的子模块通信，并向子模块发送各种充/放电指令，控制整个蓄电池组的均衡过程以及人机交互；译码器用于确定子模块的地址；键盘为用户提供设置运行所必须的各种参数或发出各种命令；显示器用于显示数据，方式分为巡回显示和监视两种情况：巡回显示时，逐个显示所有电池的编号和当前的端电压、充/放电电流和温度；监视时，显示某个电池的端电压、充/放电电流和温度数据；各子模块完成对一个电池的充/放电工作，自主地完成电压均衡过程，以使该蓄电池的电压达到所设定的目标电压。

上述的蓄电池充放电控制系统，还包括PC机，该PC机与主模块相连。

上述的蓄电池充放电控制系统，其中，主模块和各子模块间均为电隔离，采用光电耦合进行通信，以达到无触点切换。

采用了上述的技术解决方案，即：采用对各蓄电池进行独立充(放)电，使得在无人工参与的情况下，自动地以最佳方式对所有蓄电池进行独立充(放)电。电压均衡完成以后，使所有蓄电池都达到统一的额定电压。同时系统能在线检测并显示各蓄电池的电压、充(放)电电流和电池内温度，当温度过高或某蓄电池内阻变大时报警，并能和PC机通信，系统具有扩充能力。另外，在系统运行时，每个模块分别控制一个充(放)电回路，可以起到隔离故障的作用，而且使产品的维护性极强，可在数分钟内更换模块以排除故障，从而大大减少了维护费用。这样，不但能大大延长铅酸蓄电池的寿命，而且能增强应用系统的稳定性、可靠性和安全性，防止系统可能出现的隐患。本发明具有如下优点：1)适用范围广，对各个行业的各种蓄电池都能进行平衡充放电、检测、监视和报警。2)可以离线工作，也可在线工作。3)对已充电(或浮充)状态下的电池组进行均衡。4)也可对电池组进行初始充电和均衡。5)产品模块化、系列化。结构紧凑、维护方便。

(四)附图说明

图1是本发明系统的结构框图；

图2是本发明中主机板的电路原理图；

图3是本发明中显示器的电路原理图；

图4是本发明中键盘的电路原理图；

图5是本发明中译码器的电路原理图；

图6是本发明中子模块的电路原理图；

图7是本发明中子模块的执行电路原理图。

(五)具体实施方式

如图1所示，本发明包括两个部分：第一部分1是一个具有核心功能的执行机，包括主模块1和由若干个为一组的若干组子模块2所组成；第二部分2是一台PC计算机3。执行机和计算机之间通过RS-232或RS485进行通信。使用计算机可以获得更好的人机交互界面，制作各种打印报表，以及更好的管理功能。

1.主模块1由包括主机板11，显示器12，键盘13和译码器14。

参见图2，主机板11的电路图，主机板11的核心部件是微控制器U6(89C55)，这是Intel公司生产的8位微控制器，主控程序放在U6的ROM区中，并通过U6执行主控程序。微控制器U15(89C52)，也是Intel公司生产的8位微控制器，它只是作为U6的协处理器使用，以执行和PC机的通信任务，减轻U6的工作负担。U6和U15间通过双端口RAM U12(DS1609)实行数据交换。两个微控制器的时钟频率均采用11.0592MHz，这个频率可以精确地分频到1Hz和9600Hz，分别用于1秒钟中断和串行数据通信。

U6(89C55)是本系统的CPU，主控程序固化在U6中。

U7(X2504)为U6提供RESET信号，其内部的寄存器还可以和CPU(U6)进行串行数据交换。在本系统中，U7作为系统的看门狗，在程序正常工作时，CPU(U6)不断地清U7，使U7不至于产生RESET(复位)信号。如果系统受到干扰，程序不能正常运行，则不能定时地清U7，U7将产生RESET信号，使系统复位。

U8(DS1225AB或62C64)是8KB RAM芯片，它是系统的工作单元。用于存放系统工作时的中间结果以及所测得的各种数据。

U9(74HC573)是8位锁存器芯片，它将CPU(U6)发出的低8位(A0～A7)地址锁存，配以高5位(A8～A12)地址用于对U8的寻址。

U10(DS12887)是实时钟芯片，带有可充电电池，使系统在掉电情况下实时钟照走，同时，其内部还带有寄存器，用于非挥发性地保存各种参数。

U12(DS1609)是双端口RAM，用于在CPU(U6)和协处理器(U15)间交换数据。

U15(89C52)负责处理键盘输入和与PC机的通信。

U13和U14(均为74HC14)控制双端口RAM(U12)的输入输出方向，即数据的流向。

U16(74HC138)是3-8译码器。根据地址A12～A14输出片选信号，A15用于对U16自身的控制。

U17(74HC174)是8D触发器。其输出的高4位在U4(74LS154，是4-16译码器)上译码，用于对16个译码器的选择。低4位通过连接器J3发送到所有的16位译码器，用于每个译码器选择16个充/放电子模块中的一个。

U2(75LBC184)是RS485接口芯片，用于和PC机之间使用RS485规程进行串行通信。

U3(MAX202)是RS232接口芯片，用于和PC机之间使用RS232规程进行串行通信。

接插件J1(20针)是主机板和键盘间的连接器。

接插件J2(20针)是主机板和显示板间的连接器。

接插件J3(26针)是主机板和译码器间的连接器。

接插件J4(2针)是主机板和人工复位间按钮

接插件J5(2针)是+5V电源的输入。

接插件J6(2针)接蜂鸣器。

接插件J7(2针)连接RS485接口。

接插件J8(3针)连接RS232接口。

跳线器JUMP JP1(SIM3)用于选择RS232和RS485中的一种通信方式。

发光二极管D2用于接收数据显示，发光二极管D3用于发送数据显示。

三极管Q2(5551)为蜂鸣器驱动器。

U1是反向器，U11是或门，U18是与非门，用于通常的数字逻辑。

电容C8，C9帮助X2起振，电容C7，C10帮助X3起振。

电容C2，C3，C4，C5，C6配合U3(MAX202)完成从TTL电平到RS232电平的转换。

其余的电容均为退耦电容。

发光二极管D2，D3分别用于与PC机通信的接收和发送显示，以便于调试。

如图5所示，译码器采用一个型号为74HC154、4-16的译码器芯片U1，用于对从主机板来的低4位地址进行组内译码，以选择一个组中16个子模块中的哪一个。译码器还采用了型号为7406的信号驱动芯片U2，以增加信号的负载能力。

主模块是一个能独立工作的系统，如图3、图4所示，人机交互通过8个七段码显示器(LDD680)所构成的显示屏和16个按钮开关所构成的键盘来实现。

主模块在加电或人工复位后，首先等待用户通过键盘发出的命令。用户可以设置运行所必须的各种参数，例如，电池组中的电池数量，每个电池的标称电压，均衡的目标电压，等等。参数设置完成以后，用户可以发出运行命令，系统开始电压均衡工作。如果这些参数原先已经设置过，用户可以直接发出运行命令。

主模块中的主程序执行下面4项任务：

显示数据，分为巡回显示和监视两种情况。

巡回显示时，逐个显示所有电池的编号和当前的端电压。

监视时，显示某个电池的端电压，充/放电电流，温度等数据。

接收键盘命令

主程序时刻监视按键的状态，一旦用户按了某个键，程序将以显示屏向用户反馈信息，进行人机交互。程序对于用户的输入进行合法性检查，只有合法的输入才被接受，否则给出错误信息。

和子模块通信

分析从子模块发送来的各种数据，更新子模块的充/放电状态，改变充/放电电流大小。并检查是否有损坏的电池，是否有电池温升过高，如有这样的情况发生，将给出报警音响和报警显示，并作报警记录。

和PC机的通信

本系统和PC机之间通过RS232或RS485标准接口和PC机进行通信。用户可以通过PC机对本系统进行更高层次的控制，还能通过联网的计算机对本系统进行远程监控。

主模块中的1秒钟中断程序完成下列两项任务：

刷新显示

从一个子模块采集数据，下一次1秒钟中断时，切换到下一个子模块，循环反复，周而复始。

2.子模块

一个子模块完成对一个电池的充/放电工作。使用积分式的A/D(模/数)转换电路将电池的端电压，充/放电的工作电流，电池的温度这些模拟量转换成数字量。通过控制MOSFET(金属氧化物半导体)的开关状态来切换充/放电状态。充/放电电流的大小是通过改变占空比实现的。参见图6、图7，可以了解它的硬件构成。

如图6所示，子模块由8位微控制器U1(89C52)控制。U1接收主模块发来的目标电压，并和当前的蓄电池电压比较，根据模糊控制原理进行充/放电及改变电流的大小，以使所控制的蓄电池达到目标电压。并在接收到主模块索取数据的命令后，向主模块发送电压，电流，温度等测量值。

芯片U2(X25045)是RESET(复位)和WATCHDOG(看门狗)芯片。在加电时，U2为U1提供RESET信号。U1中的程序不断地使U2复位，U2因而不至于发出RESET信号。如果U1受到干扰，程序不能正常工作，U2发出RESET信号，使U1重新启动。

4位半双积分A/D转换器U6(ICL7135)，其参考电压由齐纳二极管Z1(ILC8069，1.2V)和电位器W1、电阻R5(1K8)组成的分压电路提供。

分频器U7(4060)，将晶振CZ2(2MHz)的振荡分频后输出至转换器U6作为A/D转换的时钟信号。

采样保持器U10(LF398)将蓄电池的电压采样保持。

模拟开关U8(4052)分别接通电压、电流和温度这三个模拟量，并送到U6的输入端进行A/D转换。

电阻R28(100K)和电容C33(10uF)，C13(0.1uF)将从电流取样电阻(由康铜丝绕制的0.5Ω电阻)得来的电压信号进行滤波，以得到反映平均电流的电压值。

测温器件采用AD590(温度每变化1度，输出电流变化1uA)。

电位器W3，电阻R12(18K)用于温度的偏置调整。

稳压器Q1(7805，+5V)，稳压器Q2(7905，-5V)为子模板提供+5V和-5V工作电压。

光电耦合器U3，U4(TIL113)用于和主机板通信。其中U3用于发送数据，U4用于接收数据。

发光二极管L1，L2分别用于发送数据和接收数据显示，以便于调试。

整流二极管D2，D3，D4，D5(1N4001，1A整流管)用于整流。

电容C3，C4，C27，C28为A/D转换器U6(ICL7135)的工作电容。

电容C10，C11和电阻R10帮助晶振CZ2起振。

20针连接器JP1连接供电电源、电流取样信号、电压取样信号、通信信号、温度传感器的输入信号以及控制充/放电输出信号。

为防止子模块的控制电路受到大电流充/放电的干扰，将充/放电的执行部分与控制部分分成两个线路板。如图7所示，在充放电执行板上，整流管D2，D3，D4，D5(6A)构成桥式整流电路，将变压器次级的交流电压变成单向脉动电压。

整流管D6(1N4006)输出的单向脉动电压经滤波后变成稳定的直流电压，用于提供三极管Q1，Q2，Q3(IRF540，N沟道POWER MOSFET)的栅极电压。

齐纳管Z1，Z2，Z3(10V)防止栅极电压过高而损坏IRF540。

三极管Q1用于放电控制，三极管Q2、Q3用于充电控制。三极管Q1和三极管Q3的栅极不可能同时为高，这是因为它们的逻辑恰好反向。即使U1(89C52)不能正常工作，也保证了子模块不会同时对蓄电池充电和放电。

电阻R2(由康铜丝绕制的0.5Ω电阻)是电流取样电阻。

子模块和子模块之间，子模块和主模块之间均是电隔离的。它们都有各自的供电。采用这样的方式可以保证各子模块之间的充/放电互不干扰，隔离故障。

主模块和子模块间的通信通过光电耦合器实现。通信方式为主从式串行通信，主模块始终为呼叫方，只有被呼叫到的子模块才能和主模块通信。

为使所有的子模块无论在硬件上，还是在软件上取得完全一致，本系统以外部地址来识别各子模块。以8位地址作为子模块的外部地址，在主机板上先对8位地址的高4位进行译码，分送到16个译码器(参看图5译码器电路图)，再由每个译码器对8位地址的低4位进一步译码，以寻址到单个子模块。所以本系统最多可以含有256个子模块，也即可以对多达256个电池构成的电池组进行均衡。地址译码器(硬件)确定子模块的地址，这种结构的优点有二：一是，所有的子模块在硬件和软件上完全一致，便于生产和维护，保证了子模块的互换性；二是增强了通信的可靠性，单个子模块的故障不会影响主模块和其它子模块间通信。

3.主机板和子模块单元之间的通信

主机板和子模块是电气隔离的，它们之间通过光电耦合进行数据通信，主机板最多可和256个模块单元通信。主机板和子模块间的通信采用主从式，即只有主机板才有权呼叫某模块单元并与之通信，模块单元不能主动要求和主机板进行通信。

主机板向某子模块送数据时，只有被选中的某子模块中的接收光电耦合器中有电流通过，其余未被选中的子模块中的接收光电耦合器中无电流通过。同样，只有被选中的某子模块才可以向主机板发送数据，该子模块上的发送光电耦合器才有可能有电流通过。

256个子模块分为16组，每组有16个模块单元，由8位地址确定主机板向哪个子模块发送数据。由于采用主从式的通信规则，当主机板接收到从子模块来的数据时，主机板必定知道是从哪个子模块发来的。

8位地址的高4位在主机板上译码，输出16路组选信号，分别送到16个组内译码器。8位地址的低4位送到所有16个组内译码器，以确定组内的模块单元。从主CPU发出的数据送到所有的16个组内译码器。

主机板和组内译码器是电气相连的，电源和地公用。主机板上使用“AND”门，当某个组内译码器数据线输出的电平为低时，主机板上的CPU接收到的电平为低。

对译码器的要求是：当且仅当组选信号(group_sel)有效而且从主CPU来的数据线的电平为低时，才有电流流过某模块单元中的接收光电耦合器。4位地址用于确定16个模块单元中的哪一个。

当某子模块向主CPU发送数据时，若其发送数据线的电平为低，就有电流通过发送光电耦合器。

组内译码器模块上的电路要保证：当且仅当某模块单元的发送数据线电平为低时，送给主CPU的电平为低。

组内译码器模块和各模块单元是电气隔离的，模块单元之间也是电气隔离的。各子模块使用各自的电源和接地。

如上，就使得整个系统实现无触点切换。

通信过程：

第1步：主CPU先将模块单元的地址发出并锁存，以指定和哪个模块单元进行通信。

第2步：通过主CPU内部的串行口发出命令。由于电路的结构，只有被选中的子模块单元才能收到主CPU发出的信号。

第3步：被选中的子模块单元作出应答。至此通信即告完成。

第4步：主CPU可以将子模块单元的地址解锁，并切换到下一个模块单元。

Claims (3)

1.一种蓄电池充放电控制系统，其特征在于，包括主模块和由若干个为一组的若干组子模块所组成，所述的主模块包括主机板、与主机板分别相连的显示器、键盘和若干译码器，每个译码器对应连接一组子模块，又，各子模块与各蓄电池分别一一对应相连，其中；

主机板通过子模块采集数据，通过译码器板和选中的子模块通信，并向子模块发送各种充/放电指令，控制整个蓄电池组的均衡过程以及人机交互；

译码器用于确定子模块的地址；

键盘为用户提供设置运行所必须的各种参数或发出各种命令；

显示器用于显示数据，方式分为巡回显示和监视两种情况：巡回显示时，逐个显示所有电池的编号和当前的端电压、充/放电电流和温度；监视时，显示某个电池的端电压、充/放电电流和温度数据；

各子模块完成对一个电池的充/放电工作，自主地完成电压均衡过程，以使该蓄电池的电压达到所设定的目标电压。

2.根据权利要求1所述的一种蓄电池充放电控制系统，其特征在于，它还包括PC机，该PC机与主模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种蓄电池充放电控制系统，其特征在于，主模块和各子模块间均为电隔离，采用光电耦合进行通信，以达到无触点切换。

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