CN201303252Y - 一种智能电池管理太阳能充电控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型智能电池管理太阳能充电控制器根据铅酸电池的特点和充放电特性，采用单片机PWM控制，最大程度拟合电池的特性充电曲线，并且采用电池管理芯片对电池的充电态和健康态，电池容量进行预测，并通过串口上传给用户，使用户对电池有一个全面监控。本实用新型智能电池管理太阳能充电控制器，包括以下部分：单片机控制系统、供电电路、温度检测电路、通讯电路、电池管理单元、主回路。主回路包括：防雷单元、充电控制MOSFET、太阳能板输出电压检测、防反充电路、防电池反接电路、负载控制电路、电池充放电检测电路等。通过串口可以上传电池充放电电流、电池电压、太阳能板电压、环境温度、电池电量、可用时间、电池健康度等信息。

Description

一种智能电池管理太阳能充电控制器

技术领域

本实用新型涉及一种带智能电池管理的太阳能充电控制器，除了传统的太阳能充电控制外还具有电池SOC、SOH计算电池有效容量测量等电池管理功能。可广泛应用于电力、水力、农林、牧业、通讯、气象、交通、运输、石油管道、文化教育、家庭电源等领域。

背景技术

能源问题和环境问题已成为当今世界上两大重要议题，研究开发绿色的、可再生的新能源得到人们的日益重视。人们普遍认为在目前可知的、并且已经得到比较广泛利用的可再生能源中，技术含量最高，最有发展前途的是太阳能光伏发电。该专利所设计的光伏系统控制器采用以PIC单片机为核心的数字控制电路，采用先进的三段式充电控制技术结合精确的PWM电压控制技术使得充电性能更加优越，可提供最优化的充电控制，以适应充电期间电池、负载的多变特点。自动限流功能，无需担心因过流导致的电池和熔断器的损害。PWM控制方式通过高效可靠的MOSFET(场效应管)，能够在高频下工作，得以精确控制充电电压。选用精密、稳定可靠的BQ18B20数字温度传感器测量电池温度，采用充电电压自动温度补偿提高充电控制器和电池组监测性能，提高电池使用寿命。除了上述太阳能控制器必备的功能外，针对现在的太阳能控制器对电池缺乏管理的现状，增加了电池智能管理的功能。本装置具有环境温度值、太阳能电池输出电压值、蓄电池电压值、充电电流值、放电电流值的检测、记录、和显示功能。采用DS2780电池管理芯片可检测判断蓄电池荷电状态(SOC)、健康态(SOH)、电池容量等。同时具有蓄电池的过充、过放保护的功能。具有对外的通讯端口，可将上述测量量上传到上位机。

发明内容

本实用新型智能电池管理太阳能充电控制器根据铅酸电池的特点和充放电特性，采用单片机控制，最大程度拟合电池的特性充电曲线，并且采用电池管理芯片对电池的充电态和健康态，电池容量进行预测，并通过串口上传给用户，使用户对电池有一个全面监控。

如图1所示：主回路包括：防雷单元、充电控制MOSFET、太阳能板输出电压检测、防反充电路、防电池反接电路、负载控制电路、电池充放电检测电路等。

如图2所示，当有阳光时，控制器输入端有电压，当电池电压低于最高充电电压时，单片机控制充电控制MOSFET(Q1)关闭，此时电流通过防反充二极管给电池充电，当电池电压达到最高充电电压时，此时单片机控制策略为恒压充电，单片机产生一脉冲信号驱动充电控制MOSFET，通过控制驱动信号的占空比来控制电池的充电电流，达到稳压的目的。这种控制方式利用了太阳能电池板内阻大的特点，当充电控制MOSFET短路时，短路电流仅比充电电流略大。没有阳光时，通过防反充二极管D1防止电池对太阳能板反充电。

负载控制部分防止电池过放电，起到保护电池的作用。当电池电压低于保护预设值时，单片机控制关闭负载控制开关；随着电池充电，当电池电压恢复到预设工作值时，单片机控制打开负载控制开关。

电池反接保护电路：连接电池时如果接反，通过反接保护电路使保险丝熔断，从而保护设备不被损坏。

系统设有环境温度检测电路，单片机根据环境温度，自动调整对电池的充电电压，确保对电池的正确充电。防止对电池的过充电或充电不足，延长电池的使用寿命。

电池管理单元介绍：

对于用户而言，电池的电量指示变得越来越重要。今天的消费者已不再满足于凭经验的估计，他们需要更精确地知道他们的电池电量还有多少，还能够正常工作多长时间，以决定下一步应采取的措施。电池管理单元采用DS2780芯片开发，该芯片集成了库仑计、温度传感、电池电压检测、时钟和非易失存储器，能够对电池电量进行精确计算，同时还将电池剩余电量预测算法集成在芯片内，实时计算电池在放电过程中可继续释放的电量。整个计算过程无需主机参与，极大减轻了主机负担，降低了开发者软件编程的难度。此外，DS2780与主机之间的通信通过1-Wire接口实现，最大限度地减少了电池的连线。

DS2780内置16位电流检测ADC，11位电池电压及温度检测ADC，以及精确稳定的内部时钟，和用以存储电池特征数据和性能参数的E2PROM。电流检测ADC采样外置检流电阻两端压降，并将采样结果对时间积分以实现库仑计功能，得到的电池当前电量用以更新电量寄存器(ACR)。为了减小累积失调误差对电量计算精度的影响，每采样1024次(约1小时)电流检测ADC自动进行一次失调校准。DS2780可设置电流检测ADC的增益，并可对检流电阻的温度系数进行补偿，从而允许使用低精度、低成本的外置检流电阻。

由于电池在老化过程中容量会逐步降低，因此DS2780利用老化系数(AS)补偿电池老化的影响。老化系数为当前电池充满时的容量值与出厂前电池充满时容量值的比值，随着电池老化，老化系数逐步降低。DS2780累计总放电量并将其折合成完整放电次数，每32次完整放电后，对老化系数进行一次修正，修正值相当于每100次完整放电，电池容量下降2.4％。由于电池存在个体差异，这种统一的修正不能适合所有电池，因此DS2780还设计有自学习功能，当其监视到电池的一次完整充电过程(从空到满)时，会自动利用该次充电流入电池的电量修正电池老化系数，以消除统一的电池老化系数修正带来的误差。另外，电量寄存器(ACR)的误差也会随时间和电池的充放电次数累积，从而影响电池电量计算，DS2780通过监测电池充放电状态和温度，利用预设电池容量参数和老化系数自动对其进行修正。

通讯接口：本系统提供一RS-422通讯接口，通过该接口一方面可对设备进行参数设置，更重要的是可以了解设备和电池的状态。通过串口可以上传电池充放电电流、电池电压、太阳能板电压、环境温度、电池电量、可用时间、电池健康度等信息。

附图说明

图1总体图

图2主回路图

图3单片机控制系统图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型专利的具体实施方式。

如图2所示：主回路包括：防雷单元、充电控制MOSFET、太阳能板输出电压检测、防反充电路、防电池反接电路、负载控制电路、电池充放电检测电路等。

POWERIN是太阳能板的输入端，D3是瞬变二极管(TVS)，采用P6KE6.8CA系列，可防止瞬间过压。充电控制MOSFET接在太阳能板正负极之间，采用IRFZ44N，由单片机输出的PWM控制其通断。当单片机检测到太阳能输入端有电压，并且电池电压低于最高充电电压时，单片机控制端输出低电平，充电控制MOSFET(Q1)关闭，此时电流通过防反充二极管D1给电池充电，当电池电压达到最高充电电压时，此时单片机控制策略为恒压充电，单片机产生PWM信号驱动充电控制MOSFET，通过控制PWM驱动信号的占空比来控制电池的充电电流，达到稳压的目的。没有阳光时，太阳能板输出电压低于电池电压，通过防反充二极管D1防止电池对太阳能板反充电。

由R1、R2组成分压电路，其输出接入单片机的A/D输入端，由此测量太阳能板的输出电压。单片机采用PIC16F873A，集成了10位A/D转换电路，简化了电路设计。为保证检测精度R1、R2电阻精度不低于1％。

由二极管D2、保险管F1组成电池反接保护电路。当电池接反时，电池通过D2、F1回路放电，瞬间大电流将使F1熔断，切断电池，避免其它电路损坏。

负载控制部分由MOSFET(Q2)组成，防止电池过放电，起到保护电池的作用。当电池电压低于保护预设值时，单片机控制端输出低电平，关闭Q2负载控制开关；随着电池充电，当电池电压恢复到预设工作值时，单片机控制端输出高电平，打开Q2负载控制开关。

如图3所示：单片机控制系统包括：单片机、供电电路、温度检测电路、通讯电路、电池管理单元。

单片机采用microchip公司的PIC16F873A，单片机内集成了10位A/D变换和PWM产生器、通讯控制器等，简化了设计和编程。单片机供电采用一片7805，产生5V稳定电压。环境温度的测量采用数字化温度传感器18B20，由图2中的WD三针插座接入，可直接将数字化的温度值输入单片机。通讯电路采用DS75176组成一个RS-485接口，可上传需要的参数，通讯协议依照MODBUS。

电池管理单元是本实用新型的重要组成部分。采用智能电量计DS2780芯片。电池电压通过R8、R9分压后输入Vin管脚，用来测量电池电压。电池充放电电流的测量通过图1中Rsns实现，当电池充放电时，Rsns两端产生微小压差，将此压差输入DS2780的VSS和SNS端即可测量电池的充放电电流。单片机与DS2780之间采用1-Wire接口实现通讯，完成对DS2780的参数设置和数据读取。

DS2780在一块芯片内集成了内置16位电流检测ADC，11位电池电压、温度传感、时钟和非易失存储器。根据电池的充放电特性对DS2780的参数进行适当设置，能够对电池电量进行精确计算。

电流检测ADC采样外置检流电阻两端压降，并将采样结果对时间积分以实现库仑计功能，得到的电池当前电量用以更新电量寄存器(ACR)。为了减小累积失调误差对电量计算精度的影响，每采样1024次(约1小时)电流检测ADC自动进行一次失调校准。DS2780可设置电流检测ADC的增益，并可对检流电阻的温度系数通过设定电池的老化系数，可以补偿电池的老化影响，提高预测精度。

通过DS2780，可对电池的荷电态(SOC)，电池容量、健康度(SOH)、可用时间等做出精确测量。

Claims (4)

1、本实用新型智能电池管理太阳能充电控制器，包括以下部分：主回路、单片机控制系统、电池管理单元；其特征在于：以控制单片机为核心，单片机输出PWM控制并接在太阳能板两端的充电MOSFET；控制负载MOSFET开关；与电池管理芯片通过通讯线相连，取得电池的充放电电流和电压，电池的充电态(SOC)和健康态(SOH)；与温度传感器相连；与通讯芯片相连构成串口。

2、根据权利要求1所述智能电池管理太阳能充电控制器，其特征在于：主回路包括：瞬变二极管(TVS)(D3)，防止瞬间过压和雷击；二极管(D1)防电池对太阳能板反充；充电控制采用单片机输出的PWM控制MOSFET(Q1)；电池防反接电路，由二极管(D2)和保险(F1)组成；负载控制，采用单片机控制的MOSFET(Q2)；通过分流电阻检测电池的充放电电流。

3、根据权利要求1所述智能电池管理太阳能充电控制器，其特征在于：单片机控制系统包括单片机、供电电路、温度检测电路、电压检测电路、MOSFET驱动电路、通讯电路；单片机与温度传感器、电池管理芯片通过单线连接，与电压检测电路连接，取得电池信息，通过输出PWM脉冲驱动MOSFET，控制对电池的充电；通过通讯电路上传电池信息。

4、根据权利要求1所述智能电池管理太阳能充电控制器，其特征在于：电池管理单元通过检测电池电压、电池充放电电流、温度等信息能够实时预测电池的容量，可用时间，健康度等信息；单片机通过与电池管理单元通讯可设置电池参数，可取得电池的状态信息；用户通过RS-485串口可实时取得上述信息。

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