CN202119883U - 车用蓄电池检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种车用蓄电池检测系统，由CPU和与其连接的信号采集及转换模块、显示器接口、键盘接口、报警电路，以及电源电路组成。本实用新型能对蓄电池组的底层重要信息进行实时在线检测，主要检测了构成电池组各单节电池的端电压及电池组的放电电流、充电电流，电池的温度等重要信息，并同时采集了环境温度，用以参照。系统可以对这些信息进行直接显示。在此基础上，实现了对采集信息的多种分析功能，主要有电池不平衡判断、温度异常指示、过充电、过放电、深放电指示。并可实现剩余容量的指示以及电池健康状况的判断，给电池用户更好地使用与维护电池提供有效地帮助。

Description

车用蓄电池检测系统

技术领域

本实用新型属于蓄电池管理技术领域，特别涉及车用蓄电池检测系统。

背景技术

目前动力型蓄电池在铁路机车、电动汽车，特别是目前非常流行的电动自行车上，应用十分广泛。它们的共同特点是多节相同电池串联，成组对负载供电。但是，现在大多车辆控制系统对电池状态信息反映过于单一。以目前被广泛使用的电动自行车为例，显示屏上只反映了整组电池的电压大小，用以衡量当前蓄电池的剩余电量。一方面，电池组的总电压与蓄电池剩余容量没有很好线性关系，对剩余容量的指示可靠度不高，在实际使用中发现，当电池组电量实际并不多时，电量表还是满指示，行驶过程中才发现电量表指示下降很快，可这时已经行驶在路上，由于事先无法对电池剩余电量有正确的估计，造成了不必要的麻烦。另一方面，信息指示过于单一，对蓄电池的有效维护不利。由于不清楚在实际驾驶过程中，自己的动作究竟对蓄电池产生了怎样的影响，用户对电动车的使用常具有盲目性，所以大多蓄电池都在不知不觉中损坏、报废。 

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种车用蓄电池检测系统，能够对蓄电池组的底层重要信息进行实时在线检测、显示以及报警。 

本实用新型的技术方案如下： 

一种车用蓄电池检测系统，由CPU和与其连接的信号采集及转换模块、显示器接口、键盘接口、报警电路，以及电源电路组成；

信号采集及转换模块，由电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路以及A/D转换电路组成；其中电压采集电路由电压接入电路和光电耦合电路组成，系统对电池组每节电池电压都进行采集，电压经光耦电路转换成0~5V信号输入所述A/D转换电路；电流采集电路采用TBC06DS霍尔型电流传感器，电流经霍尔传感器转换成0~5V信号输入所述A/D转换电路；A/D转换电路采用TLC2543CN模数转换芯片，将电压电流信号转换成数字量送至所述CPU处理；温度采集电路采用DS18B20数字式温度芯片直接由所述CPU读取；

CPU，采用8051内核的STC11F60XE型单片机，为系统核心部分，负责各种数据处理与逻辑判断任务； 

显示器接口，采用TFT型LCD，240×320真彩色点阵液晶，与所述CPU数据线直接相连；

键盘接口，采用5按键结构，构成上下左右导航键以及确认键，用于对系统界面进行操作，按键与所述CPU采用中断方式连接，5个按键的低电平有效信号经与门产生中断信号；

报警电路，包括蜂鸣器以及三级管，所述CPU驱动三极管，三极管基极低电平控制通断，驱动蜂鸣器发声。

电源电路，采用LM2576芯片以及IL1117芯片，电源供电电压取自串联电池组中最后一节电池的12V电压，经LM2576产生5V电压给系统供电，再经IL1117产生3.3V低压给液晶显示屏供电。 

本实用新型的有益技术效果是： 

本实用新型能对蓄电池组的底层重要信息进行实时在线检测，主要检测了构成电池组各单节电池的端电压及电池组的放电电流、充电电流，电池的温度等重要信息，并同时采集了环境温度，用以参照。系统可以对这些信息进行直接显示。在此基础上，实现了对采集信息的多种分析功能，主要有电池不平衡判断、温度异常指示、过充电、过放电、深放电指示。并可实现剩余容量的指示以及电池健康状况的判断，给电池用户更好地使用与维护电池提供有效地帮助。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将实施例中所使用的附图作简单介绍。这些附图构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。 

图1是本实用新型的系统整体框图。 

图2是电压接入电路的原理图。 

图3是光耦隔离电路的原理图。 

图4是电流采集电路的原理图。 

图5是输出电压随输入电流的变化关系图。 

图6a、6b是温度采集电路的原理图。 

图7是多点温度测量系统的示意图。 

图8是单片机最小系统的示意图。 

图9是AD转换电路的原理框图。 

图10是AD转换电路与单片机接口示意图。 

图11是键盘的5按键示意图。 

图12是按键及中断与单片机接口示意图。 

图13是显示器与单片机接口示意图。 

图14是报警电路的原理图。 

图15是电源电路的原理图。 

图16是本实用新型系统功能示意图。 

具体实施方式                                                                                                      

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行全面的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

系统整体说明  

为实现系统功能，本实用新型由CPU、与CPU连接的信号采集及转换模块、显示器接口、键盘接口、报警电路，以及为系统及显示器供电的电源电路（图1中未示出）组成。硬件系统的整体框图如图1所示。

信号采集及转换模块，由电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路以及A/D转换电路组成；其中电压采集电路由电压接入电路和光电耦合电路组成，系统对电池组每节电池电压都进行采集，电压经光耦电路转换成0~5V信号输入A/D转换电路；电流采集电路采用TBC06DS霍尔型电流传感器，电流经霍尔传感器转换成0~5V信号输入A/D转换电路；A/D转换电路采用TLC2543CN模数转换芯片，将电压电流信号转换成数字量送至CPU处理；温度采集电路采用DS18B20数字式温度芯片直接由CPU读取。CPU，采用高速8051内核的STC11F60XE型单片机，为系统核心部分，负责各种数据处理与逻辑判断任务。显示器接口，采用TFT型LCD，240×320真彩色点阵液晶，与CPU数据线直接相连。键盘接口，采用5按键结构，构成上下左右导航键以及确认键，用于对系统界面进行操作，按键与CPU采用中断方式连接，5个按键的低电平有效信号经与门产生中断信号。报警电路，其功能由显示屏闪烁报警和蜂鸣器发声报警两部分组成，显示屏闪烁报警部分由显示屏完成；蜂鸣器发声报警部分包括蜂鸣器以及三级管， CPU驱动三极管，三极管基极低电平控制通断，驱动蜂鸣器发声。电源模块，采用LM2576 s-5.0芯片以及IL1117-3.3芯片，电源供电电压取自串联电池组中最后一节电池的12V电压，经LM2576产生5V电压给5V系统供电，再经IL1117产生3.3V低压给液晶显示屏供电。 

以下将对本实用新型中的各电路模块逐一进行说明： 

电压采集电路

电池组由若干节电池组成，而单节电池内部又由多个单体电池组成。单体电池是电池组的基本组成单位，一般一个单体电池电压为2V，6个单体电池串联构成一节12V电池。由于生产工艺和成产过程的不一致，导致电池内部单体电池彼此之间的容量有偏差，从而直接导致电池间容量的偏差。

由于电池是以串联方式使用，因此，如果各节电池之间存在容量不平衡，就不可避免的在整组电池中发生部分电池过充、过放或亏充的现象。这又将加大电池性能的进一步恶化，导致电池间的不平衡程度进一步拉大，进入恶性循环。 

因此，及时有效地发现电池组的不平衡现象，找出落后电池（即电压比较低的电池），对维护电池性能具有非常重要的意义。 

判断电池不平衡的一般方法是对单体电池电压进行跟踪检测比较。但是一般单节电池都将内部6节单体电池封装起来，对外部提供接线端，因此不易测取单体电池的端电压。因此，一般的做法是检测电池组中单节电池的端电压。这样做的依据是，如果一节电池内的某一单体电池发生故障，则很难被平均效应所掩盖，也就是说，内部单体电池的故障状况可以通过单节电池反映出来，并且电池组故障处理的最小单位是单节电池。通常的做法是更换掉电池组中落后的单节电池，因此，在进行不平衡检测时，我们采取比较单节电池端电压一致性的方法。 

系统对电池组每节电池电压都进行采集，采集分为电压接入部分和光电耦合部分两部分组成。电压接入部分把蓄电池各单节接线端接入系统，并在系统前端通过保险丝保护，之后对接入的电压用二极管指示电压接入有效。 

电压接入电路如图2所示，保险丝采用4A熔断丝，若系统发生短路，熔断丝可迅速切断电池，从而起到保护作用。在电池接入后发光二极管发光，指示电池接入有效，若熔断丝烧断或电池端电压过低，则二极管不亮，指示电池接入无效，应检测保险丝或更换电池。 

经上述处理之后，12V电池电压经如图3所示的光电耦合电路进行隔离。因为模数转换器要求测量信号共地，又电池串联连接，必然产生高共模电压，因此需采用光电隔离传输电压信号。另外光耦隔离还能防止主回路的强电信号窜入弱电系统，提高系统安全性。 

如图3所示，光耦器件采用HCNR201，它是一个高精度线性光耦，非线性度达到0.05%，确保了电压采集的准确性。 

光耦的工作原理是将被检测回路的电压信号施加给LED，LED发出红外光照射光电二极管产生电流，施加电压信号的变化引起LED发光光强的变化，从而导致流经光电二极管的电流发生变化，从而实现信号的电-光-电转化，由于采用光信号耦合，彻底断绝电路间的直接电气连接，从而实现信号的隔离。 

一般光耦施加的前级电压信号或者LED的电流与光电二极管产生的电流是非线性的。线性光耦在普通光耦的基础上增加了一个与原来参数相同的光电二极管PD1用于对前级信号反馈调节，从而实现光耦的线性传输。 

其主要原理是负反馈原理。如图3所示，前级输入部分，运放A1构成负反馈。其负反馈过程是：当A1输出增大（减小）时，LED电流增大（减小），LED发光变强（弱），PD1电流增大（减小），R1压降增大（减小），运放输入减小（增大），运放输出减小（增大）。在负反馈调节下，前级输入达到平衡，根据运放负反馈后虚短虚断特点，正向输入端电压为地电位G1，即单节蓄电池负端电位，则PD1电流为： 

又PD1和PD2参数相同，受光照又几乎相同，则

近似等于

，有关系：

其中的典型值为1，绝对误差在0.05之内。可认为二者相等。

输出端，A2将电流信号转换成电压信号，同样根据虚短虚断特性，A2反向输入端电位为地电位G2，为5V系统的地，该地与前级输入的地电位完全隔离。则输出电压为： 

综上, 前级电压信号与输出电压的关系为：

本系统

，则

。

将0-15V的单体电压线性转化为0-5V电压。 

上述完成了一路电压的采集，其余采集通道与此完全相同。由于前级运发采用单运放LM321，由单体电池直接供电，解决了共模高压的问题，后级运发采用LMV324，用5V电压统一供电，各路输出信号共地，解决了串联电池组单体差模电压共地问题。 

电流采集电路

如图4所示，电流采集采用TBC06DS霍尔型电流传感器，该传感器测量范围广，可测量正负电流，单向电流测量范围0-19.2A，完全满足电动车工作电流的测量需要。其次级供电只需5V电源，无需负电源，简化了系统电源设计。输出线性度高，可精确测量，输出电压范围0-5V，无需调理可直接经A/D转换。

该传感器输出电压随输入电流的变化关系如图5所示。 

温度采集电路

如图6a、6b所示，系统采用单总线器件DS18B20作为温度传感器。DS18B20为单总线数字式温度传感器。与CPU传输只需一根数据线，并且一根数据线上可同时挂载多个芯片，每个芯片有唯一的64位ROM号，可以通过比较该号来识别芯片。该芯片具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点。能直接与单片机通过1位数据线串行通信，其内部独一无二的芯片号特别适合于组成多点测量系统，并且在芯片数量小于8时，可直接由数据线供电，只需在总线传输空闲期将数据线拉高即可。

本系统采用TO-92型封装的芯片，其体积小便于安装，且芯片触头可充分与电池电极接触，便于准确测量蓄电池的温度。 

在正常测温情况下，芯片的温度检测范围能达到-55℃至+125℃，固有分辨率能达到0.5℃。本系统测量4节电池的温度，加上环境温度共5路温度，因此使用5个DS18B20，并直接挂接在一根总线上，芯片使用数据线供电，减少了传输线的数目。芯片与单片机构成的多点温度测量系统如图7所示。 

 CPU（单片机最小系统）

CPU是系统核心部分，负责各种数据处理与逻辑判断任务。本实用新型采用单片机作为中央控制器，单片机体积小、价格低、片内集成了丰富的外设资源，可方便构成最小系统。

采用8051内核的STC11F60XE型单片机。该单片机为高速型芯片，1机器周期/时钟周期，指令执行速度比普通8051单片机快8-12倍，最高能达到24倍，可方便驱动液晶等高速外设。 

芯片片内ROM即程序存储器容量高达60KB，扩展1280字节的RAM，因此无需进行存储器扩展。 

芯片只需外接上电复位电路即晶体振荡器即可组成单片机最小系统。由于P0口为开漏输出，因此作端口使用时须外接10K上拉电阻。单片机最小系统如图8所示。 

 AD转换电路

电压电流信号经采集电路转换成0-5V范围电压，这些信号经模数转换器转换成数字量后便可送单片机处理。

其内部结构框图如图9所示，模数转换芯片采用TLC2543CN。该型号为12位高精度数模转换器，通过SPI总线与处理机通信，只需两根数据线和一根时钟信号线便可完成数据收发。内部有多路开关可采集多达11路模拟信号。转换周期短，完成一次转换只需要10us的时间，可完成信号的高速采样。 

参考电压为5V，可直接接5V系统电源，无需设计专门的电压参考电路。 

由于8051单片机没有SPI总线硬件接口，我们利用单片机端口模拟SPI总线时序，完成单片机与AD间的通信，转化结束信号接单片机0号中断，单片机通过中断方式控制AD转换。AD与单片机接口如图10所示。

键盘接口

系统配备键盘用于对系统界面进行操作。为简化输入操作，键盘采用5按键结构，构成上下左右导航键以及确认键，如图11所示。

按键及中断与单片机接口如图12所示。按键采用独立键盘方式与单片机相连接，即每个按键分配一个P口用于读取按键状态。键盘与单片机采用中断方式连接，5个按键的低电平有效信号经与门产生中断信号。其中断产生条件是，5个按键只要有一个低电平信号，则产生低电平中断请求信号，与门可实现此功能。为实现5路信号的逻辑判断，采用74HC21D双四输入与门实现此功能，具体方法是4路信号接一个四输入与门，其输出信号再与第5路信号相与，便能实现5路信号的相与功能。 

显示器接口

界面显示我们选取LCD点阵液晶作为显示模块。LCD选取2.4寸TFT型240×320分辨率彩色液晶。该液晶采用ILI9325作为控制器。

液晶一个像素点色彩为16位565格式RGB真彩色，数据总线位宽设置为8位，与单片机8位数据线直接相连。液晶与单片机接口如图13所示。 

报警电路

对于异常状况的报警，本实用新型利用蜂鸣器发出警报。蜂鸣器由单片机控制通断，由于驱动电流较大，产用三极管驱动。报警驱动电路如图14所示，其中8550为PNP三级管，基极低电平控制导通，蜂鸣器发声。

电源电路

如图15所示，系统主体芯片均需5V供电，液晶背光需3.3V。电源供电电压取自串联电池组中最后一节电池的12V电压，经LM2576稳压后形成5V电压，在经IL1117稳压成3.3V。

本实用新型系统功能说明

本实用新型主体流程是蓄电池的电压、电流、温度信号经采集后送入系统，系统对数据进行相关处理后实现相关功能并得出需要显示的数据，送界面显示。

如图16所示，系统功能被分为5个模块，分别为运行状态显示、蓄电池相关信息查看、警报触发、放电试验环境、历史档案记录。 

（1）运行状态显示 

该功能对电动车在行驶过程的重要数据进行指示，它工作在蓄电池带实际负载进行实际应用时。主要显示蓄电池当前剩余电量和当前放电电流的大小也即负荷强度。并根据当前放电电流预测出蓄电池还可工作多长时间。由于考虑到用户在使用时不需要关心具体电流的数值和电池容量的安时数，因此这两个信息均以图形方式定性显示，而对放电剩余时间则给出具体值。另外，便于参考，也将本次蓄电池已放电时长一并显示。

在运行过程中，还实时给出电池组各节电池的均衡情况。 

（2）蓄电池相关信息查看 

这一部分用于显示一些在运行过程中不需要用户直接关注的原始信息以及一些无需实时显示的信息。主要用于查看电池电压、电流、温度等具体的数值以及SOC、SOH的信息。

（3）警报触发 

这一部分功能用于对各种异常情况进行实时检查并产生报警信号。当单节电池之间压差超过设定值产生电池不平衡警报，通过比较电池端电压与设定上、下限值的比较产生过充、过放警报，电流超过预定值产生深放电警报，温度异常、电量不足、电池被判失效均产生相应警报。

（4）放电试验环境 

该模块专门设置了一个用于对蓄电池做核对性放电试验的软件环境，在此环境下，只需给蓄电池充满电再外接恒流负载就可以进行核对放电试验。该功能可以完成相应放电曲线的绘制、得出电池组实际容量以及电池组SOH信息。

（5）历史档案记录 

该功能主要储存一些在蓄电池使用过程中比较重要的信息。如总使用安时数、异常记录等相关信息。

这些模块通过导航块连接，相互可以方便切换。 

综上所述，本实用新型能对蓄电池组的底层重要信息进行实时在线检测，即主要检测了构成电池组各单节电池的端电压及电池组的放电电流、充电电流，电池的温度等重要信息，并同时采集了环境温度，用以参照。系统可以对这些信息进行直接显示。在此基础上，实现了对采集信息的多种分析功能，主要有电池不平衡判断、温度异常指示、过充电、过放电、深放电指示。对于剩余容量的指示，采取了安时积分法与开路电压法相结合的方法，考虑了不同电流下的实际容量差异，引入了充放电效率和温度修正，能够较准确的预测当前容量。还设计了电池健康状况（SOH）的判断功能。这些功能都将给电池用户更好地使用与维护电池提供有效地帮助。作为附加功能，还补充设计了电池充放电曲线的绘制、电池核对放电试验、历史数据存档与查看等相关功能。 

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种车用蓄电池检测系统，其特征在于：由CPU和与其连接的信号采集及转换模块、显示器接口、键盘接口、报警电路，以及电源电路组成；

信号采集及转换模块，由电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路以及A/D转换电路组成；其中电压采集电路由电压接入电路和光电耦合电路组成，系统对电池组每节电池电压都进行采集，电压经光耦电路转换成0~5V信号输入所述A/D转换电路；电流采集电路采用TBC06DS霍尔型电流传感器，电流经霍尔传感器转换成0~5V信号输入所述A/D转换电路；A/D转换电路采用TLC2543CN模数转换芯片，将电压电流信号转换成数字量送至所述CPU处理；温度采集电路采用DS18B20数字式温度芯片直接由所述CPU读取；

CPU，采用8051内核的STC11F60XE型单片机，为系统核心部分，负责各种数据处理与逻辑判断任务； 

显示器接口，采用TFT型LCD，240×320真彩色点阵液晶，与所述CPU数据线直接相连；

键盘接口，采用5按键结构，构成上下左右导航键以及确认键，用于对系统界面进行操作，按键与所述CPU采用中断方式连接，5个按键的低电平有效信号经与门产生中断信号；

报警电路，包括蜂鸣器以及三级管，所述CPU驱动三极管，三极管基极低电平控制通断，驱动蜂鸣器发声；

电源电路，采用LM2576芯片以及IL1117芯片，电源供电电压取自串联电池组中最后一节电池的12V电压，经LM2576产生5V电压给系统供电，再经IL1117产生3.3V低压给液晶显示屏供电。

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