CN204794203U - 一种智能电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种智能电池管理系统，包括微处理器、主电源电路、均衡电路模块、温度传感器模块、按键和数据显示模块、通讯模块和数据存储模块，微处理器的输出端分别与主电源电路、数据存储模块和均衡电路模块的输入端相连，按键和数据显示模块的输出端、温度传感器模块的输出端均与微处理器的输入端相连，通讯模块与微处理器相连。在电池初始充电时可人工配置充电参数，启动充电机后，微处理器采集由温度传感器发来的环境温度信号，对充电参数自动调整；微处理器控制均衡电路模块对电池进行均衡充电、放电；通讯模块可对充电机的各项参数进行读取和配置；微处理器将每次充电过程的参数设定等信息实时的存入数据存储模块，便于用户读取分析。

Description

一种智能电池管理系统

技术领域

本实用新型属于蓄电池充电领域，尤其是涉及一种智能电池管理系统。

背景技术

铅酸蓄电池已广泛应用于各个领域,如不间断电源(UPS)、电力电源、通讯电源,近几年出现的电动车辆如电动自行车、电动摩托车、电动轿车等很多也采用铅酸蓄电池,电动车辆需要对电池频繁充放电,对电池的性能提出了更高的要求,也将电池的性能发挥到了极限。铅酸蓄电池失效的主要原因是极板硫化：硫酸铅充从电解液中析出，在极板上生产白色坚硬的硫酸铅结晶，充电时非常难于转化为活性物质，形成硫化现象，造成硫化现象的原因有：1、电池经常充电不足，2、温度过高导致失水，造成电解液密度过高，3、蓄电池经常过量放电，大量生成硫酸铅。

现有给电池充电的方式主要是三段式充电方式：恒流充电阶段、恒压充电阶段、补充充电阶段，三个阶段转换的条件分别是：恒流阶段以充电电压达到设定值为结束，转为恒压充电阶段；恒压充电阶段以充电电流小于设定值时为结束，转为补充充电阶段。这种充电方式不能解决由于每节电池间的微小差异导致的单只电池落后现象，导致的电池组寿命短的问题，也无法解决电池在冬天因温度低导致的电池充不满现象，并且会因为补充充电阶段的时间过长，导致电池极板硫化现象的加剧。现有充电机都是在出厂时设定好充电参数，到客户手里时不能做任何修改，无论冬夏或新旧电池都只能使用一个充电参数进行充电，容易加速电池的老化。电池容量需要到专业工厂进行充放电测试才能判断电池实际容量，消费者无法简单判断购买的电池是否是新品；现有充电机没有任何外设装置能够告知用户充电机实时状态和电池的实时状态，用户在充电过程中完全不了解具体状况。现有充电机不具备数据存储功能，充电机使用了多少次，每次充电的环境温度是多少，充电时电池的温度是多少，充电机工厂不知道，客户也不知道，因此，如果电池出现容量不足、使用寿命短或外壳鼓胀的问题，是充电机造成的还是使用环境不当造成的，事后没有办法做分析判断。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种智能电池管理系统，以实现在蓄电池充电过程中智能控制充电机的目的。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种智能电池管理系统，包括主电源电路，将220V交流电转换为可为连接上的铅酸蓄电池进行充电的电压或电流；

微处理器，作为整个电池管理系统的核心，可控制各充电阶段的充电电压、充电电流、充电时间、脉冲充电参数、电流和温度、驱动数据显示模块、开启或关断均衡电路模块、采集电池电压，实现与外围部件进行数据通讯，将充电参数发送到数据存储模块等；

均衡电路模块，与每节电池进行连接，实现各节电池的电压一致；

温度传感器模块，所述温度传感器模块由多个温度传感器组成，实时采集每节电池的温度；

按键和数据显示模块，可人工进行充电参数配置，同时能显示充电机和电池的实时状况；

通讯模块，用于与外界智能模块进行通讯；

数据存储模块，用于存储充电机历史数据，便于读取到电脑后进行统计和分析；

所述微处理器的输出端分别与所述主电源电路、数据存储模块和均衡电路模块的输入端相连，所述按键和数据显示模块的输出端、温度传感器模块的输出端分别与所述微处理器的输入端相连，所述通讯模块与所述微处理器相连。

进一步的，所述主电源电路包括电磁滤波回路&整流电路、功率开关电路、高频变压器、整流滤波电路、PWM控制电路和隔离栅极驱动电路，所述电磁滤波回路&整流电路的输入端接交流电，电磁滤波回路&整流电路将交流电转化为高压直流电，所述电磁滤波回路&整流电路的输出端与所述功率开关电路的输入端相连，功率开关电路将高压直流电转化为两路正负互补的高频高压脉冲电压，所述功率开关电路的输出端与所述高频变压器的输入端相连，高频变压器将两路正负互补的高压高频脉冲电压转化为两路正负互补的高频低压脉冲电压，所述高频变压器的输出端与整流滤波电路的输入端相连，整流滤波电路将两路正负互补的高频低压脉冲电压合并转化为平稳的直流电压，所述整流滤波电路的输出端通过所述PWM控制电路与所述隔离栅极驱动电路的输入端相连，所述隔离栅极驱动电路的输出端与所述功率开关电路相连，所述PWM控制电路接所述微处理器，隔离栅极驱动电路负责控制功率开关电路的开关频率，PWM控制电路负责给隔离栅极驱动电路提供工作信号，微处理器根据采集的充电电压、电流信号，发出控制命令，最终控制功率开关电路的工作。

进一步的，所述按键和数据显示模块包括按钮和液晶显示屏幕，所述按钮和液晶显示屏幕分别与所述微处理器相连。

进一步的，所述按钮有四个，通过按钮1进行向上选择，通过按钮2进行向下选择，通过按钮3进行确认选择，通过按钮4进行返回选择。

进一步的，所述电磁滤波回路&整流电路包括变压器T1、继电器K1、二极管D1、热敏电阻R1、热敏电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，在所述变压器T1的第3管脚和第4管脚的两端并联电容C2，所述电阻R3、电阻R4和电阻R5串联后并联在所述电容C2的两端，在所述电容C2的两端还并联有所述热敏电阻R2，所述变压器T1的第3管脚通过热敏电阻R1接P2接口，所述变压器T1的第4管脚通过保险F1接P1接口，所述继电器K1的第1管脚接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极接继电器K1的第8管脚，所述继电器K1的第5管脚通过热敏电阻R1后接继电器K1的第6管脚，在所述变压器T1的第1管脚和第2管脚的两端并联电容C1，电容C3和电容C4串联后并联在所述电容C1的两端，交流电源D1接入所述变压器T1的第1管脚和第2管脚，所述交流电源D1的第1管脚分别通过电容C7、电容C8、电容C9和电容C10接地。

进一步的，所述微处理器的芯片型号为STM32F105RBT6。

进一步的，所述PWM控制电路的芯片型号为UCC28950。

进一步的，所述通讯模块采用两种通讯方式，串口通讯和CAN通讯，所述通讯模块的芯片型号为TJA1042T。

进一步的，所述数据存储模块的存储芯片为AT24C64，可存储8K的数据相当于1000次充电过程的数据。

进一步的，所述温度传感器为LM75A温度传感器。

相对于现有技术，本实用新型所述的智能电池管理系统具有以下优势：在电池初始充电时可人工配置充电参数，启动充电机后，微处理器采集由温度传感器发来的环境温度信号，对充电参数自动调整；微处理器可控制均衡电路模块对接入的电池进行均衡充电、放电；通过按键和数据显示模块可以显示充电机和电池的各项技术参数，实现对参数的调整；通讯模块可对充电机的各项参数进行读取和配置，同时还可以调取充电机使用过程中的所有参数数据；数据存储模块可存储相当于1000次充电过程的数据，微处理器将每次充电过程的参数设定等信息实时的存入数据存储模块，便于用户读取分析；具有充电安全、智能充电等优点。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型的原理框图；

图2是本实用新型中主电源电路的原理框图；

图3是本实用新型中微处理器的电路图；

图4是本实用新型中均衡电路模块的电路图；

图5是本实用新型中数据存储模块的电路图；

图6是本实用新型中通讯模块的电路图；

图7是本实用新型中温度传感器的电路图；

图8是主电源电路中电磁滤波回路&整流电路的电路图；

图9是主电源电路中PWM控制电路的电路图；

图10是主电源电路中隔离栅极驱动电路的电路图；

图11是主电源电路中功率开关电路、高频变压器和整流滤波电路的电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1至11所示，一种智能电池管理系统，包括微处理器、主电源电路、均衡电路模块、温度传感器模块、按键和数据显示模块、通讯模块和数据存储模块，所述温度传感器模块由多个温度传感器组成，所述微处理器的输出端分别与所述主电源电路、数据存储模块和均衡电路模块的输入端相连，所述按键和数据显示模块的输出端、温度传感器模块的输出端分别与所述微处理器的输入端相连，所述通讯模块与所述微处理器相连，所述按键和数据显示模块包括按钮和液晶显示屏幕，所述按钮和液晶显示屏幕分别与所述微处理器相连，所述按钮有四个，通过按钮1进行向上选择，通过按钮2进行向下选择，通过按钮3进行确认选择，通过按钮4进行返回选择，所述微处理器的芯片型号为STM32F105RBT6，所述通讯模块采用两种通讯方式，串口通讯和CAN通讯，所述通讯模块的芯片型号为TJA1042T，所述数据存储模块的存储芯片为AT24C64，可存储8K的数据相当于1000次充电过程的数据，所述温度传感器为LM75A温度传感器。

主电源电路，将220V交流电转换为可为连接上的铅酸蓄电池进行充电的电压或电流；微处理器，作为整个电池管理系统的核心，可控制各充电阶段的充电电压、充电电流、充电时间、脉冲充电参数、电流和温度、驱动数据显示模块、开启或关断均衡电路模块、采集电池电压，实现与外围部件进行数据通讯，将充电参数发送到数据存储模块等；均衡电路模块，与每节电池进行连接，实现各节电池的电压一致；温度传感器模块，所述温度传感器模块由多个温度传感器组成，实时采集每节电池的温度；按键和数据显示模块，可人工进行充电参数配置，同时能显示充电机和电池的实时状况；通讯模块，用于与外界智能模块进行通讯；数据存储模块，用于存储充电机历史数据，便于读取到电脑后进行统计和分析。

所述主电源电路包括电磁滤波回路&整流电路、功率开关电路、高频变压器、整流滤波电路、PWM控制电路和隔离栅极驱动电路，所述电磁滤波回路&整流电路的输入端接交流电，电磁滤波回路&整流电路将交流电转化为高压直流电，所述电磁滤波回路&整流电路的输出端与所述功率开关电路的输入端相连，功率开关电路将高压直流电转化为两路正负互补的高频高压脉冲电压，所述功率开关电路的输出端与所述高频变压器的输入端相连，高频变压器将两路正负互补的高压高频脉冲电压转化为两路正负互补的高频低压脉冲电压，所述高频变压器的输出端与整流滤波电路的输入端相连，整流滤波电路将两路正负互补的高频低压脉冲电压合并转化为平稳的直流电压，所述整流滤波电路的输出端通过所述PWM控制电路与所述隔离栅极驱动电路的输入端相连，所述隔离栅极驱动电路的输出端与所述功率开关电路相连，所述PWM控制电路接所述微处理器，隔离栅极驱动电路负责控制功率开关电路的开关频率，PWM控制电路负责给隔离栅极驱动电路提供工作信号，微处理器根据采集的充电电压、电流信号，发出控制命令，最终控制功率开关电路的工作，所述PWM控制电路的芯片型号为UCC28950。

所述电磁滤波回路&整流电路包括变压器T1、继电器K1、二极管D1、热敏电阻R1、热敏电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，在所述变压器T1的第3管脚和第4管脚的两端并联电容C2，所述电阻R3、电阻R4和电阻R5串联后并联在所述电容C2的两端，在所述电容C2的两端还并联有所述热敏电阻R2，所述变压器T1的第3管脚通过热敏电阻R1接P2接口，所述变压器T1的第4管脚通过保险F1接P1接口，所述继电器K1的第1管脚接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极接继电器K1的第8管脚，所述继电器K1的第5管脚通过热敏电阻R1后接继电器K1的第6管脚，在所述变压器T1的第1管脚和第2管脚的两端并联电容C1，电容C3和电容C4串联后并联在所述电容C1的两端，交流电源D1接入所述变压器T1的第1管脚和第2管脚，所述交流电源D1的第1管脚分别通过电容C7、电容C8、电容C9和电容C10接地。

本智能电池管理系统的工作过程：充电机正式进行使用时，可根据需要针对要进行充电的电池进行参数配置，启动充电机后，微处理器采集由温度传感器发来的环境温度信号，依据温度补充公式控制主电源电路自行进行充电电压的调整。微处理器根据初始设定的均衡条件，采集从均衡电路模块发来的各节电池的电压，通过电压对比，判断出是否需要进行均衡，根据需要将需要进行均衡的电池对应均衡电路打开，对其进行补充充电，直至每节电池的压差都低于设定的均衡充电结束条件。通过按键和数据显示模块可以显示充电机和电池的各项技术参数，实现对参数的调整。通讯模块只要外接智能设备具有串口通讯和CAN通讯功能，即可对充电机的各项参数进行读取和配置，同时还可以调取充电机使用过程中的所有参数数据。数据存储模块可存储8K的数据，相当于1000次充电过程的数据，微处理器将每次充电过程的参数设定等信息实时的存入数据存储模块，便于用户读取分析。

本智能电池管理系统具有以下特点：

1)电池初始充电时可人工配置：当充电机正式进行使用时，可根据需要针对要进行充电的电池进行参数配置，如：恒流充电电流、恒压充电电压、脉冲充电电压、脉冲充电电流、脉冲充电启动电流、均衡充电模式、均衡启动条件、均衡结束条件、恒流充电最长时间、恒压充电最长时间、脉冲充电最长时间等，便于不同品牌的新旧电池的匹配。

2)充电参数自动调整：启动充电机后，微处理器采集由温度传感器发来的环境温度信号，依据温度补充公式U＝－1×温度补偿系数(mV/℃)×(蓄电池温度一基准温度)×N；其中N为组内阀控密封式铅酸蓄电池节数，温度补偿系数为：3mV/℃。自行进行充电电压的调整，如一种蓄电池在标准温度25℃下恒压充电电压为74V，当环境温度升高到30℃时，此时充电机将自动将恒压充电电压调整到73.25V，脉冲充电电压也自动降低0.75V。当恒流充电时间达到设定恒流充电最长时间时，充电机自动转入恒压充电，并以该电压为下次充电时进入恒压充电的转换电压，避免每次都以最长恒流充电时间进行恒流充电，对电池造成损害；当恒压充电时间达到设定恒压充电最长时间时，充电机自动转入脉冲充电，避免长时间的恒压大电流充电对电池造成伤害。

3)脉冲充电：补充充电阶段升级为脉冲充电，当环境温度高于标准温度时，降低脉冲电压、增加脉冲占空比、降低脉冲电流，避免长时间高压和高温造成电池过充；当环境温度低于理想温度时，自行调高脉冲电压和调整脉冲占空比，以此来激活电池内的电解液，使其内部化学反应更激烈一些，实现充入更多能量的目的。

4)均衡充电：均衡充电分为充电时均衡、放电时均衡、充放电均衡三种模式，充电时均衡是指只有在充电机进行充电时，均衡电路对接入电池进行均衡，放电时均衡是指充电机只在接入电池进行放电时，均衡电路对接入电池进行均衡；充放电均衡是指充电机只要接入电池，无论是在充电过程还是在放电过程，均对电池进行均衡。均衡充电启动条件和均衡充电结束条件可通过按键或外接智能设备进行设定，启动条件和结束条件一般是各节电池间的压差，如压差大于0.3V即开启均衡，压差小于0.2V时结束均衡，微处理器根据初始设定的均衡条件，采集从均衡电路模块发来的各节电池的电压，通过电压对比，判断出是否需要进行均衡，根据需要将需要进行均衡的电池对应均衡电路打开，对其进行补充充电，直至每节电池的压差都低于设定的均衡充电结束条件。

5)在线电池容量测量：微处理器控制主电源电路给所接电池组两端加一个低频率交流测量信号电压，通过测量电池组的信号电流与信号电压的比值--电导，再通过与在微处理器存储电导值测量曲线档案对比，计算实际测量电导值与初始电导测量曲线数据中的电导值的比值，如实际测量的电导电导值只有初始电导值的80％，即此电池组容量已只有原始容量的80％。

6)人工配置充电参数：按键和数据显示模块中的液晶显示屏幕可以显示充电机和电池的各项技术参数，如：恒流充电电流、恒压充电电压、脉冲充电电压、脉冲充电电流、脉冲充电启动电流、均衡充电模式、均衡启动条件、均衡结束条件、恒流充电最长时间、恒压充电最长时间、脉冲充电最长时间等，通过按钮操作可调整上述参数的设定值。如通过按钮1进行向上选择，通过按钮2进行向下选择，通过按钮3进行确认选择，通过按钮4进行返回选择，即可完成恒压充电参数设定。

7)智能通讯：通讯模块可以采用两种通讯方式，串口通讯和CAN通讯，只要外接智能设备具有串口通讯和CAN通讯功能，即可对充电机的各项参数进行读取和配置，同时还可以调取充电机使用过程中的所有参数数据。

8)数据记录：充电机配备有数据存储模块，可存储8K的数据相当于1000次充电过程的数据，微处理器将每次充电过程的充电环境温度、充电过程中电池的温度变化、充电机内部的温度变化、恒流充电电流、恒流充电时间、恒压充电电压、恒压充电时间、脉冲充电电压、脉冲充电电流、脉冲充电时间、脉冲充电的脉宽、电池的初始容量，电池充满后的容量、初始充电参数设定等信息实时的存入数据存储模块，便于用户读取分析。

9)超强保护：输出短路保护，当充电机输出线短接时，充电机可自行将输出电流控制在最高输出电流状态，保证充电机的安全。高温保护：当电池温度大于40℃时，充电机停止充电，实现保护电池，从而不出现充鼓电池的现象；当温度传感器检测到充电机内部温度超过80℃时，充电机自行停止工作，保证充电机的安全与使用寿命。当电池使用容量快要用尽时以及使用中温度过高时，充电机可进行声光报警。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能电池管理系统，其特征在于：包括主电源电路、微处理器、均衡电路模块、温度传感器模块、按键和数据显示模块、通讯模块和数据存储模块，所述温度传感器模块由多个温度传感器组成；所述微处理器的输出端分别与所述主电源电路、数据存储模块和均衡电路模块的输入端相连，所述按键和数据显示模块的输出端、温度传感器模块的输出端分别与所述微处理器的输入端相连，所述通讯模块与所述微处理器相连。

2.根据权利要求1所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述主电源电路包括电磁滤波回路&整流电路、功率开关电路、高频变压器、整流滤波电路、PWM控制电路和隔离栅极驱动电路，所述电磁滤波回路&整流电路的输入端接交流电，所述电磁滤波回路&整流电路的输出端与所述功率开关电路的输入端相连，所述功率开关电路的输出端与所述高频变压器的输入端相连，所述高频变压器的输出端与整流滤波电路的输入端相连，所述整流滤波电路的输出端通过所述PWM控制电路与所述隔离栅极驱动电路的输入端相连，所述隔离栅极驱动电路的输出端与所述功率开关电路相连，所述PWM控制电路接所述微处理器。

3.根据权利要求2所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述电磁滤波回路&整流电路包括变压器T1、继电器K1、二极管D1、热敏电阻R1、热敏电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，在所述变压器T1的第3管脚和第4管脚的两端并联电容C2，所述电阻R3、电阻R4和电阻R5串联后并联在所述电容C2的两端，在所述电容C2的两端还并联有所述热敏电阻R2，所述变压器T1的第3管脚通过热敏电阻R1接P2接口，所述变压器T1的第4管脚通过保险F1接P1接口，所述继电器K1的第1管脚接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极接继电器K1的第8管脚，所述继电器K1的第5管脚通过热敏电阻R1后接继电器K1的第6管脚，在所述变压器T1的第1管脚和第2管脚的两端并联电容C1，电容C3和电容C4串联后并联在所述电容C1的两端，交流电源D1接入所述变压器T1的第1管脚和第2管脚，所述交流电源D1的第1管脚分别通过电容C7、电容C8、电容C9和电容C10接地。

4.根据权利要求1或3所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述按键和数据显示模块包括按钮和液晶显示屏幕，所述按钮和液晶显示屏幕分别与所述微处理器相连。

5.根据权利要求4所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述按钮有四个。

6.根据权利要求1或3所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述微处理器的芯片型号为STM32F105RBT6。

7.根据权利要求2或3所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述PWM控制电路的芯片型号为UCC28950。

8.根据权利要求1或2所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述通讯模块采用两种通讯方式，串口通讯和CAN通讯，所述通讯模块的芯片型号为TJA1042T。

9.根据权利要求1或2所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述数据存储模块的存储芯片为AT24C64。

10.根据权利要求1或2所述的一种智能电池管理系统，其特征在于：所述温度传感器为LM75A温度传感器。