CN206742444U - 一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪，所述监测仪利用单片机作为主控制板的核心微控制系统，智能电池监测芯片作为模块化数据采集板的核心测量元件，在主控制板的统一控制下，模块化数据采集板实时动态测量电池组中每只电池的工作数据，模块化数据采集板测量的数据经过光电隔离的接口传送给主控制板；本实用新型目的在于解决由于电动车电池组会工作在断续放电、持续放电、短时间大电流放电、长时间微电流放电、过充电、过放电等情况，以及电池本身质量问题，都可能导致整组电池容量明显衰减，现有的检测的技术和方法在电动自行车正常使用中无法及时全面获得电池组及单体电池的状态、无法尽早判断整组电池容量出现明显衰减是用户使用不当导致的还是电池本身质量问题导致的。

Description

一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪

技术领域

本实用新型涉及蓄电池测试技术领域，具体涉及一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪。

背景技术

目前，电动自行车多采用3-6节阀控铅酸蓄电池以串联方式连接的电池组作为动力电池。当电池组中有一块单体电池落后，将使整组电池容量明显衰减，这种因电池不一致造成的容量衰减现象，使电动自行车很快出现续驶里程不足问题，过早的使整组电池报废更换。

为了避免电池组过早出现容量衰减现象，提高电池寿命，电动自行车电池通常配组供应。电池配组是将容量、开路电压等性能接近的电池组成多块(3-6块)一组, 以使电池组有良好的一致性。经过全面配组的电池在开路电压、内阻、充电电压、初始放电结束电压有良好的一致性，并且在几十次循环后各电池放电结束电压会有良好的一致性。全面配组是解决电池间不一致造成容衰减的有效措施。然而电池配组并不能解决电池间因板栅、极板等质量不一致性以及不一致造成的容量衰减现象的所有问题。

目前，电动自行车的控制器和电量表都是通过检测电池组整组电压来定性地评估电池组的剩余容量，并以此电压作为定量控制和调节电动自行车运行状态的参数，限制蓄电池组的放电电流和电机工作状态。在电池组电压较高时，允许最大电流工作以保证电机输出足够动力；在电池组电压接近放电终止保护电压时，减小工作电流，电机输出动力减小，防止电池过放电；在电池组电压达到放电终止保护电压时，切断电池组电池输出，电机没有动力输出。由于电池组采用串联方式供电，电池间的不一致性导致在电池组总电压接近但没有达到放电终止保护电压时， 电池组中已有电池超过放电保护电压，这只电池已过早达到使用寿命。这一状态通常在用户发现电动自行车出现续行里程不足时，此时，整组电池容量已明显衰减，其中一只电池严重落后，甚至已经达到使用寿命必须更换整组电池。

只有对电池组的每只电池进行检测，才能准确判别电池组的实际状态。对于电池组中单体电池的检测，主要有电压检测、电流检测和内阻(电导)检测等方法。检测仪表主要有蓄电池测试表、蓄电池容量测试仪和蓄电池电导(内阻)检测仪。蓄电池测试表一般是根据蓄电池的内阻值随蓄电池容量的降低而升高原理，由电压表、分流电阻组成。测量时将放电叉两端接在电瓶正负极上，分流电阻未接入时仪表显示电压U0为蓄电池的开路电压，短时间接入分流电阻，仪表显示电压为分流电阻上电压U，此时，U=(R/(R+r))U0，R为分流电阻，r为蓄电池内阻，U0为分流电阻未接入时蓄电池的开路电压。r=(U0/U-1)R，即通过仪表刻度指示的内阻值表示蓄电池容量情况。

蓄电池容量测试仪通过对蓄电池进行恒流充放电，在全面监测蓄电池电压、温度等状态情况下根据检测的充放电电流、充放电终止保护电压和充放电时间计算获得蓄电池完全充放电状态下的容量。

蓄电池电导(内阻)仪采用开尔文四线检测方式，通过对蓄电池两端注入恒定交流激励电流信号，在蓄电池两端检测响应的交流电压信号，可以精确计算得到蓄电池电导(内阻)，可以在线测试，同时显示电压、电导值及蓄电池相对百分比容量。

目前电动自行车广泛采用电量表对动力电池组的状态进行测量，测量的是串联电池组的总电压，在稳定放电条件下，对于配组供应的一致性好的新电池组而言，较为有效。而对于使用一段时间后的旧电池组，由于电池组内各单只电池充放电的不一致性日趋严重，当电池组中有一只电池落后时，虽然这时电量表指示电池组电量正常，但是这只落后电池已经到了过放电或过充电状态，当电量表显示电量不足或充满时，这只电池已严重过放电或过充电。因此，这种采用测量总电压方式的电量表不能正确显示电池组中单个电池的实际状态，不能及时发现早期出现不一致现象和落后的电池，也就无法及时采取维护措施以减轻或消除不一致状况，最终将严重影响电池寿命，使整组电池过早报废而需要更换。

当用户发现电动自行车出现续行里程不足时，通常将电动自行车送到售后服务维修站检查。维修站人员一般通过对电池组中每个单体电池的电压检测、电流检测或内阻(电导)检测来判断电池组状态。大多数维修站人员使用蓄电池测试表对每一节电池进行检测，这种检测方法只能在电池组电量不足时判断严重不一致的容量衰减电池组，而无法检出电量充足的电池组和早期轻度不一致的电池组容量衰减。如果需要精确判断电池组容量状态，需要将电池组拆开，采用蓄电池容量测试仪对每节电池进行充放电容量测试，这种方法可以精确检测电池状态，但需要离线检测，并且需要足够长的充电和放电时间，充放电测试的电能将被浪费。采用蓄电池电导(内阻)检测仪虽然可以较快检测电池状态，但同样不能在电动车正常使用中进行。上述检测，基本是在至少有一块电池已严重落后，电池组已经接近使用寿命，需要更换整组电池时才进行的检测判断。

由于电动车电池组会工作在断续放电、持续放电、短时间大电流放电、长时间微电流放电、过充电、过放电等情况，以及电池本身质量问题，都可能导致整组电池容量明显衰减，上述技术和方法却无法在电动自行车正常使用中及时获得电池组及单体电池的状态，无法尽早判断整组电池容量出现明显衰减是用户使用不当导致的还是电池本身质量问题导致的。

发明内容

本实用新型针对现有技术和方法的缺陷或不足，提供一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪，目的在于解决由于电动车电池组工作在断续放电、持续放电、短时间大电流放电、长时间微电流放电、过充电、过放电等情况，以及因电池本身质量问题，导致整组电池容量明显衰减，传统的技术和方法在电动自行车正常使用中无法及时全面获得电池组及单体电池的状态、无法尽早判断整组电池容量出现明显衰减是用户使用不当导致的还是电池本身质量问题导致的。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪，其特征在于：所述监测仪利用单片机U6作为主控制板的核心微控制系统，智能电池监测芯片U1作为模块化数据采集板的核心测量元件，在主控制板的统一控制下，模块化数据采集板实时动态测量电动车电池组中每只电池的充放电状态、电压、电流、温度、充电电量、放电电量以及剩余电量工作数据，模块化数据采集板测量的数据经过光电隔离的接口传送给主控制板；

所述主控制板包含以单片机U6为核心的微控制器，以I2C总线器件作为监测数据的存储器U7、以稳压电源集成电路U8作为提供住控制板的工作电源、以电源转换模块M3作为降压器件、以蓝牙接口模块M4为无线数据传送接口、以液晶显示模块M5作为电池运行数据的动态显示、独立键盘电路、主控制板电源接口P2、以及多个模块化数据采集板接口；

所述模块化数据采集板包含以智能电池监测芯片U1为核心元件的测量电路、、电池电压输入接口P1、J0接口、光电隔离接口电路U3/U4、传感器模块M1、稳压电源U5以及电源转换模块M2。

本实用新型进一步技术改进方案是：

所述微控制器根据设定的时间间隔，通过模块化数据采集板接口定时向每个模块化数据采集板发送数据采集指令，监测电池组中各电池运行状态；存储器U7用于存入主控制板运行参数和各模块化采集板传送来电池状态数据；电源转换模块M3将电池组高电压转换为低电压，稳压电源模块U8为主控制板提供工作电源；微控制器通过蓝牙接口模块M4，与PC机连接进行无线数据通信，上传数据给PC机进行电池组工作状态的详细分析和诊断；液晶显示模块M5用于动态显示电池运行数据，独立键盘电路S1~S3为3个按键，用于主控制的复位、状态设置和显示切换，D1~D3为3个发光二极管，它们用于设备运行状态和电池报警指示；P2为主控制板电源接口，工作电源通过接口P2从电池组接入，经电源转换模块M3降低电压后，经稳压电源模块U8输出5V工作电压为主控制板提供工作电源；数据采集板接口J1~J5，用于向各数据采集板发送数据采集命令，接收各数据采集板发送来的电池工作状态数据。

本实用新型进一步技术改进方案是：

所述P1为电池电压输入接口，用于将串联工作的电池组中任意一只电池的电压，通过精密电阻 R1 、 R2分压， 并经C1、R3低通滤波，送给智能电池监测芯片U1进行电压测量，同时，经过稳压电源U5和电源转换模块M2分别为主控制板、传感器模块M1提供工作电源；串联工作的电池组的电源导线穿过传感器模块M1将电池组导线的大电流转化为小电流，经取样电阻R4转变为电压，通过C2和R5构成的低通滤波器，送至智能电池监测芯片U1的电流采样端，实现电流的隔离测量；智能电池监测芯片U1可以测量电池的电压、电流、温度、充电安时、放电安时，以及剩余电量安时数；J0为智能电池监测芯片U1通过单线总线，经逻辑芯片U2A/U2B驱动和光电隔离接口电路U3/U4的接口，用于接收主控制板发送的数据采集命令，发送采集的电池工作状态数据给主控制板；电源转换模块M2用于产生闭环电流霍尔传感器工作所需的工作电源。

本实用新型进一步技术改进方案是：

所述单片机U6采用80C2051单片机；存储器采用I2C总线存储器24C512；电源转换模块M3采用隔离型DC-DC电源转换模块WRA1209S；稳压电源模块U8采用MC7805T；蓝牙接口模块M4采用CC2541芯片；液晶显示模块M5采用LCD12864-S芯片；传感器模块M1采用闭环电流霍尔传感器LA125-P；智能电池监测芯片U1采用DS2438Z芯片；光电隔离接口电路U3/U4采用6N135芯片；稳压电源U5采用MC7805T；电源转换模块M2采用隔离型DC-DC转换模块WRA1215S。

本实用新型与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本实用新型通过实时监测每只电池工作的电压、电流、温度、充电电量、放电电量及剩余电量，可以实时掌握电池组工作状态，充分利用可续行里程，减少充电次数和充电时间，根据提示及时对落后电池进行维护，避免电池组因某只单体电池过放电和过充电而过早出现容量衰减，提高了整组电池寿命。

二、本实用新型通过实时记录的每只电池工作的电压、电流、温度、充电电量、放电电量及剩余电量等数据，可以精确分析判别是因电池本身质量出现容量衰减电池，还是使用者不当使用行为导致电池出现容量衰减或电池损坏，提高售后服务质量，减少与客户的矛盾；通过数据分析，可以尽早发现出现容量早期轻度衰减的单体电池，及时给用户提供电池维护指导，为用户提供使用方式建议，避免不当使用行为，延长整组电池寿命。

附图说明

图 1为本实用新型主控制板电路原理图；

图2 为本实用新型数据采集板电路原理图；

图3为本实用新型系统连接图。

具体实施方式

如附图1、2、3所示，本装置利用单片机作为主控制板的核心微控制系统，利用智能电池监测芯片作为模块化数据采集板的核心测量元件，采用多个模块化数据采集板，实时动态测量电动车电池组中每只电池的充放电状态、电压、电流、温度、充电电量、放电电量和剩余电量等数据。在主控制板的统一控制下，每个模块化数据采集板测量的数据经过光电隔离的接口传送给主控制板。主控制板以单片机为核心，采用EEPROM实时记录每只电池运行的状态数据，采用LCD模块动态显示电池组及每一只电池的运行状态，通过蓝牙接口上传测量数据给计算机进行记录、分析和诊断。

主控制板电路如图1所示。主控制板包含以单片机U6为核心的微控制器，以I2C总线器件作为监测数据的存储器U7，以蓝牙接口模块M4为无线数据传送接口，键盘显示模块M5和5个模块化数据采集板接口。

其中，单片机U6采用80C2051单片机作为微控制器，根据设定的时间间隔，通过数据采集板接口J1～J5定时向每个模块化数据采集板发送数据采集指令，监测电池组中各电池运行状态。

存储器U7采用I2C总线存储器24C512，用于存入主控制板运行参数和各模块化采集板传送来电池状态数据。

电源转换模块M3采用隔离型DC-DC电源转换模块WRA1209S，将电池组36V~72V高电压转换为9V。稳压电源模块U8为稳压电源集成电路，为主控制板提供5V工作电源。

蓝牙接口模块M4采用蓝牙接口模块CC2541，单片机U6通过蓝牙接口模块M4，与PC机连接进行无线数据通信，上传数据给PC机进行电池组工作状态的详细分析和诊断。

液晶显示模块M5为液晶显示模块LCD12864-S，用于动态显示电池运行数据。S1~S3为3个按键,用于主控制的复位、状态设置和显示切换。D1~D3为3个发光二极管，它们用于设备运行状态和电池报警指示。

主控制板电源接口P2，工作电源通过接口P2从电池组接入，经电源转换模块M3降低电压后，经稳压电源模块U8输出稳定的5V工作电压。

J1~J5为数据采集板接口，用于主控制板向各数据采集板发送数据采集命令，接收各数据采集板发送来的电池工作状态数据。

模块化数据采集板电路如图2所示。模块化数据采集板包含以智能电池监测芯片U1为核心元件的测量电路、光电隔离接口电路U3～U4、传感器模块M1、稳压电源U5和电源转换模块M2。

其中，P1为电池电压输入接口，用于将串联工作的电池组中任意一只电池的电压，通过精密电阻 R1 、 R2分压， 并经C1、R3低通滤波，送给智能电池监测芯U1进行电压测量。同时，经过稳压电源电路U5和电源转换模块M2分别为主控制板提供5V电源，为传感器模块M1提供±15V电源。

传感器模块M1为闭环电流霍尔传感器LA125-P，串联工作的电池组的电源导线穿过该闭环电流霍尔传感器，将电池组导线中0~125A的大电流转化为0~125 mA 的小电流，经取样电阻R4转变为电压，通过C2和R5构成的低通滤波器，送至智能电池监测芯片U1的电流采样端，实现电流的隔离测量。

智能电池监测芯片U1内置电压A/D转换器，电流A/D转换器、集成温度传感器、集成电流累加器（ICA）、充电电流累加器（CCA）和放电电流累加器（DCA），可以测量电池的电压、电流、温度、充电安时、放电安时，以及剩余电量安时数。通过CCA和DCA 可提供基于总充放电电流的电池使用寿命相关信息。

J0是智能电池监测芯片U1通过单线总线，经逻辑芯片U2A/U2B驱动和光电隔离接口电路U3/U4的接口，用于接收主控制板发送的数据采集命令，发送采集的电池工作状态数据给主控制板。

电源转换模块M2，用于产生传感器模块M1工作所需的±15V电源。

主控制板以单片机U6作为微控制系统的核心，主控制板工作时，单片机U6首先完成对微控制系统存储器U7、液晶显示模块M5、蓝牙接口模块M4及智能电池监测芯片U1等器件的初始化。然后，根据按键S2在放电模式、充电模式和数据上传模式等运行状态切换，根据按键S3在液晶显示模块M5上循环切换显示电池的电压、电流、温度、电量，以及测量间隔设置值。测量间隔可以设定为10秒、20秒、30秒和60秒；默认测量间隔为30秒。

当运行在放电（充电）模式状态，主控制板的单片机U6定时依次向各个模块化采集板发送测量温度、电压、电流、电量等命令，各个模块化采集板上的智能电池监测芯片U1接收到测量命令后，将测量结果发送给主控制板。主控制板的单片机U6将接收到的测量结果存入存储器U7后，并将测量结果与放电（充电）终止保护电压、剩余（充电）电量比较，根据比较情况判断电池组中各个电池的状态，当有电池出现接近放电（充电）终止电压或剩余（充电）电量过度放电（充电）时通过LED灯给出指示，并在液晶显示模块M5上显示各个电池的实际运行状态。用户可根据指示灯和液晶显示模块M5的电池状态选择处理方法。当多数电池达到放电（充电）终止电压时，在液晶显示模块M5显示：“请停止放电（充电），立即进行充电（可以正常使用）！”；当仅有某只电池过早达到放电（充电）终止电压时，液晶显示模块M5显示：“XX号电池容量早衰需要维护！”。当用户继续使用放电（充电）时，导致有电池过放（充）电时，液晶显示模块M5：“XX电池已过度放电（充电）！”

当运行在数据上传模式状态，主控制板的单片机U6在接收到上传数据命时，将存储在存储器U7中的测量数据依次全部上传到计算机，并在液晶显示模块M5显示上传结果。在接收到计算机清除数据命令时，将存储器U7的测量数据清空。

本装置使用时将主控制板和数据采集板按图3进行连接。其中，B1~B5是电动自行车电池组中的每一节电池，将每节电池分别与图1所示模块化数据采集板上的电池电压输入接口P1相连，用于给数据采集板供电和测量电池电压。将电动车电池组主电源线从每个数据采集板传感器模块M1中穿过用于测量电流。主控制板设置5个模块化的数据采集板接口J1～J5，可以直接根据电池组电池数据量可以自主扩充数据采集板，将如图1所示数据采集板上的J0接口分别与如图2所示主控制板上的J1～J5相连接。当超过5只电池时，将两块数据采集板并联使用同一个接口进行扩展连接测量。

使用时，根据电动自行车使用状态，通过S2按键选择放电模式(正常骑行时)、充电模式、数据上传和数据清除等功能，通过S3按键，启动或暂停电池运行状态监测，在液晶显示模块M5上循环切换显示电压、电流、温度、剩余电量和测量间隔等。

放电模式工作时，绿灯D2亮。当有电池接近放电终止时，黄灯D1亮；有电池过放电时，红灯D3亮。当电池组过放电时，黄灯D1、红灯D3都亮。液晶显示模块M5上显示各个电池电压、放电电流、温度和剩余电量等工作状态数据，当过放电时池给出提示。

充电模式工作时，绿灯D2闪烁，当有电池接近充充电终止时，黄灯D1亮；有电池过充电时，红灯D3亮。当电池组过充电时，黄灯D1、红灯D3都亮。液晶显示模块M5上分别显示各个电池电压、充电电流、温度和充电电量等工作状态数据。当过充电时给出提示。

上传模式工作时，数据上传时D1、D2、D3都闪烁，数据上传结束时，绿灯熄灭。数据清除完成后所示指示灯熄灭。液晶显示模块M5上显示上传进度情况或在数据清除后显示数据清除完成。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪，其特征在于：所述监测仪利用单片机U6作为主控制板的核心微控制系统，智能电池监测芯片U1作为模块化数据采集板的核心测量元件，在主控制板的统一控制下，模块化数据采集板实时动态测量电动车电池组中每只电池的充放电状态、电压、电流、温度、充电电量、放电电量以及剩余电量工作数据，模块化数据采集板测量的数据经过光电隔离的接口传送给主控制板；

所述主控制板包含以单片机U6为核心的微控制器，以I2C总线器件作为监测数据的存储器U7、以稳压电源集成电路U8作为提供住控制板的工作电源、以电源转换模块M3作为降压器件、以蓝牙接口模块M4为无线数据传送接口、以液晶显示模块M5作为电池运行数据的动态显示、独立键盘电路、主控制板电源接口P2、以及多个模块化数据采集板接口；

所述模块化数据采集板包含以智能电池监测芯片U1为核心元件的测量电路、电池电压输入接口P1、J0接口、光电隔离接口电路U3/U4、传感器模块M1、稳压电源U5以及电源转换模块M2。

2.根据权利要求1所述的一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪，其特征在于：所述微控制器根据设定的时间间隔，通过模块化数据采集板接口定时向每个模块化数据采集板发送数据采集指令，监测电池组中各电池运行状态；存储器用于存入主控制板运行参数和各模块化采集板传送来电池状态数据；电源转换模块M3将电池组高电压转换为低电压，稳压电源模块U8为主控制板提供工作电源；微控制器通过蓝牙接口模块M4，与PC机连接进行无线数据通信，上传数据给PC机进行电池组工作状态的详细分析和诊断；液晶显示模块M5用于动态显示电池运行数据，独立键盘电路S1~S3为3个按键，用于主控制的复位、状态设置和显示切换，D1~D3为3个发光二极管，它们用于设备运行状态和电池报警指示；P2为主控制板电源接口，工作电源通过接口P2从电池组接入，经电源转换模块M3降低电压后，经稳压电源模块U8输出5V工作电压为主控制板提供工作电源；数据采集板接口J1~J5，用于向各数据采集板发送数据采集命令，接收各数据采集板发送来的电池工作状态数据。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪，其特征在于：所述P1为电池电压输入接口，用于将串联工作的电池组中任意一只电池的电压，通过精密电阻R1 、 R2分压， 并经C1、R3低通滤波，送给智能电池监测芯片U1进行电压测量，同时，经过稳压电源U5和电源转换模块M2分别为主控制板、传感器模块M1提供工作电源；串联工作的电池组的电源导线穿过传感器模块M1将电池组导线的大电流转化为小电流，经取样电阻R4转变为电压，通过C2和R5构成的低通滤波器，送至智能电池监测芯片U1的电流采样端，实现电流的隔离测量；智能电池监测芯片U1可以测量电池的电压、电流、温度、充电安时、放电安时，以及剩余电量安时数；J0为智能电池监测芯片U1通过单线总线，经逻辑芯片U2A/U2B驱动和光电隔离接口电路U3/U4的接口，用于接收主控制板发送的数据采集命令，发送采集的电池工作状态数据给主控制板；电源转换模块M2用于产生闭环电流霍尔传感器工作所需的工作电源。

4.根据权利要求3所述的一种电动车用铅酸蓄电池状态监测仪，其特征在于：所述单片机U6采用80C2051单片机；存储器U7采用I2C总线存储器24C512；电源转换模块M3采用隔离型DC-DC电源转换模块WRA1209S；稳压电源模块U8采用MC7805T；蓝牙接口模块M4采用CC2541芯片；液晶显示模块M5采用LCD12864-S芯片；传感器模块M1采用闭环电流霍尔传感器LA125-P；智能电池监测芯片U1采用DS2438Z芯片；光电隔离接口电路U3/U4采用6N135芯片；稳压电源U5采用MC7805T；电源转换模块M2采用隔离型DC-DC转换模块WRA1215S。