CN211627772U - 一种小型铝空气电池监控系统 - Google Patents

一种小型铝空气电池监控系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种小型铝空气电池监控系统。该系统包括单片机模块、以及与单片机模块相连的报警模块、电量采集模块、电解液温度采集模块、继电器、电源模块、液晶显示模块、开关量检测模块、存储模块和无线通信模块。该系统可对铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度进行实时监控与显示,并具有过流,过温等报警功能,同时该系统采用无线传输的方式实现远程数据通讯,方便用户实时了解铝空气电池的运行状态。该系统结构简单,设计合理,易于推广与普及。

Description

一种小型铝空气电池监控系统
技术领域
本实用新型涉及一种电池监控系统,具体涉及到一种小型铝空气电池监控系统。
背景技术
铝空气电池是一种铝合金为阳极,空气中的氧气为阴极,中性或碱性水溶液为电解质的高能量密度的新型燃料电池,由于它具有能量密度大、环保节能与使用安全等优点,应用非常广泛。在铝空气电池工作过程中存在持续大电流放电、电解液温度过高等现象,这都会严重影响铝空气电池使用效率与使用寿命,甚至发生危险,因此对铝空气电池进行实时监控显得尤为重要,在现有的小型铝空气电池监控系统中存在着如下几个问题:一是用户很难实时了解铝空气电池的运行状态,例如监控系统对出现过流,欠压、电解液过温和什么时候更换铝板等情况都没有明确的报警提示。二是铝空气电池剩余电量估算精度不高,目前大部分铝空气电池监控系统都采用几个LED灯来显示剩余电量,估算精度差,这是由于大部分监控系统采用电流传感器来采集电流,然后采用安时积分法来估算铝空气的剩余电量,该方案估算出来的剩余电量误差较大。
发明内容
本实用新型针对现有技术上存在的不足,提出了一种小型铝空气电池监控系统,该系统可对铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度进行精确的实时监控与报警,同时采用无线传输的方式实现远程数据通讯,方便用户实时了解铝空气电池的运行状态。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种小型铝空气电池监控系统,其特征在于,包括报警模块、电量采集模块、电解液温度采集模块、继电器、散热风扇、电源模块、单片机模块、液晶显示模块、开关量检测模块、存储模块和无线通信模块,所述单片机模块分别与报警模块、电量采集模块、电解液温度采集模块、继电器、电源模块、液晶显示模块、开关量检测模块、存储模块和无线通信模块相连接;所述继电器与散热风扇相连接;
所述电量采集模块用于实时采集铝空气电池所用电量和输出电流,并将采集到的所用电量与输出电流实时发送给所述单片机模块;
所述电解液温度采集模块用于实时采集铝空气电池电解液的温度,并将采集到的电解液温度实时发送给所述单片机模块;
所述开关量检测模块用于检测铝空气电池开启/关闭的状态,并将检测到的状态信息发送给所述单片机模块;
所述单片机模块用于实时接收所述电量采集模块和电解液温度采集模块所发送的数据,并对所接收的数据进行分析与处理,计算出铝空气电池的剩余电量,然后发送控制信号给所述报警模块、继电器、液晶显示模块和存储模块;
所述单片机模块还用于将铝空气电池的剩余电量,输出电流和电解液温度值打包后,发送给所述无线通信模块;
所述液晶显示模块用于实时显示铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度;
所述存储模块用于存储铝空气电池的剩余电量;
所述无线通信模块用于实时接收所述单片机模块发送来的铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度值并发送给移动客户端;
所述的电源模块用于给所述散热风扇、单片机模块、液晶显示模块、存储模块和无线通信模块供电。
作为本实用新型的一种优选方案,所述报警模块包括第一报警器、第二报警器和第三报警器;所述第一报警器用于接收所述单片机模块发送来的输出电流超过预设阈值异常报警指令并发出第一报警声,所述第二报警器用于接收所述单片机模块发送来的电解液温度超过预设阈值异常报警指令并发出第二报警声,所述第三报警器用于接收所述单片机模块发来的剩余电量值小于5%的报警指令并发出第三报警声。
作为本实用新型的一种优选方案,所述单片机模块采用STC15W408AS单片机,所述的电量采集模块采用电量计芯片LTC2943,所述电解液温度采集模块采用精度为百分之一的NTC热敏电阻,所述液晶显示模块采用OLED液晶显示器,所述存储模块采用存储芯片AT24C02。
作为本实用新型的一种优选方案,所述无线通信模块为ESP8266WIFI模块。
作为本实用新型的一种优选方案,所述电源模块包括输入极性反接保护电路、第一电源转换电路、第二电源转换电路和第三电源转换电路,铝空气电池电源经所述输入极性反接保护电路后与所述第一电源转换电路的输入端相连接,所述第一电源转换电路将铝空气电池的输出转换为12V的直流电压后给所述的散热风扇供电,所述第一电源转换电路的输出端与所述第二电源转换电路的输入端相连接,所述第二电源转换电路将12V的直流电压转换为5V的直流电压后给所述的单片机模块、液晶显示模块和存储模块供电,所述的第二电源转换电路的输出端与所述第三电源转换电路的输入端相连接,所述第三电源转换电路将5V的直流电压转换为3.3V直流电压后给所述的无线通信模块供电。
本实用新型有益效果是:
1)本实用新型可对铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度进行实时监控与显示,并具有过流,过温和更换铝板等报警功能。
2)本实用新型采用专用的电量计芯片来估算铝空气电池的剩余电量,估算精度高。
3)本实用新型采用无线传输的方式将铝空气电池的运行参数实时的发送到用户移动端上,方便用户实时了解铝空气电池的运行状态。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的原理结构示意图。
图2是本实用新型电量采集模块电路原理图。
图3是本实用新型单片机模块电路原理图。
图4是本实用新型液晶显示模块电路原理图。
图5是本实用新型存储模块电路原理图。
图6是本实用新型无线通信模块电路原理图。
图7是本实用新型输入极性反接保护电路和第一电源转换电路原理图。
图8是本实用新型第二电源转换电路原理图。
图9是本实用新型第三电源转换电路原理图。
图1中:1.报警模块,2.电量采集模块,3.电解液温度采集模块,4.继电器,5.散热风扇,6.电源模块, 601.输入极性反接保护电路,602.第一电源转换电路,603.第二电源转换电路,604.第三电源转换电路,7. 单片机模块,8.液晶显示模块,9.开关量检测模块,10.存储模块,11.无线通信模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实新型进行进一步说明,但本实用新型的实施方式不限于此。
参见图1,一种小型铝空气电池监控系统,包括报警模块1、电量采集模块2、电解液温度采集模块3、继电器4、散热风扇5、电源模块6、单片机模块7、液晶显示模块8、开关量检测模块9、存储模块10和无线通信模块11,所述单片机模块7分别与报警模块1、电量采集模块2、电解液温度采集模块3、继电器4、电源模块6、液晶显示模块8、开关量检测模块9、存储模块10和无线通信模块11相连接;所述继电器4与散热风扇5相连接;
电量采集模块2用于实时采集铝空气电池所用电量和输出电流,并将采集到的所用电量与输出电流实时发送给所述单片机模块7,本实施例中,所述电量采集模块2采用Linear公司生产的电池电量计芯片LTC2943,如图2所示,LTC2943的第四引脚SCL和第五引脚SDA分别连接到单片机的P2.4和P2.3管脚上,同时SDA和SCL引脚还通过上拉电阻R1,R2连接到+5V电源上,LTC2943的第八引脚SENSE-与铝空气电池的正极和采样电阻RESNSE的一端相连,LTC2943的第一引脚SENSE+与采样电阻RESNSE的另一端相连,同时该引脚也与电源模块的输入端和启停开关的一端相连,启停开关的另一端连接负载。 LTC2943内部具有14位的ADC能精确的测量电池的电压、电流和累积的放电电量。采集精度达到1%,该芯片采用I2C接口与单片机进行通讯。
电解液温度采集模块3用于实时采集铝空气电池电解液的温度,并将采集到的电解液温度实时发送给所述单片机模块7,铝空气电解液的温度是影响铝空气电池运行的一项重要参数,本实施例中,电解液温度采集模块采用选用精度为百分之一的NTC热敏电阻,其具有价格便宜,测量精度高,灵活性好等优点非常适用于铝空气电解液温度的测量。
开关量检测模块9用于检测铝空气电池开启/关闭的状态,并将检测到的状态信息发送给所述单片机模块7,本实施例中,开关量检测模块9采用光电耦合器TLP521实现对铝空气电池开启/关闭状态的检测。
单片机模块7用于实时接收电量采集模块2和电解液温度采集模块3所发送的数据,并对其进行分析与处理,通过铝电池现有电量减去铝电池累计所放的电量计算出铝空气电池的剩余电量,然后发送控制信号给所述报警模块1、继电器4、液晶显示模块8和存储模块10;同时单片机模块7还用于将铝空气电池的剩余电量,输出电流和电解液温度值打包后,发送给无线通信模块11。本实施例中,单片机模块7采用宏晶科技公司生产的STC15W408AS单片机,如图3所示,STC15W408AS单片机的第三引脚P1.0、第四引脚P1.1和第五引脚P1.2与报警模块1相连接,第七引脚P1.4与电解液温度采集模块2相连接,第八引脚P1.5通过继电器驱动电路与继电器4相连接,第十二引脚接+5V电源,第十四引脚接地,+5V电源和地之间设置有两个滤波电容C27和C28,单片机的第十五引脚和第十六引脚连接无线通信模块11,第十七引脚连接开关量检测模块9,第二十六引脚和第二十七引脚与电量采集模块2、液晶显示模块8和存储模块10 相连接。STC15W408AS单片机内部有512字节RAM数据存储器和8K字节的FLASH程序存储器,具有 8通道10位高速ADC,内置高精度R/C时钟和高可靠复位电路,不需要外部晶振和外部复位电路,该单片机具有性价比高,抗干扰能力强和可在系统仿真等优点,非常适合在此场合应用。
液晶显示模块8用于接收单片机模块7传送来的命令,并实时显示铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度。本实施例中,液晶显示模块8采用0.96寸的OLED液晶显示器模块,OLED显示器具有功耗低、操作方便、功能丰富、可显示汉字,ASCII,图案等。如图4所示,该模块有四个接口,其中GND 接电源地,VCC接+5V电源,时钟管脚SCL接单片机的P2.4管脚上,数据管脚SDA接单片机的P2.3管脚上,该模块通过I2C接口与单片机进行通讯。
存储模块10用于存储铝空气电池的剩余电量,本实施例中,存储模块10采用存储芯片AT24C02, AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM,内部含有256个8位字节,如图5所示,AT24C02的第一引脚E0、第二引脚E1、第三引脚E2和第四引脚VSS接地,第五引脚SCL接单片机的P2.3管脚,第六引脚SDA引脚接单片机的P2.4管脚,第七引脚悬空,允许器件正常的读写操作,第八引脚VDD引脚接 +5V电源,该模块通过I2C与单片机进行通讯。
无线通信模块11用于实时接收所述单片机模块7发送来的铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度值并发送给移动客户端,用户只需要利用手机等上网设备就可以实时了解铝空气电池的工作状态。本实施例中,无线通讯模块选用ESP8266WIFI模块,如图6所示,ESP8266WIFI模块的第一引脚GND接地,第四引脚RXD接单片机的P3.1(TXD)管脚上,第五引脚VCC和第七引脚CH_PD接到+3.3V电源上,第八引脚TXD接单片机的P3.2(RXD)管脚上,ESP8266WiFi模块集成了ESP826EX芯片和4MB SPI FLASH,带有PCB WiFi天线,支持AP模式,station模式以及混合模式三种WiFi工作模式,ESP8266 WiFi模块具有体积小、性能稳定和价格便宜等优点,适合本系统的应用。
电源模块6用于给散热风扇5、单片机模块7、液晶显示模块8、存储模块10和无线通信模块11供电。电源模块包括输入极性反接保护电路、第一电源转换电路、第二电源转换电路和第三电源转换电路,铝空气电池电源经输入极性反接保护电路后与第一电源转换电路的输入端相连接,第一电源转换电路将铝空气电池的输出转换为12V的直流电压后给所述的散热风扇供电,本实施例中,输入极性反接保护电路由P-MOS 管AO4306,稳压二极管MMBZ5240和电阻R7所组成,如图7所示,其中稳压二极管D2主要起到一个保护场效应管防止击穿的作用,电阻R7起到限流作用,防止MOS管被击穿。本实施例中,第一电源转换电路选用SDB628芯片,SDB628是一款超小封装高效率、直流升压稳压电路。输入电压范围可由最低2V到最高24V,升压最高可达28V可调,且内部集成极低RDS内阻100豪欧金属氧化物半导体场效应晶体管的(MOSFET),可实现高达2A大电流。如图8所示,SDB628应用电路非常简单,图中C3和C9为输入输出滤波电容,选用 22uf的瓷片电容,D1选用IN5822肖特基二极管,电阻R3和R6的阻值分别为191K和10K,满足SDB6287输出 12V电压的要求。该电路同时具有短路保护,过热保护等功能。
第一电源转换电路的输出端与第二电源转换电路的输入端相连接,第二电源转换电路将12V的直流电压转换为5V的直流电压后给单片机模块、液晶显示模块和存储模块供电,本实施例中,第二电源转换电路采用XC9248降压芯片。如图8所示,XC9248是内置了驱动晶体管引导方式N沟道驱动降压同步整流DC/DC 转换器芯片。其输入电压范围在4.5V~18V之间,最大输出电流为2.2A,具有过流保护、短路保护、过压保护和过热停机电路。
第二电源转换电路的输出端与所述第三电源转换电路的输入端相连接,第三电源转换电路将5V的直流电压转换为3.3V直流电压后给无线通信模块供电。本实施例中,第三电源转换电路采用LM1805-3.3V降压芯片。如图9所示,LM1085是一款单芯片集成的电压转换器。提供3A电流输出,具备过流和过温保护,具有可靠的工作性能、较高的工作效率,能够为无线通信模块提供稳定的3.3V电源。
报警模块1包括第一报警器、第二报警器和第三报警器;第一报警器用于接收所述单片机模块发送来的输出电流超过预设阈值异常报警指令并发出第一报警声,第二报警器用于接收所述单片机模块发送来的电解液温度超过预设阈值异常报警指令并发出第二报警声,第三报警器用于接收所述单片机模块发来的剩余电量值小于5%的报警指令并发出第三报警声,提醒用户更换铝板和电解液。本实施例中,电流预设阈值为10A,电解液温度预设阈值为75℃,第一报警器、第二报警器和第三报警器由有源蜂鸣器,三极管和发光二极管所构成。
小型铝空气电池监控系统的工作过程如下:当用户开始使用铝空气电池时,首先将电解液倒入电解液箱里,铝空气电池开始发电,为节省电能单片机模块7首先进入空闲工作模式,当用户按下启/停按钮后,开关量检测模块的上升沿中断将单片机模块7唤醒进入到正常工作模式,铝空气电池和电池监控系统开始工作,单片机模块7首先从存储模块10里读取上次所存储的铝空气电池剩余电量,然后通过电量采集模块2和电解液温度采集模块3实时采集铝空气电池所用的电量,输出电流和电解液温度,单片机模块7对采集的参数进行分析与处理,根据现有的电量减去铝空气电池所用电量计算出铝空气电池的剩余电量,并根据这些参数对系统的各个模块进行控制,具体控制过程为:(1)单片机模块7将铝空气电池的运行参数实时发送给液晶显示模块8,液晶显示模块8实时显示铝空气电池的运行参数。(2)单片机模块7将铝空气电池的运行参数通过无线通信模块11发送给移动客户端,让用户实时了解铝空气电池的运行状态。(3) 当铝空气电池的输出电流超过所设阈值时,单片机模块7发出报警指令给第一报警器,提醒用户电池过流报警。(4)当铝空气电池的电解液温度较高时(≥65℃),单片机模块7控制继电器打开散热风扇对电解液进行降温,当铝空气电解液温度超过所设阈值时,单片机模块7发出报警指令给第二报警器,提醒用户电解液过温报警。(5)当铝空气电池的剩余电量SOC值小于5%时,单片机模块7发出报警指令给第三报警器,提醒用户更换铝板和电解液。当用户再次按下启/停按钮时,铝空气电池与负载断开连接,单片机模块 7检测到开关量检测模块8的下降沿中断后,会将此时的铝空气电池剩余电量保存到存储模块10中,然后发送停机信号给无线通信模块11,提醒用户打开排液阀放出电解液,最后单片机模块7自动进入空闲模式,监控系统停止工作。
本实用新型可对铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度进行精确的实时监控与报警,同时采用无线传输的方式实现远程数据通讯,方便用户实时了解铝空气电池的运行状态。本实用新型结构简单,使用方便,抗干扰能力强,容易推广。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例,并非对本实用新型做任何形式上的限制,凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改,等同变化,均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小型铝空气电池监控系统,其特征在于,包括报警模块(1)、电量采集模块(2)、电解液温度采集模块(3)、继电器(4)、散热风扇(5)、电源模块(6)、单片机模块(7)、液晶显示模块(8)、开关量检测模块(9)、存储模块(10)和无线通信模块(11),所述单片机模块(7)分别与报警模块(1)、电量采集模块(2)、电解液温度采集模块(3)、继电器(4)、电源模块(6)、液晶显示模块(8)、开关量检测模块(9)、存储模块(10)和无线通信模块(11)相连接;所述继电器(4)与散热风扇(5)相连接;
所述电量采集模块(2)用于实时采集铝空气电池所用电量和输出电流,并将采集到的所用电量与输出电流实时发送给所述单片机模块(7);
所述电解液温度采集模块(3)用于实时采集铝空气电池电解液的温度,并将采集到的电解液温度实时发送给所述单片机模块(7);
所述开关量检测模块(9)用于检测铝空气电池开启/关闭的状态,并将检测到的状态信息发送给所述单片机模块(7);
所述单片机模块(7)用于实时接收电量采集模块(2)和电解液温度采集模块(3)所发送的数据,并对所接收的数据进行分析与处理,计算出铝空气电池的剩余电量,然后发送控制信号给所述报警模块(1)、继电器(4)、液晶显示模块(8)和存储模块(10);
所述单片机模块(7)还用于将铝空气电池的剩余电量,输出电流和电解液温度值打包后,发送给所述无线通信模块(11);
所述液晶显示模块(8)用于实时显示铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度;
所述存储模块(10)用于存储铝空气电池的剩余电量;
所述无线通信模块(11)用于实时接收所述单片机模块(7)发送来的铝空气电池的剩余电量、输出电流和电解液温度值并发送给移动客户端;
所述的电源模块(6)用于给所述散热风扇(5)、单片机模块(7)、液晶显示模块(8)、存储模块(10)和无线通信模块(11)供电。
2.根据权利要求1所述的一种小型铝空气电池监控系统,其特征在于:所述报警模块(1)包括第一报警器、第二报警器和第三报警器;所述第一报警器用于接收所述单片机模块(7)发送来的输出电流超过预设阈值异常报警指令并发出第一报警声,所述第二报警器用于接收所述单片机模块(7)发送来的电解液温度超过预设阈值异常报警指令并发出第二报警声,所述第三报警器用于接收所述单片机模块发来的剩余电量值小于5%的报警指令并发出第三报警声。
3.根据权利要求1所述的一种小型铝空气电池监控系统,其特征在于:所述单片机模块(7)采用STC15W408AS单片机,所述的电量采集模块(2)采用电量计芯片LTC2943,所述电解液温度采集模块(3)采用精度为百分之一的NTC热敏电阻,所述液晶显示模块(8)采用OLED液晶显示器,所述存储模块(10)采用存储芯片AT24C02。
4.根据权利要求1所述的一种小型铝空气电池监控系统,其特征在于:所述无线通信模块(11)为ESP8266WIFI模块。
5.根据权利要求1所述的一种小型铝空气电池监控系统,其特征在于:所述电源模块(6)包括输入极性反接保护电路(601)、第一电源转换电路(602)、第二电源转换电路(603)和第三电源转换电路(604),铝空气电池电源经所述输入极性反接保护电路(601)后与所述第一电源转换电路(602)的输入端相连接,所述第一电源转换电路(602)将铝空气电池的输出转换为12V的直流电压后给所述的散热风扇(5)供电,所述第一电源转换电路(602)的输出端与所述第二电源转换电路(603)的输入端相连接,所述第二电源转换电路(603)将12V的直流电压转换为5V的直流电压后给所述的单片机模块(7)、液晶显示模块(8)和存储模块(10)供电,所述的第二电源转换电路(603)的输出端与所述第三电源转换电路(604)的输入端相连接,所述第三电源转换电路(604)将5V的直流电压转换为3.3V直流电压后给所述的无线通信模块(11)供电。
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