CN214380183U

CN214380183U - 一种蓄电池组断格的电信号采集电路

Info

Publication number: CN214380183U
Application number: CN202023237600.XU
Authority: CN
Inventors: 姚沫; 刘春生; 李忠
Original assignee: Xinxiang Xindian Power Technology Co ltd
Current assignee: Xinxiang Xindian Power Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2030-12-29

Abstract

本实用新型提供一种蓄电池组断格的电信号采集电路，包括上分组电池Batt_up、下分组电池Batt_dn和双向电源DCDC，在所述上分组电池Batt_up至下分组电池Batt_dn之间依次串联有分流器R_up和分流器R_dn，双向电源DCDC包括电容C1、电容C2、电感L、MOS管Q1、MOS管Q2和分流器Rm。可以实时检测蓄电池组电压、电流，及时准确的了解后备电池电源系统的状态，避免因不能及时发现电池系统故障导致电站发生不可估量的损失。

Description

一种蓄电池组断格的电信号采集电路

技术领域

本实用新型涉及蓄电池电源技术领域，具体涉及一种蓄电池组断格的电信号采集电路。

背景技术

随着蓄电池技术的发展，后备电池电源系统被广泛应用于各个领域，一般后备电池电源并联于主供电设备两端，主供电正常时，可以为后备电源系统的储能装置蓄电池组进行充电，保证紧急使用时后备电源系统的能量充足。主供电设备故障情况下可以无缝切换为由后备电池电源系统为用电设备供电，以保证用电设备的正常工作。由于单体蓄电池电压较低（单体铅酸电池标称电压为2V，单体磷酸铁锂电池标称电压为3.2V），想要为系统提供足够电压的供电需要多只甚至上百只单体蓄电池进行串联。串联电池在使用过程中会因个别单体电池出现断格（开路）而导致电源系统供电能量不足甚至整组无法输出供电电源，而且主电源正常情况下由于不启用后备电池电源系统就很难发现这种故障。

因此，需要提供一种蓄电池断格检测及保护电路，可以实时检测蓄电池组的电压、电流，并及时准确的识别断格蓄电池，通过控制电路保证电池断格后后备供电继续和充电正常。

实用新型内容

针对现有技术中的需求，本实用新型提供一种蓄电池组断格的电信号采集电路，可以实时对蓄电池组电压、电流进行检测，当蓄电池组任一组电池发生断格后，通过对未断格分组电池进行充电管理，利用未断格分组电池为用电设备提供不间断供电，保障设备的正常运行。

一种蓄电池组断格的电信号采集电路，包括上分组电池Batt_up、下分组电池Batt_dn和双向电源DCDC，在所述上分组电池Batt_up至下分组电池Batt_dn之间依次串联有分流器R_up和分流器R_dn，所述双向电源DCDC包括MOS管Q1、MOS管Q2、控制器及串联设置的电容C1和电容C2，所述MOS管Q1源极和MOS管Q2漏极电连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2的公共端依次经电感L和分流器Rm后与所述电容C1和电容C2的公共端电连接，所述MOS管Q1的漏极和电容C1的另一端电连接，MOS管Q2源极与电容C2的另一端电连接，将所述电容C1和电容C2的公共端记为接线端M并与所述分流器Rup和分流器Rdn的公共端电连接，将所述MOS管Q1的漏极和电容C1的公共端记为接线端H并与所述上分组电池Battup的正极端电连接，将所述MOS管Q2源极与电容C2的公共端记为接线端L并与所述下分组电池Battdn的负极端电连接；

所述控制器采集接线端H和接线端L的电压，采集所述分流器Rup和分流器Rdn的电流，采集所述分流器Rm的峰值电流，根据所述接线端H和接线端L的电压及所述分流器Rup和分流器Rdn的电流计算得到峰值电流的限值IRm，根据所述峰值电流及所述限值IRm分别控制所述MOS管Q1和MOS管Q2进行开关逆变或同步整流。

本实用新型的有益效果：1. 可以实时检测蓄电池组电压、电流，及时准确的了解后备电池电源系统的状态，避免因不能及时发现电池系统故障导致电站发生不可估量的损失。

2.在电池组正常时，起到平衡上下两组电池的功能。

3.电路设计合理，使用效果好，在保证可靠性的基础上，可有效降低生产成本。

附图说明

图1为本实用新型的电路图；

图2高端输入低端输出时的电感充电示意图；

图3高端输入低端输出时的电感放电示意图；

图4高端输入低端输出时电感电流变化曲线图；

图5输入输出曲线图；

图6电池未发生故障时系统浮充示意图；

图7电池未发生故障时系统充电示意图；

图8电池未发生故障时系统放电示意图；

图9 Battup故障时系统内充电示意图；

图10 Battup故障时系统内放电示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做详细说明。下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。本实用新型实例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

一种蓄电池组断格保护的电信号采集电路，如图1所示，包括上分组电池Batt_up、下分组电池Batt_dn和双向电源DCDC，在所述上分组电池Batt_up至下分组电池Batt_dn之间依次串联有分流器R_up和分流器R_dn，所述双向电源DCDC包括MOS管Q1、MOS管Q2、控制器及串联设置的电容C1和电容C2，所述MOS管Q1源极和MOS管Q2漏极电连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2的公共端依次经电感L和分流器Rm后与所述电容C1和电容C2的公共端电连接，所述MOS管Q1的漏极和电容C1的另一端电连接，MOS管Q2源极与电容C2的另一端电连接，将所述电容C1和电容C2的公共端记为接线端M并与所述分流器Rup和分流器Rdn的公共端电连接，将所述MOS管Q1的漏极和电容C1的公共端记为接线端H并与所述上分组电池Battup的正极端电连接，将所述MOS管Q2源极与电容C2的公共端记为接线端L并与所述下分组电池Battdn的负极端电连接；

所述控制器采集接线端H和接线端L的电压，也即Battup和Batdn分组电池的电压，采集所述分流器Rup和分流器Rdn的电流，也即Battup和Battdn分组电池的电流，采集所述分流器Rm的峰值电流，根据所述接线端H和接线端L的电压及所述分流器Rup和分流器Rdn的电流计算得到峰值电流的限值IRm，根据所述峰值电流及所述限值IRm分别控制所述MOS管Q1和MOS管Q2进行开关逆变或同步整流。所述控制器连接有报警器。

当DCDC的上端输入，下端输出时，Q1作为输入开关管，Q2作为同步整流输出管。当下端输入上端输出时，Q2作为输入开关管，Q1作为同步整流输出管。DCDC采用电流模式的工作模式，控制电感上电流的最大值，来实现对输入和输出电压电流的控制。采集所述分流器Rm的电流，即电感上的电流。当电流峰值达到控制的值，或最大占空比时刻，开关管的关断。根据电感电流的零值，或最大占空比时刻控制同步整流管的关断。

其中，所述控制器包括STM32F334、比较器和计数器，所述STM32F334产生并控制PWM信号，所述PWM信号经隔离驱动电路后输出两路隔离的PWM信号分别驱动所述MOS管Q1和MOS管Q2。隔离驱动电路是以驱动变压器T1为核心的驱动电路。

本实用新型的工作原理：

DCDC高端输入H+、M-电压时，低端输出M+、L-电压。工作过程为，当高端输入时，Q1用作开关器件，Q2用作同步整流器件。T0到T1时刻，Q1导通，Q2关闭，高端电源为电感充电，电感储能，工作模式示意图见图2。T1到T2时刻，Q2导通，Q1关闭，高端电源通过电感放电，释放能量，在低端输出，工作过程示意图见图3，以上即为高端输入、低端输出一个周期的工作过程，电感电流在连续CM、断连续DCM、DM三种工作模式，如图4示。其中，高端电压、低端电压，高端电流和低端电流，经ADC转换后，与对应的设定值一起，进行PID反馈计算，给出峰值电流的限值，峰值电流限值与峰值电流经STM32F334的外设比较器，产生比较结果，结果与STM32F334的外设HRtrim计数器一起，控制PWM信号的产生以控制Q1和Q2起到开关逆变或同步整流的作用，并对PWM信号的占空比进行控制，以控制DCDC的输入（输出）电压电流。

反之在低端输入M+、L-电压，Q1作为同步整流管，Q2作为开关管，高端输出H+、M-电压，实现能量的双向可控流动。高、低端均可在设定的电压电流值恒压恒流，在恒压时，电流可为负值（输入为负）。

系统工作输入输出曲线如图5示。图中Iset和Vset为某一端（高端或低端）设定的电压或电流值，高端为Vhset和Ihset，低端为Vlset和Ilset。Imax和Vmax是DCDC模块的保护值。组成输出曲线Output_curve、输入曲线Input_curve和输出区域Output_area和输入区域Input_area。当高端或低端电压电流都为正时，在第一象限为输出；当电压为正，电流为负时，第四象限时，为输入。

DCDC工作时，必有一端（高端或低端）工作于输入或输出曲线上，即输入恒流或输入恒压或输出恒流或输出恒压状态。另一端工作于输出或输入曲线或区域内。一端工作在第一象限，则另一端比工作在第四象限。

当Vl>Vlset, Vh<Vhset时：DCDC工作于低端输入恒流或高端输出恒流模式。

当Vl>Vlset, Vh=Vhset时：DCDC工作于高端输出恒压模式。

当Vl>Vlset, Vh>Vhset时：DCDC工作于待机模式。

当Vl=Vlset, Vh<Vhset时：DCDC工作于低端输入恒压。

当Vl=Vlset, Vh=Vhset时：DCDC工作于低端输出恒压或低端输入恒压或高端输入恒压或高端输出恒压模式。

当Vl=Vlset, Vh>Vhset时：DCDC工作于低端输出恒压。

当Vl<Vlset, Vh<Vhset时：DCDC工作于待机模式。

当Vl<Vlset, Vh=Vhset时：DCDC工作于高端输输入恒压模式。

当Vl<Vlset, Vh>Vhset时：DCDC工作于低端输出恒流或高端输入恒流模式。

以上工作模式，随着设定值和电池电压的变动而变动，中间不间断切换。输入恒流模式只是一种过载保护模式，正常使用中不应该出现，以下介绍中将不再出现。

本应用中，假如Battup和Battdn两个分组电池节数完全一样，则两端（高端和低端）的Vhset和Vlset均为上下两组电池的电压平均值（也即整组电池电压的一半）和电池组电压告警值一半的最大值，以下统称为Vset。本应用中Vset随着电池电压的变动而实时变动。Ihset和Ilset为电池设定的充电电流值，以下统称为Iset。

系统工作场景分析：

1.电池未发生故障时

DCDC在充放电过程中，起到平衡Battup和Battdn两分组电压的作用，最终使得两分组电池电压一致。

a) 静置或浮充

当Vh>Vl，Vset=(Vh+Vl)/2，则有Vh>Vset，Vl<Vset。DCDC工作于高端输入，低端输出的状态，系统浮充示意图见图6示，DCDC工作于高端输入恒压或低端输出恒流或低端输出恒压模式，直至Vh和Vl两分组电压相等，进入输入恒压或输出恒压模式。

Vh<Vl分析同Vh>Vl。

当Vh=Vl，DCDC工作于高端输入恒压或高端输出恒压或低端输入恒压或低端输出恒压的状态中。具体于哪种工作状态为随机。此时，DCDC无输出电流，功耗最小。

b) 充电

1) 充电电流等于Iset

当Vh>Vl，因为Vset=(Vh+Vl)/2，则有Vh>Vset，Vl<Vset。DCDC工作于高端输入，低端输出恒流模式。因为DCDC电流采样在主回路中，DCDC采样到的低端充电电流Il已经等于Iset，所以DCDC实际工作于无输出状态。实际上下两分组电池都以Iset电流充电。

当Vh<Vl分析同Vh>Vl。

当Vh=Vl，DCDC随机工作于高端输入恒压或高端输出恒压（恒流）或低端输入恒压或低端输出恒压（恒流）的状态。具体于那种工作状态为随机。此时，DCDC无输出电流，功耗最小。

2) 充电电流小于Iset

假设Vh>Vl, 因为Vhet= (Vh+Vl)/2，则有Vh>Vset，Vl<Vset。DCDC工作于高端输入，低端输出恒流模式。因为DCDC电流采样在主回路中，低端电池充电Il实际充电电流已经包含Ichg。低端实际输出电流为Iset-Ichg。也就是说Battdn仍以Iset电流进行恒流充电。Battup以小于充电电流充电乃至于放电状态，直至两分组电压一致。系统充电示意图见图7示。

Vh<Vl分析以此类推。

当Vh=Vl，DCDC随机工作于高端输入恒压或高端输出恒压或低端输入恒压或低端输出恒压的状态。具体于那种工作状态为随机。此时，DCDC无输出电流，功耗最小。

c）放电

当Vh>Vl时，DCDC以低端输出恒流模式运行，直至两分组电压一致。输出恒流模式运行时，因低端采样电流包含Idcg,所以DCDC实际低端输出电流为Idcg+Iset。系统放电示意图见图8示。

2. 电池发生故障时

a) 充电

假设Battup出现断格，电池组整体处于开路状态，电池组电压等于充电机输出电压，大于Battdn电压Vl的两倍。所以有Vl<Vset,Vh>Vset,此时DCDC工作在低端输出恒流模式，对Battdn进行恒流充电。直至Vl电压达到1/2充电机电压，此时Vl=Vset,Vh=Vset,进行对Battdn恒压充电。所以可以实现当Battup断格后对Battdn的正常充电管理。Battup故障时系统内充电示意图见图9所示。

Battdn断格后，分析以此类推。

b) 放电

假设Battup出现断格，电池组整体处于开路状态，充电器失电。电池组电压0，此时取电池低压告警值Vllmt的一半作为Vset。小于Battdn电压Vl的两倍。所以有Vl>Vset,Vh<Vset，因为Battup断格，高端输出电流始终未0，此时DCDC工作在高端输出恒压，与Battdn串联后，电压提升后，对负载进行供电。此时Vset为1/2Vllmt，而电池组电压输出为Vl+Vh=Vl+Vset=Vl+(1/2Vllmt),大于Vllmt。因为Vset为上下两组电池的电压平均值（也即整组电池电压的一半）和电池组Vllmt一半的最大值，Vset会提高至(Vl+1/2Vllmt)/2，而随着Vset的提升，Vh也再尔提升，直至达到Vh=Vl，使得电池组以Battdn的2倍电压为负载供电。实际使用中，当Battup断格突然发生，或断格后充电机突然失电，Vset由于是一直存在，电池组在跌落过程中，已经完成到高端输出的状态转换，电压不会跌落。不管是以Vllmt的一半作为Vset，还是以原电池组电压的一半作为Vset，负载供电都不会中断。所以可以实现当Battup断格后对负载的不间断供电。Battup故障时系统内放电示意图见图10所示。

Battdn断格后，分析以此类推。

3. 电池故障检测

DCDC虽然在电池出现断格后，能够满足重放电的需求，但由于电池容量降低一半，供电时间大大缩短，所以有必要及时对断格电池进行故障报警。以上分析中，充放电过程，都能够判断出电池出现了断格。只有在浮充时，且Vl=Vh时，无法对电池断格情况做出准确判断。此时，DCDC将定期自动对Vhset增加一个Δ值，对Vlset减小一个Δ值，启动低端输入和高端输出的模式，检测电池电流。然后对Vhset减小一个Δ值，对Vlset增加一个Δ值。启动低端输出和高端输入的模式，检测电池电流。来判断电池是否出现断格，并进行报警

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种蓄电池组断格的电信号采集电路，其特征在于：包括上分组电池Batt_up、下分组电池Batt_dn和双向电源DCDC，在所述上分组电池Batt_up至下分组电池Batt_dn之间依次串联有分流器R_up和分流器R_dn，所述双向电源DCDC包括MOS管Q1、MOS管Q2、控制器及串联设置的电容C1和电容C2，所述MOS管Q1源极和MOS管Q2漏极电连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2的公共端依次经电感L和分流器Rm后与所述电容C1和电容C2的公共端电连接，所述MOS管Q1的漏极和电容C1的另一端电连接，MOS管Q2源极与电容C2的另一端电连接，将所述电容C1和电容C2的公共端记为接线端M并与所述分流器Rup和分流器Rdn的公共端电连接，将所述MOS管Q1的漏极和电容C1的公共端记为接线端H并与所述上分组电池Battup的正极端电连接，将所述MOS管Q2源极与电容C2的公共端记为接线端L并与所述下分组电池Battdn的负极端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种蓄电池组断格的电信号采集电路，其特征在于：接线端H和接线端L为电压采集端，所述分流器Rup和分流器Rdn上设置有电流采集端，所述分流器Rm上设有峰值电流采集端。