电池智能管理系统

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电池智能管理系统\n技术领域\n[0001] 本实用新型属于电池领域，涉及一种电池管理系统，特别涉及一种具有优质充电、容量检测和电池修复的低功耗智能电池智能管理系统。\n背景技术\n[0002] 手机、数码相机等消费类产品，包括数量日益增加的电动自行车中，越来越多地使用不同类型的充电电池。普通用户对充电电池的使用和维护缺乏了解，加之很多充电器良莠不齐，不具备智能管理功能，导致用户对电池的使用非常混乱，很多电池长期处于带病工作状态；一些好电池被误判为失效，或者被错误的充电导致损坏；长期不正确操作使电池功效未能发挥等等。\n[0003] 市场上的充电器一股只具有对单一类型电池的充电功能，即使有所谓的万能充电器，也并非是真正意义上的“万能充电”器，并且大都采用固定模式对不同电池充电，由此引起的对电池的损伤是不可估计的。此外，充电设备对电池不同系列之间缺乏兼容性，使得不同电池要配备专用的充电系统。一旦配备不当，可能引起电池或充电系统的损坏。\n[0004] 在电池管理系统的研究方面，前人做过一些有益的工作，一股是针对单一种类电池的充电管理，通过不同的方法改进充电策略来达到对电池的优质管理。如采用可存储电池管理学习程序的快闪芯片及电池管理微控器来对电池进行管理，有利于缩短芯片上市时间，增加便利性；或利用电池的充电状态(SOC)补偿方法对电池的充放电进行管理，对SOC的估计有一定的可靠性。但这些方法都存在一定的问题和局限性，如无法应对单体电池种类不同的情况，在准确性，实时性方面略显不足，且在节能减噪方面存在缺陷。\n[0005] 目前的电池管理系统的方案主要包括充电方案和放电方案。电池在充放电过程中需要对运行参数、性能参数的采集，时时监测电池状况，以便中央控制单元做出控制决策。\n电池的运行参数主要为电压、电流以及温度，结合控制终止条件判断，还需要电压、电流以及温度的变化率。这些参数的控制是电池管理系统工作的主要难点。不同的电池存在着不同的特性，给控制工作带来更大的难度。\n[0006] 镍氢、镍镉电池的充电过程一股包括预充电、快速充电、补足充电、涓流充电。对于久置不用电池或者新电池，用大电流充电会影响电池的寿命，故应先用小电流充电使其满足一定条件后再大电流充电。充电的控制一股采用电压控制、电流控制、时间控制、温度控制以及综合控制方法。锂电池一股采用恒流恒压的充电模式。在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；\n恒压充电时，保持充电电压不变，由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。控制一股采用电流控制、电压控制。\n[0007] 传统的电池管理方法存在着消耗时间长，参数控制不准确，无法同时对不同类型电池充电等缺点，在电池状态监测方面也存在很大的不足，并且对于损坏的电池无法有效的修复。\n发明内容\n[0008] 针对上述现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提出一种具有优质充电、容量检测、电池修复和电池极性自动纠正的电池智能管理系统，可以灵活智能地对不同种类的电池进行测量、充电、放电和修复，同时具有低功耗，低噪音的特点。\n[0009] 本实用新型实施方式是通过以下技术方案实现的：一种电池智能管理系统，包括中央控制单元和电池状态检测单元，所述的电池状态检测单元检测电池的电压、充/放电电流、温度状态信息并将检测到的信息送入中央控制单元的I/O口和AD端口，其特征在于，所述管理系统还包括PWM斩波输出单元、电池极性自动纠正单元和人机交互单元，PWM斩波输出单元接收中央控制单元送出的控制信号，控制电池的管理状态，所述的电池极性自动纠正单元并联在电池两端，通过比较器与中央控制单元连接，输出电池连接信息；所述的人机交互单元以八位显示总线和四位控制总线与中央控制单元连接，显示系统的工作状态，并接受用户的控制。\n[0010] 所述的中央控制单元包括MCU处理器及外围电路，所述的外围电路包括高速时钟发生电路、低速时钟发生电路、上电复位电路及去耦电路，所述的MCU处理器具有片内AD、片内定时器、片内看门狗及片内PWM发生器。\n[0011] 所述的电池状态检测单元包括电池电压检测放大电路、电池电流检测放大电路、数字式温度检测电路，所述的电池电压检测放大电路与电池电流检测放大电路均输出电压信号，与单片机的片内AD端口相连，所述的数字式温度检测电路输出数字信号，与单片机的I/O端口相连，所述的电池电压检测放大电路由分压电路和电压跟随器组成，输入段并接在电池两端，所述的电池电流检测放大电路由两级运放电路组成，第一级为反相加法器，第二级为反相器，输入端接在串联在电池回路中的小阻值大功率采样电阻两端。\n[0012] 所述的PWM斩波输出单元包括驱动电路、功率斩波元件、滤波电路，所述的驱动电路接受来自单片机输出的PWM控制信号，经三极管放大，再经光耦隔离后驱动MOSET功率元件进行斩波，斩波后的电压信号通过所述的滤波电路去除高频杂波，与电池两端并接。\n[0013] 所述的电池极性自动纠正单元包括极性检测电路和极性纠正电路，所述的极性检测电路由两个比较器组成，以两位输出表示电池的正接、反接、悬空、短路四种状态，送入单片机的I/O端口，所述的极性纠正电路由两个继电器及驱动电路组成，根据中央控制单元的控制信号开合，控制电池正接、反接、悬空。\n[0014] 所述的人机交互单元包括液晶屏和键盘，所述的液晶屏为单色点阵式12864液晶屏，通过八位显示总线与单片机连接。\n[0015] 所述的电池智能管理系统还包括为整个系统供电的电源单元，所述的电源单元包括+3.3V电压产生电路和-5V电压产生电路，+5V电压由外部电源提供。\n[0016] 充电电池在日常生活中的应用越来越多，每家每户或多或少的都会有一定的使用，如果能合理的利用充电电池，发挥其最优寿命，不仅可以节省大量的有色金属等资源，还可以减少废弃电池对环境的污染。应用本实用新型的电池智能管理系统，其优越性主要体现在：1.智能控制，以最优的方式对电池进行充电，确保其达到最佳工作状态，防止过冲欠冲对寿命带来的影响；2.可同时对多个电池单体进行管理，无论种类、状态，如可同时进行修复和充电操作；3.对电池的容量检测可以随时了解电池当前的剩余容量，对预估充电完成时间有一定作用，并且可以用来判断损坏的电池以及损坏情况；4.对损坏的电池进行修补，可以有效的修复多数因使用、维护不当而损坏的电池，节省资源，保护环境；5.智能的极性纠正功能使得无需考虑电池极性问题，防止因极性错误导致的爆炸，损坏等事件；\n6.完善的保护功能，包括过热保护、过压保护、过流保护、反接保护、短路保护，杜绝一切不安全的隐患；7.功耗低，系统本身几乎不消耗电能，且控制策略得当可以获得很高的管理效率。\n附图说明\n[0017] 图1是本实用新型的总体结构框图；图2是本实用新型的供电模块电路；图3是本实用新型的电压检测电路；图4是本实用新型的电流检测电路；图5是本实用新型的温度检测电路；图6是本实用新型的PWM斩波电路，两只MOSFET作为高低边搭配，各并联一支反相二极管作为续流管；图7是本实用新型的极性自动纠正电路。\n具体实施方式\n[0018] 下面参照附图并结合实施例对本实用新型作出进一步的说明。\n[0019] 本实用新型提供的一种电池智能管理系统，包括中央控制单元、电池状态检测单元、PWM斩波输出单元、电池极性自动纠正单元和人机交互单元，所述的电池状态检测单元检测电池的电压、充/放电电流、温度状态信息并将检测到的信息送入中央控制单元的I/O口和AD端口，PWM斩波输出单元接收中央控制单元送出的控制信号，控制电池的管理状态，所述的电池极性自动纠正单元并联在电池两端，通过比较器与中央控制单元连接，输出电池连接信息；所述的人机交互单元以八位显示总线和四位控制总线与中央控制单元连接，显示系统的工作状态，并接受用户的控制。所述的中央控制单元包括MCU处理器及外围电路，所述的外围电路包括高速时钟发生电路、低速时钟发生电路、上电复位电路及去耦电路，所述的MCU处理器具有片内AD、片内定时器、片内看门狗及片内PWM发生器。所述的电池状态检测单元包括电池电压检测放大电路、电池电流检测放大电路、数字式温度检测电路，所述的电池电压检测放大电路与电池电流检测放大电路均输出电压信号，与单片机的片内AD端口相连，所述的数字式温度检测电路输出数字信号，与单片机的I/O端口相连，所述的电池电压检测放大电路由分压电路和电压跟随器组成，输入段并接在电池两端，所述的电池电流检测放大电路由两级运放电路组成，第一级为反相加法器，第二级为反相器，输入端接在串联在电池回路中的小阻值大功率采样电阻两端。所述的PWM斩波输出单元包括驱动电路、功率斩波元件、滤波电路，所述的驱动电路接受来自单片机输出的PWM控制信号，经三极管放大，再经光耦隔离后驱动MOSET功率元件进行斩波，斩波后的电压信号通过所述的滤波电路去除高频杂波，与电池两端并接。所述的电池极性自动纠正单元包括极性检测电路和极性纠正电路，所述的极性检测电路由两个比较器组成，以两位输出表示电池的正接、反接、悬空、短路四种状态，送入单片机的I/O端口，所述的极性纠正电路由两个继电器及驱动电路组成，根据中央控制单元的控制信号开合，控制电池正接、反接、悬空。所述的人机交互单元包括液晶屏和键盘，所述的液晶屏为单色点阵式12864液晶屏，通过八位显示总线与单片机连接。所述的电池智能管理系统还包括为整个系统供电的电源单元，电源单元包括+3.3V电压产生电路和-5V电压产生电路，+5V电压由外部电源提供。\n[0020] 如图1所示，采用低功耗的MSP430单片机作为主控芯片，电池状态检测单元对电池充放电状态，即电压、电流、温度进行检测，送入控制单元进行相应处理，并可自动对电池极性进行纠正，即在放置时无需考虑正负极方向。PWM斩波输出单元依托PWM控制和单片机的反馈控制方法实现对充放电电流的精确控制，保证控制算法结果的准确执行。通过包含液晶显示器和键盘的人机交互单元实现良好的人机交互。系统硬件模块主要有以单片机为主的控制单元、电池状态检测单元、PWM斩波输出单元、电池极性自动纠正单元、人机交互单元。所有的硬件电路包括功率输出元件MOSFET等均焊接在一块PCB板上。图2所示为本系统的供电模块电路，为系统提供正负5V和正3.3V的电压，其中TPS7333提供3.3V正电压，LMC7660IN提供负5V电压。\n[0021] 1.基于MSP430低功耗单片机的控制单元Ti公司的低功耗单片机，在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。属于16位RISC处理器，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁27条内核指令以及大量的模拟指令；集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、\n16位Sigma-DeltaAD、直接寻址模块(DMA)、端口O(P0)、端口1～6(P1～P6)、基本定时器(BasicTimer)等的一些外围模块的不同组合。实例中使用看门狗防止程序跑飞；定时器A和B同时运用完成有关时间的工作；12位多通道ADC收集电池状态检测模块的数据；端口接液晶屏，键盘等。\n[0022] 2.通过电池状态检测单元对电池状态进行实时监测1)如图3所示，对电池电压进行分压后，利用OP07组成的电压跟随器将电池电压信号送入AD。\n[0023] 2)如图4所示，采用一个反向加法器和一个反向器对输入的信号做处理，以便能够输入单片机的AD端口；电流测量采用采样电阻法，采样电阻上的电压由SRC1输入。采样电阻为0.05Ω，额定功率5W，精度1％。由于需对电池的充放电电流进行控制，故采样电阻上的压降有正负，需经电压抬升后经单片机采样。电池的充电电流的大小在1A以下，故采样电阻的压降为-0.05V～+0.05V。运算放大电路中为了更精确的实现放大，减小误差，选择反相加法电路。考虑运放的输出电压范围是0V～3.7V，单片机的基准电压输出为2.5V，故第一级反相加法电路的放大倍数为0.5和25倍，第二级仅为反相电路匹配单片机采样。\n结合贴片电阻值，实际放大倍数取为0.5倍和21.95倍。\n[0024] 3)如图5所示，选用DS1820数字温度传感器测量电池温度。\n[0025] 3.利用MOSFET作为功率控制元件，接受控制信号进行PWM斩波；1)如图6所示，选用高边MOSFET和低边MOSFET构成。通过MOSFET的导通关断产生PWM波，P-MOSFET作为高边、N-MOSFET作为低边。为了防止电感的电流突变，加入了续流二极管。为了更好的滤波，电感取5uH，电容100uf；2)如图6所示，利用光耦对功率电路与单片机电路进行隔离。\n为了解决单片机的输出电流过小，需经三极管放大后才能驱动光耦，由于上电时MOSFET需可靠关断，故选择PNP型三极管。由MOSFET的传输曲线知，H-MOSFET IRF9530的驱动电压需低于-4.7V，L-MOSFET IRF740的驱动电压高于4.6V ID才能达到1A。RB＞(3.3-0.7)V/0.5mA＝1.2kΩ且不能过大否则Ic过小，一股三极管的放大倍数为200倍，Ic＝IB*200＝100mA，故选取Rc＞92Ω以使三极管达到饱和值，限制流经光耦的电流Ic＜25mA(光耦的IFmax)。栅极串入10Ω电阻为了减少其寄生振荡。\n[0026] 4.为了简化操作，避免极性放错带来的不安全影响，利用继电器元件完成极性纠正电路如图7所示，两支LM324作比较器使用。JC20，JC21输出电池接驳状态码，程序查表判断电池接驳状态，若电池上正下负，接通K3；若反之，则接通K4，电池极性自动翻转；Q7、Q8作为驱动三极管保证继电器可靠吸合。