專利名稱：蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，尤其能在蓄電池離線或在線狀態(tài)下對蓄電池進行電壓、溫度、內(nèi)阻和負載測試。
背景技術(shù)：
目前公知的各種蓄電池事實上都需要維護，因此已有各種各樣的離線(充電器斷開)的蓄電池維護測試儀和在線(充電器閉合)的蓄電池組監(jiān)控系統(tǒng)。如離線的負載容量測試儀、可離線或在線使用的蓄電池內(nèi)阻測試儀，在線蓄電池組電壓、溫度和內(nèi)阻監(jiān)視系統(tǒng)。但是無論離線還是在線的蓄電池測試儀都需要人為定期的對蓄電池進行測試，而所有在線蓄電池組的電壓、溫度和內(nèi)阻監(jiān)視系統(tǒng)，其信號線較多，增大了接線的難度和復(fù)雜度，影響測試精度，降低了備用電源系統(tǒng)可靠性。到目前為止，市場上還沒有出現(xiàn)智能蓄電池，這種智能蓄電池可以離線或在線對蓄電池本身進行電壓、溫度、內(nèi)阻和負載測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，這種裝置可以獨立的安裝在所有蓄電池上，并使其成為智能蓄電池，這種智能蓄電池在裝置內(nèi)部處理器程序的控制下，可以離線或在線對蓄電池進行電壓、溫度、內(nèi)阻和負載測試，當電壓、溫度、內(nèi)阻的測量結(jié)果以及負載測試的終了電壓與處理器程序中預(yù)先設(shè)定的值比較發(fā)現(xiàn)異常時，聲、光報警指示電路將告警。這種裝置安裝在每個蓄電池的上蓋，大大減少了接線的復(fù)雜性。這種裝置上有兩個完全相同的由上位機供電的RS485數(shù)據(jù)通訊接口。在裝有這種裝置的蓄電池組成的蓄電池組中，當RS485通訊接口與上位機通訊時，每個裝置擁有唯一的地址編碼，在上位機處理器的程序控制下，可以定期實現(xiàn)對蓄電池組離線或在線內(nèi)阻和負載測試；當該裝置不與外部通訊時，裝置本身帶定時器的處理器的控制程序可以定期實現(xiàn)蓄電池組的離線或在線內(nèi)阻和負載測試。這種裝置的工作電源由于是由被測蓄電池提供的，當進行電壓和內(nèi)阻測量時，為了提高測量的精度，連線采用了六線法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案這種蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置由以處理器為控制核心的蓄電池放電主回路、蓄電池電壓檢測電路、蓄電池放電電流檢測電路、溫度測量電路、工作電源電路、上位機供電的與該裝置主電路隔離的RS485通訊接口電路以及聲、光報警電路組成。本發(fā)明的特征是第一，在以處理器為控制核心的蓄電池放電主電路中，一個或多個并聯(lián)的功率電子開關(guān)管MOSFET或IGBT的漏極端與電阻負載的一端串聯(lián)連接，負載電阻的另一端連接到蓄電池的正極，MOSFET或IGBT的源極端與一電流取樣電阻連接，電流取樣電阻的另一端連接到蓄電池的負極，MOSFET或IGBT的漏極和源極兩端跨接一保護吸收電容。MOSFET或IGBT和負載電阻、電流取樣電阻以及蓄電池構(gòu)成放電主回路。第二，蓄電池電壓檢測電路中，有兩個串聯(lián)電阻組成分壓電路，分壓電阻的兩端再并聯(lián)在蓄電池兩極，然后將連接蓄電池負極的分壓電阻上的電壓信號濾波，再經(jīng)過一限流電阻送入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將分壓電阻上的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可編程處理器讀取二進制數(shù)字，再乘以兩分壓電阻的比值，就可以計算出被測蓄電池的電壓值。電流檢測電路是直接將放電主回路中的電流取樣電阻上的電壓信號濾波后，送入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將電流取樣電阻上的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可編程處理器讀取二進制數(shù)字，就得到取樣電阻上的電壓，再乘以取樣電阻的阻值就是蓄電池放電電流值。電壓檢測電路和電流檢測電路中的A/D轉(zhuǎn)換器可以采用處理器內(nèi)部的多通道的A/D轉(zhuǎn)換器，也可以采用單片的多通道A/D轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換器精度的選擇因被測蓄電池內(nèi)阻范圍的不同而不同，如測量2VU000AH以上容量的蓄電池就必須選擇16位或以上的A/D轉(zhuǎn)換器。第三，溫度測量采用集成電路DS18B20。第四，內(nèi)阻、電壓、溫度和負載測試的四個報警指示燈分別串聯(lián)一電阻后與處理器的四個數(shù)字I/O 口相聯(lián)，一個控制蜂鳴器的三極管的基極串聯(lián)一電阻后與處理器的一個數(shù)字I/O 口相聯(lián)。第五，通過對處理器編制程序，每個裝置擁有唯一的地址編碼。第六，每個裝置上都設(shè)置兩個完全相同的由上位機供電的而且與裝置主電路隔離的RS485通訊接口。常用的MAX485通訊接口電路通過兩個光藕與主電路的處理器數(shù)據(jù)通訊接口 TDI和TDO相聯(lián)，MAX485芯片的工作電源由上位機提供。第七，本裝置的工作電源由被測蓄電池提供，當進行電壓和內(nèi)阻測量時，為了提高測量的精度，連線采用了六線法，即蓄電池放電主回路中連接蓄電池正負極的兩根線，測量蓄電池電壓變化的兩根信號線，工作電源正負進出兩根線。第八，這種裝置可以獨立的安裝在所有蓄電池上。本方案中，無論裝有這種裝置的蓄電池處于離線狀態(tài)還是在線狀態(tài)，裝置中處理器控制程序可以對蓄電池實施自動的定期的內(nèi)阻測試。在進行內(nèi)阻測試時，處理器控制程序既可以采用固定占空比的脈寬負載放電測量蓄電池內(nèi)阻的方法，也可以采用不固定占空比的、即變脈寬的負載放電測量蓄電池內(nèi)阻的方法。在放電主回路中，功率器件MOSFET或IGBT在導(dǎo)通脈寬的控制下，蓄電池通過負載電阻放電，在放電結(jié)束時，電壓測量電路分別讀取放電結(jié)束時脈沖關(guān)斷瞬間和關(guān)斷后I至2毫秒期間的電壓值，電流測量電路讀取放電結(jié)束瞬間的電流值，由處理器編程按歐姆定律計算，得出蓄電池的內(nèi)阻值。本方案中，無論裝有這種裝置的蓄電池處于離線狀態(tài)還是在線狀態(tài)，裝置中處理器控制程序可以對蓄電池實施自動的、定期的負載測試。在進行負載測試時，當處理器控制程序產(chǎn)生固定占空比的脈寬控制信號控制MOSFET或IGBT開關(guān)時，蓄電池將進行恒脈寬負載放電；當處理器產(chǎn)生變占空比的脈寬控制信號控制MOSFET或IGBT開關(guān)時，蓄電池將進行變脈寬負載放電；當處理器取電流取樣電阻上的電壓信號作為電流反饋信號時，則可以實現(xiàn)脈寬調(diào)制PWM控制MOSFET或IGBT，實現(xiàn)對蓄電池的恒流負載放電。當采用恒流負載放電時，處理器控制程序可以根據(jù)蓄電池容量的大小設(shè)置不同的放電電流和放電時間，對蓄電池實施負載放電，電壓測量電路可以測量負載放電時蓄電池的起始和終了電壓。本方案中，每個裝置有兩個完全相同的由上位機供電的RS485通訊接口。裝有這種裝置的蓄電池組成的蓄電池組中，裝置間的接口的連接可以不按照蓄電池的串聯(lián)順序連接，即在任何一個裝置中的一個接口可以連接另一個裝置的任一個接口，另一個接口可以與第三個裝置的任一個接口連接，任何未連接的接口則可以與上位機連接，實現(xiàn)所有裝置與上位機的通訊。由于每個裝置有唯一的地址編碼，當上位機與該裝置通過RS485接口通訊時，通過對上位機的處理器和裝置本身的處理器進行編程，就可以自動的定期實現(xiàn)蓄電池組的離線或在線內(nèi)阻和負載測試；當該裝置不與外部連接時，也就是該裝置獨立安裝在蓄電池上時，通過對裝置本身具有定時器的處理器編程，也可以實現(xiàn)自動的定期蓄電池組的離線或在線內(nèi)阻和負載測試。本方案中，該裝置無論在生產(chǎn)蓄電池時就安裝在蓄電池上，還是安裝在已經(jīng)投入使用的蓄電池上，該裝置的正極總是連接在蓄電池的正極柱上，負極總是連接在蓄電池的負極柱上；用于溫度檢測的DS18B20貼于裝置下面和蓄電池上蓋之間，并將導(dǎo)熱硅膠涂抹于DS18B20與蓄電池上蓋之間，以保證導(dǎo)熱良好。本發(fā)明通過安裝一種蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置使蓄電池智能化來實現(xiàn)對蓄電池自身的電壓、溫度、內(nèi)阻測量和負載測試，達到了對蓄電池智能監(jiān)測和維護的目的，從而大大提高蓄電池系統(tǒng)的可靠性，延長蓄電池的使用壽命，減少用戶的投資。


下面結(jié)合附圖和實施例進一步說明。圖1是本發(fā)明的主電路。圖2是VSS由上位機供電的、有兩路完全相同的RS485通訊接口電路。圖3是這種裝置由被測蓄電池提供工作電源的電路。
具體實施例方式圖1中，BATTERY是被測蓄電池，本實施例以12V蓄電池為例，并選用C8051F021處理器為例。C8051R)21是內(nèi)部帶定時器和一個8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器的處理器。兩個并聯(lián)的功率電子開關(guān)管Ml和M2的漏極端D與負載電阻RL的一端串聯(lián)連接，負載電阻RL的另一端連接到蓄電池的正極P，兩個并聯(lián)的功率電子開關(guān)管Ml和M2的源極端E與電流取樣電阻r 一端連接，電流取樣電阻r的另一端連接到蓄電池的負極N，C2是跨接在r兩端的濾波電容，電容Cl是連接在Ml和M2漏極和源極兩端的吸收保護電容。蓄電池BATTERY、負載放電電阻RL、兩個并聯(lián)的MOSFET管M1/M2、電容Cl以及電流取樣電阻r構(gòu)成放電主回路。C8051R)21、R1/Q1、R2/Q2、Q3/Q4/R5、Q5/Q6/R6、R3/R4 組成放電控制電路。C8051F021的42和43腳輸出的控制信號分別經(jīng)過Rl、Ql、Q3/Q4、R5組成的Ml的驅(qū)動電路和R2、Q2、Q5/Q6、R6組成的M2的驅(qū)動電路后，去驅(qū)動放電主回路功率MOSFET管Ml和M2。電源VDD給Ml和M2提供驅(qū)動電壓，VCC是處理器C8051F021的工作電源，DGND和AGND分別是處理器的數(shù)字地56腳和模擬地5腳。電阻R16、R17組成分壓電路，R16和R17串聯(lián)后再分別連接到蓄電池BATTERY的正⑵負(N)極兩端，然后將電阻R16上的電壓，經(jīng)電容C4濾波后，再經(jīng)過電阻R18送入C8051F021的9腳，再進入內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器。電阻R16、R17、R18、電容C4和處理器C8051F021內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器組成電壓檢測電路。電容C2將電流取樣電阻上的電壓信號濾波后，送入C0851F021的12腳再進入內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器。電容C2和C8051F021內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器組成電流檢測電路。圖1中Dsl8B20是集成的溫度測量器件，其2腳通過電阻R8連接到處理器C8051F021的16腳。R8、R9、C3和DS18B20以及C8051F021內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成溫度測量電路。工作電源指示燈PS和電阻RlO以及處理器的55腳組成工作指示電路。內(nèi)阻報警指示燈In-r的負極串聯(lián)電阻Rll后，接C8051F021的54腳，In_r、Rll和C8051F021的54腳構(gòu)成內(nèi)阻的光報警指示電路。電壓報警指示燈V的負極串聯(lián)電阻R12后，接C8051F021的53腳，V、R12和C8051F021的53腳構(gòu)成電壓光報警指示電路。溫度報警指示燈T的負極串聯(lián)電阻R13后，接C8051F021的52腳，T、R13和C8051F021的52腳構(gòu)成溫度光報警指示電路。負載測試報警指示燈LTV的負極串聯(lián)電阻R14后，接C8051F021的51腳，LTV、R14和C8051F021的51腳構(gòu)成負載測試光報警指示電路。蜂鳴器Buzzer受Q7控制，Q7的基極通過電阻R7接C8051F021的44腳，Buzzer、Q7、R7和C8051F021的44腳構(gòu)成聲音報警指示電路。圖1中，OOl是從蓄電池的正極P連接到裝置內(nèi)部負載電阻RL —端的連線，002是蓄電池的負極N連接到裝置內(nèi)部取樣電阻r 一端的連線。003是電壓分壓電阻R17的一端S+連接到蓄電池正極P的連線，004是分壓電阻R16的一端S-連接到蓄電池負極N的連線。C8051R)21的60和61腳分別是連接圖2中通訊電路的數(shù)據(jù)輸入端TDI和輸出端TDO。圖2中，電阻R19、R23、R24、光耦Ul和MAX485的I腳組成該裝置主電路數(shù)據(jù)輸入端TDI，R20、R21、R27、光耦U2和MAX485的4腳組成該裝置主電路的數(shù)據(jù)輸出端TD0。MAX485的6、7腳和電阻R22、R25、R26組成兩個相同的RS485通訊接口 Portl、Port2，圖中標記Port I由信號線TXOO、TYOO和電源正極VSS、地線GND組成，標記Port2由信號線TXl1、TYll和電源正極VSS、地線GND組成。MAX485的工作電源VSS由與該裝置連接的上位機提供。本發(fā)明稱Portl和Port2為由上位機供電的兩個完全相同的RS485通訊接口。圖3中，工作電源VDD和VCC由12V蓄電池BATTERY提供。VCC由以U2MC34063ADDC/DC變換器電源芯片為核心的降壓電源電路產(chǎn)生，R32、R33、R34、C12、C13、D2、L2是與U2產(chǎn)生VCC的外圍電路元件。VDD由以U1MC34063AD DC/DC變換器電源芯片為核心的升壓電源電路產(chǎn)生，R28、R29、R30、R31、C30、CIO、ClUDU LI是與Ul產(chǎn)生VDD的外圍電路元件。圖中標號005和006是工作電源輸入線，他們分別是工作電源電路連接被測蓄電池的正極P和負極N的兩根連線。005和006號工作電源輸入線是獨立的，即不與蓄電池放電主回路連接蓄電池正負極的兩根線001、002和測量蓄電池電壓的兩根信號線003、004共用。電壓的測量圖1中，對處理器C8051F021進行編程，可以實時測量蓄電池的電壓。蓄電池兩端的電壓經(jīng)電阻R16、R17分壓，再將R16上的電壓信號經(jīng)電容C4濾波后經(jīng)R18送到處理器C8051F021的9腳進入內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將蓄電池上的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，處理器C8051F021讀取的二進制數(shù)字，再乘以R17和R16的比值，就得到相應(yīng)的蓄電池電壓值。電流的測量圖1中，對處理器C8051F021進行編程，可以測量蓄電池的放電電流。電流取樣電阻r上的模擬電壓信號經(jīng)C2濾波后送到C8051F021的12腳進入內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，處理器C8051F021讀取的二進制數(shù)字就是取樣電阻r上的電壓，再乘以電阻r的值就得到蓄電池放電電流值。溫度測量圖1中，對處理器C8051F021進行編程，可以實時測量蓄電池的溫度。溫度測量器件DS18B20的2腳的輸出信號經(jīng)電阻R8送到處理器C8050F021的16腳進入內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器，處理器C8051F021讀取的二進制數(shù)字就是溫度值。蓄電池內(nèi)阻的測量對處理器C8051F021進行編程，可以自動的定期的對蓄電池進行內(nèi)阻測量。本實施例采用固定占空比的脈寬負載放電測量蓄電池內(nèi)阻的方法。為了提高電壓和內(nèi)阻的測量精度，連線采用六線法。即在圖1中，電壓檢測電阻R16、R17與蓄電池正負極P、N的兩根連線003、004和放電電流回路與蓄電池正負極P、N的兩根連線001、002以及圖3中的工作電源正負輸入端分別連接蓄電池正極P和蓄電池負極N的兩根連線005,006° C8051F021的42和43腳輸出控制信號分別經(jīng)過Rl、Ql、Q3/Q4、R5組成的Ml的驅(qū)動電路和R2、Q2、Q5/Q6、R6組成的M2的驅(qū)動電路后，去驅(qū)動控制MOSFET Ml和M2開關(guān)，實現(xiàn)蓄電池的恒脈寬電流放電。在放電結(jié)束時，電壓測量電路分別讀取放電結(jié)束時脈沖關(guān)斷瞬間和關(guān)斷后I至2毫秒期間的電壓值，電流測量電路讀取放電結(jié)束時的電流值，由處理器C8051F021按歐姆定律計算，得出蓄電池的內(nèi)阻值。負載測試對處理器C8051F021進行編程，可以自動的定期的對蓄電池進行負載測試。本實施例采用恒流負載放電，即在圖1中，電流取樣電阻r上的電壓信號作為電流反饋信號，處理器C8051F021的42、43腳產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號分別經(jīng)過R1、Q1、Q3/Q4、R5組成的Ml的驅(qū)動電路和R2、Q2、Q5/Q6、R6組成的M2的驅(qū)動電路后，去驅(qū)動控制MOSFET Ml和M2開關(guān)，實現(xiàn)蓄電池的恒流放電。處理器C8051F021控制程序可以根據(jù)蓄電池容量的大小設(shè)置不同的放電電流和放電時間，對蓄電池實施負載放電。電壓測量電路可以測量負載放電時蓄電池的起始和終了電壓。通訊連接在圖2中，每個裝置有唯一的地址編碼和兩個完全相同的由上位機供電的RS485通訊接口 PORTl和P0RT2。裝有這種裝置的蓄電池組中，裝置間PORTl或P0RT2的連接可以不按照蓄電池的串聯(lián)順序連接。任何未連接的接口則可以與上位機連接，進行通訊。當上位機通過PORTl或P0RT2與該裝置通訊連接時，通過對上位機的處理器和裝置本身的處理器C8051F021進行編程，就可以定期實現(xiàn)蓄電池組的離線或在線內(nèi)阻和負載測試；當該裝置不與外部通訊時，通過對裝置本身具有定時器的處理器C8051F021編程，控制程序也可以定期實現(xiàn)蓄電池組的離線或在線內(nèi)阻和負載測試。報警指示圖1中，當發(fā)現(xiàn)蓄電池的內(nèi)阻或電壓或溫度或負載測試的終了電壓超出處理器C8051F021程序中預(yù)先設(shè)定的范圍時，裝置上相應(yīng)的報警指示燈In-r、V、T、LTV將會閃爍，同時蜂鳴器BUZZER有聲音報警。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，它可以測量蓄電池的電壓、溫度和內(nèi)阻，其特征是這種裝置可以獨立的安裝在所有蓄電池上，并使其成為智能蓄電池，這種智能蓄電池在裝置內(nèi)部處理器程序的控制下，可以離線或在線對蓄電池進行電壓、溫度、內(nèi)阻和負載測試， 當電壓、溫度、內(nèi)阻的測量結(jié)果以及負載測試的終了電壓與處理器程序中預(yù)先設(shè)定的值比較發(fā)現(xiàn)異常時，聲、光報警指示電路將告警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，其特征是這種裝置上有兩個完全相同的由上位機供電的RS485數(shù)據(jù)通訊接口，且任何一個裝置中的一個接口可以連接另一個裝置的任一個接口 ；在裝有這種裝置的蓄電池組中，當RS485通訊接口與上位機通訊時，每個裝置有唯一的地址編碼，在上位機處理器的程序控制下，可以定期實現(xiàn)蓄電池組的離線或在線內(nèi)阻和負載測試；當該裝置不與外部連接時，裝置本身帶定時器的處理器的控制程序也可以定期實現(xiàn)蓄電池組的離線或在線內(nèi)阻和負載測試。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，其特征是這種裝置的工作電源是由被測蓄電池提供的，為了提高電壓和內(nèi)阻的測量精度，連線采用了六線法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，其特征是無論裝有這種裝置的蓄電池處于離線狀態(tài)還是在線狀態(tài)，當測量蓄電池內(nèi)阻時，既可以采用固定占空比的脈寬負載放電測量蓄電池內(nèi)阻的方法，也可以采用不固定占空比的、即變脈寬的負載放電法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，其特征是無論裝有這種裝置的蓄電池處于離線狀態(tài)還是在線狀態(tài)，這種裝置可以對蓄電池采用固定占空比的脈寬負載放電，也可以采用不固定占空比的、即變脈寬的負載放電，還可以采用恒流負載放電；當采用恒流負載放電時，處理器控制程序可以根據(jù)蓄電池容量的大小設(shè)置不同的放電電流和放電時間，實施蓄電池負載放電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蓄電池智能監(jiān)測和維護裝置，該裝置由以處理器為控制核心的蓄電池放電主回路、蓄電池電壓檢測電路、蓄電池放電電流檢測電路、溫度測量電路、工作電源電路、上位機供電的且與裝置主電路隔離的RS485通訊接口電路以及異常報警指示電路組成。這種裝置可以獨立的安裝在所有蓄電池上，它尤其能在蓄電池離線或在線狀態(tài)下對蓄電池進行電壓、溫度、內(nèi)阻和負載測試。無論裝置與上位機通訊與否，都可以離線或在線對蓄電池進行電壓、溫度、內(nèi)阻和負載測試，當電壓、溫度、內(nèi)阻的測量結(jié)果以及負載放電的終了電壓與處理器程序中預(yù)先設(shè)定的值比較發(fā)現(xiàn)異常時，聲、光報警指示電路將告警，起到在離線和在線狀態(tài)下都能監(jiān)測和維護蓄電池的作用。
文檔編號G01R31/36GK103018671SQ20121020006
公開日2013年4月3日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者王曉秋 申請人:王曉秋