一種led應急燈電池管理裝置的製作方法
2023-05-28 06:30:41 1
專利名稱：一種led應急燈電池管理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及自動控制領域，是一種LED應急燈電池管理裝置。
背景技術：
目前，隨著鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鋅電池在應急燈中的普遍應用，備用電池組的安全性和可靠性、使用壽命和使用效率對應急燈的性能有著至關重要的影響。現有的應急燈由於供電電池長期處於充電、擱置、放電等不確定的循環工作狀態中，單體電池壽命和供電穩定性受到比較大的影響。現有的應急燈產品，一般只能工作在應急模式下，即在220V交流停止供電時啟動工作。這種單一的工作模式，使應急燈的應用範圍受到較大限制。因此，有必要對應急燈的工作模式進行拓展，並通過可遙控的工作模式選擇和切換功能，使應急燈還可工作在非應急狀態下，如後備模式等，進一步拓寬應急燈的應用範圍。在由多隻單體電池串聯構成的電池組中，單體電池的性能決定了電池組的性能，特別是隨著充放電循環次數的增加，各單體電池性能一致性偏差也隨之增大，而採用本實用新型充電均衡技術可有效地降低或減小各單體電池性能一致性偏差。現有的應急燈控制裝置中不具備單體電池均衡功能，因而大大降低了電池組的有效使用容量和使用壽命。通用應急燈主要包括電池組、充電器、充電控制單元、電光單元與人機互動單元組成。其中充電機多採用非可程控的固定參數充電器，充電控制單元往往採用非智能採集和控制方法，控制方法單一且固化，無法採用智能能源管理策略；人機互動單元多採用機械按鈕和單一指示燈指示系統狀態。而本實用新型則採用微控制器對應急燈的各個單元的工作狀態和人機互動進行智能管理，從而滿足多工作模式和智能電池管理的要求。迄今未見集電池監測和均衡、電池充放電保護、多工作模式切換、遙控等功能為一體的LED應急燈電池管理裝置的文獻報導和實施應用。
發明內容本實用新型的目的是，對現有技術進行實質性改進，提供一種集電池監測和均衡、電池充放電保護、多工作模式切換、遙控等功能為一體的LED應急燈電池管理裝置，能夠對應急燈電池組進行有效地監測、充放電管理和控制，以達到避免電池被過充電和過放電、降低電池性能衰減速度、延長電池使用壽命，進一步提高應急燈的安全性和可靠性。實現上述目的所採取的技術方案是，一種LED應急燈電池管理裝置，它包括電平放大與轉換單元、遙控單元，其特徵是，還包括採樣與均衡單元、微控制器CPU、低壓自關斷單元、充電機及工作模式控制單元，所述採樣與均衡單元包括單體電壓採樣繼電器Jl Jn、飛渡電容Cs、採樣繼電器JS、均衡控制繼電器JB、採樣放大器Al和解碼器，單體電壓採樣繼電器Jl Jn分別與各自的單體電池Batl Batn連接,單體電壓採樣繼電器Jl Jn均與飛渡電容Cs連接，單體電壓採樣繼電器Jl Jn與採樣控制繼電器JS和均衡控制繼電器JB連接，採樣控制繼電器JS與採樣放大器Al連接；所述低壓自關斷單元包括檢測繼電器JF、電池第一關斷繼電器JCl、電池第二關斷繼電器JC2和切換繼電器JSw，檢測繼電器JF、電池第一關斷繼電器JCl、電池第二關斷繼電器JC2和切換繼電器JSw相連接；所述充電機及工作模式控制單元包括充電器、電池充放電控制開關JCg和供電開關Jle，充電器與電池充放電控制開關JCg連接，電池充放電控制開關JCg與供電開關Jle連接；採樣與均衡單元的解碼器的多路插口與微控制器CPU的D08 D13腳連接，採樣與均衡單元的均衡控制繼電器JB與微控制器CPU的D07腳連接，採樣與均衡單元的採樣放大器Al與微控制器CPU的ADCO腳連接，低壓自關斷單元的檢測繼電器JF與微控制器CPU的Dll腳連接，低壓自關斷單元的電池第二關斷繼電器JC2與微控制器CPU的DOl腳連接，充電機及工作模式控制單元的充電器的恆流控制埠與微控制器CPU的D02腳連接，充電機及工作模式控制單元的充電器的恆壓控制埠與微控制器CPU的D03腳連接，充電機及工作模式控制單元的充電器的啟停控制埠與微控制器CPU的D04腳連接，充電機及工作模式控制單元的電池充放電控制開關JCg與微控制器CPU的D05腳連接，充電機及工作模式控制單元的供電開關Jle與微控制器CPU的D06腳連接，所述電平放大與轉換單元與微控制器CPU的ADCl和Vref腳連接。本實用新型的一種LED應急燈電池管理裝置，以低功耗嵌入式微控制器為核心，在N對I飛渡電容單體電壓檢測技術的基礎上，採用並聯在電壓測量總線上的單體電壓採樣繼電器和均衡控制繼電器，通過對電壓測量總線的分時復用測控，實現對N只單體電池的電壓測量和充電均衡；採用基於220V交流供電狀態檢測和單體電池放電截止電壓檢測的智能供電和自關斷控制，可在220V交流斷電且電池電能耗盡時，關閉電池管理控制裝置供電，避免N只單體電池過放電造成的性能下降或損壞，在220V交流供電恢復後，恢復對電池管理控制裝置供電；採用基於充放電電流檢測的電池荷電狀態計算方法與電壓監測相結合的充放電管理、均衡控制方法和策略，避免了電池的過充和過放，進一步提高了電池的使用效率、延長了電池的使用壽命；為滿足不同用戶的應用需求，LED應急燈設計了兩種工作模式，即應急模式和後備模式，並採用紅外遙控方式實現兩種工作模式的切換以及LED應急燈自檢、電池活化和應急燈開關控制等功能，為應急燈的使用和維護提供了方便和靈活的操作方式。人機互動部分採用紅外遙控方式控制應急燈的工作模式和開關狀態。充放電控制、充電均衡控制、多模式切換和自關斷功能，採用集飛渡電容單體電池電壓測量和充電均衡功能於一體的總線復用技術及其測量和控制，實現對各單體電池的電壓測量和均衡功能；採集電路採用並聯在電壓測量總線上的N個雙路常開光繼電器作為採樣繼電器，用於完成各單體電池電壓測量通道選通，採用並聯在電壓測量總線上的飛渡電容完成被測單體電池電壓保持，通過測量飛渡電容上的電壓實現對各單體電池電壓的巡迴測量；採用並聯在電壓測量總線上的均衡用光繼電器，按智能均衡算法在均衡周期內，通過同時接通某一單體電池的採樣繼電器和均衡用光繼電器所構成的單體電池放電迴路，實現對該單體電池均衡。能夠對LED應急燈電池組進行有效地監測、充放電管理和控制，以達到避免電池被過充電和過放電、降低電池性能衰減速度、延長電池使用壽命，進一步提高LED應急燈的安全性和可靠性。
圖1為一種LED應急燈電池管理裝置原理圖；[0010]圖2為圖1中採樣與均衡單元I原理圖；圖3為圖1中低壓自關斷單元3原理圖；圖4為圖1中充電機及工作模式控制單元4原理圖；圖5為圖1中電平放大與轉換單元5原理圖；圖6為圖1中遙控單元6原理圖。
具體實施方式
下面利用實施例對本實用新型的一種LED應急燈電池管理裝置進行詳細說明，但並非用來限制本實用新型的權利要求保護範圍，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本實用新型的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案均屬於本實用新型的範疇。參照圖1 6，本實用新型的一種LED應急燈電池管理裝置，包括採樣與均衡單元1、微控制器CPU 2、低壓自關斷單元3、充電機及工作模式控制單元4、電平放大與轉換單元5和遙控單元6。採樣與均衡單元I的解碼器的多路插口與微控制器CPU2的D08 D13腳連接，採樣與均衡單元I的均衡控制繼電器JB與微控制器CPU2的D07腳連接，採樣與均衡單元I的採樣放大器Al與微控制器CPU2的ADCO腳連接，低壓自關斷單元3的檢測繼電器JF與微控制器CPU2的Dll腳連接，低壓自關斷單元3的電池第二關斷繼電器JC2與微控制器CPU2的DOl腳連接，充電機及工作模式控制單元4的充電器的恆流控制埠與微控制器CPU2的D02腳連接，充電機及工作模式控制單元4的充電器的恆壓控制埠與微控制器CPU2的D03腳連接，充電機及工作模式控制單元4的充電器的啟停控制埠與微控制器CPU2的D04腳連接，充電機及工作模式控制單元4的電池充放電控制開關JCg與微控制器CPU的D05腳連接，充電機及工作模式控制單元4的供電開關Jle與微控制器CPU2的D06腳連接，所述電平放大與轉換單元5與微控制器CPU2的ADCl和Vref腳連接；遙控單元6的輸出端與微控制器CPU 2的DI2腳連接。微控制器CPU2採用具有12位ADC接口和多路數字IO接口的C8051F500，通過ADC完成對信號的AD轉換，通過數字IO 口和解碼器完成對所有PH0T0M0S繼電器的開關控制，具體測量、控制和數據處理計算由軟體完成，軟體程序的編制依據自動控制技術和計算機處理技術，是本領域技術人員所熟悉的技術。參照圖2，所述採樣與均衡單元I包括單體電壓採樣繼電器Jl Jn、飛渡電容Cs、採樣繼電器JS、均衡控制繼電器JB、採樣放大器Al和解碼器，單體電壓採樣繼電器Jl Jn分別與各自的單體電池Batl Batn連接,單體電壓採樣繼電器Jl Jn均與飛渡電容Cs連接，單體電壓採樣繼電器Jl Jn與採樣控制繼電器JS和均衡控制繼電器JB連接，採樣控制繼電器JS與採樣放大器Al連接；單體電壓採樣繼電器Jl Jn通過解碼器CSO CSn插口由軟體控制依次閉合，單體電池Batl Batn的電壓依次被平移至飛渡電容Cs，由採樣繼電器JS配合將單體電壓依次接至採樣放大器Al，放大後的單體電池電壓被微控制器CPU內嵌ADC轉換並保存。電池組單體主動均衡由單體電壓採樣繼電器Jl Jn和均衡控制繼電器JB來實現，採樣與均衡分時工作，即單體採樣繼電器Jl Jn在電壓採樣時隙中充當採樣繼電器，而在均衡時隙裡充當均衡繼電器。均衡控制繼電器的JB+和JB-分別接至單體採樣繼電器Jl-和J2+，從而構成單體均衡迴路。參照圖3，所述低壓自關斷單元3包括檢測繼電器JF、電池第一關斷繼電器JCl、電池第二關斷繼電器JC2和切換繼電器JSw，檢測繼電器JF、電池第一關斷繼電器JCl、電池第二關斷繼電器JC2和切換繼電器JSw相連接；外接電源檢測電路由AC/DC轉換和檢測繼電器JF來實現，電池第一關斷繼電器JCl在外接電源上電的情況下處於閉合狀態，同時，電池第二關斷繼電器JC2的射極由程序控制置低並處於閉合狀態，電池第一關斷由繼電器JC1、電池第二關斷繼電器JC2閉合使a點為低電位，切換繼電器JSw處於閉合從而保證微控制器CPU處於加電狀態。當外部電源失電，同時電池供電電壓高於關斷電壓時，電池第一關斷由繼電器JCl斷開，電池第二關斷繼電器JC2保持閉合從而保證整機仍然處於加電狀態，當外部失電且電池電壓小於關斷電壓時，程序發關斷指令， 電池第二關斷繼電器JC2斷開，切換繼電器JSw斷開，從而關斷整機供電。參照圖4，所述充電機及工作模式控制單元4包括充電器、電池充放電控制開關JCg和供電開關Jle，充電器與電池充放電控制開關JCg連接，電池充放電控制開關JCg與供電開關Jle連接；電池充放電控制開關JCg用於控制充電狀態。供電開關Jle用於控制LED應急燈的狀態。參照圖5，所述電平放大與轉換單元5由雙路放大器A和阻容網絡組成，其中Vr通過電阻R3接至放大器A的2IN+端。放大器A的2IN-端通過電阻Rl接地。放大器A的20UT經過R7接外部ADC1。Vr經電阻R4接A的IOUT和IIN+端。A的IIN-端經R6接至Vref，同時經R5和C2並聯網絡接地。A5V經穩壓管接至電阻R7和電容C3，電容C3另一端接 ADCl。參照圖6，遙控單元6由紅外接收器件IFM和阻容網絡組成，其中，IFM的VCC端通過電阻Rl接至5V電源，VCC端通過濾波電容Cl和C2接地。IFM的GND端直接接地，IFM的OUT端經5V電源和上拉電阻R2接至遙控單元的輸出端，遙控單元的輸出端與微控制器CPU2的DI2腳連接。本實用新型的一種LED應急燈電池管理裝置所用元器件單體電壓採樣繼電器Jl Jn、採樣控制繼電器JS和均衡控制繼電器JB均採用NEC PS7113-2A雙路常開PH0T0M0S繼電器，該繼電器導通電阻為O. 9 Ω，最大電流為300mA，根據不同類型電池的單體電壓，可通過選擇不同的限流電阻，將均衡電流限制在允許範圍內，在本實例中的單體電池Batl Batn為鎳鋅電池，單體電池Batl Batn的標稱電壓為1.75￥，限流電阻1 0，1 1，……，Rn設計值為1.5Ω ;飛渡電容Cs也稱為N比1，或N對I飛渡電容，採用低漏電流的聚苯乙烯保持電容，電容值為O.1uF ；切換繼電器JSw採用STANSON STN607D PMOS管，該PMOS管的門極所用的驅動電路為電池第一關斷繼電器JCl和電池第二關斷繼電器JC2，電池第一關斷繼電器JCl和電池第二關斷繼電器JC2均採用PC817光電耦合器，用於完成對裝置的交流上電啟動和自斷電控制；檢測繼電器JF為交流供電狀態檢測輸入接口晶片，採用SHARP PC817光電耦合器，用於完成交流供電狀態檢測和信號隔離；電池充放電控制開關JCg與供電開關Jle均採用STANSON STN4110 N溝道MOS管，NMOS門極採用由微控制器CPU2控制的PC817光電耦合器驅動；微控制器CPU2採用具有12位ADC接口和多路數字IO接口的C8051F500，通過ADC完成對信號的AD轉換，通過數字IO 口和解碼器完成對所有PH0T0M0S繼電器的開關控制，具體測量、控制和數據處理計算由軟體完成，軟體程序的編制依據自動控制技術和計算機處理技術，是本領域技術人員所熟悉的技術。本實用新型的元器件分別定義為單體電池Batl Batn為若干單體電池Batl、Bat2···Bati…Batn,其中Bati是第i只單體電池；電壓採樣繼電器Jl Jn為若干個電壓採樣繼電器Jl、J2"*Ji*"Jn，其中Ji是第i只單體電池Bati對應的電壓採樣繼電器；採樣控制繼電器JSample為JS ;均衡控制繼電器JBalance為JB ;檢測繼電器JFeedback為JF ；電池第一關斷繼電器JControll為JCl、電池第二關斷繼電器JControl2為JC2 ;切換繼電器JSwitc h為JSw ;電池充放電控制開關JCharge為JCg ;供電開關Jled為Jle。
權利要求1.一種LED應急燈電池管理裝置，它包括電平放大與轉換單元、遙控單元，其特徵是，還包括採樣與均衡單元、微控制器CPU、低壓自關斷單元、充電機及工作模式控制單元，所述米樣與均衡單兀包括單體電壓米樣繼電器Jl Jn、飛渡電容Cs、米樣繼電器JS、均衡控制繼電器JB、採樣放大器Al和解碼器，單體電壓採樣繼電器Jl Jn分別與各自的單體電池Batl Batn連接,單體電壓採樣繼電器Jl Jn均與飛渡電容Cs連接,單體電壓採樣繼電器Jl Jn與採樣控制繼電器JS和均衡控制繼電器JB連接，採樣控制繼電器JS與採樣放大器Al連接；所述低壓自關斷單元包括檢測繼電器JF、電池第一關斷繼電器JCl、電池第二關斷繼電器JC2和切換繼電器JSw，檢測繼電器JF、電池第一關斷繼電器JCl、電池第二關斷繼電器JC2和切換繼電器JSw相連接；所述充電機及工作模式控制單元包括充電器、電池充放電控制開關JCg和供電開關Jle，充電器與電池充放電控制開關JCg連接，電池充放電控制開關JCg與供電開關Jle連接；採樣與均衡單元的解碼器的多路插口與微控制器CPU的D08 D13腳連接，採樣與均衡單元的均衡控制繼電器JB與微控制器CPU的D07腳連接，採樣與均衡單元的採樣放大器Al與微控制器CPU的ADCO腳連接，低壓自關斷單元的檢測繼電器JF與微控制器CPU的Dll腳連接，低壓自關斷單元的電池第二關斷繼電器JC2與微控制器CPU的DOl腳連接，充電機及工作模式控制單元的充電器的恆流控制埠與微控制器CPU的D02腳連接，充電機及工作模式控制單元的充電器的恆壓控制埠與微控制器CPU的D03腳連接，充電機及工作模式控制單元的充電器的啟停控制埠與微控制器CPU的D04腳連接，充電機及工作模式控制單元的電池充放電控制開關JCg與微控制器CPU的D05腳連接，充電機及工作模式控制單元的供電開關Jle與微控制器CPU的D06腳連接，所述電平放大與轉換單元與微控制器CPU的ADCl和Vref腳連接。
專利摘要本實用新型是一種LED應急燈電池管理裝置，LED應急燈電池管理裝置包括電平放大與轉換單元、遙控單元，其特點是，還包括採樣與均衡單元、微控制器CPU、低壓自關斷單元、充電機及工作模式控制單元。它集電池監測和均衡、電池充放電保護、多工作模式切換、遙控等功能為一體，能夠對應急燈電池組進行有效地監測、充放電管理和控制，以達到避免電池被過充電和過放電、降低電池性能衰減速度、延長電池使用壽命，進一步提高應急燈的安全性和可靠性。
文檔編號H02J7/00GK202872419SQ20122054763
公開日2013年4月10日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者車進輝, 李來春, 魯靜軒, 徐濤, 姜豐, 邊樹華, 馬如駿, 周文, 張繼偉, 翟燦, 何勝賢, 李明權, 李晨 申請人:吉林卓爾科技股份有限公司