用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，它包括磷酸铁锂电池组，所述磷酸铁锂电池组与锂电池硬件保护电路连接，所述锂电池硬件保护电路的输入端与充电接口连接，所述锂电池硬件保护电路的输出端与电源输入接口连接，所述电源输入接口通过总开关分别与动力回路和控制回路连接，所述锂电池硬件保护电路的输出端与电量测量显示电路供电电源连接，所述电量测量显示电路供电电源给电量测量显示电路供电；所述电量测量显示电路包括采用安时积分法和开路电压法相结合的方式进行电池剩余电量百分比SOC估计的STM32芯片。本实用新型能够对服务机器人电源进行管理，保证铁锂电池组稳定工作，并实时获取电池组信息，具备电源扩展功能。
【专利说明】用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置。
【背景技术】
[0002]随着我国老龄化速度的加快，服务机器人在我国将具有广阔的应用前景，并且服务机器人技术也得到了迅猛的发展。一般服务机器人是基于移动平台来展开工作，不同于工业机器人，服务机器人是依靠电池进行独立移动工作的机器人。同时由于服务机器人的工作地点是家庭、医院等人活动密集的地点，因此对机器人的可靠性提出了更加严格的要求。
[0003]受限于机器人的体积、重量、工作模式等，服务机器人工作时几乎都采用可充电电池组提供能源，而且电池组体积也受到限制。机器人必须完成一定的工作量之后，才可以返回充电站进行充电。由于工作环境是与人有密切接触的环境，对于电池的充放电可靠性提出了很高的要求。在这种情况下，服务机器人需要有一套成熟可靠的电源管理系统，用于保证机器人电源能够可靠稳定的工作。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的就是为了解决上述问题，本实用新型提供一种用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，它可以有效的保护电池组，提高电池组的可靠性，并且可以准确测量电池的剩余电量，方便机器人根据用电情况进行任务规划，最终保证机器人可靠、安全和高效率的工作。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0006]用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，包括:
[0007]磷酸铁锂电池组，所述磷酸铁锂电池组与锂电池硬件保护电路连接，所述锂电池硬件保护电路的输入端与充电接口连接，所述锂电池硬件保护电路的输出端与电源输入接口连接，所述电源输入接口通过总开关分别与动力回路和控制回路连接，
[0008]所述锂电池硬件保护电路的输出端与电量测量显示电路供电电源连接，所述电量测量显示电路供电电源给电量测量显示电路供电；
[0009]所述电量测量显示电路包括采用安时积分法和开路电压法相结合的方式进行电池剩余电量百分比SOC估计的处理器，所述处理器的输入端分别与电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路连接，所述处理器的输出端分别与蜂鸣器报警提示电路、隔离型CAN收发电路和显示屏连接，所述处理器通过继电器控制电路控制动力回路内的继电器；
[0010]所述总开关的输出端分别与电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路连接；
[0011]所述电源输入接口、总开关和动力主回路继电器共同构成大电流主回路。
[0012]所述动力回路包括动力主回路继电器，所述动力主回路继电器的输入端与总开关连接，所述动力主回路继电器的输出端与若干大电流外围设备连接。
[0013]所述控制回路包括若干用于扩展的低电压设备电源。
[0014]所述大电流主回路包括电池输入端+VB，所述电池输入端+VB通过四条并联电路连接电池输出端-VB，第一条并联电路上设有MBR3035CT防反接二极管D4，第二条并联电路上设有SMCJ30瞬态抑制二极管D5，第三条并联电路上设有4007 二极管D3，第四条并联电路上设有串联的发光二极管、电阻R4和电机电源VCL，所述第一条并联电路的一端与第二条并联电路的一端通过串联的总开关SI和电流检测电路连接，所述第二条并联电路的端部连接电压检测电路，所述第二条并联电路的端部和第三条并联电路的端部之间的电路上设有动力主回路继电器的两个触点KKl和KK2，所述电池输入端+VB与第一条并联电路连接的电路上还设有30A保险片Fl。
[0015]所述电流检测电路包括霍尔传感器ACS712，所述霍尔传感器ACS712两个IP+端与总开关的节点连接，所述霍尔传感器ACS712的两个IP-端与第二条并联电路的SMCJ30瞬态抑制二极管D5的负极连接；所述霍尔传感器ACS712的VCC端接+5V的VCC ;所述霍尔传感器ACS712的VCC端还通过0.1 μ F电容Cl接GND ;所述霍尔传感器ACS712的V1UT端和GND端之间串联5k电阻Rl和1k电阻R2，所述1k电阻R2还与串联有二极管Dl和InF电容C3的电路并联，所述二极管Dl和InF电容C3之间的连接点为电流检测电路的输出端，所述霍尔传感器ACS712的FITER端通过InF电容C2接地。
[0016]所述电压检测电路包括串联的20K电阻R9和120K电阻R10，所述电阻R9的不与电阻RlO连接的一端接地，所述电阻RlO的不与电阻R9连接的一端与所述大电流主回路的第二条并联电路的SMCJ30瞬态抑制二极管D5的负极连接；所述电阻R9与串联的电容C4和电阻R8的电路并联，所述电容C4和电阻R8之间的连接点为电压检测电路的输出端。
[0017]所述温度检测电路包括温度传感器18B20，所述温度传感器18B20的一端通过串联的5V的VCC和电阻R7与温度传感器18B20的另外一端连接，所述温度传感器的另外一端为温度检测电路的输出端。
[0018]所述隔离型CAN收发电路包括数字隔离器ADUM1201，所述数字隔离器ADUM1201的VDDl端连接3V的VCC，所述数字隔离器ADUM1201的VOA端与处理器的STM32芯片的输入脚CANRX连接，所述数字隔离器ADUM1201的VIB端与处理器的STM32芯片的输出脚CANTX连接；所述数字隔离器ADUM1201的VDD2端接5V的VCC，所述数字隔离器ADUM1201的VDD2端还通过电容C69接GND，所述数字隔离器ADUM1201的VIA端接收发器PCA82C250的RXD端，所述数字隔离器ADUM1201的VOB端接收发器PCA82C250的TXD端，所述数字隔离器ADUMl201 的 GND2 端接 GND ；
[0019]所述收发器PCA82C250的GND端接GND，所述收发器PCA82C250的VCC端接5V的VCC,所述收发器PCA82C250的VCC端还通过电容C74接GND，所述收发器PCA82C250的Rs端通过电阻R42接地，所述收发器PCA82C250的CANH端连接连接器Header4的一端，所述收发器PCA82C250的CANL端连接连接器Header4的另外一端，所述收发器PCA82C250的CANH端和CANL端通过电阻R44来连接，所述收发器PCA82C250的CANH端和CANL端还通过串联的22pF电容C70和22pF电容C71连接，所述22pF电容C70和22pF电容C71的中间连接点接地。
[0020]所述电量测量显示电路供电电源包括电路测量显示板5V电源和电路测量显示板3.3V电源；
[0021]所述电路测量显示板5V电源包括芯片LM2596D2T-5，所述芯片LM2596D2T-5的VIN端连接VB，所述芯片LM2596D2T-5的ON/OFF端和GND端均通过680 μ F电容ClO连接VB，所述芯片LM2596D2T-5的OUT端和芯片LM2596D2T-5的GND端连接二极管D7，所述二极管D7与串联电感L和电容Cll的电路并联，所述电容Cll与电容C12并联，所述芯片LM2596D2T-5的OUT端与芯片ΒΝΧ002-01的B端通过电感L、芯片G075V16和5V的VCC连接,所述芯片LM2596D2T-5的GND端与芯片ΒΝΧ002-01的PSG端连接，所述芯片ΒΝΧ002-01的CG端接地，所述芯片ΒΝΧ002-01的CB端接5V的VCC，所述芯片ΒΝΧ002-01的CB端通过串联的电阻R15和发光二极管DSl接地；
[0022]所述电路测量显示板3.3V电源包括电路测量显示板3.3V数字电源和电路测量显示板3.3V模拟电源；
[0023]所述电路测量显示板3.3V数字电源，包括芯片REG1117-3.3，所述芯片REGl 117-3.3的IN端接5V的VCC，所述芯片REGl 117-3.3的GND端接地，所述芯片REGl117-3.3的IN端通过电容C17接地，所述5V的VCC通过电容C18接地，所述芯片REGl117-3.3的第一 OUT端通过Fusel连接3V的VCC，所述芯片REG1117-3.3的第二 OUT端通过并联的电容C19和电容C20接地；
[0024]所述电路测量显示板3.3V模拟电源，包括芯片REG1117-3.3，所述芯片REGl 117-3.3的IN端接5V的VCC，所述芯片REGl 117-3.3的GND端接地，所述芯片REGl117-3.3的IN端通过电容C21接地，所述5V的VCC通过电容C22接地，所述芯片REGl117-3.3的第一 OUT端通过Fusel连接3V的VCC，所述芯片REGl117-3.3的第二 OUT端通过并联的电容C23和电容C24接地；
[0025]所述电路测量显示板3.3V数字电源的GND端与电路测量显示板3.3V模拟电源的GND端通过R21连接。
[0026]所述继电器控制电路包括光电稱合器TLP521,所述光电稱合器TLP521的Anode端通过电阻R5与5V的VCC连接，所述光电耦合器TLP521的Cathode端与芯片STM32的JDQC端连接，所述光电耦合器TLP521的Emitter端与8050三极管Ql的发射极连接，所述光电耦合器TLP521的Collector端与8050三极管Ql的基极连接，所述光电耦合器TLP521的Collector端通过电阻R3与5V的VCC端连接，所述8050三极管Ql的基极通过电阻R6与8050三极管Ql的发射极连接，所述8050三极管Ql的集电极通过4007 二极管D2与VBA连接，所述4007 二极管D2的两端并联24V继电器。
[0027]所述处理器是芯片STM32，所述芯片STM32还分别与蜂鸣器报警提示电路、复位电路、晶振电路和双色LED电路连接；
[0028]所述蜂鸣器报警提示电路包括9013三极管Q2，所述9013三极管Q2的基极通过电阻R14连接STM32的PA7引脚，所述9013三极管Q2的发射极接地，所述9013三极管Q2的集电极与Buzzer的一个引脚连接,所述Buzzer的另外一个引脚连接5V的VCC。
[0029]所述复位电路包括复位开关SW-PB，所述复位开关的一端接地，所述复位开关的另外一端连接芯片STM32的NRST引脚，所述芯片STM32的NRST引脚还通过电阻R18连接3V的VCC，所述复位开关SW-PB还与电容C14并联。
[0030]所述晶振电路是8M无源晶振与STM32的0SC_IN引脚和0SC_0UT引脚连接，0SC_IN引脚和0SC_0UT引脚并联IM电阻R19，晶振的两个引脚分别通过22pf电容接地。
[0031]所述双色LED电路包括红色发光二极管和绿色发光二极管，所述红色发光二极管和绿色发光二极管的正极均与VCC连接，所述红色发光二极管通过电阻R12与芯片STM32的PBO引脚连接，所述绿色发光二极管通过电阻Rl3与芯片STM32的PBl引脚连接。
[0032]本实用新型的有益效果:
[0033]1.本实用新型将铁锂电池保护、电池电量估计、电量显示和电源分配集成到一块电源管理系统板上，具有高度的集成性。因为该实用新型面向服务机器人，因此这样集成以后可以根据需要只更换铁锂电池单体即可，降低了成本。
[0034]2.本实用新型针对工作环境需求，采用高可靠的电池管理芯片，从硬件上保证铁锂电池安全可靠工作，具备过电流、过电压、过充电、过放电保护功能，并具备电池均衡功能，可以最大限度的延长电池使用时间。
[0035]3.本实用新型采用ARM Cortex内核的STM32微处理器，对放电电流和电压进行采用，并结合温度传感器数据进行电池电量估计。STM32将电池用电信息实时显示在显示屏上，并可以通过隔离型CAN通信接口将数据传出。
[0036]4.本实用新型将大电流回路和控制回路通过一个继电器隔开，控制回路电源采用隔离型DC/DC电源模块，STM32可以通过继电器切断大电流外设，既可以增加电池续航时间，也可以用作电路保护作用。
[0037]对磷酸铁锂电池进行管理、保护和能量分配，满足服务机器人对电源的可靠性要求。
[0038]本实用新型专利用于对电源安全要求高，需要实时估计剩余电量的设备中，尤其适用于服务家庭、医院等环境的服务机器人中，而且该实用新型具备良好的扩展性，可以根据需求扩展铁锂电池容量、隔离电源路数等。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为本实用新型的结构框图；
[0040]图2为铁锂电池硬件保护板的电路示意图；
[0041]图3.1为大电流主回路和电流采样的电路图；
[0042]图3.2电压采样电路图；
[0043]图3.3温度采样电路图；
[0044]图4为隔离型CAN通信的硬件电路示意图；
[0045]图5.1为电量测量显示板5V电源；
[0046]图5.2为电量测量显示板3.3V电源；
[0047]图6为继电器控制电路；
[0048]图7为STM32最小系统核心电路；
[0049]图8为3510LCD液晶接口电路；
[0050]其中，1、磷酸铁锂电池组，2、锂电池硬件保护电路，3、电源输入接口，4、总开关，5、动力回路，6、大电流外围设备，7、低电压设备电源，8、电量测量显示电路供电电源，9、电量测量显示电路，10、电压检测电路，11、电流检测电路，12、温度检测电路，13、处理器，14、蜂鸣器报警提示电路，15、隔离型CAN收发电路，16、显示屏，17、继电器控制电路。
【具体实施方式】
[0051]下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0052]如图1所示，用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，包括:
[0053]磷酸铁锂电池组I，所述磷酸铁锂电池组I与锂电池硬件保护电路2连接，所述锂电池硬件保护电路2的输入端与充电接口连接，所述锂电池硬件保护电路2的输出端与电源输入接口 3连接，所述电源输入接口 3通过总开关4分别与动力回路5和控制回路连接，
[0054]所述锂电池硬件保护电路2的输出端与电量测量显示电路供电电源8连接，所述电量测量显示电路供电电源8给电量测量显示电路9供电；
[0055]所述电量测量显示电路包括采用安时积分法和开路电压法相结合的方式进行电池剩余电量百分比SOC估计的处理器13，所述处理器13的输入端分别与电压检测电路10、电流检测电路11和温度检测电路12连接，所述处理器13的输出端分别与蜂鸣器报警提示电路14、隔离型CAN收发电路15和显示屏16连接，所述处理器13还通过继电器控制电路17控制动力回路5内的继电器；
[0056]所述总开关4的输出端分别与电压检测电路10、电流检测电路和温度检测电路连接；
[0057]所述电源输入接口 3、总开关4和动力主回路继电器共同构成大电流主回路。
[0058]所述动力回路5包括动力主回路继电器，所述动力主回路继电器的输入端与总开关4连接，所述动力主回路继电器的输出端与若干大电流外围设备6连接。
[0059]所述控制回路包括若干用于扩展的低电压设备电源7。
[0060]如图3.1所示，所述大电流主回路包括电池输入端+VB，所述电池输入端+VB通过四条并联电路连接电池输出端-VB，第一条并联电路上设有MBR3035CT防反接二极管D4，第二条并联电路上设有SMCJ30瞬态抑制二极管D5，第三条并联电路上设有4007 二极管D3，第四条并联电路上设有串联的发光二极管、电阻R4和电机电源VCL，所述第一条并联电路的一端与第二条并联电路的一端通过串联的总开关SI和电流检测电路连接，所述第二条并联电路的端部连接电压检测电路10，所述第二条并联电路的端部和第三条并联电路的端部之间的电路上设有动力主回路继电器的两个触点KKl和KK2，所述电池输入端+VB与第一条并联电路连接的电路上还设有30A保险片Fl。
[0061]所述电流检测电路包括霍尔传感器ACS712，所述霍尔传感器ACS712两个IP+端与总开关4的节点连接，所述霍尔传感器ACS712的两个IP-端与第二条并联电路的SMCJ30瞬态抑制二极管D5的负极连接；所述霍尔传感器ACS712的VCC端接+5V的VCC ;所述霍尔传感器ACS712的VCC端还通过0.1 μ F电容Cl接GND ;所述霍尔传感器ACS712的V1UT端和GND端之间串联5k电阻Rl和1k电阻R2，所述1k电阻R2还与串联有二极管Dl和InF电容C3的电路并联，所述二极管Dl和InF电容C3之间的连接点为电流检测电路的输出端，所述霍尔传感器ACS712的FITER端通过InF电容C2接地。
[0062]如图3.2所示，所述电压检测电路包括串联的20K电阻R9和120K电阻R10，所述电阻R9的不与电阻RlO连接的一端接地，所述电阻RlO的不与电阻R9连接的一端与所述大电流主回路的第二条并联电路的SMCJ30瞬态抑制二极管D5的负极连接；所述电阻R9与串联的电容C4和电阻R8的电路并联，所述电容C4和电阻R8之间的连接点为电压检测电路的输出端。
[0063]如图3.3所示，所述温度检测电路包括温度传感器18B20，所述温度传感器18B20的一端通过串联的5V的VCC和电阻R7与温度传感器18B20的另外一端连接，所述温度传感器的另外一端为温度检测电路的输出端。
[0064]如图4所示，所述隔离型CAN收发电路15包括数字隔离器ADUM1201，所述数字隔离器ADUM1201的VDDl端连接3V的VCC，所述数字隔离器ADUM1201的VOA端与处理器13的STM32芯片的输入脚CANRX连接，所述数字隔离器ADUM1201的VIB端与处理器的STM32芯片的输出脚CANTX连接；所述数字隔离器ADUM1201的VDD2端接5V的VCC，所述数字隔离器ADUM1201的VDD2端还通过电容C69接GND，所述数字隔离器ADUM1201的VIA端接收发器PCA82C250的RXD端，所述数字隔离器ADUM1201的VOB端接收发器PCA82C250的TXD端，所述数字隔离器ADUM1201的GND2端接GND ；
[0065]所述收发器PCA82C250的GND端接GND，所述收发器PCA82C250的VCC端接5V的VCC,所述收发器PCA82C250的VCC端还通过电容C74接GND，所述收发器PCA82C250的Rs端通过电阻R42接地，所述收发器PCA82C250的CANH端连接连接器Header4的一端，所述收发器PCA82C250的CANL端连接连接器Header4的另外一端，所述收发器PCA82C250的CANH端和CANL端通过电阻R44来连接，所述收发器PCA82C250的CANH端和CANL端还通过串联的22pF电容C70和22pF电容C71连接，所述22pF电容C70和22pF电容C71的中间连接点接地。
[0066]所述电量测量显示电路供电电源8包括电路测量显示板5V电源和电路测量显示板3.3V电源；
[0067]如图5.1所示，所述电路测量显示板5V电源包括芯片LM2596D2T-5，所述芯片LM2596D2T-5的VIN端连接VB，所述芯片LM2596D2T-5的0N/0FF端和GND端均通过680 μ F电容ClO连接VB，所述芯片LM2596D2T-5的OUT端和芯片LM2596D2T-5的GND端连接二极管D7，所述二极管D7与串联电感L和电容Cl I的电路并联，所述电容Cl I与电容C12并联，所述芯片LM2596D2T-5的OUT端与芯片ΒΝΧ002-01的B端通过电感L、芯片G075V16和5V的VCC连接，所述芯片LM2596D2T-5的GND端与芯片ΒΝΧ002-01的PSG端连接，所述芯片ΒΝΧ002-01的CG端接地，所述芯片ΒΝΧ002-01的CB端接5V的VCC，所述芯片ΒΝΧ002-01的CB端通过串联的电阻R15和发光二极管DSl接地；
[0068]如图5.2所示,所述电路测量显示板3.3V电源包括电路测量显示板3.3V数字电源和电路测量显示板3.3V模拟电源；
[0069]所述电路测量显示板3.3V数字电源，包括芯片REG1117-3.3，所述芯片REGl 117-3.3的IN端接5V的VCC，所述芯片REGl 117-3.3的GND端接地，所述芯片REGl117-3.3的IN端通过电容C17接地，所述5V的VCC通过电容C18接地，所述芯片REGl117-3.3的第一 OUT端通过Fusel连接3V的VCC，所述芯片REG1117-3.3的第二 OUT端通过并联的电容C19和电容C20接地；
[0070]所述电路测量显示板3.3V模拟电源，包括芯片REG1117-3.3，所述芯片REGl 117-3.3的IN端接5V的VCC，所述芯片REGl 117-3.3的GND端接地，所述芯片REGl117-3.3的IN端通过电容C21接地，所述5V的VCC通过电容C22接地，所述芯片REGl117-3.3的第一 OUT端通过Fusel连接3V的VCC，所述芯片REGl117-3.3的第二 OUT端通过并联的电容C23和电容C24接地；
[0071]所述电路测量显示板3.3V数字电源的GND端与电路测量显示板3.3V模拟电源的GND端通过R21连接。
[0072]如图6所示，所述继电器控制电路17包括光电耦合器TLP521，所述光电耦合器TLP521的Anode端通过电阻R5与5V的VCC连接，所述光电耦合器TLP521的Cathode端与芯片STM32的JDQC端连接，所述光电耦合器TLP521的Emitter端与8050三极管Ql的发射极连接，所述光电耦合器TLP521的Collector端与8050三极管Ql的基极连接，所述光电耦合器TLP521的Collector端通过电阻R3与5V的VCC端连接，所述8050三极管Ql的基极通过电阻R6与8050三极管Ql的发射极连接，所述8050三极管Ql的集电极通过4007二极管D2与VBA连接，所述4007 二极管D2的两端并联24V继电器。
[0073]如图7所示，所述处理器是芯片STM32，所述芯片STM32还分别与蜂鸣器报警提示电路14、复位电路、晶振电路和双色LED电路连接；
[0074]所述蜂鸣器报警提示电路14包括9013三极管Q2，所述9013三极管Q2的基极通过电阻R14连接STM32的PA7引脚，所述9013三极管Q2的发射极接地，所述9013三极管Q2的集电极与Buzzer的一个引脚连接,所述Buzzer的另外一个引脚连接5V的VCC。
[0075]所述复位电路包括复位开关SW-PB，所述复位开关的一端接地，所述复位开关的另外一端连接芯片STM32的NRST引脚，所述芯片STM32的NRST引脚还通过电阻R18连接3V的VCC，所述复位开关SW-PB还与电容C14并联。
[0076]所述晶振电路是8M无源晶振与STM32的0SC_IN引脚和0SC_0UT引脚连接，0SC_IN引脚和0SC_0UT引脚并联IM电阻R19，晶振的两个引脚分别通过22pf电容接地。
[0077]所述双色LED电路包括红色发光二极管和绿色发光二极管，所述红色发光二极管和绿色发光二极管的正极均与VCC连接，所述红色发光二极管通过电阻R12与芯片STM32的PBO引脚连接，所述绿色发光二极管通过电阻R13与芯片STM32的PBl引脚连接。
[0078]如图8所示，3510IXD液晶接口电路。
[0079]它主要包括:锂电池硬件保护电路2、电量测量显示电路、电源管理分配电路和磷酸铁锂电池组I连接；
[0080]锂电池保护电路:用于磷酸铁锂电池的保护，具备过充电保护功能、过放电保护功能、电池充放电均衡功能、过电流保护功能和过热保护功能，该保护板接受电源分配管理板的控制，可以直接关闭铁锂电池单体的电压输出，再出现故障时，真正做到安全可靠的切断铁锂电池的供电回路。
[0081]电量测量显示电路:以STM32单片机为处理控制核心，对从电源输入的主回路的电压和电流进行信号采集，结合安时积分算法和开路电压法估计电池的可用剩余电量，通过液晶屏幕进行显示，并将该信息以隔离型CAN信号的形式输出。同时负责接收来自CAN的控制信号，用来控制锂电池保护板关闭锂电池输出。
[0082]电源管理分配电路:电池保护板输出经过总开关4后，将电源分成动力回路5和控制回路两部分。动力回路5用来扩展大电流设备接口，控制回路根据需求采用隔离型DC/DC模块扩展成多路电源，用以给其他设备的控制电路部分供电。
[0083]磷酸铁锂电池组1:采用3.2V20Ah的单体磷酸铁锂电池串联组成，总共8个单体，使磷酸铁锂电池组I工作电压达到工作电压和容量要求，为电源管理分配电路部分供电。
[0084]所述锂电池保护电路采用带电量平衡功能的电池保护芯片S-8209A，S-8209A芯片将CTLC、CTLD端子与其它的S-8209A的CO、DO端子相连，构成多个串联连接的电池保护电路。S-8209A芯片内部具备过充电检测转换器、电量平衡检测转换器和过放电检测转换器，当芯片检测到电池发生上述状态时，会启动相应的控制逻辑。芯片CTLC、CTLD端子与CO、DO相连接，可以将其中一节电池的状态通过连接的端子影响其他电源芯片状态，最终正确给出整个保护芯片的逻辑。当检测到其中一节电池发生过充电时，控制逻辑断开CFET，电池组断开充电，同时打开相应的FET，使过充电的单体进行放电，等到该单体降到过充电解除电压一下后，控制逻辑打开CFET，进行正常充电，这个过程为充电均衡过程。放电均衡过程与充电均衡过程类似，但检测到电池中某一单体放电到过放电检测电压后，控制逻辑断开DFET，平衡放电后，再打开DFET。S-8239芯片为过电流检测芯片，当S-8239芯片检测到RSENSE上的压降大于过电流检测电压时，芯片的DO端输出低电平，关闭DFET，关断锂电池输出。
[0085]所述电量测量显示电路采用霍尔电流传感器ACS712进行主回路电流检测，用精密电阻分压的方式检测主回路电压，采用集成温度传感器18B20进行温度检测，将传感器的信息送到主控核心STM32中。STM32中采用安时积分法和开路电压法相结合的方式进行电池剩余电量的估计，由于铁锂电池在不同温度下，电池活性有很大不同，因此本算法结合18B20测得的电池工作环境温度进行修正，使剩余电量估计更加准确。电量显示板上配有一个小型液晶屏幕，用于显示电池的参数信息、剩余电量等信息，同时该主控核心还可以通过隔离性CAN通信电路，将电池信息进行上传。
[0086]所述电源分配管理电路按照机器人需求分为大电流的动力主回路和控制回路电路。动力主回路中具有电机等用电量大的设备，可对电池电压造成干扰的设备，因此为了减小干扰，电源分配管理电路在动力主回路继电器之前把电路分为多路隔离性的DC/DC电源，将干扰信号隔离在控制信号之外，大大减小了干扰。根据不同需求，选择不同电压的DC/DC模块很容易进行扩展。电源分配板上有动力回路继电器，当大电流设备出现故障时，可以及时切断继电器，控制回路仍可以正常工作。
[0087]本实用新型的系统结构框图如图1所示。系统包括四个部分:锂电池硬件保护电路2、电量测量显示电路、电源管理分配电路和磷酸铁锂电池组I连接。
[0088]1.锂电池硬件保护电路
[0089]本实用新型专利采用3.2V20Ah的磷酸铁锂电池组I成电池组，如图2所示，每一块铁锂电池单体对应于一个S-8209A芯片。S-8209A芯片是精工推出的带有电量均衡功能的电池保护用1C。S8209A芯片可以将CTLC、CTLD端子与CO、DO端子相连，如图2所示，构成多个串联电池的保护电路。由S-8209A构成的电池硬件保护电路具有四种工作状态:通常状态、禁止充电状态、禁止放电状态、电量均衡功能。S-8209A具备过充电检测电路、过放电检测电路、电量平衡检测电路。工作温度范围是_40°C -+85°C。
[0090]通常状态:如图2所示，S-8209A芯片CTLC、CTLD和CO、⑶首尾相连，最下端的S-8209A芯片CTLC和CTLD端子拉倒VSS电位，该芯片开始工作，检测到对应电池单体高于过放电检测电压(V1J低于过充电检测电压(Vai)时，该S-8209A变为通常状态，对应的CO、DO被拉到VSS电位。于是倒数第二片S-8209A开始工作，如果对应的电池单体电压高于过放电检测电压(V1J低于过充电检测电压(Vai)时，则对应的C0、D0又被拉到VSS电位，依次类推，直到最上面一片S-8209A的C0、D0输出低电平，驱动对应的FET导通，然后驱动CFET和DFET导通，此时电池可以进行充放电操作，这种状态称为通常状态。[0091 ] 禁止充电状态:如图2所示，当最下面的S-8209A检测到电池单体电压高于过充电检测电压(Vcu)时，此时该芯片的CO端子变为高阻状态，因此上一片CTLC被内部上拉，所以上一片的CTLC变为其对应电池单体的电位，其CO端子也变为高阻状态，依次类推，最上方的S-8209A的CO端子输出也变为高阻状态，于是对应于电路中的CFET关断，此时禁止充电。
[0092]禁止放电状态:如图2所示，当最下面的S-8209A检测到对应单体电压低于过放电检测电压(V1J，其它S-8209A处于通常状态。则此块芯片的DO端子变为高阻状态，因此上一片CTLD端子由于内部上拉，也变为对应电池单体的电位，其DO端子变为高阻状态，依次类推对应最上方的S-8209A的DO端子为高阻状态，对应电路中的DFET关断，此时禁止放电。
[0093]电量均衡功能:S_8209A具备充电平衡和放电平衡功能。由于充电当单体电压大于电量平衡检测电压(Vbu)时，对应S-8209A的CB端子输出高电平，用于控制平衡充电的FET导通，对流入电池单体的充电电流进行旁路，与其它正在充电的单体相比，该单体充电速度平稳，称为充电平衡。当最下面的单体变为过放电时，其它的S-8209A也变成过放电状态，此时如果电池单体的电压高于过放电检测电压(V1J，则对应的FET导通对电池进行放电，直到对应单体电压低于过放电检测电压，对应的FET关闭，这种平衡成为放电平衡功倉泛。
[0094]硬件保护电路同时具有过电流检测芯片S-8239A，S-8239A芯片通过检测串联在回路中RSENSE上的电压，与内部的过电流检测电压进行比较，当检测到发生过电流的情况时DO端子输出VSS，关断DFET。同时该芯片具有欠压锁定功能，防止由于电池电压下降导致IC误动作。
[0095]采用NTC热敏电阻接在最下方的S-8209A芯片上，当温度过高时，断开CTLC和CTLD，从而切断电池的充放电回路。
[0096]2.电量测量检测电路
[0097]本实用新型专利的电量检测电路核心处理器是STM32微处理器，如图1所示，电池保护电路放电口连接到总开关4，大电流回路分为到动力主回路和控制电源回路。在总开关4之后的大电流主回路中串联霍尔电流传感器ACS712，ACS712是Allegro公司的采用霍尔原理进行电流采样的电流传感器，最大量程可以到±30A，ACS712的IP+和IP-引脚芯片内部是1.2πιΩ的精密电阻，具有隔离功能，是一种线性的电流传感器，输出误差为1.5%，适合对电流进行采集。电压采集采用电阻分压，并将分压后的电压经过线性光耦合隔离进入STM32微处理器，利用STM32微处理器内部的ADC分别进行电压和电流采样。
[0098]3.电源管理分配电路
[0099]本实用新型专利配备有电源分配管理电路，从锂电池保护电路输出接到总开关4处分为动力主回路和控制回路扩展，为了避免主回路出现故障失控的情况，在主回路上加上了一个大电流继电器，对主回路电流进行同一控制，由板子上的STM32单片机接收CAN信号来使能和切断主回路。本着主回路和控制回路相分离的原则，控制回路采用多路DC/DC隔离电源模块扩展不同的电压等级，以满足服务机器人控制系统的需求。主要工作状态如下:
[0100](I)正常放电状态:当电池电量估计在15% -100%之间时，动力主回路继电器闭合，电源管理管理系统的大电流外设和控制回路外设都可以正常放电工作。SOC估计控制核心STM32正常累计电量，蜂鸣器不发出低电量报警提示。
[0101](2)低电量状态:当检测到电池电量在15%-10%之间时，SOC估计控制核心STM32控制蜂鸣器发出低电量报警提示音，并可以通过CAN总线通信接口将电池电量低的信息发出，提示电池应当充电了。
[0102](3)极低电量状态:当检测到电池电量低于10%时，SOC估计控制核心STM32断开主回路继电器，只维持控制电路部分工作，直至电池电量消耗殆尽，并在此期间一直进行报警提示。
[0103](4)动力回路故障状态:当控制回路检测到大电流外设出现故障，比如电机堵转、电机失控等情况，此时控制回路通过CAN通信通知SOC估计控制核心STM32断开主回路继电器，为了保证不出现设备不出现大的事故，STM32发出控制信号断开主回路继电器。故障排除后，可以再次接通继电器。
[0104]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
【权利要求】
1.用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是，包括: 磷酸铁锂电池组，所述磷酸铁锂电池组与锂电池硬件保护电路连接，所述锂电池硬件保护电路的输入端与充电接口连接，所述锂电池硬件保护电路的输出端与电源输入接口连接，所述电源输入接口通过总开关分别与动力回路和控制回路连接， 所述锂电池硬件保护电路的输出端与电量测量显示电路供电电源连接，所述电量测量显示电路供电电源给电量测量显示电路供电； 所述电量测量显示电路包括采用安时积分法和开路电压法相结合的方式进行电池剩余电量百分比SOC估计的处理器，所述处理器的输入端分别与电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路连接，所述处理器的输出端分别与隔离型CAN收发电路和显示屏连接，所述处理器还通过继电器控制电路控制动力回路内的继电器； 所述总开关的输出端分别与电压检测电路、电流检测电路和温度检测电路连接； 所述电源输入接口、总开关和动力主回路继电器共同构成大电流主回路； 所述动力回路包括动力主回路继电器，所述动力主回路继电器的输入端与总开关连接，所述动力主回路继电器的输出端与若干大电流外围设备连接； 所述控制回路包括用于扩展的低电压设备电源。
2.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述大电流主回路包括电池输入端+VB，所述电池输入端+VB通过四条并联电路连接电池输出端-VB，第一条并联电路上设有MBR3035CT防反接二极管D4，第二条并联电路上设有SMCJ30瞬态抑制二极管D5，第三条并联电路上设有4007 二极管D3，第四条并联电路上设有串联的发光二极管、电阻R4和电机电源VCL，所述第一条并联电路的一端与第二条并联电路的一端通过串联的总开关SI和电流检测电路连接，所述第二条并联电路的端部连接电压检测电路，所述第二条并联电路的端部和第三条并联电路的端部之间的电路上设有动力主回路继电器的两个触点KKl和KK2，所述电池输入端+VB与第一条并联电路连接的电路上还设有30A保险片Fl。
3.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述电流检测电路包括霍尔传感器ACS712，所述霍尔传感器ACS712两个IP+端与总开关的节点连接，所述霍尔传感器ACS712的两个IP-端与第二条并联电路的SMCJ30瞬态抑制二极管D5的负极连接；所述霍尔传感器ACS712的VCC端接+5V的VCC ;所述霍尔传感器ACS712的VCC端还通过0.1 μ F电容Cl接GND ;所述霍尔传感器ACS712的V1UT端和GND端之间串联5k电阻Rl和1k电阻R2，所述1k电阻R2还与串联有二极管Dl和InF电容C3的电路并联，所述二极管Dl和InF电容C3之间的连接点为电流检测电路的输出端，所述霍尔传感器ACS712的FITER端通过InF电容C2接地。
4.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述电压检测电路包括串联的20K电阻R9和120K电阻R10，所述电阻R9的不与电阻RlO连接的一端接地，所述电阻RlO的不与电阻R9连接的一端与所述大电流主回路的第二条并联电路的SMCJ30瞬态抑制二极管D5的负极连接；所述电阻R9与串联的电容C4和电阻R8的电路并联，所述电容C4和电阻R8之间的连接点为电压检测电路的输出端。
5.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述温度检测电路包括温度传感器18B20，所述温度传感器18B20的一端通过串联的5V的VCC和电阻R7与温度传感器18B20的另外一端连接，所述温度传感器的另外一端为温度检测电路的输出端。
6.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述隔离型CAN收发电路包括数字隔离器ADUM1201，所述数字隔离器ADUM1201的VDDl端连接3V的VCC，所述数字隔离器ADUM1201的VOA端与处理器的STM32芯片的输入脚CANRX连接，所述数字隔离器ADUM1201的VIB端与处理器的STM32芯片的输出脚CANTX连接；所述数字隔离器ADUM1201的VDD2端接5V的VCC，所述数字隔离器ADUM1201的VDD2端还通过电容C69接GND，所述数字隔离器ADUM1201的VIA端接收发器PCA82C250的RXD端，所述数字隔离器ADUM1201的VOB端接收发器PCA82C250的TXD端，所述数字隔离器ADUMl201 的 GND2 端接 GND ； 所述收发器PCA82C250的GND端接GND，所述收发器PCA82C250的VCC端接5V的VCC，所述收发器PCA82C250的VCC端还通过电容C74接GND，所述收发器PCA82C250的Rs端通过电阻R42接地，所述收发器PCA82C250的CANH端连接连接器Header4的一端，所述收发器PCA82C250的CANL端连接连接器Header4的另外一端，所述收发器PCA82C250的CANH端和CANL端通过电阻R44来连接，所述收发器PCA82C250的CANH端和CANL端还通过串联的22pF电容C70和22pF电容C71连接，所述22pF电容C70和22pF电容C71的中间连接点接地。
7.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述电量测量显示电路供电电源包括电路测量显示板5V电源和电路测量显示板3.3V电源； 所述电路测量显示板5V电源包括芯片LM2596D2T-5，所述芯片LM2596D2T-5的VIN端连接VB，所述芯片LM2596D2T-5的0N/0FF端和GND端均通过680 μ F电容ClO连接VB，所述芯片LM2596D2T-5的OUT端和芯片LM2596D2T-5的GND端连接二极管D7，所述二极管D7与串联电感L和电容Cll的电路并联，所述电容Cll与电容C12并联，所述芯片LM2596D2T-5的OUT端与芯片ΒΝΧ002-01的B端通过电感L、芯片G075V16和5V的VCC连接，所述芯片LM2596D2T-5的GND端与芯片ΒΝΧ002-01的PSG端连接，所述芯片ΒΝΧ002-01的CG端接地，所述芯片ΒΝΧ002-01的CB端接5V的VCC，所述芯片ΒΝΧ002-01的CB端通过串联的电阻R15和发光二极管DSl接地； 所述电路测量显示板3.3V电源包括电路测量显示板3.3V数字电源和电路测量显示板3.3V模拟电源； 所述电路测量显示板3.3V数字电源，包括芯片REG1117-3.3，所述芯片REGl 117-3.3的IN端接5V的VCC，所述芯片REGl 117-3.3的GND端接地，所述芯片REGl 117-3.3的IN端通过电容C17接地，所述5V的VCC通过电容C18接地，所述芯片REGl117-3.3的第一 OUT端通过Fusel连接3V的VCC，所述芯片REGl 117-3.3的第二 OUT端通过并联的电容C19和电容C20接地； 所述电路测量显示板3.3V模拟电源，包括芯片REG1117-3.3，所述芯片REGl 117-3.3的IN端接5V的VCC，所述芯片REGl 117-3.3的GND端接地，所述芯片REGl 117-3.3的IN端通过电容C21接地，所述5V的VCC通过电容C22接地，所述芯片REGl 117-3.3的第一 OUT端通过Fusel连接3V的VCC，所述芯片REGl117-3.3的第二 OUT端通过并联的电容C23和电容C24接地； 所述电路测量显示板3.3V数字电源的GND端与电路测量显示板3.3V模拟电源的GND端通过R21连接。
8.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述继电器控制电路包括光电耦合器TLP521，所述光电耦合器TLP521的Anode端通过电阻R5与5V的VCC连接，所述光电耦合器TLP521的Cathode端与芯片STM32的JDQC端连接，所述光电耦合器TLP521的Emitter端与8050三极管Ql的发射极连接，所述光电耦合器TLP521的Collector端与8050三极管Ql的基极连接，所述光电耦合器TLP521的Collector端通过电阻R3与5V的VCC端连接，所述8050三极管Ql的基极通过电阻R6与8050三极管Ql的发射极连接，所述8050三极管Ql的集电极通过4007 二极管D2与VBA连接，所述4007 二极管D2的两端并联24V继电器。
9.如权利要求1所述的用于服务机器人的磷酸铁锂电池电源管理装置，其特征是， 所述处理器还分别与蜂鸣器报警提示电路、复位电路、晶振电路和双色LED电路连接； 所述蜂鸣器报警提示电路包括9013三极管Q2，所述9013三极管Q2的基极通过电阻R14连接STM32的PA7引脚，所述9013三极管Q2的发射极接地，所述9013三极管Q2的集电极与Buzzer的一个引脚连接,所述Buzzer的另外一个引脚连接5V的VCC ； 所述复位电路包括复位开关SW-PB，所述复位开关的一端接地，所述复位开关的另外一端连接芯片STM32的NRST引脚，所述芯片STM32的NRST引脚还通过电阻R18连接3V的VCC，所述复位开关SW-PB还与电容C14并联； 所述晶振电路是8M无源晶振与STM32的0SC_IN引脚和0SC_0UT引脚连接，0SC_IN引脚和0SC_0UT引脚并联IM电阻R19，晶振的两个引脚分别通过22pf电容接地； 所述双色LED电路包括红色发光二极管和绿色发光二极管，所述红色发光二极管和绿色发光二极管的正极均与VCC连接，所述红色发光二极管通过电阻R12与芯片STM32的PBO引脚连接，所述绿色发光二极管通过电阻R13与芯片STM32的PBl引脚连接。
【文档编号】H02J7/00GK204118766SQ201420372309
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】周风余, 袁宪锋, 王小龙, 周晨磊, 吴国鹏, 徐法格, 袁通 申请人:山东大学