一种防过充保护装置的制作方法

1.本实用新型涉及蓄电池保护技术领域，尤其涉及一种防过充保护装置。


背景技术：

2.在所有供电系统中，作为后备电源的蓄电池是必不可少的，而蓄电池在长期充电过程会出现过压、过流以及过温等现象，进而出现电池鼓包、漏液、电损坏，甚至失火的重大安全隐患。
3.目前，防止蓄电池过充电管理的方案有两种。第一种是利用电池管理系统，对电池单元电压、温度等进行监测，当超出设定阀值一定时间后结合声光报警，警示维护人员进行人工介入维护；第二种是通过ups系统本身结合电池组电压、电池单元参数、电池组单元数量设定的浮充电压，确保每个单元充电到相应较优的电压。这两种过充电管理方式，前一种仅是引入的报警机制，并未能有效制止问题的发生，而后一种更是连告警功能都有缺失而出现无防护状态。
4.随着蓄电池的使用，同一电池组中不同电池单元的充电效率将会出现较大差异，甚至单元电池的电池格出现极间短路的情况，如不能及时调整ups电压或更换异常的电池单元，由于串联分压，会造成电池组其他正常电池单元的过度充电，损坏电池，乃至发生安全问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种防过充保护装置，该防过充保护装置能够监测蓄电池组的充电电流、充电电压、蓄电池的绝缘阻值、蓄电池的温度值以及蓄电池的总电压等电气数据，结合设置的安全充电阈值和充电时间，对给蓄电池充电的充电回路进行接通与断开的控制，以将蓄电池的充电状态有效控制在安全范围内，从而达到安全防护的目的。
6.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
7.本实用新型实施例提供一种防过充保护装置，其特征在于，所述装置至少包括：
8.用于采集蓄电池的第一电气数据的采集模组；
9.用于基于所述采集模组采集的所述第一电气数据和预设阈值判断所述蓄电池是否被过充及基于判断结果闭合或断开串联在充电回路的第一开关模组的控制模组；其中，在所述第一开关模组闭合时所述充电回路被接通为所述蓄电池充电；在所述第一开关模组断开时所述充电回路断开停止为所述蓄电池充电。
10.在上述方案中，所述装置还包括：串联在所述充电回路与所述第一开关模组并联的第二开关模组，在所述蓄电池存储的电能满足设定条件且所述充电回路停止为所述蓄电池充电时，所述蓄电池通过所述第二开关模组放电。
11.在上述方案中，所述装置还包括：用于与电池管理平台进行数据交互的通信模组，其中，交互的数据包括所述第一电气数据和所述充电回路的第二电气数据；所述第二电气
数据基于所述采集模组采集。
12.在上述方案中，所述采集模组包括：
13.用于采集所述蓄电池的电压信息的第一采集组件；
14.用于采集所述蓄电池的绝缘信息的第二采集组件；
15.用于采集所述蓄电池的温度信息的第三采集组件。
16.在上述方案中，所述采集模组还包括：
17.用于采集所述充电回路接通时流经所述蓄电池的充电电流信息的第四采集组件；
18.用于采集所述充电回路接通时所述第一开关模组两端的充电电压信息的第五采集组件。
19.在上述方案中，所述第一开关模组包括绝缘栅双极型晶体管igbt开关组件和igbt驱动组件，其中，所述控制模组通过所述igbt驱动组件控制所述igbt开关组件的闭合或断开。
20.在上述方案中，所述第二开关模组为二极管，所述二极管的阳极与所述蓄电池的正极连接，所述二极管的阴极与外接充电装置连接。
21.在上述方案中，所述通信模组包括控制器局域网can总线和/或rs485。
22.在上述方案中，所述第一采集组件包括与所述蓄电池连接的第一差分运放电路和第一adc电路；所述第二采集组件包括分压电阻、第二差分运放电路和第二adc电路；所述第三采集组件包括温度传感器。
23.在上述方案中，所述第四采集组件包括分流器和第三adc电路。
24.本实用新型实施例提供一种防过充保护装置，其特征在于，所述装置至少包括：用于采集蓄电池的第一电气数据的采集模组；用于基于所述采集模组采集的所述第一电气数据和预设阈值判断所述蓄电池是否被过充及基于判断结果闭合或断开串联在充电回路的第一开关模组的控制模组；其中，在所述第一开关模组闭合时所述充电回路被接通为所述蓄电池充电；在所述第一开关模组断开时所述充电回路断开停止为所述蓄电池充电。本实用新型提供的防过充保护装置，通过监测蓄电池的第一电气数据，判断是否过充。一旦发现过充，系统自动切断充电，实现自动防护，等过充现象缓解后自动恢复蓄电池组充电状态。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例提供的一种防过充保护装置的结构示意框图一；
26.图2为本实用新型提供的一种防过充保护装置的结构示意框图二；
27.图3为本实用新型提供的一种防过充保护装置的结构示意框图三；
28.图4为本实用新型实施例提供的防过充保护装置使用场景的一种电路连接示意图。
具体实施方式
29.以下参照附图更详细地描述本实用新型的各个实施例。可以通过不同地配置或布置本实用新型中的元件和特征以形成可作为任何所公开的实施例的变形的其它实施例。因此，本实用新型不限于在本文中阐述的实施例。相反，提供所描述的实施例以使得本实用新型是彻底和完整的，并且将本实用新型的范围充分传达给本实用新型所属技术领域的技术
人员。应当注意的是，对“实施例”、“另一实施例”等的引用不一定表示仅一个实施例，并且对任何这样的短语的不同引用不一定针对相同的实施例。应当理解的是，尽管在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来标识各种元件，但是这些元件不受这些术语的限制。这些术语用于将一个元件与另一个具有相同或者相似名称的元件区分开。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，在一个实施例中的第一元件在另一实施例中也可以称为第二或三元件。
30.附图不一定按照比例绘制，并且在某些情况下，可以放大比例以清楚地示出实施例的特征。当元件称为连接或联接至另一个元件时，应该理解的是，前者可以直接连接或联接后者，或者可以经由二者之间的一个或多个中间元件电连接或电联接至后者。此外，还应当理解的是，当元件被称为在两元件“之间”时，该元件可以是两个元件之间唯一元件，或者也可以存在一个或多个中间元件。
31.在本文中所使用术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本实用新型。如本文中所使用的单数形式旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。除非另外说明或者从上下文可以清楚地理解为单数形式，否者在本实用新型和所附权利要求书中使用的冠词“一”和/或“一个”统称应该解释为表示“一个或多个”。应当进一步理解的是，本实用新型中使用的术语“包括”、“包括有”、“包含”和“包含有”指定存在所述元件并且不排除存在或附加一个或更多其它元件。本实用新型所使用的术语“和/或”包括一个或者多个相关联的所列项目的任意和所有组合。除非另外定义，否则本实用新型使用的包括技术和科学技术的所有术语具有与本实用新型所属领域的普通技术人员鉴于本实用新型而通常理解的相同含义。应当进一步理解的是，除非本实用新型明确定义，否则诸如在常用词典中定义的属于应解释为具有与其在本实用新型和相关技术的环境中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的方式解释。
32.在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本实用新型的透彻理解，可以在没有某些或者所有这些具体细节的情况下实践本实用新型。在其它情况下，没有详细描述公知的处理结构和/或处理，以免不必要地模糊本实用新型。还应当理解的是，在某些情况下，除非另外特别之处，否则对相关领域的技术人员显而易见的是，关于一个实施例描述的特征或元件可以被单独使用或者与另一实施例的其它特征或元件组合使用。在下文中，参考附图详细描述本实用新型的各个实施例。以下描述集中在细节上以促进对本实用新型的实施例的理解。可能省略了众所周知的技术细节，以免模糊本实用新型的特征和方面。
33.结合对蓄电池过充管理的需求，有必要研究一种电池单元过度充电的自动防护装置，自动防护电池组出现过充现象，并在过充现象得到有效缓解后自动恢复电池组充电。
34.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
35.本实用新型提供一种防过充保护装置，参见图1至图4所示。图1为本实用新型实施例提供的一种防过充保护装置的结构示意框图一；图2为本实用新型提供的一种防过充保护装置的结构示意框图二；图3为本实用新型提供的一种防过充保护装置的结构示意框图三；图4为本实用新型实施例提供的防过充保护装置使用场景的一种电路连接示意图。
36.如图1所示，所述防过充保护装置10至少包括：
37.用于采集蓄电池的第一电气数据的采集模组101；
38.用于基于所述采集模组101采集的所述第一电气数据判断所述蓄电池是否被过充
及基于判断结果闭合或断开串联在充电回路的第一开关模组102的控制模组103；其中，在所述第一开关模组102闭合时所述充电回路被接通为所述蓄电池充电；在所述第一开关模组102断开时所述充电回路断开停止为所述蓄电池充电。
39.这里，所述蓄电池可以是指包含多个单电池的电池组，如图4所示，蓄电池可以为包含单体电池1、
……
、单体电池n的电池组。
40.在一些实施例中，如图2至图4所示，所述采集模组101可以包括：
41.用于采集所述蓄电池的电压信息的第一采集组件；
42.用于采集所述蓄电池的绝缘信息的第二采集组件；
43.用于采集所述蓄电池的温度信息的第三采集组件。
44.需要说明的是，这里所指的电压信息、绝缘信息以及温度信息也就是前述所述蓄电池的第一电气数据，其中，所述电压信息可以是所述蓄电池中单个电池电压值，也可以是指蓄电池中总体电压值；所绝缘信息可以是指所述蓄电池对地(gnd)的绝缘电阻值；所述温度信息可以包括所述蓄电池所处环境的温度和所述蓄电池接线柱的温度。
45.在一些实施例中，所述第一采集组件包括与所述蓄电池连接的第一差分运放电路和第一adc电路；所述第二采集组件包括分压电阻、第二差分运放电路和第二adc电路；所述第三采集组件包括温度传感器。
46.需要说明的是，所述第一采集组件可以通过与所述蓄电池连接的第一差分运放电路和第一adc电路实现，其中，所说的第一差分电路用于实现图3中电池组电压采集电路以及图4中所述的总电压检测电路的功能，也就是说，图3中的电池组电压采集电路和图4中的总电压检测电路实现的是相同功能的不同表述，不用于限制本发明。所述第二采集组件可以包括分压电阻、第二差分运放电路和第二adc电路，也即是说，所述绝缘信息可以通过分压电阻、差分运放电路和adc电路配合进行采集，其中，图3和图4中所述的绝缘检测电路用分压电阻和第二差分电路实现。所述第三采集组件可以为温度传感器，更具体的可以为数据温度传感器，其中，可以包括用于检测环境温度的主板温度传感器和用于检测所述蓄电池接线柱温度的温度传感器。在具体实现过程中，该防过充保护装置可选择通过单总线通讯外接温度传感器，并可对温度传感器进行编号，以监测多个电池单元。
47.在另一些实施例，如图2至图4所示，所述采集模组101还可以包括：
48.用于采集所述充电回路接通时流经所述蓄电池的充电电流信息的第四采集组件；
49.用于采集所述充电回路接通时所述第一开关模组两端的充电电压信息的第五采集组件。
50.需要说明的是，所述充电回路可以是指为了给所述蓄电池充电而形成的电路回路。所述的充电电流信息和充电电压信息可以被称之为第二电气数据。其中，所述第四采集组件可以包括高精度阻值大能够采集电路信息的分流器和第三adc电路，其中，所述分流器用于实现图3中充放电电流采集电路的功能。所述第五采集组件可以包括第三差分运放电路和第四adc电路，其中，所述第三差分运放电路用于实现图3中充电电压信号调理电路的功能。应该理解是，在实际应用过程中，所述第一adc电路、第二adc电路、第三adc电路以及所述第四adc电路可以采用同一个adc电路，只要对各个数据的采集时序设定好即可。在一些实施例中，所述第一adc电路、第二adc电路、第三adc电路以及所述第四adc电路也可以采用不同的adc电路。在实际硬件搭建本实用新型提供的防过充保护装置时，adc电路与控制
模组可以在同一芯片中，比如后述图4中的高性能处理器芯片。
51.对于前述所说的第一开关模组102来说，在一些实施例中，如图2至图4所示，所述第一开关模组102可以包括绝缘栅双极型晶体管(igbt，insulated gate bipolar transistor)开关组件和igbt驱动组件，其中，所述控制模组103通过所述igbt驱动组件控制所述igbt开关组件的闭合或断开。
52.其中，所述igbt驱动组件可以采用专用的、性价比高、保护功能完善的驱动芯片mc33153来实现。采用该芯片mc33153作为igbt驱动组件可以保证igbt在过流、短路等故障发生时，迅速的关断igbt，从而保证igbt及设备的安全、较少损失。并且芯片mc33153内部还集成过流和短路检测功能，当检测到igbt过流或短路故障时，mc33153第7脚输出高电平故障信号回送至控制器，控制器接收到故障信号后控制mc33153关闭igbt；另外，mc33153内部还集成退保和检测功能，当检测到过流时可由硬件自动控制关闭igbt。
53.在一些实施例中，如图2至图4所示，所述控制模组可以采用微控制单元(mcu，micro controller unit)，其用于实现控制与数据处理分析。
54.前述的防过充保护装置的工作原理如下：该防过充保护装置通过所述采集模组检测第一电气数据，将检测到的所述第一电气数据传输给所述控制模组，所述控制模组根据所述第一电气数据和预设阈值判断所述蓄电池是否被过充，一旦判断结果为过充，所述控制模组控制所述第一开关模组断开，停止为所述蓄电池充电；若判断结果为没有过充，所述控制模组控制所述第一开关模组闭合，恢复对所述蓄电池充电。
55.其中，所述根据所述第一电气数据和预设阈值判断所述蓄电池是否被过充，可以包括：
56.比较所述第一电气数据和所述预设阈值，获得比较结果；基于所述比较结果判断所述蓄电池是否被过充。
57.需要说明的是，前述已经描述所述第一电气数据包括电压信息、绝缘信息以及温度信息至少之一，因此，所述预设阈值可以包含针对每个参数对应的安全预设阈值，也就是说，所述预设阈值中包含所述蓄电池关于电压信息的安全预设阈值，还可以包含关于所述蓄电池的绝缘信息的安全预设阈值，也可以包含关于所述蓄电池的温度信息的安全预设阈值。一旦采集的第一电气数据中至少之一的数据超过了安全预设阈值，所述蓄电池就过充了，此时，所述控制模组就会控制所述第一开关模组断开，以便断开充电回路，停止给所述蓄电池充电。应该理解的是，也可以根据后述采集的第二电气数据和其对应的预设阈值来进行判断。总结来说，本实用新型提供的防过充保护装置通过监测电池组的充电电流、电压、绝缘阻值，以及电池单元的电压、温度状态，结合安全阀值和时间，对充电回路进行开闭控制，将电池充电状态有效控制在安全范围之内，从而达到安全防护的目的。
58.在一些实施例中，为了保证所述蓄电池的放电回路的畅通，不影响所述蓄电池的放电功能，如图2至图4所示，所述装置还包括：串联在所述充电回路与所述第一开关模组并联的第二开关模组，在所述蓄电池存储的电能满足设定条件且所述充电回路停止为所述蓄电池充电时，所述蓄电池通过所述第二开关模组放电。
59.需要说明的是，所述第二开关模组可以为大功率的二极管，该二极管与所述第一开关模组一起并联后，串联在所述充电回路中，并且所述二极管的阳极与所述蓄电池的正极连接，所述二极管的阴极与外接充电装置连接，这样在所述蓄电池不充电时，所述蓄电池
可以通过所述第二开关模组进行放电。应该理解是，所述第二开关模组若为二极管，此时，所述蓄电池存储的电能至少要能够满足所述二极管导通时，所述蓄电池才能进行放电，因此，所述设定条件可以是指所述蓄电池存储的电能大于所述二极管能够导通所需的电能，换句话说，所述蓄电池两端的电压大于所述二极管两端的导通电压。
60.在另一些可实施的方案中，如图2至图4所示，所述装置还包括：用于与电池管理平台进行数据交互的通信模组，其中，交互的数据包括所述第一电气数据和所述充电回路的第二电气数据；所述第二电气数据基于所述采集模组采集。
61.在实际应用过程中，如图2至图4所示，所述通信模组包括控制器局域网can总线和/或rs485。
62.需要说明的是，前述防过充保护装置通过can总线与电池管理平台进行数据交互，所交互的数据可以包括前述第一电气数据和第二电气数据，也即，电压信息、绝缘信息、温度信息、充电电流信息以及充电电压信息。此外，前述防过充保护装置还可以通过前述的控制模组实时监测充电回路的充放电状态、充放电电流等信息。其中，电池管理平台可以为电池管理系统或者主机终端等。
63.基于前述描述，本实用新型提供给的防过充保护装置与现有的保护方案相比，优点在于包括以下几点：
64.第一，通过监测蓄电池电气数据，判断是否过充。一旦发现过充，系统自动切断充电，实现自动防护，等过充现象缓解后自动恢复蓄电池组充电状态。防过充保护装置可以设置为蓄电池组健康管理与智能维护系统中的一个组件，断开及恢复充电的状态会在整个系统的终端设备上有状态显示，单独的防过充装置仅仅在长时间连续出现过充现象时会给出报警，以便工作人员检修。
65.第二，该防过充保护装置通过大功率二极管保证放电回路畅通，电池正常工作时，电池放电电流通过该二极管，不影响电池组放电功能；当电池充电时，通过控制igbt充电回路通断，避免电池组单元过度充电。
66.第三，该防过充保护装置采用大功率igbt作为充电回路的控制开关，实现充电回路的通断控制，同时采用专用的、性价比高、保护功能完善的驱动芯片mc33153来驱动igbt，可保证igbt在过流、短路等故障发生时，迅速的关断igbt，从而保证igbt及设备的安全、减少损失。此外，mc33153内部集成过流和短路检测功能，当检测到igbt过流或短路故障时，mc33153第7脚输出高电平故障信号回送至控制器，控制器接收到故障信号后控制mc33153关闭igbt；另外，mc33153内部还集成退保和检测功能，当检测到过流时可由硬件自动控制关闭igbt。
67.第四，该防过充保护装置引入高精度阻值大电流分流器，作为电流采样器件，精确采集电流信息。
68.第五，该防过充保护装置可选择通过单总线通讯外接温度传感器，并可对温度传感器进行编号，以监测多个电池单元；
69.第六，该防过充保护装置可通过can总线控制mcu采集绝缘信息，并实时监测当前电路充放电状态，充放电电流、电池组电压、电池单元温度信息；
70.第七，该防过充保护装置可以通过电池管理系统主机控制充电回路的开闭；也可自行通过检测到的温度、电流等信息控制充电回路的开闭，以提供主动、被动断开与接通充
电回路的功能。具体的，该防过充保护装置具有电池温度检测、电池组总电压检测、充电电流检测、电池绝缘检测等功能，当检测到电池单元温度过高、电池单元电压超过设定阀值(一般为浮充状态的最优电压)、绝缘过低、充电电流过大时，该防过充保护装置主动断开充电回路；该防过充保护装置还提供rs485、can总线通讯接口，可以与电池管理系统主机通讯，当电池管理系统检测到电池异常后，可发送命令给该防过充保护装置，该防过充保护装置收到命令后断开充电回路。待异常恢复后，该防过充保护装置再主动或被动恢复充电。
71.第八，具有总线电流检测功能和过流保护控制；
72.第九，提供can通讯接口，符合can2.1b通讯规范，实现信息的传递及主机对该设备的控制功能；
73.第十，可外接温度传感器实现多点温度采集；
74.第十一，产品为独立单元，安装方便、灵活。
75.总体而言，蓄电池组过充安全防护装置可以为供电系统中的蓄电池组提供主动、被动断开与接通充电回路的功能，具有总线电流检测功能和过流保护控制。同时该防过充保护装置是独立单元，便于对既有在用蓄电池组进行改造升级。该防过充保护装置的使用可为铁路沿线机房蓄电池组提供上述过充保护功能，通过对蓄电池充电回路进行开闭控制，将电池充电状态有效控制在安全范围之内，从而达到安全防护的目的，实现电池组的整体均衡充电的功能。
76.在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本实用新型各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
77.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。