一种智能旁路二极管模块及电池组监控系统的制作方法

本发明涉及后备电源技术领域，特别涉及串联电池组的维护和监控系统。

背景技术：

电池作为一种后备电源，因几乎可做到“无缝”切换(<2ms)的特性，故在各行各业中应用历史悠久。大到变电所里继电保护设备的后备供电，小到办公设备(如电脑)用的ups。

后备电源，由于其“后备”身份，必须具备“召之即来、来之即用”的特性。所以，即使在待用状态也必须时刻监控每个电池单元的完备状况。具体的，就是不仅要负责对电池组内每个电池单元的实时扫描(检测电压、内阻)，还要定期对电池进行活化放电等维护保养工作。故后备电源及其监控维护设备，常称为直流后备电源系统。

为进一步提高可靠性，业内还提出在每个电池单元两端再并联旁路二极管的方案，来防止某个电池单元突然失效时造成整个电池组的崩溃。

若某电池单元出现内阻增大、甚至开路故障，由于旁路二极管的存在，故障电池单元可以被“绕过”而实现自动无缝地“退出”。此时整个电池组的输出电压，只是损失了一个单元的电池电压(例如12v)、再加二极管正向压降(0.7～1v)。这在绝大多数场合都不影响工作。

旁路二极管的加入原本是为了提高电池组整体的的可靠性，但也引入了新的故障因素。尽管旁路二极管的失效几率极低，因为它平时就工作在十多伏的反向电压上，但终究是“隐患”。从技术角度来说，旁路二极管万一出现失效，尤其是开路，以往的监控系统是“浑然不知”的。而这在技术上是不允许的！故必须设法对旁路二极管的开路失效进行监测。

技术实现要素：

为了解决现有的旁路二极管在开路失效状态下无法被检测到的问题，本发明提供一种可以监测自身是否开路失效的智能旁路二极管模块。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种带失效自检功能的智能旁路二极管模块，包括两个串联的旁路二极管，所述两个旁路二极管之间连接有交流电源，所述交流电源还连接有两个串联的rc并联电路以及窗口比较器，所述两个旁路二极管、两个rc并联电路以及所述交流电源构成一个h形电桥结构。

进一步的，所述窗口比较器的输出端连接有微处理器。

作为优选的技术方案，所述交流电源与微处理器连接，所述交流电源的输出波形为方波，输出频率为500～2khz。

另外，所述微处理器的连接有升压变压器，所述升压变压器的输出端与所述交流电源耦合。

在上述技术方案基础上，串联rc电路的中点再连接一个窗口比较器。窗口比较器的两个输出端，一方面驱动两发光二极管，作为两个旁路二极管状态的本地指示；另一方面与微处理器接口，借通信接口向外提供两个旁路二极管的状态信息。

作为一个附加的功能，本发明中所述的微处理器，还能对电池电压进行实时采样。即本发明还集成了后备电源系统中，串联电池组各电池单元的电压巡检功能。

作为一种优选方案，本发明所有部分的供电，依靠一宽输入范围的开关型稳压电源电路，可直接取自模块所并联的电池单元。

另外，所述第一二极管与所述第二二极管设置在主壳体中，其他电路设置在副壳体中，所述主壳体与所述副壳体之间设有隔热挡板。

在上述技术方案中，优选的，所述主壳体的底部设有散热底板。

在上述技术方案中，所述副壳体上设有状态指示灯，所述状态指示灯与微处理器连接。

另外，本发明还提供一种电池组智能监控系统，包括多个并联的上述电池组智能监控模块，所述电池组智能旁路二极管模块的微处理器连接有485驱动电路，所述485驱动电路的输出端连接有变压器，所述变压器的输出端与485总线连接，所述485总线上连接有上位机和监控终端。

在该系统中，优选的，所述485驱动电路上还连接有多个续流二极管。

本发明相对于现有技术的有益效果是：该智能旁路二极管模块，通过两个串联的旁路二极管，然后通过一个交流电源迫使两个旁路二极管交替导通、截止，配合窗口比较器等一套专门设计的电路，判断出旁路二极管的开路与否，实现了旁路二极管的在线失效自检的功能，最大程度提高了后备电源系统中串联电池组的可靠性。由于加入了微处理器，连带集成了后备电源系统中串连电池组的电池单元电压巡检功能，更是轻松实现了总线式通信功能。

附图说明

图1是智能旁路二极管模块的主测量电路原理图；

图2是智能旁路二极管模块的整体构成原理框图；

图3是两个旁路二极管常态时串联rc电路中点o的电压波形；

图4是智能旁路二极管模块的结构图；

图5是智能旁路二极管模块的内部连接关系图；

图6是由智能旁路二极管模块构成的串连电池组监控系统示意图；

图7是数据经曼彻斯特编码后由变压器隔离驱动的485通信原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种智能旁路二极管模块，如图1所示。在每个电池单元的正极与负极之间连接有两个串联的旁路二极管pd1和pd2，pd1的正极与pd2的负极连接。另有两个串联的rc并联电路r1(c1)、r2(c2)。在pd1与pd2的接点和r1(c1)与r2(c2)接点之间，连接有一个交流电源me，电阻r3、电阻r4，发光二极管vd，比较器a1以及比较器a2构成的一窗口比较器。r1(c1)与r2(c2)接点o经电阻r0接入窗口比较器。窗口比较器两输出端接两发光二极管ld1、ld2。

图1中me是独立的测量用交流电源，在本实施例中，交流电源的输出波形为方波，输出频率为500～2khz。作用是迫使两个旁路二极管pd1、pd2交替导通、截止。如果两个旁路二极管正常，则电容c1、c2上将获得等量充电，中点o的电平接近电池电压的一半。

事实上由于c1、c2也要放电，所以中点o的电平是在一半电池电压值的附近作周期性变化的如图3所示。但这不影响下面检测原理的阐述。

如果上管pd1开路，因c1得不到充电，中点o电平必上升，反之pd2开路，中点o电平必下降。vd是个发光二极管，这里用它2v左右的正向压降(如绿色发光管)，产生窗口比较器所需的窗口电压。

(为便于叙述，下面假设电池单元的电压为12v)

若中点o电平高于7v，比较器a1输出低，指示灯ld1点亮，同时经二极管id1隔离(不同电平)、自io1线输出，供微处理器感知pd1的开路状态。

若中点o电平低于5v，比较器a2输出低，指示灯ld2点亮，同时经二极管id2隔离(不同电平)、自io2线输出，供微处理器感知pd2的开路状态。

如图2所示，窗口比较器的输出端连接有微处理器mcu，该微处理器mcu由所述电池单元供电,在本实施例中，muc采用型号为stc15w408as的单片机。

这个检测用交流电源me，由微处理器的两个输出脚wo1、wo2，以推挽输出方式产生。再经1:2升压变压器隔离耦合到图2中交流电源me两中点之间。如此即可满足独立(不共地)馈电的要求。若在mcu与变压器之间加个h桥驱动，则可以选用便于采购的1:1变压器，还能减轻微处理器mcu的负荷。

如图2，窗口比较器两状态输出与微处理器mcu的接口为s1、s2，电池电压采样接口为ai。r7、r8将12v电池电压分压至4v，供5v供电的微处理器采样、转换。

通过窗口比较器的检测结果可以准确的反映出旁路二极管是否处于开路状态，而且该检测频率高，是在线状态下的检测，不会影响电池组的正常工作，极大地提高了电池组的可靠性。

如图4和图5所示，两个旁路二极管设置在主壳体中1，其他电路设置在副壳体2中，主壳体1与所述副壳体2之间设有隔热挡板3，副体外壳2部分设计为单独的空间，内部是二极管开路测量电路、电池电压采样、智能处理和通信电路等，统称为测量单元。测量单元置于独立空间内(与主体空间隔开)，有利于远离两个旁路二极管的发热管芯。

进一步的，主壳体1的底部设有散热底板4。散热底板4没有延伸到副体外壳2的测量单元空间。这是为了测量单元尽量远离二极管管芯这个发热体。

在上述技术方案中，副壳体2上设有状态指示灯21。

二极管与测量电路之间用的连接线采用耐高温线，线径0.5mm，绝缘层外径2mm。与双二极管的极板之间采用压焊连接、确保导电性和连接强度。

另外，在上述智能旁路二极管模块的基础上，本发明还提供一种电池组智能监控系统，如图6所示，该系统包括多个并联的上述智能旁路二极管模块，智能旁路二极管模块的微处理器连接有485驱动电路，所述485驱动电路的输出端连接有变压器，所述变压器的输出端与485总线连接，所述485总线连接有专用监控终端。

由于电池组智能监控模块采用“就地”取电池单元电压供电，故它的最大优点是接线方便，现场无需再布线供电。但这种“自供电”模式也带来一个问题：各模块之间不共地，因此，485通讯必须隔离。下面将专门说明本发明的485通信隔离方案。

如图7所示，本发明的485通信隔离方案是变压器隔离。没有采用市场上常用的光耦隔离方案和adi公司的磁隔离芯片。原因是：1、本发明模块采用简化现场布线的“自供电”方案，电源就是个后备电源系统中电池组中的各个电池单元；2、旁路二极管的接入为的就是防备个别电池单元失效，所以模块会随电池单元的失效而失效；3、485通信节点失效时如何自动脱离总线而不“拖累”整个总线上的其他节点，是必须解决的问题。而变压器隔离耦合，就是最好的耦合方案！

但变压器耦合也有个致命缺点：就是传递的信号必须是纯交流！

所以本发明对微处理器串口输出的单极性不归零(ttl)信号，进行了曼彻斯特编码。每个字节拆分为两个字节的曼彻斯特码，再交给485芯片驱动。由于485驱动芯片是差动输出，故曼彻斯特码信号经差动输出，就是一种纯交流信号了。

由于采用了485驱动，抗干扰能力较高，故可以采用较高的波特率，如57600bps，如此可弥补曼彻斯特编码带来的通信效率下降。较高的波特率，也可使隔离变压器采用更小的体积。本发明采用的是坡莫合金铁芯的变压器。

图7中的d1～d4，是针对通信隔离变压器的安全驱动而特意加持的。因为485芯片的总线驱动，内部虽是推挽结构，但并非h桥结构，没有续流二极管。所以这里外接了四个二极管，用于吸收变压器初级电感漏感引起的反冲电压。

通过采用变压器隔离耦合的方式进行485通讯，使得整个监控系统的抗干扰能力增强，也容易使用较高的高波特率，提高了通讯效率。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。