用于化学电池放电的控制装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于化学电池放电的控制装置，属于动力电池应用领域。

背景技术：

化学电池在制造后或使用中，需要周期性的对电池进行充放电，以此检查电池内部的化学物质活性，剔除不符合质量要求的电池，同时激活长期未使用的化学物质，提高电池的放电效率，化学电池能量放电控制就是应用于此领域的装置。

目前，国内外主流的电池放电控制装置是通过按键人为设置放电电流大小，或者通过通信设备设定放电电流大小，存在以下技术缺陷：1、需要额外的手动控制或者通信设备来设定，给使用带来不便；2、因为人力操作或设备通信速率原因，导致放电电流响应不及时。尤其在诸如氢气等特殊化学燃料电池放电过程中，因为电池放电过程中电压变化快，因此及时短暂的放电时间是必须的要求。传统的电池放电控制装置通过人为设置显然不能满足此要求，而通过编程实现，则需要大量的存储空间，增加了设备成本。

因此，亟待研发出新型的化学电池能量放电控制。

技术实现要素：

针对上述现存的技术问题，为解决化学电池放电时，传统放电装置需要外部人力或设备控制放电电流大小，并且放电电流响应不及时的缺陷，本实用新型提供一种用于化学电池放电的控制装置。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于化学电池放电的控制装置，包括故障处理及控制模块，与之连接的电源模块、采样模块和放电模块；且脉冲信号接入采样模块，采样模块连接放电模块，电池接入放电模块；

所述的故障处理及控制模块用于通过处理采样模块中采集的电流电压信号，来控制放电模块中放电电流的大小及工作模式；

所述的采样模块用于采集外部的脉冲信号，检测脉冲信号的频率及占空比，转换成故障处理及控制模块可识别的高频信号，作为最终输出的放电电流的参考，同时监控放电模块的放电状况，提供给故障处理及控制模块来做必要的保护动作。

所述的放电模块用于对电池进行放电电流控制，并通过故障处理及控制模块提供的信号调节放电电流的大小。

进一步，所述的采样模块包括接入外部脉冲信号的输入端口PWM_FC，隔离光耦U18，三极管Q6，运算放大器U17，向故障处理及控制模块提供脉冲信号的输出端口PWM_SAMPLE；输入端口PWM_FC经电阻R80连接隔离光耦U18的输入端正极，隔离光耦U18的输入端负极接地，隔离光耦U18的输出端连接到三极管 Q6的基极；三极管Q6的发射极接地，电阻R75的两端分别连接到隔离光耦U18 的输出端和电源+3.3VD端,电阻R74分别连接到电源+3.3VD端和三极管Q6的集电极，三极管Q6的集电极连接运算放大器U17的同向输入端；运算放大器U17 的反向输入端连接其输出端，输出端通过电阻R78连接输出端口PWM_SAMPLE。

进一步，所述的放电模块包括外部电池正极接入的输入端口Load+和负极接入输入端口Asensor+，故障处理及控制模块输出VKZ信号接入的输入端口VKZ，运算放大器U3，以及放电管Q2；输入端口VKZ通过电阻R10、低通滤波器R14，电容C6连接运算放大器U3的输入端b，运算放大器U3的输出端o通过放电电阻R6连接放电管Q2的G极，放电管Q2的D极连接输入端口Load+，放电管Q2 的S极通过电阻R22连接输入端口Asensor+，S极还通过电阻R18连接运算放大器U3的输入端a，且输入端a和输出端o之间还并联电阻R2和电容C2。

进一步，还包括通讯模块和/或人机交互模块，分别与故障处理及控制模块连接，用于查看装置的工作状态、设定装置的工作模式。

进一步，还包括开入开出模块，与故障处理及控制模块连接，用于提供电压或电流信号来连接外部装置。

本实用新型各电路的作用原理如下:

故障处理及控制模块是整个装置的核心模块，用于处理采样模块采集的电流电压信号，通过在ARM处理器内部，通过算法公式：输出电流(Cout)＝输入PWM 占空比(D)×预设最大电流值(Cset)，按照PWM频率要求输出放电电流，同时与开入开出模块，通讯模块及人机交互模块通过串口连接，将放电的电压电流、温度等信息显示出来。

电源模块提供给装置不同等级的电源，这些电压通过端子排线连接到故障处理及控制模块，再通过故障处理及控制模块分别输出给其他模块使用。

采样模块用于采集外部提供的脉冲信号，检测脉冲信号的频率及占空比，转换成故障处理及控制模块可识别的高频信号，作为最终输出的电流参考。同时，监控放电模块的放电状况，提供给故障处理及控制模块，做必要的保护动作。

放电模块用于实现具体的放电电流控制，通过故障处理及控制模块提供的信号调节放电电流的大小，满足用户需要的放电需求。

通讯模块用于实现与其他装置的通信，也可用于用户设定装置的放电电流、放电模式等。

人机交互模块提供人机交互能力，通过它，可以查看装置的工作状态，设定装置的工作模式，诸如定时、持续、周期放电等。

开入开出模块用于提供外部客户接口的电压或电流信号，通过开入开出模块的数字输入口和数字输出，用户可以连接到其他的装置，实现不同装置间的互联互通。

本实用新型的采样模块将检测到的Asensor+信号，经过内部运算放大器电路转换成数字信号，并传递给故障处理及控制模块，作为实际的放电电流调节信号。故障处理及控制模块接收到采样模块的高频信号后，通过内部的ARM处理器及软件算法，计算出对应的放电电流值VKZ，通过输出VKZ信号给放电模块，通过电阻R10，低通滤波器R14，C6接入到运算放大器U3，运算放大器U3通过放电电阻R6接入到放电管Q2的G极，通过加载在放电管G、S端的可变电压，从而调节设定放电电流。

综上，本实用新型通过检测脉冲的频率及占空比，控制化学电池的放电电流，实现通过调制脉冲信号控制放电电流的大小，达到放电电流的便利控制。相比现有技术，存在以下技术优势：

1、不需要外部人力或设备控制放电电流大小，通过检测外部脉冲的频率及占空比，控制化学电池的放电电流，实现通过调制脉冲信号控制放电电流的大小，解决放电电流的便利控制。

2、采用硬件放电，放电时间响应快速，尤其适用于诸如氢气等特殊化学燃料电池在放电过程中及时、短暂的放电时间要求。

3、结构简单，成本低廉，反应速度快，调节准确，安全可靠，具有广泛的市场应用前景，适合推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的电原理框图；

图2为本实用新型的放电模块原理图；

图3为本实用新型的采样模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括故障处理及控制模块，与之连接的电源模块、采样模块和放电模块；且脉冲信号接入采样模块，采样模块连接放电模块，电池接入放电模块。

其中，故障处理及控制模块是整个装置的核心模块，包含一个ARM处理器，一个调试SWD口，一套外围I/O组件以及存储电路和数据采集电路。数据采集电路用于处理采样模块采集的电流电压信号，通过在ARM处理器内部的算法公式转换成放电电流。在监控放电模块的放电电流大小的同时，故障处理及控制模块通过采样高频PWM脉冲信号，来决定放电电流的大小及工作模式。高频PWM脉冲信号是一组组峰值电压可变，开关频率可变，占空比可变的数字信号，例如开关频率1000HZ，占空比50％，幅值5V的PWM信号，那么放电电流可设置成5*50％*Imax, 此处的Imax是取决于电路中功率放电管的最大耐受电流特性，而5V及50％的占空比则是具体的高频PWM脉冲信号特征，频率1000Hz意味着每秒变化1000次，那么放电电流的频率也可以同步1000次的变化。

放电模块用于实现具体的放电电流控制，通过故障处理及控制模块提供的信号调节放电电流的大小，满足用户需要的放电需求。本实用新型的又一实施例中，如图2所示，放电模块包括外部电池正极接入的输入端口Load+和负极接入输入端口Asensor+，故障处理及控制模块输出VKZ信号接入的输入端口VKZ，运算放大器U3，以及放电管Q2；输入端口VKZ通过电阻R10、低通滤波器R14，电容 C6连接运算放大器U3的输入端b，运算放大器U3的输出端o通过放电电阻R6 连接放电管Q2的G极，放电管Q2的D极连接输入端口Load+，放电管Q2的S 极通过电阻R22连接输入端口Asensor+，S极还通过电阻R18连接运算放大器 U3的输入端a，且输入端a和输出端o之间还并联电阻R2和电容C2。

采样模块用于采集外部提供的脉冲信号，检测脉冲信号的频率及占空比，转换成故障处理及控制模块可识别的高频信号，作为最终输出的电流参考。同时，监控放电模块的放电状况，提供给故障处理及控制模块，做必要的保护动作。本实用新型的另一个实施例中，如图3所示，采样模块包括接入外部脉冲信号的输入端口PWM_FC，隔离光耦U18，三极管Q6，运算放大器U17，向故障处理及控制模块提供脉冲信号的输出端口PWM_SAMPLE；输入端口PWM_FC经电阻R80连接隔离光耦U18的输入端正极，隔离光耦U18的输入端负极接地，隔离光耦U18的输出端连接到三极管Q6的基极；三极管Q6的发射极接地，电阻R75的两端分别连接到隔离光耦U18的输出端和电源+3.3VD端，电阻R74分别连接到电源+3.3VD 端和三极管Q6的集电极，三极管Q6的集电极连接运算放大器U17的同向输入端；运算放大器U17的反向输入端连接其输出端，输出端通过电阻R78连接输出端口 PWM_SAMPLE。可见，放电电流通过功率开关管Q2的D端和S端，并流经电阻R22，监控信号Asensor+就可以知晓放电电流的大小，通过故障处理模块的ARM处理器，经过内部程序处理，剔除电流高频成分，即可监控实际的放电电流。

本实用新型的再一实施例中，还包括通讯模块和/或人机交互模块，分别与故障处理控制模块连接，用于查看装置的工作状态、设定装置的工作模式。操作者可以通过通信模块和/或人机交互模块，通过触摸按键或者不同的通讯协议，设定放电电流大小，放电电流周期和最大电流限制；此设定参数值通过通信模块或人机交互模块发送给故障处理及控制模块，故障处理及控制模块控制实际的放电电流值，并将采样模块采集的数据回传给通信模块和/或人机交互模块，由此可以在在放电的过程中观察到实际的放电电流。

本实用新型的其他实施例中，还包括开入开出模块，与故障处理及控制模块连接，用于提供电压或电流信号来连接外部装置。开入开出模块因为包含具体的数字输入量0或1(0V或24V)，数字输出量0或1(0V或24V)和模拟信号量 0-24V，通过这些数字或模拟信号量连接到外部设备，通过这些数字量或模拟量的变化，反映放电电流大小，放电周期大小或起始时间等信号供给外部设备使用。

本装置实施时，由电源模块提供给装置不同等级的电源，包括3.3V，12V,24V 等，这些电压通过端子排线连接到故障处理及控制模块，再通过故障处理及控制模块分别输出给其他模块使用。其中3.3V电压提供给故障处理及控制模块使用， 12V电压提供给通讯模块以及人机交互模块使用，24V提供给开入开出模块使用。

如图1-图3所示，本实用新型的具体工作过程如下：首先，将外部电池的正极接入到放电模块的输入端口Load+，负极接入到放电模块的输入端口 Asensor+，采样模块通过检测Asensor+信号来监控实际的放电电流。

其次，外部的高频脉冲信号PWM_FC接入到采样模块，经过隔离光耦U18，将变化的高压脉冲信号电压通过场效应管Q6及运算放大器U17转换成3.3V的脉冲信号提供给故障处理及控制模块，同时采样模块采集放电模块的Asensor+信号，经过图3所示的内部运算放大器电路转换成数字信号，并传递给故障处理及控制模块，作为实际的放电电流调节信号，通过此信号监控放电电流实际值并提供给故障处理及控制模块。

再者，故障处理及控制模块依据PWM_FC的频率，幅值和占空比特性，通过算法公式：输出电流(Cout)＝输入PWM占空比(D)×预设最大电流值(Cset)，按照PWM频率要求输出VKZ信号，通过电阻R6去控制放电模块的功率开关管Q2 的控制口G端口；而放电模块的D端口直接连接到Load+,S端口通过R22连接到电池Asensor+，此处的Load+和Asensor+和电池的正负接入端口连接，由此 Asensor+信号，PWM_FC信号及输出控制VKZ信号，组成电流动态闭环，最终达成满足PWM_FC信号要求的放电电流大小。

此外，数据采集电路与开入开出模块，通讯模块及人机交互模块通过串口连接，将放电的电压电流、温度等信息显示出来。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围内。