模块式动力电池检测装置 【技术领域】
本发明涉及一种电池检测装置，具体来说，涉及一种可适用于不同输出电流的模块式动力电池检测装置。
背景技术
本装置是一种应用于动力电池化成和检测的电池检测设备，由于动力电池的种类较多，不同用户所需的电池检测设备的输出电流大小和输出通道数都有所不同，目前设备制造商往往需要根据用户的要求制造不同型号的设备，设备一般采用一体式结构设计，根据电流大小和通道数的多少，在一个机箱内安装不同的数量的线路板、功率器件和开关电源等。采用这种结构生产的设备的特点是每种型号设备的内部电路和结构都不完全一样，因此存在生产效率低、材料品种多、生产周期长和生产管理困难等诸多缺点。
【发明内容】
针对以上的不足，本发明提供了一种可适用于不同输出电流的模块式动力电池检测装置。本发明的模块式动力电池检测装置包括机架，机架内安装固定有用于实现恒流恒压控制，采集电流电压数据的电源控制装置，以及用于设定流程，发送控制信号给所述电源控制装置，并读取电源控制装置所采集的电压电流数据的主控装置，所述电源控制装置的数量为至少二个，所述电源控制装置之间采用并联结构，电源控制装置与主控装置之间采用通讯线连接，电源控制装置控制的电流电压通过电源控制装置上的输出端子输出。
所述主控装置包括用于发送控制信号的主控芯片U11和用于保存设定流程和充放电曲线数据的存储芯片U13，主控装置还包括具有SPI接口的显示和键盘控制集成芯片U12，以及用于连接电源控制装置的集成有RS-232接口的转换电路U15。
所述主控装置还包括用于连接外围计算机的集成有RS-232接口的转换电路U14。
所述电源控制装置包括MCU电路、DA电路、恒流恒压控制电路、功率电路、电流取样电阻、采样电路、AD电路、RS-232接口电路、开关电源和电源端子，所述MCU电路为电源控制装置的控制中枢；所述DA电路、恒流恒压控制电路、功率电路、电流取样电阻和开关电源构成可控恒流恒压源；所述采样电路和AD电路用于采集电流和电池电压信号；所述RS-232接口电路用于和主控装置连接；所述电源端子用于连接外部交流电。
所述MCU电路包括在恒流箱中起控制中枢作用控制芯片U1；所述DA电路由U3、R1、D1和C7组成，R1、D1和C7用于为U3提供-5V的电压基准，U3是一个具有SPI接口的12位双通道DA；所述恒流恒压控制电路包括恒流控制电路和恒压控制电路，其中R5、R6、U6A、C12、R10和R11构成了恒流控制电路，R7、R8、U6B、C13和D3构成了恒压控制电路，所述功率电路包括有N沟道场效应管Q1，Q1用于控制充电，P沟道场效应管Q2用于控制放电，开关电源的输出通过端子J3接入功率管Q1的D极和地；所述电流取样电阻包括分流器R14，R14将电流值转换为相应的电压信号；所述采样电路通过仪用放大器U7将分流器R14转换的电压信号放大，输出幅值为0～5V的电流采样信号CV1，BT1是外接的被测试电池，电池两端的电压信号经过仪用放大器U8差分转换成电压采样信号BV1；所述AD电路包括具有11个通道输入的12位AD集成电路U5，R2、D2和C9构成一个稳压电路，可以输出一个2.5V电压基准源，提供给U7作为参考源；R3、R4、R9和U4A构成一个同相放大器，将2.5V电压放大两倍，提供给U5作为参考源；所述RS-232接口电路包括集成RS-232接口转换电路U2，RS-232接口用于和主控装置连接。
所述电源控制装置上安装有用于散热的风机。
所述机架上开有用于给电源控制装置和主控装置散热的通风孔。
本发明的有益效果：
1、每个电源控制装置是一个标准的电源模块，适合批量生产。
2、很容易实现不同数量的通道输出，如果设备要输出不同通道数，只需要在机架上安装相应数量的电源控制装置；
3、容易实现不同电流量程的输出，如果设备要输出的电流超过一个电源控制装置可以输出的最大电流时，可以根据电流大小，用若干个电源控制装置并联成一个大电流通道。
4、每个电源控制装置都是相同的，易于更换和维护，也提高了设备的可靠性。
5、不同型号设备的主控装置完全相同，机架也基本相同(只有输出端子的数量和型号不相同)，因此主控装置和机架也适合大批量生产。
6、采用标准模块的设计结构，降低设备的制造成本，提高生产效率。
【附图说明】
图1为本发明的模块式动力电池检测装置结构示意图；
图2为本发明主控装置与电源控制装置连接示意图；
图3为本发明电源控制装置正面示意图；
图4为本发明电源控制装置背面示意图；
图5为本发明电源控制装置功能示意图；
图6为本发明电源控制装置间连接关系示意图；
图7为本发明主控装置主控芯片电路原理图；
图8为本发明主控装置显示和键盘控制芯片电路原理图；
图9为本发明主控装置RS-232接口电路原理图；
图10为本发明电源控制装置MCU电路原理图；
图11为本发明电源控制装置DA电路原理图；
图12为本发明电源控制装置恒流恒压控制电路原理图；
图13为本发明电源控制装置功率电路原理图；
图14为本发明电源控制装置电流取样电阻电路原理图；
图15为本发明电源控制装置采样电路原理图；
图16为本发明电源控制装置AD电路原理图；
图17为本发明电源控制装置RS-232接口电路原理图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进行进一步阐述。
如图1、3和4所示，本发明模块式动力电池检测装置由机架1、主控装置2和电源控制装置3三部分组成，机架1用于安装主控装置2和电源控制装置3，机架1内部布线连接主控装置2和电源控制装置3，电源控制装置3的输出外引连接到电源控制装置3的输出端子34，输出端子34包括电流端子和电压端子，电源控制装置背面安装有连接内部RS-232接口电路的通讯插座35，并开有用于散热的通风孔33，电源控制装置正面还装有散热风机32。
主控装置2外部设有与内部主控电路连接地控制面板，用于设定流程，发送控制信号给电源控制装置3，读取电源控制装置3采集的电压电流数据。主控装置2和电源控制装置3之间通过RS-232通讯线连接，一个主控装置2可以连接控制多个电源控制装置3，主控装置2和电源控制装置3的连接示意图见图2。
主控装置2的电路原理参见图7、8和9，其中，主控芯片U11是设备的控制中枢，采用型号为ATMEGA64的单片机，该单片机内部集成了64K的程序存储器(FLASH)和4K的数据存储器(RAM)。U13(AT24C512)是具有I2C接口的EEPROM，其存储空间为64K字节，用于保存设定流程和充放电曲线数据。U12是具有SPI接口的显示和键盘控制集成电路，最多可以控制8位数码管和扫描64个按键，S1～S16是输入的16个按键，DS1～DS4是用于显示的数码管，R4～R11为限流电阻。U14和U15是集成的RS-232接口转换电路，可以将单片机一端的0～5V数字逻辑电平转换为+12V～-12V数字逻辑电平，其中U14转换的RS-232接口用于和计算机连接，U15转换的RS-232接口用于和电源控制装置3连接。
主控装置2的工作流程是：1)设定充放电流程：通过主控装置2的面板输入设定流程或者由外围计算机通过RS-232接口发送给主控装置2；2)单片机U1将设定充放电流程保存在U3(EEPROM)中；3)U1通过RS-232接口和电源控制装置3连接，控制电源控制装置3按设定电流启动充放电；4)通过RS-232接口读取电源控制装置3采集到的电流和电压信号，将实时采样数据保存在单片机片内RAM，将曲线数据保存在U3(EEPROM)，计算机可以通过RS-232接口读取采集回来的数据；5)单片机U1根据采集回来的数据判断是否结束工作，需要控制结束时将结束指令发送给电源控制装置，控制电源控制装置3停止充放电。
电源控制装置3的电路原理参见图5，电源控制装置3内部由MCU电路11、DA电路12、恒流恒压控制电路13、功率电路14、电流取样电阻15、采样电路16、AD电路17、RS-232接口电路18和开关电源19组成。其中，MCU电路11是电源控制装置3的控制中枢；DA电路12、恒流恒压控制电路13和功率电路14、电流取样电阻15和开关电源19构成的可控恒流恒压源；采样电路16和AD电路17用于采集输出电流和电池电压信号；RS-232接口电路18用于和主控装置2连接。电源控制装置3可以实现恒流恒压控制、电流启动和关断控制、电流电压数据采集功能，是一个完整的数控恒流恒压源。
如图9至17所示，MCU电路11中的U1为单片机，型号为ATMEGA16，在恒流箱中起控制中枢作用；U3、R1、D1和C7为DA电路12，其中R1、D1和C7用于为U3提供-5V的电压基准，U3是一个具有SPI接口的12位双通道DA，可以控制输出两路0～5V的模拟量VI1和VU1，其中VI1是恒流给定值，VU1是恒压给定值；恒流恒压控制电路13包括恒流控制电路和恒压控制电路，其中，R5、R6、U6A、C12、R10和R11构成了恒流控制电路，R7、R8、U6B、C13和D3构成了恒压控制电路；功率电路14中N沟道场效应管Q1用于控制充电，P沟道场效应管Q2用于控制放电；开关电源19(7V/100A)的输出通过端子J3接入功率管Q1的D极和地；电流取样电阻15的分流器R14将电流值转换为相应的电压信号；采样电路16通过仪用放大器U7将分流器R14转换的电压信号放大，输出幅值为0～5V的电流采样信号CV1，由于U7转换是以2.5V参考源作为基准转换，当电流值为零时CV1等于2.5V，当充电时CV1的输出范围是2.5V～5V，当放电时CV1的输出范围是0V～2.5V；BT1是外接的被测试电池，电池两端的电压信号经过仪用放大器U8差分转换成电压采样信号BV1；AD电路17中的U5是一个具有11个通道输入的12位AD集成电路，其作用是将电流采样信号CV1和电压采样信号BV1转换为数字量，R2、D2和C9构成一个稳压电路，可以输出一个2.5V电压基准源，提供给U7作为参考源，R3、R4、R9和U4A构成一个同相放大器，将2.5V基准电压放大两倍，输出5V电压基准源，提供给U5作为参考源；RS-232接口电路18中的U2(MAX232)是集成的RS-232接口转换电路，RS-232接口用于和主控装置连接。
电源控制装置3的工作流程是：1)MCU电路11通过RS-232接口电路18接收主控装置2发送的充放电指令；2)根据指令控制DA电路12的U3，分别输出恒流给定值VI1和恒压给定值VU1，当VI1值在2.5～5V范围时，恒流源进入充电状态，当VI1值在0～2.5V范围时，恒流源进入放电状态；3)恒流给定值VI1传送到运放U6A的同相输入端，电流采样信号CV1传送到运放U6A的反相输入端；运放U6A根据输入值调节输出值，控制充放电；4)充电控制：当VI1值在2.5～5V范围时，运放U6A输出高电平，控制功率管Q1导通，Q2关断，电流从充电电源V-CHARGE流出，通过功率管Q1的D极和S极，再流过R14，流入电池正极，从电池负极流出，回到充电电源的地；5)放电控制：当VI1值在0～2.5V范围时；运放U6A输出负电平，控制功率管Q2导通，Q1关断，电流从电池正极流出，经过R14，通过功率管Q2的S极和D极，流入地线，最后流回电池负极；6)恒压充电控制：当电池处于恒流充电状态时，电池电压会逐渐上升，当电池电压采样值BV1大于等于恒压给定值VU1时，运放U6B动作，输出低电平，通过D3拉低充电功率管Q1的G极电压，降低Q1的导通程度，控制电流减少，阻止电池电压继续上升，维持电池电压BV1等于恒压给定值VU1，实现了恒压充电。7)电流关断控制：当VI1值在2.5～5V范围时，同时控制VU1输出为零，可以控制电流回路关断；原因是虽然运放U6A输出高电平，但电池采样电压BV1始终高于VU1，因此运放U6B输出低电平，控制Q1也关闭，充电功率管Q1和放电功率管Q2同时关闭，电池既不充电也不放电；8)电流电压采样：电流采样信号CV1和电压采样信号BV1传送到AD电路U5的1、2脚，经过U5转换为数字量，单片机U1通过U5的SPI接口读取转换后的电流电压值，并保存在单片机内部RAM中，主控装置2通过RS-232接口从恒流箱中读取电压电流采样值。
由于每个电源控制装置3是独立的恒流恒压源，因此可以将多个电源控制装置的输出直接并联，构成更大电流的输出通道，电源控制装置3并联的示意图见图6，图中HLi表示电源控制装置3，BAT1表示电池。
本实施例中一个机架1可以安装一个主控装置2和16个电源控制装置3，每个电源控制装置3的输出电流是100A，因此如果设备的输出电流量程为100A时，该设备可以输出16个通道。如果设备输出电流量程为200A时，可将16个电源控制装置分成8组，每组两个电源控制装置，每组的两个电源控制装置输出直接并联，构成最大可输出200A的恒流恒压源，设备可以提供8个200A电流量程的通道。类似的，还可以组合成输出4个400A电流通道的设备，或者输出2个800A电流通道的设备。