基于硬件故障检测的电池充电系统及充电设备的制作方法

1.本实用新型涉及物联网及锂电池充电技术领域，尤其涉及基于硬件故障检测的电池充电系统及其所应用的充电设备。


背景技术：

2.目前，锂电池充电设备对带通信功能的智能锂电池进行充电，通过与电池的通信交互获取电池状态并对电池进行充电。如果遇到电池硬件故障则会判断为电池损坏，但无法有效检测出具体故障原因，比如通信接口损坏、电池内部充电mos管损坏等，损坏电池需要返回工厂进行报废处理，浪费极大。电池内阻是衡量电池性能的重要指标，在性能下降到一定程度仍继续使用，会增大电池的安全风险，但目前市面上充电设备无法测量电池内阻。


技术实现要素：

3.有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型提供基于硬件故障检测的电池充电系统及其所应用的充电设备，用于解决目前市面上的充电设备无法测量电池内阻且无法检测电池硬件损坏问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于硬件故障检测的电池充电系统，包括：硬件检测模块，供检测待测电池的电池硬件是否损坏；所述硬件检测模块包括tvs保护管检测模块、通信电路检测模块、充放电mos管检测模块；所述tvs保护管检测模块与通信电路检测模块连接；所述通信电路检测模块还连接所述充放电mos管检测模块；电池内阻检测模块，连接所述硬件检测模块，供检测所述待测电池的电池内阻。具体而言，所述硬件检测模块供检测待测电池的tvs保护管、通信电路、充放电mos管中任一种或多种硬件是否损坏。
5.在本实用新型的另一较佳实施方式中，所述tvs保护管检测模块用以检测所述待测电池正、负极之间的电压，以供检测设于所述待测电池两端的tvs保护管是否损坏。
6.在本实用新型的较佳实施方式中，所述通信电路检测模块用以检测所述待测电池的通信电路的通信端子电压，以供检测所述通信电路是否损坏。
7.在本实用新型的较佳实施方式中，所述通信电路检测模块包括信号使能端子和信号测试端子；其中，所述信号使能端子被设置为高、低电平后，所述信号测试端子被相应测量端子电压；测量得到的所述信号测试端子的电压用于与理论电压比较是否相符，以供检测所述待测电池的通信电路是否损坏。
8.在本实用新型的较佳实施方式中，所述待测电池的通信电路包括正极信号端子和负极信号端子；所述通信电路检测模块包括连接所述正极信号端子的正极信号检测电路，以及连接所述负极信号端子的负极信号检测电路。
9.在本实用新型的较佳实施方式中，所述正极信号检测电路包括：正极信号使能端子；第一三极管，其基极连接所述正极信号使能端子，发射极接地，集电极通过串联的第一电阻和第二电阻连接至电源；第二三极管，其基极从所述第一电阻和第二电阻的连接点引出，发射极连接所述电源，集电极连接串联的第三电阻和第四电阻；其中，所述第四电阻的
与所述第三电阻相连的一端引出所述通信电路的正极信号端子，所述第四电阻的另一端引出正极信号测试端子；所述正极信号测试端子通过并联连接的第五电阻、第一电容和第一稳压二极管接地。
10.在本实用新型的较佳实施方式中，所述负极信号检测电路包括：负极信号使能端子；第三三极管，其基极连接所述负极信号使能端子，发射极接地，集电极通过串联的第六电阻和第七电阻连接至电源；第四三极管，其基极从所述第六电阻和第七电阻的连接点引出，发射极连接所述电源，集电极连接串联的第八电阻和第九电阻；其中，所述第九电阻的与所述第八电阻相连的一端引出所述通信电路的负极信号端子，所述第九电阻的另一端引出负极信号测试端子；所述负极信号测试端子通过并联连接的第十电阻、第二电容和第二稳压二极管接地。
11.在本实用新型的较佳实施方式中，所述充放电mos管检测模块在向所述待测电池发送使其强制断开充放电mos管的指令后，测量所述待测电池的电压和电流；其中，测量到的电池电压、电池电流用于与理论电压、理论电流比较是否相符，以供检测充放电mos管是否损坏。
12.在本实用新型的较佳实施方式中，所述充放电mos管检测模块用以检测放电mos管是否损坏，包括：所述充放电mos管检测模块先向所述待测电池发送使其强制断开所述放电mos管的指令，再测量所述待测电池内部电芯两端电压以及电池外部电压；其中，测量得到的电池内部电芯两端电压和电池外部电压若小于预设电压阈值，则确定所述放电mos管损坏。
13.在本实用新型的较佳实施方式中，所述充放电mos管检测模块用以检测充电mos管是否损坏，包括：所述充放电mos管检测模块先向所述待测电池发送使其强制断开所述充电mos管的指令，再为所述待测电池充电并测量充电电流值；其中，测量得到的充电电流值若大于预设电流阈值，则确定所述充电mos管损坏。
14.在本实用新型的较佳实施方式中，所述电池内阻检测模块用以检测所述待测电池未充电时电芯两端的第一电压、充电时电芯两端的第二电压、充电电流；其中，所述第一电压和第二电压的电压差与所述充电电流的比值用以确定所述待测电池的电池内阻。
15.为实现上述目的，本实用新型提供了一种充电设备，包括所述基于硬件故障检测的电池充电系统。
16.本实用新型提供的基于硬件故障检测的电池充电系统及其所应用的充电设备，具有以下技术效果：
17.1、本实用新型在电池充电时能直接检测出电池硬件的具体故障，省时省力；可维修电池通过维修后再次使用，节省费用，减少资源浪费。
18.2、本实用新型在电池充电时能够直接检测电池内阻特性，给电池性能的判断提供参考，并在性能下降到一定程度时提醒禁止使用，提高了电池使用的安全性。
19.以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
20.图1展示了本实用新型一实施例中的基于硬件故障检测的电池充电系统的结构示
意图。
21.图2展示了本实用新型一实施中的充电设备的结构示意图。
22.图3展示了本实用新型一实施中的485通信电路的结构示意图。
23.图4a展示了本实用新型一实施例中的485_a检测电路的结构示意图。
24.图4b展示了本实用新型一实施例中的485_b检测电路的结构示意图。
具体实施方式
25.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
27.为了阐释的目的而描述了本实用新型的一些示例性实施例，需要理解的是，本实用新型可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
28.如图1所示，展示了本实用新型一实施例中的基于硬件故障检测的电池充电系统的结构示意图。本实施例中基于硬件故障检测的电池充电系统至少包括硬件检测模块11和电池内阻检测模块12；所述硬件检测模块11又包括tvs保护管检测模块111、通信电路检测模块112、充放电mos管检测模块113。
29.需说明的是，一个充电设备的结构如图2所示，通常由控制系统21、电源系统22、充电系统23、硬件检测系统24、通信与供电接口25组成。控制系统21作为充电设备的控制中心，负责电池充电及硬件检测功能；电源系统22负责为整个设备中的所有用电系统进行供电；硬件检测系统24负责电池硬件的检测，通常由adc(模拟数字转换器)、gpio(通用型输入输出)及开关电路组成；充电系统23则用于为电池充电；通信与供电接口25负责提供通信接口和供电接口。
30.值得说明的是，现有技术中的充电系统仅具有充电功能，但本实施例提供的充电系统带有硬件故障检测功能，直接检测出电池硬件的具体故障，还能检测电池内阻特性。下文，将结合具体的实施例对本实用新型所提供的基于硬件故障检测的新型电池充电系统做详尽说明。
31.在本实施例中，所述tvs保护管检测模块111用于测量电池正极和负极之间的电压；若测得电压大于预设阈值，则说明电池的tvs保护管正常；否则，说明电池的tvs保护管遭到破坏。具体来说，电池正极与负极之间设有tvs保护管(瞬态抑制二极管)，当tvs保护管被击穿后，电池正极和负极会短路，电池正极和负极之间的电压发生变化，由此来判断tvs保护管是否正常。
32.应理解，tvs保护管(瞬态抑制二极管)是一种二极管形式的高效能保护器件，当tvs二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两
极间的高阻抗变成低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的钳位电压达到一个预定值，有效保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的破坏。
33.在本实施例中，所述通信电路检测模块112用以测量通信电路的两个接线端的电压水平，以检测通信电路硬件是否损坏。以图3中的485通信电路为例，485通信电路上可能存在485芯片损坏的情况，导致485_a/485_b端子对地发生短路。因此为通信电路检测模块112设置有485_a检测电路和485_b检测电路，分别用以检测485_a端子和485_b端子是否故障。
34.在一些示例中，485通信电路可采用半双工rs
‑
485收发器thvd1500dr(u1)，其8号引脚连接电源vcc，5号引脚接地，6号引脚为485_a端，7号引脚为485_b端，1号引脚是数据输出脚，2号引脚re(receiver enable)是接收使能脚，低电平有效(内置有2mω的上拉电阻)，3号引脚de(driver enable)是驱动使能脚，高电平有效(内置有2mω的下拉电阻)，4号引脚是数据输入脚。
35.485_a检测电路如图4a所示：使能端a/h_en连接三极管q503(第一三极管)的基极(2)，三极管q503(第一三极管)的发射极(1)接地，集电极(3)连接电阻r509(第一电阻)的一端；电阻r509(第一电阻)的另一端连接电阻r508(第二电阻)的一端以及三极管q504(第二三极管)的基极，电阻r508(第二电阻)的另一端连接电源vdd；三极管q504(第二三极管)的发射极连接电源vdd，集电极连接电阻r506(第三电阻)，电阻r506(第三电阻)的另一端连接电阻r510(第四电阻)的一端，并引出485通信电路的485_a端子；r510(第四电阻)的另一端通过并联连接的电阻r511(第五电阻)、电容c503(第一电容)和稳压二极管d504(第一稳压二极管)接地。
36.485_b检测电路如图4b所示：使能端b/l_en连接三极管q505(第三三极管)的基极(2)，三极管q505的发射极(1)接地，集电极(3)连接电阻r515(第六电阻)；电阻r515(第六电阻)的另一端连接电阻r514(第七电阻)和三极管q506(第四三极管)的基极，电阻r514(第七电阻)的另一端连接电源vdd；三极管q506(第四三极管)的发射极连接电源vdd，集电极连接电阻r507(第八电阻)，电阻r507(第八电阻)的另一端连接电阻r516(第九电阻)的一端，并引出到485通信电路的485_b端子；r516(第九电阻)的另一端通过并联连接的电阻r517(第十电阻)、电容c504(第二电容)和稳压二极管d505(第二稳压二极管)接地。
37.上述检测电路的检测原理如下：分别为两个检测电路的使能端设置高、低电平，并相应测量测试端子的电压，根据所述测试端子的实测电压值与理论电压值是否符合，判断485通信电路是否出现故障。具体而言，分别为485_a检测电路的使能端子a/h_en以及485_b检测电路的使能端子b/l_en设置低电平和高电平，在不同电平下测试485a_adc端子和485b_adc端子的电压，测得的电压值若与理论值相符就说明通信电路正常，否则通信电路出现故障。
38.举例来说，当a/h_en端子和b/l_en端子为低电平时，理论上来说，485a_adc端子的电压应当超过一定值，485b_adc端子的电压应当低于一定值。如若测量结果显示485a_adc端子的电压超过一定值且485b_adc端子的电压低于一定值，则说明485通信电路正常；否则，485通信电路出现故障。当a/h_en端子和b/l_en端子为高电平时，理论上来说，485a_adc端子的电压应当超过一定值，485b_adc端子的电压也应当超过一定值；如若测量结果显示485a_adc端子和485b_adc端子的电压都超过一定值，则说明485通信电路正常；否则，485通
信电路出现故障。
39.在本实施例中，所述充放电mos管检测模块113用以发送令电池强制断开充放电mos管的指令后，通过电压及电流测量来检测充放电mos是否损坏。充放电mos管是否损坏的具体过程如下所述。
40.检测放电mos管是否损坏的过程包括：充放电mos管检测模块113发送指令给电池，令电池强制断开放电mos管；随后测量电池内部电芯两端电压及电池外部电压；若测得电压小于预设电压阈值，则说明放电mos管被击穿而无法在接收指令后断开，判断该放电mos管损坏。
41.检测充电mos管是否损坏的过程包括：充放电mos管检测模块113发送指令给电池，令电池强制断开充电mos管；随后给电池充电并测量其电流值；若测得电流大于预设电流阈值，则说明充电mos管被击穿而无法在接收指令后断开，判断该充电mos管损坏。
42.在本实施例中，所述电池内阻检测模块12用以分别读取电池未充电时电芯两端电压、充电时电芯两端电压及充电电流，供根据电压差与充电电流的比值来确定电池内阻。
43.具体而言，所述电池内阻检测模块12首先读取电池在未充电时电芯两端的电压vb1，再读取电池在充电时电芯两端的电压vb2以及充电电流i。读取到的电压值vb1、vb2以及充电电流值i用于计算电池内阻r，r＝(vb2
‑
vb1)/i。
44.需说明的是，本实用新型中的电池内阻检测模块12是一种硬件模块，其功能是分别读取未充电状态及充电状态下的电芯两端的电压值，以及读取充电电流值，这些功能可通过电压检测设备和电流检测设备实现。检测到的电压值和电流值可由计算单元(如mcu处理器、fpga处理器、soc处理器等)结合现有的一些软件或程序来计算，计算仅涉及到数值的减法和除法等基础运算。因此，本实用新型本质上并不涉及任何软件技术的更新。
45.本实用新型还提供一种充电设备，其包括所述基于硬件故障检测的电池充电系统，因其实施方式与上文类似，故不再赘述。
46.综上所述，本实用新型提供基于硬件故障检测的电池充电系统及其所应用的充电设备，在电池充电时能直接检测出电池硬件的具体故障，省时省力；可维修电池通过维修后再次使用，节省费用，减少资源浪费；在电池充电时能够直接检测电池内阻特性，给电池性能的判断提供参考，并在性能下降到一定程度时提醒禁止使用，提高了电池使用的安全性。
47.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。