WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路及检测方法技术

本发明专利技术涉及一种WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路及检测方法。检测电路为，充电控制电路的输入端经第一MOS管开关电路和太阳能电池相连，充电控制电路的输出端和电池相连，电池和放电控制电路的输入端相连，放电控制电路的输出端经第三MOS管开关电路和负载相连，恒流负载电路和第二MOS管开关电路相连后再与电池并联，充电、放电终止信号及三个MOS管开关电路的控制端分别和中央处理单元相连。检测方法为，先切断放电回路使电池进入只充不放的状态；电池充满后，切断充电回路，接入恒流负载电路，使电池进入只放不充的状态；由中央处理单元分别记录新、旧电池的放电时间，实现电池的SOH检测。本发明专利技术检测结果较为准确，便于及时更换电池。

On-line Detection Circuit and Detection Method for Health Assessment of Photovoltaic Cells for WSN Nodes

【技术实现步骤摘要】
WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路及检测方法
本专利技术涉及一种电池在线检测系统，尤其涉及一种WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路及检测方法。
技术介绍
无线传感器网络(WSN)是由大量传感器节点组成的无线通信网络，当其分布在室外环境时，较难通过电力线路获取能量，因此，除电池供电外，光伏供电系统也成为其主要的供电方式。但随着充放电的循环次数的增加，光伏系统中电池的寿命将逐步下降甚至失效，需要及时更换。因此，及时准确地对电池健康状态进行评估是十分必要的。但目前的无线传感器节点用光伏系统，侧重于充放电控制及保护功能的实现，往往不具备电池健康评估功能，不便于及时更换电池、排除故障。目前，电池用SOH(StateOfHealth)表示电池的健康状态，SOH定义如下：在某一条件下电池可放出容量与新电池额定容量的比值：SOH＝Qnow/Qnew(1.1)其中，Qnow表示在当前的条件下，电池可以释放出的最大容量，Qnew表示新电池的额定容量。当在同样的放电电流下，记录从充满状态恒流放电至终止电压的时间Tnow及Tnew，则SOH也可以用下式表示：SOH＝Tnow/Tnew(1.2)估算SOH的方法大致可以分为两类。一类是不基于模型的测量SOH的方法，如放电试验法，循环次数折算法等；一类是基于模型的SOH估计算法，如经验模型法、电阻折算法、阻抗分析法等。循环次数折算法需要记录充放电循环次数，对太阳能充电系统，充电处于不定状态，无法准确记录充放电循环次数。电阻折算法仅将电阻作为评价SOH的依据，但电池老化时电阻的变化范围较小，因此该方法的误差较大，针对不同的电池需要绘制不同的Map图。阻抗分析法是目前最为前沿的方法，可以根据阻抗谱较为直观地分析SOH的变化，但是该方法需要专用设备。这几种方式不适用于WSN节点用光伏系统SOH的在线检测。而放电试验法检测SOH结果不仅最为准确，并且比较适合WSN节点用光伏系统的电池健康评估。
技术实现思路
本专利技术主要解决现行WSN节点(即无线传感节点)用光伏系统，无法进行电池健康状态在线检测，无法对电池健康状态作出评估，从而不能及时更换电池并排除故障的技术问题；提供一种WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路及检测方法，其能对WSN节点用光伏系统进行电池健康状态在线检测，对电池健康状态作出评估，便于及时更换电池，及时排除故障，从而确保WSN节点的正常运行。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本专利技术的WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，包括中央处理单元、充电控制电路、放电控制电路、恒流负载电路及第一MOS管开关电路、第二MOS管开关电路和第三MOS管开关电路，充电控制电路的输入端经第一MOS管开关电路和太阳能电池Solar相连，充电控制电路的输出端和电池Battery相连，电池Battery又和放电控制电路的输入端相连，放电控制电路的输出端经第三MOS管开关电路和负载相连，恒流负载电路和第二MOS管开关电路连成的串联电路与所述的电池Battery并联，第一MOS管开关电路、第二MOS管开关电路、第三MOS管开关电路的控制端及充电控制电路输出的充电终止信号、放电控制电路输出的放电终止信号分别和所述的中央处理单元相连。中央处理单元可以是为检测电路专门设置的单片机；当WSN节点的MCU的口线有冗余、且可工作于低功耗掉电模式时，也可合用WSN节点的MCU，以节省成本。当采用单片机时，单片机需要和WSN节点中的MCU实现通信。电池Battery是充电电池，也就是需要评估检测的电池，其供电给WSN节点。本专利技术中，中央处理单元控制三个MOS管开关电路的关断或接通，充电控制电路输出的充电终止信号、放电控制电路输出的放电终止信号分别输送给中央处理单元。在SOH检测时，通过三个MOS管开关电路，先切断放电回路，使电池进入只充不放的状态；在电池充满后，切断充电回路，接入恒流负载电路，使电池进入只放不充的状态。通过中央处理单元记录电池开始放电至放电终止的放电时间，再通过WSN系统将测得的电池放电时间发送给远程监控系统，与新电池在同样的放电电流下的电池放电时间进行比较，实现对WSN节点用光伏系统中的电池的SOH检测。本专利技术检测电路控制方便，可靠性高，电池的SOH检测结果较为准确，比较适合WSN节点用光伏系统的电池健康状态评估，便于及时更换电池，及时排除故障，从而确保WSN节点的正常运行。作为优选，所述的充电控制电路包括充电控制芯片U11，充电控制芯片U11采用CN3063充电控制芯片；所述的第一MOS管开关电路包括MOS管Q11和MOS管Q12；太阳能电池Solar的正极和MOS管Q11的源极相连，MOS管Q11的漏极和充电控制芯片U11的4脚相连，充电控制芯片U11的4脚经电容C11接地，MOS管Q11的源极和栅极之间连接有电阻R11，MOS管Q11的栅极和MOS管Q12的漏极相连，MOS管Q12的源极和太阳能电池Solar的负极相连并且接地，MOS管Q12的栅极和所述的中央处理单元输出的控制信号K1相连，充电控制芯片U11的1脚、3脚均接地，充电控制芯片U11的2脚经电阻R12接地，充电控制芯片U11的5脚和8脚相连，充电控制芯片U11的5脚既经电容C12接地又和电池Battery的正极相连，电池Battery的负极接地，充电控制芯片U11的6脚输出充电终止信号C_END和所述的中央处理单元相连。本技术方案采用了CN3063锂电池太阳能充电控制芯片，当然也可以采用其它的充电控制芯片，只要能提供充电终止信号(上升或下降沿)即可。MOS管Q11、MOS管Q12和电阻R11组成第一MOS管开关电路，控制充电回路的通断。MOS管Q11采用P沟道MOS管，MOS管Q12采用N沟道MOS管。MOS管Q12的栅极为第一MOS管开关电路的控制端，与中央处理单元输出的控制信号K1相连。充电终止信号C_END由充电控制芯片U11的6脚提供，开漏输出。作为优选，所述的放电控制电路包括放电控制芯片U21，放电控制芯片U21采用CN302放电控制芯片；所述的第三MOS管开关电路包括二极管D22和MOS管Q21；放电控制芯片U21的1脚既经电阻R21和电池Battery的正极相连又经电阻R22和放电控制芯片U21的6脚相连，放电控制芯片U21的6脚经电阻R23和电池Battery的负极相连，放电控制芯片U21的2脚接地，放电控制芯片U21的4脚既经电容C21接地又和MOS管Q21的源极相连，放电控制芯片U21的4脚还和电池Battery的正极相连，MOS管Q21的漏极和所述的负载相连，MOS管Q21的栅极和二极管D21及二极管D22的负极相连，二极管D21的正极和放电控制芯片U21的3脚相连，二极管D22的正极和所述的中央处理单元输出的控制信号K3相连，MOS管Q21的栅极经电阻R24接地，放电控制芯片U21的5脚输出放电终止信号D_END和所述的中央处理单元相连。本技术方案采用CN302放电控制芯片，当然也可以采用其它的放电控制芯片，只要能提供放电终止信号(上升或下降沿)即可。MOS管Q21为P沟道MOS管，用于负载回路的通断控制。MOS管Q21、电阻R24、二极管D21和二极管D22组成第三M本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其特征在于包括中央处理单元、充电控制电路、放电控制电路、恒流负载电路及第一MOS管开关电路、第二MOS管开关电路和第三MOS管开关电路，充电控制电路的输入端经第一MOS管开关电路和太阳能电池Solar相连，充电控制电路的输出端和电池Battery相连，电池Battery又和放电控制电路的输入端相连，放电控制电路的输出端经第三MOS管开关电路和负载相连，恒流负载电路和第二MOS管开关电路连成的串联电路与所述的电池Battery并联，第一MOS管开关电路、第二MOS管开关电路、第三MOS管开关电路的控制端及充电控制电路输出的充电终止信号、放电控制电路输出的放电终止信号分别和所述的中央处理单元相连。

【技术特征摘要】
1.一种WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其特征在于包括中央处理单元、充电控制电路、放电控制电路、恒流负载电路及第一MOS管开关电路、第二MOS管开关电路和第三MOS管开关电路，充电控制电路的输入端经第一MOS管开关电路和太阳能电池Solar相连，充电控制电路的输出端和电池Battery相连，电池Battery又和放电控制电路的输入端相连，放电控制电路的输出端经第三MOS管开关电路和负载相连，恒流负载电路和第二MOS管开关电路连成的串联电路与所述的电池Battery并联，第一MOS管开关电路、第二MOS管开关电路、第三MOS管开关电路的控制端及充电控制电路输出的充电终止信号、放电控制电路输出的放电终止信号分别和所述的中央处理单元相连。2.根据权利要求1所述的WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其特征在于所述的充电控制电路包括充电控制芯片U11，充电控制芯片U11采用CN3063充电控制芯片；所述的第一MOS管开关电路包括MOS管Q11和MOS管Q12；太阳能电池Solar的正极和MOS管Q11的源极相连，MOS管Q11的漏极和充电控制芯片U11的4脚相连，充电控制芯片U11的4脚经电容C11接地，MOS管Q11的源极和栅极之间连接有电阻R11，MOS管Q11的栅极和MOS管Q12的漏极相连，MOS管Q12的源极和太阳能电池Solar的负极相连并且接地，MOS管Q12的栅极和所述的中央处理单元输出的控制信号K1相连，充电控制芯片U11的1脚、3脚均接地，充电控制芯片U11的2脚经电阻R12接地，充电控制芯片U11的5脚和8脚相连，充电控制芯片U11的5脚既经电容C12接地又和电池Battery的正极相连，电池Battery的负极接地，充电控制芯片U11的6脚输出充电终止信号C_END和所述的中央处理单元相连。3.根据权利要求1所述的WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其特征在于所述的放电控制电路包括放电控制芯片U21，放电控制芯片U21采用CN302放电控制芯片；所述的第三MOS管开关电路包括二极管D22和MOS管Q21；放电控制芯片U21的1脚既经电阻R21和电池Battery的正极相连又经电阻R22和放电控制芯片U21的6脚相连，放电控制芯片U21的6脚经电阻R23和电池Battery的负极相连，放电控制芯片U21的2脚接地，放电控制芯片U21的4脚既经电容C21接地又和MOS管Q21的源极相连，放电控制芯片U21的4脚还和电池Battery的正极相连，MOS管Q21的漏极和所述的负载相连，MOS管Q21的栅极和二极管D21及二极管D22的负极相连，二极管D21的正极和放电控制芯片U21的3脚相连，二极管D22的正极和所述的中央处理单元输出的控制信号K3相连，MOS管Q21的栅极经电阻R24接地，放电控制芯片U21的5脚输出放电终止信号D_END和所述的中央处理单元相连。4.根据权利要求1或2或3所述的WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其特征在于所述的恒流负载电路包括三极管Q31、电阻R31和电阻R32，所述的第二MOS管开关电路包括MOS管Q32；三极管Q31的发射极经电阻R31和电池Battery的正极相连，三极管Q31的集电极经电阻R32和MOS管Q32的漏极相连，三极管Q31的基极和稳压管D31的正极相连，稳压管D31的负极和电池Battery的正极相连，三极管Q31的基极又经电阻R33和MOS管Q32的漏极相连，MOS管Q32的源极接地，MOS管Q32的栅极和所述的中央处理单元输出的控制信号K2相连。5.根据权利要求1或2或3所述的WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其特征在于所述的恒流负载电路包括运放U41，所述的第二MOS管开关电路包括MOS管Q42；运放U41的同相输入端既经电阻R42和电阻R41与电池Battery的正极相连又经电阻R43和MOS管Q42的漏极相连，电阻R42和电阻R41的连接点和稳压管D41的负极相连，稳压管D41的正极和MOS管Q42的漏极相连，运放U41的反相输入端和三极管Q41的发射极相连，三极管Q41的集电极和电池Battery的正极相连，运放U41的输出端经电阻R44和三极管Q41的基极相连，三极管Q41的发射极经电阻RN和MOS管Q42的漏极相连，MOS管Q42的源极接地，MOS管Q42的栅极和所述的中央处理单元输出的控制信号K2相连。6.根据权利要求1或2或3所述的WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其特征在于所述的中央处理单元采用WSN节点的MCU，所述的在线检测电路包括接口JP71，所述的第一MOS管开关电路、第二MOS管开关电路、第三MOS管开关电路的控制端、充电控制电路输出的充电终止信号、放电控制电路输出的放电终止信号及电池Battery的正极、负极分别和接口JP71的各个管脚相连，接口JP71再和WSN节点的MCU相连。7.根据权利要求1或2或3所述的WSN节点用光伏电池健康评估在线检测电路，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴羿轩，谢少伟，干嘉诚，
申请(专利权)人：浙江水利水电学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33