CN102426339A

CN102426339A - 一种电池组单体电池电压采集电路

Info

Publication number: CN102426339A
Application number: CN2011102847767A
Authority: CN
Inventors: 张育华; 曾洁; 孙金虎
Original assignee: Hengchi Science & Technology Co Ltd Zhenjiang
Current assignee: Hengchi Science & Technology Co Ltd Zhenjiang
Priority date: 2011-09-03
Filing date: 2011-09-03
Publication date: 2012-04-25

Abstract

一种电池组单体电池电压采集电路，采用固态继电器、信号调理及隔离电路、微控制器配合完成对动力电池组单体电池的电压隔离取样，之后，送入微控制器的A/D通道进行模数转换，通过微控制器在同一时刻快速控制连接任意节单体电池两极的两路固态继电器工作，即可在采样总线上获取对应的单体电池的端电压，同时，出于电气安全考虑，从电池组所获得的单体电池端电压信号需再经过隔离放大器隔离方可输入到微控制器的A/D通道，适用于动力电池组的单体电池电压采集电路。该电路成本低、简洁实用、安全可靠。

Description

一种电池组单体电池电压采集电路

技术领域

本发明涉及到电池管理***领域，尤其涉及一种单体电池电压采集电路。

背景技术

全球能源与环境的新形势正促使世界各国加快交通能源的战略转型，新能源汽车正逐渐成为未来汽车发展的方向，电池作为新能源车辆的主动力源或辅助动力源，其技术是当前制约新能源车辆发展的主要因素之一。动力电池由于当前成本还比较高，作为车辆动力源行驶里程有限，使用寿命非常有限，这样就严重影响了新能源电池的推广。为此，在已有的电池技术基础上，通过对电池的科学管理，可以使其寿命得到延长，使用成本得到降低，安全防护得到保障。

动力电池的管理涉及电池工作参数的精确检测、SOC的估算、均衡充放电控制、故障诊断及安全防护等。其中有关电池工作参数的检测是电池管理的基础，只有确保了对动力电池组中每节单体电池的工作参数精确采集，方可为SOC估算、均衡充放电控制、故障诊断、安全防护提供依据；其中对动力电池组中每节单体电池的电压实时检测非常重要，由于车用动力电池组是由很多节单体电池并串构成，其电压比车辆控制***电系电压高许多，测量每节单体电池的电压时的关键是对每节单体电池电压的取样。由于动力电池组串接的单体电池数量较多，形成的电压也较高，所以微控制器***不能同一时刻对多节电池进行电池电压取样检测，在同一时刻微控制***只能采样到一节单体电池。

在储能***、后备电池***等应用中也需要对电池组进行监控，需要使用电池管理***采集电池组的单体电池电压。

目前在电池管理方面对单体电池电压的取样方法也有不少。其一，有用专用智能电池监视集成电路芯片，如LTC6803电池检测芯片，它每片能够监测12节单体电池的电压及扩展的温度监测，测得数据通过SPI总线传输给微控制***，但所测量对象限定为锂电池，并且其裸片成本较高，加上必要的***器件后组成采集电路成本至少达1美元每节电池。其二，使用继电器(可以使光电隔离式继电器，也可以是线圈式继电器)矩阵，每节电池对应一对继电器，即由N节电池，就需用2N路继电器，通过微控制器的控制，使在同一时刻保证专门连接任意单体电池两极的继电器工作，即可选通该节单体电池，然后将获取的单体电池电压信号通过滤波、调理、放大后送入微控制器的A/D通道。这种方法使用继电器数量太多，尤其线圈式继电器时间响应慢，会影响巡回检测的实时性；其三，使用电子开关矩阵，使每节单体电池对应一对电子开关，其控制取样思想类似第二种，该方法大量使用电子开关，电路复杂，集成度不高；为此提出以下方法，使用继电器，与方法二、三不同的是串接的动力电池组每个连接的节点对应一个单触点的继电器，有N节电池，使用N+1个继电器，由于连接电池组节点的隔离继电器(电池组两端的除外)对应节点两边的单体电池的正负极，所以所获取的单体电池电压或正或负，所获取的正负电压信号通过信号调理电路全部取正，之后出于电气安全考虑，再通过隔离放大处理后送入微控制器。该方法使得电路成本低、简单实用、安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、简单实用、安全的车用动力电池单体电池电压采集电路，解决已有方法中精度低、电路复杂、成本高及实时性问题。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现。

动力电池组单体电池电压采集电路包括电池电压巡检电路、信号调理及隔离电路、微控制器三部分，***设计电池组含N节串联的动力电池，其中1≤N≤A，A＝Vbr/Vmax，Vbr为固态继电器耐压值，Vmax为单体电池最高电压，由微控制器控制电池电压巡检电路获取特定单电池的电压，经过信号调理及隔离电路无损处理后进入微控制器AD通道，获取该特定单电池的电压。

所述电池电压巡检电路，对于N节电池串联而组成的电池组，其共有N+1个电池节点，对应需要N+1个固态继电器，固态继电器具有较高的响应速度，固态继电器的耐压值需大于动力电池组的总电压上限，在符合的范围可以选择耐压较低的固态继电器以降低电路的成本，固态继电器由微控制器直接控制，使用微控制器同电源供电；串联的动力电池组的每个电池节点(N)通过一个限流电阻(Rn)与一个对应的固态继电器(Re_n)的输出一端(Re_n_4)连接，所有奇数固态继电器的输出另一端(Re_n_3)连接在一起，形成采样总线Bus-A，所有偶数固态继电器的输出另一端(Re_n_3)连接在一起，形成采样总线Bus-B，采样总线Bus-A与Bus-B形成取样总线。若需获取第N节电池的端电压，微控制器控制固态继电器Re_n及Re_n+1闭合，则第N节电池的端电压通过固态继电器传递至采样总线Bus-A及采样总线Bus-B，该电压为采样总线Bus-A电压减去采样总线Bus-B电压，若对于第N+1节电池，同样的方式可获取第N+1节电池的端电压为采样总线Bus-B电压减去采样总线Bus-A电压；采样总线Bus-A及采样总线Bus-B上获取到的电池电压为正负交替的信号；在任意时刻，微控制器只需按要求将任意相邻的N路与N+1路继电器接通，就可以选择第N节单体电池，其端电压就可以在取样总线上获取，可以实现对动力电池组的实时电压监测。需要注意的是在任意时刻只能获取一节电池的电压，即相邻的两路固态继电器闭合，严禁非相邻的2个或任意2个以上隔离固态继电器同时接通，否则所获取的电压信号就可能会超过测量范围或电池短路，并使电池及电路遭受损坏。

所述信号调理及隔离电路，由双极性运算放大器、隔离放大器、电压基准源及电阻、电容、二极管等器件组成，双极性运算放大器、隔离放大器输入级采用独立的双极性电源供电，隔离放大器的输出级采用与微控制器共地的双极性电源供电；采样总线Bus-B与信号调理及隔离电路的双极性运算放大器的地相连，采样总线Bus-A与信号调理及隔离电路的双极性运算放大器同相端连接，组成跟随器输出信号由信号调理及隔离电路的绝对值电路处理，由于双极性运算放大器的输入电流为uA级，***不从电池组吸收电流并且单体电池端电压信号经采样总线后基本没有衰减，跟随器将取样总线的电压进行缓冲，之后将电池电压巡检电路采样总线Bus-A及采样总线Bus-B的正负交替电压差转换为正值，对信号进行无损处理后经隔离放大器传递给微控制器处理；对于电池组单电池电压较高的应用情况，信号调理电路可以对采样电压进行缩放，使该电压可以符合微控制器的处理范围。由于被测的动力电池组的总电压较高，为了保障电池电压采集电路微控制器及其余功能电路的电气安全，采用高精度低功耗的1∶1隔离放大器，其将被测的电池组与微控制器从电气上隔离，确保取样测量***安全。隔离放大器的输出经保护电路后送入微控制器的A/D通道。随着电池工作时其温度会发生变化，导致取样和测量电路的环境温度发生变化，就会造成测量数据的不准，电压基准源电压不变，根据测得的基准电源的电压信号随温度的变化，对测量的单体电池电压进行温度补偿，也可使得测得的单体电池电压更加准确。长期工作导致元器件参数及运算放大器的放大倍数变化，而基准电源电压不会变化。由于电路器件参数的变化，测得的基准电源电压也变化，这种变化的影响对所测得单体电池电压而言是基本同等的。用测得的基准电压来作参考，对单体电池电压进行修正，得到的单体电池电压的精确度就可以得到保证。

所述微控制器，采用具有12位或更高的AD转换接口，并具有大于5个I/O输出接口的单片机；微控制器根据特定的策略，每隔特定的时间控制电池电压采集电路对电池组进行电压进行依次的巡回采集。

本发明的优势：

***具有较高的采样精度；

固态继电器的响应速度块，***具有较高的实时性；

***简洁实用，主要组成部分固态继电器可根据应用电压要求进行选择，对成本有较好的控制，固态继电器作为电路主要器件，具有较长的使用寿命；

***具有良好的可扩展性，可对不同的应用进行扩展适应，可用于车用动力电池或其余使用串联电池组的领域。

附图说明

图1为本发明***结构原理图。

图2为本发明的电池电压巡检电路原理示意图。

图3为本发明一种应用的电池电压巡检电路的电路原理图。

图4为本发明一种应用的信号调理与隔离放大电路原理图。

图5为本发明一种应用的微控制器电路原理图。

具体实施方式

如附图3、4、5所示，以下以采集20节单体电池为例对本发明实施方式进行描述。该实施方案对镍氢和锂电池检测都适用。

本发明电池电压巡检电路见图3，这个电路主要由编号为IC1到IC11的11个双路固态继电器AQW214芯片和连线构成。且只需提供21路固态继电器通路即可，每一通路通过一个限流电阻与连线连接到电池的电极上，共计需要选通20节电池，所以对应有编号为R22到R42的21个取样限流电阻，R22至R42的21个限流电阻的一端分别连接电池组的Polar(1)至Polar(21)的21个电极，另一端分别连接IC1至IC11的第8管脚与第6管脚，同时还对应编号为Control-1到Control-21的21个控制端也需要与编号为R1到R21的21个限流电阻一端连接，限流电阻R1至R21的另外一端分别连接IC1至IC11的第2管脚与第4管脚，Control-1到Control-21的21个控制端再直接分别连接到微控制器的第17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、49、50、51、52、53端口上，IC1至IC11的第7管脚全部连接在Bus-B上，其第5管脚全部连接在Bus-A上，固态继电器的第1和第3管脚分别接工作电源Vs2，该电源与微控制器的供电源属同一电系；在同一时刻，微控制器只需按要求将任意相邻的N路与N+1路固态继电器接通，就可以选择第N节单体电池，其端电压就可以在Bus-A与Bus-B总线上获取。Bus-A与Bus-B总线与信号调理电路的输入端相连，Bus-A连接信号调理电路芯片IC12的第3管脚，Bus-B连接信号调理电路的电源地GND1。

信号调理及隔离电路：该电路如图4所示，由1个四运放集成电路芯片NCV2902、1个隔离放大器ISO124及电阻R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49、R50，电容C1、C2，二极管D1、D1，稳压二极管D3组成，其中只用了四运算放大器NCV2902中的第1、第2、第4路运算放大电路。运算放大器工作电源由Vs1电源提供。通过绝对值电路将所取得电池电压值全部取正，如此方可输入给微控制器的A/D转换通道。电池电压巡检电路的取样电压总线Bus-A连接NCV2902的第1运算放大电路同相输入端(NCV2902的第3管脚)，取样电压总线Bus-B连接Vs1的接地端GND1，信号调理电路的输出信号由NCV2902的第14管脚输出，然后输入给隔离放大电路IC13的第27管脚。光电隔离放大器用ISO124，其输入端供电源与电池电压信号调理电路的供电源一致，ISO124的第1、2、28管脚分别接电源Vs1的+Vs1、-Vs1、GND1；其输出端供电源与微控制器***的供电源一致，ISO124的第15、16、14管脚分别接电源Vs2的+Vs2、-Vs2、GND2；NCV2902输出信号端第14引脚与ISO124的输入端27引脚相连，最后电池的电压测量信号经ISO124的输出端13引脚输出，再通过由电容C3、电阻R52、R51、稳压二极管D4组成的滤波限幅电路送入微控制器的第61管脚。

微控处理器：采用了飞思卡尔公司的的8位微处理器MC9S08DZ60，它具有53个I/O口，其中内有24路的12位的AD转换通道，主要完成对电池巡检电路的固态继电器的控制以及对采样到的电池电压信号进行A/D转换，同时，微控制器在整个电池管理***中还要完成对电池总电压、电流和电池温度的采样处理，对电池荷电状态SOC的估算、电池故障诊断等的控制。由于电池巡检电路的核心器件使用的是固态继电器，所以电池巡检电路的固态继电器的控制地址选择线可以直接使用微处理器的任意I/O端口即可。

微控制器的第17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、49、50、51、52、53端口分别与电池电压巡检电路的Control-1到Control-21的21个控制端连接，这里电池电压巡检电路从电气上与微处理器的供电源要确保隔离。图5中的晶振X1、电容C4和C5、电阻R53组成微控制的时钟振荡电路；图5中电阻R54与电容C6组成微控制器的复位电路；微控制器的第7管脚接电源+Vs2，第8管脚接Vs2的接地端GND2，在第7、8管脚间并接电容C9、C10；微控制器的第39管脚接电源+Vs2，第38管脚接Vs2的接地端GND2，在第39、38管脚间并接电容C7、C8；微控制器的第57、58管脚接电源+Vs2，第55、56管脚接Vs2的接地端GND2，在第57、58与55、56管脚问并接电容C11、C12；从隔离放大器输出的电池电压信号Vcell输入给微控制器的61管脚。

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电池组单体电池电压采集电路，由电池电压巡检电路、信号调理及隔离电路、微控制器三部分组成；其特征在于：微控制器控制电压巡检电路获取特定单体电池端电压，经过信号调理及隔离电路无损处理后转换为微控制器可以直接处理的电压信号，微控制器A/D转换后可获取对应的单体电池端电压信号。

2.如权利要求1所述的电池组单体电池电压采集电路，其特征在于：所述电池电压巡检电路，由特定数量的固态继电器构成，串联的电池组中的每个节点都分别连接到1路固态继电器的一侧输出脚，所有奇数固态继电器的另一侧输出脚连接到BUS-A，所有偶数固态继电器的另一侧输出脚连接到BUS-B，N节单体电池串联，对应N+1个节点和N+1个固态继电器，其中1≤N≤A，A＝Vbr/Vmax，Vbr为固态继电器耐压值，Vmax为单体电池最高电压，任意时刻，选中相邻的两个固态继电器Re_n、Re_n+1，即可通过BUS-A、BUS-B获取第N节单体电池端电压。

3.如权利要求1所述的电池组单体电池电压采集电路，其特征在于：采样总线BUS-B与信号调理及隔离电路的地相连，采样总线BUS-A与信号调理及隔离电路的双极性运算放大器同相端连接，组成跟随器输出信号由信号调理及隔离电路的绝对值电路处理，单体电池电压信号在采样总线上无衰减。