CN102928789A - 一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，该方法采用分组检测方式，以16片锂电池为一组进行测量，每个检测单元包括：继电器选通阵列、译码器选通单元、精密基准电压源电路、信号调理单元、拨码开关、微处理器MCU以及振动传感器模块和温湿度传感器模块。本发明的微控制器MCU通过继电器选通阵列、译码器选通单元、精密基准电压源电路、信号调理单元对电池单体进行循环检测，传感器模块和温湿度传感器模块将采集的信息通过I2C总线和I/O口分别发送给微控制器MCU，检测单元将采集到锂电池单片电压信息、振动等级信息、温湿度信息通过CAN总线发送给锂电池包主控单元。本发明简洁清晰，可靠性高，能实现对锂电池单片电压信号以及电池组的振动信号、温湿度信号进行高精度检测。

Description

一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法
技术领域
本发明属于一种锂电池组分布式检测方法，具体的说是一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法。
背景技术
锂电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等优点，迅速成为现代混合动力车研发的热点。混合动力对蓄电池电压的要求多在300～400V之间，也有个别电动汽车由于动力的需求会使蓄电池总电压达到500多伏。一般单片锂电池充满电为3.32V以上，要达到几百伏动力源需要一百多片锂电池单片串联，锂电池***在运行过程中由于各种内部或者外部的原因可能会使锂电池单片工作出现异常，从而影响整个锂电池***的性能与安全，为了确保锂电池的正常工作并评估其性能，应对运行参数进行实时监控。在应用于混合动力***的过程中，很多常见因素会影响锂电池工作，如由路面崎岖、撞车、翻车等引起的车体内锂电池振动可能会致使电池***工作性能受到影响；锂电池组在工作过程中会因为发热在电池箱内形成一定的温度梯度，当温度过高时会使电池的性能严重下降，甚至烧毁电池；锂电池中水分的存在不但能够导致锂电池电解液中锂盐的分解并对正负极材料、集流体都有一定的腐蚀破坏作用，而且也导致电池循环性能及安全性能降低，水分子过高也会造成电池容量衰减。因此振动状况、温湿度信息的检测也是锂电池的检测中非常重要的部分。
一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法作为一种新型的锂电池组检测方法，在传统的检测方式中不仅加入了极为重要的振动和温湿度的检测而且在电压检测上做出了改进，传统检测方式中以多个电池单体为一组组成电池模块，测量模块电压，一般模块电压有二十伏左右（以五个电池单体组成电池模块为例），电压较高，一般需要隔离才能输出到下一级，这种方式不仅不能具体的知道每片单体电池的性能（只能知道电池模块的性能），而且还使检测单元更加复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠、可扩展性强的带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，以克服现有技术的不足。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，所述方法以n（n<=16）片串联的锂电池单体为一个检测单元进行测量，每个检测单元对每个锂电池单体进行检测，其特征在于：所述每个检测单元包括：继电器选通阵列、译码器选通单元、精密基准电压源电路、信号调理单元、拨码开关、微处理器MCU以及振动传感器模块和温湿度传感器模块，所述检测单元的检测方法是：微控制器MCU通过译码器控制继电器阵列中任意时刻只有1个继电器选通，被选通的锂电池单片电压信号送入信号调理单元的输入端Vin进行电压调理，信号调理单元的输出端Vout通过微控制器MCU内部A/D模块进行转换，同时微控制器MCU分别通过I2C总线和I/O口获取来自振动传感器和温湿度传感器的信息，并将这些信息通过CAN总线发送给锂电池包主控单元，每个检测单元完全相同，通过拨码开关为每个检测单元设置一个ID号用来做CAN通讯的标示符，以致于锂电池包主控单元能够区分CAN上接受的信息来自于哪个检测单元。
所述检测单元采用自供电模式，其供电电源由八块串联的锂电池供给，然后利用电源模块转换成几种需要的电压等级。
所述每个检测单元对n=16片串联的锂电池单体进行测量，检测由m片单电池串联的锂电池包时，采用N=m/16个检测单元。
所述译码器的输入端分别由微处理器MCU的I/O口控制，当译码器进行16种状态切换时，译码器的输出端依次输出为低电平，驱动继电器阵列中对应的继电器开关闭合。
所述每个检测单元中锂电池单片电压的检测，使用继电器实现对电池单体进行循环检测，在任意时刻只采集一片锂电池电压，每一个检测单元都由16个继电器组成一个继电器阵列，每片电池单片对应一个继电器，每一个继电器中含有两个单继电器，两个单继电器分别控制锂电池单片的正负极，当继电器被选通时，其对应的两个单继电器开关闭合，分别使锂电池单片的正极接调理单元输入端，锂电池单片的负极接地。
上述每片锂电池的正负极由一个内部含有两个单继电器的继电器AQW214EHAZ控制，微控制器MCU通过控制译码器使继电器阵列中任意时候只有一个继电器J i（i=1、2……16）被选通，译码器的输入端A0、A1、A2、A3分别由微处理器MCU的I/O口控制，当A0、A1、A2、A3从0000到1111进行16种状态切换，译码器的输出端Y0～Y15依次输出为低电平，继电器中发光二极管正极接+5V，负极接译码器输出端，属于低电平驱动的，Y0～Y15依次输出为低电平时驱动对应的继电器J i（i=1、2……16）中开关K（2i-1）和K2i（i=1、2……32）闭合，使被选通的锂电池单片负极接地，正极接信号调理单元输入端。输入端信号Vin通过一个电压跟随器接到差分比例放大电路中运算放大器U4的正极输入端，另一边，+4.096V基准电压源输出的4.096V电压经过一个反相器接到差分比例放大电路中运算放大器U4的负极输入端，以抬高输入电压信号的电位，以便对负电压信号进行测量，信号调理单元的输出端经过电容与稳压管组成的限幅输出保护电路之后的输出信号Vout直接与微控制器MCU的内部A/D转换模块相连，MCU内部A/D转换模块由+4.096V基准电压源提供精密基准电压。
所述信号调理单元包括精密轨到轨运放构成的电压跟随器、电压反相器和差分比例放大电路以及精密电阻R1～R6、电容C1～C2以及稳压管，其中单片电压信号的输入端与差分比例放大电路的同相端相连接，精密基准电压源经过电压反相器与差分比例放大电路的反相端相连接，其作用是抬升输入电压信号电位，信号调理单元的输出端设置有电容与稳压管组成的限幅输出保护电路，所述信号调理单元中用于抬升输入电压信号的精密基准电压源来自用于A/D转换的基准电压源。
与现代诸多电池检测***相比，本发明引入了振动信号和温湿度信号的检测，增强了电池***应用的可靠性。为了实现目的，首先采用了freescale公司的加速度传感器MMA7455L采集振动信号，MMA7455L提供了I2C和SPI数字接口，这使微控制器MCU可以通过主控同步串行端口与***模块相连。检测单元的微控制MCU通过I2C总线得到振动信号之后，对振动信号进行判断分级（分为严重振动和轻微振动）。其次对于温湿度的采集采用了奥松公司的AM2303，这是一款数字式集成温湿度传感器，精度高，不需要A/D转换器，只需要通过简单的I/O口给微控制器MCU传递信息。
除此之外，与传统的检测***相比，该检测方式中采用自供电模式，不需要开关电源对检测板进行供电。本检测单元采用的是24V供电，用八片锂电池单片串联作为供电电源。然后利用电源模块将24V电压转换成所需要的各个等级电压。
由于有很多检测板，而且每块检测板以类似并联的形式连接到CAN网络上将采集到的信息发送给锂电池包主控单元，锂电池包主控单元通过CAN网络会接收到来自各个检测板采集到的信息。为了使锂电池主控单元可以区分CAN网络上采集到的信息来自哪个检测板，每个检测板上加入了一个5位的拨码开关，通过拨码开关对每个检测板编号，这个编号作为该检测板CAN通讯时的标示符。拨码开关的拨码依次从00001～11111可以对31快检测板进行标号。锂电池主控单元上CAN通讯时首先会对发送端（检测板）的CAN网标示符进行判断以明确接收的信号来自哪块检测板。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明检测单元自供电电源模块结构示意图。
图3为本发明检测单元工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细阐述。
如图1所示，首先可将检测***分为两部分：锂电池检测单元和锂电池主控单元，这两个部分之间通过CAN网络来连接，检测板采集底层数据，然后通过CAN网络发送给锂电池主控单元。
所述检测单元中采用自供电模式，如图2所示，将八片锂电池单片串联作为供电电源，磷酸盐锂电池单片电压正常工作时约3.3V，充放电过程中电压的变化范围为3.0Ｖ～3.4V,八片锂电池串联起来电压为24～27.2V，可以其看作约24V的供电电源，然后利用电源模块将24V电源转换为所需要的电压等级，该检测单元中所需的电压等级是正负12V和+5V，所以采用的是24V转正负12V电源模块A2412S-1W和24V转+5V电源模块B2405-2W。考虑到CAN接口电路中光隔供电电源需要隔开，所以采用了两个24V转+5V的电源模块。
本发明采用了分布式检测方法，以16片锂电池单体为一个检测单元进行测量，第i个检测单元对锂电池单体C(16t+1)～C(16t+16)（其中t=i-1）进行检测，每个检测单元结构完全相同，主要包括：继电器选通阵列、译码器选通单元、精密基准电压源电路、信号调理单元、拨码开关、微处理器MCU以及振动传感器模块和温湿度传感器模块。唯一的区别在于每个检测单元的ID号不同，检测单元上的拨码开关一次为00001、00010、00011、00100…分别为检测单元1～N进行设置ID（N一般小于31）。通过判断ID号，锂电池主控单元可以判断CAN网络上接收的数据来自于哪个检测单元。
本发明的每个检测单元中的锂电池单片与对应的继电器选通阵列的输出端（K1、K2…K32）相连，继电器选通阵列的输入端发光二极管阴极与译码器的输出端连接。译码器的输入端由微控制器MCU的I/O口控制，当译码器的输入端A0、A1、A2、A3从0000到1111进行16种状态切换，译码器的输出端Y0～Y15依次输出为低电平驱动对应的继电器Ji（i=1、2……16）中开关K（2i-1）和K2i（i=1、2……32）闭合，使被选通的锂电池单片负极接地正极接信号调理单元输入端。译码器的输出任意时刻只有一个为低电平，这就保证了任意时刻只有单片电池在线检测。在线检测的单片电池的电压信号送入信号调理单元的输入端Vin进行电压调理，在信号调理单元中引入了一个4.096V基准电压源以抬升输入信号的电位，以便测量因故障出现的负压值。信号调理单元的输出端Vout直接连接到微控制器MCU的内部A/D模块。继电器选用的是AQW214EHAZ，每个AQW214EHAZ中包含两个单继电器，分别控制着锂电池单片的正负极，由于每个检测单元检测的是16片电池单片，所以选用的译码器使4—16线译码器74HC154，信号调理单元中的电阻采用的是精阻，以保证反相器和比例差分电路的准确性，考虑到信号调理电源中的输入端电压可能超过5V，选用的运放是供电电压可以大于5V的精密运放芯片MAX479,里面含有4个运算放大器，刚好满足信号调理电路中4个运算放大器的需求，信号调理单元中的限幅输出保护电路采用5.1V的稳压管即可，因为经过信号调理单元的输出不会超过5V。内部A/D模块中采用的电压基准是+4.096V，由精确+4.096V电压源X60008ES8-41提供。
本发明中振动传感器模块采用了freescale公司的加速度传感器MMA7455L采集振动信号，MMA7455L提供了I2C和SPI数字接口，这使微控制器MCU可以通过主控同步串行端口与***模块相连。温湿度传感器模块采用了奥松公司的AM2303，这是一款数字式集成温湿度传感器，精度高，不需要A/D转换器，只需要通过简单的I/O口给微控制器MCU传递信息。
本发明检测单元将采集到的电压信号、振动信号、温湿度信号通过CAN网络发送给锂电池包主控单元，检测单元和主控单元上的CAN连接之前都需要一个CAN接口电路，这个接口电路包括光隔和CAN收发器。在CAN接口电路中采用的光隔是高速光隔6N137,CAN收发器采用的是应用于汽车中高速领域的PCA82C250.这是目前使用最为广泛的CAN收发器，支持ISO——11898标准。由图1可见，微控制器MCU需要丰富的I/O口，具有内部A/D转换器，I2C总线、CAN总线，因此检测单元中微控制器MCU采用的MICROCHIP公司的PIC18F258。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，所述方法以n片串联的锂电池单体为一个检测单元进行测量，每个检测单元对每个锂电池单体进行检测，其特征在于：所述每个检测单元包括：继电器选通阵列、译码器选通单元、精密基准电压源电路、信号调理单元、拨码开关、微处理器MCU以及振动传感器模块和温湿度传感器模块，所述检测单元的检测方法是：微控制器MCU通过译码器控制继电器阵列中任意时刻只有1个继电器选通，被选通的锂电池单片电压信号送入信号调理单元的输入端Vin进行电压调理，信号调理单元的输出端Vout通过微控制器MCU内部A/D模块进行转换，同时微控制器MCU分别通过I2C总线和I/O口获取来自振动传感器和温湿度传感器的信息，并将这些信息通过CAN总线发送给锂电池包主控单元，所述每个检测单元完全相同，通过拨码开关为每个检测单元设置一个ID号用来做CAN通讯的标示符，以致于锂电池包主控单元能够区分CAN上接受的信息来自于哪个检测单元。
2.如权利要求1所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，其特征在于，检测单元采用自供电模式，其供电电源由八块串联的锂电池供给，然后利用电源模块转换成几种需要的电压等级。
3.如权利要求1所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，其特征在于，每个检测单元对n=16片串联的锂电池单体进行测量，检测由m片单电池串联的锂电池包时，采用N=m/16 个检测单元。
4.如权利要求1或3所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，其特征在于，所述译码器的输入端分别由微处理器MCU的I/O口控制，当译码器进行16种状态切换时，译码器的输出端依次输出为低电平，驱动继电器阵列中对应的继电器开关闭合。
5.如权利要求1所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，其特征在于，对于每个检测单元中锂电池单片电压的检测，使用继电器实现对电池单体进行循环检测，在任意时刻只采集一片锂电池电压，每一个检测单元都由16个继电器组成一个继电器阵列，每片电池单片对应一个继电器，每一个继电器中含有两个单继电器，两个单继电器分别控制锂电池单片的正负极，当继电器被选通时，其对应的两个单继电器开关闭合，分别使锂电池单片的正极接调理单元输入端，锂电池单片的负极接地。
6.如权利要求1所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，其特征在于，信号调理单元包括精密轨到轨运放构成的电压跟随器、电压反相器和差分比例放大电路以及精密电阻R1～R6、电容C1～C2以及稳压管，其中单片电压信号的输入端与差分比例放大电路的同相端相连接，精密基准电压源经过电压反相器与差分比例放大电路的反相端相连接，其作用是抬升输入电压信号电位，信号调理单元的输出端设置有电容与稳压管组成的限幅输出保护电路，所述信号调理单元中用于抬升输入电压信号的精密基准电压源来自用于A/D转换的基准电压源。   
7.如权利要求1所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，其特征在于：锂电池在应用过程中出现的振动状况的检测采用的是freescale公司MMA7455L来实现的，MMA7455L提供I2C和SPI数字接口。
8.如权利要求7所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，，其特征在于，检测单元微控制器MCU对振动传感器MMA7455L检测到的振动信号进行分析并分级，当振动为严重振动时，记振动标示符flag为1，当为轻微振动时，记振动标示符flag为0。
9.如权利要求1所述的一种带振动和温湿度检测的锂电池组分布式检测方法，其特征在于，锂电池温湿度的检测采用数字式集成温湿度传感器AM2303，其输出信号为数字信号，直接与微控制器MCU的I/O口相连。 
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