CN105353320B - 一种基于串联电池组的电池组间通讯电路及通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于串联电池组的电池组间通讯电路及通讯方法，该电路包括第一子单元和第二子单元，其中第一开关器件通过对第一子单元中的串联电池组进行测量后输出的信号来控制其开关，第二开关器件通过对第二子单元中的串联电池组进行测量后输出的信号来控制其开关；第一开关器件的输出信号经过第二调节电阻输入到第二子单元中，第二开关器件的输出信号经过第一调节电阻输入到第一子单元中。第一子单元和第二子单元包括相应的微控制器，通过微控制器的输出信号来控制开关器件的开关；所述第一微控制器的输入IO口上配置连接有将其连接至高电平的上拉电阻。

Description

一种基于串联电池组的电池组间通讯电路及通讯方法

技术领域

本发明涉及高压电池组的串联电池组的通讯电路，特别涉及一种基于串联电池组的电池组间通讯电路及通讯方法。

背景技术

在混合电动车辆、燃料电池车辆、和电动汽车的驱动技术领域中，通常采用的是电机进行驱动，并通过高压电池组提供电能驱动电机转动来驱动车辆。

高压电池组通常由多个单体电池单元组成，在高压电池组的单体电压测量应用过程中，会遇到高共模电压下电池单体电压测量问题。目前通用做法是将高压电池组分成几个或几十个小的子单元，每一个子单元使用专用电池单体电压测量芯片来测量(比如LTC6803)。每一个子单元都需要跟其它子单元及电池组管理主控制器通讯以交换信息。由于子单元与子单元之间有电位差，所以通讯时需要采用隔离通讯方式，比如目前常见的隔离Can通讯，隔离SPI通讯，隔离RS232通讯等。这些通讯方式中都需要隔离元器件，比如光耦、磁耦、隔离变压器等。由于这些隔离元器件价格都较贵，造成单体电压测量控制器成本较高。

图1示出了在现有技术领域的电池组单体电压测量应用中，常见的隔离CAN通讯方式结构。如图1所示，此方案中，每个子单元包括多个串联的电池。每个子单元包括单独的电池专用单体电压测量芯片用于连接到串联电池组进行电池电压的测量。当每个电池专用单体电压测量芯片测量完单体电压后，将电压数据传送给各自的MCU，MCU通过各自的隔离器件将数据发送至CAN收发器，然后将输入发送至CAN总线，完成子单元与子单元之间的信息交互。此结构中，每一个子单元均输出一路隔离CAN，然后通过CAN总线互相交互信息。然而，上述这种方案中每个单体电池组都需要隔离元器件，由于这些隔离元器件价格都较贵，造成单体电压测量控制器成本较高。而且，隔离CAN通讯方式必需要借助隔离器件才可以满足要求，否则就会因为子单元之间的电势差将CAN收发器损坏甚至损坏整个***。由于隔离器件价格很贵，就造成了***总成本过高，不利于大批量使用。

因此，有必要提供一种更具成本效应且能提供更佳的高压电池组的单体电压测量的电路及方法。

发明内容

本发明针对上面所提到的问题，提供了一种基于串联电池组的电池组间通讯电路，所述电路包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元包括第一开关器件和第一稳压管，所述第二子单元包括第二开关器件、第二稳压管、第一调节电阻和第二调节电阻，其中：所述第一开关器件基于通过对所述第一子单元中的串联电池组进行测量后输出的信号来控制其开关，所述第二开关器件基于通过对所述第二子单元中的串联电池组进行测量后输出的信号来控制其开关，所述第一稳压管、第一调节电阻和所述第二开关器件依次串联连接在高电平和低电平之间，所述第一开关器件、第二调节电阻和所述第二稳压管依次串联连接在所述高电平和低电平之间；所述第一开关器件的输出信号经过第二调节电阻输入到所述第二子单元中，所述第二开关器件的输出信号经过第一调节电阻输入到所述第一子单元中；所述第一子单元还包括第一微控制器，通过所述第一微控制器的输出信号来控制所述第一开关器件的开关；所述第二子单元还包括第二微控制器，通过所述第二微控制器的输出信号来控制所述第二开关器件的开关；所述第一微控制器的输入IO口上配置连接有将其连接至高电平的上拉电阻。

优选地，所述第二微控制器的输入IO口上配置连接有将其连接至低电平的下拉电阻。

优选地，所述第一开关器件是PMOS或PNP三极管，所述第二开关器件是NMOS或者NPN三极管。

优选地，所述第一开关器件和第二开关器件是恒流源。

优选地，当控制所述第一微控制器的输出IO的电平变化时，所述第二微控制器的输入端口电平跟随其电平的变化而变化，当控制所述第二微控制器的输出IO的电平变化时，所述第一微控制器的输入端口电平跟随其电平的变化而变化。

优选地，所述上拉电阻配置在所述第一微控制器内部。

优选地，所述下拉电阻配置在所述第二微控制器内部。

相对于现有技术，本发明的高压电池组单体电压测量***中的各个子单元实现了整个***中的所有子单元之间的双向菊花链式通讯。根据本发明的通讯方式，当所有的单体测量单元都按照这种通讯方式连成一串后。这样数据就可以通过相邻单体测量单元互相通讯，将数据一级一级传递出去，相比于现有技术更加快捷，成本更低。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了在现有技术领域的电池组单体电压测量应用中的隔离CAN通讯方式结构。

图2示意性地示出了根据本发明的菊花链式高压电池组单体电池电压测量电路的电路结构示意图。

图3示意性地示出了第二子单元中的第二微控制器的输入IO端口电平跟随第一子单元的第一微控制器的输出IO口变化的电压时序图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图2示意性地示出了根据本发明的菊花链式高压电池组单体电池电压测量电路的电路结构示意图。如图2所示，在根据本发明的菊花链式高压电池组单体电池电压测量电路中包括第一子单元110和第二子单元120，具体地，第一子单元110包括多个串联的电池构成的第一串联电池组111，用于测量第一串联电池组111的第一电池电压测量专用芯片112，第一电池电压测量专用芯片112测量得到的数据输出到第一微控制器113。第一子单元110还包括第一稳压器114，用于为第一电池电压测量专用芯片112、第一微控制器113及其他元器件提供稳定的电压输入，例如5V。

类似地，第二子单元120包括多个串联的电池构成的第二串联电池组121，用于测量第二串联电池组121的第二电池电压测量专用芯片122，第二电池电压测量专用芯片122测量得到的数据输出到第二微控制器123。第二子单元120还包括第二稳压器124，用于为第二电池电压测量专用芯片122、第二微控制器123及其他元器件提供稳定的电压输入，例如5V。

根据本发明的一个实施例，第一子单元110和第二子单元120中串联电池组的电池串联数量为12节。对于锂电池来说，12节串联电池的总电压在18V至60V之间。即V2点的电平高于V1点的电平18V至60V，V4点的电平高于V3点的电平18V至60V。V3点的电平大于等于V2点的电平。第一子单元110中地电平GND1高于第二子单元120中的地电平GND2。

第一电池电压测量专用芯片112和第二电池电压测量专用芯片122分别各自输出的测量信号可以通过总线(例如SPI、RS232、I2C等)传输给各自的微控制器，即第一微控制器113和第二微控制器123。例如，当电压测量专用芯片测量到电池电压为3000mV，就通过总线给微控制器发送了一个数值为3000的数据。微控制器内部数据是二进制方式，即101110111000b。微控制器可以将这串二进制中的1定义为高电平，0定义为低电平。则这串二进制就转换成了高电平、低电平、高电平、高电平、高电平、低电平、高电平、高电平、高电平、低电平、低电平、低电平。微控制器按照固定时间间隔，控制其IO口输出这串高低电平序列。就实现了上一级的测量芯片输出的测量信号通过微控制器的IO进行输出。

第一微控制器113和第二微控制器123可以通过内部写入的控制程序来进行控制，当程序执行到对应代码时，可以控制其微控制器的IO输出高或低电平。例如，微控制器的IO口设置有对应的寄存器，通过往寄存器里面写数字0，IO口就输出低电平；写数字1，IO口就输出高电平。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，在第一子单元110的第一微控制器113的输入IO口上配置连接有上拉电阻R3，用于通过上拉电阻R3将第一微控制器113的输入IO口的输入电压钳位在高电平，即第一稳压器114的输出高电平电压。由于第一微控制器113的输入IO口是以高、低电平来判断是否有信号变化的，上拉电阻R3可以确保将不确定的信号通过电阻钳位在高电平，以保证输入IO口管脚检测信号的准确性和稳定性。可选地，若第一微控制器113内部支持配置上拉电阻，则可以省去此电阻R3。

同理地，根据本发明的一个实施例，在第二子单元120的第二微控制器123的输入IO口上配置连接有下拉电阻R4，用于通过下拉电阻R4将第二微控制器123的输入IO口的输入电压钳位在低电平，即GND。由于第二微控制器123的输入IO口是以高、低电平来判断是否有信号变化的，下拉电阻R4可以确保将不确定的信号通过电阻钳位在低电平，以保证输入IO口管脚检测信号的准确性和稳定性。可选地，若第二微控制器114内部支持配置下拉电阻，则可以省去此下拉电阻R4。

第一子单元110还包括第一开关器件116，这里以PMOS开关器件116为例。第一微控制器113的输出IO口与PMOS开关器件116的栅极(G)相连，继而可以通过控制第一微控制器113的输出IO口的高低电平来控制PMOS开关器件116的关闭与导通。

第二子单元120还包括第二开关器件126，这里以NMOS开关器件126为例。第二微控制器123的输出IO口与NMOS开关器件126的栅极(G)相连，继而可以通过控制第二微控制器123的输出IO口的高低电平来控制NMOS开关器件126的关闭与导通。

第一子单元110还包括第一稳压管(Z1)115，第一稳压管(Z1)115的正极连接到第一微控制器113的输入IO端口，负极连接到第一稳压器114的输出端。当第一稳压管(Z1)115的正极端电平有变化时，其电平变化的信号可以通过第一微控制器113的输入IO端口输入第一微控制器113中，从而通过第一微控制器113识别出来。

第二子单元120还包括第二稳压管(Z2)125，第二稳压管(Z2)125的负极连接到第二微控制器113的输入IO端口，正极连接到GND端。当第二稳压管(Z2)125的负极端电平有变化时，其电平变化的信号可以通过第二微控制器123的输入IO端口输入第二微控制器123中，从而通过第二微控制器123识别出来。

另外，在第一稳压管(Z1)115的正极和NMOS开关器件126之间连接有第一调节电阻R1，在第二稳压管(Z2)125的负极和PMOS开关器件116之间连接有第二调节电阻R2。

根据本发明的另一实施例，PMOS开关器件可以使用PNP三级管替代，控制方式不变。NMOS管可以使用NPN三极管替代，控制方式不变。

根据本发明的另一实施例，PMOS管可以使用一个恒流源替代，用微控制器控制恒流源输出使能或者切断与打开恒流源供电的方式进行通讯控制。NMOS管可以使用一个恒流源替代，用微控制器控制恒流源输出使能或者切断与打开恒流源供电的方式进行通讯控制。

下面详述一下根据本发明的菊花链式高压电池组单体电池电压测量电路的电路工作原理。

如图2所示，当NMOS开关器件126导通时，会有一个电流I1从第一子单元110中的第一稳压器114输出的5V供电源依次流经通过第一稳压管(Z1)115、第一调节电阻R1、NMOS开关器件126流至第二子单元120中的地电平GND2，通过调整第一调节电阻R1的阻值可以控制电流I1的大小。调节电流I1大小的目的是提高***的抗干扰能力。电流越大，抗干扰能力越强，但通讯时功耗较大。优选地，第一调节电阻R1可以在***初始时设定一个固定值电阻，而在通讯过程中第一调节电阻R1的阻值是固定的。由于第一稳压管115反向击穿时具有稳压作用，当有I1电流流过时第一稳压管115两端就形成连一个稳定的电压，例如5V，即第一子单元110中的第一微控制器113的输入IO端口的电平为0V。当NMOS开关器件126关闭时，没有I1电流流经时，由于上拉电阻R3的上拉作用，会将第一稳压管115的正极端的电压上拉到5V，导致第一稳压管115两端的电压降低为0V，即第一子单元110中第一微控制器113的输入IO端口电平变为5V。

当PMOS开关器件116导通时，会有一个电流I2从第一子单元110中第一稳压器114输出的5V供电端依次流经通过PMOS开关器件116、第二调节电阻R2、第二稳压管125流至第二子单元120中的地电平GND2。通过调整电阻R2的阻值可以控制电流I2的大小。由于第二稳压管125反向击穿时具有稳压作用，当有I2电流流过时第二稳压管125两端就形成连一个稳定的电压5V，即第二子单元120中第二微控制器123的输入IO端口电平为5V；当PMOS开关器件116关闭时，没有I2电流流过，由于下拉电阻R4的下拉作用，会将第二稳压管125两端的电压降低为0V，即第二子单元120中第二微控制器123的输入IO端口电平变为0V。

因此，当第一子单元110的第一微控制器113控制其输出IO口为高电平时，PMOS开关器件116关闭，没有电流I2流过第二稳压管125，此时第二子单元120中的第二微控制器123输入IO端口电平为0V，即被下拉电阻R4下拉为低电平0。当第一子单元110中的第一微控制器113控制输出IO为低电平时，PMOS开关器件116导通，有电流I2流过第二稳压管125，此时第二子单元120中的第二微控制器123输入端口电平为5V即为高电平。此时就实现连第一子单元110将数字信号按照固定的波特率传送给第二子单元120。

图3示意性地示出了第二子单元120中的第二微控制器123的输入IO端口电平跟随第一子单元110的第一微控制器113的输出IO口变化的电压时序图。

同理，当第二子单元120的第二微控制器123控制其输出IO为高电平时，NMOS开关器件126导通，有电流I1流过第一稳压管115，此时第一子单元110中的第一微控制器113输入端口电平为0V即为低电平0。当第二子单元120中的第二微控制器123控制其输出电平为低电平时，NMOS开关器件126关闭，没有电流流过稳压管Z1，此时第一子单元110中的第一微控制器113的输入IO口电平为5V，即为高电平1。此时就实现了第二子单元120将数字信号按照固定的波特率传送给第一子单元110。

按照上述控制方法，即可实现第一子单元110与第二子单元120中的双向输出传输，并且为全双工传输。

高压电池组单体电压测量***中的其他子单元也采用此种结构，就实现了整个***中的所有子单元之间的双向菊花链式通讯。根据本发明的通讯方式，当所有的单体测量单元都按照这种通讯方式连成一串后。这样数据就可以通过相邻单体测量单元互相通讯，将数据一级一级传递出去。例如，当第一子单元要跟第三子单元通讯。则需要第一子单元将数据传递给第二子单元，然后第二子单元将数据传递给第三子单元。这样数据通过子单元之间互相传递，可以将其中一个子单元的信息传递给这个新型通讯网络中的所有子单元。

当子单元中的电池电压测量专用芯片测量完电池单体电压后，将电压数据传送给其微控制器然后同过此种通讯方式将电池单体电压传送给其它子单元。

两条通讯线还可以采用将其中一条作为SCK(时钟信号)，这样通讯时可以避免波特率不匹配带来的输出传输误差。

此种方式的通讯速度跟子单元中选择的微控制器工作主频相关，主频高时允许更快的通讯速率。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于串联电池组的电池组间通讯电路，所述电路包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元包括第一开关器件和第一稳压管，所述第二子单元包括第二开关器件、第二稳压管、第一调节电阻和第二调节电阻，其中：

所述第一开关器件基于通过对所述第一子单元中的串联电池组进行测量后输出的信号来控制其开关，所述第二开关器件基于通过对所述第二子单元中的串联电池组进行测量后输出的信号来控制其开关，

所述第一稳压管、第一调节电阻和所述第二开关器件依次串联连接在高电平和低电平之间，所述第一开关器件、第二调节电阻和所述第二稳压管依次串联连接在所述高电平和低电平之间；

所述第一开关器件的输出信号经过第二调节电阻输入到所述第二子单元中，所述第二开关器件的输出信号经过第一调节电阻输入到所述第一子单元中；

所述第一子单元还包括第一微控制器，通过所述第一微控制器的输出信号来控制所述第一开关器件的开关；

所述第二子单元还包括第二微控制器，通过所述第二微控制器的输出信号来控制所述第二开关器件的开关；

所述第一微控制器的输入IO口上配置连接有将其连接至高电平的上拉电阻。

2.如权利要求1所述的电池组间通讯电路，其中所述第二微控制器的输入IO口上配置连接有将其连接至低电平的下拉电阻。

3.如权利要求1所述的电池组间通讯电路，其中所述第一开关器件是PMOS或PNP三极管，所述第二开关器件是NMOS或者NPN三极管。

4.如权利要求1所述的电池组间通讯电路，其中所述第一开关器件和第二开关器件是恒流源。

5.如权利要求1所述的电池组间通讯电路，其中当控制所述第一微控制器的输出IO的电平变化时，所述第二微控制器的输入端口电平跟随其电平的变化而变化，当控制所述第二微控制器的输出IO的电平变化时，所述第一微控制器的输入端口电平跟随其电平的变化而变化。

6.如权利要求1所述的电池组间通讯电路，其中所述上拉电阻配置在所述第一微控制器内部。

7.如权利要求2所述的电池组间通讯电路，其中所述下拉电阻配置在所述第二微控制器内部。