CN113140814A - 一种适用于多电芯的芯片级联采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种适用于多电芯的芯片级联采集装置，包括级联的至少两个采集芯片，级联的第一个采集芯片与MCU连接，其余采集芯片通过隔离芯片与MCU连接，至少在第一个采集芯片的地线处连接与有用于抵消其他采集芯片功耗的功耗补偿电路。与现有技术相比，本发明具有功耗平衡、延长电池组使用寿命等优点。

Description

一种适用于多电芯的芯片级联采集装置

技术领域

本发明及锂电池技术领域，尤其是涉及一种适用于多电芯的芯片级联采集装置。

背景技术

随着科技发展，锂电逐步替代铅酸应用于电力的储能上。锂电池组一般由多节锂电芯串联或并联组成，需要专用的保护模块对电芯进行管理，简称为BMS。目前市面上BMS对电池组中的电芯电压、电流、温度的采集都使用专用芯片(以下称为采集芯片(AFE))，如：linear的LTC6803、LAPIS的ML5238、TI的BQ76940、中颖的SH367309等。由于AFE的制程原因，此类芯片一般最多只能支持10～16串电芯的管理。在实际应用过程中往往出现有大于16串电池串联使用的需求，那么就需要多个采集芯片进行级联使用，如图1所示。

而在多个采集芯片级联使用时会存在多种问题。以两个芯片级联使用为例，使用过程中两个芯片之间的工况不能完全一样，AFE1为主芯片，采集包括电芯电压、电流、温度等参数，AFE2芯片主要采集电芯电压参数，工况的不一样造成的功耗不一样，不能实现相互抵消，且波动较大，实际测量会达到300～600uA的电流差，长时间使用后会造成两个AFE芯片所对应管理的电芯的电压不一样。如图1中，CELL1～CELL16的电芯电压与CELL17～CELL32的电芯电压相差甚大，严重影响电池的总放电量，造成使用时间缩短的问题，同时会影响到电池组的寿命，增加管理成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于多电芯的芯片级联采集装置，通过降低各采集芯片间的功耗差，保证电池组使用寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种适用于多电芯的芯片级联采集装置，包括级联的至少两个采集芯片，级联的第一个采集芯片与MCU连接，其余采集芯片通过隔离芯片与MCU连接，至少在第一个采集芯片的地线处连接与有用于抵消其他采集芯片功耗的功耗补偿电路。

进一步地，所述功耗补偿电路连接于对应采集芯片的地线与该采集芯片所连接的最后一节电芯之间。

进一步地，所述功耗补偿电路包括半导体器件，该半导体器件分别通过一电阻连接所述最后一节电芯、地以及补偿开关。

进一步地，所述半导体器件包括三极管、MOS管或光耦。

进一步地，所述隔离芯片连接有隔离电源，所述隔离电源与总电源连接。

进一步地，所述隔离芯片和隔离电源一体化封装设置。

进一步地，所述第一个采集芯片具有充放电MOS驱动端，所述MCU采集各所述其余采集芯片的电压信号后融合产生一第一驱动指令，传输至所述第一个采集芯片，所述第一个采集芯片组合所述第一驱动指令与自身电压信号产生第二驱动指令，通过所述充放电MOS驱动端发出。

进一步地，所述MCU连接有MOS驱动芯片，所述MCU采集所有所述采集芯片的电压信号后融合产生一驱动指令，通过所述MOS驱动芯片发出。

进一步地，所述第一个采集芯片的供电端通过降压模块与总电源连接，所述其余采集芯片由其所连接的电芯提供电源。

进一步地，所述降压模块包括LDO或稳压二级管。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够有效解决现有多采集芯片级联使用时存在的由于功耗不一致而影响电池组使用寿命的问题，有效减小管理成本。

2、本发明在采集芯片所连接的最后一节电芯与该采集芯片地间连接有功耗补偿电路，与其他采集芯片产生的功耗相抵消，达到恒流补偿的目的，即使各采集芯片运行于不同工况下，功耗波动也较小；同时通过功耗补偿电路的设计，也可以减小AFE芯片本身的差异影响，更大程度地达到各芯片的均衡。

3、本发明的隔离芯片由单独的隔离电源进行供电，隔离电源与总电源连接，这样可以使由通讯造成的功耗波动转移到总供电回路上，让所有电芯承担一样的功耗，避免由于隔离芯片影响芯片间的通讯而产生大幅度功耗波动。

4、本发明由单个采集芯片或由MCU统一产生对MOS管的驱动信号，将多个驱动的开或关产生的组合波动转化为单一波动，有效减少对电芯的差异化影响。

5、本发明的第一个采集芯片的供电端通过降压模块与总电源连接，将功耗波动转移到总压上，可以有效减少对电芯的差异化影响，把分化的供电方式改为总压供电的方式，使所有的电芯承担一样的功耗，改善由于管理芯片应用不当带来的电池压差问题，延长电池组的使用寿命。

附图说明

图1为现有两个芯片级联使用场景示意图；

图2为本发明实施例中两个芯片级联使用场景示意图；

图3为实施例中采用的功耗补偿电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

针对多个采集芯片级联使用中存在的问题，本申请发明人对可能的影响因素进行大量创造性分析与推理。参考图1所示，以两个采集芯片级联使用为例，主要包括以下几个方面对功耗造成影响的问题：

1、工作状态下通讯的影响。与通讯隔离芯片的供电、通讯速度、芯片间的通讯时间差等因素有关。由于级联原因，AFE2的地线对应的是AFE1的供电，零电位不等，通讯时需要使用通讯隔离芯片，AFE2隔离供电使用的是CELL17～CELL32之间通过LDO等方式降压后提供。再加上通讯速率，芯片间的通讯时间差等的影响，会有较大幅度的功耗波动。

2、MOS驱动的影响。AFE2芯片的MOS管输出状态与AFE1芯片的MOS管输出状态进行逻辑与处理后再驱动MOS管，实现MOS管的开和关。AFE2相对AFE1来说，由于电压比较高，所消耗的功耗也比较大。AFE2供电电压也会随着电芯电压的下降变化产生功耗变化。

3、AFE芯片的供电。AFE1芯片供电由CELL1～CELL16提供，AFE2芯片供电由CELL17～CELL32提供。在工况不一样的情况下(如通讯时间差)会造成功耗波动。

4、AFE芯片本身的差异。芯片本身一致性的原因，造成的功耗消耗差。

本发明提供一种能够解决上述技术问题的适用于多电芯的芯片级联采集装置，包括级联的至少两个采集芯片，级联的第一个采集芯片与MCU连接，其余采集芯片通过隔离芯片与MCU连接。使用时，每个采集芯片对应连接设定数量的电芯，数量可根据实际应用调整。上述装置中，至少在第一个采集芯片的地线处连接与有用于抵消其他采集芯片功耗的功耗补偿电路。所述功耗补偿电路连接于对应采集芯片的地GND与该采集芯片所连接的最后一节电芯之间。

在其他实施方式中，可以根据各采集芯片的功耗，在多个采集芯片上增加功耗补偿电路。

在一种实施方式中，功耗补偿电路包括半导体器件，该半导体器件分别通过一电阻连接最后一节电芯、地以及补偿开关。补偿开关使用使能芯片。半导体器件可为三极管、MOS管或光耦等。该功耗补偿电路的参数设计可以根据

在一种实施方式中，隔离芯片连接有隔离电源。隔离芯片也可以和隔离电源一体化封装设置。

在一种实施方式中，第一个采集芯片具有充放电MOS驱动端，MCU采集各其余采集芯片的电压信号后融合产生一第一驱动指令，传输至第一个采集芯片，第一个采集芯片组合第一驱动指令与自身电压信号产生第二驱动指令，通过充放电MOS驱动端发出。该种实施方式中，统一由第一个采集芯片对MOS管进行驱动，实现单一波动。

在另一种实施方式中，MCU连接有MOS驱动芯片，MCU采集所有采集芯片的电压信号后融合产生一驱动指令，通过MOS驱动芯片发出。该种实施方式中，统一由MCU对MOS管进行驱动，实现单一波动。

第一个采集芯片的供电端通过降压模块与总电源连接，其余采集芯片由其所连接的电芯提供电源。降压模块采用LDO或稳压二级管等。

实施例1

本实施例提供一种适用于多电芯的芯片级联采集装置，参考图2所示，该装置包括级联的两个采集芯片AFE1和AFE2，AFE1与MCU连接，AFE2通过隔离芯片10与MCU连接，隔离芯片10连接有隔离电源20，AFE1具有充放电MOS驱动端，MCU采集AFE2的电压信号后产生第一驱动指令，传输至AFE1，AFE1组合第一驱动指令与自身电压信号产生第二驱动指令，通过充放电MOS驱动端发出。本实施例中，AFE1和AFE2各连接16个电芯，分别为CELL1～CELL16和CELL17～CELL32。

AFE1的供电端通过降压模块30与总电源VCC连接，AFE2由其所连接的电芯提供电源。降压模块采用LDO或稳压二级管等。

各采集芯片与多电芯连接时，在AFE1所连接的最后一节电芯，即CELL16的接地线处连接有用于抵消采集芯片功耗的功耗补偿电路40。本实施例中，功耗补偿电路的结构如图3所示，包括三极管Q1以及分别连接Q1的电阻R1、R2和R3，R1与开关EN连接，R2接地，R3与电芯CELL16连接，其中，EN为补偿电路的开关，在非工作状态下可关闭补偿；R2为关键器件，达到恒流补偿的目的，取值根据实际电路进行调试。

本实施例中采用的通讯方式为I2C通讯方式。根据AFE的通讯接口不一样，可能是UART、SPI等接口。

实施例2

参考图2所示，本实施例提供的适用于多电芯的芯片级联采集装置中，MCU连接有MOS驱动芯片，MCU采集所有采集芯片的电压信号后融合产生一驱动指令，通过MOS驱动芯片发出。其余同实施例1。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于多电芯的芯片级联采集装置，包括级联的至少两个采集芯片，级联的第一个采集芯片与MCU连接，其余采集芯片通过隔离芯片与MCU连接，其特征在于，至少在第一个采集芯片的地线处连接与有用于抵消其他采集芯片功耗的功耗补偿电路。

2.根据权利要求1所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述功耗补偿电路连接于对应采集芯片的地线与该采集芯片所连接的最后一节电芯之间。

3.根据权利要求2所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述功耗补偿电路包括半导体器件，该半导体器件分别通过一电阻连接所述最后一节电芯、地以及补偿开关。

4.根据权利要求3所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述半导体器件包括三极管、MOS管或光耦。

5.根据权利要求1所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述隔离芯片连接有隔离电源，所述隔离电源与总电源连接。

6.根据权利要求4所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述隔离芯片和隔离电源一体化封装设置。

7.根据权利要求1或5所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述第一个采集芯片具有充放电MOS驱动端，所述MCU采集各所述其余采集芯片的电压信号后融合产生一第一驱动指令，传输至所述第一个采集芯片，所述第一个采集芯片组合所述第一驱动指令与自身电压信号产生第二驱动指令，通过所述充放电MOS驱动端发出。

8.根据权利要求1或5所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述MCU连接有MOS驱动芯片，所述MCU采集所有所述采集芯片的电压信号后融合产生一驱动指令，通过所述MOS驱动芯片发出。

9.根据权利要求1或5所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述第一个采集芯片的供电端通过降压模块与总电源连接，所述其余采集芯片由其所连接的电芯提供电源。

10.根据权利要求9所述的适用于多电芯的芯片级联采集装置，其特征在于，所述降压模块包括LDO或稳压二级管。

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