CN114156982A - Bms***零点漂移补偿电路及方法 - Google Patents

Bms***零点漂移补偿电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种BMS***零点漂移补偿电路，补偿电路包括电压检测模块、电压调节模块、模数转换模块与控制模块。模数转换模块分别连接电压调节模块与控制模块，控制模块控制所述模数转换模块测量电压调节模块的测量电压值，并获取测量电压值；控制模块还用于控制AFE芯片采集所述待检电池的采样电压值，并获取该采样电压值。此外，还提供了一种BMS***零点漂移补偿方法。上述BMS***零点漂移补偿电路及方法，针对半导体器件易受零点漂移影响，减少半导体元件的使用，采用不易受零点漂移影响的高精度电阻作为基准元件，减小了补偿过程中零点漂移的影响，使对AFE芯片的零点漂移补偿较准确。

Description

BMS***零点漂移补偿电路及方法
技术领域
本发明涉及锂电池储能技术领域，特别是涉及一种BMS***零点漂移补偿电路及方法。
背景技术
随着国家对新能源行业的政策倾斜，锂电池及BMS(battery management system，电池管理***)***被大量应用在诸多领域。为精确快速采集电池电压信息，BMS***通常采用专业的AFE(analog front end，模拟前端)芯片进行采样。但包括AFE芯片在内的半导体器件往往会受到环境温度变化而发生零点漂移，造成采样失真。
零点漂移是半导体器件的固有特性，而温度影响又是零点漂移中的主要因素。该过程是半导体器件受到温度影响，静态工作点发生移动，造成放大失真，随着逐级放大，误差被显著放大，使得采样不准确。BMS***为了保障锂电池安全工作，对电压采集精度有这较高要求，零点漂移带来的误差无法忽视。
在BMS***中，每个AFE芯片所处的环境并不会完全相同，每个芯片本身的体质也不会完全相同，所以受到零漂影响往往差异极大，难以估计。何时进行补偿，补偿多少，均难以确定。传统方法一般通过检测电路板温度值，按照芯片厂商提供的温漂曲线，统一加一定补偿量作为零漂移补偿。但是，由于每个芯片受零漂移影响不同，芯片之间体质也存在差异，这种补偿方式反而可能放大误差，甚至在如储能这些对充放电电压有严格要求的行业，这种补偿方式甚至可能给电芯造成过充风险。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可减小受零点漂移影响、补偿较准确的BMS***零点漂移补偿电路及方法。
一种BMS***零点漂移补偿电路，所述补偿电路包括电压检测模块、电压调节模块、模数转换模块与控制模块；
所述电压检测模块包括运放、同相输入电阻、反相输入电阻、同相接地电阻与反馈电阻，所述同相输入电阻的一端接所述运放的同相输入端与同相接地电阻的一端，所述同相接地电阻的另一端接地，所述同相输入电阻的另一端用于接待检电池的正极；所述反向输入电阻的一端接所述运放的反相输入端与反馈电阻的一端，所述反馈电阻的另一端接所述运放的输出端，所述反相输入电阻的另一端用于接所述待检电池的负极；
所述电压调节模块包括测量电阻、多个分压电阻以及对应的继电器，所述多个分压电阻的一端接地，另一端分别通过对应的继电器的主电路接所述测量电阻的一端，所述测量电阻的另一端接所述运放的输出端，所述继电器的控制电路接所述控制模块；
所述模数转换模块分别连接所述电压调节模块与控制模块，所述控制模块控制所述模数转换模块测量所述电压调节模块的测量电压值，并获取所述测量电压值；所述控制模块还用于控制AFE芯片采集所述待检电池的采样电压值，并获取所述采样电压值。
进一步的，所述模数转换模块为ADC芯片。
进一步的，所述控制模块为BMS***中电池包从板控制MCU。
进一步的，所述电压调节模块还包括滤波电阻与滤波电容，所述滤波电阻的一端接所述测量电阻与所述运放的输出端相接的一端，另一端接地，所述滤波电容的一端接所述测量电阻的另一端，另一端接地。
进一步的，所述同相输入电阻、反相输入电阻、反馈电阻与同相接地电阻的阻值相同。
进一步的，所述多个分压电阻的阻值相同。
一种BMS***零点漂移补偿方法，所述方法包括：
将电压检测模块连接待检电池的两端；
控制模块控制模数转换模块测量电压调节模块调节为不同电压时的测量电阻两端的多个测量电压值；
解算所述多个测量电压，获得待检电池的真实电压值与所述模数转换模块的时间漂移参数；
比较所述真实电压值与所述AFE芯片采集的所述待检电池的采样电压值，获得零点漂移补偿量。
进一步的，所述控制模块控制模数转换模块采集电压调节模块调节为不同电压时的测量电阻两端的多个测量电压，之前还包括：
对参数进行校准，标定初始偏差参数。
进一步的，所述方法还包括：
通过电压调节模块改变测量电阻两端的电压，获取待检电池的多个真实电压值；
将所述多个真实电压值输入卡尔曼滤波器，获得稳定的真实电压值。
上述BMS***零点漂移补偿电路及方法，针对半导体器件易受零点漂移影响，减少半导体元件的使用，采用不易受零点漂移影响的高精度电阻作为基准元件，减小了补偿过程中零点漂移的影响，使对AFE芯片的零点漂移补偿较准确。
附图说明
图1为一个实施例的BMS***零点漂移补偿电路图；
图2为一个实施例的BMS***零点漂移补偿方法流程图。
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、完整地说明，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在一个实施例中，一种BMS***零点漂移补偿电路，包括电压检测模块、电压调节模块、模数转换模块U4与控制模块U2。
电压检测模块包括运放U1、同相输入电阻、反相输入电阻、同相接地电阻R5与反馈电阻R6，其中，同相输入电阻包括串联的两个电阻R2、R4，反相输入电阻包括串联的两个电阻R1、R3。同相输入电阻的一端接运放U1的同相输入端与同相接地电阻R5的一端，同相接地电阻R5的另一端接地。同相输入电阻R5的另一端用于接待检电池BAT0的正极。反向输入电阻的一端接运放U1的反相输入端与反馈电阻R6的一端，反馈电阻R6的另一端接运放U1的输出端，反相输入电阻的另一端用于接待检电池BATO的负极。模数转换模块U4为ADC(Analog-to-Digital Converte，模数转换器)芯片。控制模块U2为BMS***中电池包从板控制MCU。同相输入电阻、反相输入电阻、反馈电阻R6与同相接地电阻R5的阻值相同。多个分压电阻的阻值相同。
电压调节模块包括测量电阻R7、多个分压电阻以及对应的继电器，本实施例采用四个分压电阻R9、R10、R11、R12与对应的四个继电器RL1、RL2、RL3、RL4。多个分压电阻的一端接地，另一端分别通过对应的继电器的主电路接测量电阻R7的一端，测量电阻R7的另一端接运放U1的输出端，继电器的控制电路接控制模块U2。电压调节模块还包括滤波电阻R8与滤波电容C1，滤波电阻R8的一端接测量电阻R7与运放U1的输出端相接的一端，滤波电阻R8另一端接地，滤波电容C1的一端接测量电阻R7的另一端，滤波电容C1的另一端接地。
模数转换模块U4分别连接电压调节模块与控制模块U2，控制模块U2控制模数转换模块U4采集电压调节模块的测量电压值，并获取该测量电压值；控制模块还用于控制AFE芯片采集待检电池的采样电压值，并获取该采样电压值。
在储能***中，多节锂电池以串联形式连接，每个AFE芯片负责若干串锂电池的监测。电压检测模块连接在每个AFE芯片负责锂电池串的总负极起第一节电池，即待检电池BAT0的两端。由于零点漂移是随着环境温度时刻变化的，所以电压检测模块需要实时连接待检电池BAT0。由于运放U1虚断特性，电压检测模块入口阻抗极高，不会对主电路造成影响。由于三极管、MOS管等常用开关原件导通均会产生电压降，电压降参数无法精确确定，且半导体元件易受零点漂移影响。继电器依靠内部触电吸合控制电路通断，不会产生电压降，不易受到零点漂移影响，所以所有开关原件均采用继电器控制电路通断。
本实施例中，所有电阻均为高精度电阻。运放U1为集成运算放大器。滤波电阻R8与滤波电容C1构成低通滤波器，滤除电路中高频杂波干扰。
ADC芯片的采样管脚分别接在测量电阻R7两端。ADC芯片与控制模块U2通讯，控制模块U2向ADC芯片发出采样指令，ADC芯片将采样结果传输给控制模块U2。控制模块U2为BMS***电池包从板控制MCU，其在控制AFE芯片工作、与BMS***上层通讯外，需要与ADC芯片通讯，同时控制继电器RL1、RL2、RL3、RL4通断。
如图2所示，一个实施例中，一种BMS***零点漂移补偿方法，包括以下步骤：
步骤S210，将电压检测模块连接待检电池的两端。
步骤S220，控制模块控制模数转换模块采集电压调节模块调节为不同电压时的测量电阻两端的多个测量电压值。在该步骤之前，需要对参数进行校准，标定初始偏差参数。
步骤S230，解算多个测量电压值，获得待检电池的真实电压值与模数转换模块的时间漂移参数。
步骤S240，比较真实电压值与AFE芯片采集的待检电池的采样电压值，获得零点漂移补偿量。
在本实施例中，BMS***零点漂移补偿方法，还包括：
通过电压调节模块改变测量电阻两端的电压，获取待检电池的多个真实电压值；将多个真实电压值输入卡尔曼滤波器，获得稳定的真实电压值。
常温条件下，各个元器件未受到零点漂移影响，且由于各元件存在体质差异，工艺安装存在误差，需要对参数进行校准，标定初始偏差参数α1，此参数为AFE芯片与采样ADC芯片的初始误差。由于零点漂移受***温度实时影响，需要默认接入主电路中，实时采样，随时校准。运算放大器由于其虚断属性，输入阻抗极大，所以对主电路影响极小。基于运算放大器的差分放大器，由于其同相输入端、反向输入端同时接入两路共模信号，叠加时恰好可以规避零点漂移造成的影响。通过差分放大器相关公式计算可知，放大倍数为1:1。当开始校准时，AFE芯片需要对待检电池BAT0进行采样，保留总负极起第一节电池电压数据作为样本数据AFE芯片采样电压值B0，同时，ADC芯片开始测量。分压电阻R9、R10、R11、R12并联后，与测量电阻R7串联，分压电阻R9、R10、R11、R12的阻值相同，且为测量电阻R7的四倍，如分压电阻R9、R10、R11、R12的阻值为4kΩ，测量电阻R7阻值为1kΩ。通过控制继电器RL1、RL2、RL3、RL4通断，改变并联等效阻值，并联等效电阻与测量电阻R7分压。改变并联等效电阻阻值，即改变测量电阻R7分压值，其目的在于消除未知的ADC芯片零点漂移参数β1。例如，当继电器RL1、RL2、RL3、RL4全部吸合，分压电阻R9、R10、R11、R12全部并联，其等效阻值为单个电阻值的1/4，即1kΩ。由于测量电阻R7阻值为1kΩ，所以分压比例为1:1。由于测量到的待测电池BAT0电压值受到零点漂移影响，并不是真实值，所以设待测电池BAT0真实电压值为U。分压比例为1:1，则R7两侧电压为U/2。由于ADC芯片受到未知的零点漂移影响，测量的电压值不是真实值，则设ADC芯片时间漂移参数为β1。此时ADC芯片测量值B1＝U/2+β1。将继电器RL1、RL2吸合，即将分压电阻R9、R10并联，其等效阻值为单个电阻值的1/2，即为2kΩ。由于测量电阻R7阻值为1kΩ，所以分压比例为2:1，则R7两侧电压为U/3。此时ADC芯片测量值B2＝U/3+β1。将继电器RL1吸合，即分压电阻R9直接与测量电阻R7串联，分压电阻R9阻值为4kΩ，测量电阻R7阻值为1kΩ，所以分压比例为4:1，则测量电阻R7两侧电压为U/5。此时ADC芯片测量值B3＝U/5+β1。此时可以得到三个方程：B1＝U/2+β1、B2＝U/3+β1、B3＝U/5+β1，将其联立结算，即可得到ADC芯片时间漂移参数为β1的值与待测电池BAT0真实电压值U。
为了防止电路波动、元件误差、电磁干扰等造成的误差，需要对真实电压值U多次测量，并输入卡尔曼滤波器，滤除干扰值，得到稳定可信的真实电压值U。在没有零点漂移影响时，真实电压值U应为AFE芯片采样电压值与初始偏差参数之和，U＝B0+α1。受到零点漂移影响，需要引入AFE芯片零点漂移参数为β0，真实电压值U应为AFE芯片采样电压值与初始偏差参数、AFE芯片零点漂移参数之和，U＝B0+α1+β0，可解出AFE芯片零点漂移参数为β0。补偿以负反馈，依照比例积分算法，对AFE芯片采样电压值B0实时补偿，直到采样电压值B0与真实电压值U相等。
上述BMS***零点漂移补偿电路及方法，针对半导体器件易受零点漂移影响，减少半导体元件的使用，采用不易受零点漂移影响的高精度电阻作为基准元件，减小了补偿过程中零点漂移的影响，使对AFE芯片的零点漂移补偿较准确。
同时，基于运算放大器的差分放大器，由于其同相输入端、反向输入端同时接入两路共模信号，叠加时恰好可以规避零点漂移造成的影响。由于零点漂移同样会对补偿电路的采样ADC芯片造成影响，所以采用多电阻并联，并通过继电器选通进行阻值选择；通过串联分压电阻采样，ADC芯片检测测量电阻电压的方式，获得多组参考电压。由于所获得的的参考电压是采样ADC芯片受零点漂移后的值，所以需要多组数据联立方程组，解算出真实电压值U。并采用负反馈的补偿方法进行补偿，直到采样值B0与真实电压值U相等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种BMS***零点漂移补偿电路，其特征在于，所述补偿电路包括电压检测模块、电压调节模块、模数转换模块与控制模块；
所述电压检测模块包括运放、同相输入电阻、反相输入电阻、同相接地电阻与反馈电阻，所述同相输入电阻的一端接所述运放的同相输入端与同相接地电阻的一端，所述同相接地电阻的另一端接地，所述同相输入电阻的另一端用于接待检电池的正极；所述反向输入电阻的一端接所述运放的反相输入端与反馈电阻的一端，所述反馈电阻的另一端接所述运放的输出端，所述反相输入电阻的另一端用于接所述待检电池的负极；
所述电压调节模块包括测量电阻、多个分压电阻以及对应的继电器，所述多个分压电阻的一端接地，另一端分别通过对应的继电器的主电路接所述测量电阻的一端，所述测量电阻的另一端接所述运放的输出端，所述继电器的控制电路接所述控制模块；
所述模数转换模块分别连接所述电压调节模块与控制模块，所述控制模块控制所述模数转换模块测量所述电压调节模块的测量电压值，并获取所述测量电压值；所述控制模块还用于控制AFE芯片采集所述待检电池的采样电压值，并获取所述采样电压值。
2.根据权利要求1所述的BMS***零点漂移补偿电路，其特征在于，所述模数转换模块为ADC芯片。
3.根据权利要求1所述的BMS***零点漂移补偿电路，其特征在于，所述控制模块为BMS***中电池包从板控制MCU。
4.根据权利要求1所述的BMS***零点漂移补偿电路，其特征在于，所述电压调节模块还包括滤波电阻与滤波电容，所述滤波电阻的一端接所述测量电阻与所述运放的输出端相接的一端，另一端接地，所述滤波电容的一端接所述测量电阻的另一端，另一端接地。
5.根据权利要求1所述的BMS***零点漂移补偿电路，其特征在于，所述同相输入电阻、反相输入电阻、反馈电阻与同相接地电阻的阻值相同。
6.根据权利要求1所述的BMS***零点漂移补偿电路，其特征在于，所述多个分压电阻的阻值相同。
7.一种BMS***零点漂移补偿方法，其特征在于，所述方法包括：
将电压检测模块连接待检电池的两端；
控制模块控制模数转换模块测量电压调节模块调节为不同电压时的测量电阻两端的多个测量电压值；
解算所述多个测量电压值，获得待检电池的真实电压值与所述模数转换模块的时间漂移参数；
比较所述真实电压值与所述AFE芯片采集的所述待检电池的采样电压值，获得零点漂移补偿量。
8.根据权利要求7所述的BMS***零点漂移补偿方法，其特征在于，所述控制模块控制模数转换模块采集电压调节模块调节为不同电压时的测量电阻两端的多个测量电压值，之前还包括：
对参数进行校准，标定初始偏差参数。
9.根据权利要求8所述的BMS***零点漂移补偿方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过电压调节模块改变测量电阻两端的电压，获取待检电池的多个真实电压值；
将所述多个真实电压值输入卡尔曼滤波器，获得稳定的真实电压值。
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