CN1967279A - 飞渡电容同步采样测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞渡电容同步采样测量电路和测量偏差修正方法，包括同步采样继电器组，每一个同步采样继电器的两个输入端分别与一个电池模块的正负极连接，还设有与同步采样继电器组同样数量的AD转换继电器，每一个AD转换继电器的两个输入端与一个对应的同步采样继电器的两个输出端分别连接，且在该两个输入端之间并联一个采样保持电容；各AD转换继电器的两个输出端连接到一个高输入阻抗差分运算放大器的输入端，运算放大器输出信号经适当的调理后送AD转换器。本发明实现了具有电气隔离功能的多个模块电池电压的同步采样，电路简单，精度高，便于测量通道扩展。

Description

飞渡电容同步采样测量电路

技术领域

本发明涉及一种针对动力电池组多模块电压、电流信号进行隔离和同步测量的技术。

背景技术

动力电池组模块电压、电流的测量需要克服高达近百伏甚至几百伏的共模电压，必须采用隔离措施，才能保证测量电路的正常工作。

目前所采用的技术主要有两种：

1、采用隔离放大器，对多个模块电压、以及电流信号进行隔离。

这种方法存在着成本高、体积大、非线性误差较大、需要对多个隔离放大器进行调整或标定的缺点。

2、采用继电器阵列和飞渡电容，通过巡回采样实现信号的隔离和测量。

这种方法虽然可以实现对多路测量信号的隔离，但存在着无法对多路信号进行同步采样的缺点。

由于动力电池在工作过程中具有负载变化快、动态范围大等特点，因此，在动力电池检测***中，特别是在动力电池管理***中，实现测量信号的同步测量，对于电池荷电状态(SOC)、电池健康状态(SOH)以及故障状态的测量、预估和诊断具有非常重要的应用价值。

发明内容

为了克服上述两种技术的不足，本发明提出了一种新型的测量电路。采用该测量电路，不但可实现信号的隔离，同时还可实现多路信号的同步测量，具有电路简单、成本低、便于标定、扩展方便的特点。

本发明所采用的技术方案是：

一种飞渡电容同步采样测量电路，包括同步采样继电器组，每一个同步采样继电器的两个输入端分别与一个电池模块的正负极连接，还设有与同步采样继电器组同样继电器数量的AD转换继电器组，每一个AD转换继电器的两个输入端与一个对应的采样继电器的两个输出端分别连接，且在该两个输入端之间并联一个采样保持电容；各AD转换继电器的两个输出端连接到一个高输入阻抗差分运算放大器的输入端，运算放大器输出信号经适当调理后送给AD转换器；同步采样继电器组和每个AD转换继电器由CPU通过一个译码驱动电路进行控制。

在所述的每一个采样继电器的一个输入端与相应连接的电池之间还可以串联一个输入限流电阻。

其中，采样继电器采用双刀单掷或双掷常开继电器，AD转换继电器也可采用双刀单掷或双掷常开继电器。

采样继电器组(Ksi)或AD转换继电器(Kci)优选PhotoMOS继电器。

其中，所述的译码驱动电路为n+1选1译码驱动电路，其中n为所述AD转换继电器(Kci)或采样继电器组(Ksi)的数量，即测量通道数量。

测量数据采集的工作原理：

由CPU控制n+1选1译码驱动电路选通同步采样继电器组的n个同步采样继电器，由n个电池模块对各自对应采样保持电容C进行充电。

当充电过程进入稳态后，由CPU控制n+1选1译码驱动电路关断n个同步采样继电器，此时，n个采样保持电容C上的电压即为该时刻的n个模块电池电压的同步测量值。

再由CPU控制n+1选1译码驱动电路依次选通n个AD转换采样继电器，对n个采样保持电容C上的电压进行一次轮巡采样。被选通的AD转换采样继电器将采样保持电容C上的电压送入高输入阻抗差分运算放大器A经放大或调理后，由AD转换器进行AD转换，从而完成一轮n个通道信号的同步采集。

对于由PhotoMOS继电器和采样保持电容漏电流所造成的测量偏差，可采用本发明在具体实施方式中提出的算法，通过软件进行修正和补偿。

通过采用该技术，使动力电池检测***和动力电池管理***的性能和技术指标在以下几个方面得到了提高：

1、实现多个模块电池电压的同步采样，同步时间精度可达到2ms以内，为测量电池的内阻、预测SOH、SOC以及状态诊断提供了一种有效的手段。

2、电压信号的调理只需要一个公用的调理电路来完成，所有的电压信号具有完全一致的量程和放大倍数，便于调试、标定，保证了测量精度和一致性，便于产业化和工程化。

3、实现了0～满量程范围内信号的准确测量，克服了其他隔离测量方式在小信号范围内线性度不好所造成的测量误差。

4、可实现测量通道之间以及电池电压测量端与测量单元信号条理输入端400～600V的电压隔离，可有效的抑制共模干扰、提高测量的精度和稳定性，保证测量单元的安全。

5、在测量单元停止工作或掉电时，测量回路处于关断状态，不消耗电池的电能。

6、电路简单、占用空间小，便于测量通道扩展，有利于实现***的小型化。

附图说明

图1同步采样硬件原理图

图215通道同步采样测量电路原理图

图310通道同步采样测量电路原理图

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各项权利要求限定。

同步采样硬件工作原理：

如图1所示：

VBi(i＝1，2，......n)为电池组中n个模块电池的电压，

VCi(i＝1，2，......n)为n个采样保持电容上的电压，

C为采样保持电容，ICL为采样保持电容C的漏电流，

R为输入限流保护电阻，

KS1、KS2、KS3......KSn为同步采样继电器组，

KC1、KC2、KC3......KCn为AD转换采样继电器，

同步采样继电器和AD转换采样继电器均为双刀单掷常开PhotoMOS继电器，PhotoMOS继电器开关两端的耐压可根据电池组的总电压来选择，一般为400V或600V；

由CPU通过n+1选1译码驱动电路控制同步采样继电器组和n个AD转换采样继电器的导通和关断。

A为高阻抗运算放大器，输入阻抗≥2MΩ；

CS为n+1选1译码驱动电路。

设τch为RC时间常数，τch＝RC

Tch为采样保持电容充电时间，

ton为PhotoMOS继电器导通延迟时间，

toff为PhotoMOS继电器关断延迟时间，

IJL为同步采样继电器和AD转换采样继电器的关断漏电流

tAD为AD转换器完成1个通道AD转换所需的时间。

T为完成一次全部通道测量的采样周期

在电路进行数据采集时，首先将n个同步采样继电器同时导通，各电池通过各测量通道保护电阻R对各通道的保持电容进行充电。当充电时间达到Tch＝5-8τch(τch＝RC)，VCi≈VBi(i＝1，2，......，n)时，将同步采样继电器组n个同步采样继电器全部关断，然后依次控制n个AD转换采样继电器的选通，对采样保持电容C上的电压VC1、VC2、VC3......VCn依次进行采样，采样信号经运算放大器调理后送A/D转换器进行AD转换。

显然，每个通道完成AD转换所需的时间为TADi＝toff+ton+tAD。因此完成了一次采样保持电容充电和n个保持电容电压的同步采集所需要的时间为

$T=T_{\mathrm{ch}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ADi}}$

根据数据采集周期T、保持电容充电时间常数τch＝RC和信号测量误差δVbi的要求，可确定本电路中最大的充电时间常数τchmax，和A/D转换所需的最大时间，具体计算方法如下：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ch}\max }<(\frac{1}{5}~\frac{1}{8})T_{\mathrm{ch}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{Bi}}>e^{-T_{\mathrm{ch}}/{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ch}\max }}---\left(2\right)$

当n个同步采样继电器全部断开后，在依次对采样保持电容C上的电压进行采样时，由于PhotoMOS继电器的关断漏电流IjL、保持电容C的漏电流ICL将使VC1、VC2、VC3......VCn随时间下降，下降速率为：

$\frac{d{V}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}=\frac{2I_{\mathrm{jL}}+I_{\mathrm{CL}}}{C}---\left(3\right)$

如果按1、2、3......、n的顺序对n个通道进行采样，每个通道的AD转换时间(其中包含了继电器切换时间)为TADi，则在i个通道上由于漏电流造成的电压测量误差为：

${\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{Ci}}=T_{\mathrm{ADi}}i\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

当AD转换时间足够快，即在i＝1，2，3，......，n时

则无需对漏电流造成的电压测量误差进行修正，即可满足测量精度的要求。

如果AD转换时间TADi较长，即在i＝1，2，3，......，n时

则可按

$V_{\mathrm{Bi}}=V_{\mathrm{Ci}}+T_{\mathrm{ADi}}i\frac{d{V}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

对漏电流造成的电压测量误差进行修正。

由于IjL、ICL存在的不一致性，导致了各通道保持电容C上电压下降速率的不一致性，如果按(7)式对测量电压进行修正，将会产生一定测量误差。因此，在实际应用中还可按以下方法对各测量通道进行标定，以提高测量精度。

首先，在所有电池电压信号测量输入端接入一标准信号Vbs，然后按本文前面给出同步采样方法进行m次测量，得到各通道m次测量的平均值VCi，由此可计算出各通道保持电容C上的实际电压下降速率KVi，

$K_{\mathrm{Vi}}=(V_{\mathrm{bs}}-V_{\mathrm{Ci}})/\left(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{\mathrm{ADj}}\right)$ (i＝1，2，3，……n)

将KVi存入flash RAM或EEROM，在***实际运行时可按下式对测量电压进行修正：

$V_{\mathrm{Bi}}=V_{\mathrm{Ci}}+K_{\mathrm{Vi}}\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{\mathrm{ADj}}$ (i＝1，2，3，……n)

实施例1

测量通道数：15个模块电池电压；电压测量范围：0～17V；测量周期：50ms；测量精度：0.2％；测量同步时间：1ms；具体实施方案如下：

测量原理图如图1所示，KS1、KS2、KS3......KS15和KC1、KC2、KC3……KC15选用AQW614双刀双掷常开PhotoMOS继电器，开关两端耐压为600V，导通电阻≤120Ω，关断漏电流≤1μA，典型导通时间0.5ms，典型关断时间0.2ms。

采样保持电容C采用聚苯乙烯电容，漏电流≤500nA，耐压60V。

A为高阻抗差分运算放大器，偏置电流≤2nA，输入阻抗≥2MΩ。

Rf1和Rf2用于对测量电压进行分压，Rf1＝1.5MΩ，Rf2＝500kΩ。

CS采用74LVC15416选1译码器，驱动电路采用74HC04。

CPU采用集成有12位分辨率、100ksps转换速率AD转换器的80C51F040。

采用24MHz晶振，80C51F040中的AD转换器可在10μs内完成1次转换，按连续进行10次转换计算，需要100μs的转换时间。

PhotoMOS继电器AQW614的导通时间典型值为0.28ms，关断时间典型值为0.04ms。为确保AQW614能够可靠的导通和关断，取导通延时ton＝1ms，关断延时toff＝0.4ms。

根据(1)、(2)式

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ch}}=\frac{1}{8}{T}_{\mathrm{ch}}=1\mathrm{ms}$

$e^{-T_{\mathrm{ch}}/{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ch}}}=e^{-8}<0.012\%$

τch＝RC，可选R＝5kΩ，C＝200000pF。考虑到PhotoMOS继电器导通时间和关断时间总计为0.7ms，因此采样保持电容C切换到充电状态后的时间不应小于(Tch+0.7)＝8.7ms，在此取Tch＝10ms。

完成15个通道的AD转换所需要的时间为

15(ton+toff+tAD)+Tch＝22.5ms+10ms＝32.5ms

满足测量周期50ms的要求。

根据(3)式，当KS 1、KS2、KS3......KSn n个同步采样继电器全部断开后，各保持电容C上的电压下降速率为

$\frac{d{V}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}=\frac{2I_{\mathrm{jL}}+I_{\mathrm{CL}}}{C}=\frac{2000\mathrm{nA}+500\mathrm{nA}}{200000\mathrm{pF}}=12.5\mathrm{mV}/\mathrm{ms}$

根据(4)式，可按

$V_{\mathrm{Bi}}=V_{\mathrm{Ci}}+i(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}+t_{\mathrm{AD}})\frac{d{V}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{Ci}}+18.75i$

在软件中对各通道的测量值进行修正。经实际检测结果表明，各通道的测量误差均在20mV以内，优于规定的设计指标。

AQW614关断时间典型值为0.2ms，当同步采样继电器组同时关断时，保持在各通道采样保持电容C上电压即为该时刻的同步测量电压，同步时间优于1ms。

实施例2

单体电池电压测量10路，测量范围：0～2V，测量精度：0.1％，总电压测量1路，测量范围：0～20V，测量精度：0.2％，充电电流测量1路，测量范围：0～100A，测量精度：0.2％，放电电流测量1路，测量范围：0～100A，测量精度：0.2％，测量周期：100ms。

测量原理图如图2所示，总电压测量采用0～20V输入，0～5V输出电压变送器。充、放电电流测量采用0～100A输入，0～5V输出电流变送器。KS1、KS2、KS3......KS13和KC1、KC2、KC3......KC13选用AQW210双刀双掷常开PhotoMOS继电器，开关两端耐压为350V，导通电阻≤35Ω，关断漏电流≤1μA，典型导通时间0.25ms，典型关断时间0.05ms。

采样保持电容C采用聚苯乙烯电容，漏电流≤500nA，耐压60V。

A1、A2为高阻抗差分运算放大器，偏置电流≤500nA，输入阻抗≥1MΩ。CS采用74LVC15416选1译码器和4片74HC04构成。

CPU采用由美国TURN公司生产的集成有16位分辨率、100ksps转换速率AD转换器，24路通用IO接口，1路RS232串行接口的R-Engine嵌入式CPU模块。

在实际应用中，为确保AQW210能够可靠的导通和关断，取导通延时ton＝0.9ms，关断延时toff＝0.5ms。根据(1)、(2)式

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ch}}=\frac{1}{8}{T}_{\mathrm{ch}}=1\mathrm{ms}$

$e^{-T_{\mathrm{ch}}/{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ch}}}=e^{-8}<0.012\%$

根据τch＝RC，可选R＝1kΩ，C＝1μF。考虑到PhotoMOS继电器导通时间和关断时间总计为0.7ms，因此采样保持电容C切换到充电状态后的时间不应小于(Tch+0.7)＝8.7ms，在此取Tch＝10ms。

完成13个通道的AD转换所需要的时间为

13(ton+toff+tAD)+Tch＝13(0.9+0.5+0.1)ms+10ms＝29.5ms

满足测量周期100ms的要求。

根据(3)式，当n个同步采样继电器全部断开后，保持电容C上的电压下降速率为

$\frac{d{V}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}=\frac{2I_{\mathrm{jL}}+I_{\mathrm{CL}}}{C}=\frac{2000\mathrm{nA}+500\mathrm{nA}}{1\mathrm{\&mu;F}}=2.5\mathrm{mV}/\mathrm{ms}$

如果按总电压、充电电流、放电电流、单体电池电压的顺序进行AD转换，根据(4)式，单体电池电压可按

$V_{\mathrm{Bi}}=V_{\mathrm{Ci}}+(3+i)(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}+t_{\mathrm{AD}})\frac{d{V}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{Ci}}+3.75(3+i)\mathrm{mV}$

在软件中对各通道的测量值进行修正。

总电压、充电电流、放电电流按

$V_V=V_{C1}+(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}+t_{\mathrm{AD}})\frac{d{V}_{C1}}{\mathrm{dt}}=V_{C1}+3.75\mathrm{mV}$

$V_{C1}=V_{C2}+2(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}+t_{\mathrm{AD}})\frac{d{V}_{C2}}{\mathrm{dt}}=V_{C2}+7.5\mathrm{mV}$

$V_{D1}=V_{C3}+3(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}+t_{\mathrm{AD}})\frac{d{V}_{C3}}{\mathrm{dt}}=V_{C3}+11.25\mathrm{mV}$

进行修正

经实际检测结果表明，各通道的测量误差均达到或优于规定的设计指标。

AQW210可靠关断时间≤0.2ms，当同步采样继电器组KS1、KS2、KS3......KS15同时关断时，保持在各通道采样保持电容C上电压即为该时刻的同步测量电压信号，同步时间优于1ms。

Claims (8)

1、一种飞渡电容同步采样测量电路及，包括同步采样继电器组(Ks)，每一个同步采样继电器(Ks)的两个输入端分别与一个电池模块的正负极连接，其特征在于，还设有与同步采样继电器组(Ks)同样继电器数量的AD转换继电器(Kc)，每一个AD转换继电器(Kc)的两个输入端与一个对应的同步采样继电器(Ksi)的两个输出端分别连接，且在该两个输入端之间并联一个采样保持电容(C)；各AD转换继电器(Kc)的两个输出端连接到一个高输入阻抗差分运算放大器(A)的输入端，运算放大器输出信号经适当的调理后送AD转换器；同步采样继电器组(Ks)和每个AD转换继电器(Kc)由CPU通过译码驱动电路进行控制，实现多路测量信号的同步采样测量。

2、如权利要求1所述的飞渡电容同步采样测量电路，其特征在于，在所述的每一个采样继电器(Ks)的一个输入端与相应连接的电池之间还串联有一个输入限流电阻(R)。

3、如权利要求1所述的飞渡电容同步采样测量电路，其特征在于，所述的采样继电器(Ks)和/或AD转换继电器(Kc)采用双刀单掷或双掷常开继电器。

4、如权利要求3所述的飞渡电容同步采样测量电路，其特征在于，所述的采样继电器组(Ks)或AD转换继电器(Kc)采用PhotoMOS继电器。

5、如权利要求1所述的飞渡电容同步采样测量电路，其特征在于，所述的译码驱动电路为n+1选1译码驱动电路，其中n为所述AD转换继电器(Kc)或采样继电器组(Ks)的数量。

6、一种飞渡电容同步采样测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选通同步采样继电器组的所有同步采样继电器，让各电池模块对各自对应的采样保持电容进行充电；

(2)当充电过程进入稳态后，关断所有同步采样继电器；

(3)CPU控制依次选通各个AD转换采样继电器，对所有采样保持电容C上的电压进行一次轮巡采样，被选通的AD转换采样继电器将采样保持电容上的电压送入高输入阻抗差分运算放大器A经放大和分压后，由AD转换器进行AD转换，采集信号送给CPU；

(4)CPU处理数据并输出测量数据。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，

在步骤(1)之前先计算或设定测量偏差修正参数：完成一次全部通道测量的采样周期T，采样保持电容充电时间Tch，继电器导通延迟时间ton，继电器关断延迟时间toff，继电器的关断漏电流IJL，AD转换器完成1个通道AD转换所需的时间tAD；

在步骤(4)中CPU处理数据是按公式计算各个通道上由于继电器和采样保持电容漏电流造成的电压测量偏差，然后调整测量结果，所述公式为：

$V_{\mathrm{bi}}-V_{\mathrm{Cbi}}=i(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}}+t_{\mathrm{AD}})\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{Cbi}}}{\mathrm{dt}}$

式中Vbi为电池电压，VCbi为采样保持电容电压，i为测量通道顺序数。

8、如权利要求6所述的方法，其特征在于，

在步骤(1)之前先用标准信号Vbs在各个通道进行多次检测，得到各通道多次测量的平均值VCbi。，计算出各通道采样保持电容上的实际电压下降速率KVi；

在步骤(4)中CPU处理数据是按公式计算各个通道上由于继电器和采样保持电容漏电流造成的电压测量偏差，然后调整测量结果，所述公式为：

$V_{\mathrm{bi}}=V_{\mathrm{Cbi}}+K_{\mathrm{Vi}}\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{\mathrm{ADj}}$

式中Vbi为电池电压，VCbi为采样保持电容电压，i为测量通道顺序数。