CN203178341U - 电压采集*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电压采集***，用于对由多个串联的单体电池组成的电池组中的每个单体电池或该电池组进行电压采集，所述***包括：微控制单元，与微控制单元电性连接的单体电池电压采集电路和单体电池电压差分放大电路，且单体电池电压采集电路和单体电池电压差分放大电路电性连接。实施本实用新型的有益效果是，实现单体电池电压的精确传输，保证了电池电压的采集精确度，实现电池组高压与微控单元的高压隔离，且能节约电压采集资源，降低采集成本。

Description

电压采集***

技术领域

本实用新型涉及电池管理***领域，更具体地说，涉及一种电压采集***。

背景技术

由于蓄电池固有特性和现有技术的限制，单节蓄电池的输出电压一般都较低，而且每个蓄电池都存在微小的特性差异，不同蓄电池提供的供电电压往往不够一致，且每个蓄电池的电压稳定性也较低。在应用过程中，为了获得较大功率和稳定的供电电压，需要将电池以串联方式组成电池组。而为了确保电池组能够正常工作，需要实时对电池组进行统一监控，以有效的对电池进行保护。在上述统一监控过程中，不仅要对电池组的总输出电压进行监控，也需要对电池组中各个单体电池电压进行监控。目前，在对于电池组的总输出电压和其中每个单体电池的输出电压的监控方面尚未普及较为先进的技术，传统的电压采集方式一般都有电压采集精度低、用于采集电压的芯片或电路成本较高等缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述单体电池电压采集中存在的采集精度低、采集电路成本高等缺陷，提供一种电压采集***，用于对由多个串联的单体电池组成的电池组中的每个单体电池进行电压采集，或对电池组进行电压采集。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电压采集***，用于对由多个串联的单体电池组成的电池组中的每个单体电池或该电池组进行电压采集，所述***包括：微控制单元，与微控制单元电性连接的单体电池电压采集电路和单体电池电压差分放大电路，且单体电池电压采集电路和单体电池电压差分放大电路电性连接，其中，

单体电池电压采集电路，用于采集单体电池电压并传送至单体电池电压差分放大电路；

单体电池电压差分放大电路，用于对单体电池电压采集电路采集的电压进行差分放大并传送至微控制单元；

微控制单元，用于产生控制信号以控制单体电池电压采集电路进行电压采集和控制单体电池电压差分放大电路进行电压的差分放大，并用于接收单体电池电压差分放大电路传送的电压信号，对该电压信号进行处理后获得电压值；

所述单体电池电压采集电路包括多个单体电池电压采集光耦，用于对单体电池的电压进行隔离采集；

其中，每两个相邻的所述单体电池之间连接有一所述单体电池电压采集光耦，且所述串联单体电池中的第一个单体电池的正极和最后一个单体电池的负极也分别连接到一所述单体电池电压采集光耦；

所述单体电池电压采集光耦还连接到单体电池电压差分放大电路和微控制单元。

所述单体电池电压采集光耦为线性光耦。

所述单体电池电压差分放大电路包括第一差分放大电路和第二差分放大电路，

其中，第一差分放大电路、第二差分放大电路均与单体电池电压采集电路和微控制单元相连。

所述第一差分放大电路包括第一差分放大器、第一隔离光耦；

所述第二差分放大电路包括第一差分放大器、第二差分放大器、第二隔离光耦；

所述第一隔离光耦和第二隔离光耦均为线性光耦；

其中，第一差分放大电路中的第一差分放大器的输出端接第一隔离光耦的输出端集电极，第一隔离光耦的输出端发射极与微控制单元电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元电性连接；

第二差分放大电路中的第一差分放大器的输出端接第二差分放大器的反相输入端，第二差分放大器的同相输入端接地、输出端接第二隔离光耦的输出端集电极，第二隔离光耦的输出端发射极与微控单元电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元电性连接。

连接到单体电池两端的两个单体电池电压采集光耦中的一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器的同相输入端，另一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极连则接到第一差分放大器的反相输入端；连接到单体电池两端的两个单体电池电压采集光耦中的一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器的反相输入端，另一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极则连接到第一差分放大器的同相输入端。

且与第一个单体电池的正极相连接的单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器的同相输入端；

所述电压采集***还包括工作电源，所述单体电池电压采集光耦、第一隔离光耦、第二隔离光耦的输入端二极管的阳极均连接所述电源。

所述单体电池电压采集光耦的输入端二极管的阴极均与微控制单元电性连接。

所述电压采集***还包括电池组电压采集电路和电池组电压差分放大电路，其中，

电池组电压采集电路，与微控制单元和电池组电压差分放大电路电性连接，用于根据微控制单元的控制信号对电池组中串联单体电池的总电压进行采集；

电池组电压差分放大电路，与微控制单元和电池组电池采集电路电性连接，用于对电池组电压采集电路采集的电压进行差分放大后传送至微控制单元。

所述电池组电压采集电路包括一电池组电压采集光耦、第一电阻；所述电池组电压差分放大电路包括第三差分放大器、第三隔离光耦；所述电池组电压采集光耦和第三隔离光耦均为线性光耦；

其中，电池组电压采集光耦的输出端集电极接电池组的正极、输出端发射极通过第一电阻接电池组的负极、输入端二极管的阴极与微控制单元电性连接；

第一电阻与电池组负极之间的串联节点接第三差分放大器的反相输入端；

第一电阻与电池组电压采集光耦输出端发射极之间的串联节点接第三差分放大器的同相输入端；

第三差分放大器的输出端接第三隔离光耦的输出端集电极，第三光耦开关的输出端发射极与微控制单元电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元电性连接。

所述电池组电压采集光耦、第三隔离光耦的输入端二极管的阳极均连接工作电源。

实施本实用新型的电池电压采集***，具有以下有益效果：

（1）、实现单体电池电压的精确传输，保证了电池电压的采集精确度；

（2）、可循环开启光耦以对单体电池进行电压采集，实现电池组高压与微控单元的高压隔离，且能节约电压采集资源；

（3）、利用光耦取代传统的半导体芯片采集电池电压，有效的降低了采集成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一实施例的电压采集***结构图；

图2是图1所示的电压采集***中的单体电池电压采集电路和电池组电压采集电路的电路图；

图3是图1所示的电压采集***的单体电池电压差分放大电路的电路图；

图4是图1所示的电压采集***的电池组电压差分放大电路的电路图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，在本实用新型的一实施例中的电池组包括多个串联的单体电池。所述***包括：微控制单元100、单体电池电压采集电路300、电池组电压采集电路400、单体电池电压差分放大电路200、电池组电压差分放大电路500。

其中，单体电池电压采集电路300与微控制单元100和单体电池电压差分放大电路200电性连接，用于采集单体电池电压并传送至差分放大电路。

电池组电压采集电路400，与微控制单元100和电池组电压差分放大电路500电性连接，用于根据微控制单元100的控制信号对电池组中串联单体电池的总电压进行采集。

单体电池电压差分放大电路200，与微控制单元100和单体电池电压采集电路300电性连接，用于对单体电池电压采集电路300采集的电压进行差分放大并传送至微控制单元100。

电池组电压差分放大电路500，与微控制单元100和电池组电池采集电路400电性连接，用于对电池组电压采集电路400采集的电压进行差分放大后传送至微控制单元100。

微控制单元100，用于产生控制信号以控制单体电池电压采集电路300和电池组电压采集电路400进行电压采集和控制单体电池电压差分放大电路200和电池组电池差分放大电路500进行电压的差分放大，并用于接收该两个差分放大电路传送的电压信号，对该电压信号进行处理后获得的电压值。

本实用新型实施例的电压采集***还包括工作电源，在本实用新型实施例中该工作电源包括+5V电源和-5V电源，+5V电源和-5V电源与地之间均接有滤波电容。

如图2所示，本实用新型一实施例的电压采集***中的单体电池电压采集电路300包括多个单体电池电压采集光耦U1-Un，用于对单体电池的电压进行隔离采集。本实用新型实施例中的单体电池电压采集光耦为线性光耦，每个单体电池电压采集光耦具有四个引脚，其分别对应为输出端集电极、输出端发射极、输入端二极管的阳极、输入端二极管的阴极。每两个相邻的所述单体电池之间连接有一单体电池电压采集光耦，且所述串联单体电池中的第一个单体电池的正极和最后一个单体电池的负极也分别连接到一单体电池电压采集光耦。所以，电池组电压采集***中的单体电池电压采集光耦的个数应比串联单体电池的个数多一个，即若串联单体电池的数量为N，则单体电池电压采集光耦的数量为N+1。单体电池电压采集光耦与单体电池的具体连接方式为：每两个相邻的所述单体电池之间均分别连接一单体电池电压采集光耦的输出端集电极，单体电池电压采集光耦的输入端二极管的阳极均接+5V电源、输入端二极管的阴极均接微控制单元100。单体电池电压采集光耦的输出端发射极的连接方式将在后面进行描述。

如图3所示为本实用新型电压采集***中的单体电池电压差分放大电路200的电路图。该单体电池电压差分放大电路200包括第一差分放大电路201和第二差分放大电路202，其中，第一差分放大电路201、第二差分放大电路202均与单体电池电压采集电路300和微控制单元100相连。

第一差分放大电路201包括第一差分放大器PU1、第一隔离光耦U01，

第二差分放大电路202包括第一差分放大器PU1、第二差分放大器PU2、第二隔离光耦U02，所述第一隔离光耦U01和第二隔离光耦U02均为线性光耦。

如图2和图3所示，若连接到单体电池两端的两个单体电池电压采集光耦中的一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器PU1的同相输入端，则另一单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器PU1的反相输入端；若连接到单体电池两端的两个单体电池电压采集光耦中的一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器PU1的反相输入端，则另一单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器PU1的同相输入端；且与第一个单体电池的正极相连接的单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器PU1的同相输入端。采用这样的连接方式，可以节省差分放大电路的资源。

如图3所示，第一差分放大电路201中的第一差分放大器PU1的输出端接第一隔离光耦U01的输出端集电极，第一隔离光耦U01的输出端发射极与微控制单元100电性连接以将采样电压输出到微控制单元100、输入端二极管的阴极与微控制单元100电性连接、输入端二极管的阳极通过电阻R16接+5V电源。

在本实用新型的一实施例中选用的第一差分放大器PU1的型号为OP07，如图3所示，第一差分放大器PU1的第三脚为同相输入端，第二脚为反相输入端，第四脚为负电源端，第六脚为输出端，第七脚为正电源端，第一脚和第八脚为调零脚。其中，第七脚接+5V电源、第一脚通过电阻R7接+5V电源、第八脚通过第八电阻接+5V电源、第四脚接-5V电源并通过电容C1接地、第六脚即输出端通过串联的电阻R5和电阻R6接第二脚即反相输入端、第二脚和第三脚间接有电容C3。

第一隔离光耦U01输出端集电极与输出端发射极间接有电容C4、输出端发射极通过电阻R9接地。

如图3所示，第二差分放大电路202中第一差分放大器PU1的输出端通过电阻R10接第二差分放大器PU2的反相输入端，第二差分放大器PU2的同相输入端通过并联的电阻R11和电阻R12接地、输出端接第二隔离光耦U02的输出端集电极，第二隔离光耦U02的输出端发射极与微控单元100电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元100电性连接、输入端二极管的阳极通过电阻R15接+5V电源。

在本实用新型的一实施例中选用的第二差分放大器PU2的型号为1458，其正电源端通过电容C6接地、负电源端接-5V电源并通过电容C5接地、输出端通过电阻R13接反相输入端。

第二隔离光耦U02的输出端发射极与输出端集电极间接有电容C7、输出端发射极脚通过电阻R14接地。

如图2所示，本实用新型一实施例中的电池组电压采集电路400包括一电池组电压采集光耦U0、第一电阻R1，该电池组电压采集光耦U0为线性光耦。

如图4所示为本实用新型一实施例的电池组电压差分放大电路500的电路图，电池组电压差分放大电路500包括第三差分放大器PU3、第三隔离光耦U03，第三隔离光耦U03为线性光耦。

由图2和图4可知，电池组电压采集光耦U0的输出端集电极接电池组的正极、输出端发射极通过第一电阻R1接电池组的负极、输入端二极管的阴极与微控制单元100电性连接；第三差分放大器PU3的同相输入端通过电阻R23接第一电阻R1与电池组负极之间的串联节点、反相输入端通过电阻R24接第一电阻R1与电池组电压采集光耦U0输出端发射极之间的串联节点、输出端接第三隔离光耦U03的输出端集电极，第三光耦开关U03的输出端发射极与微控制单元100电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元100电性连接。

在本实用新型的一实施例中选用的第三差分放大器PU3的型号为OP07，其引脚的结构与第一差分放大器PU1相同。第三差分放大器PU3的同相输入端还通过串联的电阻R22和电阻R21接地、同相输入端和反相输入端之间接有电容C13、输出端通过串联的电阻R25和电阻R26接反相输入端、正电源端接+5V电源、负电源端接-5V电源并通过电容C11接地、第一脚通过电阻R27接5V电源、第八脚通过电阻R28接+5V电源并通过电容C12接+5V电源。

第三隔离光耦U03的输出端发射极和输出端集电极间接有电容C14、输出端发射极通过电阻R29接地。

本实用新型一实施例中的第一隔离光耦U01、第二隔离光耦U02、第三隔离光耦U03的作用为：将单体电池电压采集电路300和电池组电压采集电路400与微控制单元100进行电气隔离，防止烧坏微控制单元100中的部件。

在本实用新型的一实施例中，上述所有光耦即单体电池电压采集光耦、电池组电压采集光耦、第一隔离光耦、第二隔离光耦、第三隔离光耦的输入端二极管的阳极均接+5V电源、输入端二极管的阴极与微控制单元100相接。微控制单元100可采用控制多路输出选择器的输出信号为光耦的开启或关闭提供控制信号。该控制信号通过单体电池电压采集光耦、电池组电压采集光耦、第一隔离光耦、第二隔离光耦、第三隔离光耦的输入端二极管的阴极控制这些光耦的开关功能。即图2、图3、图4中的V1-Vn、V0、V01、V02、V03均为来自微控制单元100的控制电压。多路输出选择器可采用的8路、4路等输出的多路输出选择器。

本实用新型的电池电压采集***的工作原理为：

当采集第一节单体电池的电压时，利用微控制单元100输出控制信号，使得单体电池电压采集光耦中的U1、U2及第一隔离光耦U01开启；第一节单体电池两端的电压通过U1和U2后经第一差分放大器PU1差分放大；差分放大后的第一节单体电池的电压输出到微控制单元100，经微控制单元100的处理得到第一个单体电池的电压。采集完第一节单体电池的电压后，采集第二节单体电池的电压，微控制单元100控制光耦U1、U01关闭，并控制光耦U3、U02开启，此时第二节单体电池两端的电压通过第一差分放大器PU1差分放大以后得到负的电压值，该负的电压值被送到第二差分放大器PU2进行反向，然后将反向后的电压通过开启的第二隔离光耦U02输出到微控单元100。采集第三节单体电池、第五节单体电池等序数为奇数的单体电池电压时的采集方式和第一节单体电池电压采集方式相同。采集第四节单体电池、第六节单体电池等序数为偶数的单体电池电压时的采集方式和第二节单体电池电压采集方式相同。

当采集具有N节串联的单体电池组成的电池组总电压时，通过微控单元开启光耦U0和第三隔离光耦U03，电池组总电压传送到第三差分放大器PU3进行差分放大后，再将信号通过第三隔离光耦U03传送到微控单元100。

本实用新型的电池电压采集***中的单体电池电压采集电路300和电池组电压采集电路400利用光耦的开关功能实现电池电压的采集，同时利用光耦实现了电池组高压与微控制单元100的高压隔离。当采集电池组内任意单体电池时，只需通过微控制单元100控制连接在单体电池两端的两个采集光耦打开，就能将单体电池电压采集并送给差分放大电路200，通过差分放大电路200差分放大后传送给微控制单元100，图3和图4中的Vout1、Vout2、Vout3即为与微控制单元100相连，将本实用新型的电压采集***获得的单体电池电压或电池组电压信号传送给为控制单元100。然后微控制单元100对这些电压信号进行处理后控制显示设备等对采集到的电池单体电压进行显示。

本实用新型的电池电压采集***可应用于如电动汽车、储能电站等所有大规模电池组中。该***通过对电池组电池电压的采样，从而实现电池组的健康管理。采用本实用新型的电压采集***，在需要对电池组进行管理的场合下，利用光耦的循环开启不断进行单体电池电压的扫描，从而实现整组电池单体电压的精确采样。而通过对电池组电池电压的精确采样可实现对电池组内阻的准确测试，为建立电池组管理***提供支持，从而实现提高电池组的使用寿命的目的。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种电压采集***，用于对由多个串联的单体电池组成的电池组中的每个单体电池或该电池组进行电压采集，其特征在于，所述***包括：微控制单元（100），与微控制单元（100）电性连接的单体电池电压采集电路（300）和单体电池电压差分放大电路（200），且单体电池电压采集电路（300）和单体电池电压差分放大电路（200）电性连接，其中，

单体电池电压采集电路（300），用于采集单体电池电压并传送至单体电池电压差分放大电路（200）；

单体电池电压差分放大电路（200），用于对单体电池电压采集电路（300）采集的电压进行差分放大并传送至微控制单元（100）；

微控制单元（100），用于产生控制信号以控制单体电池电压采集电路（300）进行电压采集和控制单体电池电压差分放大电路（200）进行电压的差分放大，并用于接收单体电池电压差分放大电路（200）传送的电压信号，对该电压信号进行处理后获得电压值；

所述单体电池电压采集电路（300）包括多个单体电池电压采集光耦，用于对单体电池的电压进行隔离采集；

其中，每两个相邻的所述单体电池之间连接有一所述单体电池电压采集光耦，且所述串联单体电池中的第一个单体电池的正极和最后一个单体电池的负极也分别连接到一所述单体电池电压采集光耦；

所述单体电池电压采集光耦还连接到单体电池电压差分放大电路（200）和微控制单元（100）。

2.根据权利要求1所述的电压采集***，其特征在于，所述单体电池电压采集光耦为线性光耦。

3.根据权利要求2所述的电压采集***，其特征在于，所述单体电池电压差分放大电路（200）包括第一差分放大电路（201）和第二差分放大电路（202），

其中，第一差分放大电路（201）、第二差分放大电路（202）均与单体电池电压采集电路（300）和微控制单元（100）相连。

4.根据权利要求3所述的电压采集***，其特征在于，所述第一差分放大电路（201）包括第一差分放大器（PU1）、第一隔离光耦（U01）；

所述第二差分放大电路（202）包括第一差分放大器（PU1）、第二差分放大器（PU2）、第二隔离光耦（U02）；

所述第一隔离光耦（U01）和第二隔离光耦（U02）均为线性光耦；

其中，第一差分放大电路（201）中的第一差分放大器（PU1）的输出端接第一隔离光耦（U01）的输出端集电极，第一隔离光耦（U01）的输出端发射极与微控制单元（100）电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元（100）电性连接；

第二差分放大电路（202）中的第一差分放大器（PU1）的输出端接第二差分放大器（PU2）的反相输入端，第二差分放大器（PU2）的同相输入端接地、输出端接第二隔离光耦（U02）的输出端集电极，第二隔离光耦（U02）的输出端发射极与微控单元（100）电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元（100）电性连接。

5.根据权利要求4所述的电压采集***，其特征在于，连接到单体电池两端的两个单体电池电压采集光耦中的一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器（PU1）的同相输入端，另一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极则连接到第一差分放大器（PU1）的反相输入端；连接到单体电池两端的两个单体电池电压采集光耦中的一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器（PU1）的反相输入端，另一个单体电池电压采集光耦的输出端发射极则连接到第一差分放大器（PU1）的同相输入端；

且与第一个单体电池的正极相连接的单体电池电压采集光耦的输出端发射极连接到第一差分放大器（PU1）的同相输入端。

6.根据权利要求5所述的电压采集***，其特征在于，所述电压采集***还包括工作电源，所述单体电池电压采集光耦、第一隔离光耦（U01）、第二隔离光耦（U02）的输入端二极管的阳极均连接所述电源。

7.根据权利要求2所述的电压采集***，其特征在于，所述单体电池电压采集光耦的输入端二极管的阴极均与微控制单元（100）电性连接。

8.根据权利要求2所述的电压采集***，其特征在于，所述电压采集***还包括电池组电压采集电路（400）和电池组电压差分放大电路（500），其中，

电池组电压采集电路（400），与微控制单元（100）和电池组电压差分放大电路（500）电性连接，用于根据微控制单元（100）的控制信号对电池组中串联单体电池的总电压进行采集；

电池组电压差分放大电路（500），与微控制单元（100）和电池组电池采集电路（400）电性连接，用于对电池组电压采集电路（400）采集的电压进行差分放大后传送至微控制单元（100）。

9.根据权利要求8所述的电压采集***，其特征在于，所述电池组电压采集电路（400）包括一电池组电压采集光耦（U0）、第一电阻（R1）；所述电池组电压差分放大电路（500）包括第三差分放大器（PU3）、第三隔离光耦（U03）；所述电池组电压采集光耦（U0）和第三隔离光耦均为线性光耦；

其中，电池组电压采集光耦（U0）的输出端集电极接电池组的正极、输出端发射极通过第一电阻（R1）接电池组的负极、输入端二极管的阴极与微控制单元（100）电性连接；

第一电阻（R1）与电池组负极之间的串联节点接第三差分放大器（PU3）的反相输入端；

第一电阻（R1）与电池组电压采集光耦（U0）输出端发射极之间的串联节点接第三差分放大器（PU3）的同相输入端；

第三差分放大器（PU3）的输出端接第三隔离光耦（U03）的输出端集电极，第三光耦开关（U03）的输出端发射极与微控制单元（100）电性连接、输入端二极管的阴极与微控制单元（100）电性连接。

10.根据权利要求9所述的电压采集***，其特征在于，所述电池组电压采集光耦（U0）、第三隔离光耦（U03）的输入端二极管的阳极均连接工作电源。

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