高共模蓄电池单体电压采集电路和采集方法与流程

本发明涉及蓄电池管理系统技术领域，具体涉及一种适用于空间用串联数较多的高共模锂离子蓄电池组单体电压的高共模蓄电池单体电压采集电路和采集方法。

背景技术：

单体电压的采集是蓄电池管理系统(bms)的技术核心，其采集精度的高低直接影响bms管理的准确性和有效性。根据蓄电池类型、串联节数、应用环境等不同，单体电压采集电路的形式多样，包括直接采样、线性光耦隔离、电阻分压、飞电容等等电路实现方式。

受空间环境、长寿命、高可靠且无法维修等因素约束，在空间应用的串联蓄电池组单体电压采集电路通常采用电阻分压法，电阻分压法采用的电路图如图1所示，先通过电阻分压降低共模电压幅值，然后再进行放大、采样-保持、数/模转换、编码。

电阻分压法电路具有形式简单、可靠性高等优点，但从电路传递函数可知，电阻分压比偏差、共模电压大小以及差分放大环节是影响采集精度的主要因素，对分压电阻的精度和温度系数要求非常苛刻。实际工程应用中，中压42v体系(例如，九节锂离子蓄电池串联)，分压电阻采用±0.05％精度、±10ppm温度系数，在-25℃～70℃温度范围内测试的电压采集精度接近10mv，勉强满足指标要求。但随着蓄电池串联节数的增加(例如22节锂离子蓄电池串联的高压100v体系)，电阻分压比、共模电压以及差分放大倍数的增加，将使误差进一步放大，实现10mv采集精度的指标将变得非常困难。

技术实现要素：

本发明提供一种高共模蓄电池单体电压采集电路和采集方法，提高采集精度、寿命长、可靠性高、环境适应性强。

为实现上述目的，本发明提供一种高共模蓄电池单体电压采集电路，其特点是，该采集电路包含：电池单体电压差模信号采集模块，其包含运算放大器，该运算放大器输入端接采集的蓄电池，运算放大器的负极输入端设置有第一电阻，输出端设置有第二电阻，将串联蓄电池的单体电压差模信号转换为电流信号，提取电池单体的电压。

上述运算放大器负极输入端和输出端之间连接有第一npn三极管和第二npn三极管；第一npn三极管的发射极连接运算放大器负极输入端，基极接第二npn三极管的发射极，集电极接第二npn三极管的集电极；第二npn三极管基极接运算放大器的输出端。

上述运算放大器的输出端依次接有：差分放大模块、采样保持模块、模数转换模块、编码模块和传输模块。

上述运算放大器的型号为op07。

上述第一电阻和第二电阻的阻值相等。

上述第一电阻和第二电阻的阻值为390千欧，精度±1％，温度系数±10ppm。

一种上述的高共模蓄电池单体电压采集电路的采集方法，其特点是，该采集方法包含：

运算放大器的负极输入端和输出端设置阻值相等的第一电阻和第二电阻；

运算放大器的负极输入端和正极输入端分别接需采集电池单体的正负极，采集单体电压差模信号；

运算放大器将串联蓄电池的单体电压差模信号转换为电流信号，并由电流信号提取电池单体的电压。

上述单体电压差模信号转换为电流信号和提取电池单体电压的方法包含：

在第一电阻两端产生需采集电池单体的电压：u1＝un＝un+―un-；u1为第一电阻电压、un为需采集电池单体电压，un+为电池单体正极电压，为电池单体正极电压；

得到第一电阻的电流i1＝u1/r1，r1为第一电阻的阻值；

利用运算放大器同相和反相输入端虚断的工作特性，第二电阻的电流i2＝i1，在第二电阻两端产生电压u2＝i2×r2＝r2/r1×u1；r2为第二电阻的阻值；

当第一电阻与第二电阻阻值相等时，得到u2＝u1＝un。

本发明高共模蓄电池单体电压采集电路和采集方法和现有技术相比，其优点在于，本发明采用电压-电流转换，将串联蓄电池组中某一节单体的差模电压等比例提取出来且不受高共模电压的影响，通过了-25℃～70℃温度范围内的试验考核，单体电压的采集精度在全温范围内达到±3mv，相比电阻分压法在采集精度上有大幅度的提升，解决了现有空间飞行器上蓄电池单体电压采集方案，电阻分压法存在的固有缺陷，大幅提升了采集精度且可以不断扩展而不受蓄电池串联节数的约束；

本发明减少了单体电压采集精度的影响因素，主要取决于两个电阻的温度系数的匹配程度，有利于采集精度的提升；

本发明的电路形式和元器件参数的选取不受蓄电池串联节数的影响，特别适用于高共模蓄电池单体电压的采集，从设计源头保障了采集精度的一致性和稳定性；

本发明将电压信号转换为电流信号，具有较强的抗干扰特性；

本发明所选用的元器件对空间环境的适应性强，寿命长，可靠性高，特别适用于空间飞行器上的产品。

附图说明

图1为现有技术电阻分压法串联蓄电池组单体电压采集电路的电路图；

图2为本发明高共模蓄电池单体电压采集电路的电路模块图；

图3为本发明高共模蓄电池单体电压采集电路的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图2所示，本发明公开一种高共模蓄电池单体电压采集电路，该采集电路包含：电池单体电压差模信号采集模块210，电路连接电池单体电压差模信号采集模块210输出端的差分放大模块220，电路连接差分放大模块220输出端的采样保持模块230、电路连接采样保持模块230输出端的模数转换模块240，电路连接模数转换模块240输出端的编码模块250和电路连接编码模块250输出端的传输模块260。

其中，电池单体电压差模信号采集模块210包含运算放大器，该运算放大器输入端接需采集电压的串联蓄电池的电池单体的正极和负极接收un+和un-，其中运算放大器的负极输入端接un+，正极输入端接un-，运算放大器的负极输入端接un+之间设有第一电阻r1，运算放大器的输出端和负极输入端之间设有npn三极管，通过npn三极管接有第二电阻r2，通过第二电阻r2电路连接差分放大模块220。电池单体电压差模信号采集模块210利用运算放大器同相/反相输入端虚短、虚断的工作特性，通过匹配电阻对(第一电阻r1和第二电阻r2)，等比例取出，将串联蓄电池的单体电压差模信号变换为电流信号，再进行放大、采样等，最终提取电池单体的电压，解决了电阻分压法将串联单体共模信号和差模信号同时缩小的固有缺陷。

本发明利用运算放大器同相/反相输入端虚短的工作特性，在第一电阻r1两端产生第n节单体电压u1＝un＝un+―un-，由此产生的电流i1＝u1/r1；利用运算放大器同相/反相输入端虚断的工作特性，第二电阻的电流i2＝i1，在第二电阻r2两端产生的电压u2＝i2×r2＝r2/r1×u1。当第二电阻的阻值r2＝r1时，可得第二电阻的电压u2＝u1＝需采集的电池单体的电压un。

如图3所示，为高共模蓄电池单体电压采集电路的电路原理图，该采集电路包含有第一运算放大器u1，该第一运算放大器u1采用型号为op07，可将输入失调电压对采集精度的影响降低到了可忽略不计的程度。

第一运算放大器u1的正极输入端通过第三电阻r3接需采集电压的电池单体的负端un-；负极输入端通过第四电阻r4和第一电阻r1连接需采集电压的电池单体的正端un+；第一运算放大器u1的电压源负极通过第五电阻r5接电压源vcc1，并通过第一电容c1和第二电容c2接地gnd1；电压源正极接地gnd1；第一运算放大器u1输出端通过第七电阻r7连接电压源正极。

第一运算放大器u1的负极输入端与输出端之间连接有型号为3cg1的第一npn三极管q1和第二npn三极管q2；第一运算放大器u1的负极输入端通过第四电阻r4连接第一npn三极管q1的发射极；第一npn三极管q1的基极连接第二npn三极管q2的发射极；第一npn三极管q1的集电极连接第二npn三极管q2的集电极，并且连接至第二电阻r2的一端，第二电阻r2的另一端通过第八电阻r8接地gnd；第二npn三极管q2的基极连接第一运算放大器u1的输出端。本发明通过两个npn三极管(第一npn三极管q1和第二npn三极管q2)复合，将三极管基极电流对采集精度的影响降低到了可忽略不计的程度。

这里，利用第一运算放大器u1同相/反相输入端虚短的工作特性，在第一电阻r1两端产生第n节单体电压(需检测电池单体的电压)u1＝un＝un+―un-，由此产生的第一电阻r1的电流i1＝u1/r1；利用运算放大器同相/反相输入端虚断的工作特性，第二电阻r2的电流i2＝i1，在第二电阻r2两端产生的电压u2＝i2×r2＝r2/r1×u1。当第二电阻r2的阻值r2＝r1时，可得第二电阻r2的电压u2＝u1＝需采集的电池单体的电压un。

第二电阻r2的两端通过第九电阻r9和第十电阻r10连接第二运算放大器u2的+in端和-in端。第二运算放大器u2的型号为ad624sd。第二运算放大器u2的rg2端和rg1端通过第十一电阻r11连接；电压源正极+vs通过第十二电阻r12连接+12v电源，并通过第三电容c3和第五电容c5接地gnd；电压源负极-vs通过第十三电阻r13连接-12v电源，并通过第四电容c4和第六电容c6接地gnd；ref端接地；out端和sense电路连接，并通过第六电阻r6连接需采集电池单体的电压输出celln，并分别通过第七电容c7和型号为2ck6642ub的第一二极管d1接地。

如图3所示，其中电器元件的参数如下：

第一电阻r1和第二电阻r2的阻值为390kω，精度为±1％，温度系数为±10ppm；

第三电阻r3和第四电阻r4的阻值为510kω，精度为±1％；

第五电阻r5和第六电阻r6的阻值为100ω，精度为±1％；

第七电阻r7的阻值为100kω，精度为±1％；

第八电阻r8的阻值为10kω，精度为±1％；

第九电阻r9和第十电阻r1的阻值为1kω，精度为±1％；

第十一电阻r11的阻值为51kω，精度为±1％，温度系数为±10ppm；

第十二电阻r12和第十三电阻r13的阻值为51ω，精度为±1％；

第十四电阻r14的阻值为1.5kω，精度为±1％。

第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6的电容值为33nf；

第七电容c7的电容值为100nf。

本发明还公开了一种上述的高共模蓄电池单体电压采集电路的采集方法，该采集方法包含：

s1、运算放大器的负极输入端和输出端设置阻值相等的第一电阻和第二电阻。

s2、运算放大器的负极输入端和正极输入端分别接需采集电池单体的正负极，采集单体电压差模信号。

s3、运算放大器将串联蓄电池的单体电压差模信号转换为电流信号，并由电流信号提取电池单体的电压。

其中，单体电压差模信号转换为电流信号和提取电池单体电压的方法包含：在第一电阻两端产生需采集电池单体的电压：u1＝un＝un+―un-；从而得到第一电阻的电流i1＝u1/r1，r1为第一电阻的阻值；利用运算放大器同相和反相输入端虚断的工作特性，第二电阻的电流i2＝i1，在第二电阻两端产生电压u2＝i2×r2＝r2/r1×u1；当第一电阻与第二电阻阻值相等时，得到u2＝u1＝un。其中，u1为第一电阻电压、un为需采集电池单体电压，un+为电池单体正极电压，为电池单体正极电压；r2为第二电阻的阻值。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。