锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路的制作方法

本实用新型涉及一种锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路。

背景技术：

动力电池作为电动汽车的核心零部件，电池技术的发展始终引领着电动汽车技术不断向前革新突破。动力电池按材料分为铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池以及锂离子电池等类型，其中锂离子电池能量密度最高，因而锂离子电池已经成为动力电池最主要的制造类型。但是，使用锂离子电池需要保证其在充电和放电过程中，其单体电芯电压要控制在一个合理的范围内，避免单体电芯发生过压和欠压现象而影响锂离子电池组使用寿命。目前针对锂离子电池组电芯电压采样电路主要分为分立器件式和专用集成芯片式两种类型。

专用集成芯片式主要采用ti公司的bq78pl102和linear公司的ltc6811等专用模拟前端采样芯片，虽然这种电路集成度高、可靠性强，但是这些芯片价格昂贵，同时其采样通道固定而造成可扩展性低，设计开发成本极高。

分立器件式主要采用采样保持电路结构，即通过很多个固态继电器组成的开关阵列分别将每个电芯电压信号传输给电容，再由adc设备对该电容两端电压进行采集，从而间接地实现对每个电芯电压进行采集。虽然这种方法可扩展性强，但是电路结构复杂，采集时序冗长，采样过程容易受干扰而引起较大的测量误差；同时，该电路一般没有电压均衡功能，无法保证所有电芯电压均能控制在合理范围内。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路，它集电压采集和电压均衡为一体，可以保证锂离子电池组中的所有电芯电压都能控制在合理范围内，且结构简单、成本低。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路，电池组包括至少两个依次串联的电芯，它包括bms控制单元、控制器单元、电压采集模块和电压均衡模块；其中，

所述电压采集模块和电压均衡模块分别连接在控制器单元和每个电芯之间，所述控制器单元与所述bms控制单元相连；

所述电压采集模块适于采集每个电芯的的单体电压信号；

所述bms控制单元适于向控制器单元下发电压采集指令；

所述控制器单元适于在接收到电压采集指令时将电压采集模块采集的所有单体电压信号进行处理并发送至bms控制单元；

所述bms控制单元还适于根据接收到的处理后的单体电压信号向控制器单元下发相应的电压均衡指令；

所述控制器单元还适于根据相应的电压均衡指令驱动电压均衡模块工作以均衡相应电芯的电压。

进一步提供了一种控制器单元的具体结构，所述控制器单元包括微控制器u7、晶体振荡器osc、数字隔离器u8和can收发器u9；其中，

所述晶体振荡器osc连接在微控制器u7的xtal管脚和extal管脚之间；

所述微控制器u7的adc输入端与电压采集模块的输出端相连以将单体电压信号转换为数字电压信号，及将数字电压信号转换为can通信数据帧；

所述can收发器通过can总线与所述bms控制单元相连，所述微控制器u7的txd引脚和rxd引脚通过数字隔离器u8与can收发器u9相连以将can通信数据帧通过can收发器发送至bms控制单元及通过can收发器获取bms控制单元下发的电压采集指令及电压均衡指令；

所述微控制器u7的io输出端与所述电压均衡模块的输入端相连。

进一步提供了一种电压采集模块的具体结构，所述电压采集模块包括与所述电芯一一对应的差分放大电路，所述差分放大电路包括运算放大器和四个电阻；其中，

所述运算放大器的正输入端通过电阻与相应电芯的正极相连，负输入端通过电阻与相应电芯的负极相连，输出端与控制器单元的相应输入端相连；

所述运算放大器的正输入端还通过电阻与电池组的负极相连，运算放大器的负输入端还通过电阻与其输出端相连。

进一步提供了一种电压均衡模块的具体结构，所述电压均衡模块包括与所述电芯一一对应的电压均衡电路，所述电压均衡电路包括npn型三极管、pnp型三极管和光电耦合器；其中，

所述光电耦合器的正输入端与控制器单元的相应输出端相连，负输入端接地，一输出端连接npn型三极管的基极，另一输出端连接pnp型三极管的基极；

npn型三极管的集电极和pnp型三级管的集电极通过电阻连接，npn型三级管的发射极与相应电芯的正极相连，pnp型三极管的发射极与相应电芯的负极相连。

进一步，所述电池组包括三个依次串联的电芯。

采用了上述技术方案后，本实用新型使用分立器件组合电路来代替专用集成芯片，提高了采样电路的可扩展性，也降低了设计开发成本；同时，本实用新型采用了并行采集模式，相比现有的分立器件式电路的串行采集结构，加快了采样速度，也增强了采样电路的抗干扰性；并且本实用新型集成了电压均衡模块，可以保证锂离子电池组中所有电芯电压均能控制在合理范围内。相比于现有的电池组模拟前端采样模块，本实用新型具有电路结构简单、开发成本低廉以及抗干扰能力强等优势。

附图说明

图1为本实用新型的锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路，电池组包括至少两个依次串联的电芯，它包括bms控制单元、控制器单元、电压采集模块和电压均衡模块；其中，

所述电压采集模块和电压均衡模块分别连接在控制器单元和每个电芯之间，所述控制器单元与所述bms控制单元相连；

所述电压采集模块适于采集每个电芯的的单体电压信号；

所述bms控制单元适于向控制器单元下发电压采集指令；

所述控制器单元适于在接收到电压采集指令时将电压采集模块采集的所有单体电压信号进行处理并发送至bms控制单元；

所述bms控制单元还适于根据接收到的处理后的单体电压信号向控制器单元下发相应的电压均衡指令；

所述控制器单元还适于根据相应的电压均衡指令驱动电压均衡模块工作以均衡相应电芯的电压。

如图1所示，所述控制器单元包括微控制器u7、晶体振荡器osc、数字隔离器u8和can收发器u9；其中，

所述晶体振荡器osc连接在微控制器u7的xtal管脚和extal管脚之间；

所述微控制器u7的adc输入端与电压采集模块的输出端相连以将单体电压信号转换为数字电压信号，及将数字电压信号转换为can通信数据帧；

所述can收发器通过can总线与所述bms控制单元相连，所述微控制器u7的txd引脚和rxd引脚通过数字隔离器u8与can收发器u9相连以将can通信数据帧通过can收发器发送至bms控制单元及通过can收发器获取bms控制单元下发的电压采集指令及电压均衡指令；

所述微控制器u7的io输出端与所述电压均衡模块的输入端相连。

如图1所示，所述电压采集模块包括与所述电芯一一对应的差分放大电路，所述差分放大电路包括运算放大器和四个电阻；其中，

所述运算放大器的正输入端通过电阻与相应电芯的正极相连，负输入端通过电阻与相应电芯的负极相连，输出端与控制器单元的相应输入端相连；

所述运算放大器的正输入端还通过电阻与电池组的负极相连，运算放大器的负输入端还通过电阻与其输出端相连。

如图1所示，所述电压均衡模块包括与所述电芯一一对应的电压均衡电路，所述电压均衡电路包括npn型三极管、pnp型三极管和光电耦合器；其中，

所述光电耦合器的正输入端与控制器单元的相应输出端相连，负输入端接地，一输出端连接npn型三极管的基极，另一输出端连接pnp型三极管的基极；

npn型三极管的集电极和pnp型三级管的集电极通过电阻连接，npn型三级管的发射极与相应电芯的正极相连，pnp型三极管的发射极与相应电芯的负极相连。

在本实施例中，所述电池组包括三个依次串联的电芯，分别为电芯cell0、电芯cell1和电芯cell2；

运算放大器u1与电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4构成差分放大电路，该差分放大电路的输入端连接于电芯cell0的正负端，输出端连接于微控制器u7的adc输入端ad0；

运算放大器u2与电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8构成差分放大电路，该差分放大电路的输入端连接于电芯cell1的正负端，输出端连接于微控制器u7的adc输入端ad1；

运算放大器u3与电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12构成差分放大电路，该差分放大电路的输入端连接于电芯cell2的正负端，输出端连接于微控制器u7的adc输入端ad2。

所述的电压均衡模块主要由光电耦合器u4、光电耦合器u5、光电耦合器u6、电阻r13、电阻r14、电阻r15、npn型三极管q1、npn型三极管q3、npn型三极管q5、pnp型三极管q2、pnp型三极管q4和pnp型三极管q6组成；其中，

光电耦合器u4输入端连接于微控制器u7的数字输出端io2和信号地gnd，一输出端分别连接于npn型三极管q1的基极，另一输出端通过电阻r14连接于pnp型三极管q2的基极，npn型三极管q1的集电极与pnp型三极管q2的集电极通过电阻r13相连，而npn型三极管q1的发射极连接于电芯cell2的正极，pnp型三极管q2的发射极连接于电芯cell2的负端，电阻r13作为放电电阻用于电压均衡过程中为电芯cell2进行放电而降低其电压，电阻r14作为pnp型三极管q2的基极限流电阻，保证pnp型三极管q2能稳定工作；

光电耦合器u5输入端连接于微控制器u7的数字输出端io1和信号地gnd，一输出端分别连接于npn型三极管q3的基极，另一输出端通过电阻r16连接于pnp型三极管q4的基极，npn型三极管q3的集电极与pnp型三极管q4的集电极通过电阻r15相连，而npn型三极管q3的发射极连接于电芯cell1的正极，pnp型三极管q4的发射极连接于电芯cell1的负端，电阻r15作为放电电阻用于电压均衡过程中为电芯cell1进行放电而降低其电压，电阻r16作为pnp型三极管q4的基极限流电阻，保证pnp型三极管q4能稳定工作；

光电耦合器u6输入端连接于微控制器u7的数字输出端io0和信号地gnd，一输出端分别连接于npn型三极管q5的基极，另一输出端通过电阻r18连接于pnp型三极管q6的基极，npn型三极管q5的集电极与pnp型三极管q6的集电极通过电阻r17相连，而npn型三极管q5的发射极连接于电芯cell2的正极，pnp型三极管q6的发射极连接于电芯cell2的负端，电阻r17作为放电电阻用于电压均衡过程中为电芯cell2进行放电而降低其电压，电阻r18作为pnp型三极管q6的基极限流电阻，保证pnp型三极管q6能稳定工作。

本实用新型的锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路的工作过程具体表述为：

初始化阶段，微控制器u7上电启动初始化过程，晶体振荡器osc提供稳定时钟信号，微控制器u7的adc采样转换器设置为连续通道采样模式，can收发器完成初始化就绪；数字输出端io0、数字输出端io1和数字输出端io2输出低电平，光电耦合器u4、光电耦合器u5和光电耦合器u6没有驱动信号输入，其输出端光敏感生电流为零，则三极管q1和三极管q2，三极管q3和三极管q4，三极管q5和三极管q6的基极电流也为零，因而所有三极管均处于关断状态。

电压采集工作阶段，微控制器u7通过can收发器接收到bms控制单元下发的电压采集指令，然后微控制器u7启动adc采样功能，并对电压采集模块输出的各个单体电压信号进行同时采集，将其采样数据转换为can收发器数据帧，并由can收发器发送至bms控制器单元，此时，微控制器u7的数字输出端io0、数字输出io1和数字输出io2均为低电平，电压均衡模块处于未启动状态。

电压均衡工作阶段，微控制器u7通过can收发器接收到bms控制单元下发的电压均衡指令，若该指令指示对电芯cell2进行电压均衡操作，则微控制器u7将数字输出端io2的电平改变为高电平状态，并开启定时器计时功能，此时光电耦合器u4得到驱动信号输入，其输出端光敏感生电流得以产生，则三极管q1和三极管q2也得到基极电流而处于导通状态，因而电芯cell2与放电电阻r13形成放电回路，经过一定时间放电后，在定时器计时完成时，微控制器u7将数字输出端io2的电平改变为低电平状态，光电耦合器u4驱动信号消失而导致三极管q1和三极管q2失去基极电流且发生截止，电芯cell2与放电电阻r13形成的放电回路被切断，因而电芯cell2放电过程停止；若该指令指示对电芯cell1进行电压均衡操作，则微控制器u7将数字输出端io1的电平改变为高电平状态，并开启定时器计时功能，此时光电耦合器u5得到驱动信号输入，其输出端光敏感生电流得以产生，则三极管q3和三极管q4也得到基极电流而处于导通状态，因而电芯cell1与放电电阻r15形成放电回路，经过一定时间放电后，在定时器计时完成时，微控制器u7将数字输出端io1的电平改变为低电平状态，光电耦合器u4驱动信号消失而导致三极管q3和三极管q4失去基极电流且发生截止，电芯cell1与放电电阻r15形成的放电回路被切断，因而电芯cell1放电过程停止；若该指令指示对电芯cell0进行电压均衡操作，则微控制器u7将数字输出端io0的电平改变为高电平状态，并开启定时器计时功能，此时光电耦合器u6得到驱动信号输入，其输出端光敏感生电流得以产生，则三极管q5和三极管q6也得到基极电流而处于导通状态，因而电芯cell0与放电电阻r17形成放电回路，经过一定时间放电后，在定时器计时完成时，微控制器u7将数字输出io0的电平改变为低电平状态，光电耦合器u4驱动信号消失而导致三极管q5和三极管q6失去基极电流且发生截止，电芯cell0与放电电阻r17形成的放电回路被切断，因而电芯cell0放电过程停止。由于电压均衡模块各个均衡通道处于独立回路，因此各个电芯电压的均衡过程可以分别独立进行。此时，微控制器u7将停止adc采集功能。

控制器休眠阶段，微控制器u7通过can收发器获取到bms控制单元下发的休眠指令，微控制器u7将停止adc采样功能，并将其数字输出端io0、数字输出端io1和数字输出端io2变为低电平状态，同时微控制器u7将设置为可由can收发器数据帧唤醒模式，然后微控制器u7将内核进行停止而进入休眠状态。

控制器唤醒阶段，微控制器u7通过can收发器获取到bms控制单元下发的唤醒指令，并启动唤醒初始化过程，晶体振荡器osc提供稳定时钟信号，adc采样转换器设置为连续通道采样模式，can收发器完成初始化就绪，数字输出端io0、数字输出端io1和数字输出端io2输出低电平；微控制器u7等待bms控制单元下发的电压采集指令或电压均衡指令而进入相应工作阶段。

以上所述的具体实施例，对本实用新型解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。