专利名称：电池组单体电池电压采集电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到电池管理系统领域，尤其涉及一种单体电池电压采集电路。
背景技术：
电池管理系统在新能源汽车、储能系统、后备电池系统等需要使用大量电池的领域，单体电池电压采集是电池管理系统的一项最基本的功能，是电池管理系统进行电压管理、SOC分析等的基础。而现在的电池管理系统的单体电池电压采集电路通常使用精密电阻分压、继电器阵列、多通道ADC等方式进行电压采集。精密电阻分压由于电阻阻值的温度特性及在单体电池之间形成回路等会在实际使用中带来较大误差；继电器阵列对每节单体电池配备一对继电器并通过多路电路结构复杂；多通道ADC存在成本较高的问题。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种低成本、简单实用、安全、高精度的单体电池电压采集电路，解决已有方法中精度低、电路复杂、成本高的问题。为实现上述目的，本实用新型通过下述技术方案实现。电池组单体电池电压采集电路包括电池电压巡检电路、信号调理及隔离电路、微控制器三部分，微控制器控制电池电压巡检电路的固态继电器以获取单体电池端电压，由信号调理及隔离电路进行无损处理后经隔离放大器传递给微控制器，由微控制器对采样到的电压信号进行A/D转换，系统设计电池组含N节串联的电池，其中1彡N彡A，A = Vbr/ Vmax，Vbr为固态继电器耐压值，Vmax为单体电池最高电压。由微控制器控制电池电压巡检电路的固态继电器获取特定单电池的电压，经过信号调理及隔离电路无损处理后进入微控制器AD通道，获取该特定单电池的电压。所述电池电压巡检电路，对于N节电池串联而组成的电池组，其共有N+1个电池节点，对应需要N+1个固态继电器，固态继电器的耐压值需大于电池组的总电压上限，在符合的范围可以选择耐压较低的固态继电器以降低电路的成本，固态继电器由微控制器控制 (可通过I/O 口直接控制或经译码器扩展进行控制)，使用微控制器同电源供电；串联的电池组的每个电池节点(N)通过一个限流电阻(to)与一个对应的固态继电器(Re_n)的输出一端(Re_n_4)连接，所有奇数固态继电器的输出另一端(Re_nJ3)连接在一起，形成采样总线Bus-A，所有偶数固态继电器的输出另一端(Re_n_3)连接在一起，形成采样总线Bus_B， 采样总线Bus-A与Bus-B形成取样总线，两根采样总线上的电压差即单体电池端电压，采样总线上的单体电池电压为正负交替的信号。在任意时刻，若需获取第N节电池的端电压，微控制器只需按将N路与N+1路继电器接通，就可以选择第N节单体电池，其端电压就可以在取样总线上获取，可以实现对电池组的实时电压监测。需要注意的是在任意时刻只能获取一节电池的电压，即相邻的两路固态继电器闭合，严禁非相邻的2个或任意2个以上隔离固态继电器同时接通，否则所获取的电压信号就可能会超过测量范围或电池短路，并使电池及电路遭受损坏。[0007]所述信号调理及隔离电路，由双极性运算放大器、隔离放大器、电压基准源及电阻、电容、二极管等器件组成，双极性运算放大器、隔离放大器输入级采用独立的双极性电源供电，隔离放大器的输出级采用与微控制器共地的双极性电源供电；采样总线Bus-B与信号调理及隔离电路的双极性运算放大器的地相连，采样总线Bus-A与信号调理及隔离电路的双极性运算放大器同相端连接，组成跟随器输出信号由信号调理及隔离电路的绝对值电路处理，由于双极性运算放大器的输入电流为uA级，系统不从电池组吸收电流并且单体电池端电压信号经采样总线后没有基本衰减，跟随器将取样总线的电压进行缓冲，之后将正负交替电压差转换为正值，对信号进行无损处理后经隔离放大器传递给微控制器处理； 对于电池组单电池电压较高的应用情况，信号调理电路可以对采样电压进行缩放，使该电压可以符合微控制器的处理范围。采用高精度低功耗的1 1隔离放大器，其将被测的电池组与微控制器从电气上隔离，确保取样测量系统安全。隔离放大器的输出经保护电路后送入微控制器的A/D通道。所述微控制器，采用具有12位或更高的AD转换接口，并具有I/O输出接口的单片机；微控制器根据特定的策略，每隔特定的时间控制电池电压采集电路对电池组进行电压进行依次的巡回采集。本实用新型的优势系统具有较高的采样精度；高压信号与控制信号有效隔离，系统的安全性高；系统简洁实用，固态继电器可根据应用电压要求进行选择，对成本有较好的控制， 固态继电器作为电路主要器件，具有较长的使用寿命；系统具有良好的可扩展性，可对不同的应用进行扩展适应，可用于车用动力电池组或其余使用串联电池组的领域。
图1为本实用新型系统结构原理图。图2为本实用新型的电池电压巡检电路原理示意图。图3为本实用新型一种应用的电池电压巡检电路的电路原理图。图4为本实用新型一种应用的信号调理与隔离放大电路原理图。图5为本实用新型一种应用的微控制器电路原理图。
具体实施方式
如附图3、4、5所示，以下以采集20节单体电池为例对本实用新型实施方式进行描述。该实施方案对镍氢和锂电池检测都适用。本实用新型电池电压巡检电路见图3，这个电路主要由编号为ICl到ICll的11 个双路固态继电器AQW214芯片和连线构成。且只需提供21路固态继电器通路即可，每一通路通过一个限流电阻与连线连接到电池的电极上，共计需要选通20节电池，所以对应有编号为R22到R42的21个取样限流电阻，R22至R42的21个限流电阻的一端分别连接电池组的Polar (1)至Polar (21)的21个电极，另一端分别连接ICl至ICll的第8管脚与第 6管脚，同时还对应编号为Control-I到Control-21的21个控制端也需要与编号为Rl到R21的21个限流电阻一端连接，限流电阻Rl至R21的另外一端分别连接ICl至ICll的第 2管脚与第4管脚，Control-I到Control-21的21个控制端再直接分别连接到微控制器的第 17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、49、50、51、52、53 端口上，ICl 至 ICll的第7管脚全部连接在Bus-B上，其第5管脚全部连接在Bus-A上，固态继电器的第1 和第3管脚分别接工作电源Vs2，该电源与微控制器的供电源属同一电系；在同一时刻，微控制器只需按要求将任意相邻的N路与N+1路固态继电器接通，就可以选择第N节单体电池，其端电压就可以在Bus-A与Bus-B总线上获取。Bus-A与Bus-B总线与信号调理电路的输入端相连，Bus-A连接信号调理电路芯片IC12的第3管脚，Bus-B连接信号调理电路的电源地GNDl。信号调理及隔离电路该电路如图4所示，由1个四运放集成电路芯片NCM902、1 个隔离放大器 IS0124 及电阻 R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49、R50，电容 C1、C2，二极管 DU D1，稳压二极管D3组成，其中只用了四运算放大器NCM902中的第1、第2、第4路运算放大电路。运算放大器工作电源由Vsl电源提供。通过绝对值电路将所取得电池电压值全部取正，如此方可输入给微控制器的A/D转换通道。电池电压巡检电路的取样电压总线Bus-A连接NCM902的第1运算放大电路同相输入端(NCM902的第3管脚)，取样电压总线Bus-B 连接Vsl的接地端GND1，信号调理电路的输出信号由NCM902的第14管脚输出，然后输入给隔离放大电路IC13的第27管脚。光电隔离放大器用IS0124，其输入端供电源与电池电压信号调理电路的供电源一致，ISOlM的第1、2、观管脚分别接电源Vsl的+Vsl、-VsU GNDl ；其输出端供电源与微控制器系统的供电源一致，IS0124的第15、16、14管脚分别接电源Vs2的+Vs2.-Vs2.GND2 ；NCV2902输出信号端第14引脚与IS0124的输入端27引脚相连，最后电池的电压测量信号经ISOlM的输出端13引脚输出，再通过由电容C3、电阻R52、 R51、稳压二极管D4组成的滤波限幅电路送入微控制器的第61管脚。微控处理器电路如图5所示，采用了飞思卡尔公司的的8位微处理器 MC9S08DZ60，具有53路I/O 口，其中有M路的12位的AD转换通道。主要完成对电池电压巡检电路的固态继电器的控制以及对采样到的电池电压信号进行A/D转换。由于电池巡检电路的核心器件使用的是固态继电器，所以电池巡检电路的固态继电器的控制地址选择线可以直接使用微处理器的任意I/O端口即可。微控制器的第17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、49、50、51、 52、53端口分别与电池电压巡检电路的Control-I到Control-21的21个控制端连接，这里电池电压巡检电路从电气上与微处理器的供电源要确保隔离。图5中的晶振XI、电容C4和 C5、电阻R53组成微控制的时钟振荡电路；图5中电阻R54与电容C6组成微控制器的复位电路；微控制器的第7管脚接电源+Vs2，第8管脚接Vs2的接地端GND2，在第7、8管脚间并接电容C9、ClO ；微控制器的第39管脚接电源+Vs2，第38管脚接Vs2的接地端GND2，在第 39、38管脚间并接电容C7、C8 ；微控制器的第57、58管脚接电源+Vs2，第55、56管脚接Vs2 的接地端GND2，在第57、58与55、56管脚间并接电容C11、C12 ；从隔离放大器输出的电池电压信号Vcell输入给微控制器的61管脚。本实用新型不局限于上述实施例，任何在本实用新型披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本实用新型的保护范围。
权利要求1.电池组单体电池电压采集电路，由电池电压巡检电路、信号调理及隔离电路和微控制器组成，其特征在于微控制器控制电池电压巡检电路的固态继电器以获取单体电池端电压并对采样到的电压信号进行A/D转换，对于N节电池组成的电池组，电池电压巡检电路包含N+1个节点和固态继电器，其中1彡N彡A，A = Vbr/Vmax, Vbr为固态继电器耐压值， Vmax为单体电池最高电压，每个节点都分别连接到1路固态继电器的一侧输出脚，所有奇数固态继电器的另一侧输出脚连接在一起形成采样总线BUS-A，所有偶数固态继电器的另一侧输出脚连接在一起形成采样总线BUS-B，采样总线BUS-A与信号调理及隔离电路的双极性运算放大器同相端连接，采样总线BUS-B与信号调理及隔离电路双极性运算放大器的地相连，组成跟随器后输出信号由信号调理及隔离电路无损处理后传递给微控制器。
专利摘要电池组单体电池电压采集电路，适用于所有电池管理系统，采用固态继电器、信号调理及隔离电路、微控制器配合完成对电池组单体电池的电压隔离取样。其单体电池电压巡检电路由特定数量的固态继电器构成，串联的电池组中的每个节点都分别连接到1路固态继电器的一侧输出脚，所有奇数固态继电器的另一侧输出脚连接到采样总线BUS-A，所有偶数固态继电器的另一侧输出脚连接到采样总线BUS-B，采样总线BUS-A与信号调理及隔离电路的双极性运算放大器同相端连接，组成跟随器后输出信号给信号调理及隔离电路的绝对值电路，以此获取任一节单体电池的电压，避免单体电池电压信号在采样总线上的衰减。该电路成本低、简洁实用、安全可靠。
文档编号G01R31/36GK202330663SQ20112034183
公开日2012年7月11日 申请日期2011年9月3日 优先权日2011年9月3日
发明者孙金虎, 张育华, 曾洁 申请人:镇江恒驰科技有限公司