一种电池组状态参数多路实时监测系统的制作方法

本实用新型涉及电池监测领域，具体涉及一种电池组状态参数多路实时监测系统。

背景技术：

汽车工业飞速发展使我国能源供给缺口不断增大，其尾气排放对大气污染也愈发严重，发展新能源汽车，以电代油，增加能源利用效率，减少分布式排放，能够有效缓解汽车工业可持续发展面临的问题。纯电动汽车具有低污染、噪声小、性能高、技术灵活性好等优点，可实现交通运输领域的节能减排，也是汽车制造业创新发展的重要方向。纯电动汽车的核心——锂离子电池，具有功率密度高，放电特性稳定，自放电率低，可承载大负载等优点，但其充电时间长，安全性较差，汽车多变的工况影响其寿命，且其能量密度仍不能满足人们对电动汽车性能和续航的要求。因此，在无法突破锂离子电池材料瓶颈的现实条件下，对电池管理系统（BMS）提出了较高的要求。电池的监测与管理成为电池使用的关键，其目的在于实时监控电池状态，管理电池使用过程，确保电池安全、高效运行。若监测和管理不当，则会对电动汽车的安全行驶、整车控制、充放电以及运行成本造成很大影响。电池状态的分析主要是针对电池剩余电量（SOC）和电池老化程度（SOH）进行检测和估计。SOC直接关系到续航里程，也会影响整车控制，精确的SOC估计十分重要。同时，SOC的评估需要建立在对SOH的准确分析上，而电池SOH在不同工况下又受到温度、电流和外部环境的影响。可以看出，电池组一连串状态信息的分析需要基于数据采集系统对电压、电流、温度等主要状态参数的快速精确测量，这也是电池管理系统实现均衡管理、热管理、安全保护等功能的前提。总之，BMS的主要功能都是以采集得到的电池状态数据为基础进行分析和执行。因此，一种简单可靠的车用动力电池的多路实时信号监测系统是非常有必要的。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电池组状态参数多路实时监测系统，利用单片机控制光耦继电器对电池组多路电压、电流、温度进行分时采样，并结合LabVIEW上位机设计，显示与保存采集到的电池状态参数。

为实现上述目的本实用新型采用以下技术方案实现：

一种电池组状态参数多路实时监测系统，其特征在于：包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、Arduino单片机和LabVIEW上位机；所述Arduino单片机与电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块分别连接，实现电池电压、电流及温度的实时测量；所述Arduino单片机和LabVIEW上位机连接，通过LabVIEW上位机显示与保存采集的数据。

进一步的，所述电压采集模块由单包分电压采集电路、单包总电压采集电路和总电压采集电路组成。

进一步的，所述单包分电压采集电路由光耦继电器和保护电阻组成。

进一步的，所述单包总电压采集电路由光耦继电器、第一分压电阻、第二分压电阻和保护电阻组成。

进一步的，所诉总电压采集电路由光耦继电器、第一分压电阻、第二分压电阻和保护电阻组成。

进一步的，所述电流采集模块由霍尔电流传感器、运算放大器、电容和光耦继电器组成。

进一步的，所述温度采集模块由热敏电阻、第一分压电阻、第二分压电阻和电容组成。

进一步的，所述Arduino单片机和LabVIEW上位机通过串口连接。

进一步的，所述Arduino单片机采用Arduino UNO R3单片机。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1．本实用新型基于Arduino UNO R3单片机的多路电池组状态参数监测系统采用分时采样方法，可实现电池组多路实时电压、电流及温度监测；

2．本实用新型电路结构简明，每块电池包的电压、电流、温度采集使用分布式Arduino UNO R3单片机分时采样，故障处理简单，采集电路互不干扰；

3．本实用新型基于Arduino UNO R3单片机采集的电池状态参数信号，通过LabVIEW交互功能，可实时显示，并绘制状态参数变化曲线，也可将数据保存便于后续的查阅分析，对数据进行进一步加工和处理。

附图说明

图1是本实用新型系统原理图；

图2是本实用新型实施例中组合电池的检测系统示意图；

图3是本实用新型实施例中霍尔电流传感器采集电路；

图4是本实用新型实施例中单组电池的检测系统示意图；

图5是本实用新型实施例中单包电池的检测系统示意图；

图6是本实用新型实施例中单包电池温度传感器布置示意图；

图中：1-Arduino UNO R3板的数字I/O端口；2-光耦继电器；3-各支路电流传感器；4-组合电池；5-电压采集模块；6-霍尔元件；7-100Ω电阻；8-运算放大器；9-200Ω电阻；10-Arduino UNO R3板数字输入端口；11-单组电池组；12-单包干路总电流；13-单体电池 ；14-贴片式温度传感器；15-插空式温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

请参照图1本实施例提供一种电池组状态参数多路实时监测系统，包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、Arduino UNO R3单片机和LabVIEW上位机；所述Arduino UNO R3单片机与电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块分别连接，实现电池电压、电流及温度的实时测量；所述Arduino UNO R3单片机和LabVIEW上位机通过串口连接，通过LabVIEW上位机显示与保存采集的数据。

在本实施例中，所述电压采集模块由16路单包分电压采集电路、16路单包总电压采集电路和16路总电压采集电路组成。

16路单包分电压采集电路由由光耦继电器AQW214EH和 470 Ω的保护电阻构成，光耦继电器的4号管脚接入5V的高电平，6号管脚接地电位，5号管脚接单体电池负极，7号管脚接单体电池正极，2号管脚与3号管脚相连，1号管脚接470 Ω的保护电阻接Arduino板模拟输出端口，8号管脚接Arduino UNO R3板数字输入端口。

16路单包总电压采集电路由光耦继电器和1kΩ 、5kΩ分压电阻及470 Ω的保护电阻构成的，其光耦继电器的8号管脚分别接1kΩ 、5kΩ分压电阻在接Arduino UNO R3板数字输入端口，光耦继电器的4号管脚接入5V的高电平，6号管脚接地电位，5号管脚接单体电池负极，7号管脚接单体电池正极，2号管脚与3号管脚相连，1号管脚接470 Ω的保护电阻接Arduino板模拟输出端口。

16路总电压采集电路由光耦继电器和1kΩ 、100kΩ分压电阻及470 Ω的保护电阻构成的，其光耦继电器的8号管脚分别接1kΩ 、100kΩ分压电阻在接Arduino UNO R3板数字输入端口，光耦继电器的4号管脚接入5V的高电平，6号管脚接地电位，5号管脚接单体电池负极，7号管脚接单体电池正极，2号管脚与3号管脚相连，1号管脚接470 Ω的保护电阻接Arduino板模拟输出端口。

电流采集模块，由ACS712霍尔电流传感器、OPA2335运算放大器、0.1uF电容和AQW214EH光耦继电器构成。电流传感器的VCC管脚接5V，GND管脚接地电位，输出管脚接其采集接在100Ω电阻接运算放大器正极，运算放大器负极接Arduino UNO R3板的地电位，运算放大器的正极接200Ω电阻接输出，运算放大器的输出接ACS712传感器的5号（7号）管脚，其6号（或8号）管脚接Arduino UNO R3板的A1（或A2）端口。光耦继电器AQW214EH 的5号（或7号）管脚，其6号（或8号）管脚接Arduino UNO R3板数字输入端口，2号管脚与3号管脚相连，1号管脚接470 Ω的保护电阻接Arduino UNO R3板模拟输出端口，4号管脚接入5V的高电平。

温度采集模块由KTY84-130热敏电阻、1.3kΩ分压电阻、100Ω分压电阻及0.1uF的电容构成。热敏电阻的一端接地电位，另一端接1.3kΩ分压电阻接5V 高电平，同时接100Ω分压电阻及0.1uF的电容接地电位，采集端口由100Ω分压电阻的电容端接到光耦继电器AQW214EH 的5号（或7号）管脚，Arduino UNO R3板数字输入端口接AQW214EH的6号（或8号）管脚，2号管脚与3号管脚相连，1号管脚接470 Ω的保护电阻接Arduino UNO R3板模拟输出端口，4号管脚接入5V的高电平。

LabVIEW上位机实时显示电池组的电压、电流、温度，通过与安全阈值比较，设置危险报警提醒，并通过写入电子表格文件VI函数实现EXCEL形式数据的储存。

实施例1：

本实施例以16路车用动力电池为例，一种电池组状态参数多路实时监测系统组成为：16路动力电池系统由16块电池包串联而成，每块电池包由6个电池组串联而成，每个电池组是由7个组合电池并联而成，每个组合电池又由3个单体电池并联而成。由于采集需求数据通道数远超单只Arduino UNO R3端口数。本实用新型采用分布式数据采集结构，即平均每路使用4只单片机，其中有1只用于电池电压测量，3只用于单组电池各支路电流及单路总电流测量，1只用于电池温度测量。

监测系统的电压分时采集为：每个电池组各采集1个端电压，则单块电池包需采集6个单组电池电压，再采集1个单包电池总电压，共7个电压数据，因此，单块电池包电压采集可通过1只单片机来实现。具体包括：通过7路数字I/O口2~9控制7个光耦继电器进行分时采样，由2个模拟输入端口A0和A1将数据采集到单片机，其中A1对应的是为单电池组电压，A0对应的是总电压。

监测系统的电流分时采集为：每个电池组各采集每个支路上的组合电池电流，则单块电池包需采集42个组合电池电流，再采集6个单组电池总电流，共48个电流数据，因此，单块电池包电流采集可通过3只单片机来实现。具体包括：通过8路数字I/O口2~10控制8个光耦继电器进行分时采样，由2个模拟输入端口A0和A1将数据采集到单片机，其中A1和A2端口均用于采集组合电池电流。

监测系统的温度分时采集为：每块电池包采集12个温度数据，并取其中最高温度为电池包温度，因此，单块电池包温度采集可通过1只单片机来实现。具体包括：通过6路数字I/O口2~8控制6个光耦继电器进行分时采样，由2个模拟输入端口A0和A1将数据采集到单片机，其中A0和A1端口均用于采集温度。

监测系统的LabVIEW上位机为：通过串口将Arduino单片机与上位机LabVIEW相连，实时显示电池组电压、电流、温度；将采集到的状态参数与电池的安全状态参数进行比较，当超过设置安全阈值时，则通过LabVIEW前面板报警指示灯变成红灯提醒操作者，电池运行在不安全状态；通过LabVIEW数组索引功能实现某一时刻数据的查询和文件I/O子模块，实现读取写入文本文档、EXCEL等数据文档，优选的，通过写入电子表格文件VI函数实现EXCEL形式数据的储存。

实施例2：

本实施例系统实施包括以下步骤：

（a）、由3个单体电池并联而成的组合电池电压、电流和温度检测。

（b）、由7个组合电池并联而成的单组电池组电压、电流和温度检测。

（c）、由6个单组电池串联而成的单包电池包电压、电流和温度检测。

（d）、LabVIEW上位机显示与保存。

本实施例步骤a按照检测电路原理如图2所示，包括以下过程：

（a1）、电压采集是通过Arduino单片机控制光耦继电器芯片AQW214EH完成的，其中AQW214EH的4号管脚接入Arduino UNO R3板的5V输出端口，6号管脚接地电位，5号管脚接单体电池负极，7号管脚接单体电池正极，2号管脚与3号管脚相连，1号管脚接470 Ω的保护电阻接Arduino UNO R3板数字I/O口的2号端口，8号管脚接Arduino板数字输入A0端口。工作时，给2号数字I/O端口通入低电平，则光耦继电器导通，此时光耦继电器的内部电路中，5号管脚和6号管脚导通，同时7号管脚和8号管脚导通，则电池负极与Arduino UNO R3板接地电位导通，即电池与Arduino UNO R3板共地，所以8号采集到的信号为电池两端电压。

（a2）、电流采集是通过ACS712霍尔电流传感器、OPA2335运算放大器和Arduino单片机实现，如图3所示。ACS712霍尔电流传感器串联在组合电池里，其VCC管脚接Arduino UNO R3板的5V输出端口，GND管脚接Arduino UNO R3板的地电位，其输出端口与100Ω电阻串联后接OPA2335运算放大器正极，运算放大器负极接Arduino UNO R3板的地电位，正极接200Ω电阻接输出，运算放大器的输出接电流传感器的5号（7号）管脚，而电流传感器的6号（或8号）管脚接Arduino UNO R3板的A1（或A2）端口。获取传感器输出电压值，由I=(V/2-2.5)/0.066，计算出电流值。

（a3）、温度采集是通过KTY84-130热敏电阻温度传感器和Arduino单片机实现。本实用新型专利是将热敏电阻紧贴在并联的3块电池的缝隙，监测3块单体电池温度，以减少热敏电阻的数目。KTY84-130热敏电阻的一端接地电位，另一端接1.3kΩ分压电阻接5V 高电平，同时接100Ω分压电阻及0.1uF的电容接Arduino UNO R3板的地电位，采集端口由100Ω分压电阻的电容端接出。利用温度传感器在温度正常变化范围-40~300℃时传感器欧姆呈线性变化的特性以及获取的传感器输出电压值，由R=1300V/(5-V)计算出电阻值，再由T=0.18R-80计算温度值。

本实施例的具体实施方式步骤（b）按照检测电路原理如图4所示，包括以下过程：

（b1）、单组电池由组合电池并联而成，因此单组电池的电压即为（a1）所述组合电池电压。

（b2）、单组电池电流采集分为组合电池电流采集和单组电池总电流采集，单块Arduino UNO R3板采集2组电池组的电流，通过8路数字I/O口2~10控制8个光耦继电器进行分时采样，由两个模拟输入端口A1、A2采集到Arduino UNO R3板，A1和A2端口采集的是2组电池内的各个组合电池的电流，单块电池包的电流采集共需要3块Arduino UNO R3板。

本实施例的具体实施方式步骤（c）按照检测电路原理如图5所示，包括以下过程：

（c1）、单块电池包的电压采集与单体电池的电压采集相配合，每个AQW214EH继电器控制一个组合电池的电压采集。通过控制Arduino UNO R3板的数字I/O端口2~9顺次给每个AQW214EH继电器的1号管脚通低电平，使光耦继电器导通，此时光耦继电器的内部5号管脚和6号管脚导通，同时7号管脚和8号管脚导通，则电池负极与Arduino UNO R3板接地电位导通，即电池与Arduino UNO R3板共地，所以8号采集到的电势为电池两端电压。顺次导通各个AQW214EH芯片即可顺次采集每个电池组的电压和单包总电压。

（c2）、单块电池包的电流采集是由3块Arduino UNO R3板实现，每块板控制采集2组电池组的电流。单块电池包的6个电池组各采集一个单组电池总电流，单个电池组中的组合电池各采集一个电流数据，所以单块电池包共采集48个电流数据。共采用分时采样的方法，一个Arduino UNO R3板采集两组电池组的电流，通过8路数字I/O口2~10控制8个光耦继电器进行分时采样，由两个模拟输入端口A1、A2采集到电流Arduino UNO R3板内，A1和A2端口采集的是两组电池内的各个组合电池的电流。

（c3）、单块电池包的度采集由1块Arduino UNO R3板实现，共需采集12组温度数据，取最高温度为该电池包的温度，温度传感器的位置布置如图6所示。温度采集也是采用分时采样的方法，通过6路数字I/O口2~8控制6个光耦继电器进行分时采样，由两个模拟输入端口A0和A1将采集到温度数据送到Arduino UNO R3板，1块Arduino UNO R3板控制单包电池温度的采集。

本实施例的具体实施方式步骤（d）包括以下过程：

（d1）、通过串口将Arduino单片机与LabVIEW上位机相连，将实时采集到的电池组电压、电流、温度信号，显示在人机交互界面上。

（d2）、将采集数据与电池的安全状态参数进行比较，当实时参数超过设置阈值时，则通过LabVIEW前面板报警指示灯变成红灯提醒操作者，电池运行在不安全状态，需要及时处理，以保护电池。

（d3）、电池监测系统运行过程中需要对电池数据进行收集分析，通过LabVIEW数组索引功能实现某一时刻数据的查询和文件I/O子模块，实现读取写入文本文档、EXCEL等数据文档，本实用新型利用写入电子表格文件VI函数实现了EXCEL形式数据的储存。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。