CN101236235B - 蓄电池组单节电池的电压采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池组单节电池的电压采样装置及方法，能简单方便地对电池的电压进行电压采样。采样装置包括一飞电容、一采样模块、同时闭合或断开所述飞电容两端的一采样开关和至少一充电开关，所述充电开关一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端，另一侧的两个接线柱用于连接蓄电池组单节电池的正负极；所述采样开关一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端，另一侧的两个接线柱连接所述采样模块。本发明装置成本低且不受蓄电池组电压限制。

Description

蓄电池组单节电池的电压采样装置及方法 

技术领域

本发明涉及一种电压采样方法，尤其涉及一种蓄电池组单节电池的电压采样装置及方法。 

背景技术

在通讯系统中，通信电源系统或逆变器系统中，不间断供电的蓄电池组是系统的主要部件，其质量优劣直接关系到系统的可靠性。在很多时候可以通过测试蓄电池组中单节电池的电压，来判断蓄电池组的质量好坏。 

蓄电池组的电压一般都比较高，大多是由2V电池串联组成，在通信电源系统中通常为48V电池组，而逆变器系统的蓄电池组电压更高，可以达到400V。如果测量48V电池组单节电池电压还可以使用昂贵的差分运放实现，那么测量400V电池组的单节电池，直接使用差分运放就已经不能实现了，需要根据具体情况采用具体的采样方法。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在于需要提供一种蓄电池组单节电池的电压采样装置及方法，能简单方便地对电池的电压进行电压采样。 

为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种蓄电池组单节电池的电压采样装置，包括一飞电容、一采样模块、同时闭合或断开所述飞电容两端的一采样开关和至少一充电开关、一基准电压和同时闭合或断开所述飞电容两端的一基准电压开关，其中： 

所述充电开关一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端，另一侧的两个接线柱用于连接蓄电池组单节电池的正负极； 

所述采样开关一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端，另一侧的两个 接线柱连接所述采样模块； 

所述基准电压开关一侧的两个接线柱连接所述基准电压，另一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端。 

如上所述的装置可以进一步包括： 

一模/数转换模块，所述模/数转换模块的一侧连接所述采样开关，另一侧连接所述采样模块。 

进一步地，该装置可以进一步包括： 

一调理电路，所述调理电路的一侧连接所述采样开关，另一侧连接所述模/数转换模块。 

如上所述的装置中，所述采样开关包括双刀单掷继电器开关； 

所述采样开关、所述充电开关以及所述基准电压开关均采用湿簧继电器开关。 

本发明进而提供了一种基于上述装置的采样方法，包括： 

闭合所述基准电压开关，所述飞电容接受所述基准电压的充电； 

所述基准电压的充电完毕后断开所述基准电压开关，闭合所述采样开关，所述采样模块对所述飞电容上的电压进行电压采样获得采样基准值； 

所述电压采样完毕后断开所述采样开关，闭合所述充电开关，所述飞电容接受蓄电池组单节电池的充电； 

所述单节电池充电完毕后断开所述充电开关，闭合所述采样开关； 

所述采样模块对所述飞电容上的电压进行电压采样获得电压采样值；其中： 

所述采样模块根据所述采样基准值对所述单节电池进行电压采样的调零检测。 

如上所述的方法中，闭合所述采样开关，可以进一步将所述飞电容上的电压转换为数字电压，所述采样模块对所述数字电压进行电压采样获得电压采样值。 

进一步地，可以闭合所述采样开关，将所述飞电容上的电压调理到所述转换与所述采样的有效工作范围内。 

本发明提供了一种成本低且不受蓄电池组电压限制的通用采样装置及基于该装置的电压采样方法。 

附图说明

图1是飞电容的结构及工作原理图； 

图2是本发明所述利用飞电容技术实现蓄电池组单节电池的电压采样电路结构示意图； 

图3是本发明所述调理电路的电路结构示意图； 

图4是本发明所述利用飞电容技术实现蓄电池组单节电池的电压采样方法实施例步骤示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。 

本发明的主要思路是引入飞电容技术来实现蓄电池组单节电池的电压采样。相对于输入高共模电压的差分运放而言，采用飞电容技术进行电压采样的成本要低很多，而且技术实现上也很简单，不受共模电压高低的限制，可以很好地完成蓄电池组单节电池的电压采样。 

图1简单示出了飞电容的一个简单结构，借此描述飞电容的工作原理。图1中的电容C1即为飞电容，另外还有充电开关Ka和采样开关Kb，Ka和Kb都是双刀单掷开关；Ka一侧的两个接线柱连接Vin，另一侧的两个接线柱连接电容C1的两端，Ka一侧的两个接线柱连接Vout，另一侧的两个接线柱也连接电容C1的两端。当Kb断开而Ka闭合时，待测电压Vin给电容C1充电或放电，经过一段时间的延迟以后，电容C1两端的电压就跟Vin相同。然后断开Ka，闭合Kb，则电容C1上的电压可以用来测量，其值为实测电压Vout。如果负载R的阻抗为无穷大，那么由于电容C1的蓄能功能， Vout就应该与切换前的Vin相等。据此实现了Vin的隔离转换功能，通过测量Vout，就获得了Vin的值，理论上Vout与Vin完全相等。 

在表现飞电容原理的另一实施方式中，充电开关和采样开关的功能可以由一个双刀双掷开关来实现。在对飞电容进行充放电时，将双刀双掷开关打到供电方(比如电池等)，将飞电容连接到供电方进行充放电，此充放电可以理解为广义的充电；当需要对飞电容上的电压值进行电压采样时，将双刀双掷开关打到采样设备上，完成对飞电容电压值的采样。本发明中的开关并不限于双刀单掷开关或双刀双掷开关，只要能满足同时将飞电容两端的连接断开或闭合的开关，均可用于本发明。 

飞电容是信号传递的载体，在实际应用的选择上应注意三个环节：材质和工艺、容量、耐压。材质和工艺关注的是电容温度稳定性、漏电流、等效串连电感等因素。容量的精度对信号的精度影响不大，但是容量的数量级对信号回路的时间常数影响很大，对系统的整个时序也会产生间接影响。过小的容量容易引入信号的失真，而过大的容量则会使整个系统的速度变慢，这需要根据具体需要进行具体选择。电容的耐压一方面要考虑信号本身电压上限，另外一方面，由于信号源一般要通过电缆传输等其他因素，耐压应该留有一定的安全余量。 

开关是飞电容的核心，工程实践中一般继电器开关，图1中Ka和Kb即为继电器开关。一般而言机械继电器开关在飞电容中是较少被采用，这主要是由机械继电器的寿命因素决定的。常用作飞电容开关的继电器，包括有湿簧继电器和PhotoMOS继电器等等。湿簧继电器采用水银作为触点，寿命很高，且触点电阻相对较低，但是开关速率相对不高；PhotoMOS继电器属于光隔离固体继电器一类的器件，体积小，开关速率相对高一些，缺点是导通电阻较大且离散。 

图2为本发明所述利用飞电容技术实现蓄电池组单节电池的电压采样电路结构示意图，电路中含有n节电池组成的蓄电池组，从蓄电池组负极BATT-开始，这n节电池依次编号为BT1、BT2、...，直到蓄电池组正极BATT+的编号为BTn的电池结束。每节电池都各引出一个双刀单掷继电器的充电开关，对应于电池编号，共n个充电开关分别为用K1、K2、...、Kn表示， 每个充电开关的两条支路分别连接对应单节电池的正负极。经过充电开关后，蓄电池组内n节电池的正极，均汇结于飞电容C2的一端，负极均汇结于飞电容C2的另一端。通过一个采样模块对电容C2上的电压进行模拟电路的采样，可以获得电容C2上的电压值。 

为了提高采样的准确度，图2所示的电路上还增加了一路基准电压VREF的采样，用以完成采样装置的调零检测。这一路基准电压VREF经过一个双刀单掷继电器基准电压开关K0，也连接到飞电容C2的两端，这是因为包括Km在内的所有继电器开关在关断时，存在微小漏电流，小信号时误差会比较大，高精度应用时可以通过调理零采样来实现系统补偿以提高采样精度。另外也可借助采用湿簧继电器作为开关来提高采样精度。 

飞电容C2通过采样开关Km连接到高输入阻抗的调理电路，以完成对飞电容C2上电压的调理输出。图3示出了调理电路的电路结构，汇结各电池正极的飞电容端，经过采样开关Km后，接入到调理电路的第一放大器U1的同相输入端；汇结各电池负极的飞电容端，经过采样开关Km后，接入到调理电路的第二放大器U2的同相输入端。第一放大器U1的输出端与自身反相输入端连接后，通过第一电阻R1接到调理电路的第三放大器U3的反相输入端，第二放大器U2的输出端与自身反相输入端连接后，通过第二电阻R2接到调理电路的第三放大器U3的同相输入端，第三放大器U3的反相输入端还通过第四电阻R4接地(GND)，第三放大器U3的输出端经第三电阻R3后连接到自身的同相输入端。将第三放大器U3的输出信号发送到A/D转换模块进行A/D转换，完成对飞电容C2上电压的采样。 

上述第一放大器U1和第二放大器U2各自的连接方式，形成了两个射随电路，分别称之为第一射随电路和第二射随电路。第三放大器U3为标准的差分放大电路。 

图3所示的调理电路，首先利用射随电路的高阻抗特性将飞电容C2上的电压传递到差分放大电路的输入端，经过射随电路这一级就减小了后级电路对飞电容C2上电压的影响。然后利用差分放大电路，将飞电容C2上的电压调理到适于进行A/D转换及采样的有效工作范围内，比如飞电容电压范围是0～12V，通过调理就可以变到0～4V范围，这也是本发明运用调理 电路的主要目的。 

图3中还包括一个A/D转换模块及采样模块，其中A/D转换模块的功能是用以完成前述的A/D转换，其中的采样模块完成对A/D转换之后的数字信号输出进行数字采样。 

前述飞电容C2的信号之所以经过一个高输入阻抗的调理电路进行信号调理，主要是因为飞电容C2的信号不能直接输出到普通的A/D(模拟/数字)转换模块进行电压采样，特别是对于采用PhotoMOS继电器开关的情形，放大器的输入阻抗至少要在数兆欧姆以上。 

图4为本发明所述利用飞电容技术实现蓄电池组单节电池的电压采样方法实施例步骤示意图，下面结合图2、图3和图4，详细说明本发明是如何通过飞电容技术实现蓄电池组单节电池采样的。本发明方法实施例包括步骤： 

步骤410，在蓄电池组每节电池的两极，均一一对应地各接上一个双刀单掷充电开关； 

步骤420，每节电池经各自的双刀单掷充电开关后，正极均汇结于飞电容C2的一端，负极均汇结于飞电容C2的另一端； 

步骤430，飞电容C2的两端，通过双刀单掷基准电压开关K0，连接到基准电压VREF上； 

步骤440，上电时保证所有的开关都是断开状态，上电稳定后进行采样装置调零检测，获得采样基准值； 

步骤450，根据获得的采样基准值，依次对蓄电池组每节电池的电压进行采样，获得每节电池准确的电压采样值。 

上述步骤440的上电过程中，需要保证所有的开关均处于断开状态，如果有部分开关处于同时闭合的状态，就会发生蓄电池组短路的危险。 

上述步骤440中获得采样基准值的过程是，首先闭合K0(此时其余各开关均处于断开状态)，延迟一段时间(比如10ms)后，电容C2两端的电压就会与基准电压VREF相等；然后断开K0，闭合Km，电容C2两端的电压经过调理电路后到AD采样口完成采样，基准电压VREF的采样值和其理 论值之间的差值就是采样基准值。 

上述步骤450中，比如采用按照先测量第1节电池的电压，然后测量第2节、第3节等等的顺序进行采样，那么采样过程是，获得采样基准值之后，断开采样开关Km，此时电路上所有的开关均处于断开状态；首先闭合第1节电池上的充电开关K1，让第1节电池为飞电容C2充电，延迟一段时间后，飞电容C2两端的电压就会与第1节电池的电压相等；然后断开K1，闭合Km，飞电容C2两端的电压通过采样通道，完成电压采样，并根据采样基准值完成系统补偿，获得了飞电容C2两端的电压，此时该电压就等于第1节电池的电压。参照对第1节电池进行电压采样的过程，可以实现对蓄电池组剩余各电池的采样，不再详述。 

上述各开关闭合所需要延迟的时间，均需要满足对应各开关的最小闭合时间，这个最小闭合时间需要根据具体电路来确定。但是不管何种电路，对于一个具体的开关来说，这个最小闭合时间需要等于这个开关的接续时间加上电容充电时间，其中的接续时间是这个开关接通电路所需的时间，电容充电时间是对飞电容进行充电并保证充电到与供电方(电池或基准电压)等压的时间。一般来说，开关的接续时间和电容的充电时间，都在微秒或毫秒数量级。 

上述实施例是对蓄电池组中的每节电池都进行电压采样获得电压，实际上如果仅需对蓄电池组中的部分电池进行电压采样，只要根据飞电容的原理对需要进行电压采样的电池接上充电开关即可。在本发明的其他实施例当中，还可以仅使用一个充电开关，将这个充电开关分别接在某待采样电池的正负极，对这节电池完成采样之后，将这个充电开关又连接到下一节待采样电池的正负极，再完成该下一节待采样电池的电压采样，依此方式，采用一个充电开关即可实现多节电池的电压采样。对于采用一个充电开关来实现电压采样的实施例中，其中的充电开关除了可以选用双刀单掷开关之外，也可选用双刀双掷开关。 

在本发明的一个具体应用实例当中，蓄电池组为48V，由24节2V电池串联形成。一共有一一对应于24节电池的24个充电开关，1个基准电压开关和1个采样开关，这26个开关均选用长寿命的湿簧继电器，飞电容选用 10V/1UF电容。由于单节电池的标称电压是2V，所以选择10V电容留有很大的余量，满足安全要求。基准电压开关控制一路基准电压2.5V的采样，用于装置的调零计算。 

本应用实例中对调理电路的实现中，第一放大器和第二放大器都选用了输入阻抗大于10兆欧姆的运算放大器，所以只有很小的漏电流，可以保证调理电路对飞电容上的电压只有很小的影响。另外本发明蓄电池组中的所有电池的采样都是通过飞电容的公共地(图3所示通过电阻R4的接地)来进行的，实现了单节电池电压采样时的共地问题。 

采用本发明测量电池组单节电池电压，相对于现有的采用昂贵的高输入共模电压的差分运放实现，要节省大量的成本，而且本发明可以解决高输入共模电压的差分运放无法完成的测量更高电压电池组单节电池电压的难题。 

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。 

Claims (7)

1.一种蓄电池组单节电池的电压采样装置，其特征在于，包括：

一飞电容、一采样模块、同时闭合或断开所述飞电容两端的一采样开关和至少一充电开关、一基准电压和同时闭合或断开所述飞电容两端的一基准电压开关，其中：

所述充电开关一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端，另一侧的两个接线柱用于连接蓄电池组单节电池的正负极；

所述采样开关一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端，另一侧的两个接线柱连接所述采样模块；

所述基准电压开关一侧的两个接线柱连接所述基准电压，另一侧的两个接线柱连接所述飞电容的两端。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：

一模/数转换模块，所述模/数转换模块的一侧连接所述采样开关，另一侧连接所述采样模块。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：

一调理电路，所述调理电路的一侧连接所述采样开关，另一侧连接所述模/数转换模块。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述采样开关包括双刀单掷继电器开关；

所述采样开关、所述充电开关以及所述基准电压开关均采用湿簧继电器开关。

5.一种基于权利要求1所述装置的采样方法，其特征在于，包括：

闭合所述基准电压开关，所述飞电容接受所述基准电压的充电；

所述基准电压的充电完毕后断开所述基准电压开关，闭合所述采样开关，所述采样模块对所述飞电容上的电压进行电压采样获得采样基准值；

所述电压采样完毕后断开所述采样开关，闭合所述充电开关，所述飞电容接受蓄电池组单节电池的充电；

所述单节电池充电完毕后断开所述充电开关，闭合所述采样开关；

所述采样模块对所述飞电容上的电压进行电压采样获得电压采样值；其中：

所述采样模块根据所述采样基准值对所述单节电池进行电压采样的调零检测。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

闭合所述采样开关，进一步将所述飞电容上的电压转换为数字电压，所述采样模块对所述数字电压进行电压采样获得电压采样值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

闭合所述采样开关，将所述飞电容上的电压调理到所述转换与所述采样的有效工作范围内。

Images