CN101442211B - 一种分布式电池管理系统中的监测装置及监测方法 - Google Patents

一种分布式电池管理系统中的监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式电池管理系统中的监测装置及监测方法。所述监测装置包括：回路结构和隔离结构，回路结构包括低压回路和高压回路，在高压回路中包括：由共模抑制比高的单片集成，采用差分输入和放大处理结构的运放电路，在隔离结构中包括：采用变压器隔离结构的通讯隔离芯片；所述监测方法包括以下步骤：接收信号；判断是否接收到所述信号；进行初始化设置；高压回路数据采集，变压器式隔离传输，低压回路数据处理，然后发送；判断是否满足退出条件。通过本发明中的技术方案，实现了电池监测过程中较高的安全性，可靠性，极高的准确性，以及连续快速采样，对供电电源没有特殊的要求。

Description

一种分布式电池管理系统中的监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及汽车电池的管理技术领域，特别涉及一种分布式电池管理系统中的监测装置及监测方法。
背景技术
近年来，随着汽车技术的进步，混合动力技术由发展逐渐走向成熟，而混合动力汽车和电动汽车中的电池状态的监测和管理是混合动力技术的关键之一，如何迅速、准确、可靠地测量电池的特征参数，如电压、温度，是混合动力技术的难点。
由于分布式电池管理系统具有可靠性高，扩展性好的优点，被应用于混合动力汽车和电动汽车中电池的管理系统中。如图1所示，为典型分布式电池管理系统，图中的远程数据采集单元，也即是分布式电池管理系统中的监测装置。
现有技术中，分布式电池管理系统中的监测方法主要有：
方法1：使用模拟隔离器件(线性光耦、模拟隔离运放)进行测量；在该方法中，隔离电压可作得较高，线性度好，然而成本高，光耦静态电流较大，控制其静态电流而导致电路复杂；光耦器件的光传导系数的不一致性导致其绝对精度低，需要使用软件去对几乎每一个单元进行矫正来实现较好的精度，因此，该方法非常繁琐，不适合批量运用；
方法2：使用高共模电压的运算放大器，如INA117测量；在该方法中，精度可以作得较高，使用0.1％精度的电阻可以达到优于1％的性能，但由于需要使用高电压的电源供电，而导致效率不高，器件成本较高，在很多情况下，要求高压地跟低压地连结或存在直接电气上的联系，因为高压电对低压地存在较大的漏电流，具有一定的安全隐患，所以整车电路安全性较低，限制了该方法的应用。
发明内容
为了实现在高低压电源下都能比较容易地供电，实现较高的安全性，可靠性，和准确性的进行电池特征参数的测量，本发明提供了一种分布式电池管理系统中的监测装置及监测方法。
本发明提供了一种分布式电池管理系统中新的监测装置，使输入信号得到适当处理；通讯电路采用变压器隔离技术的通讯隔离芯片实现高压回路通讯电路和低压回路通讯电路连接；高压回路采用差分输入和放大处理结构的运放电路，该运放电路由共模抑制比高的单片集成，从而实现电压信号的转换和调理。
同时，本发明也提出了一种利用上述监测装置进行电池检测的方法。
所述方案如下：
一种分布式电池管理系统中的监测装置，包括：回路结构和隔离结构，该回路结构包括低压回路和高压回路。
其中，高压回路包括：信号处理电路、电源和采样电路、通讯电路；
高压回路中的信号处理电路，具体包括：采用差分输入和放大处理结构的运放电路，该运放电路通过共模抑制比高的单片集成；
低压回路包括：信号处理与转换电路，电源和主芯片电路、通讯电路；
隔离结构为隔离电路；
隔离电路包括：控制隔离电路、电源隔离电路、通讯隔离电路；
通讯隔离电路具体为变压器隔离结构的通讯隔离芯片。
一种分布式电池管理系统中的监测方法，包括以下步骤：
接收信号；
判断是否接收到信号；
进行初始化设置；
高压回路数据采集，变压器式隔离回路传输，低压回路数据处理；
判断是否满足退出条件。
其中，初始化设置，包括电压输入到运放电路的输入级进行采样的步骤；
该运放电路采用差分输入和放大处理的结构，通过共模抑制比高的单片集成；
在低压回路数据处理中，包括低压回路设置采集命令，通过隔离通讯电路将该采集命令发送到高压回路的步骤；
上述隔离通讯电路具体为变压器隔离结构的通讯隔离芯片。
通过本发明的技术方案，实现了电池特征参数的测量过程中，具有较高的安全性，可靠性，准确性；并且整个测量过程对供电电源没有特殊的要求，可以在较低电压供电的情况下工作；高压回路不工作时，拥有极低的静态工作电流(典型值1uA)，满足混合动力、燃料电池、电动车电池数据监控需要。
附图说明
图1是现有技术中分布式电池管理的系统图；
图2是本发明实施例1提供的分布式电池管理系统中的监测装置的组成图；
图3是本发明实施例1提供的监测装置中隔离器件的内部特征图；
图4是本发明实施例1提供的监测装置中的AD628电路图；
图5是本发明实施例1提供的监测装置中单片集成运放的内部结构特征图；
图6是本发明实施例1提供的监测装置中的温度调理电路图；
图7是本发明实施例1提供的监测装置中的AD转换电路图；
图8是本发明实施例1提供的监测装置中采用变压器隔离技术的通讯隔离芯片应用电路；
图9是本发明实施例1提供的监测装置中的光电隔离继电器电路；
图10本发明实施例1提供的监测装置中的又一光电隔离继电器电路；
图11是本发明实施例2提供的分布式电池管理系统中监测方法的流程图；
图12是本发明实施例2提供的分布式电池管理系统中监测方法的详细流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种分布式电池管理系统中的监测装置；图2为本实施例提供的分布式电池管理系统中监测装置的组成图，由低压结构、隔离结构、高压结构组成。低压结构可以为低压回路、隔离结构可以为隔离电路，高压结构可以为高压回路。它们各自又由三部分组成：
101：低压回路包括：信号处理与转换电路、电源电路和主芯片电路、通讯电路；
信号处理与转换电路，作用是处理来自整车的控制信号，典型如点火信号等，可以根据不同的应用要求设计；
电源电路和主芯片电路，作用是给低压回路供电，同时实现监测模块的控制逻辑与数据处理；
通讯电路，作用是与上层控制器以及下层的数据采集部分进行通讯。
在低压回路中：使用一微处理器(CPU)实现控制逻辑，外部电源供电由外部整车低压蓄电池(通常为12V蓄电池)提供；电源电路作用为将蓄电池电压转化为微处理器(CPU)所使用的电压，采用LDO电源芯片实现，与上层(即图1中电池管理模块)通讯电路可以采用包括CAN通讯协议在内的方式进行通讯，下层(与高压回路的AD芯片)采用SCI\SPI，I2C实现。
102：隔离电路包括：控制隔离电路、电源隔离电路、以及通讯隔离电路；
控制隔离电路，作用是实现低压对高压控制电路的隔离；
电源隔离电路，作用是实现低压电源到高压电源的隔离；
通讯隔离电路，作用是实现高、低压通讯电路电平的隔离并保证正常通讯。
在隔离电路中：采用光电隔离继电器(PhotoMos Relay)实现控制信号的隔离；电源的隔离可以采用隔离电源，也可以采用直接从高压取电低压控制隔离的方式；通讯电路采用带变压器隔离技术的通讯隔离芯片，如ADUM1401芯片，实现高压回路通讯电路和低压回路通讯电路连接，如图3所示为其内部特征图，此类通讯隔离芯片作为隔离器件具有：1)高达1000V以上的隔离电压，2)隔离通过变压器式结构实现，数据可以双向传输(可以从主回路传到隔离回路，也可以从隔离回路传回到主回路)，3)高传输速率1000KHZ以上。
103：高压回路包括：信号处理电路、电源和采样电路、通讯电路；
信号处理电路，作用是将电池包的电池模块信号、温度传感器以及其他信号转化为可以直接采样的电信号；
电源和采样电路，作用是为高压系统工作提供电源，同时对处理后的信号进行采样处理，将模拟信号转化为电压信号；
通讯电路，作用为将处理好的数字信号发送出去，同时接受低压回路的控制指令。
在高压回路中，信号处理电路采用差分输入和放大处理结构的运放电路，如使用AD628芯片，该运放电路通过共模抑制比高的单片集成，图4为AD628电压调理电路，图5为单片集成运放的内部结构特征图，由于采用的运放电路，具有：1)高共模电压抑制比电压反馈型运放；2)运放由两级放大组成；3)前一级构成差分放大结构，后一级正端输入有引脚接出，负端反馈放大，图6为温度调理电路，图7为AD转换与通讯应用电路，在高压回路中：采用AD628运放结合电阻电容的方式实现电压信号的转换和调理，由于其内部集成了0.01％精密电阻，前级组成差分放大结构，后一级进行进一步放大处理，它结合外部精密电阻可实现优于0.2％的转换精度，并且由于其非常高的抗共模电压的特性(高达120V)使得其非常适合电池电压数据采集应用；采用NTC热敏电阻加分压电路实现温度信号的转换；采用高压到低压的电源转换芯片实现高压控制回路的供电；采用带通讯接口的A/D转换器(12位如AD7888)实现模拟信号到数字信号的转换并将数据传送出去。
图9和图10为光电隔离继电器电路，图8为ADI公司ICOUPLER技术的通讯隔离芯片应用电路框图。由于高压部分用电器件主要为运放，AD(选择低功耗器件)，因此功率负荷非常小，在电池包工作时电池在采集板上损失的电流可以忽略不计。
将电池模块，电池温度传感器(如NTC型温度传感器)相连，给电路供电后，电路即可正常工作，电压处理电路可输出高精度，高线性度的电压波形供AD转换器使用；温度处理电路可提供代表温度值的电压信号给AD转换器；微处理器通过隔离通讯电路从AD转换器获取数据，进行处理后再通过通讯电路送到上层控制器。
本实施例中的技术方案通过设计了一种新的电路结构，使输入信号得到适当处理；设计了单片集成的运放解决方案，使电压信号得到准确、安全采集和转化；采用了专用的隔离通讯电路技术，使数据得到了准确有效可靠的传输，从而使分布式电池监测装置实现了低成本，元件少，可靠性高的特点，并且对电源没有特殊要求，可在整车蓄电池供电较低的范围内正常工作。
实施例2
本实施例提供了一种分布式电池管理系统中的监测方法，如图12所示，该方法包括：
开始阶段，接收信号；
判断是否接收到信号；如果接收到信号，则转下一步骤，如果没有接收到触发信号，则转上一步骤，继续准备接收信号；
然后，进行初始化设置，使电压输入到运放电路的输入级进行采样；该运放电路采用差分输入和放大处理的结构，通过共模抑制比高的单片集成；
之后，针对采样得到的数据，执行高压回路数据采集，变压器式隔离传输，低压回路数据处理，再将经过上述处理后的信号，发送到上层控制器；在低压回路数据处理中，包括低压回路设置采集命令，通过隔离通讯电路将该采集命令发送到高压回路；
最后，判断是否满足退出条件，如果满足退出条件，则退出，转到开始阶段，如果不满足退出条件。
图13为本实施例中方法的详细步骤图，该方法包括如下步骤：
步骤201：开始阶段，准备点火(触发)信号；
步骤202：判断是否接收到点火信号，如果点火信号到，转入步骤203；如果点火信号没到，转到步骤201；
步骤203：进行初始化设置，
包括：采集板低压回路供电，使高压回路的电源电路开始工作；
低压回路上电复位；
低压回路初始化；
低压回路上电保持；
使能高压采集部分电路(即，使高压能采集部分电路)，使电池电压可以输入到AD628输入级进行采样；
步骤204：低压回路设置ad(数/模)采集命令，通过隔离通讯电路将命令发送到高压回路；
步骤205：高压回路数据采集；
步骤206：低压回路主控制器读取采集数据；
步骤207：低压回路将采集到的数据进行处理与打包；
步骤208：发送到上层控制器；
步骤209：判断退出条件，即判断发送机是否熄火，如果发动机熄火，转至步骤201，如果发动机不熄火，转至步骤204。
本发明实施例中的技术方案设计了一种新的系统结构，使输入信号得到适当处理；设计了单片集成的运放解决方案，使电压信号得到准确、安全采集和转化；采用了专用的隔离通讯电路技术，使数据得到了准确有效可靠的传输，从而使分布式电池监测装置实现了低成本，元件少，可靠性高的特点，并且对电源没有特殊要求，可在整车蓄电池供电较低的范围内正常工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分布式电池管理系统监测装置的监测方法，监测装置包括：回路结构和隔离结构；所述回路结构包括：低压回路和高压回路；所述隔离结构为隔离电路，所述隔离电路包括：控制隔离电路、电源隔离电路、通讯隔离电路；控制隔离电路，作用是实现低压对高压控制电路的隔离；电源隔离电路，作用是实现低压电源到高压电源的隔离；通讯隔离电路，作用是实现高、低压通讯电路电平的隔离并保证正常通讯；所述高压回路包括：信号处理电路、电源和采样电路、通讯电路；信号处理电路，作用是将电池包的电池模块信号、温度传感器以及其他信号转化为可以直接采样的电信号；电源和采样电路，作用是为高压系统工作提供电源，同时对处理后的信号进行采样处理，将模拟信号转化为电压信号；通讯电路，作用为将处理好的数字信号发送出去，同时接受低压回路的控制指令；所述信号处理电路具体包括：采用差分输入和放大处理结构的运放电路，所述运放电路通过共模抑制比高的单片集成；低压回路包括信号处理与转换电路，电源和主芯片电路、通讯电路；所述通讯隔离电路具体为变压器隔离结构的通讯隔离芯片，其特征在于，包括如下步骤：
接收信号；
判断是否接收到所述信号；
进行初始化设置；
高压回路数据采集，变压器式隔离回路传输，低压回路数据处理；
判断是否满足退出条件。
2.根据权利要求1所述的分布式电池管理系统监测装置的监测方法，其特征在于，所述初始化设置，包括电压输入到运放电路的输入级进行采样的步骤。
3.根据权利要求2所述的分布式电池管理系统监测装置的监测方法，其特征在于，所述隔离通讯电路具体为变压器隔离结构的通讯隔离芯片。
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