CN102207529A - 一种可判断电池组采样线断线的电压采样装置及采样方法 - Google Patents

Abstract

一种可判断电池组采样线断线的电压采样装置，包括隔离选通模块、信号处理模块、AD转换模块及控制模块；其中，所述隔离选通模块包括n+1个选通开关，n为单体电池的节数，所述每个选通开关的控制端分别与所述控制模块电连接，所述电池组沿第1节单体电池到第n节单体电池方向上的条采样线分别与n+1个开关一端依次对应连接，所述奇数节开关的另一端相互连接形成一第一节点A，所述偶数节开关的另一端相互连接形成第二节点B，所述第一节点A通过第一采样信号线与信号处理模块连接，所述第二节点B通过第二采样信号线与信号处理模块连接。通过以上技术方案，可迅速得出采样线是否发生异常，有效缩短了对电池组信息采集的时间，并有效提高了电池组的使用安全性。

Description

一种可判断电池组采样线断线的电压采样装置及采样方法

技术领域

本发明涉及一种电池组的采样装置及方法，尤其涉及一种可判断电池组采样线断线的电压采样装置及采样方法。

背景技术

电池组作为一种提供电能的装置已经在很多领域得到广泛应用，而电池组的性能参数(电流、电压、温度等)时刻表征着电池组的使用状态情况，需要实时了解电池组的当前使用状态，因此电池组的监控系统或者管理系统应运而生，对电池组的一些信息进行实时采样和监控，因此，如果电池组内部的采样线发生断线，就不能保证实时正确的传递电池状态信息，整个使用电池组的系统可能就会受到威胁。

目前的电池监控系统对电池电压的采样一般有两种：一种是非隔离的采样模式，即电池和电池监控系统之间有电气连接，一种是隔离的采样模式，即电池和电池监控系统之间不存在电气连接。而电池组的非隔离采样模式的耐压值比较低，对监控电池组中单体电池的总数量比较少，不便于扩展；电池组的隔离采样模式的耐压值比较高，但是相对成本就比较高。而且不论以上的哪种采样方式，虽然都能够实现对电池组的电压监控功能，但是在电池组的采样线断线的情况下，可能会有电压误报的危险发生，因为对电池组的采样即对每节单体电池都进行采样，如果第二节单体电池的采样线断线，则系统会保留第一节单体电池的电压值，即系统会误认为第一节电池的电压值就是第二节单体电池的电压值，即传统的对电池组的采样对每节单体电池的采样都是一个正的电压值，假如系统采集的第1节单体电池两端的电压为3V，如果第2节单体电池两端的采样线发生断线，系统采集的第2节单体电池两端的电压就会默认为所存储的第1节单体电池两端的电压值3V，因此存在误报的可能；即使系统能够判断出断线问题，所需的时间是比较长的，现有的一种方法是每次采样后通过附加的电路对本次采样进行处理然后再进行下一次采样，这样虽然通过附加电路能够判断出采样线断线问题这样将造成采样时间增长，增大了电池组使用的危险性。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术中不能及时判断电池组中采样线断线，且采样时间长的问题，提供一种可快速判断电池组中采样线断线，有效缩短采样时间的电池组采样线断线的采样装置及采样方法。

一种可判断电池组采样线断线的采样装置，包括隔离选通模块、信号处理模块、AD转换模块及控制模块；

所述隔离选通模块，用于根据控制模块的指令接通电池组中每节单体电池两端的采样线；

所述信号处理模块，用于采集并处理每节单体电池两端的电压信号；

所述AD转换模块，用于将所述处理后的电压信号转换成数字信号；

控制模块，用于控制隔离选通模块依次接通电池组中每节单体电池两端的采样线，并接收所述AD转换模块发送的数字信号，进行分析判断采样线是否发生断线；

所述隔离选通模块、信号处理模块、AD转换模块依次电连接；

其中，所述隔离选通模块包括n+1个选通开关K₁、K₂、……、K_x(1≤x≤n，x为整数)、……、K_n、K_n+1，n为单体电池的节数，所述每个选通开关的控制端分别与所述控制模块电连接，所述电池组沿第1节单体电池到第n节单体电池方向上的n+1条采样线分别与1号开关K₁、2号开关K₂、……、x号开关K_x、……、n号开关K_n及n+1开关K_n+1的一端依次对应连接，所述编号为奇数的开关的另一端相互连接形成第一节点A，所述编号为偶数的开关的另一端相互连接形成第二节点B，所述第一节点A通过第一采样信号线与信号处理模块连接，所述第二节点B通过第二采样信号线与信号处理模块连接。

本发明还提供一种可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，包括以下步骤：

系统初始化，数据清零；

采集第1节单体电池至第n节单体电池两端的电压信号；

将所述电压信号进行处理并分析判断所述电池组的采样线是否断线；

其中，正向采集奇数节单体电池两端的电压信号，反向采集偶数节单体电池两端的电压信号。

以上技术方案中，通过设置隔离选通模块，利用n+1个选通开关1号开关K1、2号开关K2、……、x号开关Kx(1≤x≤n，x为整数)、……、n号开关Kn、n+号开关Kn+1，n为单体电池的节数，将电池组沿第1节单体电池到第n节单体电池方向上的n+1条采样线分别与1号开关K₁、2号开关K₂、……、x号开关K_x、……、n号开关K_n及n+1号开关K_n+1的一端依次对应连接，通过控制选通开关1号开关K₁与2号开关K₂、2号开关K₂与3号开关K₃、……、n号开关K_n与n+1号开关K_n+1依次闭合实现正向采集奇数节单体电池两端的电压信号，反向采集偶数节单体电池两端的电压信号，通过分析所采集的电压信号来判定电池组的采样线是否发生断线。与传统的电池组的采样装置只采用采集单体电池的正向电压相比较，整个方案不存在误报电压的可能，也不需要附加的电路来对采样线进行单独检测，系统可根据本次检测的电压信号与上次存储的电压信号进行比较，迅速得出采样线是否发生异常，有效缩短了对电池组信息采集的时间，并有效提高了电池组的使用安全性。

附图说明

图1是本发明可判断电池组采样线断线的电压采样装置一种实施例的结构框图；

图2是本发明可判断电池组采样线断线的电压采样装置一种实施例的组成结构示意图；

图3是本发明可判断电池组采样线断线的电压采样装置一种实施例的工作流程图；

图4是本发明可判断电池组采样线断线的电压采样装置一种实施例的控制模块输出的电池组采样线未发生断线时的信号图；

图5是本发明可判断电池组采样线断线的电压采样装置一种实施例的控制模块输出的电池组第3节单体电池发生断线时的信号图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，一种可判断电池组1采样线断线的采样装置，包括隔离选通模块2、信号处理模块3、AD转换模块4及控制模块5；

所述隔离选通模块2，用于根据控制模块5的指令依次接通电池组1中每节单体两端的采样线；

所述信号处理模块3，用于采集并处理每节单体电池两端的电压信号；

所述AD转换模块4，用于将所述处理后的电压信号转换成数字信号；

控制模块5，用于控制隔离选通模块(2)依次接通电池组(1)中每节单体电池两端的采样线，并接收所述AD转换模块4发送的数字信号，进行分析判断采样线是否发生断线；

所述隔离选通模块2、信号处理模块3、AD转换模块4依次电连接；

结合图2所示，所述隔离选通模块2包括n+1个选通开关K₁、K₂、……、K_x(1≤x≤n，x为整数)、……、K_n、K_n+1，n为单体电池的节数，此处n为大于等于的整数，当然n的具体取值可以根据电池组的实际应用场合决定，如果用在电动或者混合动力车上的电池组，n的取值可能从1到几百不等；如果是用到储能电站上的电池组，则n的取值可能从1到几万不等。所述每个选通开关的控制端分别与所述控制模块5电连接。作为一种现有的设计，电池组沿第1节单体电池到第n节单体电池的方向上分布有n+1条采样线，所述n+1条采样线分布于电池组中单体电池的之间，每相邻两条采样线之间设有一节单体电池，所述采样线用于实时检测电池组和每节单体电池两端的电信号，如果其中的一条或者几条采样线出现故障发生断线，那么对电池组或者单体电池的电信号的采集就会出现误差，严重时，可能烧毁电池。

本发明中，沿第1节单体电池到第n节单体电池方向上的n+1条采样线分别与1号开关K₁、2号开关K₂、……、x号开关K_x、……、n号开关K_n及n+1号开关K_n+1的一端依次对应连接，编号为奇数的开关的另一端相互连接形成一第一节点A，编号为偶数的开关的另一端相互连接形成第二节点B，所述第一节点A通过第一采样信号线6与信号处理模块3连接，所述第二节点B通过第二采样信号线7与信号处理模块3连接。

本方案中当对单体电池进行采样时，设单体电池的正极连接第一采样信号线，负极连接第二采样信号线时为正向采集该节单体的电池的电压；单体电池的负极连接第一采样信号线，正极连接第二采样信号线时为反向采集该节单体电池的电压；此时正向采集到的单体电池的电压为正值，反向采集到的单体电池的电压为负值。当然，作为一种等效替代，可以设单体电池的正极连接第一采样信号线，负极连接第二采样信号线时为反向采集该节单体的电池的电压；单体电池的负极连接第一采样信号线，正极连接第二采样信号线时为正向采集该节单体电池的电压。

当1号开关K₁和2号开关K₂闭合时，第1节单体电池两端的两条采样线被接通，此时通过此两条采样线可以采集第1节单体电池两端的电压，然后断开1号开关K₁，闭合3号开关K₃，第2节单体电池两端的两条采样线被接通，此时通过此两条采样线可以采集第2节单体电池两端的电压；同样，直到断开n-1号开关K_n-1，闭合n+1号开关K_n+1，第n节单体电池两端的两条采样线被接通，通过此两条采样线可以采集第n节单体电池两端的电压。

如图2所示，当1号开关K₁和2号开关K₂闭合时，所述A点的电动势高于B点的电动势，因此，第一采样信号线6上的电动势高于第二采样信号线7上的电动势，此时，设所采集到的电压值为正值；当断开1号开关K₁，闭合3号开关K₃，2号和3号开关K₂、K₃闭合时，所述A点的电动势低于B点的电动势，此时，第一采样信号线6上的电动势低于第二采样信号线7上的电动势，所采集到的电压值为负值；即此实施例中，所有采集到的奇数节单体电池的电压都为正值，所述采集到的偶数节单体电池的电压都为负值，本技术方案可以根据情况做调整，如可以使采集到的偶数节单体电池的电压值都为正值，使采集到的偶数节单体电池的电压值都为正值。

信号处理单元3将采集到的电压信号进行滤波处理，将杂波或者干扰波滤除，此处，信号处理单元3优选为滤波器，如果信号强度太弱或者需要输出一个正值信号，则可以根据需要添加放大器和/或除法器，这部分技术为本领域公知常识，因不涉及本发明的发明点在此不再赘述。

AD转换模块4将信号处理模块输出的电压信号进行转换，转换为可方便识别的数字或者图像信号，并将转换后的信号传送给所述控制模块5，AD转换模块4与控制模块5之间可以通过电连接进行通讯或者通过隔离耦合进行高速通讯。

控制模块5用于接收AD转换模块4发送的转换后的信号，例如，当控制模块5控制1号开关K₁和2号开关K₂闭合时，所述A点的电动势高于B点的电动势，信号处理单元2采集第1节单体电池的电压后经过AD转换模块4进行转换，此处假设每节单体电池的电压为3V，则控制模块5接收到一个正的3V的数字或者图像信号，并存储此电压信号；如图4所示，然后控制模块5控制1号开关K₁断开，控制3号开关K₃闭合，所述A点的电动势低于B点的电动势，信号处理单元2采集第2节单体电池的电压后经过AD转换模块4进行转换，最后控制模块5得到一个负的3V的电压信号；以此类推，控制模块5控制2号开关K₂断开，控制4号开关K₄闭合，信号处理单元2采集第3节单体电池两端的电压，并最终控制模块5得到一个正的3V的电压信号，然后对于第4节单体电池，控制模块5最终得到一个负的3V的电压信号，即，对于奇数节单体电池，控制模块5最终会得到一个正的3V的电压信号；对于偶数节单体电池，控制模块5最终会到的一个负的3V的电压信号；而且控制模块会存储前一次的电压信号，如果下一次没有接收到电压信号的话，那么控制模块默认下一次的电压为前一次的电压值。如图5所示，如果电池组1中第3节单体电池两端的采样线发生断线，那么信号处理单元2就采集不到第3节单体电池两端的电压信号，此时控制模块5就接收不到第3节单体电池两端的电压信号，此时，控制模块5默认本次的电压信号为上次所存储的第2节单体电池的电压信号，即控制模块5默认本次的电压信号为负的3V，也就是说控制模块每次得到AD转换模块4转换的电压信号后都会与上次存储的电压信号进行比较，如果本次的电压信号与上次存储的电压信号相同则表明本次对应的单体电池两端的采样线发生断线，控制单元就会发生报警，警示相关人员进行维修。即本发明通过正反向交替采集电池组1的单体电池的电压，并进行比较，如果本次得到的电压信号的极性与上次的采集并存储的电压信号的极性相同，那么就可以及时准确地判断所对应的单体电池两端的采样线发生断线，同时有效缩短了对电池组信息采集的时间。优选地，控制模块4采用FREESCALE公司的MC9S12XET256芯片，也可以采用具有类似功能的其他芯片。

以上技术方案中，检测每相邻两节单体电池的检测相隔时间根据装置本身的参数和性能决定，即根据整个装置采集并分析单独一节单体电池两端的电压的时间来确定。

如图3所示，本发明还提供一种上述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，包括以下步骤：

系统初始化，数据清零；

采集第1节单体电池至第n节单体电池两端的电压信号；

将所述电压信号进行处理并分析判断所述电池组的采样线是否断线；

其中，正向采集奇数节单体电池两端的电压信号，反向采集偶数节单体电池两端的电压信号。

设沿单体电池的正极到负极为正向，那么沿单体电池的负极到正极就为反向，此时沿正向采集到的单体电池两端的电压为正值，沿反向采集到的单体电池两端的电压为负值；那么，设沿单体电池的负极到正极为正向，那么沿单体电池的正极到负极就为反向，此时沿正向采集到的单体电池两端的电压就为负值，沿反向采集到的单体电池两端的电压就为正值。本方案中设单体电池的正极到负极为正向。

进一步地，设置n+1个选通开关1号开关K₁、2号开关K₂、……、x号开关K_x、……、n号开关K_n及n+1号开关K_n+1，n为单体电池的节数；

将所述电池组中沿第1节单体电池到第n节单体电池方向上的n+1条采样线分别依次对应连接1号开关K₁、2号开关K₂、……、x号开关K_x、……、n号开关K_n及n+1号开关K_n+1；

控制选通开关1号开关K₁与2号开关K₂、2号开关K₂与3号开关K₃、……、n号开关K_n与n+1号开关K_n+1依次闭合且每次只控制两个选通开关闭合，依次采集第1节单体电池至第n节单体电池两端的电压信号；

将所述电压信号进行处理并分析判断所述电池组的采样线是否断线。具体详细的采样方法如下，系统初始化，整个系统内部的参数清零复位后，系统内部设置变量i，变量i＝i++，i＝1，此时i的初始值为1。

首先会判断变量i的值，如果是系统初始化后的第一次采集，那么i＝1，此时控制1号开关K₁和2号开关K₂闭合，信号处理模块3采集第1节单体电池两端的电压，经过处理后传递给AD转换模块4，最终控制模块5得到一个第1节单体电池两端的电压U₁并存储此电压值U₁，控制模块5判断U₁的值是否为零，如果此时U₁等于零，那么控制模块5判定第1节单体电池两端的采样线发生断线并发出报警提示；如果U₁不等于零，那么系统返回使变量i的数值加1后进入下一个循环对下一节单体电池进行检测。

此时控制模块5控制1号开关K₁断开，同时控制3号开关K₃闭合，开始对第2节单体电池进行数据采集和分析，信号处理模块3采集到第2节单体电池两端的电压信号经过AD转换模块4转换后，最终控制模块5得到第2节单体电池两端的电压值U₂并存储电压值U₂，控制模块分析并比较U₂与U₁的关系，如果U₂＝U₁，则判定第2节单体电池两端的采样线发生断线并发生出报警提示；如果U₂不等于U₁，则系统进入下一个循环对下一节单体电池进行检测。

然后变量i的数值又加1，系统首先判定i的数值是否为1，如果i的数值不为1，则控制i-1号开关K_i-1断开，同时控制i+1号开关K_i+1闭合，处理模块3采集第i节单体电池两端的电压信号并经过AD转换模块4转换后，最终控制模块5得到第i节单体电池两端的电压值U_i并存储电压值U_i，控制模块5比较当前电压值U_i与前一次的电压存储值U_i-1，如果U_i＝U_-1，则判定第i节单体电池两端的采样线发生断线，控制模块5并发出报警提示；如果U_i的值不等于U_i-1的值，控制模块会继续比较i与n的关系，n为电池组1中单体电池的节数，如果i＝n，则表明系统对整个电池包中所有单体电池的检测完毕，则系统会进入初始化，使其内部的参数和数据清零复位，并重新开始对电池组1内的单体电池进行采样线断线检测；如果变量i≠n，系统进入下一个循环对下一节单体电池进行检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可判断电池组采样线断线的电压采样装置，其特征在于，所述采样装置包括隔离选通模块(2)、信号处理模块(3)、AD转换模块(4)及控制模块(5)；

所述隔离选通模块(2)，用于根据控制模块的指令接通电池组(1)中每节单体电池两端的采样线；

所述信号处理模块(3)，用于采集并处理每节单体电池两端的电压信号；

所述AD转换模块(4)，用于将所述处理后的电压信号转换成数字信号；

所述控制模块(5)，用于控制隔离选通模块(2)依次接通电池组(1)中每节单体电池两端的采样线，并接收所述AD转换模块(4)发送的数字信号，进行分析判断采样线是否发生断线；

所述隔离选通模块(2)、信号处理模块(3)、AD转换模块(4)依次电连接；

其中，所述隔离选通模块(2)包括n+1个选通开关(K₁、K₂、……、K_x(1≤x≤n，x为整数)、……、K_n、K_n+1)，n为单体电池的节数，所述每个选通开关的控制端分别与所述控制模块(5)电连接，所述电池组(1)中沿第1节单体电池到第n节单体电池方向上的n+1条采样线分别与1号开关(K₁)、2号开关(K₂)、……、x号开关(K_x)、……、n号开关(K_n)及n+1号开关(K_n+1)的一端依次对应连接，所述编号为奇数的开关的另一端相互连接形成第一节点A，所述编号为偶数的开关的另一端相互连接形成第二节点B，所述第一节点A通过第一采样信号线(6)与信号处理模块(3)连接，所述第二节点B通过第二采样信号线(7)与信号处理模块(3)连接。

2.根据权利要求1所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置，其特征在于，所述信号处理模块(3)包括一滤波器，用于对所述采集的电压信号进行滤波处理。

3.根据权利要求2所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置，其特征在于，所述控制模块(5)采用型号为MC9S12XET256的芯片。

4.一种可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

系统初始化，数据清零；

采集第1节单体电池至第n节单体电池两端的电压信号；

将所述电压信号进行处理并分析判断所述电池组的采样线是否断线；

其中，正向采集奇数节单体电池两端的电压信号，反向采集偶数节单体电池两端的电压信号。

5.根据权利要求4所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，其特征在于，设置n+1个选通开关(K₁、K₂、……、K_x(1≤x≤n，x为整数)、……、K_n、K_n+1)采集第1节单体电池至第n节单体电池两端的电压信号，n为单体电池的节数，具体步骤包括：

将所述电池组中沿第1节单体电池到第n节单体电池方向上的n+1条采样线分别依次对应连接1号开关(K₁)、2号开关(K₂)、……、x号开关(K_x)、……、n号开关(K_n)及n+1号开关(K_n+1)；

控制选通开关1号开关(K₁)与2号开关(K₂)、2号开关(K₂)与3号开关(K₃)、……、n号开关(K_n)与n+1号开关(K_n+1)依次闭合且每次只控制两个选通开关闭合。

6.根据权利要求5所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，其特征在于，在采集完每节单体电池的电压信号后，还包括以下步骤，

步骤一，设置变量i，变量i＝i++，i＝1；

步骤二，判断i的数值是否为1；

步骤三，根据i的数值控制相应单体电池两端的采样线接通并判断采样线是否发生断线。

7.根据权利要求6所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，其特征在于，当i＝1时，进入以下步骤，

闭合1号开关(K₁)与2号开关(K₂)，采集第1节单体电池两端的电压U1；

将电压U₁进行滤波、AD转换并存储转换后的电压U₁；

分析判断U₁值的大小，并根据判断结果判断采样线是否发生断线。

8.根据权利要求7所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，其特征在于，

当U₁＝0是，则第一节单体电池两端的采样线发生断线；

当U₁≠0时，则返回步骤一。

9.根据权利要求6所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，其特征在于，当i≠1时，进入以下步骤，

控制i-1号开关(K_i-1)断开，i+1号开关(K_i+1)闭合，采集第i节单体电池两端的电压U_i；

将电压U_i进行滤波、AD转换并存储转换后的电压U_i；

分析比较U_i与上次存储值U_i-1的大小，并根据分析结果判断采样线是否发生断线。

10.根据权利要求9所述的可判断电池组采样线断线的电压采样装置的采样方法，其特征在于，

当U_i≠U_i-1，且i＝n时，系统初始化并重新开始对电池组进行采样线断线检测；

当U_i≠U_i-1，且i＜n时，返回步骤一，进入下一个循环；

当U_i＝U_i-1时，则第i节电池两端的采样线发生断线。

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