CN102393483A - 一种串联电池组电压同步测量方法 - Google Patents

Abstract

一种串联电池组电压同步测量方法，该方法先使用同步调制开关将串联电池组每节电池的直流电压调制成多个振幅与之相同的交流信号，然后通过电容器耦合到多个共地的同步解调开关还原为多个共地的直流电压。由于电池组的电流分压信号也可以作为一路电压同步采集，故可以采集到同一时刻各个电池的电压和电流信号。用这个方法可以低成本高精度的采集电池组的电压和电流数据，使用这个方法的电路可以在待机状态自然关闭不消耗电池能量。

Description

一种串联电池组电压同步测量方法

技术领域

本发明涉及一种串联电池组电压同步测量方法，属于电子测量领域，更特别应用与电池管理系统。

背景技术

在电池管理系统中获取串联电池组中各个电池的电压是最基本的测量功能，现有技术可以大致归纳为如下方法：1. 电阻分压法；2.模拟开关切换法；3.恒流源电平移动法；4.一对一单片机法等等。

电阻分压法，比较典型的有申请号为201020263673.3和200880111787.1的两个中国专利。分压法最大的缺点是随着电池组电压的提高这个差值在对地电压中所占的比例越来越小；若想得到与直接测量相当的精度就要成倍提高A/D转换器的位数，同时对分压电阻的精度也要同步提高。故当电池节数大于4时基本就没有实用价值了。与此类似的还有采用数据放大器在高共模电压下读取差值的方法，只不过由程序计算获取差值变成电路直接获取而已。从要求高性能A/D器件变成高性能运放而对电阻的要求同样是苛刻的。

模拟开关法，比较典型的有申请号为200910242630.9和201010141225.0的两个中国专利。如同用一块万用表依次测量每节电池的电压，这个方法就是使用开关元件切换测量装置连接到到每一节电池两端。由于这个开关将承受电池组的最大共模电压故非一般模拟开关可以担当，目前只有一家公司的MOS继电器可用，不仅成本高且测量切换速度慢为数ms级别。在负载电流频繁波动条件下，使用这种并非同一时刻获取的电压来判断每个电池电压的差异得出的结论必然是错误的。

一对一单片机法，比较典型的有申请号为201010213204.5和201020000744.0的两个中国专利。这种方法的特征是每个电池独占一个单片机，它不仅采集电压还可以采集温度还可以控制均衡。它通过数字通信隔离高共模电压，单片机如果直接安装在电池上比其它方法有最少的测量导线且测量时干扰最小。其主要问题是系统成本较高。

恒流源电平移动法，就是把各个电池的电压转换为对应的恒流源传导到一个共地系统。这个方法是成本很低，有多个专利描述的方法是基于这一原理的,比较典型的是申请号为：200910188592.3的中国专利。这个专利巧妙的使用电流镜原理克服了器件的非线性问题，但是它也有如下缺点：1.测量精度更多取决于两个MOS管电特性的匹配程度。2.不能关闭的测量电流，虽然仅有数微安但是它是逐级叠加的，对于一个N串的电池组最底端的那一节电池是N倍的基本测量电流。3.当测量电压低于MOS管导通电压时电路不能工作。

上述现有测量方法各有所长但均不能以较低的成本实现对串联电池组电压高精度宽范围的同步测量。

发明内容

本发明所述一种串联电池组电压同步测量方法，使用调制开关(2)将串联电池组每节电池(1)的直流电压调制成多个振幅与之相同的交流信号，这些信号通过测量信号耦合电容器(3)耦合到多个共地的解调开关(5)还原为与对应电池(1)电压相同的多个直流电压到输出保持电容器(6)。由于上述所有调制开关(2)和解调开关(5)的控制信号都是同步的，所以在输出保持电容器(6)获取的电压也都是在同一时刻采样的各个电池(1)电压。电池组的电流分压信号也可以作为一路电压同步采集，故可以采集到同一时刻各个电池的电压和电流信号。 [0010]     本发明所述一种串联电池组电压同步测量方法有如下5个特点：1.极低的成本，仅通过电容器(3)隔离高共模电压并传导测量信号；所用的调制开关(2)和解调开关(5)可以简单地使用由两个小功率MOS管组成见附图6。2.高精度，MOS管接近理想开关，该方法理论上没有测量转换误差，在调制解调环节不产生额外误差没有温度漂移。3.同步测量，由于每个电池(1)的测量过程是同步转换同步传输故可以得到同一时刻各个电池(1)的电压电流数据，利用这些数据可以真实的比较各个电池(1)之间的差异并计算电池(1)直流内阻。4.测量电流小且自然关闭，该方法测量电流仅取决于A/D转换电路的输入阻抗所以是微安级，且在调制开关(2)不变化时没有电流故待机状态仅有nA级别的调制开关漏电流存在。5.电压测量范围宽，由于调制开关(2)不从被测量电池(1)获取电源，故可以从0V起测量，而最高测量电压仅受MOS开关的限制，所以低可用于燃料电池高可直接测量12V蓄电池。

附图说明

 图1：第一类方法，分压测量原理示意图。

 图2：第二类方法，模拟开关切换法原理示意图。

 图3：第三类方法，独占A/D测量原理示意图。

 图4：第四类方法，恒流传递测量原理示意图。

 图5：本发明的一种电路实施装置结构示意图。

 图6：本发明之主要部件调制开关和解调开关的一种实现方式示意图。

 图7：本发明的另一种电路实施装置结构示意图。

具体实施方式

 为进一步阐述本发明一种串联电池组电压同步测量方法，下面结合实施例作更详尽的说明。

 图5是本发明一种串联电池组电压同步测量方法的一种实施装置结构示意图。图中包含如下单元：1.被测电池或超级电容器，2.调制开关，3.测量信号耦合电容器，4.控制信号耦合电容器，5.解调开关，6.输出保持电容器，7.采集转换控制器，8.控制信号放大器。

 调制开关(2)从逻辑上等效为一个单刀双掷开关，该调制开关(2)的两个固定端分别连接到被测电池(1)的正极和负极，该调制开关(2)的活动端连接到测量信号耦合电容器(3)的一端，该调制开关(2)的活动端在控制信号作用下可以连接到被测电池(1)的正极或负极；解调开关(5)从逻辑上等效为一个单刀双掷开关，该解调开关(5)的活动端连接到测量信号耦合电容器(3)的另一端，该解调开关(5)的一个固定端连接到测量系统的地线，该解调开关(5)的另一个固定端连接到输出保持电容器(6)，该调制开关(2)的活动端在控制信号作用下可以连接到系统地线或输出保持电容器(6)。

 所有调制开关(2)和所有解调开关(5)的控制信号都是同步的，且控制在调制开关(2)活动端连接到被测电池(1)负极的同时解调开关(5)活动端连接到系统地线；在调制开关(2)活动端连接到被测电池(1)正极的同时解调开关(5)活动端连接到输出保持电容器(6)。每个调制开关(2)的控制信号均通过控制信号耦合电容器(4)或光耦等直流电压隔离器件连接到控制信号放大器(8)；每个解调开关(5)的控制信号直接引自控制信号放大器(8)。

使用调制开关(2)将串联电池组每节电池(1)的直流电压调制成多个振幅与之相同的交流信号，这些信号通过测量信号耦合电容器(3)耦合到多个共地的解调开关(5)还原为与对应电池(1)电压相同的多个直流电压到输出保持电容器(6)。由于上述所有调制开关(2)和解调开关(5)的控制信号都是同步的，所以在输出保持电容器(6)获取的电压也都是在同一时刻采样的各个电池(1)电压。电池组的电流分压信号也可以作为一路电压同步采集，故可以采集到同一时刻各个电池的电压和电流信号。

 各个被测电池(1)两端的电压经由调制开关(2)调制成振幅与对应电池(1)电压相等的多个交流信号。这些信号经由测量信号耦合电容器(3)耦合到解调开关(5),经解调后输出到输出保持电容器(6)得到与被测电池(1)电压相同的电压信号V1~Vn。采集和转换控制器(7)对这些电压信号V1~Vn同时或顺序进行A/D转换等处理。上述装置的所有调制开关(2)和解调开关(5)都受到来自控制信号放大器(8)的方波信号控制，所以在所有的输出保持电容器(6)中得到的电压信号都是同一时刻采集的。电池组的电流信号同样可以当作一个电池电压对待通过这个装置同步采集，这样就可以得到完全同步的各个电池的电压和电流的采集数据。利用这些同步数据可以准确的判断各个电池(1)之间的电压差异和内阻差异，并为进一步的均衡处理和SOC计算提供可靠的基础数据。

 本发明中使用的主要部件调制开关(2)和解调开关(5)可以用两只小信号低耐压MOS管实现见图6，当控制信号电平不变化时自然进入待机状态仅剩MOS管nA级别的漏电流。调制开关和解调开关也可以使用其它类型的模拟开关例如标准集成电路CD4053等构成。

 本发明所述方法可以用多种不同形式的电路实现，其中包括如图7所示的解调开关(5)仅有一个单刀单掷开关的方式。无论以何种电路形式实施本发明所述方法均落入本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种串联电池组电压同步测量方法，其特征在于，用调制开关(2)将电池组中多个被测电池(1)的电压转换为振幅与其电压相同的多个交流信号，通过测量信号耦合电容器(3)将这些交流信号耦合到对应的解调开关(5)解调为共地的且电压与被测电池电压相同的多路直流电压V1~Nn 。

2.根据权利要求1所述的串联电池组电压同步测量方法，其特征在于，所述调制开关(2)从逻辑上等效为一个单刀双掷开关，该开关的两个固定端分别连接到被测电池(1)的正极和负极，该调制开关(2)的活动端连接到测量信号耦合电容器(3)的一端，该调制开关(2)的活动端在控制信号作用下可以连接到被测电池(1)的正极或负极；所述解调开关(5)从逻辑上等效为一个单刀双掷开关，该解调开关(5)的活动端连接到测量信号耦合电容器(3)的另一端，该解调开关(5)的一个固定端连接到测量系统的地线，该解调开关(5)的另一个固定端连接到输出保持电容器(6)，该解调开关(5)的活动端在控制信号作用下可以连接到系统地线或输出保持电容器(6)。

3.根据权利要求1所述的串联电池组电压同步测量方法，其特征在于，所述方法中的所有调制开关(3)和所有解调开关(5)的控制信号都是同步的，且控制在调制开关(3)活动端连接到被测电池(1)负极的同时解调开关(5)活动端连接到系统地线，在调制开关(3)活动端连接到被测电池(1)正极的同时解调开关(5)活动端连接到输出保持电容器(6)。

4.根据权利要求1所述的串联电池组电压同步测量方法，其特征在于，当调制开关(3)和解调开关(5)的控制信号电平保持不变时自然进入极低功耗的待机状态。

5.根据权利要求1所述的串联电池组电压同步测量方法，其特征在于，各个解调开关(5)的输出可以连接到一个单独的A/D转换器或通过选择开关连接到同一个A/D转换器也可以连接到数个模拟比较器用以判对应电池的电压是否超出允许范围。

6.根据权利要求1所述的串联电池组电压同步测量方法，其特征在于，每个调制开关(3)的控制信号均通过控制信号耦合电容器(4)或光耦等器件隔离后连接到控制信号放大器(8)。

7.根据权利要求1所述的串联电池组电压同步测量方法，其特征在于，所述方法中的所有解调(9)开关是一个单刀单掷开关，且在调制开关(2)活动端连接到被测电池(1)负极的同时解调开关(9)连接到系统地线，在调制开关活动端连接到被测电池正极的同时解调开关断开。

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