CN103163479A

CN103163479A - 锂离子动力电池单体电芯电压测量电路

Info

Publication number: CN103163479A
Application number: CN2013101009102A
Authority: CN
Inventors: 叶露林; 张晔; 蒋伟锋; 朱麟; 夏加明; 吴秋芹; 曹菁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明公开一种锂离子动力电池单体电芯电压测量电路，包括由多个串联的单芯电池所组成的电池组；电池组的负极接地，电池组中每个单芯电池的正极串联一个分压电阻后连接至一个MOS管的漏极；各MOS管的源极并联后连接至电压跟随器的正输入端，各MOS管的栅极分别连接至MCU；电压跟随器的正输入端与地之间连接有并联的电阻以及电容，电压跟随器的负输入端与输出端短接，电压跟随器的输出端连接至A/D转换器；A/D转换器与MCU相连接。本发明实时准确采集锂离子动力电池组中各串联单体电芯电压，为锂离子动力电池进行过充电、过放电保护以及均衡控制提供有力的判断依据，延长电池组使用寿命，防止发生火灾、爆炸等严重事故。

Description

锂离子动力电池单体电芯电压测量电路

技术领域

本发明属于电池监控技术领域，用于锂离子动力电池组的在线保护和均衡控制过程中单体电芯电压测量。

背景技术

锂离子动力电池由于其比能量大、放电电压高、循环寿命长、无记忆效应、具有快速充电能力、自放电速率小、节能、环保而受到重视。由于锂离子电池单体容量过大，容易产生高温，诱发不安全因素，因此大容量锂离子电池必须通过串并联的方式形成电池组。单体电池本身的不一致性将会影响整个电池组的寿命和性能。同时，锂离子单体电芯充电时有电压上限，当电芯电压高于一定值时，会产生过充电现象；放电时也有电压下限，当电芯电压低于一定值时，会产生过放电现象。电池过充电或过放电均会造成危险性，严重时会产生爆炸。

综上所述，在锂离子电池组充放电过程中必须精确的检测各个单体电芯的电压，以便对电池组进行在线保护以及均衡控制。目前采用的技术手段主要有：

一、采用专用多通道单体电芯电压检测芯片，对电池组中串联单体电芯电压进行测量（参见文献：电源控制技术[J].电子自动化，2010(32)：66-68。以及：基于MSP430单片机的12节锂电池管理系统[J].电源技术，2011(35)：514-516。）。该方案需要选用价格昂贵的专用芯片，大幅增加系统成本，同时，外围电路较复杂，可扩展性较差。

二、采用巡检的方式对电池组中串联单体电芯电压进行测量。包括：

1）通过开关器件（继电器）分时把单体电芯的电压信号切换到同一个差分放大器，经信号调理后用一只A/D转换器进行采样（参见文献：基于双CAN总线的电动汽车电池管理系统[J].汽车工程，2008(30)：788-791,795。以及：一种新型锂电池管理系统的设计与实现[J].制造业自动化，2010(32)：197-198,225。）。该方法存在几个缺点：需要复杂的信号调理电路将电芯电压调理至A/D转换器量程范围内；机械式开关器件触点阻抗较大，产生较大的测量误差，随着使用时间的延长，误差将会进一步增大。

2）采用微处理器控制光控MOS管开关，分时将单体电芯的电压信号切换到同一个差分放大器，经信号调理后用一只A/D转换器进行采样（参见文献：纯电动汽车电池管理系统研究与设计[J].测控技术，2010(29)：54-57。）。该方法存在几个缺点：需要复杂的信号调理电路将电芯电压调理至A/D转换器量程范围内。需要增加独立电源对光控MOS管前后级进行供电，大幅提高系统成本的同时增加电路的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子动力电池单体电芯电压测量电路，实现低成本高精度的锂离子动力电池组中各串联单体电芯电压测量。

本发明的技术方案如下：

一种锂离子动力电池单体电芯电压测量电路，包括由多个串联的单芯电池所组成的电池组；所述电池组的负极接地，所述电池组中每个单芯电池的正极串联一个分压电阻后连接至一个MOS管的漏极；所述各MOS管的源极并联后连接至电压跟随器的正输入端，所述各MOS管的栅极分别连接至MCU；所述电压跟随器的正输入端与地之间连接有并联的电阻以及电容，所述电压跟随器的负输入端与输出端短接，所述电压跟随器的输出端连接至A/D转换器；所述A/D转换器与MCU相连接。

本发明的有益技术效果是：

本发明实时准确采集锂离子动力电池组中各串联单体电芯电压，为锂离子动力电池进行过充电、过放电保护以及均衡控制提供有力的判断依据，延长电池组使用寿命，防止发生火灾、爆炸等严重事故。

本发明附加的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明一个实施例的电路原理图。

图3是本发明的电压校准人机界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的具体电路如图1所示，其包括由多个串联的单芯电池BT1～BTn所组成的电池组。电池组的负极接地；电池组中每个单芯电池BT1～BTn的正极串联一个分压电阻R1～Rn后连接至一个MOS管Q1～Qn的漏极。各MOS管Q1～Qn的源极并联后连接至电压跟随器U1的正输入端+；各MOS管Q1～Qn的栅极分别连接至MCU的Con_1～Con_n端。电压跟随器U1的正输入端+与地之间连接有并联的电阻R以及电容C1；电压跟随器U1的负输入端-与输出端短接；电压跟随器U1的输出端连接至A/D转换器的VIN+端。A/D转换器与MCU相连接。

在电路设计上，本发明采用多通道切换的技术。图1中各测试点V1～Vn的电压，通过低阻抗MOS管Q1～Qn组成的多路电子开关，结合MCU程序控制，分时送至分压电路分压，再经过电压跟随器U1缓冲后送至同一个A/D转换器，完成电池组各串联单体电芯电压的测量，从而实现硬件电路分时复用，降低成本。其中，各分压电阻（R1～Rn，以及R）选用相同材料电阻，减小因温度系数不同而造成的测量误差。

基于上述电路所实现的电压校准方式如下：

因各通道分压电阻（R1～Rn）固有的不一致性，各通道实际分压比与理论值不同，将引起单体电芯电压测量误差。本发明采用线性校正方法对测量的电压进行校正。

V_BT1，V_BT2…V_BTn分别为1～n号单体电芯（BT1～BTn）电压。V_n为各测试点的电压。

则：V_BTn=V_n-V_n-1 当n>1时（1）

V_BT1=V₁ 当n=1时

V_n=(R+R_n)/R*V_in （2）

根据分压电阻标称阻值计算得到的各测试点的电压值（未校准）记为V_n未校准。

则有：V_n未校准=(R_标称+R_n标称)/R_标称*V_in

上式中，R_标称为电阻R的标称阻值；R_n标称为电阻R1～Rn的标称阻值。

为减小由于分压电阻的不一致性（电阻阻值误差不一致）所引起的单体电芯电压测量误差，增加校准系数K_n校准，公式（2）转换为：

V_n=K_n校准*V_n未校准=K_n校准*(R_标称+R_n标称)/R_标称*V_in （3）

K_n校准=V_n校准/V_n未校准（4）

其中，V_n校准为使用仪表测得的测试点V_n处的电压值。

因分压电阻选用相同材料电阻，温度系数也相同，经过一次校准，即可在不更换分压电阻的情况下，保证单体电芯电压测量精度。同时，因本发明中电压校准点与测量点相同，避免了累计误差。

以下为本发明的一个实施例。

图2是一个利用本发明实现24V锂离子动力电池各串联单体电芯电压精确测量的实施例。其中，A/D转换器选用18位A/D转换器MCP3421。各测试点的电压，通过低阻抗MOS管组成的多路电子开关，结合MCU程序控制，分时送至分压电路分压，转变为0～2.048V电压，再经过由电压跟随器U1缓冲后送至A/D转换器MCP3421进行A/D转换。电容C1起滤波作用。

图3是上述实施例的电压校准画面。在上位机电压校准画面设置利用仪表测得各测试点的电压值，经过通讯将所设置的电压传送至MCU，在MCU中按照公式（4）计算各校准系数K_n校准；值得注意的是，校准系数K_n校准的确定只需进行一次；因为校准系数K_n校准是为本发明电路的固有系数，其不随测量电池的改变而变动；因此，将该校准系数K_n校准内置于MCU中。在接下来的工作过程中，按照公式（3）计算各测试点校准后的电压V_n，最后按照公式（1）计算锂离子电池组中各串联单体电芯的电压V_BTn。

图3中，“实测”为各测试点未经校准的电压（V_n未校准）；“校准值”为利用仪表测得各测试点的电压（V_n校准）；“校准”为经过校准后各单体电芯电压（V_BTn）。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锂离子动力电池单体电芯电压测量电路，其特征在于：包括由多个串联的单芯电池所组成的电池组；所述电池组的负极接地，所述电池组中每个单芯电池的正极串联一个分压电阻后连接至一个MOS管的漏极；所述各MOS管的源极并联后连接至电压跟随器的正输入端，所述各MOS管的栅极分别连接至MCU；所述电压跟随器的正输入端与地之间连接有并联的电阻以及电容，所述电压跟随器的负输入端与输出端短接，所述电压跟随器的输出端连接至A/D转换器；所述A/D转换器与MCU相连接。