CN103616648A - 多级联高压、大功率电池组监测管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多级联高压、大功率电池组监测管理装置，包括中央处理器ECU、电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块；中央处理器ECU通过数据通信端口与上位计算机连接；中央处理器ECU选用MSP430F149单片机，电压采集模块由接口芯片MAX11068及其外围电路构成；电流采集模块由高侧电流检测放大器MAX4081及外围元件构成，温度采集模块采用单线数字温度传感器DS18B20；由ECU启动电压采集模块、设定电压模块内部功能寄存器、工作值；下发检测采集命令，电压采集模块逐一采集数据并保存测量及检测结果，ECU读取电压模块测量检测值，根据计算机设定的电压监测上下限值分析判断，其有益效果是：通过串、并多级联接方式，组成的大功率、高电压电池组包的控制保护和管理，延长电池组使用寿命。

Description

多级联高压、大功率电池组监测管理装置

技术领域

本发明涉及电池组监测管理装置，特别涉及多级联高压、大功率电池组监测管理装置，

用于电动汽车、混合动力汽车及其他大功率电池驱动系统的电池组监测管理。

背景技术

当今社会能源紧缺，环境污染问题给人类提出了重要课题，各电池厂家积极研究开发出各种类型的蓄电池，尤其以锂离子动力电池为先进的代表，从而解决了这一难题。但锂动力电池应用和推广的瓶颈，主要是在组合应用时电池组中的单只电池失效，导致电池组综合性能下降和电池组被超限使用。

因此需要设计一种电池组监测管理装置，从而解决制约其发展的难题。而目前国内市场尚无此类装置出现，也未见文献报道。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种多级联高压、大功率电池组监测管理装置的设计方案，通过串、并多级联接方式，组成的大功率、高电压电池组包的控制保护和管理。对电池组中串联单体电池电压、电流、环境与操作温度的采集、分析、决策，经过接口与充电器、负载控制器、指示仪表外部设备功能联动，实时对电池组工作状态检测，延长电池组使用寿命。

本发明是通过这样的技术方案实现的：多级联高压、大功率电池组监测管理装置，其特征在于，包括中央处理器ECU、电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块；中央处理器ECU分别与电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块连接；中央处理器ECU通过数据通信端口与上位计算机连接；

中央处理器ECU选用MSP430F149单片机；

电压采集模块由电池监测智能化数据采集接口芯片MAX11068及其外围电路构成；

电流采集模块由高侧电流检测放大器MAX4081及外围元件构成，

温度采集模块采用单线数字温度传感器DS18B20；

MSP430F149单片机的P3.0、P3.1、 P3.2、P3.3端与电压采集接口芯片MAX11068的15、16、17、18管脚端连接；在多个（最高可达31个）电压采集模块之间通过SMBus™串行链路通信；多个电压采集模块分别连接串联电池组中的单体电池；对电池组中单体电池电压进行实时检测，防止电池发生过充、过放、超高温、低温、断路，进行充电均衡检测、报警显示、电池安全保护、电池故障诊断；

中央处理器ECU的P6.0端与电流采集模块的高侧电流检测放大器MAX4081的P5（out）端连接；高侧电流检测放大器MAX4081在放大微弱的差分电压的同时，抑制输入共模电压，通过单一输出引脚，连续监视到放电整个变化过程；

中央处理器ECU的P1.1端与单线数字温度传感器DS18B20的P2（DQ）端连接；温度信号直接以“一线总线”的数字方式传输；

通过在数据采集接口芯片MAX11068片内设定寄存器（CELLEN）使能扫描位，使输入复用器/开关组允许对电池组的每节电池进行差分测量，同时设定寄存器（ADCCFG）启动过压、欠压、超温、低温、通信、辅助输入检测功能；

测量扫描开始后，扫描波道将依照设定使能位，按照从高到低的次序（12～1）逐一切换移动到高压复用的ADC前端，然后采用高速、12位逐次逼近(SAR) A/D转换器量化电池电压并保存测量值；此时所得电压量化结果是未经处理的，这样第一阶段扫描完成；

第二阶段是误差修正阶段，对前、末端放大器突然出现的偏移及相关引起的误差进行修正,全部12节电池的整个测量过程在107µs的时间内完成；

MAX11068采用二次扫描架构采集电池数据并对它们进行误差修正；

每个MAX11068最多可与12节电池组成一个电池集成模块，扫描采集12节电池的数据；扫描的第一阶段为数据采集，对所有12节电池的电压进行采样；第二阶段为误差修正，对ADC输入进行斩波，消除误差；

通过上述两个步骤，能够在整个温度范围和嘈杂环境下获得优异的精度指标，每一个电池集成模块在数据采集模式下，从供电电源消耗的电流为2.0mA，待机模式下消耗的电流为75µA，关断模式下消耗的电流低于1µA，选择被测电池组或采用外部电源作为供电电源。

利用多级联高压、大功率电池组监测管理装置进行处理信号的步骤包括：

a) 中央处理器ECU即 MSP430F149单片机启动电压采集模块为待机模式；

b) 中央处理器ECU 即MSP430F149单片机初始设定电压采集模块内部功能寄存器，工作值；

c) 中央处理器ECU即 MSP430F149单片机下发检测采集命令，使得电压采集模块从待机模式转换到数据采集模式，电压采集模块逐一采集数据并保存测量及检测结果；

d) 中央处理器ECU MSP430F149读取电压采集模块测量检测值，根据计算机设定电压监测上下限值分析判断，检测采样电压数据在上下限值区间内，则记录采集数据并关断电压采集模块，降低供电消耗，如有故障，则主动报警并显示报警类别。

本发明的有益效果是：通过串、并多级联接方式，组成的大功率、高电压电池组包的控制保护和管理，对电池组中串联单体电池电压、电流、环境与操作温度的采集、分析、决策，经过接口与充电器、负载控制器、指示仪表外部设备功能联动，实时对电池组工作状态检测，延长电池组使用寿命。

附图说明

图1、电压采集原理图；

图2、电流采集原理图；

图3、采集监控装置功能结构示意图；

图4、电压采集模块功能结构示意图；

图5、电流采集模块功能结构；

图6、温度采集模块功能结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：

如图1至图6所示，多级联高压、大功率电池组监测管理装置，包括中央处理器ECU、电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块；

中央处理器ECU选用的是MSP430F149单片机，负责与系统通信、报警及数据传输，同时接受系统下发命令，检测电池组各种工作状况，记录检测结果如发现异常情况，向系统主动报警。

电压采集模块是由MAX11068及其外围电路构成的，主要是对电池组中单体电池电压、电流进行实时检测，防止电池发生过充、过放、超高温、低温、断路，进行充电均衡检测、报警显示、电池安全保护、电池故障诊断；高度集成的电池检测器结合简捷的状态机和高速I²C总线，支持SMBus™串行链路通信，这种架构允许连接多达31个器件至串联电池组，最多对372节电池进行监测；基于电容接口设计提供了成本极低的电池组间隔离，消除了级联电气故障。

电流采集模块由高侧电流检测放大器MAX4081及外围元件构成，检流放大器在放大微弱的差分电压的同时能够抑制输入共模电压。通过单一输出引脚，便可连续监视到放电整个变化过程，无须额外的极性输出。

温度采集模块采用DS18B20单线数字温度传感器进行温度采样。DS18B20支持“一线总线”接口，温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。

中央处理器ECU的P3.0、P3.1、 P3.2、P3.3端与电压采集接口芯片MAX11068的15、16、17、18管脚端连接（如图1所示）；

中央处理器ECU的P6.0端与电流采集模块MAX4081的P5（out）端连接；

中央处理器ECU的P1.1端与温度采集模块DS18B20的P2（DQ）端连接；

所述电压采集模块MAX11068是一款可编程、高集成度、高压、12通道、电池监测智能化数据采集芯片。片内模拟前端由12路电压测量数据采集系统组成，带有高压开关输入单元，在检测单体电池时与片外每个电池匹配的RC过滤输入结合使用，实现提供给ADC测量的低通滤波器。所有测量值为电池两端的差分数据，满量程测量范围为0至5.0V，0.5V至4.7V范围内确保稳定的测量精度。

MAX11068片内设定寄存器（CELLEN）使能扫描位，使输入复用器/开关组允许对电池组的每节电池进行差分测量，同时可设定寄存器（ADCCFG）启动过压、欠压、超温、低温、通信、辅助输入等检测功能。测量扫描开始后，扫描波道将依照设定使能位，按照从高到低的次序（12～1）逐一切换移动到高压复用的ADC前端，然后采用高速、12位逐次逼近(SAR) A/D转换器量化电池电压并保存测量值，此时所得电压量化结果是未经处理的，这样第一阶段扫描完成。第二阶段是误差修正阶段，对前、末端放大器突然出现的偏移及相关引起的误差进行修正,全部12节电池的整个测量过程在107µs的时间内完成。MAX11068采用二次扫描架构采集电池数据并对它们进行误差修正。扫描的第一阶段为数据采集，对所有12节电池的电压进行采样；第二阶段为误差修正，对ADC输入进行斩波，消除误差。通过上述两个步骤，能够在整个温度范围和嘈杂环境下获得优异的精度指标。

单个集成模块在数据采集模式下从供电电源消耗2.0mA的电流，待机模式下电流为75µA，关断模式下电流低于1µA。

所述电流采集模块采用高侧电流检测放大器MAX4081及外围元件构成，设计用一个外部基准来设定零电流时的输出电平(VSENSE = 0V)。用单电源工作，电源电流消耗仅为75µA；采集输出为电压模拟值,通过单一输出引脚，输送到中央处理器ECU，ECU通过内部转换器采集（ADC）经过软件转换运算，实现电流数据精度可以达到±0.1% 满量程；

电流采集模块可连续监视整个充放电变化过程，无须额外的极性输出，适合于电信、汽车、底板及其它需要严密监视高压电流的系统；

在检测电池温度时，虽MAX11068提供两个电池组的温度检测通道，但不能满足本系统中对电池组温度测量的要求，故而系统中温度采集模块选用DS18B20单线数字温度传感器进行温度采样，DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C；现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。

通过计算机可以随时接收电池组工作时的信息，显示和记录内容包括单体电池电压、温度、电流、总电压、总电流参数；根据记录数据绘制和打印时间、电压、电流曲线。

多级联高压、大功率电池组监测管理装置的功能包括：

1）、数据采集过程：

采集数据可通过主站召测历史数据、实时数据两种模式。

时钟召测与对时，终端能接收主站的时钟召测和对时命令，对时误差应不超过0.5s。终端时钟8h内走时误差应小于1s。电源失电后，时钟应能保持正常工作。

2）、状态量采集：

实时采集位置状态和其它状态信息，当发生变位时记入内存，并可根据需要设定为：等待主站查询或主动上报主站两种模式。

3）、电压、电流、温度数据采集：

终端能够按设定的采集间隔，定时采集电池组总电压、总电流、单节电压、电流、各监控点温度采集。采集间隔周期为 1 秒 ～ 24小时可任意设置。

终端可进行条件采集方式，可根据设定总电流启动门限进行采集操作。当总电流达到设定启动门限时，自动启动采集功能，并以设定采集间隔，连续采集并存储数据，直至总电流低于门限值时，终止采集。

4）、数据统计功能：

按设置的电压上、下限值，限值监测电压（测量间隔1min），终端可记录每日电压最大、最小值和发生的时间。

按设置的电流上、下限值，限值监测电流（测量间隔1min），终端应记录每日电流最大、最小值和发生的时间。

按设置的温度上、下限值，限值监测温度（测量间隔1min），终端应记录每日温度最大、最小值和发生的时间。

5）、 控制功能：

包括时段控和限流控：

时段控：终端根据主站下发时段控投入命令进入时段控状态，同时液晶显示“时段控投入”。

限流控：终端检测到系统总电流超过设定安全电流时，启动声音报警功能，并可通过主站系统，启动短信息及电话语音报警，在报警默认2分钟内，电流若仍然超限，终端可自行关闭负载。保护电池组安全。

6）、遥控功能：

终端接收主站的动作控制命令后，按设定的告警延迟时间、限电时间控制被控开关；同时终端通过音响告警通知客户，并记录动作时间。终端显示屏应显示执行结果。

终端接收到主站的允许输出控制命令后，通过音响告警通知客户，允许输出。

7）、液晶显示功能

采用128×64点阵白色LED背光宽温液晶，采用图型用户接口实现全中文（实现二级字库）图形式菜单显示，显示电网实时数据和相关参数，平时液晶显示器处于关闭状态，按任意键可激活显示。

8）、事件记录功能：

终端可记录上电、掉电、编程、校时、过压、失压、失流事件的发生时间、状态、数据、事件类型及相关情况。并按照发生的时间顺序分为一般事件和重要事件两个队列分别进行记录，每个队列记录最大长度为255条，队列按先进先出方式刷新。

9）、 重要事件上报功能：

对于主站设置的重要事件（如：遥控输出、重要参数变更），当事件发生后终端实时刷新重要事件计数器内容，作好记录并上报事件记录。

红外通信接口功能(可选项)

为现场安装调试和维护提供方便快速的通讯手段。

自诊断、自恢复功能

端有自测试、自诊断功能。当发现终端的主板、I/O板、通信部件、时钟工作有异常时可对事件进行记录。并进行自恢复并记录自恢复次数。

10）、终端初始化功能：

终端接收到主站下发的初始化命令后，分别对硬件、参数区、数据区进行初始化。

系统终端技术原理、系统硬件构成：

11）、外壳及其防护性能：符合GB/T5169的阻燃要求防护性能应符合GB/T 4208规定的IP51级要求,

12）、机械性能：

频率范围：10Hz (150Hz、位移幅值：0.075 mm（频率范围≤60Hz）、加速度幅值：10 m/s2（频率范围(60Hz）。（正常运行及常规运输条件下）

工作电源 输入电压：DC18V允许偏差±10%

功率消耗 ≤5W；

失电数据和时钟保持 数据及时钟可以保存10年

13）、结构：

　　电气间隙：≥4mm（主端子）

　　爬电距离：≥5mm（主端子）

　　出线端子截面直径：≥2.5mm

　　接地端子截面直径：≥5mm

14）、绝缘性能：

　　绝缘电阻：正常情况下≥10 MΩ；温湿条件下≥2 MΩ（测试电压1000V）

　　绝缘强度：≥交流2KV，1min

　　冲击耐压（主端子）：≥正负极性各10次（6000V）

15）、数据传输：

　　通讯接口：2路RS-485，可接多功能计量表（1200-9600bit/s）

　　 1路RS-232，可实现本地调试、本地程序下载更新、客户端口功能。

　　红外接口：可接调试用手持电脑或PDA（可选件）

16）、输入/输出回路：

　　状态量输入：终端配置1路二进制状态信号输入。输入为不带电的开／合切换触点。

　　电流模拟量输入：1路 电流输入标称值为0～10 A，

　　电压模拟量输入：90路

　　回路阻抗：电流回路0.002Ω

　　控制输出：——1路开／合双位置继电器输出控制接口；

　　　　a) 有防误动作和便于现场测试的安全措施；

b) 触点额定功率：交流250V、5A，380V、2A或直流110V、1A的纯电阻负载；

　　　　c) 触点寿命：通、断上述额定电流不少于105万次。

17）、气候和大气环境条件及运行环境

气候地理环境：空气温度-25℃~+55℃、相对湿度10～100、最大绝对湿度29g/m3、大气压力80-110kPa（适用海拔2000m以下）。

本终端只适合在室内进行安装，如果需要安装在户外需和专用户外箱进行配套使用。

汉字液晶显示128×64点阵； 二级国标汉字库

18）、测量精度

　　总电压测量±0.5 ％；单节电池电压±0.25％；总电流±0.2 ％，温度±0.5℃

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (2)

1.多级联高压、大功率电池组监测管理装置，其特征在于，包括中央处理器ECU、电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块；中央处理器ECU分别与电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块连接；中央处理器ECU通过数据通信端口与上位计算机连接；

中央处理器ECU选用MSP430F149单片机；

电压采集模块由电池监测智能化数据采集接口芯片MAX11068及其外围电路构成；

电流采集模块由高侧电流检测放大器MAX4081及外围元件构成；

温度采集模块采用单线数字温度传感器DS18B20；

MSP430F149单片机的P3.0、P3.1、 P3.2、P3.3端与电压采集接口芯片MAX11068的15、16、17、18管脚端连接；在多个（最高可达31个）电压采集模块之间通过SMBus™串行链路通信；多个电压采集模块分别连接串联电池组中的单体电池；对电池组中单体电池电压进行实时检测，防止电池发生过充、过放、超高温、低温、断路，进行充电均衡检测、报警显示、电池安全保护、电池故障诊断；

中央处理器ECU的P6.0端与电流采集模块的高侧电流检测放大器MAX4081的P5（out）端连接；高侧电流检测放大器MAX4081在放大微弱的差分电压的同时，抑制输入共模电压，通过单一输出引脚，连续监视到放电整个变化过程；

中央处理器ECU的P1.1端与单线数字温度传感器DS18B20的P2（DQ）端连接；温度信号直接以“一线总线”的数字方式传输；

通过在数据采集接口芯片MAX11068片内设定寄存器（CELLEN）使能扫描位，使输入复用器/开关组允许对电池组的每节电池进行差分测量，同时设定寄存器（ADCCFG）启动过压、欠压、超温、低温、通信、辅助输入检测功能；

测量扫描开始后，扫描波道将依照设定使能位，按照从高到低的次序（12～1）逐一切换移动到高压复用的ADC前端，然后采用高速、12位逐次逼近(SAR) A/D转换器量化电池电压并保存测量值；此时所得电压量化结果是未经处理的，这样第一阶段扫描完成；

第二阶段是误差修正阶段，对前、末端放大器突然出现的偏移及相关引起的误差进行修正,全部12节电池的整个测量过程在107µs的时间内完成；

MAX11068采用二次扫描架构采集电池数据并对它们进行误差修正；

每个MAX11068最多可与12节电池组成一个电池集成模块，扫描采集12节电池的数据；扫描的第一阶段为数据采集，对所有12节电池的电压进行采样；第二阶段为误差修正，对ADC输入进行斩波，消除误差；

通过上述两个步骤，能够在整个温度范围和嘈杂环境下获得优异的精度指标，每一个电池集成模块在数据采集模式下，从供电电源消耗的电流为2.0mA，待机模式下消耗的电流为75µA，关断模式下消耗的电流低于1µA；选择被测电池组或采用外部电源作为供电电源。

2.利用权利要求1所述多级联高压、大功率电池组监测管理装置进行处理信号的步骤包括：

a) 中央处理器ECU即 MSP430F149单片机启动电压采集模块为待机模式；

b) 中央处理器ECU 即MSP430F149单片机初始设定电压采集模块内部功能寄存器，工作值；

c) 中央处理器ECU即 MSP430F149单片机下发检测采集命令，使得电压采集模块从待机模式转换到数据采集模式，电压采集模块逐一采集数据并保存测量及检测结果；

d) 中央处理器ECU MSP430F149读取电压采集模块测量检测值，根据计算机设定电压监测上下限值分析判断，检测采样电压数据在上下限值区间内，则记录采集数据并关断电压采集模块，降低供电消耗，如有故障，则主动报警并显示报警类别。

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