CN104007391A - 锂电池组温度与电压监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂电池模组温度与电压监测系统，包括控制器、锂电池组、温度采集电路、电压采集电路、A/D转换电路、通信模块、存储器以及电源，其中，所述锂电池组包括多个连接的锂电池；所述温度采集电路包括温度传感器阵列、第一信号调理电路以及第一切换控制电路，所述电压采集模块包括开关阵列、第二切换控制电路以及电压转换电路，所述开关阵列包括多个开关，该多个开关分别连接到每个所述锂电池的正极端以及负极端；所述第二切换控制电路与所述开关阵列连接，控制所述开关，并采集待检测的所述锂电池的正极端电压以及负极端电压；所述电压转换电路将待检测的所述锂电池所述正极端电压以及负极端电压形成的差分电压转换成单端电压。

Description

锂电池组温度与电压监测系统

技术领域

本发明涉及一种应用于锂电池组的温度与电压监测系统。

背景技术

随着电动车的研究，动力电池如锂电池组的需求越来越大，锂电池组通常由多个锂电池串联而成，大量的锂电池串联可以提供较大的输出电压，然而，锂电池组的热特性以及电特性还不太稳定，从而在锂电池组的机械结构以及电路结构设计时如何考虑锂电池模组的散热性、绝缘性能以及耐压性能是一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种可以对动力电池中锂电池组的结构设计起到指导作用的锂电池模组温度与电压监测系统。

一种锂电池模组温度与电压监测系统，包括控制器、锂电池组、温度采集电路、电压采集电路、A/D转换电路、通信模块、存储器以及电源，其中，所述锂电池组包括多个相互连接的锂电池；所述温度采集电路包括温度传感器阵列、第一信号调理电路以及第一切换控制电路，所述温度传感器阵列包括多个温度传感器，设置于所述相邻锂电池之间，用于采集每个所述锂电池的温度信息，所述第一信号调理电路用于将采集到的所述温度信息转化成标准电信号，所述第一切换控制电路用于在各个温度传感器与第一信号调理电路之间切换以实现一个或多个所述锂电池的温度采集。所述电压采集模块包括开关阵列、第二切换控制电路以及电压转换电路，所述开关阵列包括多个开关，该多个开关分别连接到每个所述锂电池的正极端以及负极端；所述第二切换控制电路与所述开关阵列连接，控制所述开关，并采集待检测的所述锂电池的正极端电压以及负极端电压；所述电压转换电路将待检测的所述锂电池所述正极端电压以及负极端电压形成的差分电压转换成单端电压。所述A/D转换电路用于将采集到的所述锂电池的电压以及温度信号进行模数转换后分别作为该锂电池的温度数据以及电压数据输入到所述控制器中，所述通信模块与所述控制器连接，用于传输所述温度数据与电压数据，所述存储器与所述控制器连接，用于存储所述温度数据与电压数据；所述电源为该锂电池组温度与电压监测系统提供电力。

与现有技术相比较，本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统可同时实时地检测锂电池组中每个锂电池的温度以及电压信息，从而可以较好地监控该锂电池组的热特性以及电特性来为采用锂电池组的动力电池的结构设计提供了较好的指导作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统的功能结构框图。

图2为本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统中的温度采集电路的功能连接框图。

图3为图2所述温度采集电路中的第一切换控制电路34部分电路图。

图4为本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统中的电压采集电路的功能连接框图。

图5为本发明实施例提供的电压采集电路的部分电路图。

图6为本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统中的信号隔离处理电路的部分电路图。

图7为本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统中的通道拓展电路的部分电路图。

主要元件符号说明

锂电池组温度与电压监测系统	1
		控制器	10
锂电池组	20
		温度采集电路	30
温度传感器阵列	32
		第一切换控制电路	34
第一信号调理电路	36
		运算放大电路	38
电压采集电路	40
		开关阵列	42
第二切换控制电路	44
		电压转换电路	46
第二信号调理电路	48
		A/D转换电路	50
通信模块	60
		存储器	70
电源	80
		电流采集电路	90
信号隔离处理电路	100
		报警电路	120
显示电路	140

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统。

请参阅图1，本发明实施例提供一种锂电池组温度与电压监测系统1，该监测系统包括：控制器10、锂电池组20、温度采集电路30、电压采集电路40、A/D转换电路50、通信模块60、存储器70以及电源80。

所述控制器10可控制该监测系统1的信号采集、输入、输出、通道切换以及存储。该控制器10可以为一微控制器，本发明实施例中所述控制器10采用德州仪器（TI）公司的MSP430F5438A芯片作为所述控制器10。该控制器10为16位超低功耗微控制器，具有256KB闪存、16KB RAM、12位ADC、4个串行通信接口（USCI）以及32位硬件乘法器。此外，所述控制器10也可采用C8051F系列芯片来实现。该控制器10中设置有控制该监测系统1的控制程序来控制所述信号采集、输入、输出、通道切换以及存储。

所述锂电池组20包括多个相互连接的锂电池，该多个锂电池之间可以串联也可以并联。本发明实施例中包括128个串联的所述锂电池。

请一并参阅图1-2，所述温度采集电路30包括温度传感器阵列32、第一切换控制电路34以及第一信号调理电路36。

所述温度传感器阵列32包括多个温度传感器，该多个温度传感器设置于相邻的所述锂电池之间，用于采集每个所述锂电池的温度信息。所述温度传感器的数量可根据所述锂电池的数量来设定，只需保证每个所述锂电池的温度信息均可被采集到。所述温度传感器的类型不限，可以为热电偶或热敏电阻。优选地，该温度传感器为片状结构。本发明实施例中所述温度传感器采用片状的热敏电阻。

所述第一切换控制电路34与所述温度传感器阵列32连接，用于实现各个温度传感器之间的切换以采集一个或多个所述锂电池的温度信息。本发明实施例中所述第一切换控制电路34选取AQW214芯片作为切换模块。每个所述AQW214芯片可控制两路的温度采集。请一并参阅图1-3，该AQW214芯片包括1-8共8个引脚。该第一切换控制电路34的部分电路结构如下：热敏电阻RT1的一端与所述AQW214芯片的引脚5连接，热敏电阻RT2的一端与引脚7连接，所述热敏电阻RT1的另一端与热敏电阻RT2的另一端连接并接地，所述热敏电阻RT1的两端并联一电容C1，所述热敏电阻RT2的两端并联一电容C2。所述AQW214芯片的引脚8作为输出端AI0用于输出采集到的所述温度信息。电源电压VCC通过串联的限流电阻R1和保护电阻R2进入所述AQW214芯片的输入端引脚1和引脚3。另外，所述电源电压VCC经过串联的精密分压电阻R3以及保护电阻R4接所述AQW214芯片的输出端AI0。CHt0与CHt1控制输出通道的选通，具体地，CHt0(引脚2)与CHt1（引脚4）为低电平时选通各自对应的输出通道，引脚1和引脚3提供驱动电源。所述电容C1和C2可以起到滤波以及抗信号干扰的作用。该第一切换控制电路34可进一步包括指示元件用于指示目前温度采集的通道。所述指示元件可串联于所述切换模块的输入端。所述指示元件可以为LED指示灯。本发明实施例在所述AQW214芯片的输入端引脚1和引脚3均连接有所述LED指示灯（LED1和LED2）。

所述第一信号调理电路36与所述第一切换控制电路34连接，用于将采集到的所述锂电池的温度信息转换成标准的电信号。

进一步地，该温度采集电路30可包括一运算放大电路38，用于将所述第一信号调理电路36处理后的信号进一步滤波放大以输入到所述A/D转换电路50。本发明实施例所述运算放大电路38选取精密隔离运算放大器来实现。

请一并参阅图1和图4，所述电压采集电路40包括开关阵列42、第二切换控制电路44以及电压转换电路46。所述开关阵列42包括多个开关，该多个开关分别连接到每个所述锂电池的正极端以及负极端。所述第二切换控制电路44与所述开关阵列42连接，控制所述多个开关，并采集每个所述锂电池的正极端电压以及负极端电压。所述电压转换电路46将每个锂电池正极端电压以及负极端电压形成的差分电压转换成单端电压。

请参阅图1、图4以及图5，本发明实施例中，所述第二切换控制电路44采用所述AQW214作为切换控制芯片，负责采集每一块锂电池的正极端电压以及负极端电压的第二切换控制电路44的电路包括两个所述AQW214芯片、限流电阻R5以及保护电阻R6。其中，电源电压VCC通过串联的所述限流电阻R5和保护电阻R6连接到每一个所述AQW214芯片的输入端：引脚1和引脚3，每一个所述AQW214芯片的引脚7与该芯片的引脚5连接，该引脚5作为电压输出端（V+或V-）。每个所述AQW214芯片的引脚2（CHv0或CHv2）和引脚4（CHv1或CHv3）作为选通通道（CHv1或CHv3为低电平时选通各自对应的通道）来确定采集哪一块所述锂电池的正极端电压以及负极端电压，如，当选通CHv0与CHv2可测试第一块所述锂电池（VB0）的差分电压，选通CHv2与CHv1可测试第二块锂电池（VB1）的差分电压，选通CHv1与CHv3可测试第三块锂电池（VB2）的差分电压……。第二切换控制电路44可进一步在每个所述AQW214芯片的输入端接通道指示灯以指示对应的通道是否选通。本发明实施例采用LED作为所述通道指示灯（LED3-LED6）。

所述电压转换电路46包括放大器U1、电容C3、电阻R7、R8以及R9组成，其中，该放大器U1用于将差分电压转换为单端电压，本发明实施例中该放大器U1具有8个引脚，其中引脚2为反相输入端、引脚3为正相输入端，前端采集到的所述正极端电压从该放大器U1的正相输入端输入，所述负极端电压从该放大器U1的反相输入端输入，该放大器U1的正相输入端与反相输入端之间跨接有并联的RC电路，即，电阻R7和电容C3并联并跨接在该放大器U1的正相输入端与反相输入端之间。该放大器U1的引脚1和引脚8之间串接所述电阻R8，该放大器U1的引脚6作为输出端通过所述电阻R9输出所述单端电压。所述引脚4接地，引脚7接电源电压VCC。本发明实施例中，所述放大器U1可采用INA114精密仪器放大器。

请一并参阅图4和图5，所述电压采集电路40可进一步包括一第二信号调理电路48，该第二信号调理电路48用于将所述单端电压进行隔离运放并转换成适合所述A/D转换电路转换的标准电压。该第二信号调理电路48包括隔离运算放大器U3A、电阻R10、R11以及稳压管DZ1。其中，该隔离运算放大器U3A具有5个引脚，其中引脚3作为正相输入端接所述单端电压，引脚2作为反相输入端与作为输出端的引脚1连接，引脚4接地，引脚5接电源电压VCC，电阻R10的一端接输出端，另一端作为采集电压的输出端AI1与所述A/D转换电路50连接，电阻R11的一端与稳压管DZ1的正极端连接并接地，电阻R11的另一端与稳压管DZ1的负极端连接并连接到所述输出端AI1。本发明实施例中，所述隔离运算放大器U3A可采用德州仪器生产的OPA2335运算放大器。采用所述稳压管DZ1可起到过压保护的作用，以防止过电压对该系统中的其他电路或元件产生干扰。

所述A/D转换电路50用于将温度采集电路30采集到的模拟的温度信号以及电压采集电路40采集到的模拟电压信号转换成数字信号输入到所述控制器10中。该A/D转换电路50可选取独立的元件或芯片也可以与所述控制器10集成设置。本发明实施例中，所述A/D转换电路50与所述控制器集成设置，其中，作为控制器10的MSP430F5438A芯片本身自带12位的A/D转换电路。

所述通信模块60与所述控制器10连接，用于传输该锂电池组20中每个锂电池的温度以及电压信息到其它终端。该通信模块60可有线通信方式也可以为无线通信方式。优选地，该通信模块60可采用MAX232串口或ZIGBEE通信模块。

所述存储器70用于存储温度采集电路30以及电压采集电路40采集到的温度以及电压信息。所述存储器70可以为EEPROM。

所述电源80为该锂电池组温度与电压监测系统1的工作提供电力。

请参阅图1，所述锂电池组温度与电压监测系统1可进一步电流采集电路90连接于所述锂电池组20与所述A/D转换电路50之间，该电流采集电路90可采集所述锂电池组20中每个锂电池的电流。该电流采集电路90采用一取样电阻来实现。该取样电阻通过所述开关阵列有选择性地连接在每个所述锂电池的正极端与负极端之间。每个锂电池的电流等于每个所述锂电池的采集电压除以该取样电阻的电阻值。

所述锂电池组温度与电压监测系统1可进一步包括一信号隔离处理电路100以对该系统1中各个电路或元件产生的输入、输出以及电源信号进行隔离，一方面防止干扰，另一方面可避免由于高压造成的元器件损坏。其中，可采用不同的电源来实现电源隔离。该信号隔离处理电路100可采用隔离器来实现。请一并参阅图1和图6，本发明实施例中，所述信号隔离处理电路100采用ADI公司生产的ADUM1401数字隔离器。该数字隔离器为基于磁隔离技术的四通道隔离器该数字隔离器具有16个引脚，其中，引脚3-6以及11-14为对通信信号的隔离（CS1，SCLK，SDI，SDO，CS2，SCLK2，SDI2，SDO2）。

请参阅图7，所述锂电池组温度与电压监测系统1进一步包括通道拓展电路，该通道拓展电路设置于所述控制器10与温度采集电路30与电压采集电路40的各个通道选通电路之间，用于扩展采集所述锂电池组多路电压以及温度所需的通道数量。本发明实施例采用74HC154译码器进行通道扩展，该译码器可以用12个IO口控制256路输出信号，而且可以实现所述锂电池组温度与电压监测系统1在硬件上互锁，从而可防止高压进入控制器元件中。所述互锁指的是，该通道拓展电路可控制每次只选通一路温度或电压通道，来防止多路同时选通导致的过电压。

所述锂电池组温度与电压监测系统1进一步包括报警电路120与显示电路140。所述报警电路120在监测到所述锂电池组的某一路电压或温度异常时报警。该报警电路120可采用声光报警器来实现。本发明实施例中，报警电路120可采用蜂鸣器与LED闪烁的方式来实现报警。所述显示电路140用于显示监测到的锂电池组的电压以及温度信息。本发明实施例中，所述显示电路140采用12864LCD显示系统。

本发明实施例提供的锂电池组温度与电压监测系统可同时实时地检测锂电池组中每个锂电池的温度以及电压信息，从而可以较好地监控该锂电池组的热特性以及电特性来为采用锂电池组的动力电池的结构设计提供了较好的指导作用。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，包括：

控制器；

锂电池组，包括多个相互连接的锂电池；

温度采集电路，该温度采集电路包括：

温度传感器阵列，所述温度传感器阵列包括多个温度传感器，设置于所述相邻锂电池之间，用于采集每个所述锂电池的温度信息；

第一信号调理电路，用于将采集到的所述温度信息转化成标准电信号，以及

第一切换控制电路，用于在各个温度传感器与第一信号调理电路之间切换以实现一个或多个所述锂电池的温度采集；

电压采集电路，该电压采集电路包括：

开关阵列，包括多个开关，该多个开关分别连接到每个所述锂电池的正极端以及负极端；

第二切换控制电路，与所述开关阵列连接，控制所述开关，并采集待检测的所述锂电池的正极端电压以及负极端电压；

电压转换电路，将待检测的所述锂电池所述正极端电压以及负极端电压形成的差分电压转换成单端电压；

A/D转换电路，用于将采集到的所述锂电池的电压以及温度信号进行模数转换后分别作为该锂电池的温度数据以及电压数据输入到所述控制器中；

通信模块，与所述控制器连接，用于传输所述温度数据与电压数据；

存储器，与所述控制器连接，用于存储所述温度数据与电压数据；以及

电源为该锂电池组温度与电压监测系统提供电力。

2.如权利要求1所述的锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，选取热敏电阻作为所述温度传感器，所述第一切换控制电路包括作为切换模块的AQW214芯片、限流电阻R1、保护电阻R2、精密分压电阻R3、保护电阻R4、电容C1以及电容C2，该AQW214芯片包括8个引脚，该第一切换控制电路中，热敏电阻RT1的一端与所述AQW214芯片的引脚5连接，热敏电阻RT2的一端与引脚7连接，所述热敏电阻RT1的另一端与热敏电阻RT2的另一端连接并接地，所述热敏电阻RT1的两端并联所述电容C1，所述热敏电阻RT2的两端并联所述电容C2，所述AQW214芯片的引脚8作为输出端AI0输出采集到的某一所述锂电池的温度信息，电源电压VCC通过串联的所述限流电阻R1和保护电阻R2进入所述AQW214芯片的输入端引脚1和引脚3，所述电源电压VCC经过串联的精密分压电阻R3以及保护电阻R4接所述AQW214芯片的输出端AI0。

3.如权利要求1所述的锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，所述温度采集电路进一步包括一运算放大电路，该运算放大电路与将所述第一信号调理电路连接，将所述第一信号调理电路处理后的信号进一步滤波放大以输入到所述A/D转换电路中。

4.如权利要求1所述的锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，采集每一所述锂电池的正极端电压以及负极端电压的所述第二切换电路包括两个作为切换控制模块的AQW214芯片、限流电阻R5以及保护电阻R6，所述AQW214芯片具有8个引脚，电源电压VCC通过串联的所述限流电阻R5和保护电阻R6连接到每一个所述AQW214芯片的输入端引脚1和引脚3，每一个所述AQW214芯片的引脚7与该AQW214芯片的引脚5连接，该引脚5作为电压输出端，每个所述AQW214芯片的引脚2和引脚4作为选通通道以确定采集某一所述锂电池的正极端电压以及负极端电压。

5.如权利要求1所述的锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，所述电压转换电路包括放大器U1、电容C3、电阻R7、R8以及R9，其中，该放大器U1用于将差分电压转换为单端电压，该放大器U1具有8个引脚，其中引脚2为反相输入端、引脚3为正相输入端，前端采集到的所述正极端电压从该放大器U1的正相输入端输入，所述负极端电压从该放大器U1的反相输入端输入，所述电阻R7和电容C3并联并跨接在该放大器U1的正相输入端与反相输入端之间，该放大器U1的引脚1和引脚8之间串接所述电阻R8，该放大器U1的引脚6作为输出端通过所述电阻R9输出所述单端电压，所述引脚4接地，引脚7接电源电压VCC。

6.如权利要求5所述的锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，所述电压采集电路进一步包括一第二信号调理电路，该第二信号调理电路用于将所述单端电压进行隔离运放并转换成适合所述A/D转换电路转换的标准电压，该第二信号调理电路包括隔离运算放大器U3A、电阻R10、R11以及稳压管DZ1，其中，该隔离运算放大器U3A具有5个引脚，其中引脚3作为正相输入端接所述单端电压，引脚2作为反相输入端与作为输出端的引脚1连接，引脚4接地，引脚5接电源电压VCC，电阻R10的一端接所述隔离运算放大器U3A的输出端，另一端作为采集电压的输出端AI1与所述A/D转换电路连接，所述电阻R11的一端与稳压管DZ1的正极端连接并接地，所述电阻R11的另一端与稳压管DZ1的负极端连接并连接到所述输出端AI1。

7.如权利要求6所述的锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，所述隔离运算放大器U3A为OPA2335运算放大器。

8.如权利要求1所述的锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，进一步包括电流采集电路连接于所述锂电池组与所述A/D转换电路之间，该电流采集电路采用一取样电阻来实现，该取样电阻跨接在每个所述锂电池的正极端与负极端之间。

9.如权利要求1所述锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，进一步包括一信号隔离处理电路以对该锂电池组温度与电压监测系统中各个电路或元件产生的输入、输出以及电源信号进行隔离，该信号隔离处理电路包括ADUM1401数字隔离器。

10.如权利要求1所述锂电池组温度与电压监测系统，其特征在于，进一步包括通道拓展电路，用于扩展采集所述锂电池组多路电压以及温度所需的通道数量，所述通道拓展电路采用74HC154译码器。