CN105676137B - 一种高速电池电压扫描电路 - Google Patents

一种高速电池电压扫描电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速电池电压扫描电路，包括切换开关模块、运算跟随模块和ARM处理模块。切换开关模块与一组串联的电池电芯组连接并用于检测电池电芯组中各电池电芯的电压，并将检测电压输送至运算跟随模块；运算跟随模块包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器和第二运算放大器用于跟随运放来自切换开关模块的检测电压；ARM处理模块包括一处理器，处理器用于控制切换开关模块的开闭以及对各电池电芯的两端电压的读取顺序；ARM处理模块的处理器控制切换开关模块的开闭，并依次读取经由运算跟随模块跟随后获得的各电池电芯电压。

Description

一种高速电池电压扫描电路
技术领域
本发明涉及电路检测领域，尤其涉及一种高速电池电压扫描电路。
背景技术
随着科技的不断发展，经济水平的提高，人们的环保节能意识也逐渐提高，利用清洁能源的电动车也被广泛使用。电动车基本使用的是36v铅酸蓄电池，在使用过程中要注意对电池电压的检测，及时了解电池使用状况。电压低时应及时充电，以保护电池，延长使用寿命。目前在电动汽车的应用中，普遍存在着蓄电池的使用寿命不长、管理不当、电压过低导致损坏电池等问题。因此，需要一种用于电动车蓄电池的电压检测电路，对蓄电池组的电压工作状态实时监控，以保护及延长蓄电池组的使用寿命。
另外，由于单体电池的不一致性，导致电池组在充电阶段，可能出现某节电池比其它电池提前过充现象，而在放电阶段，则出现某节电池比其它电池提前过放的现象，所以有必要对电池组内每节电池的电压进行检测，进行过充过放保护。而现有技术则还只能对电池组的整体电压进行检测，缺少对电池组内各个电池电芯的电压进行检测的有效手段。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了一种高速电池电压扫描电路。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种高速电池电压扫描电路，包括切换开关模块、运算跟随模块和ARM处理模块；
所述切换开关模块与一组串联的电池电芯组连接并用于检测电池电芯组中各电池电芯的电压，并将检测电压输送至运算跟随模块；
所述运算跟随模块包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器和第二运算放大器用于跟随切换开关模块的检测电压；
所述ARM处理模块包括一处理器，所述处理器用于控制切换开关模块的开闭以及对各电池电芯的两端电压的读取顺序；
所述ARM处理模块的处理器控制切换开关模块的开闭，并依次读取经由运算跟随模块跟随后获得的各电池电芯电压。
进一步地，所述切换开关模块包括两组或两组以上的场效应管组，所述每组场效应管组均包括一号场效应管和二号场效应管，所述各场效应组的一号场效应管的漏极分别与各电池电芯的一端连接并用于检测电池电芯的电压；所述每组场效应管组的栅极经一光耦与一自举电容连接，所述光耦的输入端为电平触发端并用于控制自举电容放电使场效应管组导通；所述自举电容通过一二极管的导通实现充电。
进一步地，所述处理器包括两个ADC电压检测输入通道ADC-IN0和ADC-IN1、多个第一输出IO口、以及第二输出IO口、第三输出IO口和第四输出IO口，所述第一输出IO口连接至各光耦的输入端。
进一步地，所述电池电芯组中一个电池电芯两端连接的两组场效应管组的二号场效应管的漏极接口U-OUT1和U-OUT2分别与第一运算放大器的输入端和第二运算放大器的输入端连接；所述第一运算放大器和第二运算放大器的输出端分别与处理器的两个ADC电压检测输入通道ADC-IN0和ADC-IN1连接，所述处理器的第二输出IO口和第三输出IO口分别经一场效应管与漏极接口U-OUT2和漏极接口U-OUT1连接，所述第四输出IO口连接至各自举电容与光耦之间。
进一步地，所述各场效应组均设置有栅极下拉电阻。
进一步地，所述各场效应组与电池电芯之间还连接有保护电阻。
进一步地，所述运算跟随模块还包括多个滤波电容和滤波电阻组成的滤波电路。
进一步地，所述第一运算放大器和第二运算放大器还包括去耦电容和分压电阻。
进一步地，所述一号场效应管和二号场效应管均为N沟道场效应管。
相对于现有技术，本发明的高速电池电压扫描电路可以读取多个的串联电池电芯的单个电芯电压值，且有读取速快，读取精度高，制作成本低的优点。本发明的高速电池电压扫描电路读取电池电芯的个数可以根据需要进行扩展，特别适合多个串联电池电芯的电压的读取。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明的高速电池电压扫描电路的电路结构示意图。
图2是本发明的高速电池电压扫描电路的切换开关模块的电路图。
图3是本发明的高速电池电压扫描电路的运算跟随模块的电路图。
图4是本发明的高速电池电压扫描电路的ARM处理模块的电路图。
图5是本发明的高速电池电压扫描电路的工作示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图5。图1是本发明的高速电池电压扫描电路的电路结构示意图。图2是本发明的高速电池电压扫描电路的切换开关模块的电路图。图3是本发明的高速电池电压扫描电路的运算跟随模块的电路图。图4是本发明的高速电池电压扫描电路的ARM处理模块的电路图。图5是本发明的高速电池电压扫描电路的工作示意图。
本发明的高速电池电压扫描电路，包括切换开关模块10、运算跟随模块20和ARM处理模块30。切换开关模块10与一组串联的电池电芯组连接并用于检测电池电芯组中各电池电芯的电压，并将检测电压输送至运算跟随模块20；运算跟随模块20包括第一运算放大器U8A和第二运算放大器U8B，第一运算放大器U8A和第二运算放大器U8A用于跟随切换开关模块10的检测电压；ARM处理模块30包括一处理器U9，处理器U9用于控制切换开关模块10的开闭以及对各电池电芯的两端电压的读取顺序；ARM处理模块30的处理器U9控制切换开关模块10的开闭，并依次读取经由运算跟随模块20跟随获得的各电池电芯电压。
本实施例的一号场效应管和二号场效应管均为N沟道场效应管。本实施例的切换开关模块10优选地包括五组场效应管组，分别为第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)，各场效应管组的两个场效应管的栅极连接，第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)栅极经一光耦与一自举电容连接，光耦的输入端为电平触发端并用于控制自举电容放电使场效应管组导通；自举电容通过一二极管的导通实现充电。每组场效应管组设置两个场效应管，可以有效地防止电路过放和短路。自举电容C1、光耦U1和二极管D1与第一场效应管组(Q1,Q8)连接，依次类推，自举电容C5、光耦U5和二极管D5与第五场效应管组(Q5,Q12)连接。第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)均包括一号场效应管和二号场效应管，Q8、Q9、Q10、Q11和Q12均为一号场效应管，Q1、Q2、Q3、Q4和Q5均为二号场效应管。各一号场效应管的漏极分别与串联的电池电芯组中一个电池电芯的一端连接并用于检测电池电芯的电压。第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)之间为电池电芯Bat1、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)之间为电池电芯Bat2、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)之间为电池电芯Bat3，第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)之间为电池电芯Bat4。Bat1～Bat4串联连接，且均为待扫描检测的电池电芯。
ARM处理模块30的处理器U9控制切换开关模块10的各自举电容充电，依次读取与第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)连接的电池电芯并经运算跟随模块20跟随运放后获得各电池电芯的电压。
处理器U9包括两个ADC电压检测输入通道ADC-IN0和ADC-IN1、多个第一输出IO口、以及第二输出IO口KA、第三输出IO口KB和第四输出IO口KF。K1、K2、K3、K4和K5均为第一输出IO口。切换开关模块10的各光耦分别与ARM处理模块30的各第一输出IO口连接。第一运算放大器U8A的输入端与第二场效应管组(Q2,Q9)和第四场效应管组(Q4,Q11)的二号场效应管Q2和Q4的漏极接口U-OUT1连接，第二运算放大器U8B的输入端与第一场效应管组(Q1,Q8)、第三场效应管组(Q3,Q10)和第五场效应管组(Q5,Q12)的二号场效应管的漏极接口U-OUT2连接，第一运算放大器U8A和第二运算放大器U8B的输出端分别与处理器U9的两个ADC电压检测输入通道ADC-IN0和ADC-IN1连接，处理器U9的第二输出IO口KA和第三输出IO口KB分别经一场效应管与漏极接口U-OUT2和漏极接口U-OUT1连接，第四输出IO口KF连接至各自举电容与光耦之间。在U-OUT1和U-OUT2处连接了场效应管Q16和场效应管Q17作为正负切换开关，场效应管Q16和场效应管Q17还分别设置了的栅极下拉电阻R24和栅极下拉电阻R25。
第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)均设置有栅极下拉电阻，电阻R1、R3、R5、R7、R9分别是第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)的栅极下拉电阻。第一场效应管组(Q1,Q8)、第二场效应管组(Q2,Q9)、第三场效应管组(Q3,Q10)、第四场效应管组(Q4,Q11)和第五场效应管组(Q5,Q12)的一号场效应管与电池电芯之间还连接有保护电阻，这些保护电阻依次为电阻R1、R3、R5、R7和R9，保护电阻可以防止发生短路后电阻会烧断。
运算跟随模块20还包括多个滤波电容和滤波电阻组成的滤波电路。运算跟随模块20还包括电容C10、电容C11、电容C13、电阻R17和电阻R19组成滤波电路。第一运算放大器U8A和第二运算放大器U8B还包括去耦电容和分压电阻。第一运算放大器U8A和第二运算放大器U8B包括去耦电容C9和分压电阻R15、R16，双运算放大器U8B包括去耦电容C12和分压电阻R21、R26。还设置有三极管Q15、三极管Q18以及反向截止二极管D8，三极管Q15和三极管Q18控制+10V电压。光耦U1、光耦U2、光耦U3、光耦U4和光耦U5分别隔离控制每一组场效应管组的打开或关闭，还设置了光耦控制极限流电阻R23。自举电容C1、自举电容C2、自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5可以保证每组场效应管组的栅极有足够的电压来打开，而且开关管不产生任何压降。
以下具体说明本发明的高速电池电压扫描电路的各个工作状态：
(1)ARM处理模块30初始化(待命状态)：
接通电源，处理器U9开始初始化准备所有第一输出IO口和第二输出IO口KA、第三输出IO口KB、第二四输出IO口KF。接着，第一输出IO口K1、K2、K3、K4、K5和第二输出IO口KA、第三输出IO口KB、第四输出IO口KF全部置为低电平，使光耦U1、光耦U2、光耦U3、光耦U4和光耦U5停止工作，三极管Q18截止，三极管Q15由于失去偏置电压也截止。然后，第二输出IO口KA和第三输出IO口KB置为高电平，使场效应管Q16和场效应管Q17导通U-OUT1、U-OUT2对地接通。U-OUT1经过电阻R17后接入双运算放大器U8A的3脚+向输入，U-OUT2经过电阻R19后接入双运算放大器U8B的5脚+向输入，由于输出跟随，双运算放大器U8A的1脚和双运算放大器U8B的7脚分别输出0V。
(2)自举电容充电：
处理器U9控制输出IO口使第二输出IO口KA、第三输出IO口KB、第四输出IO口KF置为高电平，场效应管Q16和场效应管Q17导通U-OUT1、U-OUT2对地接通。三极管Q18导通，使三极管Q15有偏置而导通，+10V电压通过三极管Q15、反向截止二极管D8、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、自举电容C1、自举电容C2、自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5、Q1、Q2、Q3、Q4和Q5，电流流向U-OUT2，由于场效应管Q17导通，电流通过场效应管Q17流入地，这会给自举电容C1、自举电容C2、自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5充电，电容两端电压不断升高，最终接近+10V电压，实际测试100微秒以内就可以把电容两端电压充到+8V以上。此处处理器U9控制对自举电容充电200微秒。
(3)读取所有电池电芯的电压：
读取电池电芯Bat1的电压：
对自举电容C1、自举电容C2、自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5充电时间到达200微秒后，第四输出IO口KF置零三极管Q18，三极管Q15截止，自举电容C1、自举电容C2、自举电容C3、自举电容C4、自举电容C5由于没有放电回路两端电压依然保持+10V左右电压。处理器U9控制第二输出IO口KA为低电平，控制第三输出IO口KB、第一输出IO口K1和第一输出IO口K2同时为高电平，使光耦U1和光耦U2输出脚导通，自举电容C1的电压通过光耦U1到达第一场效应管组(Q1,Q8)的栅极使第一场效应管组(Q1,Q8)同时导通，电池电芯Bat1的正极被接通到U-OUT2。自举电容C2的电压通过光耦U2到达场效应管组(Q2,Q8)的栅极使第二场效应管组(Q2,Q9)同时导通，电池电芯Bat1的负极被接通到U-OUT1。因为第三输出IO口KB为高电平，U-OUT2经过场效应管Q17接入地，电池电芯Bat1的负极被接入地。由于第二输出IO口KA为低电平，U-OUT2没有对地接通，电压经过电阻R19到达双运算放大器U8B的5脚+向输入端，运算跟随模块20是输出跟随运放，而且输入阻抗很高306欧姆以上，线路上的压降可以忽略不计，双运算放大器U8B的7脚输出电压既是电池电芯Bat1电芯两端的正电压。电压经过分压电阻R21和R26的1/2分压后被送到处理器U9的ADC通道1转换器，对电池电芯Bat1的电压进行读取，通常时间仅需要10微秒。
读取电池电芯Bat2的电压：
一旦电池电芯Bat1电压读取完毕。处理器U9立马清零第一输出IO口K1和第一输出IO口K2使光耦U1和光耦U2的输出脚截止，第一场效应管组(Q1,Q8)和第二场效应管组(Q2,Q9)的栅极会失去电压，电阻R1和电阻R3负责把栅极电压下拉到0V由于栅极有结电容，实际关断需要等待50微秒时间。处理器U9等待200微秒后(给予充足关断的时间)控制第二输出IO口KA为低电平，控制第三输出IO口KB、第一输出IO口K2和第一输出IO口K3同时为高电平，使光耦U2和光耦U3输出脚导通，自举电容(C2)的电压通过光耦U2到达第二场效应管组(Q2,Q9)的栅极，使第二场效应管组(Q2,Q9)同时导通，电池电芯Bat2的正极被接通到U-OUT1。自举电容C3的电压通过光耦U3到达第三场效应管组(Q3,Q10)的栅极使第三场效应管组(Q3,Q10)同时导通，电池电芯Bat2的负极被接通到U-OUT2。因为第三输出IO口KB为高电平，U-OUT2经过场效应管Q16接入地，电池电芯Bat2的负极被接入地。由于第二输出IO口KA低电平，U-OUT1没有对地接通，电压经过电阻R17到达双运算放大器U8A的3脚+向输入端，由于是输出跟随，双运算放大器U8A的1脚输出电压既是电池电芯Bat2电芯两端的正电压。电压经过电阻R15和电阻R16的1/2分压后被送到处理器U9的ADC通道0转换器，对电池电压进行读取，通常时间仅需要10微秒。
电池电芯Bat3和电池电芯Bat4的电压读取与上述电池电芯Bat1和电池电芯Bat2的读取过程相似，在此不一一赘述。四个电芯电压全部读取完毕后，如果需要重新再读一次所有电池电芯的电压，必须先重做一次自举电容充电，把自举电容C1、自举电容C2、自举电容C3、自举电容C4和自举电容C5重新充电一次再进行切换动作，如此循环即可。
相对于现有技术，本发明的高速电池电压扫描电路可以读取多个的串联电池电芯的单个电芯电压值，且有读取速快，读取精度高，制作成本低的优点。本发明的高速电池电压扫描电路读取电池电芯的个数可以根据需要进行扩展，特别适合多个串联电池电芯的电压的读取。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (8)

1.一种高速电池电压扫描电路，其特征在于：包括切换开关模块、运算跟随模块和ARM处理模块；
所述切换开关模块与一组串联的电池电芯组连接并用于检测电池电芯组中各电池电芯的电压，并将检测电压输送至运算跟随模块；
所述运算跟随模块包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器和第二运算放大器用于跟随切换开关模块的检测电压；
所述ARM处理模块包括一处理器，所述处理器用于控制切换开关模块的开闭以及对各电池电芯的两端电压的读取顺序；
所述ARM处理模块的处理器控制切换开关模块的开闭，并依次读取经由运算跟随模块跟随后获得的各电池电芯电压；
所述切换开关模块包括两组或两组以上的场效应管组，所述每组场效应管组均包括一号场效应管和二号场效应管，所述各场效应组的一号场效应管的漏极分别与各电池电芯的一端连接并用于检测电池电芯的电压；所述每组场效应管组的栅极经一光耦与一自举电容连接，所述光耦的输入端为电平触发端并用于控制自举电容放电使场效应管组导通；所述自举电容通过一二极管的导通实现充电。
2.根据权利要求1所述的高速电池电压扫描电路，其特征在于：所述处理器包括两个ADC电压检测输入通道ADC-IN0和ADC-IN1、多个第一输出IO口、以及第二输出IO口、第三输出IO口和第四输出IO口，所述第一输出IO口连接至各光耦的输入端。
3.根据权利要求2所述的高速电池电压扫描电路，其特征在于：所述电池电芯组中一个电池电芯两端连接的两组场效应管组的二号场效应管的漏极接口U-OUT1和U-OUT2分别与第一运算放大器的输入端和第二运算放大器的输入端连接；所述第一运算放大器和第二运算放大器的输出端分别与处理器的两个ADC电压检测输入通道ADC-IN0和ADC-IN1连接，所述处理器的第二输出IO口和第三输出IO口分别经一场效应管与漏极接口U-OUT2和漏极接口U-OUT1连接，所述第四输出IO口连接至各自举电容与光耦之间。
4.根据权利要求3所述的高速电池电压扫描电路，其特征在于：所述各场效应组均设置有栅极下拉电阻。
5.根据权利要求4所述的高速电池电压扫描电路，其特征在于：所述各场效应组与电池电芯之间还连接有保护电阻。
6.根据权利要求5所述的高速电池电压扫描电路，其特征在于：所述运算跟随模块还包括多个滤波电容和滤波电阻组成的滤波电路。
7.根据权利要求6所述的高速电池电压扫描电路，其特征在于：所述第一运算放大器和第二运算放大器还包括去耦电容和分压电阻。
8.根据权利要求2-7任一项所述的高速电池电压扫描电路，其特征在于：所述一号场效应管和二号场效应管均为N沟道场效应管。
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