CN107064804B - 一种兼具高低端电流检测的bms数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼具高低端电流检测的BMS数据采集系统，包括单体电压检测模块、电池组总电压检测模块和电流检测模块。单体电压检测模块与组内所有电池单体直接相连，用于实时检测单体电压。电流检测模块串联在电池组与负载（或充电机）构成的回路中，电压检测模块与电池组正负极直接相连。二者分别用于检测动力电池组的充放电电流和总电压，输出端均有信号调理电路，经调理后的模拟信号送入模数转换器。模数转换器对电压信号和电流信号进行同步采集。控制器通过隔离电路与所述模数转换器通信，用于处理所述数据采集系统采集的数据。采用车载直流电源经线性稳压器转换后为上述所有模块供电。
Description
技术领域
本发明涉及电池检测技术领域，具体涉及纯动或混动汽车中的兼具高低端电流检测的BMS数据采集系统。
背景技术
随着纯电动与混合动力汽车的发展，动力电池技术受到了越来越广泛的关注。锂离子电池是目前最先进的、已商品化的二次电池，但在其使用过程中仍存在诸如安全性、稳定性等一系列问题。为解决这些问题，提高锂离子电池利用率和循环寿命，目前最有效也是唯一可行的方法是防止其过充和过放。解决问题的关键有两个方面，一是如何精确、实时地估计电池荷电状态，二是预测其输出功率。SOC(电池荷电状态)被定义为剩余容量与额定容量之比，实时、精确的SOC估计结果不仅可以提高电池组能量利用率，防止电池过充与过放，同时也可以由此获得更精确的电动汽车续航里程。峰值功率预测可以评估动力电池组在不同荷电状态下充、放电功率的极限能力，最优的匹配电池组和车辆动力性能之间的关系，以满足车辆的加速和爬坡性能，最大发挥电机再生制动能量回收功能；并且电池峰值功率预测对于合理使用电池，避免电池出现过充过放现象，延长电池使用寿命有重要的理论意义和实用价值。
SOC估算的方法有多种，目前多数中低端电池管理系统中使用的是安时积分法，这种方法技术成本低，但是估算精度完全依赖于电流检测的精度，因而存在累积误差。基于卡尔曼滤波、神经网络等算法的估计方法在实验仿真中可以获得较高的精度，但因其给控制器带来的运算负担，故在工程中鲜有应用。无论何种方法，SOC估计的精度均有赖于电池管理系统中电流检测的精度。因此，电流检测的精度在一定程度上决定了SOC估算的精度。主流的电流检测方法大致分为两种，即利用分流器或霍尔电流传感器，二者各有优劣。霍尔传感器可以实现被测量侧与测量侧的电气隔离，但成本较高，精度较差；分流器价格低廉，有更好的精度和稳定性，但缺少隔离，且低廉的精密电阻温漂带来的误差不容忽视。目前普遍认为，电阻分流器是更适合汽车行业应用的低成本产品。
利用分流器检测电流时，主要存在两点技术矛盾。矛盾一在于将分流器安置在高电压端还是低电压端。高端电流检测可以识别对地短路，但需要高匹配度的电阻网络和耐受高共模电压的运算放大器；低端检测对电阻和运放要求较低，但是会对接地通路产生一定干扰。矛盾二在于与精密电阻配合使用的电流检测器选型。其内部结构有多种，可以设计精密电阻分压网络将输入共模电压降到电源轨内，只放大差分电压；也可以利用晶体管耐受高共模电压，将差分电压转换为电流。除了选择合适的共模范围，运放输入偏移电压、共模抑制比CMRR、带宽等都是在设计与使用时需要考虑的关键参数。无论何种结构，各方面性能很难兼顾。
市面上多数低成本BMS产品内部的数据采集模块并没有针对电池应用设计，而是集成的通用模块。然而，如果不针对被测对象特性设计检测方案，很难在满足指标的同时将产品成本降至最低。对电池管理系统而言，基本需求之一是电流检测不能孤立于电压检测。硬件上，无论是为实现SOC估算还是以测量为基础的峰值功率预测，基础都在于同步的电压与电流检测。除此之外，高精度的信号链需要精心设计的模拟前端，这不仅要求选择合适的ADC来全面准确的捕捉传感器信号，也需要明智地选择驱动放大器和基准电压源等环节来优化信号链性能，这也是针对不同应用设计数据采集系统的难点所在。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种BMS数据采集系统，灵活应对高压和地通道敏感的场合，满足精度指标的同时可以将成本降至最低。
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种兼具高低端电流检测的BMS数据采集系统，其特征在于：包括电池组、单体电压检测模块、电池组总电压检测模块和电池组电流检测模块；单体电压检测模块与电池组内所有电池单体直接相连，用于检测其实时电压；电池组电流检测模块串联在电池组与负载或充电机构成的回路中，用于检测电池组的充放电电流，电池组总电压检测模块与电池组正负极直接相连，用于检测电池组的总电压；电池组电流检测模块和电池组总电压检测模块的输出端均设有信号调理电路，经调理后的模拟信号送入模数转换器；模数转换器对电压信号和电流信号进行同步采集；控制器通过隔离电路与所述模数转换器通信，用于处理所述数据采集系统采集的数据；采用车载直流电源经线性稳压器转换后为上述所有模块供电；
所述电池组电流检测模块采用双开关结构，双开关结构包括L1回路和L2回路；L1回路中，分流器位于动力电池组正极和负载或充电机之间，其两端并联高端电流检测器；L2回路中，分流器位于动力电池组负极和负载或充电机之间，其两端并联低端电流检测器。
所述信号调理电路包括缓冲器和滤波电路；所述滤波电路为低通滤波；
所述高端电流检测器供电与信号输出端均采用浮地设计，使其供电取自所述电池组，且所述高端电流检测器可检测高共模电压下的微小差分信号。
所述高端电流检测器和低端电流检测器的单位增益带宽满足：
其中RFLT为低通滤波电路的电阻；CFLT为低通滤波电路的电容。
所述电压传感器采用隔离变压器。
所述总电压与电流检测用模数转换器的精度为12位。
所述模数转换器模拟前端的噪声在转换器自身噪声的10％以内。
所述电池组总电压检测模块、电池组电流检测模块与模数转换器的总噪声在被检测信号噪声的15％以内。
所述单体电压检测模块共有n个单体管理单元，每个单元可检测m(6≤m≤12)节电池单体，n个单元以菊链结构组成堆栈，可管理n×m节电池单体，所述单体电压检测模块采用LTC6811作为单体管理单元，兼容LTC6804。
本发明的有益效果：
(1)电流检测器本身价格在2美元以内，与霍尔传感器相比成本优势巨大；
(2)电流检测兼容高电压端和低电压端模式，灵活应对高压和地通道敏感的场合；
(3)高端电流检测器加入浮地设计，可承受动力电池组的高电压，使得检测高共模电压下的微小差分信号成为可能；
(4)优化信号链设计，低噪声信号链确保ADC精度得到充分展现，满足精度指标的同时将成本降至最低，单体电压转换误差经数字滤波后可控制在0.04％以内；
(5)每个电池单体管理单元最多管理12节单体，n个电池单体管理单元之间以菊链结构堆叠，通过隔离式串行接口通讯，通讯速率1Mbps，传输距离最长100米。N个电池单体管理单元组成堆栈，控制器统一管理几百节电池。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的高端电流检测器及其浮地设计电路；
图3为本发明的数据采集与转换的信号链噪声抑制原理图；
图4为本发明的电池单体管理单元示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种兼具高低端电流检测的BMS数据采集系统，包括单体电压检测模块、电池组总电压检测模块和电流检测模块。单体电压检测模块与组内所有电池单体直接相连，用于检测其实时电压。电流检测模块串联在电池组与负载(或充电机)构成的回路中，电压检测模块与电池组正负极直接相连。二者分别用于检测动力电池组的充放电电流和总电压，输出端均有信号调理电路，经调理后的模拟信号送入模数转换器。模数转换器对电压信号和电流信号进行同步采集。控制器通过隔离电路与所述模数转换器通信，用于处理所述数据采集系统采集的数据。数据采集系统供电取自车载12V直流电源，经线性稳压器转换为5V后为电流检测器、电压传感器和ADC的模拟部分供电。2.5V参考电压源为电流检测器提供电压偏置，同时也为ADC提供基准电压。ADC的数字通讯接口与控制器间加入隔离，隔离电路和ADC的数字部分由控制器的3.3V电源供电。
电流检测“双回路”设计：
所述电流检测回路采用双开关结构，所述双开关结构包括L1回路和L2回路。L1回路中，分流器位于动力电池组正极和负载(或充电机)之间，其两端并联高端电流检测器；L2回路中，分流器位于动力电池组负极和负载(或充电机)之间，其两端并联低端电流检测器。在高端和低端电流检测器的输出端均设置了调理电路，包括缓冲器和滤波环节。其中，电压跟随器作为缓冲器被封装在了电流检测器之中，而滤波环节在电流检测器之外单独设计，其输出连接至所述模数转换器。所述滤波环节为低通滤波。
电路设计时考虑兼容高电压端和低电压端检测。如图1所示：若开关S1、S2拨向A点，电流流经外回路L1，该回路上采样电阻位于电池组正极与负载(或充电机)之间，即高电压端。此时，电流检测运行在高端模式；若开关S1、S2拨向B点，电流流经内回路L2，该回路上采样电阻位于电池组负极与负载(或充电机)之间，即低电压端。此时，电流检测运行在低端模式。若系统能够耐受接地通路上的干扰，优先选择低端感测；若系统无法接受低端感测带来的接地干扰，或者需要识别对地短路，优先选择高端感测。该拓扑的优势在于不明显增加成本的同时兼容了两种检测方式，选择性地具备两种方式的优势，由于位于高端和低端的检测电阻不会同时在充放电回路中存在，所以又不会同时引入两种感测方式的劣势。
高端电流检测器浮地设计：
低端检测通常选择低偏移电压、高共模抑制比、合适带宽的电流检测放大器即可，此类芯片包括AD8208、INA213等。高端电流检测器的选择较为特殊。对于电压在80V以内的轻小型应用可选择INA282(80V)、LMP8481(76V)等芯片，这类器件共同的特点是输出量为电压。前者精度高但带宽较低，适合直流应用；后者带宽高但精度较低，适合交流应用。对于电池组电压高于80V，甚至高达四五百伏的纯电动汽车应用，电流检测器可采用INA168、INA170等型号并配合额外电路设计，此类器件的共同特点是输出量为电流。
如图2所示，虚框内为电流检测器INA168。INA168本身能承受的最高共模电压为仅为36V，之所以能够承受500V的高压，得益于其输出电流的特点可采用“浮地”设计，如图二所示。INA168的电源引脚V+与回路上的高共模电压点直接相连，地引脚GND与高共模电压之间连接一个稳压二极管Z1，使高端电流检测器的参考地比共模电压低一些，具体低的电压幅值等于稳压二极管的稳定电压。电阻R1上分担幅值为VCM-Vz1的电压，输出侧浮地依赖于PNP型高压晶体管Q2。选型时一是考虑其基极与集电极之间能否承受(VCM-Vz1)伏的高电压，二是选择尽可能大的放大倍数，使得集电极电流尽可能复原INA168的输出电流。稳压二极管Z1为INA168营造了略低于共模电压的虚地点，使其总是能“悬浮”在高共模电压以下附近工作。这样的“浮地”设计使得电流检测器供电直接取自电池组，无需额外的稳压源，更重要的是使得检测高共模电压下的微小差分信号成为可能。
电压传感器输出与ADC输入之间加入了调理电路，其内部包括信号幅值变换电路、缓冲器和低通RC滤波环节。电流检测器的输出设计为与ADC模拟输入接口匹配的范围，无需额外的信号调理，只需加入低通滤波环节。位于ADC输入接口之前的低通滤波环节以抗混叠和屏蔽高频干扰。
总电压与电流检测模块信号链低噪声设计：
首先根据被检测信号特性选择合适的模数转换器。与电压相比，电池电流特性较差，更难被准确地检测，所以设计方案时的依据以电流特性为主。动力电池选择海特公司生产的磷酸铁锂12串2并电池组，组内单体型号为HTCF26650-3200mAh-3.2v。电池组充电电压限制在1C以内，即3.2A*2＝6.4A。动力电池充电时，电流特性取决于充电机技术规格。以实验室用艾德克斯可编程直流电源为代表，其输出电流在0-20A范围内纹波有效值最低可达15mA，一般直流电源在这项指标上都难出其右。实际上，充电机产品能做到的性能更低，充电机国标规定稳流稳压精度为1％，纹波系数0.5％。实验室环境中用直流电子负载模拟动力电池放电，其精度指标与直流电源相近。为留出足够裕量，噪声+纹波确定为10mArms，所检测电流信噪比：
有效位数：
12bit模数转化器足以满足9位的ENOB要求，如果采用不同型号的动力电池，使得更大充电电流成为可能，假设以20A电流充电：
可见，12位ADC仍能满足需求。本发明选择双路高速12位同步采样模数转换器ADS7253。
高精度ADC的模拟前端通常包括两部分，驱动运放和RC滤波。本设计中所使用电流检测器为运放输出，且输出电压已经与ADC接口匹配，无需信号幅值的调理，简化了接口设计。RC环节设计为低通滤波，但电阻阻值的选择受ADC限制，应考虑不影响其转换线性度。
驱动运放选择时从两个角度考虑。首先，在预算允许的前提下尽可能选择小信号带宽高的运放。提高带宽可以减小运放的闭环输出阻抗，从而提高其带负载能力，使其容易驱动低通滤波环节。同时，高带宽可以降低高频下的谐波失真。为了保证模拟前端稳定度，运放的单位增益带宽应满足如下关系：
其中RFLT为低通滤波电路的电阻；CFLT为低通滤波电路的电容。
检测电流范围0A-6.4A，图二所示分流器电阻Rs选择50mΩ低温漂精密合金电阻，则电流检测器的差分输入电压0-320mV在其误差最小的范围内。INA168输出电流与输入差分电压之间的关系为：
IO＝(VIN+-VIN-)·200μA/V
VO＝IO·RL
将图二所示三极管Q1的集电极对地接50kΩ电阻，则电流检测器增益配置为10，输出电压0-3.2V，与ADC模拟输入电压范围相匹配。若扩大电流检测量程，需选择更小阻值的采样电阻，并重新设计电流检测器增益。
本方案在器件选型时从器件噪声性能的角度出发，考虑了信号链中所有可能引入噪声的环节，并特别设计了低通滤波电路的截止频率，使得模拟前端的噪声限制在ADC自身噪声的10％以内，检测电路信号链总噪声(不含被检测信号噪声)在被检测信号噪声的15％以内，确保了转换精度不受调理电路的影响，下面给出具体证明：
在100kHz带宽以内，INA168的电流噪声密度折合到输出端为折合到50kΩ电阻上为/>若后级一阶低通滤波环节截止频率fb设计为10kHz，则等效砖墙时滤波器截止频率fH＝1.57fb＝15.7kHz。由此可知，滤波器带宽上的电流检测器输出噪声：
ADC自身噪声为：
信号链(不含输入信号)总噪声：
可见，Noise_Amp＜Noise_ADC×10％，电流检测器输出噪声淹没在了ADC自身噪声之中，验证了信号调理设计与ADC选择的合理性。
如图3所示，被检测信号的噪声折合到ADC输入端：
Noise_Signal＝10mA×50mΩ×10＝5mV(rms)
5mV的噪声占据了数据转换结果的后三位，即实际有效位数与理想转换器相比失去的三位。加入被检测信号后，信号链总噪声：
可见，检测电路信号链总噪声(不含被检测信号噪声)在被检测信号噪声的15％以内，即信号链噪声淹没在了被测信号噪声之中。所以，该信号链不会降低数据转换的精度，从而验证了整体方案的合理性。
滤除了被测信号噪声之后，还需要选择一款合适的运放作为缓冲器放大器驱动ADC的参考电压输入。主要从两个方面考虑。首先，在每次转换开始的瞬间，缓冲器放大器需要在1LSB的范围内调整参考输入引脚的电压。这个过程需要在参考输入引脚与地之间布置一个大电容。因此，所选运放满足低输出阻抗、低失调、低温漂的同时，还应确保其在大电容负载下能够稳定。其次，ADC的参考输入信号与内部的开关电容网络相连，该节点上会产生瞬态电流，因此参考电压源需要借助缓冲器放大器将这种瞬态电流隔离。本设计中为电压转换通道单独设计了缓冲放大器，这样做的好处一来可以避免通道之间的串扰，二来为运方降低了驱动电流的负担；本发明中电流检测器内部集成了缓冲放大器。
单体电压检测模块设计：
如图4所示，单体电压检测模块包括n个单体管理单元，每个单元可检测m(6≤m≤12)节电池单体，n个单元以菊链结构组成堆栈，总共可管理n×m节电池单体。电池单体管理单元采用凌力尔特公司最新研发的第三代电池监视器LTC6811，软硬件均向下兼容。其内置的高精度16位Delta-Sigma型ADC与三阶滤波环节使得数据采集的误差在0.04％以内，最大测量误差优于1.2mV。相比初代产品，LTC6811转换速度提升明显，12节单体的总转换时间可达290μs。
每片LTC6811最多可检测12节单体的电压，n片LTC6811级联能同时测量高电压电池组中的几百节电池单体。LTC6811之间无需专门的数字隔离通道，通过隔离式双绞线进行串行数据通讯，传输距离长达100米，速度高达1Mbps。在特斯拉等品牌的电动汽车中，电池组广泛地分布在整个汽车底盘，电池组之间的距离可能会较远。在分布式电池管理系统中，使用此种长距离通讯方式可以使得从监控模块的位置选择更加灵活，而不必受限于数据通讯的距离。
隔离电路设计：
ADS7253和LTC6811的数字通讯接口与控制器间加入隔离，隔离电路和模数转换器的数字部分由控制器的3.3V电源供电。隔离电路部分可采用四通道变压器式数字隔离器ADUM1401并配合其双通道型号ADUM1201。当ADS7253采用双通道并行数据传输，则SPI通讯中的SDOA、SDI、CS和CLK信号通过ADUM2401与控制器隔离，SDOB信号通过ADUM1401与控制器隔离。当ADS7253采用双通道串行数据传输时，SDOB引脚上无数据输出，一片ADUM2401便可实现全部4个信号的隔离。LTC6811的数字通讯接口与控制器之间通过隔离式通讯接口转换器隔离。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种兼容高低端电流检测的BMS数据采集系统，其特征在于：包括电池组、单体电压检测模块、电池组总电压检测模块和电池组电流检测模块；单体电压检测模块与电池组内所有电池单体直接相连，用于检测其实时电压；电池组电流检测模块串联在电池组与负载或充电机构成的回路中，用于检测电池组的充放电电流，电池组总电压检测模块与电池组正负极直接相连，用于检测电池组的总电压；电池组电流检测模块和电池组总电压检测模块的输出端均设有信号调理电路，经调理后的模拟信号送入模数转换器；模数转换器对电压信号和电流信号进行同步采集；控制器通过隔离电路与所述模数转换器通信，用于处理所述数据采集系统采集的数据；采用车载直流电源经线性稳压器转换后为上述所有模块供电；
所述电池组电流检测模块采用双开关结构，双开关结构包括L1回路和L2回路；L1回路中，分流器位于动力电池组正极和负载或充电机之间，其两端并联高端电流检测器；L2回路中，分流器位于动力电池组负极和负载或充电机之间，其两端并联低端电流检测器；
若开关S1、S2拨向A点，电流流经L1回路，该回路上采样电阻位于电池组正极与负载或充电机之间，即高电压端；此时，电流检测运行在高端模式；若开关S1、S2拨向B点，电流流经L2回路，该回路上采样电阻位于电池组负极与负载或充电机之间，即低电压端；
所述高端电流检测器供电与信号输出端均采用浮地设计，使其供电取自所述电池组，且所述高端电流检测器可检测高共模电压下的微小差分信号；
所述单体电压检测模块共有n个单体管理单元，每个单元可检测m(6≤m≤12)节电池单体，n个单元以菊链结构组成堆栈，可管理n×m节电池单体；
所述高端电流检测器和低端电流检测器的单位增益带宽满足：
其中RFLT为低通滤波电路的电阻；CFLT为低通滤波电路的电容。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述信号调理电路包括缓冲器和滤波电路；所述滤波电路为低通滤波。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电池组总电压检测模块采用隔离变压器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述总电压与电流检测用模数转换器的精度为12位。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述模数转换器模拟前端的噪声在转换器自身噪声的10％以内。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电池组总电压检测模块、电池组电流检测模块与模数转换器的总噪声在被检测信号噪声的15％以内。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述单体电压检测模块采用LTC6811作为单体管理单元，兼容LTC6804。
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