CN107128191B - 一种电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路及其控制方法。该电路采用低成本的低功耗单片机作为模拟采样前端，电池单体直接给单片机供电，不需要电压变换、不需要隔离电源供电，结构简单、成本低；通过配置电阻实现模拟采样前端的ID配置，易于批量生产；采用光耦实现触发脉冲的隔离传输，同步精度高；采用单向的隔离异步串行数据总线和时分多址数据传输机制，每个电池单体仅需要一个光耦器件便可以实现模拟采样前端和主控制器之间的数据传输，总线结构简单、数据传输效率高。

Description

一种电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路及其控制 方法
技术领域
本发明属于电动汽车动力电池领域，具体涉及一种电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路及其控制方法。
背景技术
磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、聚合物锂电池、三元锂电池等锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、自放电率低、充电效率高、使用寿命长等优点，因而被广泛用作电动汽车的动力电池。由于单节锂离子电池的标称电压约为3.6V(磷酸铁锂电池和三元锂电池为3.2V、聚合物锂电池和锰酸锂电池为3.7V)，通常采用多节电池串联构成动力电池组的方法，来获取更高的电压等级，电池组中的每一节电池称为电池单体。动力电池管理系统必须实时监测每一个电池单体的电压值，才能实现单体内阻计算、单体一致性计算、电池组SOH(state of healthy，健康度)计算、SOC(state of healthy，荷电状态)估算等功能。因此，实时的采集监测电动汽车动力电池组单体电压，是电动汽车动力电池管理系统一项必不可少的功能。
通常，电池管理系统采用轮询采集的方法来实现单体电压的监测，即通过模拟开关、光控MOS管、继电器等开关器件依次选通每个电池单体，来完成电压的采集。市场上主流的集成单体电压采集芯片LT608x、AD7280、ATA6870、ISL94212、MAX1492等均采用轮询采集方法。该方法仅需要一个AD(模拟/数字)转换器，因而具有成本低廉的优点，但是由于轮询采集属于非同步采集方法，根据其选通次序，不同电池单体之间存在一定的时间的采集间隔。对于电动汽车而言，其工作电流通常根据车辆的运行工况，存在快速的大幅波动。而对于不同的工作电流而言，由于内阻的分压作用，电池单体电压会随着电流的增大而降低。因此，当动力电池工作电流快速波动时，采用轮询采集方法采集到的单体电压，其实是不同电流值下的单体电压。这种由于采样时间间隔造成的采样误差，会严重的影响电池单体内阻、单体一致性、电池组SOH和SOC的计算。因此，动力电池组单体电压的同步采集是提高动力电池管理系统性能的关键环节。
已有的动力电池组单体电压采集方法可以分为“电容电压保持法”和“多路AD采样法”两类。电容电压保持法通过同时选通和电池单体等数量的电容与电池单体并联，来完成电容的充电。电池充电完成后两端电压将和电池单体两端电压一致，然后再同时断开所有电容与电池之间的连接，并依次通过模拟开关、继电器等开关器件依次选通每个电容，完成电压的采集。所有电容两端的电压采集完毕之后，通过负载电阻将电容器两端的电压释放掉，进行下一轮采集。电容电压保持法有效的避免了单体电压随电流变化而波动的问题，但是该方法存在以下不足：⑴对电容器漏电流要求较高。如果电容漏电流较大，采样期间电容两端电压会发生明显降低，造成采样误差；⑵需要数量较多的开关器件。电池单体与电容器之间、电容器与采样AD之间、电容器与负载电阻之间均需要开关器件选通连接。
多路AD采样法的基本思路是每个电池单体配置一个AD转换器件，通过外部同步脉冲实现多个AD器件的同步采样触发，然后通过隔离的数据总线实现转换结果的读取。该方法具有同步精度高、采样误差小、采样速度高等优点，但是存在以下不足：⑴需要与电池单体等同的AD转换器件，并且每个转换器件需要隔离电源供电，系统成本较高；⑵每个AD转换器件与主控制器之间需要通过隔离的数据总线进行数据的传输，系统较为复杂。
一个良好的动力电池组单体电压采集电路应该具有以下特征：⑴能够适应不同电池单体间较高的共模电压；⑵较高的同步精度和采样精度；⑶较低的系统成本。
鉴于现有的两种动力电池组单体电压采集方法存在的问题，本发明提供一种采用低功耗微控制器、隔离异步串行数据总线、时分多址数据传输的高同步精度、高采样精度、较低成本的动力电池组单体电压采集电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：针对现有的“电容电压保持法”和“多路AD采样法”动力电池组单体电压采集方法存在的问题，提供一种电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路及其控制方法，具有以下特征：⑴采用低成本的低功耗单片机作为模拟采样前端，电池单体直接给单片机供电，不需要电压变换、不需要隔离电源供电；⑵采用配置电阻实现模拟采样前端的ID配置；⑶采用单向的隔离异步串行数据总线，每个电池单体仅需要一个光耦器件便可以实现模拟采样前端和主控制器之间的数据传输；⑷采用时分多址数据传输机制实现电池单体ID识别；⑸采用光耦实现触发脉冲的隔离传输。
具体而言，所发明的动力电池组电压同步采集电路包含电池单体(1)、模拟采样前端单片机(2)、ID配置电阻(3)、触发脉冲上拉电阻(4)、触发脉冲隔离光耦(5)、数据传输隔离光耦(6)、数据接收端上拉电阻(7)、触发电流放大器(9)和主控制器(11)，其特征在于：电池单体(1)的正负极分别连接模拟采样前端单片机(2)的供电和地引脚；ID配置电阻(3)的一端连接至模拟采样前端单片机(2)的IO端口，另一端连接至电池单体(1)的正极或者负极；触发脉冲隔离光耦(5)的集电极与模拟采样前端单片机(2)的采样触发IO连接，并通过触发脉冲上拉电阻(4)与电池单体(1)的正极连接；主控制器(11)的同步触发脉冲经触发电流放大器(9)和限流电阻与触发脉冲隔离光耦(5)的二极管阳极连接；数据传输隔离光耦(6)的二极管阳极经限流电阻与模拟采样前端单片机(2)的数据发送端口连接；多个数据传输隔离光耦的集电极以集电极开路的方式连接在一起，并与主控制器(11)的数据接收端口连接。采用上述硬件电路实现动力电池组电压同步采集仅仅需要一个低成本的低功耗单片机和两个光耦器件，与已有方案相比，其电路结构简单、成本低。
基于所发明的上述动力电池组同步采集电路，工作流程可分为主控制器工作流程和模拟采样前端单片机工作流程两个部分。
当主控制器(11)需要进行一次电池单体电压同步采集时，首先拉高其触发脉冲发送端(10)，然后将数据接收端(8)配置为接收状态，当检测到数据接收端(8)上出现起始位时，便开始数据的接收，直至接收完所有电池单体模拟采样前端按照时分多址数据传输机制完成所有单体电压数据传输。
模拟采样前端单片机工作流程又可以分为上电工作流程、触发脉冲唤醒工作流程和定时时间到唤醒工作流程三个子流程。当模拟采样前端单片机连接电池单体并发生上电操作时触发上电工作流程，上电后首先根据ID配置端口的电平状态确定模拟采样前端的ID，并根据ID确定传输延迟时间td，然后将模拟采样前端单片机设置为下降沿触发AD转换、转换完成唤醒模式。采用该方法，所有的模拟采样前端单片机程序完全相同，有助于批量生产。当IO3检测到下降沿的触发脉冲后，便启动触发脉冲唤醒工作流程。基于该方法，同步误差仅包含光耦的传输时延误差和低功耗单片机的采样时延误差，可实现高同步精度。模拟采样前端单片机首先启动电压采集并完成AD转换，然后设定为定时唤醒模式，定时器时间为td，单片机再次进入睡眠状态。定时时间td到后，触发定时时间到唤醒工作流程。模拟采样前端单片机按照时分多址数据传输机制完成电池单体电压的发送，发送完毕之后再次将单片机设定为下降沿触发AD转换、转换完成唤醒模式，最后单片机进入休眠状态等待下一个同步采集触发脉冲的到来。基于上述控制方法，除了AD采样以及数据传输之外的其他时刻，模拟采样前端单片机均处于休眠模式，功耗极低。同时个模拟采样前端单片机的共组时长一致，消耗的电量一致，不会对单体电压一致性产生影响。
本发明中的时分多址数据传输机制以TRIG和DATA两条物理总线为传输通道，其中TRIG为由主控制器(11)的触发脉冲发送端10的传输通道，DATA为由模拟采样前端通过“线与”方式给主控制器(11)的数据接收端8发送电压采样结果的传输通道。当主控制器发起一次同步采集时，首先在TRIG信号线上发送一个上升沿，并保持高电平至DATA信号线上接收完所有的模拟采样前端的电压采样结果。各模拟采样前端单片机完成单体电压采集后在td-＝(ID+1)*(tw+ntb)时刻向DATA数据总线上发送采样结果，其中tw为不同ID间的传输间隔，n为每个ID发送的字节数量，tb为单字节所需的传输时间。主控制器(11)根据所接收到的数据的字节顺序确定数据所属的模拟采样前端的ID。每个数据字节的格式包含起始位ST、数据位b0～b7、奇偶校验位P、停止位SP共4部分。其中，起始位ST为一个低电平，校验位P可采用奇校验或者偶校验方式，停止位SP为一个高电平。各起始位、数据位、校验位和停止位宽度一致，模拟采样前端单片机发送的数据波特率与主控制器(11)的数据接收端(8)的波特率保持一致。采用上述时分多址传输机制，总线结构简单、数据传输效率高。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
⑴电路结构简单。每个电池单体的模拟采样前端仅由一颗低成本的低功耗单片机构成，触发脉冲以及数据传输仅各需要一颗光耦；⑵同步精度高。同步误差仅包含光耦的传输时延误差和低功耗单片机的采样时延误差，可实现微秒级别的同步精度；⑶成本低。每个电池单体仅需要一颗低成本的低功耗单片机、两颗光耦便可以实现数据的采集和传输；⑷易于批量生产。不同电池单体的模拟采样前端单片机程序完全相同，上电后自动根据IO端口电平设置其ID；⑸时分多址数据传输机制，总线结构简单；⑹极低功耗。各模拟采样前端单片机采样完毕后立即进入睡眠模式，睡眠模式功耗仅2微安；⑺各模拟采样前端能耗一致，不会对单体电压一致性产生影响。各电池单体的模拟采样前端单片机在其数据传输窗口被定时唤醒来完成数据传输，保证了工作时长一致，进而消耗的电能一致。
附图说明
图1是本发明中动力电池组电压同步采集电路示意图；
图2是本发明中电池单体模拟采样前端单片机上电工作流程图；
图3是本发明中电池单体模拟采样前端单片机同步触发脉冲唤醒后的工作流程；
图4是本发明中电池单体模拟采样前端单片机同步触发定时时间到唤醒后的工作流程；
图5是本发明中时分多址数据传输机制时序图；
图6是本发明中数据传输的字节编码方式示意图；
标号说明：
1、电池单体；2、模拟采样前端单片机；3、ID配置电阻；4、触发脉冲上拉电阻；5、触发脉冲隔离光耦；6、数据传输隔离光耦；7、数据接收端上拉电阻；8、数据接收端；9、触发电流放大器；10、触发脉冲发送端；11、主控制器。
具体实施方式
以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。
这里本发明创造的电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路如图1所示。下面分别从电路结构原理、工作流程、时分多址数据传输机制、字节编码方式四个方面来描述本发明的具体实施方式。
(1)、电路结构原理：如图1所示，完整的动力电池组电压同步采集电路包含电池单体(1)、模拟采样前端单片机(2)、ID配置电阻(3)、触发脉冲上拉电阻(4)、触发脉冲隔离光耦(5)、数据传输隔离光耦(6)、数据接收端上拉电阻(7)、触发电流放大器(9)和主控制器(11)共9个关键元件。图1中以8个电池单体同步采集为例，列出了电路的具体连接方式。
每个电池单体的正负极分别连接模拟采样前端单片机(2)的供电和地引脚。单体电压的采集通过单片机(1)的供电电压监控功能完成。本例采用STM8L05x单片机，其供电电压监控完成方式通过其AD转换器的VREFINT通道完成。具体而言，通过将ADC_CR3的CHSEL[4:0]位设置为11100选通VREFINT通道，转换完成后ADC_DRH和ADC_DRL寄存器中将是转化结果的高字节和低字节。转换结果是VREFINT占电源电压的比例，且VREFINT＝1.224V，由此可知，
每个模拟采样前端单片机的通过IO口的电平来配置其ID。图1中以8个电池单体的同步采集为例，共需要三个IO端口来配置其ID。实际系统中，通过调整ID配置电阻3连接至电池单体(1)的正极或者负极来实现ID的配置。如果系统中有N个电池单体，那么所需的ID配置IO数量为log2 N。ID配置IO连接至电池正极为1，连接至负极为0。如果一个电池单体的模拟采样前端ID为3，对应的三个ID配置IO2、IO1和IO0的连接状态应分别为电池负极、电池正极、电池正极。
选通脉冲通过隔离光耦(5)实现，当主控制器需要启动电池单体电压采集时，在触发脉冲发送端输出一个上升沿，经光耦传递到模拟采样前端单片机。经光耦处理后，模拟采样前端单片机(2)的IO3接收的触发信号为下降沿。这里由于主控制器(11)的触发脉冲发送端(10)需要驱动多个光耦(本例中8个)，需要较大的驱动电流，因此在触发脉冲发送端(10)与选通脉冲隔离光耦中发光二极管阳极限流电阻之间加入电流放大器9。
单片机接收到该下降沿后，直接启动AD采样并完成转换，转换完成后模拟采样前端单片机(2)自动被唤醒，并设置为定时唤醒模式，定时时间td＝(ID+1)*(tw+ntb)，其中tw为不同ID间的传输间隔，n为每个ID发送的字节数量，tb为单字节所需的传输时间。本例中，由于所选用的模拟采样前端单片机STM8L05x的AD转换器位宽为12，所以这里依次AD转换结果为2个字节，n＝2。
每个模拟采样前端单片机的数据发送通过数据传输隔离光耦(6)实现数据的隔离，隔离光耦(6)的发光二极管阳极通过一限流电阻与单片机的IO4相连，不同电池单体的数据传输隔离光耦以OC(集电极开路)方式实现“线与”连接，仅需在主控制器数据接收端8连接一个上拉电阻(7)至主控制器电源端。
(2)、工作流程：所发明的电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路的工作流程可分为主控制器工作流程和模拟采样前端单片机工作流程两个部分。
根据主控制器的工作逻辑，当其需要进行一次电池单体电压同步采集时，首先拉高其触发脉冲发送端(10)，然后将数据接收端(8)配置为接收状态，当检测到数据接收端(8)上出现起始位时，便开始数据的接收，直至接收完所有电池单体模拟采样前端发送的电压数据。本例中，一共8个电池单体，每个电池单体的电压数据为2个字节，所以一次同步采集共16个字节的数据。
模拟采样前端单片机的工作流程可以分为上电工作流程、触发脉冲唤醒工作流程和定时时间到唤醒工作流程三个子流程。当模拟采样前端单片机连接电池单体并发生上电操作时触发上电工作流程，如图2所示。上电后首先根据ID配置端口的电平状态确定模拟采样前端的ID，并根据ID确定传输延迟时间td，然后将模拟采样前端单片机设置为下降沿触发AD转换、转换完成唤醒模式。本例中通过将SYSCFG_RMPCR2寄存器中的ADC_TRIG位置1，将PD0管脚配置为ADC转换触发管脚，并通过将ADC_CR2寄存器的EXTSEL[1:0]设置为01将ADC配置为外部触发启动转换。最后，单片机进入睡眠模式等待触发脉冲的到来。当IO3检测到下降沿的触发脉冲后，便启动触发脉冲唤醒工作流程，如图3所示。模拟采样前端单片机首先启动电压采集并完成AD转换，然后设定为定时唤醒模式，定时器时间为td，单片机再次进入睡眠状态。定时时间td到后，触发定时时间到唤醒工作流程，如图4所示。模拟采样前端单片机首先发送采样结果的高字节，然后发送低字节，发送完毕之后再次将单片机设定为下降沿触发AD转换、转换完成唤醒模式，最后单片机进入休眠状态等待下一个同步采集触发脉冲的到来。
(3)、时分多址数据传输机制：如图5所示，本发明中的时分多址数据传输机制以TRIG和DATA两条物理总线为传输通道，其中TRIG为由主控制器(11)的触发脉冲发送端10的传输通道，DATA为由模拟采样前端通过“线与”方式给主控制器(11)的数据接收端(8)发送电压采样结果的传输通道。
当主控制器发起一次同步采集时，首先在TRIG信号线上发送一个上升沿，并保持高电平至DATA信号线上接收完所有的模拟采样前端的电压采样结果。当模拟采样前端单片机接收到TRIG信号线(隔离后的)上的下降沿触发信号后，立即进入AD采样并完成数据转换。对于特定的采样时钟而言，所需的转换时长tc为固定值。AD采样且数据转换完毕之后，各模拟采样前端单片机依次在DATA数据总线上发送采样结果，各模拟采样前端单片机在DATA信号线上的发送时刻为td＝(ID+1)*(tw+ntb)。其中，tw为不同ID间的传输间隔，n为每个ID发送的字节数量，tb为单字节所需的传输时间。主控制器11根据所接收到的数据的字节顺序确定数据所属的模拟采样前端的ID。
(4)、字节编码方式：如图6所示，每个数据字节的格式包含起始位ST、数据位b0～b7、奇偶校验位P、停止位SP共4部分。其中，起始位ST为一个低电平，校验位P可采用奇校验或者偶校验方式，停止位SP为一个高电平。各起始位、数据位、校验位和停止位宽度一致，模拟采样前端单片机发送的数据波特率与主控制器11的数据接收端8的波特率保持一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路控制方法，应用于电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路，所述电路的结构包括：电池单体(1)、模拟采样前端单片机(2)、ID配置电阻(3)、触发脉冲上拉电阻(4)、触发脉冲隔离光耦(5)、数据传输隔离光耦(6)、数据接收端上拉电阻(7)、触发电流放大器(9)和主控制器(11)，其特征在于：电池单体(1)的正负极分别连接模拟采样前端单片机(2)的供电和地引脚；ID配置电阻(3)的一端连接至模拟采样前端单片机(2)的IO端口，另一端连接至电池单体(1)的正极或者负极；触发脉冲隔离光耦(5)的集电极与模拟采样前端单片机(2)的采样触发IO连接，并通过触发脉冲上拉电阻(4)与电池单体(1)的正极连接；主控制器(11)的同步触发脉冲经触发电流放大器(9)和限流电阻与触发脉冲隔离光耦(5)的二极管阳极连接；数据传输隔离光耦(6)的二极管阳极经限流电阻与模拟采样前端单片机(2)的数据发送端口连接；多个数据传输隔离光耦的集电极以集电极开路的方式连接在一起，并与主控制器(11)的数据接收端口连接；
所述方法的工作流程可分为：主控制器工作流程和模拟采样前端单片机工作流程两个部分，模拟采样前端单片机工作流程又分为上电工作流程、触发脉冲唤醒工作流程和定时时间到唤醒工作流程三个子流程，模拟采样前端单片机与主控制器采用时分多址数据传输机制；
当主控制器(11)需要启动同步电压采集时触发主控制器工作流程，主控制器(11)首先拉高其触发脉冲发送端(10)，然后通过将数据接收端(8)配置为接收状态来完成数电压采集结果的接收，接收完毕后将触发脉冲发送端(10)置低电平；
当模拟采样前端单片机连接电池单体并发生上电操作时触发上电工作流程，上电后首先根据ID配置端口的电平状态确定模拟采样前端的ID，并根据ID确定传输延迟时间，然后将模拟采样前端单片机(2)设置为下降沿触发AD转换、转换完成唤醒模式；
当模拟采样前端单片机(2)检测到同步触发脉冲后，便启动触发脉冲唤醒工作流程 ，模拟采样前端单片机(2)首先启动电压采集并完成AD转换，然后设定为定时唤醒模式，定时器时间为td，单片机再次进入睡眠状态；
当定时时间td到后，便启动触发定时时间到唤醒工作流程，模拟采样前端单片机通过数据传输隔离光耦(6)和时分多址数据传输机制将电压数据发送给主控制器(11)；
所述的时分多址数据传输机制特征为：模拟采样前端单片机(2)通过自身ID确定其数据发送时刻td，td＝(ID+1)*(tw+ntb)，tw为不同ID间的传输间隔，n为每个ID发送的字节数量，tb为单字节所需的传输时间，主控制器(11)根据所接收到的数据的字节顺序确定数据所属的模拟采样前端的ID。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车锂离子动力电池组电压同步采集电路控制方法，其特征在于，所述模拟采样前端单片机(2)为具有供电电压监控功能的低功耗单片机。
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