CN107323291B - 动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统及其方法 - Google Patents

动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统及其方法，包括多个数据采集机箱，每个数据采集机箱包括单体电压采集模块、单体温度采集模块和数据汇总模块，所述单体电压采集模块、单体温度采集模块的个数自由组合，将采集的单体电池的对应数据传输给数据汇总模块，数据汇总模块将采集得到的所有电池单体数据进行汇总和缓存，并上传到上位机进行存储。系统采用模块化设计，可扩展性好，可根据需要增减采样通道数量和选择采样通道类型，实现灵活的系统配置。

Description

动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统及其方法。
背景技术
电动汽车无需燃油，具有节能环保等优点，是解决能源短缺和环境污染这两大危机的关键途径，已成为未来汽车工业发展的必然趋势。动力电池是电动汽车的能量来源，关系到整车的动力性、安全性和经济性，其相关技术问题已成为制约电动汽车发展的关键。无论是采用电池测试设备离线对电池充放电测试，还是在电池管理系统在线监管动力电池组，都需要对每一个动力电池单体的电压、温度等参数进行实时的监控和记录。由于这些数据决定了电池SOC、SOP、SOH等状态估计的精度，和动力电池系统故障诊断及安全管理性能，因此，必须获取电池单体的电压、温度等的真实参数数据。
动力电池数据采集系统与其他工业现场的数据采集系统相比有其特殊性，在测量通道间的隔离性及采集数据量等方面具有更高的要求。一方面，由于电动汽车用的动力电池组一般由成千上百节电池单体串并联得到，因此存在对上百节单体同时进行数据采集的需求，上百个通道同时工作，数据量巨大；另一方面，多节单体串联之后，各节单体之间的电位差可达几百伏，如若不能采取有效措施隔离各通道，将造成单体短路，损坏电池单体甚至引发安全事故。目前已有的电池测试数据采集装置或电池管理系统，一般均采用循环扫描采样的方式，在一个固定时间的循环周期内对所有通道依次采样。这种采样方式存在采集速度慢，采集数据过程非同步，数据的真实性差，传输过程存在数据拥堵等问题，而且采样周期一般高于10ms，难以检测记录电池状态的瞬间变化，制约了电池技术的进一步研究发展。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统及其方法，本发明具有模块化设计、可扩展性好、采集精度高、数据同步采集、采集速度快等优点，克服了传统电池数据采集装置采集不同步、数据拥堵等问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统，包括多个数据采集机箱，每个数据采集机箱包括单体电压采集模块、单体温度采集模块和数据汇总模块，所述单体电压采集模块、单体温度采集模块的个数自由组合，将采集的单体电池的对应数据传输给数据汇总模块，数据汇总模块将采集得到的所有电池单体数据进行汇总和缓存，并上传到上位机进行存储。
进一步的，所述单体电压采集模块包括一片电压采集控制器和多个单体电压采集通道，所述电压采集控制器为单体电压采集通道的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果并将各个采集通道的采集结果发送给数据汇总模块。
更进一步的，所述单体电压采集通道包括电阻分压电路、模拟滤波电路、ADC输入驱动电路、ADC和数字隔离器，电阻分压电路输入接电池单体，输出接模拟滤波电路的输入，模拟滤波电路采用一阶有源滤波，其输出接ADC输入驱动电路的输入，ADC输入驱动电路的输出接到ADC的模拟量输入脚，ADC的转换结果输出接口经过数字隔离后连接到电压采集控制器。
各个单体电压采集通道之间以及通道与电压采集控制器之间均进行电气隔离，每个通道使用DC/DC隔离电源单独供电，数字接口采用通用数字隔离芯片进行隔离。
进一步的，所述单体温度采集模块包括温度采集控制器和多个单体温度采集通道，所述温度采集控制器为单体温度采集通道的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果并将各个采集通道的采集结果发送给数据汇总模块。
更进一步的，所述单体温度采集通道包括热电阻、基准电阻R1和带电流源的ADC，热电阻采用四线制接法，正极两根线一根接到ADC的电流源的输出端，另一根接到ADC的模拟量输入的正极；负极两根线一根接到ADC的模拟量输入的负极，另一根接到基准电阻R1的一端，电阻R的另一端接到ADC的电流源的输入端，ADC的外部基准电压由电阻R1提供。
进一步的，所述数据汇总模块包括数据汇总控制器和隔离通信电路，所述数据汇总控制器通过隔离通信电路与单体电压采集模块及单体温度采集模块进行通信，向单体电压采集模块及单体温度采集模块发送采样同步信号控制同步采集，接收单体电压和温度采集结果并将采集结果缓存；同时通过网口与上位机通信，将采集结果上传到上位机，接收并执行上位机发送的指令。
进一步的，所述数据汇总模块可同时控制m个单体电压采集模块和n个单体温度采集模块，m+n＝7，0≤m≤7，0≤n≤7，m和n都是整数，且m、n的个数可以自由调整组合。
基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)数据汇总控制器等待上位机指令，如果接收到上位机开始采样的指令，则启动数据采集系统，开始采集和上传数据；
(2)数据汇总控制器向所有电压采集控制器和温度采集控制器同时发送采样开始信号，电压采集控制器接收到开始信号后同时启动所有单体电压采集通道，温度采集控制器接收到开始信号后同时启动所有单体温度采集通道，实现所有单体电压和温度的同步采集；
(3)电压采集控制器向所有单体电压采集通道的ADC提供同步的时钟，ADC进行电压采样和转换，转换结果由电压采集控制器读取，单体温度采集模块执行相同的操作，得到单体温度采集结果；
(4)各个单体电压采集模块和单体温度采集模块得到的采集数据在控制器中经过数字滤波后通过SPI通信的方式发送给数据汇总模块；
(5)数据汇总控制器接收到各个采集模块的采样结果数据后，将所有采样结果数据暂存到外部存储器中，并上传到上位机保存；
(6)数据汇总控制器接收到上位机发来的停止采样指令后，向各个采集模块同时发送停止采样信号，各个采集模块同时停止采样。
所述步骤(1)、步骤(5)和步骤(6)中数据汇总控制器接收上位机指令和向上位机上传数据通过以太网网口实现，采用TCP协议。
上位机发送的指令为一字节十六进制数。
所述步骤(2)中所有控制器使用同步的时钟信号，以保证系统所有采样的同步性。
所述步骤(3)中单体电压采样率最高为10kSps，单体温度采样率为50Sps，电压采样周期最小为0.1ms。
所述步骤(5)中采集模块包括单体电压采集模块、单体温度采集模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明实现了同步采样，可得到所有单体同一时刻的状态信息。
(2)采集精度高，减小了采样误差，有利于对电池状态进行精确分析。
(3)系统采用模块化设计，可扩展性好，可根据需要增减采样通道数量和选择采样通道类型，实现灵活的系统配置。
(4)能够实现高速的电池数据采集，采样率提高到传统设备的10倍以上，对于分析电池状态的瞬间变化具有重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的一个实施例的系统结构图；
图2为本发明的一个实施例的单体电压采集模块结构图；
图3为本发明的一个实施例的单体温度采集模块结构图；
图4为本发明的一个实施例的数据汇总模块结构图；
图5为本发明的一个实施例的单体电压采集通道原理图；
图6为本发明的一个实施例的单体温度采集通道原理图；
图7为本发明的一个实施例的系统控制流程图；
图8为本发明的一个实施例的单体电压采集模块软件结构图；
图9为本发明的一个实施例的数据汇总模块软件结构图。
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。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在采集速度慢，采集数据过程非同步，数据的真实性差，传输过程存在数据拥堵等问题，而且采样周期一般高于10ms，难以检测记录电池状态的瞬间变化，制约了电池技术的进一步研究发展的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统及其方法，系统采用模块化设计，包括单体电压采集模块、单体温度采集模块、和数据汇总模块。本发明系统通过FPGA控制采样电路对电池单体的电压及温度进行同步采样，再将采样结果进行汇总缓存并上传到上位机进行存储。采样电路采用24bit高精度ADC对电池的电压、温度等进行模数转换。实现电池测试过程中电池各种状态的高精度同步采集。本发明具有模块化设计、可扩展性好、采集精度高、数据同步采集、采集速度快等优点，克服了传统电池数据采集装置采集不同步、数据拥堵等问题。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统，由数量可扩展的多个数据采集机箱组成，每个机箱由可自由组合的模块组成，包括单体电压采集模块、单体温度采集模块和数据汇总模块。其中，单体电压采集模块同步采集电池组各个电池单体的电压，单体温度采集模块同步采集电池组各个电池单体的温度。采集得到的所有电池单体数据转换结果通过数据汇总模块进行汇总和缓存，并上传到上位机进行存储。
如图2所示，单体电压采集模块包括一片电压采集FPGA和7个单体电压采集通道。
电压采集FPGA为单体电压采集通道的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果并将7个采集通道的采集结果发送给数据汇总模块。
单体电压采集通道包括电阻分压电路、模拟滤波电路、ADC输入驱动电路、24bit高精度ADC和数字隔离器。电阻分压电路输入接电池单体，输出接模拟滤波电路的输入，模拟滤波电路采用一阶有源滤波，其输出接ADC输入驱动电路的输入，ADC输入驱动电路的输出接到ADC的模拟量输入脚。ADC的转换结果输出接口经过数字隔离后连接到FPGA。
7个单体电压采集通道之间以及通道与FPGA之间均进行电气隔离，每个通道使用DC/DC隔离电源单独供电，数字接口采用通用数字隔离芯片进行隔离。
如图3所示，单体温度采集模块包括温度采集FPGA和8个单体温度采集通道。
温度采集FPGA为单体温度采集通道的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果并将8个采集通道的采集结果发送给数据汇总模块。
如图6所示，单体温度采集通道由Pt-1000热电阻、基准电阻R1和带电流源的24bit高精度ADC组成。热电阻采用四线制接法，正极两根线一根接到ADC的电流源的输出端，另一根接到ADC的模拟量输入的正极；负极两根线一根接到ADC的模拟量输入的负极，另一根接到基准电阻R1的一端。电阻R的另一端接到ADC的电流源的输入端。ADC的外部基准电压由电阻R1提供。
数据汇总模块包括数据汇总FPGA和隔离通信电路。
数据汇总FPGA通过隔离通信电路与单体电压采集模块及单体温度采集模块进行通信，向单体电压采集模块及单体温度采集模块发送采样同步信号控制同步采集，接收单体电压和温度采集结果并将采集结果缓存；同时通过网口与上位机通信，将采集结果上传到上位机，接收并执行上位机发送的指令。
数据汇总模块可同时控制m个单体电压采集模块和n个单体温度采集模块，m+n＝7，0≤m≤7，0≤n≤7，m和n都是整数。
如图7所示，动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统，运行流程包括以下步骤：
(1)接收上位机指令：数据汇总FPGA等待上位机指令，如果接收到上位机开始采样的指令，则启动数据采集系统，开始采集和上传数据。
(2)启动采样：数据汇总FPGA向所有电压采集FPGA和温度采集FPGA同时发送采样开始信号，电压采集FPGA接收到开始信号后同时启动所有单体电压采集通道，温度采集FPGA接收到开始信号后同时启动所有单体温度采集通道，从而实现所有单体电压和温度的同步采集。
(3)数据采集：单体电压采集模块中，电压采集FPGA向所有单体电压采集通道的ADC提供同步的时钟，ADC进行电压采样和转换，转换结果由电压采集FPGA读取。单体温度采集模块执行相同的操作，得到单体温度采集结果。
(4)数据汇总：各个单体电压采集模块和单体温度采集模块得到的采集数据在FPGA中经过数字滤波后通过SPI通信的方式发送给数据汇总模块。
(5)数据缓存与上传：数据汇总FPGA接收到各个采集模块的采样结果数据后，将所有采样结果数据暂存到外部DDR3SDRAM中，并上传到上位机保存。
(6)停止采样：数据汇总FPGA接收到上位机发来的停止采样指令后，向各个采集模块同时发送停止采样信号，各个采集模块同时停止采样。
步骤(1)、步骤(5)和步骤(6)中数据汇总FPGA接收上位机指令和向上位机上传数据通过网口(100M以太网)实现，采用TCP协议。上位机发送的指令为一字节十六进制数。
步骤(2)中所有FPGA使用同步的时钟信号，以保证系统所有采样的同步性。
步骤(3)中单体电压采样率最高为10kSps，单体温度采样率为50Sps，电压采样周期最小为0.1ms。
步骤(5)中采集模块包括单体电压采集模块、单体温度采集模块。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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 (6)

1.一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统，其特征是：包括多个数据采集机箱，每个数据采集机箱包括单体电压采集模块、单体温度采集模块和数据汇总模块，所述单体电压采集模块、单体温度采集模块的个数自由组合，将采集的单体电池的对应数据传输给数据汇总模块，数据汇总模块将采集得到的所有电池单体数据进行汇总和缓存，并上传到上位机进行存储；
所述单体电压采集模块包括一片电压采集控制器和多个单体电压采集通道，所述电压采集控制器为单体电压采集通道的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果并将各个采集通道的采集结果发送给数据汇总模块；
所述单体温度采集模块包括温度采集控制器和多个单体温度采集通道，所述温度采集控制器为单体温度采集通道的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果并将各个采集通道的采集结果发送给数据汇总模块；
各个单体电压采集通道之间以及通道与电压采集控制器之间均进行电气隔离，每个通道使用DC/DC隔离电源单独供电，数字接口采用通用数字隔离芯片进行隔离；
所述数据汇总模块包括数据汇总控制器和隔离通信电路，所述数据汇总控制器通过隔离通信电路与单体电压采集模块及单体温度采集模块进行通信，向单体电压采集模块及单体温度采集模块发送采样同步信号控制同步采集，接收单体电压和温度采集结果并将采集结果缓存；同时通过网口与上位机通信，将采集结果上传到上位机，接收并执行上位机发送的指令。
2.如权利要求1所述的一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统，其特征是：所述单体电压采集通道包括电阻分压电路、模拟滤波电路、ADC输入驱动电路、ADC和数字隔离器，电阻分压电路输入接电池单体，输出接模拟滤波电路的输入，模拟滤波电路采用一阶有源滤波，其输出接ADC输入驱动电路的输入，ADC输入驱动电路的输出接到ADC的模拟量输入脚，ADC的转换结果输出接口经过数字隔离后连接到电压采集控制器。
3.如权利要求1所述的一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统，其特征是：所述单体温度采集通道包括热电阻、基准电阻R1和带电流源的ADC，热电阻采用四线制接法，正极两根线一根接到ADC的电流源的输出端，另一根接到ADC的模拟量输入的正极；负极两根线一根接到ADC的模拟量输入的负极，另一根接到基准电阻R1的一端，电阻R的另一端接到ADC的电流源的输入端，ADC的外部基准电压由电阻R1提供。
4.如权利要求1所述的一种动力电池高精度数据同步采集与实时处理系统，其特征是：所述数据汇总模块可同时控制m个单体电压采集模块和n个单体温度采集模块，m+n＝7，0≤m≤7，0≤n≤7，m和n都是整数，且m、n的个数可以自由调整组合。
5.基于如权利要求1-4中任一所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)数据汇总控制器等待上位机指令，如果接收到上位机开始采样的指令，则启动数据采集系统，开始采集和上传数据；
(2)数据汇总控制器向所有电压采集控制器和温度采集控制器同时发送采样开始信号，电压采集控制器接收到开始信号后同时启动所有单体电压采集通道，温度采集控制器接收到开始信号后同时启动所有单体温度采集通道，实现所有单体电压和温度的同步采集；
(3)电压采集控制器向所有单体电压采集通道的ADC提供同步的时钟，ADC进行电压采样和转换，转换结果由电压采集控制器读取，单体温度采集模块执行相同的操作，得到单体温度采集结果；
(4)各个单体电压采集模块和单体温度采集模块得到的采集数据在控制器中经过数字滤波后通过SPI通信的方式发送给数据汇总模块；
(5)数据汇总控制器接收到各个采集模块的采样结果数据后，将所有采样结果数据暂存到外部存储器中，并上传到上位机保存；
(6)数据汇总控制器接收到上位机发来的停止采样指令后，向各个采集模块同时发送停止采样信号，各个采集模块同时停止采样。
6.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(1)、步骤(5)和步骤(6)中数据汇总控制器接收上位机指令和向上位机上传数据通过以太网网口实现，采用TCP协议；使用同步的时钟信号，以保证系统所有采样的同步性。
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