CN107640057A - 一种电动汽车的动力电池监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车的动力电池监测装置，包括电池检测单元、A/D转换单元、MCU控制单元、充放电控制单元、LCD显示单元、声光报警单元和无线通信单元；电池检测单元包括电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块。本发明可以实时监视电池的状况，当电动汽车充电时，装置将充电数据通过无线通信单元发送给充电中心，并自动进行充放电管理，方便充电中心实时了解充电的状态，而且充电中心不用将其他线路接入汽车内部，减少了搭建线路的麻烦，提高了工作效率，当汽车在正常使用电池时，装置会实时监测电池的用电情况，在剩余电量不足或输出电流过大等情况时及时通知驾驶人员，并将警报通过无线通信单元发送给充电中心。

Description

一种电动汽车的动力电池监测装置
技术领域
本发明涉及电动汽车电池管理技术领域，特别涉及一种电动汽车的动力电池监测装置。
背景技术
新能源汽车是指使用非常规车用燃料(或使用常规车用燃料但装载新型动力装置)，具有新技术、新结构和先进技术原理的汽车。其中纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)发展前景最为良好，也是目前国家大力推广的主要新能源车型。
随着新能源汽车的不断发展，大型工厂开始逐步使用动力电池驱动车辆。电动汽车目前常用的电池有铅酸电池、锂电池、镍氢电池等。电池是一个集成高能量的物体，它的使用以及安全管理就显得尤为重要。目前的电动汽车中缺少能够实时、直观、在线地反映电池状况的设备。由于电池保养不及时、保养不善、放电过度而造成的早期损坏，给企业和用户都带来一定的损失。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种电动汽车的动力电池监测装置，能够实时监测电池的使用情况，将电池的实时数据及时反馈给用户。
(二)技术方案
一种电动汽车的动力电池监测装置，包括电池检测单元、A/D转换单元、MCU控制单元、充放电控制单元、LCD显示单元、声光报警单元和无线通信单元；
所述电池检测单元包括电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块，所述电流检测模块和所述电压检测模块与所述A/D转换模块相连，分别检测电池的充放电电压和充放电电流，所述温度检测模块连接所述MCU控制单元，检测电池的温度；
所述A/D转换单元输出连接所述MCU控制单元，将采集的电压和电流模拟信号转换为数字信号；
所述充放电控制单元与MCU控制单元相互连接，对电池的充放电进行管理；
所述LCD显示单元连接所述MCU控制单元，显示电池电压、温度和电量等参数；
所述声光报警单元连接所述MCU控制单元，当电池剩余电量不足或输出电流过大等情况时以声光的方式及时提醒驾驶人员；
所述MCU控制单元通过所述无线通信单元与充电中心进行通信连接，将采集的电池数据通过无线电发送给所述充电中心。
进一步的，所述电流检测模块包括电流传感器和第一电阻，其中所述电流传感器为霍尔电流传感器，所述第一电阻为精密采样电阻。
进一步的，所述电压检测模块包括电压传感器、第二和第三电阻，其中所述电压传感器为霍尔电压传感器。
进一步的，所述温度检测模块包括温度传感器和第四电阻，其中所述温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
进一步的，所述A/D转换单元选用AD7656模数转换芯片。
进一步的，所述MCU控制单元选用单片机CC430F5137。
进一步的，所述无线通信单元包括无线电收发器、石英晶振、天线、第一～第九电感、第一～第十六电容和第五电阻，其中所述无线电收发器为CC430F5137内部集成的CC1101无线电收发器。
(三)有益效果
本发明提供了一种电动汽车的动力电池监测装置，可以实时监视电池的状况，当电动汽车充电时，装置将充电数据通过无线通信单元发送给充电中心，并自动进行充放电管理，方便充电中心实时了解充电的状态，而且充电中心不用将其他线路接入汽车内部，减少了搭建线路的麻烦，提高了工作效率，当汽车在正常使用电池时，装置会实时监测电池的用电情况，在剩余电量不足或输出电流过大等情况时及时通知驾驶人员，并将警报通过无线通信单元发送给充电中心，其结构简单，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，可靠性和稳定性好，使用灵活，可扩展性好，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种电动汽车的动力电池监测装置的系统结构框图。
图2为本发明所涉及的一种电动汽车的动力电池监测装置的电流检测模块电路原理图。
图3为本发明所涉及的一种电动汽车的动力电池监测装置的电压检测模块电路原理图。
图4为本发明所涉及的一种电动汽车的动力电池监测装置的温度检测模块电路原理图。
图5为本发明所涉及的一种电动汽车的动力电池监测装置的A/D转换单元电路连接图。
图6为本发明所涉及的一种电动汽车的动力电池监测装置的无线通信单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种电动汽车的动力电池监测装置，包括电池检测单元、A/D转换单元、MCU控制单元、充放电控制单元、LCD显示单元、声光报警单元和无线通信单元；电池检测单元包括电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块，电流检测模块和电压检测模块与A/D转换模块相连，分别检测电池的充放电电压和充放电电流，温度检测模块连接MCU控制单元，检测电池的温度；A/D转换单元输出连接MCU控制单元，将采集的电压和电流模拟信号转换为数字信号；充放电控制单元与MCU控制单元相互连接，对电池的充放电进行管理；LCD显示单元连接MCU控制单元，显示电池电压、温度和电量等参数；声光报警单元连接MCU控制单元，当电池剩余电量不足或输出电流过大等情况时以声光的方式及时提醒驾驶人员；MCU控制单元通过无线通信单元与充电中心进行通信连接，将采集的电池数据通过无线电发送给充电中心。
如图2所示，电流检测模块包括电流传感器U1和电阻R1，其中电流传感器U1为霍尔电流传感器，电阻R1为精密采样电阻。霍尔电流传感器U1的测量范围是0～100A，电流信号按1：1000的比例缩小后在精密采样电阻R1上变成电压信号。将流经待测电流的导线穿入霍尔电流传感器U1的缺口处，此时M端输出的电流是与待测电流同比例缩小的信号。该电流信号流经采样电阻R1后，在两端形成一个电压降。由于采用电阻R1的一端接地，所以另一端即为转化的电压信号。霍尔电流传感器U1输出的电流范围为0～100mA，所以采样电阻R1的大小决定输出的电压范围。根据A/D转换器U4对输入电压的要求以及霍尔电流传感器U1的转换比例，选择采样电阻R1的阻值为100Ω，得到输出的电压信号在0～10V以内，满足A/D转换器U4的输入电压要求。
如图3所示，电压检测模块包括电压传感器U2、电阻R2和R3，其中电压传感器U2为霍尔电压传感器。霍尔电压传感器U2的测量范围是0～200V，额定输入电流为0～10mA，所以在将电池的电压接入霍尔电压传感器U2前，需要先串入一个限流电阻R2，根据输入电压的范围，电阻R2的阻值选为20kΩ，精度必须要求足够高，因为电阻R2的精度将直接影响输入电压的精度，进而影响整个电压测量的精度。霍尔电压传感器U2的输出端M输出一个电流信号，其范围是0～25mA，但是A/D转换器U4的输入信号要求为一个电压信号，所以需要将霍尔电压传感器U2输出的电流信号转换为电压信号，在输出端M与地之间串联一个电阻R3，这样输出端M输出的电流作用在电阻R3得到电压信号，依照A/D转换器U4对输入电压信号的范围要求，电阻R3的阻值选为400Ω。
电池在充放电过程中，内部的部分能量会以热能的形式进行释放，如果单个电池温度过高，则会影响电池的寿命，甚至导致电池爆炸。电池在不同的温度下会表现出不同的物理特性，测量出电池的温度，并根据其内部固有的性能指标去使用和维护电池，这对于延长电池使用寿命以及让电池达到最佳使用效果是一个非常重要的环节。如图4所示，温度检测模块包括温度传感器U3和电阻R4，其中温度传感器U4为DS18B20数字温度传感器。考虑到装置低功耗要求和成本限制，选用DS18B20数字温度传感器进行温度测量。DS18B20是一款高速度、高精度的温度传感器，在安装时需要尽可能贴近电池。DS18B20的供电电压为3.3V，测量范围为-55～+125℃，测量精度为0.5℃。单片机U5的P1.5口与DS18B20的DQ口相连，用来控制DS18B20。
装置选用AD7656模数转换芯片来采集电流和电压的模拟信号。AD7656是高集成度、6通道同时采样的16位逐次逼近型的ADC，其吞吐率高达250ksps，可以6通道同时采样，支持并行、串行和菊花链的接口模式，可以与处理器的SPI、QSPI等高速串口实现无缝连接，宽带宽输入，输入频率50kHz时的信噪比为86.5dB，在供电电压为5V、采样速率为250ksps时，功耗为140mW。
MCU控制单元选用单片机CC430F5137，CC430F5137是MSP430系列的MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，为16位超低功耗MCU，具有16KB闪存、CC1101无线电收发器和2KBRAM，供电电压范围是1.8～3.6V，正常工作模式消耗电流为160uA/MHz。
如图5所示，AD7656有两个电源输入端，分别为模拟电压输入端AVCC和数字电压输入端DVCC。在AD7656同时转换6通道数据时，需要一个标准的输入电源，以便达到高精度的要求，所以AVCC的去耦就显得非常重要，可在其供电电源的输出端加一磁珠，以便提供较好的电源。电源正电压VDD为+12V，逻辑电源VDRIVE、数字电源DVCC和模拟电源AVCC的供电电压均为+5V，电源负电压VSS的供电电压为-12V。RANGE口接地，即选择输入范围±10V。W/B口接地表示16位并行输出，STBY接VDRIVE，选择正常模式。SER/PAR口接地，选择并行接口。CC430F5137的P0口的16个I/O端口作为并行数据口，与AD7656的并行数据口DB0～DB15相连。P1.0口AD7656的BUSY口相连，用来检测转换是否结束。P1.1口与CONVST A/B/C三个口相连，作为AD7656的6路A/D同时采样启动控制口。P1.2口与AD7656的读信号/RD口相连，作为读取数据控制口。P1.3口与AD7656的/CS口相连，作为片选控制口。P1.4口与AD7656的RESET口相连，作为AD7656的重启控制端口。
如图6所示，无线通信单元包括无线电收发器U5、石英晶振X1、天线E1、电感L1～L9、电容C1～C16和电阻R5，其中无线电收发器U5为CC430F5137内部集成的CC1101无线电收发器。CC430F5137是MSP430系列的MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，可实现极低的电流消耗，而且其采用电池供电的无线网络应用，无需维修即可工作长达10年以上。为了提高数据传输的稳定性，无线电的RF频率设为915MHz，信道间隔为100kHz，数据传输率为38.4kbps，发送功率最大可以达到-109dBm，传输距离可以达到200m。距离较远的情况下可以外接大功率天线，增加传输距离，根据传输距离调节发射功率大小，使功耗尽量最低。CC430F5137的供电电压为+3.3V，外接频率为26MHz的石英晶振X1。其中RF_N和RF_P为RF无线电收发器的接收发射引脚，两引脚外接天线E1，用以增加传输距离。
电池的剩余电量与电池的电压、电流、温度等参数有着密切的联系。通过电池固有的特性设置一个相关表，根据电池的电压、电流、温度等参数就可以得到电池的剩余电量值，通过显示屏进行显示。同时将此数据通过无线通信单元发送给充电中心，如果剩余电量不足，触发声光报警装置，告知驾驶人员电量不足，并将警报发送给充电中心，告知需要充电。如果电池的输出电流过大，超过电池的固有指标，装置也会发出警报，告知电池有特殊情况，方便及时检查更换电池。在电池充电的不同阶段，电池输入的电压和电流需要不断变化，所以在充电过程中，装置会实时地检测电池的输入电压、电流和温度等参数，然后计算出电池的电量，并将电量信息通过无线通信单元发送给充电中心。充电中心依照电池的实时参数不断地控制充电电压和充电电流，来更好地进行充电。同时判断是否充满，如果充满电，则会通知驾驶人员电池已充满。
本发明提供了一种电动汽车的动力电池监测装置，可以实时监视电池的状况，当电动汽车充电时，装置将充电数据通过无线通信单元发送给充电中心，并自动进行充放电管理，方便充电中心实时了解充电的状态，而且充电中心不用将其他线路接入汽车内部，减少了搭建线路的麻烦，提高了工作效率，当汽车在正常使用电池时，装置会实时监测电池的用电情况，在剩余电量不足或输出电流过大等情况时及时通知驾驶人员，并将警报通过无线通信单元发送给充电中心，其结构简单，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，可靠性和稳定性好，使用灵活，可扩展性好，具有较好的应用前景。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种电动汽车的动力电池监测装置，其特征在于：包括电池检测单元、A/D转换单元、MCU控制单元、充放电控制单元、LCD显示单元、声光报警单元和无线通信单元；
所述电池检测单元包括电流检测模块、电压检测模块和温度检测模块，所述电流检测模块和所述电压检测模块与所述A/D转换模块相连，分别检测电池的充放电电压和充放电电流，所述温度检测模块连接所述MCU控制单元，检测电池的温度；
所述A/D转换单元输出连接所述MCU控制单元，将采集的电压和电流模拟信号转换为数字信号；
所述充放电控制单元与MCU控制单元相互连接，对电池的充放电进行管理；
所述LCD显示单元连接所述MCU控制单元，显示电池电压、温度和电量等参数；
所述声光报警单元连接所述MCU控制单元，当电池剩余电量不足或输出电流过大等情况时以声光的方式及时提醒驾驶人员；
所述MCU控制单元通过所述无线通信单元与充电中心进行通信连接，将采集的电池数据通过无线电发送给所述充电中心。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车的动力电池监测装置，其特征在于：所述电流检测模块包括电流传感器和第一电阻，其中所述电流传感器为霍尔电流传感器，所述第一电阻为精密采样电阻。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车的动力电池监测装置，其特征在于：所述电压检测模块包括电压传感器、第二和第三电阻，其中所述电压传感器为霍尔电压传感器。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车的动力电池监测装置，其特征在于：所述温度检测模块包括温度传感器和第四电阻，其中所述温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车的动力电池监测装置，其特征在于：所述A/D转换单元选用AD7656模数转换芯片。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车的动力电池监测装置，其特征在于：所述MCU控制单元选用单片机CC430F5137。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车的动力电池监测装置，其特征在于：所述无线通信单元包括无线电收发器、石英晶振、天线、第一～第九电感、第一～第十六电容和第五电阻，其中所述无线电收发器为CC430F5137内部集成的CC1101无线电收发器。
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