CN108037446B - 一种锂电池参数采集管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锂电池参数检测管理系统，其特征在于，包括：电源模块，用以将外接电源的电力转换后，供给至系统中的其它模块；处理器模块，对采集到的数据进行处理和计算，并用于发送输出指令；电压检测模块，用于采集锂电池的电压值并将所采集到的电压值上传至处理器模块；电流检测模块，用于采集电流值，并将所采集的电流值上传至处理器模块；温度检测模块，用于采集温度传感器的信号；以及通信模块，通信模块为系统的输出单元，用于输出系统的数据，以实现多个的组合并且供用户读取系统测量或处理得到的锂电池参数。

Description

一种锂电池参数采集管理系统

技术领域

本发明涉及电力电子领域。更具体地，涉及一种锂离子电池参数采集管理系统。

背景技术

随着能源危机和环境问题的日益严重，锂离子电池因其能量密度高、寿命长和环保等优点成为研究热点，在消费电子产品的应用已经非常广泛，并作为汽车的能量源成为电动汽车领域的新宠。

但目前由于没有研发出大容量单体电池，因此，在诸如电动车领域等需要大容量的应用领域，仍需要大量电池组的串联，因此，批量电池的电池容量等参数的实时监测和电量管理是难点。而同类型的锂离子电池采集管理系统没有通信功能，只能独立使用，不利于组合和扩展，灵活性差，不利于大批量管理应用。

因此，需要提供一种兼容性好、能够提供通信功能并具有数据采集处理功能的锂离子电池参数采集管理系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼容性好、能够提供通信功能并具有数据采集处理功能的锂离子电池参数采集管理系统。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种锂电池参数检测管理系统，其特征在于，包括：电源模块，用以将外接电源的电力转换后，供给至系统中的其它模块；

处理器模块，对采集到的数据进行处理和计算，并用于发送输出指令；

电压检测模块，用于采集锂电池的电压值并将所采集到的电压值上传至处理器模块；

电流检测模块，用于采集电流值，并将所采集的电流值上传至处理器模块；

温度检测模块，用于采集温度传感器的信号；以及

通信模块，通信模块为系统的输出单元，用于输出系统的数据，以实现多个系统的组合并且供用户读取系统测量或处理得到的锂电池参数。

优选地，电源模块包括：隔离模块、电源转换模块和基准电压模块，其中隔离电源用于隔离外部信号干扰，电源转换模块用于将外接电源的电力转换成能够直接供应至系统的其它模块的幅值，基准电压为处理器模块提供参考电压。

优选地，处理器模块为八位处理器芯片。

优选地，电压检测模块包括电压采集模块，电压采集模块包括四路采集通路和一个锂离子电池的输入连接端口，

其中，每一个采集通路均连接到锂离子电池的输入连接端口，输入连接端口的第一端至第四端与串联连接的锂离子电池中每个锂离子电池的正极引出端连接，且输入连接端口的第五端为最低电位端并接地，

对于第一采集通路，第一保险管的一端与输入连接端口中的第一端连接，第一保险管的另一端与第一P型MOS管的源极以及第一电阻的一端连接，第一P型MOS管的栅极与第二电阻的一端连接，第一电阻的另一端与第二电阻的另一端连接，并与第一N型晶体管的集电极连接，第一N型晶体管的基极与第三电阻的一端以及第一电容的一端连接，第一N型晶体管的发射极与第一电容的另一端均接地，第三电阻的另一端与使能控制端连接，此外，第一P型MOS管的漏极为第一采集通路的输出端；

对于第二采集通路，第二保险管的一端与输入连接端口中的第二端连接，第二保险管的另一端与第二P型MOS管的源极以及第四电阻的一端连接，第二P型MOS管的栅极与第五电阻的一端连接，第四电阻的另一端与第五电阻的另一端连接，并与第二N型晶体管的集电极连接，第二N型晶体管的基极与第六电阻的一端以及第二电容的一端连接，第二N型晶体管的发射极与第二电容的另一端均接地，第六电阻的另一端与使能控制端连接，此外，第二P型MOS管的漏极为第二采集通路的输出端；

对于第三采集通路，第三保险管的一端与输入连接端口中的第三端连接，第三保险管的另一端与第三P型MOS管的源极以及第七电阻的一端连接，第三P型MOS管的栅极与第八电阻的一端连接，第七电阻的另一端与第八电阻的另一端连接，并与第三N型晶体管的集电极连接，第三N型晶体管的基极与第九电阻的一端以及第三电容的一端连接，第三N型晶体管的发射极与第三电容的另一端均接地，第九电阻的另一端与使能控制端连接，此外，第三P型MOS管的漏极为第三采集通路的输出端；

对于第四采集通路，第四保险管的一端与输入连接端口中的第四端连接，第四保险管的另一端与第四P型MOS管的源极以及第十电阻的一端连接，第四P型MOS管的栅极与第十一电阻的一端连接，第十电阻的另一端与第十一电阻的另一端连接，并与第四N型晶体管的集电极连接，第四N型晶体管的基极与第十二电阻的一端以及第四电容的一端连接，第四N型晶体管的发射极与第四电容的另一端均接地，第十二电阻的另一端与使能控制端连接，此外，第四P型MOS管的漏极为第四采集通路的输出端；以及

其中，第一保险管的另一端与第一P型MOS管的源极为第一节点，第二保险管的另一端与第二P型MOS管的源极为第二节点，第三保险管的另一端与第三P型MOS管的源极为第三节点，第四保险管的另一端与第四P型MOS管的源极为第四节点，第一二极管的阴极与第一节点连接，第一二极管的阳极与第二节点连接，第二二极管的阴极与第二节点连接，第二二极管的阳极与第三节点连接，第三二极管的阴极与第三节点连接，第三二极管的阳极与第四节点连接，第四二极管的阴极与第四节点连接，第四二极管的阳极与输入连接端口的第五端连接。

优选地，电压检测模块还包括电压采集差分转换模块，以将电压检测模块检测的锂离子电池电压进行降压处理，并输入到处理器模块中。

优选地，电流检测模块为两路。

优选地，通信模块包括CAN通信模块和485通信模块，以满足对两种通信标准的需求。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案兼容性好、能够提供通信功能并具有数据采集处理功能的锂离子电池参数采集管理系统。本公开的技术方案对大量电池组的测量与监测，有良好的灵活性和扩展能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1为本公开的锂离子电池参数采集管理系统的框图；

图2为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统的处理器模块的原理图；

图3A至3C为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统的电源模块的原理图；

图4A为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统中电压检测模块的电压采集模块的原理图；

图4B为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统中电压检测模块的电压采集差分转换模块的原理图；

图5为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统的电流采集模块的原理图；

图6为中为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统的温度检测模块的原理图；以及

图7A和7B为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统的通信模块的原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，图1为本公开的锂离子电池参数采集管理系统10的框图。锂离子电池参数采集管理系统10包括：处理器模块100，电源模块101，电压检测模块103，电流检测模块105，温度检测模块107以及通信模块109。

其中，电源模块101用以将外接电源的电力转换后，供给至系统10中的其它模块；处理器模块100对采集到的数据进行处理和计算，并用于发送输出指令；电压检测模块103，用于采集锂电池的电压值并将所采集到的电压值上传至处理器模块；电流检测模块105，用于采集电流值，并将所采集的电流值上传至处理器模块；温度检测模块107，用于采集温度传感器的信号；通信模块109，通信模块为系统的输出单元，用于输出系统的数据，以实现多个的组合并且供用户读取系统测量或处理得到的锂电池参数。

下面结合图2至图7中所示的一个实施例，具体描述本公开的实施方式。如图所示，图2至图7中所示实施例中，一次测试4块锂离子电池组，包括4路电压检测模块103，2路电流检测模块105和4路温度检测模块107。当需要扩展大数量的电池组参数采集处理时，可以相应地将多个锂离子电池参数采集管理系统10组合。本领域技术人员应理解，当需要管理的锂离子电池组数量巨大时，可以根据实际情况，将每个系统中的电压检测模块103、电流检测模块105和温度检测模块107增加数量，从而在后续系统组合中，减小体积。

因而，本公开的锂离子电池参数采集管理系统10并不限于图2至图7的形式。

下面结合图2至图7详细描述本公开。

图2为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统10的处理器模块100的原理图。

如图所示，在本实施例中，示例性地示出了本公开的系统中处理器模块100的组成原理和连接方式。在图中，处理器模块100包括中央处理器芯片及外围电路，

在本示例中，采用C8051F410八位中央处理器芯片，应理解，本公开并不限于这样的形式。C10、C13、C14、C11组成DC5V滤波电路，对DC5V实现高频与低频滤波。JATG10为编程口，通过该口可以实现对中央处理器芯片的软件下载功能，以根据需要，对通过各个模块采集的锂离子电池参数进行处理以用于后续电池管理工作。

根据本实施例采用的C8051F410八位处理器芯片，在其各个管脚中，P1.2/VEF接2.5V基准电压，P1.3、P1.4接电流采样处理后的数据信号，P1.6为中央处理器芯片使能端，P1.7为芯片复位端。P0.0为时钟，P0.1、P0.2为CAN总线数据口，P0.3为片选端，P0.4、P0.5为485接口，P0.6为CAN接收中断端，P0.7、P2.0、P2.1、P2.2为电压采样信号接收端，P2.3、P2.4、P2.5、P2.6为温度采样信号接收端。应理解，这仅是实施例性的，根据接口和功能等需要，其它种类能够具有ADC和CAN总线数据口的中央处理器芯片也是可以的，如其它类型的单片机芯片、DSP芯片、复杂可编程逻辑电路(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)等；以及为了扩展和集成需要，更多管脚数的中央处理器芯片也是可以的，如64脚、128脚以256脚等。

图3A至3C为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统10的电源模块101的原理图。其中，图3A示出了隔离模块101-1、图3B示出了电源转换模块101-2，以及图3C示出了基准电压模块101-3。

在本实施例中，外接电源输入为直流电源，但为了减少干扰，在系统的输入端增加隔离模块，在本实施例中，系统的输入电压为24V直流电压，如图3A所示，隔离模块101-1为DC24V隔离模块，实现DC24V转DC24V电源隔离功能，电路板电源输入DC24V有POWER CON6口的5、6端口输入，D6为DC24V输入电源反接保护，D4为DC24V输入电源过压保护，C25为DC24V输入电源滤波电容。B2424XT-2WR2为DC24V转DC24V隔离芯片。C17为隔离24V电源输出低频滤波，C18为隔离24V电源输出高频频滤波，R42与PWR LED组成隔离24V电源输出指示灯。应理解，本公开并不限于此。

在本实施例中，电源转换模块101-2将DC24V转换成5V的DC电压，以为处理器及其它模块提供电力，如图3B所示。

根据本公开，锂电池参数采集过程中，需要电压基准模块，因此，在电源模块中还需要提供电压基准模块101-3，如图3C所示，在测量过程中提供精准的2.5V基准电压。

图4A为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统10中电压检测模块103的电压采集模块的原理图；图4B为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统10中电压检测模块103的电压采集差分转换模块的原理图。

电压检测模块103包括电压采集模块103-1和电压采集差分转换模块103-2，分别如图4A和图4B所示。

具体地，对于电压采集模块103-1，电压采集模块103-1包括锂离子电池组的输入连接端口和四路采集通路，如图4A所示，BAT接口为输入连接端口，连接需要检测和管理的电池组，因为在本实施例中为四个锂离子电池的电池组，因此BAT接口为至少5个连接端，在本实施例中，为5个连接端，应理解，BAT接口的插脚1至4即为上述1至4连接端，自高电平到低电平的顺序，依次连接锂离子电池组的中电池的正极引出端，插脚5为第五端，插脚5接地。

在图4A所示的电压采集模块103-1中，F1～F4为250mA自恢复保险管，在每一路采集通路中的最前端，并与锂离子电池组的每个输入连接端口中的1至4连接端连接，对测量电路起到限流保护作用，Q1～Q4为P沟道MOS管(即，权利要求中的第一P型MOS管至第四P型MOS管)，Q1的源极与F1的另一端并与R2的一端连接，Q2的栅极与R6的一端连接，R6的另一端与R2的另一端连接，Q1、R2与R6组成的电路实现了在系统不工作的时候降低电池电压采样通道VOLT4(即，权利要求书中的第一通道)自损耗功率的功能，Q2的源极与F2的另一端并与R3的一端连接，Q2的栅极与R7的一端连接，R7的另一端与R3的另一端连接，Q2、R3与R7组成的电路实现了在系统不工作的时候降低电池电压采样通道VOLT3(即，权利要求书中的第二通道)自损耗功率的功能，Q3的源极与F3的另一端并与R4的一端连接，Q3的栅极与R12的一端连接，R12的另一端与R4的另一端连接，Q3、R4与R12组成的电路实现了在系统不工作的时候降低电池电压采样通道VOLT2(即，权利要求书中的第三通道)自损耗功率的功能，Q4的源极与F4的另一端并与R5的一端连接，Q4的栅极与R13的一端连接，R13的另一端与R5的另一端连接，Q4、R5与R13组成的电路实现了在系统不工作的时候降低电池电压采样通道VOLT1(即，权利要求书中的第一通道)自损耗功率的功能。

Q5～Q8为晶体管，Q5、R8与C3组成了电压采样通道VOLT4的通断控制电路，Q6、R9与C4组成了电压采样通道VOLT3的通断控制电路，Q7、R14与C20组成了电压采样通道VOLT2的通断控制电路，Q8、R15与C21组成了电压采样通道VOLT1的通断控制电路，这四路电压采样通路都由电路板的处理器模块100的EN使能端实现通道导通与断开控制。

F1与Q1之间为第一节点，F2与Q2之间为第二节点，F3与Q3之间为第三节点，F4与Q4之间为第四节点，D1的阴极连接第一节点且D1的阳极连接第二节点，D2的阴极连接第二节点且D2的阳极连接第三节点，D3的阴极连接第三节点且D3的阳极连接第四节点，D4阴极连接第四节点且D4的阳极接地，D1至D4为TVS保护管，限压6.2V。

对于电压采集差分转换模块，如图4B所示，应理解，电压采集差分转换模块的输入端为电压采集模块103-1的输出端，VOLT4、VOLT3、VOLT2和VOLT1。该电路用于对电池采样电压进行降压处理，将电池采样电压降低至实际值的一半，从而直接输入系统的处理器模块中的中央处理器芯片。应理解，因为是串联的锂离子电池组，因此电压采集差分转换模块每两个输入端之间的差值为通过电压采集模块103-1所检测到的锂离子电池组中电池单体的电压值，即：电池组中的第四块电池的电压值为VOLT4与VOLT3之差、第三块电池的电压值为VOLT3与VOLT2之差、第二块电池的电压值为VOLT2与VOLT1之差、以及第一块电池的电压值为VOLT1与GND之差。将检测的每块电压的电压值作为电压采样差分转换电路的输入，得到的输出与处理器模块100中中央处理器芯片的模数转换引脚连接。

图5为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统10的电流采集模块105的原理图。

电流检测模块105实现2路电流检测功能，DHAB CON4为电流检测接口，外界霍尔电流传感器，信号类型为电压型，2路电流检测电路功能完全独立。C36、R18、R22与C31组成电流检测1通道的滤波电路，R24、R59与C33组成电流测量信号的分压滤波电路，AD-CHN1信号为最终处理完成的1通道电流检测信号，进电路板中央处理器芯片的P1.4。C37、R19、R23与C32组成电流检测2通道的滤波电路，R58、R60与C34组成电流测量信号的分压滤波电路，AD-CHN2信号为最终处理完成的2通道电流检测信号，进电路板中央处理器芯片的P1.5。

图6为中为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统10的温度检测模块107的原理图。

如图所示，在本实施例中，温度检测模块107实现4路温度传感器数据采集，C9、C10、C11、C12为滤波电容，R43、R44、R45、R46为上拉电阻，2.5V测量基准电压分别接R43、R44、R45、R46的一端，R43、R44、R45、R46的另一端接电路板中央处理器芯片的P2.3、P2.4、P2.5和P2.6，实现温度传感器的信号采集。

图7A和7B为根据本公开的一个实施例的锂离子电池参数采集管理系统10的通信模块109的原理图。通信模块109包括CAN通信模块和485通信模块。

如图7A所示为CAN通信模块的原理图，实现电路板中央处理器芯片的CAN通信功能。C1、C2与R1组成CAN通讯上电复位电路，MCP515-18为CAN通信芯片，R20、R21、RX LED与TXLED组成CAN通讯运行指示灯，Y1、C6和C7组成CAN通信芯片的晶振电路，CTM8251为CAN总线驱动芯片，J1 CON2接口为CAN通讯输出接插头。

如图7B所示为485通信模块，实现中央处理器芯片的485通信功能。R54、R55与Q9组成485收发转换电路，ADM2483为485通信芯片，D8、D9为双向TVS管，保护电压6.8V，R56、R57为限流电阻，P1、P2与P3为放电管，RT1与RT2为自恢复保险管，D8、D9、R56、R57、P1、P2、P3、RT1与RT2组成485通信输出口保护电路。R47、R48、RXD LED与TXD LED组成485通信工作状态显示电路，以直观地指示485通信模块是否正常工作。

通过具有CAN通信模块和485通信模块的通信模块109，改善了目前锂电池参数采集管理电路中不能与外部电路通信的缺陷，方便功能的扩展，且使得本公开的系统可以满足不同通信协议通信需求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种锂电池参数检测管理系统，其特征在于，包括：

电源模块，用以将外接电源的电力转换后，供给至所述系统中的其它模块；

处理器模块，对采集到的数据进行处理和计算，并发送输出指令；

电压检测模块，用于采集所述锂电池的电压值并将所采集到的电压值上传至所述处理器模块；

电流检测模块，用于采集电流值，并将所采集的电流值上传至所述处理器模块；

温度检测模块，用于采集温度传感器的信号；以及

通信模块，所述通信模块为所述系统的输出单元，用于输出所述系统的数据，以实现多个所述系统的组合并且供用户读取所述系统测量或处理得到的所述锂电池参数，

其中，所述电压检测模块包括电压采集模块，所述电压采集模块包括四路采集通路和一个锂离子电池的输入连接端口，

其中，每一个采集通路均连接到所述锂离子电池的输入连接端口，所述输入连接端口的第一端至第四端与串联连接的所述锂离子电池中每个所述锂离子电池的正极引出端连接，且所述输入连接端口的第五端为最低电位端并接地，

对于第一采集通路，第一保险管的一端与所述输入连接端口中的第一端连接，所述第一保险管的另一端与第一P型MOS管的源极以及第一电阻的一端连接，所述第一P型MOS管的栅极与第二电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的另一端连接，并与第一N型晶体管的集电极连接，所述第一N型晶体管的基极与第三电阻的一端以及第一电容的一端连接，所述第一N型晶体管的发射极与所述第一电容的另一端均接地，所述第三电阻的另一端与使能控制端连接，此外，所述第一P型MOS管的漏极为所述第一采集通路的输出端；

对于第二采集通路，第二保险管的一端与所述输入连接端口中的第二端连接，所述第二保险管的另一端与第二P型MOS管的源极以及第四电阻的一端连接，所述第二P型MOS管的栅极与第五电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与所述第五电阻的另一端连接，并与第二N型晶体管的集电极连接，所述第二N型晶体管的基极与第六电阻的一端以及第二电容的一端连接，所述第二N型晶体管的发射极与所述第二电容的另一端均接地，所述第六电阻的另一端与所述使能控制端连接，此外，所述第二P型MOS管的漏极为所述第二采集通路的输出端；

对于第三采集通路，第三保险管的一端与所述输入连接端口中的第三端连接，所述第三保险管的另一端与第三P型MOS管的源极以及第七电阻的一端连接，所述第三P型MOS管的栅极与第八电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端与所述第八电阻的另一端连接，并与第三N型晶体管的集电极连接，所述第三N型晶体管的基极与第九电阻的一端以及第三电容的一端连接，所述第三N型晶体管的发射极与所述第三电容的另一端均接地，所述第九电阻的另一端与所述使能控制端连接，此外，所述第三P型MOS管的漏极为所述第三采集通路的输出端；

对于第四采集通路，第四保险管的一端与所述输入连接端口中的第四端连接，所述第四保险管的另一端与第四P型MOS管的源极以及第十电阻的一端连接，所述第四P型MOS管的栅极与第十一电阻的一端连接，所述第十电阻的另一端与所述第十一电阻的另一端连接，并与第四N型晶体管的集电极连接，所述第四N型晶体管的基极与第十二电阻的一端以及第四电容的一端连接，所述第四N型晶体管的发射极与所述第四电容的另一端均接地，所述第十二电阻的另一端与所述使能控制端连接，此外，所述第四P型MOS管的漏极为所述第四采集通路的输出端；以及

其中，所述第一保险管的另一端与所述第一P型MOS管的源极为第一节点，所述第二保险管的另一端与所述第二P型MOS管的源极为第二节点，所述第三保险管的另一端与所述第三P型MOS管的源极为第三节点，所述第四保险管的另一端与所述第四P型MOS管的源极为第四节点，第一二极管的阴极与所述第一节点连接，所述第一二极管的阳极与所述第二节点连接，第二二极管的阴极与所述第二节点连接，所述第二二极管的阳极与所述第三节点连接，第三二极管的阴极与所述第三节点连接，所述第三二极管的阳极与所述第四节点连接，第四二极管的阴极与所述第四节点连接，所述第四二极管的阳极与所述输入连接端口的第五端连接。

2.如权利要求1所述的锂电池参数检测管理系统，其特征在于，所述电源模块包括：隔离模块、电源转换模块和基准电压模块，其中隔离电源用于隔离外部信号干扰，电源转换模块用于将所述外接电源的电力转换成能够直接供应至所述系统的其它模块的幅值，所述基准电压为所述处理器模块提供参考电压。

3.如权利要求1所述的锂电池参数检测管理系统，其特征在于，所述处理器模块为八位处理器芯片。

4.如权利要求1所述的锂电池参数检测管理系统，其特征在于，所述电压检测模块还包括电压采集差分转换模块，以将所述电压检测模块检测的所述锂离子电池电压进行降压处理，并输入到所述处理器模块中。

5.如权利要求1所述的锂电池参数检测管理系统，其特征在于，所述通信模块包括CAN通信模块和485通信模块，以满足对两种通信标准的需求。

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