CN108872697A - 用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路及其方法，包括电压采集控制器和多个单体电压采集通道，所述每个单体电压采集通道通过依次相连的保护电路、差分放大电路、绝对值电路、滤波电路、ADC驱动电路和ADC电路与隔离器连接至电压采集控制器；电压采集控制器为单体电压采集电路的ADC电路提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果；采用非循环扫描的方式，电压采集控制器给各个采集通道同时发送同步信号，控制多个采集通道的同步采集。

Description

用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路及其方法

技术领域

本发明涉及动力电池高精度数据采集领域，特别涉及一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路及其方法。

背景技术

在能源制约和环境污染的大背景下，电动汽车的发展呈现出势不可挡的趋势。动力电池是电动汽车的能量来源，关系到整车性能的动力性、安全性和经济性，已成为制约电动汽车发展的关键。为了保证车辆的可靠行驶，必须对动力电池的电压进行实时、有效地监管。无论是对于动力电池的监管，还是在动力电池性能的研究过程中，始终不可避免的要对动力电池单体电压进行采集。在动力电池的监管方面，为了避免电池组中电池电压的不均衡性带来的局部电池过充和过放从而引起的安全问题，首先要做的就是对动力电池单体电压进行精准的采集检测，同时，对动力电池的性能研究和测试也是以获取电池单体电压的真实数据为基础的。因此，对动力电池单体电压的采集不可或缺。

测量电池组中电池单体电压时，由于电池单体两端共模电压的存在，不能直接对电池电压进行采集；电池电压采集必须连接上电路，这导致电池即便处于非工作状态时也会产生电流输出，从而加剧了电池自放电，降低了电池的性能。以上两点决定了动力电池单体电压采集的难点和特殊性在于如何消除电池单体两端的共模电压以增加采集精度以及减小采集电路对电池的影响。另外，如何处理多路通道之间的数据采集同步也是一大关键问题。

在多路系统中，为了避免通道间的串扰，测量电路设计必须加入电气隔离，通常分为通道间隔离和组隔离两种，常用的多通道集成芯片，将多个通道集成在一个芯片中，多采用的是组隔离的方法，但是组隔离的方案,仍然不能完全消除未分组的信号通道之间的共模电压差异而引起的串扰问题，因此有必要采用通道间隔离。过去最常用的模拟前端方法有电阻分压法和飞电容法以及运放加MOSFET管等，其中电阻分压法存在阻抗匹配的问题，运放加MOSFET管的方法由于MOSFET管存在导通电阻也必然存在误差，飞电容法受限于采样速率。此外，目前的相关电路多采用循环扫描的采集方式，在一个固定的时间周期内对所有通道依次采样，数据非同步且速度慢。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路及其方法。

本发明的第一目的是提供一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，通过FPGA作为电压采集控制器控制采样通道对电池单体的电压进行采样，具有采集精度高、采集速度快和对电池保护性好、可扩展性好、同步性好等优点，克服了电池电压采集误差大和易加剧电池自放电、数据非同步等问题，具有较好的应用前景。

本发明的第二目的是提供基于上述电路的工作方法，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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，包括电压采集控制器和多个单体电压采集通道，所述每个单体电压采集通道通过依次相连的保护电路、差分放大电路、绝对值电路、滤波电路、ADC驱动电路和ADC电路以及数字隔离电路连接至电压采集控制器；

电压采集控制器为单体电压采集电路的ADC电路提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果；采用非循环扫描的方式，电压采集控制器给各个采集通道同时发送同步信号，控制多个采集通道的同步采集。

进一步的，所述单体电压采集通道的电压信号的传输方式变化为：差分信号-单端信号-差分信号。

进一步的，所述多个单体电压采集通道之间设置有通道隔离，将每个通道进行单独的隔离。以消除共模电压影响和通道间的串扰问题,避免了系统因共模电压及不稳定地电位造成损坏，因此每个通道都需要专用的电源隔离和信号隔离。

进一步的，所述单体电压采集通道的电源隔离采用的DC/DC隔离电源。

信号隔离又分为数字隔离和模拟隔离，其中数字隔离采用的是数字隔离芯片进行数字接口隔离，模拟隔离是采用的具有隔离功能的高共模抑制运算放大器将采集电路和外部输入进行隔离，避免了电池电压和采集电路之间的互相影响。

进一步的，所述单体电压采集通道，通过改变电路中运算放大电路的电阻网络电阻比例大小改变信号输入的量程。常见的动力电池如三元电池和磷酸铁锂电池等的充电截止电压均不超过5V，因此将该电路的量程设置为5V可满足要求。

进一步的，所述保护电路连接在电池和差分放大电路之间，当单体电池电压出现异常时，采集电路迅速动作，保护后方电路；当后方电路出现异常时，采集电路迅速动作，防止单体电池被大电流过放。

进一步的，所述差分放大电路包括高共模抑制比运算放大器，采用差分信号并联端接的方式进行，输入的两端分别通过电阻接地。

进一步的，所述差分放大电路在抑制电池单体的共模信号的同时放大电池单体的差模信号，该差分放大电路为差分输入，单端输出，其输出接入绝对值电路。

进一步的，所述绝对值电路输出连接滤波电路，通过绝对值电路和滤波电路滤去了采样信号中的大部分交流成分。

进一步的，所述ADC驱动电路的功能为将单端信号转为差分信号，并且使信号的共模电压满足ADC的输入要求，其核心为单端信号转差分信号的双通道运算放大器，所述差分信号的共模电压的调制通过调整该电路的电阻网络来实现。

进一步的，所述保护电路，电池的正极和负极分别通过一个保险丝和差分放大电路的正反向输入端连接，一个稳压二极管接在电池的正负极之间，阳极接入差分运放的正极输入端。

一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集方法，采用非循环扫描的方式对多个并联的单体电压采集通道进行采集，给多个采集通道同时发送同步信号，控制多个采集通道的同步采集；

在采集过程中对每个采集通道进行保护，将每个采集通道的差分信号转换为单端信号再转为差分信号，并对其进行放大、过滤和转换。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采集精度高，减小了采样误差，有利于对电池状态进行精确分析；

2、本发明对电池的保护性好，避免了加剧电池自放电的问题；

3、本发明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。

4、本发明采用模块化设计，采集电路可扩展性好。

5、本发明的同步性好，可获得所有电池单体同一时刻的电压。

6、本发明的抗干扰性好，在通道间隔离的基础上同时采用模拟隔离和数字隔离。

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整体结构图；

图2为本发明的一个实施例的保护电路和差分放大电路原理图；

图3为本发明的一个实施例的绝对值电路原理图；

图4为本发明的一个实施例的控制流程图；

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。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

动力电池单体高抗扰电压采集电路包括一片电压采集FPGA作为电压采集控制器和8个单体电压采集通道，可以实现对多节动力电池单体电压的同步采集。

所述动力电池单体高抗扰电压采集电路中，电压信号的传输方式变化为：差分信号-单端信号-差分信号。前端模拟电路的输入和输出的传输方式被设计为差分方式。差分ADC可提供优于单端设计的内部成分匹配和跟踪，调整需求较低，同时可以更好的抑制噪声和失真，因此所述24bit高精度ADC为差分ADC。差分信号相对于单端信号有更好的对外界信号的抗干扰性，因此电池单体电压信号以差分方式输入到电路中。但是，纯差分信号存在阻抗匹配和信号共模电压调制的问题，采用单端信号则可以避免。因此采用了所述的差分信号-单端信号-差分信号的信号传输方式。

所述动力电池单体高抗扰电压采集电路中，为了避免通道间的串扰，采用的是通道间隔离的方式。将每个通道进行单独的隔离,以消除共模电压影响和通道间的串扰问题,避免了系统因共模电压及不稳定地电位造成损坏，因此每个通道都需要专用的电源隔离和信号隔离。电源隔离采用的DC/DC隔离电源。信号隔离又分为数字隔离和模拟隔离，其中数字隔离采用的是数字隔离芯片进行数字接口隔离，模拟隔离是采用的具有隔离功能的高共模抑制运算放大器将采集电路和外部输入进行隔离，避免了电池电压和采集电路之间的互相影响。

所述动力电池单体高抗扰电压采集电路，通过改变电路中运算放大电路的电阻网络电阻比例大小可以改变信号输入的量程。常见的动力电池如三元电池和磷酸铁锂电池等的充电截止电压均不超过5V，因此将该电路的量程设置为5V可满足要求。

所述动力电池单体高抗扰电压采集电路的采集通道包括保护电路，差分放大电路，绝对值电路，滤波电路，ADC驱动电路，24bit高精度ADC，数字隔离电路、电压采集控制器以及多个电源电路。

保护电路连接在电池和差分放大电路之间，当单体电池电压出现异常时，采集电路迅速动作，保护后方电路；当后方电路出现异常时，采集电路迅速动作，防止单体电池被大电流过放。

差分放大电路的核心为高共模抑制比运算放大器。动力电池单体是浮地信号源，采集电压的前提是必须给它一个参考电位；单体电池电压的采用的是差分传输方式，通常有阻抗匹配的需求。基于以上两点，采用差分信号并联端接的方式进行，输入的两端分别通过电阻接地。运算放大器内部集成了满足上述设计需求的精密电阻网络，该运算放大器具有较高的共模输入范围，在抑制电池单体的共模信号的同时放大了电池单体的差模信号。该差分放大电路为差分输入，单端输出，其输出接入绝对值电路。

绝对值电路的实质为全波精密整流电路。电池电压的采样容易出现电压纹波，即叠加在直流稳定量上的工频交流成分。电压纹波产生的原因有很多，可能由电源引入，也可能因为电池的波动产生纹波。电压纹波仅仅靠滤波无法消除，因此本发明的电路中加入了绝对值电路，同时所述绝对值电路的输出又接入滤波电路，这样就能滤去采样信号中的大部分交流成分。滤波电路的输出接入ADC驱动电路。

ADC驱动电路的功能为将单端信号转为差分信号，并且使信号的共模电压满足ADC的输入要求，其核心为单端信号转差分信号的双通道运算放大器。差分信号的共模电压的调制通过调整该电路的电阻网络来实现。

电压采集FPGA作为电压采集控制器为单体电压采集电路的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果。多个通道之间采用非循环扫描的方式，由FPGA给多个采集通道同时发送同步信号，控制多个采集通道的同步采集。

作为一种典型的实施例，如图1所示，所述动力电池单体电压采集电路包括保护电路，差分放大电路，绝对值电路，滤波电路，ADC驱动电路，24bit高精度ADC，数字隔离电路和电压采集控制器-FPGA。

其中每个通道都需要专用的电源隔离和信号隔离。电源隔离采用的DC/DC隔离电源。信号隔离又分为数字隔离和模拟隔离，其中数字隔离采用的是数字隔离芯片进行数字接口隔离，模拟隔离是采用的具有隔离功能的高共模抑制运算放大器将采集电路和外部输入进行隔离，避免了电池电压和采集电路之间的互相影响。

动力电池单体高抗扰电压采集电路中，电压信号的传输方式变化为：差分信号-单端信号-差分信号。前端模拟电路的输入和输出的传输方式被设计为差分方式。差分ADC可提供优于单端设计的内部成分匹配和跟踪，调整需求较低，同时可以更好的抑制噪声和失真，因此所述24bit高精度ADC为差分ADC。差分信号相对于单端信号有更好的对外界信号的抗干扰性，因此电池单体电压信号以差分方式输入到电路中。但是，纯差分信号存在阻抗匹配和信号共模电压调制的问题，采用单端信号则可以避免。因此采用了所述的差分信号-单端信号-差分信号的信号传输方式。

保护电路，电池的正极和负极分别通过一个保险丝和差分放大电路的正反向输入端连接，一个稳压二极管接在电池的正负极之间，阳极接入差分运放的正极输入端。一般的保护电路只是用串联电阻的方法，但是这种方法存在很大问题，首先是当电阻阻值比较小的时候，无法起到保护作用，但是一味地追求大阻值又会引起阻抗不匹配的现象，从而影响电压采集的精度。本发明提出的保护电路中，当电池电压异常升高时，会引起保险丝上电流的升高，保险丝熔断保护电路；当电池电压只是短暂的升高时，保险丝不会被熔断，稳压二极管会防止突然的浪涌电压对电路造成损害。

差分放大电路的运算放大器为高共模抑制比运算放大器，这是一款精密单位增益差分放大器，具有非常高的共模电压输入范围，如图2所示。该运放在VS＝±15V的电源下拥有±200V的共模输入范围，内置并联端接匹配的电阻网络，可以有效的抑制电池两端的共模电压。其他常用的前端拓扑还有全差分运放法和电阻网络分压法等，前者存在阻抗和增益的匹配问题，无法同时满足精度和对电池的保护着两点，后者的精度较低，容易出现干扰，因此，本发明提出的前端拓扑的设计具有较高的优越性。

绝对值电路的实质为全波精密整流电路。电池电压的采样容易出现纹波电压，即叠加在直流稳定量上的工频交流成分。纹波电压产生的原因有很多，可能由电源引入，也可能因为电池的波动产生纹波。纹波电压仅靠滤波无法消除，因此加入了绝对值电路，同时所述绝对值电路的输出又接入滤波电路，这样就能除去采样信号中的大部分交流成分。如图3所示，第一个运算放大器的电路为半波精密整流放大电路，第二个运算放大器的电路为反相求和电路。通过D1，D2的导通和截止，以及反相求和电路，实现了输出总是输入的绝对值这一功能。

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 (10)

1.一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：包括电压采集控制器和多个单体电压采集通道，所述每个单体电压采集通道通过依次相连的保护电路、差分放大电路、绝对值电路、滤波电路、ADC驱动电路和ADC电路以及数字隔离电路连接至电压采集控制器；

电压采集控制器为单体电压采集电路的ADC电路提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果；采用非循环扫描的方式，电压采集控制器给各个采集通道同时发送同步信号，控制多个采集通道的同步采集。

2.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述单体电压采集通道的电压信号的传输方式变化为：差分信号-单端信号-差分信号。

3.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述多个单体电压采集通道之间设置有通道隔离，将每个通道进行单独的隔离。

4.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述单体电压采集通道，通过改变电路中运算放大电路的电阻网络电阻比例大小改变信号输入的量程。

5.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述保护电路连接在电池和差分放大电路之间，当单体电池电压出现异常时，采集电路迅速动作，保护后方电路；当后方电路出现异常时，采集电路迅速动作，防止单体电池被大电流过放。

6.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述差分放大电路包括高共模抑制比运算放大器，采用差分信号并联端接的方式进行，输入的两端分别通过电阻接地；

所述差分放大电路在抑制电池单体的共模信号的同时放大电池单体的差模信号，该差分放大电路为差分输入，单端输出，其输出接入绝对值电路。

7.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述绝对值电路输出连接滤波电路，以滤去采样信号中的大部分交流成分。

8.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述ADC驱动电路的功能为将单端信号转为差分信号，并且调制出满足ADC输入要求的工模，其核心为单端信号转差分信号的双通道运算放大器，所述差分信号的共模电压的调制通过调整该电路的电阻网络来实现。

9.如权利要求1所述的一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集电路，其特征是：所述保护电路，电池的正极和负极分别通过一个保险丝和差分放大电路的正反向输入端连接，一个稳压二极管接在电池的正负极之间，阳极接入差分运放的正极输入端。

10.一种用于动力电池单体的高抗扰电压采集方法，其特征是：采用非循环扫描的方式对多个并联的单体电压采集通道进行采集，给多个采集通道同时发送同步信号，控制多个采集通道的同步采集；

在采集过程中对每个采集通道进行保护，将每个采集通道的单端信号转为差分信号，并对其进行放大、过滤和转换。