CN108931743A - 一种高性能电池组串检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高性能电池组串检测装置及检测方法，包括电池组、开关选择模块、极性转换器、CPU、隔离电源、均衡模块、第一分压电阻、第二分压电阻，电池组中每个电池分别引出两组正负极连线，并分别与开关选择模块和均衡模块相连接，检测线、均衡线与电池单体正负极的极耳单点相连，开关选择模块经极性转换器分压后再经高精度独立模数转换器转换后与CPU连接，隔离电源给系统供电。该装置采用隔离电源供电，可以对任意多个电池单体进行独立检测，不仅降低了成本，而且该装置将检测单元的引线和均衡单元的引线区分开，分别单独引线，检测线、均衡线与电池单体极耳单点相连，降低了检测模块的电磁干扰，提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能电池组串检测装置及检测方法，属于锂电池等相关电池的管理系统，特别是采用高性能模数转换器的电池检测装置。
背景技术
随着锂电池和储能技术的发展，对电池管理系统的要求也越来越高，而在电池管理系统中电池的检测装置具有重要的作用，对电池的使用性能和电池的安全性都有重要的影响。
目前应用最多的是采用集成芯片模拟前端作为电池管理系统的核心，例如中国专利CN 205985247 U公开了一种采用ML5235模拟前端的电池管理系统；CN 206117193 U公开了一种采用控制IC的电池管理系统；CN 205304339 U公开了一种采用BQ7694003模拟前端的电池管理系统。采用现有的集成芯片模拟前端进行电池管理和检测有很多弊端：首先，是集成芯片能够检测和管理的电池单体数量有限，一般为4、6、12个等，这样不利于实际应用。如通讯领域应用需要48V电池，如果采用磷酸铁锂电池需要16个电池串联，而钛酸锂电池则需要22个电池串联。采用集成电池芯片需要多个芯片级联使用，这样会造成资源浪费，而且多个串联数据通讯会非常难以处理。其次，集成芯片通常把检测模块和均衡模块集成在一起，采用一组电池引线连接，因此系统会受到较大干扰，影响检测精度。
中国专利CN 204886310 U公开了一种采用ARM的电池管理系统，CN 204858686 U公开了一种采用FPGA的电池管理系统，CN 105305543 A公开了一种采用计算机控制单元的电池管理系统，虽然解决了管理电池数量的问题，但是对于电池高精度检测方面并没有涉及。
综上所述，要解决电池管理系统中高性能检测问题，以及对电池灵活管理问题是非常重要的。与此同时还要解决检测中均衡电路对检测电路的干扰问题，以及采用最少转换器件，降低检测系统的成本问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种高性能电池组串检测装置及检测方法。该装置采用隔离电源供电，可以对任意多个电池单体进行独立检测，不仅降低了成本，而且该装置将检测单元的引线和均衡单元的引线区分开，分别单独引线，检测线、均衡线与电池单体极耳单点相连，降低了检测模块的电磁干扰，提高了检测精度。
本发明采取的技术方案为：
一种高性能电池组串检测装置，包括电池组，还包括开关选择模块、极性转换器、CPU、隔离电源、均衡模块、第一分压电阻、第二分压电阻；所述电池组中每个电池分别引出两组正负极连线，并分别与开关选择模块和均衡模块相连接，检测线、均衡线与电池单体正负极的极耳单点相连，开关选择模块经极性转换器分压后再经高精度独立模数转换器转换后与CPU连接，隔离电源给系统供电。所述的一种高性能电池组串检测装置，所述电池组引出的检测线分别与开关选择模块连接，开关选择模块的输出与极性转换器连接，并通过第一分压电阻、第二分压电阻分压后与CPU上的模数转换器接口相连接。
所述的一种高性能电池组串检测装置，所述隔离电源与电池组电气隔离，使检测装置可以与其他电池组并联或者串联使用。
所述的一种高性能电池组串检测装置，所述电池组的输出端串联电气隔离的电流传感器，电流传感器的输出信号经过调理电路传输给CPU的一个模数转换接口。
所述的一种高性能电池组串检测装置，所述电池组包含n个单体电池，其中与正端相连的电池单体标号为B1，依次串联的电池单体标号分别为B2、B3…Bn，与电池单体B1正极相连接的检测线标号为C0，依次串联的电池单体上引出的检测线标号分别为C1、C2、C3…Cn，其中所有下标为偶数的检测线经过标号为偶数的可控开关后连接在一起输出，标记为D，所有下标为奇数的检测线经过标号为奇数的可控开关后连接在一起输出，标记为S，所述开关选择模块的输出端D、S连接到极性转换器的输入端。
所述的一种高性能电池组串检测装置，极性转换器包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，所述输入端D与第一开关、第二开关的输入端相连接，输入端S与第三开关、第四开关的输入端相连接，第一开关、第三开关的输出端连接在一起输出并与模数转换器的输入端ADC连接，第二开关、第四开关的输出端连接在一起输出并与模数转换器的参考地连接。
所述的一种高性能电池组串检测装置，所述开关选择模块与极性转换器中所包含的可控开关可以由磁场隔离的干簧管可控开关实现切换功能，干簧管可控开关包括输入端，输出端，控制端，接地端。
所述的一种高性能电池组串检测装置，所述开关选择模块与极性转换器中所包含的可控开关可以由光隔离的光耦可控开关实现切换功能，光耦可控开关包括输入端，输出端，控制端，接地端，所述可控开关还可以采用其他机械和电子开关实现。
所述的一种高性能电池组串检测装置，所述极性转换器输出的单体电池电压信号经过第一分压电阻、第二分压电阻分压后与高精度模数转换器相连接，获得更高精度的数字信号，并传输给CPU。
所述的一种高性能电池组串检测装置，检测第i(1≤i≤n)个单体电池电压的检测方法实现步骤如下：
步骤A：由CPU发出指令，通过串并转换模块控制接通开关选择模块中的K(i)和K(i-1)开关，并关断其他所有开关；
步骤B：如果i为奇数，由CPU发出指令，通过串并转换模块控制接通极性转换器中的第一开关和第四开关；
步骤C：如果i为偶数数，则由CPU发出指令，通过串并转换模块控制接通极性转换器中的第二开关和第三开关；
步骤D：电压信号经过CPU的模数转换模块进行模数转换，得到所需要检测的电池的电压。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，将检测单元的引线和均衡单元的引线区分开，分别单独引线，检测线、均衡线与电池单体极耳单点相连，降低了检测模块的电磁干扰，提高了检测精度和检测性能。
本发明的一个效果在于，采用隔离电源供电，可以对任意多个电池单体进行独立检测，可对电池进行灵活管理。
本发明的一个效果在于，采用极性转换模块，可以降低用于隔离开关的数量，从传统的电池单体两倍的隔离开关数量降低一半，大幅度降低系统成本。
本发明的一个效果在于，利用转换开关，可以采用一个高性能的模数转换器转换任意多个电池单体的电压。
附图说明
图1是本发明中传统锂电池电池管理系统示意图；
图2是本发明中高性能电池检测装置连接方式示意图；
图3是本发明中高性能电池检测模块示意图；
图4是本发明中电池组接线图；
图5是本发明中开关选择模块示意图；
图6是本发明中极性转换器示意图；
图7是本发明中干簧管可控开关示意图；
图8是本发明中光耦可控开关示意图；
图9是本发明中高性能电池检测装置详图；
图10是本发明中采用高精度模数转换器的应用方案；
附图中，各标号所代表的部件：
1、电池组，2、开关选择模块，3、极性转换器，4、串并转换模块，5、CPU，6、隔离电源、7、电流传感器，8、调理电路，9、均衡模块，10、高性能电池检测模块，11、第一分压电阻，12、第二分压电阻，13、高精度独立模数转换器，101、检测线，102、均衡线，201、可控开关，202、可控开关输入端，203、可控开关输出端，204、可控开关控制端，205、可控开关接地端，301、第一开关，302、第二开关，303、第三开关，304、第四开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的介绍。
本发明的实施例之一：采用通用的单片机(MCU)或者数字信号处理器(DSP)的应用
传统的锂电池应用中，电池管理器多采用集成芯片，以便提高系统的集成度，通常集成芯片将模拟前端和均衡电路集成在一块芯片上，通过同一个引线进行检测和均衡控制，如图1所示。由于均衡电路和检测电路利用相同的引线，就会引起干扰问题。通常干扰会达到200-300mV的级别，这对高性能检测模块是致命的。因为检测精度需要在50mV以下。虽然很多专利在介绍系统功能时将模拟前端和均衡电路分开表示，那也仅仅是功能的区分，并为在实际应用中利用不同的引线将两个模块进行实质上的物理分离。
本实施例采用均衡模块，与检测模块分离的实施方案，采用两个引线分别连接均衡电路9、高性能电池检测模块10、电池组1中的电池单体的正负极极耳，实行单点连接，如图2和图4所示，通过分开检测线101和均衡线102可以有效提高系统的检测精度，实现目标要求。该技术关键避免了通常为使系统简洁，减少引线成本而采用一条线实现两种功能的检测弊端，是其他专利没有专门提到的，也是一般工程人员无法通过原理图直接想到的。
图3为高性能电池检测模块10示意图，高性能电池检测模块10包括开关选择模块2、极性转换器3、串并转换模块4、CPU 5、隔离电源6、电流传感器7、调理电路8、均衡模块9、第一分压电阻11、第二分压电阻12。图9为高性能电池检测装置详图。
图5为开关选择模块示意图，开关选择模块2包括可控开关201、可控开关输入端202、可控开关输出端203、可控开关控制端204。图6为极性转换器示意图，极性转换器3包括第一开关301、第二开关302、第三开关303、第四开关304。
电池组1有n个电池单体，B1、B2、B3…Bn，其中分别引出均衡线102、检测线101、正极B+、负极B-。在正负极引出线上装有电流传感器7，用于检测电池的充放电电流。电流传感器7的输出信号，经过调理电路8之后传送给CPU 5中的模数转换模块接口，进行模数转换成为数字信号，再进行进一步处理。
通过检测线101与电池组1相连接的开关选择模块2用于选择需要检测的电池单体，利用图5所示的开关选择模块2选择要检测的电池Bi(i∈[1,2,3,4…n])经过开关选择模块2之后，将所选的电池单体Bi的电压信号通过D、S端输出给极性转换器3，利用极性转换器3，将D、S端的电压极性进行转换，使之适合CPU 5中模数转换器能够使用的极性。极性转换器3输出的符合模数转换要求的电压信号在经过第一分压电阻11、第二分压电阻12分压之后调整到模数转换要求的电压检测范围。
为了检测不同的电池单体Bi，需要CPU 5中模数转换器的参考电压与电池组1进行隔离，因此需要为高性能电池检测模块10中的串并转换模块4、CPU 5、电流传感器7、调理电路8提供隔离的辅助电源。
电池组1由多个单体电池B1、B2、B3…Bn串联组成，见图4。从电池的正负端分别引出B+和B-端子。串联的B1、B2、B3…Bn电池单体的正负极极耳上单点分别引出两组线A0、A1、A2…An和C0、C1、C2…Cn。分别作为均衡线102和检测线101，与均衡模块9和开关选择模块2连接。
其中开关选择模块2的结构如图5所示，电池组1包含n个单体电池，其中与正端相连的电池单体标号为B1，依次串联的电池单体标号分别为B2、B3…Bn，与电池单体B1正极相连接的检测线101标号为C0，依次串联的电池单体上引出的检测线101标号分别为C1、C2、C3…Cn，其中所有下标为偶数的检测线101经过标号为偶数的可控开关201后连接在一起输出，标记为D，所有下标为奇数的检测线101经过标号为奇数的可控开关201后连接在一起输出，标记为S，所述开关选择模块2的输出端D、S连接到极性转换器3的输入端。采用本发明可以最大限度减少选择开关即可控开关201的使用数量，其中开关选择模块2所使用的可控开关201为n+1个，n为电池单体数量。开关选择模块2中的可控开关201的作用是将需要检测的电池单体Bi正负极两端的检测线C(i-1)和C(i)(i∈[1,2,3,4…n])通过K(i-1)和K(i)(i∈[1,2,3,4…n])分别连接到输出端D、S上，除此之外的其他可控开关201断开。
奇数电池单体B1、B3、B5…的检测线101经过开关选择模块2后输出端D为正极，S端为负极。相反，偶数电池单体B2、B4、B6…的检测线101经过开关选择模块2后输出端D为负极，S端为正极。为了能够进行模数转换，就需要利用极性转换器3进行极性转换。
极性转换器3如图6所示，极性转换器3包括第一开关301、第二开关302、第三开关303、第四开关304，所述输入端D与第一开关301、第二开关302的输入端相连接，输入端S与第三开关303、第四开关304的输入端相连接，第一开关301、第三开关303的输出端连接在一起输出并与模数转换器的输入端ADC连接，第二开关302、第四开关304的输出端连接在一起输出并与模数转换器的参考地连接。当检测奇数电池单体B1、B3、B5…电压时，控制第一开关301、第四开关304接通，同时控制第二开关302、第三开关303断开。当检测偶数电池单体B2、B4、B6…电压时，控制第二开关302、第三开关303接通，同时控制第一开关301、第四开关304断开。
开关选择模块2与极性转换器3中有很多可控开关201的开通和关断需要控制，通常需要CPU 5提供很多输入输出口进行控制，为了降低成本，节约CPU 5的片上资源，本发明采用串并转换模块4进行转换，通常串并转换模块4可以采用类似三八译码器或者串并转换芯片来完成，可以通过输入输出口经过编码，可以直接控制几十个开关量。
不论是开关选择模块2还是极性转换器3中的可控开关201都需要隔离，也就是控制端和开关端电气隔离。
通常隔离方式有两种形式，一种是电磁隔离方式，如继电器、干簧管等。如图7所示为可控开关201为干簧管时结构示意图，干簧管类可控开关201包括可控开关输入端202，可控开关输出端203，可控开关控制端204，可控开关接地端205。可控开关输入端202，可控开关输出端203是两个机械触点，可控开关控制端204，可控开关接地端205连接的是线圈绕组。可控开关当控制端204和可控开关接地端205通电产生电流时，控制可控开关输入端202与可控开关输出端203之间的两个机械触点吸合，使可控开关201导通。当可控开关控制端204和可控开关接地端205电流消失时，控制可控开关输入端202与可控开关输出端203之间的两个机械触点释放，使可控开关201关断。
另外一种电气隔离方式是光隔离，光耦和光耦继电器等。如图8所示为可控开关201为光耦时结构示意图，光耦类可控开关201同样包括可控开关输入端202，可控开关输出端203，可控开关控制端204，可控开关接地端205。不同的是，可控开关输入端202，可控开关输出端203之间是两个MOSFET作为电子开关，可控开关控制端204，可控开关接地端205连接的是发光二极管。当可控开关控制端204施加电压使二极管导通发光时，控制可控开关输入端202与可控开关输出端203之间的两个MOSFET导通，使可控开关201导通。当可控开关控制端204电压消失时，控制可控开关输入端202与可控开关输出端203之间的两个MOSFET关断，使可控开关201关断。
本发明的实施例之二：高精度模数转换器应用
通常CPU 5片上自带的模数转换器价格低廉，但是转换精度有限，多为12位有效精度。如果希望获得更高精度的电池检测结果，需要外接高精度的模数转换模块，检测精度可达16位甚至20位以上的转换精度。由于高精度模数转换器的价格高昂，因此本发明只利用一个高精度模数转换器进行转换所有电池单体电压，节省了电池管理器的空间和成本，见图10。
由图10可以看出，电池组1的检测线101经过开关选择模块2和极性转换器3以及电阻分压之后直接与高精度独立模数转换器13相连接，利用高精度独立模数转换器13对电池单体电压进行高精度转换，并将转换结果利用总线发给CPU 5。
对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种高性能电池组串检测装置，包括电池组(1)，其特征在于，还包括开关选择模块(2)、极性转换器(3)、CPU(5)、隔离电源(6)、均衡模块(9)、第一分压电阻(11)、第二分压电阻(12)；所述电池组(1)中每个电池分别引出两组正负极连线，并分别与开关选择模块(2)和均衡模块(9)相连接，检测线(101)、均衡线(102)与电池单体正负极的极耳单点相连，开关选择模块(9)经极性转换器(3)分压后再经高精度独立模数转换器(13)转换后与CPU(5)连接，隔离电源(6)给系统供电。
2.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，所述电池组(1)引出的检测线(101)分别与开关选择模块(2)连接，开关选择模块(2)的输出与极性转换器(3)连接，并通过第一分压电阻(11)、第二分压电阻(12)分压后与CPU(5)上的模数转换器接口相连接。
3.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，所述隔离电源(6)与电池组(1)电气隔离，使检测装置可以与其他电池组并联或者串联使用。
4.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，所述电池组(1)的输出端串联电气隔离的电流传感器(7)，电流传感器(7)的输出信号经过调理电路(8)传输给CPU(5)的一个模数转换接口。
5.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，所述电池组(1)包含n个单体电池，其中与正端相连的电池单体标号为B1，依次串联的电池单体标号分别为B2、B3…Bn，与电池单体B1正极相连接的检测线标号为C0，依次串联的电池单体上引出的检测线标号分别为C1、C2、C3…Cn，其中所有下标为偶数的检测线经过标号为偶数的可控开关(201)后连接在一起输出，标记为D，所有下标为奇数的检测线经过标号为奇数的可控开关(201)后连接在一起输出，标记为S，所述开关选择模块(2)的输出端D、S连接到极性转换器(3)的输入端。
6.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，极性转换器(3)包括第一开关(301)、第二开关(302)、第三开关(303)、第四开关(304)，所述输入端D与第一开关(301)、第二开关(302)的输入端相连接，输入端S与第三开关(303)、第四开关(304)的输入端相连接，第一开关(301)、第三开关(303)的输出端连接在一起输出并与模数转换器的输入端ADC连接，第二开关(302)、第四开关(304)的输出端连接在一起输出并与模数转换器的参考地连接。
7.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，所述开关选择模块(2)与极性转换器(3)中所包含的可控开关可以由磁场隔离的干簧管可控开关(201)实现切换功能，干簧管可控开关(201)包括可控开关输入端(202)，可控开关输出端(203)，可控开关控制端(204)，可控开关接地端(205)。
8.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，所述开关选择模块(2)与极性转换器(3)中所包含的可控开关可以由光隔离的光耦可控开关(201)实现切换功能，光耦可控开关(201)包括可控开关输入端(202)，可控开关输出端(203)，可控开关控制端(204)，可控开关接地端(205)，所述可控开关还可以采用其他机械和电子开关实现。
9.如权利要求1所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，所述极性转换器(3)输出的单体电池电压信号经过第一分压电阻(11)、第二分压电阻(12)分压后与高精度模数转换器(13)相连接，获得更高精度的数字信号，并传输给CPU(5)。
10.如权利要求1-9中任意一项所述的一种高性能电池组串检测装置，其特征在于，检测第i(1≤i≤n)个单体电池电压的检测方法实现步骤如下：
步骤A：由CPU(5)发出指令，通过串并转换模块(4)控制接通开关选择模块(2)中的K(i)和K(i-1)开关，并关断其他所有开关；
步骤B：如果i为奇数，由CPU(5)发出指令，通过串并转换模块(4)控制接通极性转换器(3)中的第一开关(301)和第四开关(304)；
步骤C：如果i为偶数数，则由CPU(5)发出指令，通过串并转换模块(4)控制接通极性转换器(3)中的第二开关(302)和第三开关(303)；
步骤D：电压信号经过CPU(5)的模数转换模块进行模数转换，得到所需要检测的电池的电压。
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