CN109085422B - 并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统及方法，包括：均设置在电流采集通道中的电流采集模块、电压调制模块及控制单元；电流采集模块采集并联电池组的电池单体的电流，并将电流信号转换为单端的电压信号，再将单端的电压信号转换为差分信号；电压调制模块对电流采集模块输出的差分信号进行电压跟随并调制差分信号使其满足模数转换的输入要求的信号，调制后的信号通过模数转换传输至控制单元；控制单元将同步信号同时发送至多个电流采集通道，控制多个电流采集通道的电池单体电流的同步采集。本申请通过电路设计提高了霍尔电流传感器测量数据的稳定性。

Description

并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统及方法
技术领域
本发明涉及电池组单体电流采集技术领域，特别是涉及并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统及方法。
背景技术
电池不仅是电动汽车的能量来源，而且是新能源储能环节的核心。电池在使用时，必须串并联组合成电池组达到电压、电流的要求。
发明人在研究中发现现有电池管理系统(BMS)鲜有针对并联电池组的电池管理系统，并联动力电池组单体电流的检测方法也存在诸多问题。实际上，由于电池单体的不一致性，其内阻等具有明显差异，使得并联单体工作时电流各异，容易造成电池组内发热状况不一致，热稳定性差，而且电池极化电压和容量衰减差异增大，易损伤电池组使用寿命，甚至引发安全事故。因此，研究并联电池组中单体电流高精度检测方法意义重大。
发明人在研究中还发现目前常用的电流检测方法有电阻结合运放、电流互感器、霍尔电流传感器等。对于采用电阻结合运放的电流检测方式，其优势是成本低、精度较高、体积小，但具有温漂大、精密电阻选择难、无隔离效果的缺点；对于采用电流互感器的检测方式，往往是将一次侧的大电流按比例变换，送给仪表或继电器使用，并不适用于直接检测小电流。而采用霍尔电流传感器的检测方式，多用于小电流检测，输入(电流)和输出(电压)满足线性关系，该方式结构简单，但易受外部干扰，电池电流采集误差大、精度低、数据非同步、霍尔电流传感器检测稳定性差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供了并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，通过硬件电路设计提高了霍尔电流传感器测量数据的稳定性，保证数据的可靠性及数据的真实性。
为实现上述目的，本申请采用以下技术方案：
并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，包括：均设置在电流采集通道中的电流采集模块、电压调制模块及控制单元；
电流采集模块采集并联电池组的电池单体的电流，并将电流信号转换为单端的电压信号，再将单端的电压信号转换为差分信号；
电压调制模块对电流采集模块输出的差分信号进行电压跟随并调制差分信号使其满足模数转换的输入要求的信号，调制后的信号通过模数转换传输至控制单元；
控制单元采取非循环扫描的方式将同步信号同时发送至多个电流采集通道，控制多个电流采集通道的电池单体电流的同步采集。
进一步的，每个电流采集模块与并联电池组中的待测电池单体相串联，电压调制模块和电流采集模块采用差分线通过接口连接。
进一步的，所述电流采集模块包括电流信号转电压信号转换电路以及单端信号转差分信号电路；
所述电流信号转电压信号转换电路由霍尔电流传感器构成，霍尔电流传感器为闭环的霍尔电流传感器；
所述单端转差分放大电路是将输入的单端信号转换为差分信号的电路。
进一步的，所述单端转差分放大电路包括两个运算放大器A1、A2，并用运算放大器A1驱动运算放大器A2，通过设置外部增益网络使得两个运算放大器的差分输出分别为±1\2A1的输入，即差分输出的共模为零。
进一步的，所述电压调制模块包括电压跟随电路、共模调制电路、24bit高精度ADC以及多个电源电路；
所述电压跟随电路输入电压与输出电压基本上相同；
所述共模调制电路的功能是调制电流采集模块输出的差分信号，使其满足ADC的共模输入要求。
进一步的，所述共模调制电路包括相互隔离的双通道运算放大器，运算放大器的参考电压通过该输入端口前的电阻分压网络分压得到，同时调整该电阻分压网络和运放输入输出端的反馈网络来调制输出的差分信号，以满足ADC的共模输入要求。
本申请的第二目的是还公开了并联动力电池组单体电流高精度同步采集方法。
为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案:
采取非循环扫描的方式，控制单元将同步信号同时发送至多个电流采集通道，控制多个电流采集通道的电池单体电流的同步采集；
电流采集模块采集并联电池组的电池单体的电流，并将电流信号转换为单端的电压信号，再将单端的电压信号转换为差分信号；
电压调制模块对电流采集模块输出的差分信号进行电压跟随并调制差分信号使其满足模数转换的输入要求的信号，调制后的信号通过模数转换传输至控制单元；
控制单元为电压采集模块的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请通过硬件电路设计提高了电流传感器测量数据的稳定性，保证数据的可靠性及数据的真实性。
本申请各个电流采集通道选用24bit高精度ADC，采集精度高，减小了采样误差。能够实现高速的电池数据采集，采样率提高到传统提高的传统设备的10倍以上。
本申请模块化设计，采集电路可扩展性好，本申请同步性好，可获得多个电池单体同一时刻的电流值。
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为本发明的整体结构图；
图2为本发明的采样电路原理图；
图3为本发明的控制流程图。
具体实施方式
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。
本申请的一种典型的实施例子中，如图1所示，公开了并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统包括8个电流采集通道和一片FPGA，可以实现对并联电池组的8节并联电池单体的电流的同步采集。其中每个电流采集通道包含一个电流采集模块和一个电压调制模块，每一个电流采集模块又包含一个霍尔电流传感器。
电流采集模块采集并联动力电池组的电池单体的电流，其输入为电流信号，输出为电压信号；电压调制模块则负责把电流采集模块输出的电压信号调制成满足ADC输入要求的信号。
将每个电流采集模块与并联动力电池组中的待测电池单体串联放在工作现场，由于差分信号相对于单端信号有更好的抗干扰性，因此电压调制模块和电流采集模块采用差分线通过接口连接，避免了只能将设备放在工作现场的空间限制或者长距离电流接线的不安全性。电流采集模块同时也起到了把单端的输入信号转为差分的输出信号的作用。
如图2所示，电流采集模块主要包括电流信号转电压信号转换电路以及单端信号转差分信号电路
电流信号转电压信号转换电路即由霍尔电流传感器构成，本方案设计选用了闭环的霍尔电流传感器，相较开环的霍尔电流传感器而言，闭环的霍尔电流传感器具有良好的精度和线性度。最主要的是采集电流值较小时，依然可以保证一定的精度要求，精度最优可达到0.7％。同时，后续电路可以保证其输出的准确性和稳定性。
单端转差分放大电路是可以将霍尔电流传感器输出的单端信号换为差分信号的电路，以满足电压调制模块对输入信号的要求。其核心是使用了两个运算放大器A1、A2，并用运算放大器A1驱动运算放大器A2。本发明设置的外部增益网络得两个运算放大器的差分输出别为±1\2A1的输入，即差分输出的共模为零。所设计的该电路外围电路简单，外部增益网络可设计灵活性高。
电压调制模块主要包括电压跟随电路、共模调制电路、24bit高精度ADC以及多个电源电路。
电压跟随电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，电压跟随电路一般输入电压与输出电压基本上相同。它的主要作用是起到电压的缓冲和隔离的效果。同时它在电路中还可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。
ADC是整个采集通道的设计基础，所有其他的设计都应该以ADC为起点。差分ADC可以提供优于单端设计的内部成分匹配和跟踪，调整需求降低，同时可以更好的抑制噪声和失真，因此本发明使用的24bit高精度ADC为差分ADC，其差分输入的共模电压以及对差分输入的限制由输入的参考电压设定。
共模调制电路的功能是调制电流采集模块输出的差分信号，使其满足ADC的共模输入要求，其核心为相互隔离的双通道运算放大器。运放的参考电压是通过该输入端口前的电阻分压网络分压得到。可以同时调整该电阻分压网络和运放输入输出端的反馈网络来调制输出的差分信号，以满足ADC的共模输入要求。
如图3所示，FPGA作为并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统的控制单元为每个电流采集通道的电压采集模块的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果。多个通道采取非循环扫描的方式，由FPGA给多个电流采集通道同时发送同步信号，控制多个电流采集通道的同步采集。基于此，本发明采集同步性得以实现。
经过实际检测，在霍尔传感器的输出电压纹波较大的情况下，本发明的电流检测满量程(6A)误差为0.16％。以上证明，本发明所设计的并联电池组单体电流高精度同步采集方法在霍尔传感器将电流转换为电压后经过本设计的后续电路的处理，解决了霍尔电流传感器稳定性低的问题，同时克服了电池电流采集误差大、精度低、数据非同步等传统问题。
本实施例子解决了电池单体电流采集误差大、精度低、数据非同步、霍尔电流传感器检测稳定性差等问题，并采用现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制器，具有采集精度高、抗干扰性好、采集速度快、可扩展性好、同步性好等优点，应用前景广阔。
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。

Claims (6)

1.并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，其特征是，包括：均设置在电流采集通道中的电流采集模块、电压调制模块及控制单元；
电流采集模块采集并联电池组的电池单体的电流，并将电流信号转换为单端的电压信号，再将单端的电压信号转换为差分信号；
电压调制模块对电流采集模块输出的差分信号进行电压跟随并调制差分信号使其满足模数转换的输入要求的信号，调制后的信号通过模数转换传输至控制单元；
控制单元采取非循环扫描的方式将同步信号同时发送至多个电流采集通道，控制多个电流采集通道的电池单体电流的同步采集；
所述电流采集模块包括电流信号转电压信号转换电路以及单端信号转差分信号电路；
所述电流信号转电压信号转换电路由霍尔电流传感器构成，霍尔电流传感器为闭环的霍尔电流传感器；
所述单端信号转差分信号电路是将输入的单端信号转换为差分信号的电路。
2.如权利要求1所述的并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，其特征是，每个电流采集模块与并联电池组中的待测电池单体相串联，电压调制模块和电流采集模块采用差分线通过接口连接。
3.如权利要求1所述的并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，其特征是，所述单端信号转差分信号电路包括两个运算放大器A1、A2，并用运算放大器A1驱动运算放大器A2，通过外部增益网络使得两个运算放大器的差分输出分别为±1/2A1的输入，即差分输出的共模为零。
4.如权利要求1所述的并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，其特征是，所述电压调制模块包括电压跟随电路、共模调制电路；
所述电压跟随电路输入电压与输出电压基本上相同；
所述共模调制电路的功能是调制电流采集模块输出的差分信号，使其满足ADC的共模输入要求。
5.如权利要求4所述的并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，其特征是，所述共模调制电路包括相互隔离的双通道运算放大器，运算放大器的参考电压通过输入端口前的电阻分压网络分压得到，同时调整该电阻分压网络和运放输入输出端的反馈网络来调制输出的差分信号，以满足ADC的共模输入要求。
6.并联动力电池组单体电流高精度同步采集方法，其利用了如权利要求1-5任一项所述的并联动力电池组单体电流高精度同步采集系统，其特征是，包括：
采取非循环扫描的方式，控制单元将同步信号同时发送至多个电流采集通道，控制多个电流采集通道的电池单体电流的同步采集;
电流采集模块采集并联电池组的电池单体的电流，并将电流信号转换为单端的电压信号，再将单端的电压信号转换为差分信号；
电压调制模块对电流采集模块输出的差分信号进行电压跟随并调制差分信号使其满足模数转换的输入要求的信号，调制后的信号通过模数转换传输至控制单元；
控制单元为电压采集模块的ADC提供采样时钟，控制ADC采样启停，读取ADC转换结果。
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