CN110018340A - 一种电池电压采样电路、方法及电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池电压采样电路、方法及电池管理系统，所述采样电路包括分压电路、第一反相放大器、二极管、第二反相放大器和采样芯片，所述第一反相放大器包括偏置电压单元，所述分压电路与第一反相放大器的输入端连接，所述二极管的负极与第二反相放大器的输出端连接，所述二极管的正极连接在第二反相放大器的输入端，所述第二反相放大器的输出端与采样芯片连接。本发明通过第一反相放大器的偏置电压单元，将分压电路输出的电压分成两个区间，因而，本发明可以屏蔽0V到电池的最低电压之间的采样范围，使得采样芯片的AD采样资源的利用率更加高，从而使得电压采样的精度提升。本发明可以广泛应用于电池电压检测技术领域。

Description

一种电池电压采样电路、方法及电池管理系统

技术领域

本发明涉及电池电压检测技术领域，尤其是一种电池电压采样电路、方法及电池管理系统。

背景技术

动力电池作为新能源纯电动汽车的能量存储介质，它既能为驱动电机系统提供能量，也能接收来自驱动电机系统的再生制动能量。而驱动电机系统完成动力的输出和能量的回收都需要时刻检测当前动力电池电压值作为控制系统提供输入，目前普遍采用的方法是电阻分压后进行AD采样，整体上这种方案采集的电压范围都是从0到电池的最高电压或者说是从0到系统所需采集到的最高电压。

电池有一个明显的特点，就是只能在一定的电压范围内工作，比如，单节锂电池的最低放电电压2.4V，最高充电电压4.2V。然而，电动车通常需要多节电池通过串联或并联的组合方式以达到所需的电压电流输出能力，故动力电池的电压等级一般比较高。举个例子，假如串联100节电池，动力电池两端的电压输出范围为240～420V。假设主控芯片的AD采样电压范围为0～3.3V，则需通过电阻分压的方式将420V电压降至3.3V。由此可得，0～3.3V的电压范围对应0～420V电压范围，其中0～240V并非是实际需要采集的，但是却占用了0～3.3V采样电压资源的0～1.8857V。如此一来，有效的AD采样范围为1.8857～3.3V，其对应电池电压为240～420V，电压差为180V。因此，实际上被利用的AD采样范围只有1.857～3.3V，而0～1.857V的采样范围被完全浪费。这样，会导致电压采样的精度降低。

综上所述，现有技术存在AD采样资源的利用率低，从而导致电压采样精度低的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种电池电压采样电路及电池管理系统，以提升AD采样资源的利用率，并在相同的AD采样资源的条件下，提升电压采样的精度。

本发明所采取的第一种技术方案是：

一种电池电压采样电路，包括分压电路、第一反相放大器、二极管、第二反相放大器和采样芯片，所述第一反相放大器包括第六电阻、第七电阻、偏置电压单元、第一运算放大器，所述第六电阻的第一端和第七电阻的第一端均与第一运算放大器的反相输入端连接，所述第七电阻的第二端和二极管的负极均与第一运算放大器的输出端连接，所述偏置电压单元与第一运算放大器的正相输入端连接，所述分压电路的输出端与第六电阻的第二端连接，所述二极管的正极连接在第二反相放大器的输入端，所述第二反相放大器的输出端与采样芯片的AD输入端连接。

进一步，还包括电压跟随器，所述分压电路的输出端通过电压跟随器与第六电阻的第二端连接。

进一步，所述电压跟随器包括第二运算放大器和第三电阻，所述第三电阻连接在第二运算放大器的正相输入端和分压电路的输出端之间，所述第二运算放大器的输出端与自身的反相输入端连接。

进一步，所述分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻在安装时与电池组并联，所述第一电阻和第二电阻的连接点构成分压电路的输出端。

进一步，所述第二反相放大器包括第三运算放大器、第八电阻、第九电阻和第十电阻，所述第八电阻的第一端与二极管的正极连接，所述第八电阻的第二端分别与第九电阻的第一端和第三运算放大器的反相输入端连接，所述第九电阻的第二端与第三运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的正相输入端通过第十电阻接地。

进一步，所述偏置电压单元包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻和第五电阻串联在第一工作电源的正极和地之间，所述第四电阻和第五电阻的连接点与第一运算放大器的正相输入端连接。

进一步，还包括隔离电路，所述隔离电路设置在第二反相放大器的输出端和采样芯片的AD输入端之间。

进一步，所述隔离电路为光耦隔离电路。

进一步，所述隔离电路包括光耦、第十一电阻和第十二电阻，所述第十一电阻连接在第二反相放大器的输出端和光耦的第一输入端之间，所述光耦的第二输入端接地，所述光耦的第一输出端连接在第二工作电源的正极，所述光耦的第二输出端通过第十二电阻接地，所述光耦的第二输出端与采样芯片的AD输入端连接。

本发明所采取的第二种技术方案是：

一种电池管理系统，包括所述的电池电压采样电路。

本发明所采取的第三种技术方案是：

一种电池电压采样方法，包括以下步骤：

采集输入电压作为第一电压；

将第一电压与偏置电压比较输出第二电压；

将第二电压进行信号调理，得到采样值。

本发明的有益效果是：本发明的电路通过在第一反相放大器中设置偏置电压单元以及在第一反相放大器和第二反相放大器之间设置二极管，将分压电路输入的电压进行分段，本发明可以屏蔽0V到电池的最低电压之间的范围，同时，本发明的方法通过将第一电压与偏置电压比较输出第二电压，然后对第二电压进行信号调理得到采样值，也可以屏蔽0V到电池的最低电压之间的范围；本发明使得采样芯片的AD采样资源的利用率更加高，从而使得电压采样的精度提升。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例的电池电压采样电路的原理图；

图2为本发明一种具体实施例的隔离电路的原理图；

图3为本发明一种具体实施例的电池电压采样方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

参照图1，本实施例公开了一种电池电压采样电路，包括分压电路100、第一反相放大器300、二极管D1、第二反相放大器400和采样芯片500，所述第一反相放大器300包括第六电阻R6、第七电阻R7、偏置电压单元301、第一运算放大器U1B，所述第六电阻R6的第一端和第七电阻R7的第一端均与第一运算放大器U1B的反相输入端连接，所述第七电阻R7的第二端和二极管D1的负极均与第一运算放大器U1B的输出端连接，所述偏置电压单元301与第一运算放大器U1B的正相输入端连接，所述分压电路100的输出端与第六电阻R6的第二端连接，所述二极管D1的正极连接在第二反相放大器400的输入端，所述第二反相放大器400的输出端与采样芯片500连接。

其中，分压电路，其可以采用常见的电阻分压电路实现。如图1所示，所述分压电路100包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1和第二电阻R2在安装时与电池组BAT并联，所述第一电阻R1和第二电阻R2的连接点构成分压电路100的输出端。所述分压电路的作用是，将电池组的电压进行分压，从而使得采样芯片可以处理分压后的电压。

第一反相放大器，其作用为对分压电路输出的电压进行反相放大，同时通过偏置电压单元提供的偏置电压，将点VC的电压划分为两个区间。其配合二极管D1(其采用导通电压为0.7V的二极管)，使得点VC的电压低于设计值的时候，点VE的电压高于-0.7V，从而使得二极管D1截止。因此，在点VC的电压低于设计值的时候，采样芯片所采集到的电压为0。当然，二极管根据实际设计，其导通电压可能不同，因此设计时需要考虑元器件的性能参数。其中，在本实施例中点的电压是指该点的对地的电压。

第二反相放大器，其作用为将点VE的电压转换为正电压输出到采样芯片，因为一般的采样芯片只能采样正电压。

采样芯片，其可以是专用的模数转换芯片，也可以是带有模数转换功能的处理器，如FPGA、ARM等芯片。采样芯片的AD采样接口一般采用0～3.3V的输入范围。当然，有些芯片的输入范围可以更宽，如0～5V；也有采样范围更窄的，如0～1.8V。

参照图1，作为优选的实施例，还包括电压跟随器200，所述分压电路100的输出端通过电压跟随器200与第六电阻R6的第二端连接。电压跟随器200分别接入第一工作电源的正极VCC+和负极VCC-。

增设电压跟随器使得点VB的输入阻抗无限大，且有点VC与点VB电压相同，保证采样电路不会影响到点VB的电压，保证采样精度。

参照图1，作为优选的实施例，所述电压跟随器200包括第二运算放大器U1A和第三电阻R3，所述第三电阻R3连接在第二运算放大器U1A的正相输入端和分压电路100的输出端之间，所述第二运算放大器U1A的输出端与自身的反相输入端连接。在本实施例中，第一运算放大器U1B和第二运算放大器U1A是可以采用双通道运算放大器实现。

参照图1，作为优选的实施例，所述第二反相放大器400包括第三运算放大器U2A、第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10，所述第八电阻R8的第一端与二极管D1的正极连接，所述第八电阻R8的第二端分别与第九电阻R9的第一端和第三运算放大器U2A的反相输入端连接，所述第九电阻R9的第二端与第三运算放大器U2A的输出端连接，所述第三运算放大器U2A的正相输入端通过第十电阻R10接地GND。

参照图1，作为优选的实施例，所述偏置电压单元301包括第四电阻R4和第五电阻R5，所述第四电阻R4和第五电阻R5串联在第一工作电源的正极VCC+和地GND之间，所述第四电阻R4和第五电阻R5的连接点与第一运算放大器U1A的正相输入端连接。

作为替代的实施例，所述第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器可以采用分立元件搭建。

作为优选的实施例，还包括隔离电路，所述隔离电路设置在第二反相放大器的输出端和采样芯片的AD输入端之间。

增设隔离电路，能够隔开高压电路和低压电路，避免高压窜入控制部分，破坏汽车的MCU。

所述隔离电路可以是光耦隔离电路或者是变压器隔离电路。

作为优选的实施例，所述隔离电路为光耦隔离电路。光耦隔离电路体积小且成本低。

参照图2，作为优选的实施例，所述隔离电路包括光耦U3、第十一电阻R11和第十二电阻R12，所述第十一电阻R11连接在第二反相放大器的输出端和光耦U3的第一输入端之间，所述光耦U3的第二输入端接地GND，所述光耦U3的第一输出端连接在第二工作电源的正极VDD+，所述光耦U3的第二输出端通过第十二电阻R12接地，所述光耦U3的第二输出端与采样芯片的AD输入端连接。

下面结合图1对电池电压采样电路的工作原理进行说明。

假定电池组BAT的工作电压范围为240～420V。在实际设计中，考虑到一些异常情况，可以将采样电压范围稍微增大。例如将采样电压的范围设计为200～500V。

在图1中，分压电路100将电池组的电压进行分压，其中点VB的电压与第一电阻R1、第二电阻R2以及点VA的电压有关。根据图1可知，其中，在本实施例中，设计人员可以通过调节第一电阻R1、第二电阻R2的电阻值，使得VB的最大值不大于第一工作电压。这样的目的是保证第一反相放大器可以正常工作。在本实施例中，在电压跟随器的作用下，点VB的电压等于点VC的电压。根据虚短和虚断法则对第一反相放大器进行分析，可知，点VE的电压可以通过点VD的电压、点VC的电压、第六电阻R6和第七电阻R7计算得到。其中，此处，点VD所提供的是一个偏置电压，点VD的电压由第四电阻R4和第五电阻R5分压得到。将点VC的电压分割为两个区间。其设计时，使得点VA的电压在0～200V时，对应点VE的电压为-0.7V～点VA的电压在200～500V时，对应点VE的电压为由于二极管D1的单向导通性，当点VA的电压为0～200V时，VD1截至，此时点VG的电压等于点VF的电压，且等于0。当点VA的电压为200～500V时，二极管D1的负极的电压小于-0.7V，因此，二极管D1导通，此时，假定采样芯片的AD采样输入阻抗无穷大，则有点VG的电压等于点VAD的电压。即经过对各元器件参数的选择，可以得到点VA的电压在200～500V时，输入到采样芯片的对应值为0～3.3V。

在本实施例中，提供一种示例性的设计参数，其中，R1＝62.5kΩ、R2＝1kΩ、R3＝3kΩ、R4＝7kΩ、R5＝1kΩ、R6＝3kΩ、R7＝3kΩ、R8＝4.8kΩ、R9＝3.3kΩ、R10＝4.8kΩ、VCC+＝10V、VCC-＝-10V。

点VA和点VAD的关系如表1：

表1

VA(V)	0	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
												VAD(V)	0	0	0	0	0	0.55	1.1	1.65	2.2	2.75	3.3

由表1可知，每50V对应的采样电压为0.55V；而在传统技术中，每50V对应的采样电压仅为0.33V。可见本实施例既满足线性度，又最大程度地利用了采样芯片的AD采样资源，即提升了采样芯片的有效电压范围，在同等的芯片条件下，相对于现有技术大大提升了采样精度。

以上主要是针对本发明的电阻组成结构，具体的电路参数如电压采样范围参数、电阻参数、运算放大器参数、二极管参数视实际设计而选定。

本实施例公开了一种电池管理系统，包括上述实施例所述的电池电压采样电路。所述电池管理系统用于对电池进行管理的系统，通常具有量测电池电压的功能，防止或避免电池过放电、过充电、过温度等异常状况出现。电池管理系统一般包括处理器、通信模块、电压采样电路、继电器以及各类传感器，传感器如温度传感器或者电流传感器等等。其中，处理器通过电压采样电路采集电池电压；所述处理器通过通信模块与汽车控制系统通信，通信模块可以是如CAN通信模块等；所述处理器通过传感器采集汽车电池的相关参数，如温度和电流等。

参照图3，本实施例公开了一种电池电压采样方法，其包括以下步骤：

S1、采集输入电压作为第一电压。所述输入电压一般为从电池组电压按照一定比例分压而来的电压。例如，电池组电压为240～420V，经过电阻分压后，以1％作为分压比例，输入电压为2.4～4.2V。

S2、将第一电压与偏置电压比较输出第二电压。在本实施例中，可以将偏置电压设置为2V。比较的实质是将第一电压减去偏置电压然后得到一个第二电压。在本实施例中，相当于将第一电压减去2V，在比较过后输出的第二电压的范围为0.4V～2.2V。

S3、将第二电压进行信号调理，得到采样值。在本步骤中，信号调理是指将第二电压进行信号放大和模数转换等。将0～2.2V放大为采样芯片可以接受的输入电压，如0～3.3V，本实施例可以将信号放大1.5倍。从而使得电池组240V～420V的电压映射在采样芯片0～3.3V的输入值之间。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种电池电压采样电路，其特征在于：包括分压电路、第一反相放大器、二极管、第二反相放大器和采样芯片，所述第一反相放大器包括第六电阻、第七电阻、偏置电压单元、第一运算放大器，所述第六电阻的第一端和第七电阻的第一端均与第一运算放大器的反相输入端连接，所述第七电阻的第二端和二极管的负极均与第一运算放大器的输出端连接，所述偏置电压单元与第一运算放大器的正相输入端连接，所述分压电路的输出端与第六电阻的第二端连接，所述二极管的正极连接在第二反相放大器的输入端，所述第二反相放大器的输出端与采样芯片的AD输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种电池电压采样电路，其特征在于：还包括电压跟随器，所述分压电路的输出端通过电压跟随器与第六电阻的第二端连接。

3.根据权利要求2所述的一种电池电压采样电路，其特征在于：所述电压跟随器包括第二运算放大器和第三电阻，所述第三电阻连接在第二运算放大器的正相输入端和分压电路的输出端之间，所述第二运算放大器的输出端与自身的反相输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种电池电压采样电路，其特征在于：所述分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻在安装时与电池组并联，所述第一电阻和第二电阻的连接点构成分压电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的一电池电压采样电路，其特征在于：所述第二反相放大器包括第三运算放大器、第八电阻、第九电阻和第十电阻，所述第八电阻的第一端与二极管的正极连接，所述第八电阻的第二端分别与第九电阻的第一端和第三运算放大器的反相输入端连接，所述第九电阻的第二端与第三运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的正相输入端通过第十电阻接地。

6.根据权利要求1所述的一种电池电压采样电路，其特征在于：所述偏置电压单元包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻和第五电阻串联在第一工作电源的正极和地之间，所述第四电阻和第五电阻的连接点与第一运算放大器的正相输入端连接。

7.根据权利要求1所述的一种电池电压采样电路，其特征在于：还包括隔离电路，所述隔离电路设置在第二反相放大器的输出端和采样芯片的AD输入端之间。

8.根据权利要求7所述的一种电池电压采样电路，其特征在于：所述隔离电路包括光耦、第十一电阻和第十二电阻，所述第十一电阻连接在第二反相放大器的输出端和光耦的第一输入端之间，所述光耦的第二输入端接地，所述光耦的第一输出端连接在第二工作电源的正极，所述光耦的第二输出端通过第十二电阻接地，所述光耦的第二输出端与采样芯片的AD输入端连接。

9.一种电池管理系统，其特征在于：包括如权利要求1-8任一项所述的电池电压采样电路。

10.一种电池电压采样方法，其特征在于：包括以下步骤：

采集输入电压作为第一电压；

将第一电压与偏置电压比较输出第二电压；

将第二电压进行信号调理，得到采样值。