CN110320475A - 一种电池系统的外电压采集电路、方法及一种电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池管理技术领域，提供一种电池系统的外电压采集电路、方法及一种电动汽车，其中，电池系统的外电压采集电路包括：电池管理模块，所述电池管理模块包括高低压隔离单元、输入端与所述高低压隔离单元连接的低压减法放大单元、以及正极输入端与所述低压减法放大单元输出端连接的低压跟随单元；其中，所述高低压隔离单元设置有第一支路及第二支路，所述第一支路由第一检测开关及第一隔离电阻串联组成，所述第二支路由第一检测开关及第一隔离电阻串联组成。本发明通过在所述第一支路与所述第二支路上分别设置第一隔离电阻与第二隔离电阻，进行高压高阻隔离，能够降低电动汽车外电压采集的成本。

Description

一种电池系统的外电压采集电路、方法及一种电动汽车
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及一种电池系统的外电压采集电路、方法及一种电动汽车。
背景技术
我国新能源行业迅速发展，在电动汽车高压系统拓扑中，动力电池通过主放电正继电器和主放电负继电器给主负载放电，从而给整车提供动力。对于电池管理系统(Battery Management System,BMS)而言，需要采集动力电池系统内侧电压，处于功能安全级别考虑和BMS软件冗余设计，BMS也需要采集电池外侧电压进行接触器安全判断。电动汽车的主负载通常是电机控制器，目前市场上通用的做法是电机控制器采集动力电池外侧电压通过控制器局域网络 (Controller Area Network,CAN)报文发送给BMS，BMS进行相应软件逻辑设计。这种方法需要等电机控制器完全启动后才能进行判断，并且使用者的电机控制器情况不一，需要根据项目进行系统设计。
其次，市场上也有通过BMS直接采集动力电池外侧电压，可以解决和电机控制器系统匹配的问题，BMS同时采集电池内侧电压跟外侧电压时，需要做隔离电源和隔离采集电路。可见，在现有技术中，动力汽车的外电压采集存在外电压采集成本高的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种电池系统的外电压采集电路，旨在解决动力汽车外电压采集成本高的问题。
本发明实施例是这样实现的，提供一种电池系统的外电压采集电路，用于电动汽车的外电压采集，包括：
电池管理模块，所述电池管理模块包括高低压隔离单元、输入端与所述高低压隔离单元连接的低压减法放大单元、以及正极输入端与所述低压减法放大单元输出端连接的低压跟随单元；
其中，所述高低压隔离单元设置有第一支路及第二支路，所述第一支路由第一检测开关及第一隔离电阻串联组成，所述第二支路由第一检测开关及第一隔离电阻串联组成。
更进一步地，所述第一检测开关一端连接待测电压正极，另一端与所述第一隔离电阻一端连接，所述第一隔离电阻的另一端与所述低压减法放大单元的正极输入端连接。
更进一步地，所述第二检测开关一端连接待测电压负极，另一端与所述第二隔离电阻一端连接，所述第二隔离电阻的另一端与所述低压减法放大子模块的负极输入端连接。
更进一步地，所述低压减法放大单元包括减法放大器，所述减法放大器的正极输入端与所述第一隔离电阻的一端连接，负极输入端与所述第二隔离电阻的一端连接。
更进一步地，所述低压跟随单元包括跟随器，所述跟随器的正极输入端与所述减法放大器的输出端连接，所述跟随器的负极输入端直接连接到所述跟随器的输出端。
更进一步地，所述第一隔离电阻阻值与所述第二隔离电阻阻值相等。
本发明还提供一种外电压采集方法，包括以下步骤：
断开电路时，所述第一检测开关与所述第二检测开关断开；
电源正极电压以及电源接地电压提供输入信号，输入信号经过所述减法放大器进行衰减，输出到所述跟随器；
在所述跟随器的输出端对输入信号进行采集。
更进一步地，还包括以下步骤：
导通电路时，所述第一检测开关及所述第二检测开关闭合，输入信号流经所述第一隔离电阻以及所述第二隔离电阻被隔离；
输入信号经过所述第一隔离电阻及所述第二隔离电阻后，再输入到所述减法放大器的正极输入端及负极输入端，其中，所述输入信号为差分电压信号。
更进一步地，还包括以下步骤：
当所述电池管理模块工作时，通过所述电源正极电压以及电源接地电压向所述减法放大器的提供输入信号；
所述减法放大器对输入信号进行信号衰减；
将衰减后的输入信号输出到所述跟随器的正极输入端进行阻抗变换；
在所述跟随器的输出端对输入信号进行采集。
本发明还提供了一种电动汽车，包括权利要求一至六中任一项所述的一种电池系统的外电压采集电路。
本发明的有益效果：本发明由于在所述电池管理模块内部设置一所述高低压隔离单元，所述高低压隔离单元设置所述第一支路与第二支路，所述第一支路上设置有所述第一检测开关及第一隔离电阻，并且所述第一支路一端连接到待测电压第一端，另一端接入所述低压减法放大单元的正极输入端；所述第二支路上设置有所述第二检测开关及第二隔离电阻，并且所述第二支路一端连接到待测电压第二端，另一端与所述低压减法放大单元的负极输入端，通过在所述电池管理模块内部设置所述第一检测开关、第一隔离电阻、第二检测开关以及第二隔离电阻，形成一个能够在高低压之间进行高阻隔离的部分，在不影响外电压采集的情况下，避免了高压采集时需要隔离电源以及采集电路的问题，有利于降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的外电压采集电路的电路示意图；
图2为本发明实施例提供的外电压采集方法的具体实施方式的流程图；
图3为本发明实施例提供的另一种外电压采集方法的具体实施方式的流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种外电压采集方法的具体实施方式的流程图。
其中，1、电池管理模块，2、高低压隔离单元，21、第一检测开关，22、第一隔离电阻，23、第二检测开关，24、第二隔离电阻，3、低压减法放大单元， 31、第三电阻，32、第四电阻，4、低压跟随单元，41、跟随器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是通过在电池管理模块内部设置第一检测开关、第一隔离电阻、第二检测开关33以及第二隔离电阻，在采集电池管理模块的外电压时，形成一个能够在高低压之间进行高阻隔离的部分，在不影响外电压采集的情况下，避免了高压采集时需要隔离电源、采集电路的问题，有利于降低了成本。
实施例一
如图1所示，为本发明实施例提供的一种电池系统的外电压采集电路的电路示意图。一种电池系统的外电压采集电路，用于电动汽车的外电压采集，包括：
电池管理模块1，电池管理模块1包括高低压隔离单元2、输入端与高低压隔离单元2连接的低压减法放大单元3、以及正极输入端与低压减法放大单元3 输出端连接的低压跟随单元4；
其中，高低压隔离单元2设置有第一支路及第二支路，第一支路由第一检测开关21及第一隔离电阻22组成，第二支路由第二检测开关23及第二隔离电阻24组成。
其中，第一隔离电阻22与第二隔离电阻24的阻值可以是兆欧级，属于高阻，对于不同的运用系统，通常会有不同的阻值进行选择，例如，若低压区的 A/D采集参考基准为3.3V，则对于电动汽车系统来说，可以是分为400V系统和 900V系统，400V系统的第一隔离电阻22阻值可以为2MΩ，第二隔离电阻24 阻值可以与第一电阻值相同为2MΩ，900V系统的第一隔离电阻22阻值可以为 3MΩ，第二隔离电阻24阻值可以与第一电阻值相同为3MΩ。低压减法放大单元3可以是对电路中的输入信号进行衰减实现低压采集模式。低压跟随单元4可以是跟随器41跟随器41满足输入高阻抗输出低阻抗，并且能够保证输入电压与输出电压的稳定，及放大倍数小于1且接近1。
具体的，第一隔离电阻22与第二隔离电阻24可以是在高低压隔离单元2 与低压减法放大单元3实现共用，即既可以是属于高低压隔离单元2也可以是谁与低压减法放大单元3。通过在电池管理模块1内部设置一高低压隔离单元2，高低压隔离单元2设置第一支路与第二支路，第一支路上设置有第一检测开关 21及第一隔离电阻22进行串联，第一检测开关21一端连接待测电压的正极，另一端与低压减法放大单元3连接，第二支路上设置有第二检测开关23及第二隔离电阻24进行串联，第二检测开关23与待测电压的负极连接，另一端与低压减法放大单元3连接，其中，待测电压为高压。本发明还可以应用于工业领域、蓄能系统等，通过设置上述的高低压隔离单元2，同样可以实现对外电压的采集。
这样，通过在电池管理模块1内部第一检测开关21第一隔离电阻22第二检测开关23第二隔离电阻24设置第一检测开关21与第一隔离电阻22串联后与待测电压正极和低压减法放大单元3正极输入端连接，且第二检测开关23 与第二隔离电阻24串联后与待测电压负极和低压减法放大单元3负极输入端连接，形成一个能够在高低压之间进行高阻隔离的部分，在不影响外电压采集的情况下，避免了高压采集时需要隔离电源、采集电路的问题，有利于降低了成本。
实施例二
本发明还提供了另一种电池系统的外电压采集电路，在具体实施例一的基础上，第一检测开关21一端连接待测电压正极，另一端与第一隔离电阻22一端连接，第一隔离电阻22的另一端与低压减法放大单元的正极输入端连接。
具体的，第一检测开关21与第一隔离电阻22设置在电池管理模块1内部。第一检测开关21及第一隔离电阻22进行串联后，通过将第一检测开关21的一端与待测电压正极连接，并将第一隔离电阻22一端与低压减法放大单元3的正极输入端连接，第一隔离电阻22为高阻，实现将待测电压通过高阻与低压区域进行隔离，第一检测开关21可以用于控制电路的通断情况。
这样，通过将第一隔离电阻22设置电池管理模块1中，不管是在第一检测开关21通电还是断电的情况下，都不会对电池管理模块1产生不良影响，也不需要单独对电源或者采集电路进行隔离，即在电池管理模块1内部实现高阻对高低压之间的隔离。
实施例三
本发明还提供了另一种电池系统的外电压采集电路，在具体实施例一至二的基础上，第二检测开关23一端连接待测电压负极，另一端与第二隔离电阻24一端连接，第二隔离电阻24的另一端与低压减法放大单元的负极输入端连接。
具体的，第二检测开关23与第二隔离电阻24同样设置在电池管理模块1 内部。第二检测开关23及第二隔离电阻24进行串联后，通过将第二检测开关 23的一端与待测电压的负极连接，并将第二隔离电阻24一端与低压减法放大单元3的负极输入端连接，第二隔离电阻24设置为高阻，实现将待测电压通过高阻与低压区域进行隔离，第二检测开关23可以用于控制电路的通断情况。
更具体的，当第一检测开关21以及第二检测开关23断开，待测电压对电池管理模块1的绝缘情况不影响；当第一检测开关21以及第二检测开关23导通，由于第一隔离电阻22与第二隔离电阻24设置为高阻，可以起到绝缘作用，根据GB/T17384标准，基础绝缘为500Ω/V，即漏电流小于2mA。对于电动汽车系统(400V/900V)，兆欧级别的隔离电阻，漏电流远小于2mA，整车系统是安全的；
这样，通过将第一隔离电阻22设置在待测电压与低压减法放大单元3之间，第二隔离电阻24设置在待测电压与低压减法放大单元3之间，不管是在第二检测开关23通电还是断电的情况下，都不会对电池管理模块1产生不良影响，也不需要单独对电源或者采集电路进行隔离，即在电池管理模块1内部实现高阻对高低压之间的隔离。
实施例四
本发明还提供了另一种电池系统的外电压采集电路，在具体实施例一的基础上，低压减法放大单元3包括减法放大器，减法放大器的正极输入端与第一隔离电阻22的一端连接，负极输入端与第二隔离电阻24的一端连接。
具体的，减法放大器可以是基础的减法器，减法器可以包括第一隔离电阻 22、第二隔离电阻24、与第一隔离电阻22、第二隔离电阻24连接的运算放大器、连接在运算放大器正极输入端的第三电阻31、一端连接在运算放大器负极输入端且另一端连接到运算放大器的输出端的第四电阻32、以及在运算放大器上分别接入的电源正极电压(VDD)与电源接地电压(VEE)，VEE可以是接地电压。其中，第三电阻31的另一端接地。减法器可以是对电路中的信号进行衰减实现一个低压采集。采用反向输入和同向输入结合，在理想的运放情况下，可以是把电路看成虚短处理。
更具体的，当第一隔离电阻22与第二隔离电阻24阻值相等，都设置为兆欧级别，第三电阻31与第四电阻32阻值相等，都设置为千欧级别，则可以通过减法器的电压计算公式对运算放大器的输出电压进行计算，减法器简化后的计算公式为：U3＝(U1-U2)×R3/R4，其中，U1表示待测电压正极流经第一隔离电阻 22的电压，U2表示待测电压负极流经第二隔离电阻24的电压，U3表示运算放大器输出端的电压，R3表示第三电阻31，R4表示第四电阻32。对于不同的系统，所采用的各个电阻值不同，若以低压区域A/D采集的参考电压基准为3.3V时，对于400V系统而言，R1＝R2＝1MΩ，R3＝R4＝7KΩ；对于900V系统而言，R1＝R2＝3M Ω，R3＝R4＝10KΩ。当然，若应用于电池蓄能系统等不同的系统中时，所选的电阻阻值都是不同的。
这样，通过对减法放大器中第一隔离电阻22、第二隔离电阻24、第三电阻 31以及第四电阻32的阻值进行选取，并且与运算放大器形成完整的减法器，通过减法器可以实现对电路中的信号进行衰减，便于低压区对电压的采集。
实施例五
本发明还提供了另一种电池系统的外电压采集电路，在具体实施例一至五的基础上，低压跟随单元4包括跟随器41，跟随器41的正极输入端与减法放大器的输出端连接，跟随器41的负极输入端直接连接到跟随器41的输出端。
具体的，跟随器41能够满足输入高阻抗，输出低阻抗，常用作中间级，进行缓冲或者隔离。将跟随器41的正极输入端与运算放大器的输出端连接，将输出的电压通过跟随器41之后再输出，这个过程中，跟随器41能够起到阻抗匹配的作用，进行阻抗变换，保证与跟随器41的输出端连接的电路有更好的工作环境。例如：电吉他的信号输出属于高阻，接入录音设备或者音箱时，在音色处理电路之前加入电压跟随器41，会使得阻抗匹配，音色更加完美。经过跟随器41的电压放大倍数小于1且接近1。
这样，通过在运算放大器的输出端接入一个跟随器41，对电路进行阻抗匹配，并且能够实现缓冲、输入高阻输出低阻的作用，对下级电路的工作环境提供了保障。
实施例六
本发明还提供了另一种电池系统的外电压采集电路，在具体实施例一的基础上，第一隔离电阻阻值与第二隔离电阻阻值相等。
具体的，第一隔离电阻22与第二隔离电阻24的阻值可以是设置为同样的阻值，当第一检测开关21与第二检测开关23闭合时，设置为相同的阻值可以保证第一支路与第二支路上产生的漏电流均处于安全范围内。对应第一隔离电阻22与第二隔离电阻24的阻值，可以对第三电阻31与第四电阻32进行对应的阻值设置。当然对应不同的系统，第一隔离电阻22与第二隔离电阻24的阻值可以是不同的，例如：以低压区域A/D采集的参考电压基准为3.3V时，对于 400V系统而言，R1＝R2＝1MΩ，R3＝R4＝7KΩ；对于900V系统而言，R1＝R2＝3MΩ， R3＝R4＝10KΩ。
实施例七
如图2所示，为本发明实施例提供的一种外电压采集方法的具体实施方式的流程图。一种外电压采集方法，包括以下步骤：
步骤701，断开电路时，第一检测开关21与第二检测开关23断开；
步骤702，电源正极电压以及电源接地电压提供输入信号，输入信号经过减法放大器进行衰减，输出到跟随器41；
步骤703，在跟随器41的输出端对输入信号进行采集。
具体的，当第一检测开关21与第二检测开关23断开时，通过电源正极电压以及电源接地电压提供输入信号(电压信号、电流信号)到运算放大器，保证电池管理系统的内部正常运行，根据第一隔离电阻22、第二隔离电阻24第三电阻31以及第四电阻32的阻值，通过减法器的计算公式，计算输出输入信号的大小减法器还可以对输入信号进行衰减，保证进行低压信号采集，输入信号从运算放大器的输出端输出到跟随器41的正极输入端，然后从跟随器41的输出端输出输入信号，在输出端通过A/D(模数)转换进行输入信号采集。
实施例八
如图3所示，为本发明实施例提供的另一种外电压采集方法的具体实施方式的流程图。一种外电压采集方法，还包括以下步骤：
步骤801，导通电路时，第一检测开关21及第二检测开关23闭合，输入信号流经第一隔离电阻22以及第二隔离电阻24被隔离；
步骤802，输入信号经过第一隔离电阻22及第二隔离电阻33后，再输入到减法放大器的正极输入端及负极输入端，其中，输入信号为差分电压信号。
具体的，第一隔离电阻22以及第二隔离电阻24闭合，第一隔离电阻22 以及第二隔离电阻24又设置为高阻，会对待测电压的输入输入信号进行高低压隔离，起到绝缘作用，而基础绝缘为500Ω/V，即漏电流是小于2mA。对于电动汽车系统(400V/900V)，兆欧级别的隔离电阻，漏电流远小于2mA，整车系统是安全的。所以输入信号通过减法器进行衰减后，从输出端流入跟随器41的输入端，最后从跟随器41的输出端输出进行输入信号采集，其中，输入信号作为差分电压信号可以抑制共模干扰。
实施例九
图4为本发明实施例提供的另一种外电压采集方法的具体实施方式的流程图。一种外电压采集方法，还包括以下步骤：
步骤901，当电池管理模块1工作时，通过电源正极电压以及电源接地电压向减法放大器提供输入信号；
步骤902，减法放大器对输入信号进行信号衰减；
步骤903，将衰减后的输入信号输出到跟随器41的正极输入端进行阻抗变换；
步骤904，在跟随器41的输出端对输入信号进行采集。
具体的，当电源正极电压以及电源接地电压向减法放大器提供输入信号供内部使用时，减法器(减法放大器)会对输入信号进行衰减，再输出到跟随器 41的输入端，经过跟随器41的处理缓冲后将电压信号输出进行采集。
实施例十
本发明还提供一种电动汽车，包括上述实施例一至六中任一项一种电池系统的外电压采集电路。
本发明提供的一种电动汽车包括上述实施例一至六中的任一一项具体实施方式，且能够达到相同的有益效果，为避免重复，这里不再赘述。
本发明通过将第一隔离电阻22与第二隔离电阻24设置为兆欧级别的高阻，并分别通过设置第一检测开关21和第二检测开关23对电路的通断情况进行控制。电路断开时，待测的外电压不会影响电池管理模块1的绝缘情况；电路闭合的时候，第一隔离电阻22与第二隔离电阻24起到绝缘作用，形成高阻隔离，保证漏电流属于安全电流范围内，使整车系统的安全性。直接将电池管理模块 1中的减法器的第一隔离电阻22与第二隔离电阻24设置为高阻，避免了在采集外电压时需要隔离电源与采集电路的问题，有利于降低成本。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。同时，在本发明中，电路元件的连接均为电连接。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池系统的外电压采集电路，用于电动汽车的外电压采集，其特征在于，包括：
电池管理模块，所述电池管理模块包括高低压隔离单元、输入端与所述高低压隔离单元连接的低压减法放大单元、以及正极输入端与所述低压减法放大单元输出端连接的低压跟随单元；
其中，所述高低压隔离单元设置有第一支路及第二支路，所述第一支路由第一检测开关及第一隔离电阻串联组成，所述第二支路由第一检测开关及第一隔离电阻串联组成。
2.如权利要求1所述的一种电池系统的外电压采集电路，其特征在于，所述第一检测开关一端连接待测电压正极，另一端与所述第一隔离电阻一端连接，所述第一隔离电阻的另一端与所述低压减法放大单元的正极输入端连接。
3.如权利要求1所述的一种电池系统的外电压采集电路，其特征在于，所述第二检测开关一端连接待测电压负极，另一端与所述第二隔离电阻一端连接，所述第二隔离电阻的另一端与所述低压减法放大子模块的负极输入端连接。
4.如权利要求1所述的一种电池系统的外电压采集电路，其特征在于，所述低压减法放大单元包括减法放大器，所述减法放大器的正极输入端与所述第一隔离电阻的一端连接，负极输入端与所述第二隔离电阻的一端连接。
5.如权利要求4所述的一种电池系统的外电压采集电路，其特征在于，所述低压跟随单元包括跟随器，所述跟随器的正极输入端与所述减法放大器的输出端连接，所述跟随器的负极输入端直接连接到所述跟随器的输出端。
6.如权利要求1所述的一种电池系统的外电压采集电路，其特征在于，所述第一隔离电阻阻值与所述第二隔离电阻阻值相等。
7.一种动汽车电池系统的外电压采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
断开电路时，所述第一检测开关与所述第二检测开关断开；
电源正极电压以及电源接地电压提供输入信号，输入信号经过所述减法放大器进行衰减，输出到所述跟随器；
在所述跟随器的输出端对输入信号进行采集。
8.如权利要求7所述的一种动汽车电池系统的外电压采集方法，还包括以下步骤：
导通电路时，所述第一检测开关及所述第二检测开关闭合，输入信号流经所述第一隔离电阻以及所述第二隔离电阻被隔离；
输入信号经过所述第一隔离电阻及所述第二隔离电阻后，再输入到所述减法放大器的正极输入端及负极输入端，其中，所述输入信号为差分电压信号。
9.如权利要求7所述的一种动汽车电池系统的外电压采集方法，还包括以下步骤：
当所述电池管理模块工作时，通过所述电源正极电压以及电源接地电压向所述减法放大器的提供输入信号；
所述减法放大器对输入信号进行信号衰减；
将衰减后的输入信号输出到所述跟随器的正极输入端进行阻抗变换；
在所述跟随器的输出端对输入信号进行采集。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的一种电池系统的外电压采集电路。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113607999A (zh) * 2021-07-19 2021-11-05 深圳麦科信科技有限公司 隔离差分电路、差分探头和示波器组件

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