CN110471003A - 电压采集装置及电压采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电压采集装置及电压采集方法，用于对电池包内的至少两组电芯的电压进行采集。所述电压采集装置包括：模拟前端，至少包括与第一组电芯相连的低侧模拟前端和与第二组电芯相连的高侧模拟前端；减法器，用于获得所述高侧模拟前端输出的电芯相对于地的模拟电压；当所述第一组电芯与第二组电芯串联时，所述减法器的正输入端输入所述高侧模拟前端输出的电压、负输入端输入所述第一组电芯的电压和；当所述第一组电芯与第二组电芯并联时，所述减法器的正输入端输入所述高侧模拟前端输出的电压、负输入端接地。

Description

电压采集装置及电压采集方法
技术领域
本发明涉及一种电压采集装置及电压采集方法，属于电池管理领域。
背景技术
目前电池包行业，为了扩展电池包的通用性，通常采用两组电芯串、并联方式，组成双压电池包(以下简称电池包)，电池包提供两种电压规格为电动工具供电，比较常见的有20V/40V电池包、24V/48V电池包、40V/80V电池包。以20V/40V电池包为例，当两组电芯相互并联时，输出电压为低电压20V；而当两组电芯相互串联时，输出电压则为高电压40V。
因电池包需要提供两种电压规格为电动工具供电，故需要两个模拟前端AFE来分别管理两组电芯，但是当AFE中没有集成ADC模块时，就无法对高电压进行检测。
有鉴于此，确有必要对现有的电池包的电压采集装置及采集方式进行改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的电压采集装置及电压采集方法，从而无需集成ADC模块，也能接收模拟前端输出的模拟电压。
为实现上述目的，本发明提供了一种电压采集装置，用于对电池包内的至少两组电芯的电压进行采集，所述电压采集装置包括：
模拟前端，至少包括与第一组电芯相连的低侧模拟前端和与第二组电芯相连的高侧模拟前端；
减法器，用于获得所述高侧模拟前端输出的电芯相对于地的模拟电压；
当所述第一组电芯与第二组电芯串联时，所述减法器的正输入端输入所述高侧模拟前端输出的电压、负输入端输入所述第一组电芯的电压和；当所述第一组电芯与第二组电芯并联时，所述减法器的正输入端输入所述高侧模拟前端输出的电压、负输入端接地。
作为本发明的进一步改进，所述电压采集装置还包括开关控制电路，所述开关控制电路包括在第一组电芯与第二组电芯串联时连接所述第一组电芯的总正与所述减法器的第一开关、在第一组电芯与第二组电芯并联时连接所述减法器与地的第二开关。
作为本发明的进一步改进，所述第一开关的一端与所述第一组电芯的总正相连、另一端与所述减法器的负输入端相连，所述第二开关的一端与减法器的负输入端相连、另一端接地，且当所述第一组电芯与第二组电芯串联时，所述第一开关闭合、第二开关断开；当所述第一组电芯与第二组电芯并联时，所述第一开关断开、第二开关闭合。
作为本发明的进一步改进，所述电压采集装置还包括微控制器，所述微控制器分别与所述低侧模拟前端及减法器相连，以根据所述第一组电芯与第二组电芯的串联或并联关系，控制所述第一开关和第二开关的断开或闭合。
作为本发明的进一步改进，所述电压采集装置还包括将所述高侧模拟前端的通信接口与所述微控制器的通信接口相连的通信隔离电路，所述通信隔离电路通过第二通信通道与所述微控制器进行通信。
作为本发明的进一步改进，所述低侧模拟前端与所述微控制器之间通过第一通信通道进行通信，且所述低侧模拟前端输出的电压直接传输至所述微控制器。
作为本发明的进一步改进，所述电压采集装置还包括总压采集电路，所述总压采集电路用于对电池包内至少两组电芯的总电压进行采集，以便根据采集到的总电压判断所述至少两组电芯为串联连接或并联连接。
作为本发明的进一步改进，所述第一组电芯与第二组电芯之间设置有控制开关，所述控制开关用于控制所述第一组电芯和第二组电芯串联或并联。
为实现上述目的，本发明还提供了一种电压采集方法，用于对电池包内至少两组电芯的电压进行采集，主要包括以下步骤：
提供模拟前端，并定义与至少两组电芯中第一组电芯相连的为低侧模拟前端、与第二组电芯相连的为高侧模拟前端；
提供减法器，将减法器的正输入端与所述高侧模拟前端的输出端相连；
当第一组电芯与第二组电芯串联时，将所述减法器的负输入端与所述第一组电芯的总正相连，以输入所述第一组电芯的电压和；当第一组电芯与第二组电芯并联时，将所述减法器的负输入端接地。
作为本发明的进一步改进，还包括步骤：对电池包内至少两组电芯的总电压进行采集，并根据采集到的总电压判断至少两组电芯为串联连接或并联连接。
本发明的有益效果是：本发明的电压采集装置通过设置减法器，从而在至少两组电芯串联时，可利用高侧模拟前端输出的电压减去第一组电芯的电压和，来获得高侧模拟前端输出的对应电芯相对于地的模拟电压；而在至少两组电芯并联时，可通过将减法器的负输入端接地来获得高侧模拟前端输出的对应电芯相对于地的模拟电压，无需担心高压损坏微控制器。
附图说明
图1是本发明电压采集装置的第一实施例结构示意图。
图2是图1中减法器的内部电路图。
图3是应用图1所示电压采集装置时的方法流程图。
图4是将图1所示电压采集装置应用于三组模拟前端AFE时的结构示意图。
图5是本发明电压采集装置的第二实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
目前电池包行业，为了扩展电池包的通用性，通常采用两组电芯串、并联方式，来提供两种电压规格为电动工具供电，比较常见的有20V/40V电池包、24V/48V电池包、40V/80V电池包，而两组电芯则通常需要两个模拟前端(AFE)来分别管理。
与微控制器(MCU)共地的模拟前端(以下简称低侧模拟前端)与微控制器通信时不需要加隔离芯片，通信接口直连即可实现通信；但是另一个AFE(以下简称高侧模拟前端)则需要加通信隔离芯片才能与微控制器进行通信。当然，内部集成有模数转换器(以下简称ADC模块)的AFE可以直接将采集到的电芯电压转换成数字量通过通信接口发送给微控制器处理；但是有一些比较低级的AFE内部没有集成ADC模块，只能发送对应电芯的模拟量给微控制器采样；同时，低侧模拟前端的模拟量可以直接发给微控制器处理，而高侧模拟前端的模拟量则不能直接发给微控制器处理，否则会因高压而损坏微控制器。
一般内部集成有ADC模块的AFE成本会比内部没有集成ADC模块的AFE成本高很多，为了降低成本，通常会选用内部没有集成ADC模块的AFE，但此时则需要解决微控制器采集高侧模拟前端模拟量的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种电压采集装置，用于对电池包内的至少两组电芯的电压进行采集。为了描述方便、清楚，以下将以两组电芯为例进行详细说明，但不应以此为限。
如图1所示，所述电压采集装置包括：模拟前端(AFE)、减法器20、通信隔离电路30、开关控制电路、总压采集电路40以及微控制器(MCU)50。
将两组电芯分别定义为第一组电芯1和第二组电芯2，且第一组电芯1与第二组电芯2之间设置有控制开关，该控制开关用于控制第一组电芯1和第二组电芯2的串联连接或并联连接。较佳地，本实施例中，控制开关为机械开关，如公插片或母插片。
模拟前端包括与第一组电芯1相连的低侧模拟前端11和与第二组电芯2相连的高侧模拟前端12，且低侧模拟前端11用于对第一组电芯1的相对于地的模拟电压进行采集，并传输至微控制器50，高侧模拟前端12用于对第二组电芯2的相对于地的模拟电压进行采集，并传输至微控制器50。
较佳的，低侧模拟前端11与微控制器50之间通过第一通信通道111进行通信，从而在微控制器50需要对第一组电芯1中任一节电芯的相对于地的模拟电压进行采集时，可利用该第一通信通道111进行指令的传输，低侧模拟前端11在接收到这样的指令后，会迅速检测并提取出相应电芯的模拟电压值。与此同时，低侧模拟前端11的接口Uout1与微控制器50的接口AD1相连，从而在低侧模拟前端11检测到相应电芯的模拟电压后，即可直接输出至微控制器50。
通信隔离电路30连接于高侧模拟前端12与微控制器50之间，并将高侧模拟前端12的通信接口与微控制器50的通信接口相连，从而实现高侧模拟前端12与微控制器50之间的通信。较佳地，高侧模拟前端12、通信隔离电路30及微控制器50之间通过第二通信通道121进行通信。
减法器20用于获得所述高侧模拟前端12输出的第二组电芯2的相对于地的模拟电压(即实际电压)。具体来讲，减法器20的正输入端与高侧模拟前端12的接口Uout2相连，以接收高侧模拟前端12输出的电压；减法器20的负输入端可以与第一组电芯1的总正相连、也可以接地；减法器20的输出端OUT与微控制器50的接口AD2相连，以将减法器20输出的第二组电芯2的相对于地的模拟电压(即实际电压)输送至微控制器50。
总压采集电路40连接在第二组电芯2与微控制器50之间，用于采集电池包内两组电芯的总电压并传输至微控制器50，从而微控制器50可以根据接收到的总电压判断出第一组电芯1与第二组电芯2是串联连接还是并联连接，继而再控制开关控制电路工作。当然，在其他实施例中，也可不设置该总压采集电路40，直接手动将第一组电芯1与第二组电芯2串联或并联，只要能够判断出第一组电芯1与第二组电芯2的连接关系即可。
开关控制电路包括在第一组电芯1与第二组电芯2串联时连接所述第一组电芯1的总正与所述减法器20的第一开关S1、在第一组电芯1与第二组电芯2并联时连接所述减法器20与地(即将所述减法器20接地)的第二开关S2。具体地，所述第一开关S1的一端与所述第一组电芯1的总正相连、另一端与所述减法器20的负输入端相连，所述第二开关S2的一端与减法器20的负输入端相连、另一端接地，且当所述第一组电芯1与第二组电芯2串联时，所述第一开关S1闭合、第二开关S2断开，所述减法器20的正输入端输入所述高侧模拟前端12输出的电压、负输入端输入第一组电芯1的电压和，此时减法器20的输出端OUT输出的是第二组电芯2的相对于地的模拟电压，即实际电压；当所述第一组电芯1与第二组电芯2并联时，所述第一开关S1断开、第二开关S2闭合，所述减法器20的正输入端输入所述高侧模拟前端12输出的电压、负输入端接地，此时减法器20的输出端OUT输出的也是第二组电芯2的相对于地的模拟电压，即实际电压。
这是因为：如图2所示，在第一组电芯1与第二组电芯2串联的情况下，高侧模拟前端12以地(GND)为参考，此时接口Uout2输出的数值是以GND为参考时的电压值，因而将高侧模拟前端12输出的电压减去第一组电芯1的电压和，即可得到所检测的第二组电芯2的实际电压。以GND为参考时，接口Uout2输出的电压值较高，若直接输入到微控制器50中则会损坏微控制器50(超出微控制器允许的范围)，因此采用减法器20减去第一组电芯1的电压和，即可得到所检测的第二组电芯2的实际电压，其数值较小，可输入到微控制器50中。
需要说明的是：在串联情况下，以GND为参考，低侧模拟前端11输出的电压值为所检测的第一组电芯1的实际电压值，而高侧模拟前端12输出的电压值则是所检测的第二组电芯2的实际电压值叠合第一组电芯1的电压和之后的数值。因此，若想得到真正的所检测的第二组电芯2的电压值，则必须通过减法器20减去第一组电芯1的电压和。
在第一组电芯1与第二组电芯2并联的情况下，高侧模拟前端12输出的电压即为第二组电芯2的真实电压值，因而将减法器20的负输入端接地，可直接得到第二组电芯2的实际电压，其数值较小，可直接输入到微控制器50中。
所述第一开关S1和第二开关S2的断开或闭合由所述微控制器50控制。也就是说，在判断出第一组电芯1与第二组电芯2串联时，微控制器50控制第一开关S1闭合、第二开关S2断开；而在判断出第一组电芯1与第二组电芯2并联时，微控制器50则控制第一开关S1断开、第二开关S2闭合。
本发明的电压采集装置在工作时，主要包括以下步骤：
提供模拟前端，并定义与至少两组电芯中第一组电芯1相连的为低侧模拟前端11、与第二组电芯2相连的为高侧模拟前端12；
提供减法器20，将减法器20的正输入端与所述高侧模拟前端12的输出端相连；
当第一组电芯1与第二组电芯2串联时，将所述减法器20的负输入端与所述第一组电芯1的总正相连，以输入所述第一组电芯1的电压和；当第一组电芯1与第二组电芯2并联时，将所述减法器20的负输入端接地。
如图3所示，电压采集方法具体包括以下步骤：
S1、将电池包插入电动工具或充电器中；
S2、启动总压采集：待电池包被唤醒后，微控制器50控制总压采集电路40工作，并通过接口AD3对电池包内两组电芯的总电压进行采集；
S3、根据采集到的总电压判断两组电芯的串、并联关系(即为串联连接或并联连接)，若为串联连接，则进入步骤S4，若为并联连接，则进入步骤S5；
S4、微控制器50控制第一开关S1闭合、第二开关S2断开；
S5、微控制器50控制第一开关S1断开、第二开关S2闭合；
S6、启动电压采集：微控制器50启动第一通信通道111，并通过接口AD1采集低侧模拟前端11输出的第一组电芯1的相对于地的模拟电压(即实际电压)；同时微控制器50启动第二通信通道121，并通过接口AD2采集经过减法器20的高侧模拟前端12输出的第二组电芯2的相对于地的模拟电压(即实际电压)；
S7、重复步骤S6，直至所有电芯的电压全部采集完。
需要说明的是：本发明所采集的电压为每根电芯(包含第一组电芯1和第二组电芯2)的实际电压，而不是电芯组的电压和。
如图4所示，为将图1所示电压采集装置应用于三组模拟前端AFE时的结构示意图。从该图可以看出：本发明的电压采集装置不仅适用于两组模拟前端AFE的情形，同样也适用于三组甚至更多组模拟前端AFE的情形。
当本发明的电压采集装置应用于三组模拟前端AFE时，第一组电芯1和第二组电芯2的电压采集方式与图1相同，也分为第一组电芯1与第二组电芯2串联连接或并联连接两种情况，此处不再详细描述。
同理，对于第三组电芯3而言，当第一组电芯1、第二组电芯2、第三组电芯3相互串联连接时，第一开关S1’闭合、第二开关S2’断开，此时第二减法器21的正输入端输入模拟前端AFE3输出的电压、负输入端输入第一组电芯1和第二组电芯2的电压和，第二减法器21的输出端OUT输出的是第三组电芯2的相对于地的模拟电压，即减去第一组电芯1与第二组电芯2的电压和之后的实际电压；当第一组电芯1、第二组电芯2及第三组电芯3相互并联连接时，第一开关S1’断开、第二开关S2’闭合，此时第二减法器21的正输入端输入模拟前端AFE3输出的电压、负输入端接地，第二减法器21的输出端OUT输出的也是第三组电芯3的相对于地的模拟电压，即实际电压。
以此类推，当本发明的电压采集装置应用于四组模拟前端AFE时，可利用三个减法器来对高侧模拟前端对应的电芯的相对于地的模拟电压进行采集，且可以安全的输送至微控制器50，此处不再举例说明。
如图5所示，为本发明电压采集装置的第二实施例。在本实施例中，所述第一组电芯1’与第二组电芯2’之间设置的控制开关为电子开关S3、S4、S5，从而可利用该电子开关S3、S4、S5来控制所述第一组电芯1’和第二组电芯2’的串联连接或并联连接。
具体来讲，当第一组电芯1’与第二组电芯2’串联连接时，微控制器50控制电子开关S3闭合、S4和S5断开，与此同时控制第一开关S1闭合、第二开关S2断开，以此来实现对第一组电芯1’和第二组电芯2’的电压采集；而当第一组电芯1’与第二组电芯2’并联连接时，微控制器50控制电子开关S4和S5闭合、S3断开，与此同时控制第一开关S1断开、第二开关S2闭合，以此来实现对第一组电芯1’和第二组电芯2’的电压采集。
至于第一组电芯1’和第二组电芯2’的电压采集过程可参考图1至图3所示的电压采集装置，此处不再描述。
总的来讲，本发明根据总电压来判断两组电芯的串、并联，然后通过开关S1、S2来调节减法器20负输入端的接入，因此不管在串联还是并联的情况下，通过减法器20均可得到所检测电芯的实际电压，可见，本申请的技术方案通过开关控制和减法器20，使得减法器20的输出端能够输出高侧模拟前端12所采集的电芯的实际电压，不需要在模拟前端AFE中集成ADC模块，降低了成本。
综上所述，本发明的电压采集装置通过设置减法器20，从而在至少两组电芯串联时，可利用高侧模拟前端12输出的电压减去第一组电芯1的电压和，来获得高侧模拟前端12输出的对应第二组电芯2的相对于地的模拟电压；而在至少两组电芯并联时，可通过将减法器20的负输入端接地来获得高侧模拟前端12输出的对应第二组电芯2的相对于地的模拟电压，无需担心高压损坏微控制器50。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电压采集装置，用于对电池包内的至少两组电芯的电压进行采集，其特征在于，所述电压采集装置包括：
模拟前端，至少包括与第一组电芯相连的低侧模拟前端和与第二组电芯相连的高侧模拟前端；
减法器，用于获得所述高侧模拟前端输出的电芯相对于地的模拟电压；
当所述第一组电芯与第二组电芯串联时，所述减法器的正输入端输入所述高侧模拟前端输出的电压、负输入端输入所述第一组电芯的电压和；当所述第一组电芯与第二组电芯并联时，所述减法器的正输入端输入所述高侧模拟前端输出的电压、负输入端接地。
2.根据权利要求1所述的电压采集装置，其特征在于：所述电压采集装置还包括开关控制电路，所述开关控制电路包括在第一组电芯与第二组电芯串联时连接所述第一组电芯的总正与所述减法器的第一开关、在第一组电芯与第二组电芯并联时连接所述减法器与地的第二开关。
3.根据权利要求2所述的电压采集装置，其特征在于：所述第一开关的一端与所述第一组电芯的总正相连、另一端与所述减法器的负输入端相连，所述第二开关的一端与减法器的负输入端相连、另一端接地，且当所述第一组电芯与第二组电芯串联时，所述第一开关闭合、第二开关断开；当所述第一组电芯与第二组电芯并联时，所述第一开关断开、第二开关闭合。
4.根据权利要求2所述的电压采集装置，其特征在于：所述电压采集装置还包括微控制器，所述微控制器分别与所述低侧模拟前端及减法器相连，以根据所述第一组电芯与第二组电芯的串联或并联关系，控制所述第一开关和第二开关的断开或闭合。
5.根据权利要求4所述的电压采集装置，其特征在于：所述电压采集装置还包括将所述高侧模拟前端的通信接口与所述微控制器的通信接口相连的通信隔离电路，所述通信隔离电路通过第二通信通道与所述微控制器进行通信。
6.根据权利要求4所述的电压采集装置，其特征在于：所述低侧模拟前端与所述微控制器之间通过第一通信通道进行通信，且所述低侧模拟前端输出的电压直接传输至所述微控制器。
7.根据权利要求1所述的电压采集装置，其特征在于：所述电压采集装置还包括总压采集电路，所述总压采集电路用于对电池包内至少两组电芯的总电压进行采集，以便根据采集到的总电压判断所述至少两组电芯为串联连接或并联连接。
8.根据权利要求1所述的电压采集装置，其特征在于：所述第一组电芯与第二组电芯之间设置有控制开关，所述控制开关用于控制所述第一组电芯和第二组电芯串联或并联。
9.一种电压采集方法，应用权利要求1-8中任一项所述的电压采集装置对电池包内至少两组电芯的电压进行采集，其特征在于，主要包括以下步骤：
提供模拟前端，并定义与至少两组电芯中第一组电芯相连的为低侧模拟前端、与第二组电芯相连的为高侧模拟前端；
提供减法器，将减法器的正输入端与所述高侧模拟前端的输出端相连；
当第一组电芯与第二组电芯串联时，将所述减法器的负输入端与所述第一组电芯的总正相连，以输入所述第一组电芯的电压和；当第一组电芯与第二组电芯并联时，将所述减法器的负输入端接地。
10.根据权利要求9所述的电压采集方法，其特征在于，还包括步骤：对电池包内至少两组电芯的总电压进行采集，并根据采集到的总电压判断至少两组电芯为串联连接或并联连接。
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