CN110749830A - 一种矿用锂电池组管理系统采集单元及其采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿用锂电池组管理系统采集单元及其采集方法，包括锂电池组，该系统通过链式连接及隔离式SPI通信，实现对锂电池数据的采集、传输、处理、监视和控制。有更高的精度，更适用于矿用动力锂电池检测。通过在电压采集及均衡电路中增加散热电路，实现稳定电路，降低电压波动，同时降低采集板温度，保证系统正常工作。无需直接接触高压电路，低压测量电路和高压被测电路可以隔离，避免动力电池端的干扰进入控制端，不需外部隔离。进而达到提高采样精度，避免高压干扰的目的。能够解决现有技术中随着电池数量增多，将会占用主控板更多的端口和数据处理能力的问题，减轻主控板的负担。

Description

一种矿用锂电池组管理系统采集单元及其采集方法
技术领域
本发明涉及锂电池组管理系统领域，具体涉及一种矿用锂电池组管理系统采集单元。
背景技术
现有的锂电池组管理系统主要是针对于民用汽车，其输出功率一般在30-40KW。普通的BMS系统从电压、电流、温度、SOC和SOP等各功能考虑都不适应或不满足特殊工况下的矿用锂离子动力电池组应用。
根据《矿用隔爆(兼本安)型锂离子蓄电池电源安全技术要求(暂行)》和《关于矿用产品使用的锂离子蓄电池安全标志管理意见(暂行)》的规定，矿用隔爆型无轨胶车动力电池组采用100节额定电压为3.2V、容量为100Ah的磷酸铁锂单体电池串联而成。其中每10块为一组，共十组，每20块为一个电池包。
现有的多数是基于LTC6804电池监视芯片为核心，甚至基于更低版本的LTC6802系列；以霍尔电流传感器采集电流；以热敏电阻或18b20温度传感器进行温度采集；以飞思卡尔16位单片机位控制核心；以SPI通信为主；以最简单的阶梯方式进行充放电的控制，先进的采用按时积分法；隔爆多采用隔爆外壳的方式，将事故状态下可能产生火花的部分进行密封性隔开。
现有技术都存在一定的安全隐患，尤其是对于用于运输人员的矿用隔爆型无轨胶车。主要存在以下确定或不足：
(1)随着运输车辆对输出功率的要求越来越高，最高可达2900马力(220T片以上卡车)。动力电池组有成百块磷酸铁锂电池串并联构成，电池单体电压和温度的采集速率直接影响到电压的采集精度、SOC和SOP估算精度，现有的LTC6804电池监视芯片已经不满足采集速率，而LTC6802系列早已成为淘汰品。
(2)现有的BMS系统与AECU模块的通信多采用Linear公司提供的SPI通信方式，而运输车辆其它通信方式多采用CAN。SPI通信速度不及CAN通信、不支持多主机、没有指定的流控制、没有应答机制，占用主控芯片的引脚较多，且不便于整车的信号控制。
(3)不准确的SOC估算往往会导致比预期更大的SOC波动，从而减少电池的循环寿命、降低车辆的能量利用效率；不可靠的SOP估计则会导致驾驶员对车辆的加速能力或者续驶历程进行误判，影响车辆的正常行驶，甚至出现安全事故。现有的估算方法不可靠。
(4)隔爆方式过于简单，没有从事故的根源解决火花问题或爆炸问题。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种矿用锂电池组管理系统采集单元，基于SPI通信技术、菊链式连接方式、电池保护技术、传感器识别控制技术、SOC与SOP的精确估算以及数据的处理；将通过SPI通信实现主控板微处理器和采集板之间的数据传输，并且采集板与采集板之间采用菊链式连接方式实现所有采集板用一根主处理器接线，从而达到同时控制和处理多个隔爆型动力锂电池组的目的。
本发明所要解决的技术问题为：
A.如何通过对更高精度的数据(电压、温度、电流)采集和实时有效的数据传输，并以此对锂电池进行均衡以及SOC、SOP的精确估算，来解决矿用隔爆型动力锂电池在煤矿特殊工况下的可靠、安全、高效率的使用问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种矿用锂电池组管理系统采集单元，包括锂电池组，所述锂电池组电性连接有电流采集电路、电压采集及均衡电路以及电池测温电路；
所述电压采集及均衡电路获取电池电压数据，电池测温电路获取电池温度数据，所述电池测温电路和电压采集及均衡电路将得到的电池温度、电压数据传输至电池组监控芯片进行AD转换，所述电池组监控芯片将经AD转换后的电池温度、电压数据通过SPI通信上传给主控板进行处理，且所述电流采集电路将采集到的电池电流数据直接传输至主控板进行处理，所述主控板通信连接有显示屏和充放电控制电路，显示屏在主控板数据处理后将所有数据进行显示。
进一步的，所述电池组监控芯片为共十块，且每块电池组监控芯片之间为菊链式连接。
进一步的，所述电压采集及均衡电路连接有散热电路，所述散热电路包括五个散热风扇，且每个散热风扇由两块锂电池进行供电。
进一步的，所述电流采集电路通过霍尔电流传感器采集电池电流数据。
进一步的，所述电池测温电路通过电池组监控芯片上的五个独立GPIO口检测电池组的温度，其中，通过转换芯片将八路温度信号转换成一路信号，再经过放大电路传输至电池组监控芯片处理，其中两个GPIO口作为控制信号口，一个GPIO口作为电压信号输入口，另外两个GPIO口单独作为两路温度信号的输入口。
进一步的，所述电池组监控芯片之间采用isoSPI通信，第一片所述电池组监控芯片连接有电池平衡器，且电池组监控芯片上的隔离型两线式串行接口端口A、B通过隔离变压器将上一片电池组监控芯片的隔离型两线式串行接口端口A与下一片芯片的隔离型两线式串行接口端口B连接，通过电池平衡器将最后一片电池组监控芯片的隔离型两线式串行接口端口A与电池平衡器的IP、IM相连。
进一步的，所述充放电控制电路包括两个继电器KM1、KM2，并通过主控板发出信号控制两继电器的闭合与断开。
一种矿用锂电池组管理系统采集单元的采集方法，包括以下步骤：
S1、系统进入初始化状态，对主控板和电池组监控芯片进行相关配置；
S2、配置完成后，主控板开始对电流数据进行采集；
S3、通过SPI传输给主控板；
S4、主控板对接收到的电流数据进行处理后，进行充放电控制；
S5、电池组监控芯片对电压、温度进行采集并通过SPI传输给主控板；
S6、主控板对接收到的电压、温度数据进行处理后，得到SOC、SOP并显示在显示屏；
S7、主控板根据所有数据控制是否对电池进行均衡。
本发明的有益效果：
(1)该系统通过LTC6811链式连接及隔离式SPI通信，实现对锂电池数据的采集、传输、处理、监视和控制。相比传统BMS系统有更高的精度，更适用于矿用动力锂电池检测，从而提高矿用动力锂电池组的使用效率和延长其寿命。
(2)通过在电压采集及均衡电路中增加散热电路，实现稳定电路，降低电压波动，同时降低采集板温度，保证系统正常工作。
(3)通过在电流采集电路中霍尔电流传感器，无需直接接触高压电路，低压测量电路和高压被测电路可以隔离，避免动力电池端的干扰进入控制端，不需外部隔离。进而达到提高采样精度，避免高压干扰的目的；电路简单，易于安装；动态特性好，有极快的转换速度。
(4)通过对电池测温电路通过电池组监控芯片上的五个独立GPIO口进行设置，检测电池组的温度，能够解决现有技术中随着电池数量增多，将会占用主控板更多的端口和数据处理能力的问题，减轻主控板的负担。
(5)采用两层控制器，主机和从机通过菊花链连接方式工作，电池组监控芯片负责采集数据，主控板负责处理数据。解决现有技术中主处理器的任务过大，不利用整车的控制的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明的电压采集及均衡电路的电路图；
图3是本发明电流采集电路中霍尔电流传感器的简化原理图；
图4是本发明的电池测温电路中将8路信号转换成1路并经过放大处理的电路图；
图5是本发明的电池测温电路中另外两路温度的采集电路图；
图6是本发明的主控板与电池组监控芯片之间通信的电路图；
图7是本发明的充放电控制电路的电路图；
图8是本发明的矿用锂电池组管理系统采集单元的采集方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8所示，本实施例提供了一种矿用锂电池组管理系统采集单元，包括锂电池组，所述锂电池组电性连接有电流采集电路、电压采集及均衡电路以及电池测温电路；其中锂电池组采用100节额定电压为3.2V、容量为100Ah的磷酸铁锂单体电池串联而成。其中每10块为一组，共十组，每20块为一个电池包。
所述电压采集及均衡电路获取电池电压数据，电池测温电路获取电池温度数据，所述电池测温电路和电压采集及均衡电路将得到的电池温度、电压数据传输至电池组监控芯片进行AD转换，电池组监控芯片采用LTC6811完成电池组的单体电压、温度的检测；所述电池组监控芯片为共十块，每块LTC6811芯片负责采集一组电池，且每块电池组监控芯片之间为菊链式连接。
所述电池组监控芯片将经AD转换后的电池温度、电压数据通过SPI通信上传给主控板进行处理，主控板采用基于STM32F103的控制单元，且所述电流采集电路将采集到的电池电流数据直接传输至主控板进行处理，所述主控板通信连接有显示屏和充放电控制电路，显示屏在主控板数据处理后将所有数据进行显示。
由于被动均衡在均衡时会通过放电电阻释放热量，导致采集板温度升高，降低性能。为了解决此问题，如图2，在原有电路的基础上，所述电压采集及均衡电路连接有散热电路，所述散热电路包括五个散热风扇，且每个散热风扇由两块锂电池进行供电，例如五个散热风扇分别由1-2、3-4、5-6、7-8、9-10号电池供电。C0、C10为电池的输入引脚，S1-S10引脚用于电池均衡，当某两个电池的压差大于均衡电压时,S引脚充当驱动MOS的栅极的数字输出,对电压较高的电池进行放电，图中33Ω的电阻为放电电阻；在电路中对每节电池设置LED显示灯，当进行均衡时，电池所对应的LED会亮起。当负责供电的两块电池中有一或两块要均衡时，S引脚将同时驱动均衡电路和散热电路工作，而图中散热电路电容C7可以稳定电路，降低电压波动。通过散热电路可以降低采集板温度，保证系统正常工作。
霍尔电流传感器所输出的物理量是与所测电流成一定关系的电压，将该电压经过AD转换后即可算出原来的电流；现有的电流采集电路大多使用分流器，就是一个标准输出的采样电阻，使用精确测量的猛铜丝作为测量电流的标准参数，利用直流电流经过导体会产生电压的原理，通过测量电压值来计算电流。分流器测量电流的主要过程是：信号滤波处理、模数转换、通过隔离器件与控制器相连。但分流器与高压直接连接时，主控单元与分流器需要隔离器件将其隔离。
因此，如图3，所述电流采集电路通过霍尔电流传感器采集电池电流数据。而霍尔电流传感器测量基于霍尔原理，就是将总电源线穿过霍尔传感器，通过电磁感应获得电流值。与现有的分流器相比具有以下优点：
(1)采用霍尔感应的原理，无需直接接触高压电路，低压测量电路和高压被测电路可以隔离，避免动力电池端的干扰进入控制端，不需外部隔离。因此，达到提高采样精度，避免高压干扰的目的；
(2)电路简单，易于安装；
(3)动态特性好，有极快的转换速度。
现有技术采用DS18b20温度传感器对电池温度进行测量，其工作电压为3.3-5V。温度信号直接以“一线总线”的数字方式传输,每个DS18B2中的64位序列号均不相同,可实现一个I/O口上挂接多个DS18B20。将多个DS18B20连接到主控板的接口进行温度采集,多个温度传感器共用一个阻值为4.7kΩ的上拉电阻,供电电压为3.3V。但此技术随着电池数量增多，将会占用主控板更多的端口和数据处理能力。
主控板的端口和处理能力是有限的，LTC6811的12个口，其中10个被分配给电源，还需要10个采集温度，但是只有2个接口了，因此必须采取增加外设，为了减轻主控板的负担，如图4-5，所述电池测温电路通过电池组监控芯片上的五个独立GPIO口检测电池组的温度，其中，通过转换芯片将八路温度信号转换成一路信号，再经过放大电路传输至电池组监控芯片处理，其中两个GPIO口作为控制信号口，一个GPIO口作为电压信号输入口，另外两个GPIO口单独作为两路温度信号的输入口，其中转换芯片采用LTC1380，放大电路采用LTC6255。
Temp1-10为NTC(热敏电阻温度传感器)。将NTC探头粘在电池上，其电阻值会随电池温度的升高而降低，从而改变输入GPIO口的电压，并通过AD转化得出其电阻值，最后查询温度与电阻值的关系表即可得出当前温度。
传统的多芯片通信，虽然采用SPI总线结构来进行数据通信，但使用LTC6811芯片上的选端口(CS)，主出从入接口(MOSI)，主入从出接口(MISO)和串联时钟信号(SCLK)。在传统多芯片通信中，主控制器通过SCLK和MISO来向所有从芯片传输数据，利用片选信号来给各个从芯片分配地址，通过MOSI来接收所有从芯片的数据。因为SCLK、MISO和MOSI中的数据对于每一个从芯片都是一样的，只有利用片选信号选通的芯片才会响应并完成响应的操作。当从芯片很少时，这种多芯片通信的方法是具有可行性的，但是当从芯片数量上升，这个通信方法就会增加硬件和版图的复杂性，也占用主控制器的端口和处理能力。现有技术采用一层处理器，电压温度信号都给主处理器，这样主处理器的任务过大，不利用整车的控制。
针对此问题放弃使用LTC6811芯片上的选端口(CS)，主出从入接口(MOSI)，主入从出接口(MISO)和串联时钟信号(SCLK)四个引脚。本方案采用两层控制器，LTC6811和STM32通过菊花链连接方式工作，LTC6811负责采集数据，STM32负责处理数据。
要实现MCU(即主控板)和LTC6811之间的通信需要把普通4线制的SPI信号转换为2线制的isoSPI信号，2线和4线的区别在于芯片，但是选择2线是综合考虑到芯片引脚的个数和硬件设计的复杂度。采用2线的可以有效的解决现有芯片资源不足，降低设计复杂度和并联线路之间的相互干扰，降低信息传输的误差率。
因此，如图6所示，所述电池组监控芯片之间采用isoSPI通信，一方面简化了器件和降低了成本，与原来LTC6802相比BMS的电压采集板体积得到压缩，节约了有CAN通信电路带来的额外成本；另一方面保持了其较强的抗干扰性，使用一根双绞线实现全双工的通信。给第一片电池组监控芯片(即LTC6811)连接一个电池平衡器(即LTC6820)，且电池组监控芯片上的隔离型两线式串行接口端口A(IPA、IMA)、B(IPB、IMB)通过隔离变压器将上一片电池组监控芯片的隔离型两线式串行接口端口A与下一片芯片的隔离型两线式串行接口端口B连接，通过电池平衡器将最后一片电池组监控芯片的隔离型两线式串行接口端口A与电池平衡器的IP、IM相连，把2线制的isoSPI信号转换为普通4线制的SPI信号，实现主控板和LTC6811之间的通信。隔离变压器采用HX1188NL。
相比传统SPI总线结构的多芯片通讯，随着芯片数量上升，该方案同时通过对GPio口的合理安排能够节约处理器的资源，提高工作效率，且不会增加硬件和版图的复杂性，也不占用主控制器的端口和处理能力，使主控板挂载多芯片多电池组的能力显著提升。
如图7所示，所述充放电控制电路包括两个继电器KM1、KM2，并通过主控板发出信号控制两继电器的闭合与断开。当KM1闭合时，锂电池组放电；当KM2闭合时，锂电池组充电。
如图8所示，一种矿用锂电池组管理系统采集单元的采集方法，包括以下步骤：
S1、系统进入初始化状态，对主控板和电池组监控芯片进行相关配置；
S2、配置完成后，主控板开始对电流数据进行采集；
S3、通过SPI传输给主控板；
S4、主控板对接收到的电流数据进行处理后，进行充放电控制；
S5、电池组监控芯片对电压、温度进行采集并通过SPI传输给主控板；
S6、主控板对接收到的电压、温度数据进行处理后，得到SOC、SOP并显示在显示屏；
S7、主控板根据所有数据控制是否对电池进行均衡。
通过LTC6811链式连接及隔离式SPI通信，实现对锂电池数据的采集、传输、处理、监视和控制。相比传统BMS系统有更高的精度，更适用于矿用动力锂电池检测，从而提高矿用动力锂电池组的使用效率和延长其寿命。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种矿用锂电池组管理系统采集单元，包括锂电池组，其特征在于，所述锂电池组电性连接有电流采集电路、电压采集及均衡电路以及电池测温电路；
所述电压采集及均衡电路获取电池电压数据，电池测温电路获取电池温度数据，所述电池测温电路和电压采集及均衡电路将得到的电池温度、电压数据传输至电池组监控芯片进行AD转换，所述电池组监控芯片将经AD转换后的电池温度、电压数据通过SPI通信上传给主控板进行处理，且所述电流采集电路将采集到的电池电流数据直接传输至主控板进行处理，所述主控板通信连接有显示屏和充放电控制电路，显示屏在主控板数据处理后将所有数据进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种矿用锂电池组管理系统采集单元，其特征在于，所述电池组监控芯片为共十块，且每块电池组监控芯片之间为菊链式连接。
3.根据权利要求1所述的一种矿用锂电池组管理系统采集单元，其特征在于，所述电压采集及均衡电路连接有散热电路，所述散热电路包括五个散热风扇，且每个散热风扇由两块锂电池进行供电。
4.根据权利要求2所述的一种矿用锂电池组管理系统采集单元，其特征在于，所述电流采集电路通过霍尔电流传感器采集电池电流数据。
5.根据权利要求2所述的一种矿用锂电池组管理系统采集单元，其特征在于，所述电池测温电路通过电池组监控芯片上的五个独立GPIO口检测电池组的温度，其中，通过转换芯片将八路温度信号转换成一路信号，再经过放大电路传输至电池组监控芯片处理，其中两个GPIO口作为控制信号口，一个GPIO口作为电压信号输入口，另外两个GPIO口单独作为两路温度信号的输入口。
6.根据权利要求2所述的一种矿用锂电池组管理系统采集单元，其特征在于，所述电池组监控芯片之间采用isoSPI通信，第一片所述电池组监控芯片连接有电池平衡器，且电池组监控芯片上的隔离型两线式串行接口端口A、B通过隔离变压器将上一片电池组监控芯片的隔离型两线式串行接口端口A与下一片芯片的隔离型两线式串行接口端口B连接，通过电池平衡器将最后一片电池组监控芯片的隔离型两线式串行接口端口A与电池平衡器的IP、IM相连。
7.根据权利要求1所述的一种矿用锂电池组管理系统采集单元，其特征在于，所述充放电控制电路包括两个继电器KM1、KM2，并通过主控板发出信号控制两继电器的闭合与断开。
8.一种利用权利要求1-7中任意一项所述的矿用锂电池组管理系统采集单元的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、系统进入初始化状态，对主控板和电池组监控芯片进行相关配置；
S2、配置完成后，主控板开始对电流数据进行采集；
S3、通过SPI传输给主控板；
S4、主控板对接收到的电流数据进行处理后，进行充放电控制；
S5、电池组监控芯片对电压、温度进行采集并通过SPI传输给主控板；
S6、主控板对接收到的电压、温度数据进行处理后，得到SOC、SOP并显示在显示屏；
S7、主控板根据所有数据控制是否对电池进行均衡。
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