CN111478391A - 电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池组，电池组包括外部接口、串联电池组模块与温度监测模块；外部接口包括正负极接口与诊断接口，串联电池组模块包括多个串联的串联电池模组，各串联电池模组串联后接至正负极接口；相邻两串联电池模组之间引出中间抽头，各中间抽头接至诊断接口；温度监测模块包括温度传感器、多路温度检测电路、多路AD转换电路、处理器；各串联电池模组均设置有温度传感器，每路温度检测电路输入端与相应温度传感器连接，每路温度检测电路输出端接至相应AD转换电路，每路AD转换电路输出端接至处理器，处理器接至诊断接口。该电池组自带诊断接口，可用于电源管理系统、充电机系统或电池健康诊断等系统，通用性强。

Description

电池组
技术领域
本发明属于直流电源技术领域，尤其涉及一种带有诊断接口的电池组。
背景技术
储能电池组是海洋仪器装备的主要电能来源，一般会根据用电器电压需求，通过电池串联达到12V或24V电压。目前，海洋仪器中多采用不可充电的一次电池。近年来，部分需要重复利用的海洋仪器装备中，开始配备可重复充电的二次电池，如锂离子电池组。现有海洋仪器用锂离子电池组一般由电池单体、电池保护板两部分构成。根据所用保护板的接口不同，可分为同口型和分口型，基于上述两种基本结构，通过增加开关、电压表、电流表以及USB口、逆变器等装置，构成的多功能电池组。一般采用多个锂离子电池单体并联增大容量，再通过串联达到设计电压，保护板内置于电池组箱内，对外仅提供充电接口和各类输出接口。
然而，上述串联的锂离子电池组，仅提供总正极和总负极接口，各串联单体电池的中间抽头接在保护板上，不能提供外接接口，用户无法直接对单体电池进行测试和监控，且该电池组未设置开放接口，电池组内部温度、串联各电池电压等数据不能直接获取。但在在海洋仪器装备的开发、实验和运行阶段，都需要对电池内部状态进行全面的监测，并需在不拆包的情况下，对电池组内部各个串联单体进行独立的阻抗测试。
因此，有必要研究一种带有诊断接口的电池组，可直接与带有状态监控、诊断与测试功能的专用充电机或者电源管理系统连接，从而进行电池内部状态监控以及相应的离线、在线测试。
发明内容
本发明在上述不足的基础上提供了一种电池组，该电池组自带诊断接口与温度监测模块，可用于电源管理系统、充电机系统或电池健康诊断等系统中，通用性强。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电池组，包括外部接口、串联电池组模块与温度监测模块；
所述外部接口包括正负极接口与诊断接口，所述串联电池组模块包括多个串联的电池模组，各串联电池模组由多个电池单体并联而成；各串联电池模组串联后总正极、总负极直接连接至所述正负极接口；相邻两串联电池模组之间均引出中间抽头，各中间抽头接至所述诊断接口；
所述温度监测模块包括温度传感器、多路温度检测电路、多路AD转换电路、处理器；各串联电池模组均设置有温度传感器，每路温度检测电路输入端与相应温度传感器连接，每路温度检测电路输出端接至相应AD转换电路，每路AD转换电路输出端接至处理器，处理器接至所述诊断接口；各温度传感器采集相应串联电池模组的电池单体的温度信息，通过温度检测电路、AD转换电路转换为电压值；处理器与AD转换电路通信，获取AD转换电路输出的电压值并进行计算得到温度值；处理器与上位机通信，将温度值上传至上位机对串联电池组模块进行温度监控。
优选的，每路温度检测电路包括电桥电路与运放；所述运放同、反相输入端分别接所述电桥电路的两半桥中点，运放输出端接至相应AD转换电路输入端。
优选的，各温度传感器采用热电阻，所述运放采用仪用运放。
优选的，热电阻Rpt、电阻R1、R2、R3组成每路温度检测电路的H型电桥电路，热电阻Rpt、电阻R3串联组成下桥臂，电阻R1、电阻R2串联组成上桥臂，运放同、反相输入端分别接至H型电桥电路的两半桥中点。
优选的，所述温度监测模块还包括DC/DC转换模块与基准电压源，所述基准电压源与所述电桥电路连接，为所述电桥电路提供基准电压；所述DC/DC转换模块同时与所述运放、AD转换电路、处理器连接，用于分别为所述运放、AD转换电路、处理器提供电源电压。
优选的，所述处理器与上位机采用应答式通信，通过串口通信将温度值上传至上位机，该串口通信方式为：
TADN N表示上位机请求第N号温度传感器测得的温度数据；
TEMP N C表示所述电池组发送第N号温度传感器的数据C；
其中，当N＝0时，TADN#表示上位机请求所有温度传感器测得的温度数据；TEMP NC表示为电池组发送所有温度传感器的数据；C为温度值。
优选的，所述正负极接口采用同口型接口。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)本发明提出一种电池组，与现有的电池组相比，本发明的电池组自带诊断接口，串联电池模组的中间抽头均直接引出至诊断接口，用户可通过中间抽头，在不拆解电池组的情况下，直接对电池组内部电池单体进行电压、阻抗等测试。同时，本发明的电池组设置有温度监测模块，对各串联电池模组进行温度监测；且该电池组内不包含保护、均衡电路，电池组仅具有一个正负极接口，充放电保护与均衡功能均由外部设备提供。
(2)本发明还将该电池组应用于电源管理系统、充电机、电池健康诊断系统中，对电池组进行温度测试、阻抗测试、充放电测试等，该电池组实用性强，应用范围广。
附图说明
图1为本发明的电池组原理框图；
图2为本发明的电池组的温度监测模块原理图；
图3为本发明实施例的电源系统的原理框图；
图4为本发明实施例的电池诊断系统原理框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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地描述，显然，所描述的实施例是本发明部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
对于传统电池组来说，用户仅能够通过充电、放电接口对电池组进行充放电，不能对内部电池单体进行监控。对此，本发明提供了一种自带有诊断接口的电池组，可用于现有的电源管理系统、充电机或者电池健康诊断系统等。参考图1、图2所示，该电池组具体包括外部接口、串联电池组模块与温度监测模块；各部分具体设计为：
参考图1所示，对于外部接口与串联电池组模块，本发明实施例中外部接口包括正负极接口与诊断接口，串联电池组模块包括多个串联的电池模组，各串联电池模组由多个电池单体并联而成。各串联电池模组串联后总正极、总负极直接连接至正负极接口，且串联电池模组组成的串联线路中总正极串接保险丝与开关后连接至正负极接口，保险丝与开关对电池组串联线路起到保护作用。相邻两串联电池模组之间均引出中间抽头，各中间抽头接至诊断接口。
本实施例中串联电池组模块兼容三元锂电和磷酸铁锂两种电池单体。实际设计中，串联电池模组的数目可以根据所选电池单体类型以及所需电源电压具体设计。以24V电池组为例，若采用三元锂电，单节三元锂离子电池标称电压3.7V，工作电压为2.8V(空电)～4.2V(满电)，则串联电池组模块需要7个串联电池模组组成，标称电压为25.9V，工作电压为19.6V(空电)～29.4V(满电)。若采用磷酸铁锂电池，单节磷酸铁锂电池标称电压3.2V，工作电压为2.0V(空电)～3.6V(满电)，则串联电池组模块需要8个串联电池模组组成，标称电压为25.6V，工作电压为16.0V(空电)～28.8V(满电)。
同时，本实施例中正负极接口采用同口型接口，诊断接口可以由由14芯航空插头实现，其包括温度监控接口与电池组中间抽头接口。各串联电池模组之间的中间抽头均直接引出至诊断接口，用户可通过中间抽头，在不拆解电池组的情况下，直接对电池组内部电池单体进行电压、阻抗等测试。
对于温度监测模块，参考图2所示，其包括温度传感器、多路温度检测电路、多路AD转换电路、DC/DC转换模块、基准电压源、处理器；各串联电池模组均设置有温度传感器，每路温度检测电路输入端与相应温度传感器连接，每路温度检测电路输出端接至相应AD转换电路，每路AD转换电路输出端接至处理器，处理器接至诊断接口；各温度传感器采集相应串联电池模组电池单体的温度信息，通过温度检测电路、AD转换电路转换为电压值；处理器与AD转换电路通信，获取AD转换电路输出的电压值并进行计算得到温度值；处理器与上位机通信，将温度值上传至上位机对串联电池组模块进行温度监控。
本实施例中实际采用8路温度检测电路、8路AD转换电路，每路温度检测电路参考图2所示，图2提供了一路温度检测电路，剩余七路与该路设计相同。其中，各温度传感器采用热电阻，每路温度检测电路包括电桥电路与运放，热电阻Rpt、电阻R1、R2、R3组成每路温度检测电路的H型电桥电路，热电阻Rpt、电阻R3串联组成下桥臂，电阻R1、电阻R2串联组成上桥臂。运放采用仪用运放，运放同、反相输入端分别接至H型电桥电路的两半桥中点，运放的输出端直接连入AD转换电路的单端输入端(AI)。同时，基准电压源与各H型电桥电路连接，为各H型电桥电路提供基准电压；DC/DC转换模块同时与各运放、AD转换电路、处理器连接，分别为各运放、AD转换电路、处理器提供电源电压。
对于每路H型电桥电路，各桥臂电阻Rpt、电阻R1、R2、R3的设计方法如下：
首先，确定温度测量范围及其对应的Rpt电阻值上下限。例如本实施例中设计温度测量范围为：-40℃～90℃，对应Rpt电阻值为：84.27Ω～134.71Ω。同时，为保证两桥臂中点电压差始终为正值或负值，下桥臂的电阻阻值要小于84.27Ω或者是大于134.71Ω，因此在本实施例中，将下桥臂R3设定为82Ω。此外，为减小Rpt自身温度变化而引起的测量误差，流过两桥臂的电流要小于1mA，由于基准电压源输出为2.5VDC，因此确定上桥臂R1和R2阻值为2.49kΩ。因此，两条桥臂中点电压差Ud与温度T的关系为：
Figure BDA0002459835820000081
由于两桥臂中点电压差Ud太小，因此利用仪用运放进行电压信号放大，考虑到后续AD转换电路的输入电压范围为0～3.6V，因此电压放大倍数应为G＝74倍，运放输出电压Uo与测量温度T的关系式为：
T＝37.99*Uo-46.81 (2)
若改变温度测量范围设计，则可以按照上述方法重新确定电桥参数和电压放大倍数。
剩余7路温度检测电路原理、各元器件选型和取值与上述部分完全一致。8路AD转换电路可以采用成品ADS1256模块，该模块自带电源转换芯片，可以兼容12V电源输入，通过SPI接口与处理器连接。处理器可以采用STM32F103C8T6单片机模块最小系统板，模块兼容12V电源输入。运放所需的±12V由DC/DC转换模块转换而来，电桥电路所需的2.5V基准电压源提供，所有芯片、模块共地连接。
单片机处理器负责与AD转换电路通信，获取AD测量电压值，并根据式(2)计算得到温度值。单片机与上位机采用应答式通信，通过串口通信将温度值上传至上位机，该串口通信格式为：
TADN N表示上位机请求第N号温度传感器测得的温度数据；
TEMP N C表示电池组发送第N号温度传感器的数据C；
其中，当N＝1,2,3,4,5,6,7,8时，分别对应8个温度传感器。当N＝0时，TADN N表示上位机请求所有温度传感器测得的温度数据；TEMP N C表示为电池组发送所有温度传感器的数据；C为温度值。
本实施例中由于需要引出电池组中间抽头作为诊断接口使用，因此该电池组内不包含保护、均衡电路。各电池单体的中间抽头直接开放给用户，电池组仅具有一个正负极接口，充放电保护与均衡功能均由外部设备提供。该电池组可用于专门设计的电源管理系统、充电机或者电池健康诊断系统，如图3、图4所示，图3为将本实施例的电池组应用于电源管理系统或充电机中；图4为将本实施例的电池组应用于电池健康诊断系统中，进行电池健康评估、内部参数估计等研究。
以电池组在现有电源管理系统或充电机系统中的应用为例，本实施例中的电池组可以用于现有电源管理系统或充电机系统中，如图3所示，包括电池组与电源管理单元，电池组采用上述的电池组，电源管理单元包括电压监测模块、温度监测模块、保护均衡板、DC/DC变换器、控制器；电池组的诊断接口接至电源管理系统的诊断接口，温度监测模块、电压监测模块均同时连接诊断接口与控制器，温度监测模块、电压监测模块采集电池组输出的温度值与电压值，并传输至控制器生成电池组状态信息；控制器与上位机通信，对电池组进行状态监控；电池组的正负极接口接至电源管理系统的正负极接口，保护均衡板同时与正负极接口、电压监测模块、DC/DC变换器连接。保护均衡板对电池组进行过充保护、过放保护、过流保护以及短路保护等；DC/DC变换器与外部负载或外部电源连接，为外部负载提供工作电压，将外部电源电压转换为电池组各芯片、模块所需要的电源电压。
以电池组在现有电池健康诊断系统中的应用为例，本发明实施例本实施例中的电池组可以用于现有电池诊断系统，如图4所示，该电池诊断系统包括电池组与诊断单元，电池组采用上述实施例的电池组，诊断单元包括温度监测模块、阻抗谱测试模块、动态充放电测试模块、控制器。其中，电池组的诊断接口接至诊断单元的诊断接口，温度监测模块、阻抗谱测试模块均同时连接诊断接口与控制器，控制器与上位机通信，对电池组各串联电池模组进行温度测试与阻抗测试；电池组的正负极接口接至诊断单元的正负极接口，动态充放电测试模块连接正负极接口与控制器，控制器与上位机通信，对电池组进行充放电测试。实际测试中，通过诊断接口，将电池组的中间抽头接入阻抗测试仪中，直接测量各串联电池模组的阻抗。若将中间抽头接入电化学工作站，则可以测量各串联电池模组的阻抗谱(EIS)，用于电池健康评估、内部参数估计等研究。
综上，与现有的电池组相比，本发明的电池组自带诊断接口，串联电池模组的中间抽头均直接引出至诊断接口，用户可通过中间抽头，在不拆解电池组的情况下，直接对电池组内部电池单体进行电压、阻抗等测试。同时，本发明的电池组设置有温度监测模块，对各串联电池模组进行温度监测；且该电池组内不包含保护、均衡电路，电池组仅具有一个正负极接口，充放电保护与均衡功能均由外部设备提供。该电池组，各电池单体的中间抽头直接开放给用户，一般用于专门设计的电源管理系统、充电机或者电池健康诊断系统，将串联单体电池中间抽头直接引出，可以用于阻抗测试，这为研究电池组内部健康状态、电池组安全监测提供了新的解决方案，该电池组实用性强，应用范围广。

Claims (7)

1.一种电池组，其特征在于，包括外部接口、串联电池组模块与温度监测模块；
所述外部接口包括正负极接口与诊断接口，所述串联电池组模块包括多个串联的电池模组，各串联电池模组由多个电池单体并联而成；各串联电池模组串联后总正极、总负极直接连接至所述正负极接口；相邻两串联电池模组之间均引出中间抽头，各中间抽头接至所述诊断接口；
所述温度监测模块包括温度传感器、多路温度检测电路、多路AD转换电路、处理器；各串联电池模组均设置有温度传感器，每路温度检测电路输入端与相应温度传感器连接，每路温度检测电路输出端接至相应AD转换电路，每路AD转换电路输出端接至处理器，处理器接至所述诊断接口；各温度传感器采集相应串联电池模组的电池单体的温度信息，通过温度检测电路、AD转换电路转换为电压值；处理器与AD转换电路通信，获取AD转换电路输出的电压值并进行计算得到温度值；处理器与上位机通信，将温度值上传至上位机对串联电池组模块进行温度监控。
2.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，每路温度检测电路包括电桥电路与运放；所述运放同、反相输入端分别接所述电桥电路的两半桥中点，运放输出端接至相应AD转换电路输入端。
3.根据权利要求2所述的电池组，其特征在于，各温度传感器采用热电阻，所述运放采用仪用运放。
4.根据权利要求3所述的电池组，其特征在于，热电阻Rpt、电阻R1、R2、R3组成每路温度检测电路的H型电桥电路，热电阻Rpt、电阻R3串联组成下桥臂，电阻R1、电阻R2串联组成上桥臂，运放同、反相输入端分别接至H型电桥电路的两半桥中点。
5.根据权利要求2-4任一项所述的电池组，其特征在于，所述温度监测模块还包括DC/DC转换模块与基准电压源，所述基准电压源与所述电桥电路连接，为所述电桥电路提供基准电压；所述DC/DC转换模块同时与所述运放、AD转换电路、处理器连接，用于分别为所述运放、AD转换电路、处理器提供电源电压。
6.根据权利要求1-4任一项所述的电池组，其特征在于，所述处理器与上位机采用应答式通信，通过串口通信将温度值上传至上位机，该串口通信方式为：
TADN N表示上位机请求第N号温度传感器测得的温度数据；
TEMP N C表示所述电池组发送第N号温度传感器的数据C；
其中，当N＝0时，TADN N表示上位机请求所有温度传感器测得的温度数据；TEMP N C表示为电池组发送所有温度传感器的数据；C为温度值。
7.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述正负极接口采用同口型接口。
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