CN111653807B - 一种燃料电池单体采集模块及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池单体采集模块，包括电池包、若干采样单元、若干正负采集单元、信号转换单元、控制单元；所述电池包包括多个串联的单体电池；所述若干采样单元均与所述的电池包的一单体电池连接；所述若干正负采集单元对应与所述的若干采样单元连接，用于将若干采样单元采取的电压信息，进行正电压、负电压采集处理，处理后的电压经所述信号转换单元，与所述控制单元对应的输入端连接。本发明可以根据实际客户通道的数量不同，搭建成专属数量的通道，只需要更换其MOS管的耐压即可；在通道数量的选用方面降低成本，不同电池包串数，灵活调配通道数量，采用MOS管为主的通用型开关元器件，利于降低成本。

Description

一种燃料电池单体采集模块及其采集方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池单体采集模块及其采集方法。

背景技术

众所周知，新能源电动车的电池技术日新月异，常用的电池如三元锂电，磷酸铁锂，锂电池技术，除此以外，电动车还有采用燃料电池的方案；由于燃料电池的机理跟锂电不同，所以其电池管理，电池充放电，电池单体采压的机理也完全不同。

燃料电池和锂电池的单体采样的不同点有以下几个方面：

(1)、电压范围不同，一般锂电池的电压范围为2.5～3.6V或2.8～4.2V，磷酸铁锂是2.5～3.6V，而三元锂是2.8～4.2V；一般电动车采用的是由多个电池单体进行串并联完成，而燃料电池的单体电压还会出现负数；极端情况下的单体电压可能是在正、负之间，所以对于大部分传统单体电池采样来说，就并不适用，需要重新设计；

(2)、燃料电池的基理与锂电池基理大不相同，而传统的新能源锂电池的电池管理系统中的单体电压采集方案，一般都会采用凌特LTC6803、LTC6804、LTC6811，TI的PL455，NXP的33771、33772系列，这些以AFE为单体电压采集核心IC的方案；这些AFE是有一个最小工作电压的，而燃料电池的最小电压是0V，所以这些以AFE的核心IC为架构的单体采样方式，在燃料电池中是无法适用的；

(3)、因为燃料电池根据每一家的反应深度不同，所以几乎每一家燃料电池的厂家的单体电压的范围也会略微有所不同，有可能是-2～2V，也有可能是-1.8～+1.8V；所以一般市面上的燃料电池单体采样的检测方案定制化程度非常强，基本一个检测方案适用范围非常局限；一但单体电压范围有所变化，就必须要重新开发，不光造成开发成本增加，同时也会对拉长开发周期，无法应对与目前新能源燃料电池领域的品种多、响应速度快等市场需求。

业内关于负向电压信号的通用处理方案是通过直连加法器的方式，将前端例如-2～2V的电压抬升为0～4V的电压；但因为AD转换IC的最大量程一般为0～3.3或者0～5V；所以如果电池前端采样电压一但超过-2.5～2.5V的范围后，则即使使用抬升电压的方式，也会超越AD转换IC的前端输入信号的量程范围；因此必须要对前端信号做进一步的处理(例如降压等)，但这样势必会引入多个电路模块，根据自动控制原理，前端信号处理环节越多，越复杂，则整个信号越容易实真，抗干扰性越差。

目前业内所采用的AFE的方案，一位内半导体厂商的集成电路，在制作半导体的时候，已经将其采集通道数量固死；如果实际电池串数跟AFE的通道数量无法匹配，则势必会造成通道数量的浪费；例如LTC6803的通道数量是12个，PL455的通道数量是14个等；如果一个电池包是20串，用两片6803，则势必会造成4路通道浪费；若用2片PL455，也会造成6个通道的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种燃料电池单体采集模块及其采集方法，来解决电池包在不同电压情况检测的技术问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种燃料电池单体采集模块，包括电池包、若干采样单元、若干正负采集单一种燃料电池单体采集模块，其特征在于，包括电池包、若干采样单元、若干正负采集单元、信号转换单元、控制单元；所述电池包包括多个串联的单体电池；所述若干采样单元均与所述的电池包的一单体电池连接，用于采取每个单体电池的正电压或/和负电压信息；所述若干正负采集单元对应与所述的若干采样单元连接，用于将若干采样单元采取的电压信息，进行正电压、负电压采集处理，处理后的电压经所述信号转换单元，与所述控制单元对应的输入端连接；所述控制单元控制端还分别与所述的若干采样单元、若干正负采集单元输入端连接，所述控制单元通过控制端输出控制信号，控制对应的若干采样单元、若干正负采集单元，来对不同的单体电池或电池包进行电压取样、采集。

较佳地，所述若干采样单元均包括第一开关单元、第一驱动单元；所述第一驱动单元均接收控制单元控制信号，且第一驱动单元均驱动对应的第一开关单元的断开或闭合对单体电池进行电压采样。

较佳地，所述第一开关单元均包括奇数开关单元、偶数开关单元；所述奇数开关单元对单体电池排列为奇数的电池进行电压采样，且采样后均连接一起输出给对应的若干正负采集单元。

较佳地，所述偶数开关单元对单体电池排列为偶数的电池进行电压采样，且采样后均连接一起输出给对应的若干正负采集单元。

较佳地，所述若干正负采集单元包括第二开关单元、第三开关单元、第二驱动单元、第三驱动单元；所述第二驱动单元、第三驱动单元分别接收控制单元控制信号，且驱动对应的第二开关单元、第三开关单元断开或闭合，将奇数开关单元或偶数开关单元上正电压或负电压转换成正压输出。

较佳地，所述第二开关单元、第三开关单元均包括正压采集开关单元、负压采集开关单元；所述正压采集开关单元、负压采集开关单元的断开或闭合，采集对应的奇数开关单元、偶数开关单元上的正压或负压。

较佳地，所述正压采集开关单元、负压采集开关单元、奇数开关单元、偶数开关单元均为多个MOS管构成的一种电子开关；所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元均为包括隔离式栅极驱动器芯片及其外围电路。

较佳地，所述信号转换单元包括依次连接的信号放大模块、AD转换模块、通讯隔离；所述信号放大模块能接收正负采集单元采集的正负信号，AD转换模块能将该信号转换成数字，并经过通讯隔离发送给控制单元。

较佳地，所述控制单元为MCU。

本发明还提供一种燃料电池单体采集模块的采集方法，包括如下步骤：

(1)、采样开始；

(2)、根据通道真值正向表，假定其所有电压为正向电压依次采集一遍并记录；

(3)、然后筛选出其中测试为0V或者无法测量出的相应采集通道；

(4)、若步骤(3)中是0V或者无法测量出的相应采集通道，则将其对应的通道参照真值反向表，假定其为负向电压依次再采集一遍并记录；

(5)、若步骤(3)中不是0V或者无法测量出的相应采集通道，则将每个通道的每一次测试的数据跟其通道的上一次测量结果进行对比；

(6)、然后将步骤(4)或步骤(5)的数据在进行实时判断其中某一串，判断其电压是否接近0V；

(7)、若步骤(6)中的电压是接近0V，则将其对应接近为0V的那个通道，每次利用真值正向表测一次后，再用反向表再测一次，如果正反均有值则做平均，如果只有一方有值则不用，然后将其测量值进行上报；

(8)、若步骤(6)中的电压不接近0V，则直接将其测量值进行上报。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明通过开关拓扑的方式，利用开启不同开关，导致前端信号进行灵活的翻转，在保证AD不变的前提下，最大限度的提升整个系统的前端电压采样范围，提升信号可靠性，真实性等；可以根据实际客户通道的数量不同，搭建成专属数量的通道，只需要更换其MOS管的耐压即可；在通道数量的选用方面降低成本，不同电池包串数，灵活调配通道数量，采用MOS管为主的通用型开关元器件，利于降低成本。

附图说明

图1为本发明模块示意图一；

图2为本发明模块示意图二；

图3为本发明开关模块电路原理图；

图4为本发明模块采样通路示意图；

图5为本发明采样通路示意图一；

图6为本发明采样通路示意图二；

图7为本发明采样采样方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。

参照图1至图7，本发明提供一种燃料电池单体采集模块，包括电池包1、若干采样单元2、若干正负采集单元3、信号转换单元4、控制单元5；所述电池包1包括多个串联的单体电池；所述若干采样单元2均与所述的电池包1的一单体电池连接，用于采取每个单体电池的正电压或/和负电压信息；所述若干正负采集单元3对应与所述的若干采样单元2连接，用于将若干采样单元2采取的电压信息，进行正电压、负电压采集处理，处理后的电压经所述信号转换单元4，与所述控制单元5对应的输入端连接；所述控制单元4控制端还分别与所述的若干采样单元2、若干正负采集单元3输入端连接，所述控制单元通过控制端输出控制信号，控制对应的若干采样单元2、若干正负采集单元3，来对不同的单体电池或电池包1进行电压取样、采集。

所述若干采样单元2均包括第一开关单元201、第一驱动单元202；所述第一驱动单元202均接收控制单元5控制信号，且第一驱动单元202均驱动对应的第一开关单元202的断开或闭合对单体电池进行电压采样。

参照图4至图6所示，所述第一开关单元201均包括奇数开关单元、偶数开关单元；所述奇数开关单元对单体电池排列为奇数的电池进行电压采样，其奇数为①至⑨单数的单体电池；且采样后均连接一起输出给对应的若干正负采集单元3。

所述偶数开关单元对单体电池排列为偶数的电池进行电压采样，且采样后均连接一起输出给对应的若干正负采集单元3；其中偶数为②至⑩双数的单体电池。

参照图4示，所述若干正负采集单元3包括第二开关单元301、第三开关单元303、第二驱动单元302、第三驱动单元304；所述第二驱动单元302、第三驱动单元304分别接收控制单元4控制信号，且驱动对应的第二开关单元301、第三开关单元303断开或闭合，将奇数开关单元或偶数开关单元上正电压或负电压转换成正压输出。

所述第二开关单元301、第三开关单元303均包括正压采集开关单元、负压采集开关单元；所述正压采集开关单元、负压采集开关单元的断开或闭合，采集对应的奇数开关单元、偶数开关单元上的正压或负压。

所述正压采集开关单元、负压采集开关单元、奇数开关单元、偶数开关单元均为多个MOS管构成的一种电子开关；所述第一驱动单元202、第二驱动单元302、第三驱动单元304均为包括隔离式栅极驱动器芯片及其外围电路。

所述隔离式栅极驱动器芯片的型号为UCC2351。

所述燃料电池单体采集模块还包括一电源单元6，所述电源单元6一端与所述的若干采样单元2连接，另一端与所述的正负采集单元3连接，该电源单元用于给所述的若干采样单元2、正负采集单元3供电。

所述电源单元6包括DC-DC模块、以及与DC-DC模块对应端连接的隔离电源；所述隔离电源的电压为5V。

所述信号转换单元4包括依次连接的信号放大模块401、AD转换模块402、通讯隔离403；所述信号放大模块401能接收正负采集单元3采集的正负信号，AD转换模块402能将该信号转换成数字，并经过通讯隔离403发送给控制单元5。

所述控制单元5为MCU。

实施例：

参考图4所示：若干采样单元2、若干正负采集单元3、信号转换单元4对电池包取样、采集、信号转换原理如下：

当奇数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为正电压时，第二驱动单元302驱动第二开关单元301对应的正压采集开关单元开启，同时偶数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为负电压时，第三驱动单元304驱动第三开关单元303的对应的负压采集开关单元开启，将采集的电压信息对应传送给信号放大模块401的正极端和负极端。

当奇数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为负电压时，第二驱动单元302驱动第二开关单元301对应的负压采集开关单元开启，同时偶数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为正电压时，第三驱动单元304驱动第三开关单元303的对应的正压采集开关单元开启，将采集的电压信息对应传送给信号放大模块401的正极端和负极端。

当偶数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为正电压时，第二驱动单元302驱动第二开关单元301对应的负压采集开关单元开启，同时奇数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为负电压时，第三驱动单元304驱动第三开关单元303的对应的正采集开关单元开启，将采集的电压信息对应传送给信号放大模块401的正极端和负极端。

当偶数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为负电压时，第二驱动单元302驱动第二开关单元301对应的正压采集开关单元开启，同时奇数开关单元对应采集的单体电池或电池包1的电压为正电压时，第三驱动单元304驱动第三开关单元303的对应的负压采集开关单元开启，将采集的电压信息对应传送给信号放大模块401的正极端和负极端。

本发明工作原理如下：

参照图2，所述N管的开启条件是Vgs要大于栅极电压，平时当隔离式栅极驱动器不输出的时候，其Vout引脚属于高阻态；由于R1和R2的存在，所以两个N管的Vgs＝0时，两个N管处于关闭状态，当隔离式栅极驱动器输出5V电压(隔离电源的电压5V)的时候，MOS管即正常开启；将这两路差分信号输送给后端。

参照图4采样通路：当所有单体电池全为正向电压的时候，单体电压从第1串到最后一串依次遍历轮巡检测；通过单片机的指令，控制隔离式栅极驱动器(3)1、2、13、16打开，其他均保持断开状态(采样通路参照图5)，将第一串的电池单体电压引入到信号放大模块的前端，帮助其完成滤波等处理。

根据半导体集成电路的特性，AD转换模块402是无法采集负电压的；当第一串电池为负电压的时候，控制隔离式栅极驱动器(3)1、2、14、15打开，其他保持断开状态(采样通路参照图6)。

通过以上拓扑方式，即使前端电池呈现负压的时候，信号放大模块401的前端电压仍然能为正向电压，从而保证了整个方案的正向电压和负向电压的双向采集。以此类推，从第1～12串的电池均可以采集其正向电压和负向电压的能力。

参照图7自识别正负电压的采样方法如下：

(1)、采样开始；

(2)、根据通道真值正向表，假定其所有电压为正向电压依次采集一遍并记录；

(3)、然后筛选出其中测试为0V或者无法测量出的相应采集通道；

(4)、若步骤(3)中是0V或者无法测量出的相应采集通道，则将其对应的通道参照真值反向表，假定其为负向电压依次再采集一遍并记录；

(5)、若步骤(3)中不是0V或者无法测量出的相应采集通道，则将每个通道的每一次测试的数据跟其通道的上一次测量结果进行对比，利用电池的电压不会瞬间突变的原则，则只需按照真值正向表来进行轮循进行测试即可；

(6)、然后将步骤(4)或步骤(5)的数据在进行实时判断其中某一串，判断其电压是否接近0V；

(7)、若步骤(6)中的电压是接近0V，则将其对应接近为0V的那个通道，每次利用真值正向表测一次后，再用反向表再测一次，如果正反均有值则做平均，如果只有一方有值则不用，然后将其测量值进行上报；

(8)、若步骤(6)中的电压不接近0V，则直接将其测量值进行上报。

其电池真值如下表1：

表1

从上述表1中可以看出，只有在所采集电压接近0V的时候，才会启用反向通道测量，而在其他大部分的时候，只需要选取单一方向进行测量即可；因此可以节省大量的开关动作及时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种燃料电池单体采集模块，其特征在于，包括电池包、若干采样单元、若干正负采集单元、信号转换单元、控制单元；所述电池包包括多个串联的单体电池；所述若干采样单元均与所述的电池包的一单体电池连接，用于采取每个单体电池的正电压或/和负电压信息；所述若干正负采集单元对应与所述的若干采样单元连接，用于将若干采样单元采取的电压信息，进行正电压、负电压采集处理，处理后的电压经所述信号转换单元，与所述控制单元对应的输入端连接；所述控制单元控制端还分别与所述的若干采样单元、若干正负采集单元输入端连接，所述控制单元通过控制端输出控制信号，控制对应的若干采样单元、若干正负采集单元，来对不同的单体电池或电池包进行电压取样、采集；

所述若干采样单元均包括第一开关单元、第一驱动单元；所述第一驱动单元均接收控制单元控制信号，且第一驱动单元均驱动对应的第一开关单元的断开或闭合对单体电池进行电压采样；

所述第一开关单元均包括奇数开关单元、偶数开关单元；所述奇数开关单元对单体电池排列为奇数的电池进行电压采样，且采样后均连接一起输出给对应的若干正负采集单元；

所述偶数开关单元对单体电池排列为偶数的电池进行电压采样，且采样后均连接一起输出给对应的若干正负采集单元；

所述若干正负采集单元包括第二开关单元、第三开关单元、第二驱动单元、第三驱动单元；所述第二驱动单元、第三驱动单元分别接收控制单元控制信号，且驱动对应的第二开关单元、第三开关单元断开或闭合，将奇数开关单元或偶数开关单元上正电压或负电压转换成正压输出；

所述第二开关单元、第三开关单元均包括正压采集开关单元、负压采集开关单元；所述正压采集开关单元、负压采集开关单元的断开或闭合，采集对应的奇数开关单元、偶数开关单元上的正压或负压；

所述正压采集开关单元、负压采集开关单元、奇数开关单元、偶数开关单元均为多个MOS管构成的一种电子开关；所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元均为包括隔离式栅极驱动器芯片及其外围电路。

2.根据权利要求1所述的燃料电池单体采集模块，其特征在于，所述信号转换单元包括依次连接的信号放大模块、AD转换模块、通讯隔离；所述信号放大模块能接收正负采集单元采集的正负信号，AD转换模块能将该信号转换成数字，并经过通讯隔离发送给控制单元。

3.根据权利要求2所述的燃料电池单体采集模块，其特征在于，所述控制单元为MCU。

4.根据权利要求1-3所述的燃料电池单体采集模块的采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、采样开始；

(2)、根据通道真值正向表，假定其所有电压为正向电压依次采集一遍并记录；

(3)、然后筛选出其中测试为0V或者无法测量出的相应采集通道；

(4)、若步骤(3)中是0V或者无法测量出的相应采集通道，则将其对应的通道参照真值反向表，假定其为负向电压依次再采集一遍并记录；

(5)、若步骤(3)中不是0V或者无法测量出的相应采集通道，则将每个通道的每一次测试的数据跟其通道的上一次测量结果进行对比；

(6)、然后将步骤(4)或步骤(5)的数据在进行实时判断其中某一串，判断其电压是否接近0V；

(7)、若步骤(6)中的电压是接近0V，则将其对应接近为0V的那个通道，每次利用真值正向表测一次后，再用反向表再测一次，如果正反均有值则做平均，如果只有一方有值则不用，然后将其测量值进行上报；

(8)、若步骤(6)中的电压不接近0V，则直接将其测量值进行上报。

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