CN111816942A - 一种单体电池传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开并提供了一种用于测量单体电池端电压、温度及被动电压均衡的单体电池传感器及其工作方法。本发明包括控制管理单元、电源模块、电压采样第一电阻、电压采样第二电阻、单体电池温度测量芯片、隔离通信芯片、单体电池被动电压均衡电路、放电电阻及对外连接端子。工作方法为：a、控制管理单元采集外部单体电池端电压、温度，通过通信的方式与上位机交换信息，并接受上位机指令控制单体电池被动电压均衡电路；b、传感器内部供电电源由外部通过外连接端子接入，同时传感器所采集的信息经通信接口通过外连接端子与外部通信；c、多个单体电池传感器之间和与上位机之间通过外连接端子采用级联的方式连接。本发明应用于电池检测技术领域。

Description

一种单体电池传感器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种单体电池传感器及其工作方法，特别涉及一种用于测量单体电池端电压、温度及被动电压均衡的传感器，以及实现单体电池端电压、温度采集及被动电压均衡的方法。
背景技术
现有很多电源如UPS、储能系统、通信电源、电力电源等均需要用到储能电池作为后备电源，而由于单体电池的容量较小、电压较低，因此使用时一般需将多个单体电池串并联组合为大容量、高电压的储能系统，在使用时需加装电池管理系统BMS对每个单体电池的端电压、温度、容量、充/放电电流等参数进行监控及管理。现有的电池管理系统BMS一般采用一个控制单元同时检测+n∼n+个单体电池方法对电池参数进行监控和管理。此种方式在采集单体电池端电压时，需将每节电池端电压通过导线接入控制单元，运行时若由于某种意外如振动、导线老化、元器件短路等事故发生，易造成电池间发生短路，引起火灾等事故，因此在设计电池管理系统BMS时，如何避免上述问题的发生是我们要解决的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、每个单体电池间无导线跨接，即使发生导线老化、元器件短路等故障，也不会引起单体电池间发生短路的用于测量单体电池端电压、温度及被动电压均衡的传感器，满足电池管理系统BMS对单体电池技术参数检测的要求。
本发明所采用的技术方案是：所述一种单体电池传感器包括控制管理单元MCU、电源模块DC/DC、电压采样第一电阻R1、电压采样第二电阻R2、单体电池温度测量芯片T、隔离通信芯片Comm、单体电池被动电压均衡电路1、放电电阻R及对外连接端子DZ；所述电压采样第一电阻R1、所述电压采样第二电阻R2用于单体电池端电压采样，其阻值由单体电池电压幅值和所述控制管理单元MCU基准电压而定；所述外连接端子DZ用于接入外部供给电源及通信口并采用级联的方式与另一个传感器或上位机相连；所述外连接端子DZ的通信口与所述隔离通信芯片Comm的第一通讯端连接，所述隔离通信芯片Comm的第二通讯端与所述控制管理单元MCU通信端连接，所述单体电池传感器所采集的信息经通信接口通过所述外连接端子DZ与外部通信，所述外连接端子DZ除用于所述单体电池传感器接入外部电源和作为通信接口转接端子外，还用于多个所述单体电池传感器之间通过所述外连接端子DZ级联的方式与上位机连接；所述电源模块DC/DC的入线端、所述隔离通信芯片Comm的输入端电源均与所述外连接端子DZ的电源输入端相连；所述控制管理单元MCU的电源端、所述隔离通信芯片Comm的电源端均与所述电源模块DC/DC的输出端连接；所述电压采样第一电阻R1、所述电压采样第二电阻R2串联后与外部单体电池BAT并联，所述电压采样第一电阻R1、所述电压采样第二电阻R2的中间串联点与所述控制管理单元MCU的A/D模拟量测量点连接，用于测量单体电池的端电压；所述单体电池温度测量芯片T与所述控制管理单元MCU的输入端连接，安装时所述单体电池温度测量芯片T紧贴所述外部单体电池BAT的外壳或接线端子，用于测量单体电池的温度；所述单体电池被动电压均衡电路1和所述放电电阻R串联后与所述外部单体电池BAT并联，所述单体电池被动电压均衡电路1的控制极与所述控制管理单元MCU的输出端连接，用于控制单体电池的电压均衡。
进一步，所述电源模块DC/DC为原、副边隔离的电源模块，用于给传感器内部供电。
进一步，所述电源模块DC/DC为隔离DC/DC电源模块。
进一步，所述单体电池被动电压均衡电路1采用PNP三极管和NPN三极管串联，所述PNP三极管的E极和C极、所述NPN三极管E极和C极、所述放电电阻R串联后与所述外部单体电池BAT并联，所述PNP三极管的控制极和所述NPN三极管的控制极分别与所述控制管理单元MCU的输出端连接，用于控制所述外部单体电池BAT的电压均衡。控制所述外部单体电池BAT的放电，避免若采用一个NPN或PNP三极管，由于某种原因如控制管理芯片MCU故障，使NPN或PNP三极管导通，单体电池意外放电，造成单体电池电压不均衡。
进一步，所述对外连接端子DZ包括第一对外连接端子DZ1和第二对外连接端子DZ2，所述第一对外连接端子DZ1和所述第二对外连接端子DZ2相并联且用于接入外部供给电源及通信口，所述电源模块DC/DC入线端、所述隔离通信芯片Comm的输入端电源与所述第一对外连接端子DZ1和/或所述第二对外连接端子DZ2电源输入端相连。
进一步，所述隔离通信芯片Comm作为所述控制管理单元MCU与上位机之间的通信接口，所述隔离通信芯片Comm的原、副边通信口必须隔离。
所述单体电池传感器的工作方法为：
a、所述单体电池传感器正常运行时，所述控制管理单元MCU采集所述外部单体电池BAT端电压、温度，通过通信的方式与上位机交换信息，并接受上位机指令控制所述单体电池被动电压均衡电路1，实现单体电池电压均衡；
b、传感器内部供电电源由外部通过所述外连接端子DZ接入，同时传感器所采集的信息经通信接口通过所述外连接端子DZ与外部通信；
c、多个所述单体电池传感器之间和与上位机之间通过所述外连接端子DZ采用级联的方式连接。
本发明的有益效果是：本发明结构简单、每个单体电池间无导线跨接，即使发生导线老化、元器件短路等故障，也不会引起单体电池间发生短路的用于测量单体电池端电压、温度及被动电压均衡的传感器，满足电池管理系统BMS对单体电池技术参数检测的要求。本发明可广泛地应用于对各种类型电池如铅酸电池、锂电池等电池管理系统BMS中，作为单体电池端电压、温度及电压均衡的前端传感器使用。
附图说明
图1是本发明原理框图；
图2是本发明多个传感器与上位机之间级联示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，其中图1为传感器原理框图，图2为由多个图1和上位机组合为电池管理系统BMS后之间的连接示意图。在本实施例中，本传感器主要由控制管理单元MCU、隔离DC/DC电源模块、单体电池端电压采样电阻R1、R2、单体电池温度测量芯片T、隔离通信芯片Comm、单体电池被动电压均衡电路PNP、NPN三极管和放电电阻R及对外连接端子DZ1、DZ2等几部分组成。图1中端子DZ1和DZ2用于传感器接入外部电源和通信接口转接端子，还用于多个传感器之间通过端子DZ1或DZ2级联的方式与上位机连接；隔离DC/DC电源用于给传感器内部所有需要供电的芯片供电；控制管理芯片MCU用于对单体电池的电压、温度等信息的采集、控制和管理及与上位机进行信息交互，以实现对整个电池组的管理的目的；采样电阻R1、R2用于对单体电池的采样；温度测量芯片T用于采集单体电池的温度；PNP、NPN三极管和放电电阻用于单体电池的波动电压均衡；通信芯片用于控制管理芯片MCU与上位机之间的信息交互提供通信接口。
以图1说明本发明的工作原理：
a、传感器正常运行时，控制管理单元MCU采集单体电池端电压、温度，通过通信的方式与上位机交换信息，并接受上位机指令控制PNP和NPN三极管导通或截止，实现单体电池电压均衡；
b、传感器内部供电电源由外部通过端子DZ1或DZ2接入，同时传感器所采集的信息经通信接口通过端子DZ1或DZ2与外部通信；
c、多个传感器之间和与上位机之间通过端子DZ1或DZ2采用级联的方式连接。
本发明应用于电池检测技术领域。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (7)

1.一种单体电池传感器，其特征在于：所述一种单体电池传感器包括控制管理单元（MCU）、电源模块（DC/DC）、电压采样第一电阻（R1）、电压采样第二电阻（R2）、单体电池温度测量芯片（T）、隔离通信芯片（Comm）、单体电池被动电压均衡电路（1）、放电电阻（R）及对外连接端子（DZ）；所述外连接端子（DZ）用于接入外部供给电源及通信口并采用级联的方式与另一个传感器或上位机相连；所述外连接端子（DZ）的通信口与所述隔离通信芯片（Comm）的第一通讯端连接，所述隔离通信芯片（Comm）的第二通讯端与所述控制管理单元（MCU）通信端连接；所述电源模块（DC/DC）的入线端、所述隔离通信芯片（Comm）的输入端电源均与所述外连接端子（DZ）的电源输入端相连；所述控制管理单元（MCU）的电源端、所述隔离通信芯片（Comm）的电源端均与所述电源模块（DC/DC）的输出端连接；所述电压采样第一电阻（R1）、所述电压采样第二电阻（R2）串联后与外部单体电池（BAT）并联，所述电压采样第一电阻（R1）、所述电压采样第二电阻（R2）的中间串联点与所述控制管理单元（MCU）的A/D模拟量测量点连接，用于测量单体电池的端电压；所述单体电池温度测量芯片（T）与所述控制管理单元（MCU）的输入端连接，安装时所述单体电池温度测量芯片（T）紧贴所述外部单体电池（BAT）的外壳或接线端子，用于测量单体电池的温度；所述单体电池被动电压均衡电路（1）和所述放电电阻（R）串联后与所述外部单体电池（BAT）并联，所述单体电池被动电压均衡电路（1）的控制极与所述控制管理单元（MCU）的输出端连接，用于控制单体电池的电压均衡。
2.根据权利要求1所述的一种单体电池传感器，其特征在于：所述电源模块（DC/DC）为原、副边隔离的电源模块。
3.根据权利要求2所述的一种单体电池传感器，其特征在于：所述电源模块（DC/DC）为隔离DC/DC电源模块。
4.根据权利要求1所述的一种单体电池传感器，其特征在于：所述单体电池被动电压均衡电路（1）采用PNP三极管和NPN三极管串联，所述PNP三极管的E极和C极、所述NPN三极管E极和C极、所述放电电阻（R）串联后与所述外部单体电池（BAT）并联，所述PNP三极管的控制极和所述NPN三极管的控制极分别与所述控制管理单元（MCU）的输出端连接，用于控制所述外部单体电池（BAT）的电压均衡。
5.根据权利要求1所述的一种单体电池传感器，其特征在于：所述对外连接端子（DZ）包括第一对外连接端子（DZ1）和第二对外连接端子（DZ2），所述第一对外连接端子（DZ1）和所述第二对外连接端子（DZ2）相并联且用于接入外部供给电源及通信口，所述电源模块（DC/DC）入线端、所述隔离通信芯片（Comm）的输入端电源与所述第一对外连接端子（DZ1）和/或所述第二对外连接端子（DZ2）电源输入端相连。
6.根据权利要求1所述的一种单体电池传感器，其特征在于：所述隔离通信芯片（Comm）作为所述控制管理单元（MCU）与上位机之间的通信接口，所述隔离通信芯片（Comm）的原、副边通信口必须隔离。
7.一种如权利要求1所述的单体电池传感器的工作方法，其特征在于：所述工作方法为：
a、所述单体电池传感器正常运行时，所述控制管理单元（MCU）采集所述外部单体电池（BAT）端电压、温度，通过通信的方式与上位机交换信息，并接受上位机指令控制所述单体电池被动电压均衡电路（1），实现单体电池电压均衡；
b、传感器内部供电电源由外部通过所述外连接端子（DZ）接入，同时传感器所采集的信息经通信接口通过所述外连接端子（DZ）与外部通信；
c、多个所述单体电池传感器之间和与上位机之间通过所述外连接端子（DZ）采用级联的方式连接。
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