CN112394302B - 蓄电池组采样线断线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蓄电池组采样线断线检测装置及方法。该断线检测装置，包括：限流电阻模块，包含n个限流电阻以及参考限流电阻；分压电阻模块，包含n个分压电阻；检测开关模块，每个检测开关的一端与对应的分压电阻相连接，另一端与对应的限流电阻和相邻的高节单体电池对应的分压电阻共同连接；切换电阻模块，包含n个切换电阻单元；电压采集模块，每个电压采集单元用于单体电池电压以及实时诊断电压；比较判断模块，在判断单体电池电压大于预设参考电压时使对应的开关管关断；以及微处理器，控制检测开关的开关，计算理论诊断电压，并在判断实时诊断电压不在对应的理论诊断电压的误差范围内否时，判定对应的采集线处于断线状态。

Description

蓄电池组采样线断线检测装置及方法

技术领域

本发明属于蓄电池组采样线断线检测技术领域，具体涉及一种蓄电池组采样线断线检测装置及方法。

背景技术

作为储备能源和驱动能源，蓄电池组被广泛地使用在航空航天、汽车和电力等相关领域，尤其是近年来得到了广泛的用于和大力的发展。在运用蓄电池的过程中就少不了使用电池管理系统(BMS)，BMS的广泛应用，暴露出了很多会影响电池系统正常运行的问题，其中电池断线检测问题尤为突出。

在目前的BMS系统中，断线检测通常采用如图5所示的包含限流电阻模块310、嵌位管理模块320、分压电阻模块330以及检测开关模块340在内的串联式电阻采样线断线检测装置300。其检测步骤如下：

步骤1：检测开始，系统检测单体电池B1到Bn的电压V1到Vn并记录；

步骤2：启动断线检测奇数开关K1到Kn-1，记录奇数单体电池的电压U1到Un-1，由电阻分压原理可知，各奇数单体电池对应的理论电压分别为Ut1＝V1*Rf1/(Rf1+Rx0+Rx1)、…、Utn-1＝Vn-1*Rfy-1/(Rfy-1+Rxn-2+Rxn-1)；

步骤3：启动断线检测偶数开关K2到Kn，记录偶数单体电池的电压U2到Un，由电阻分压原理可知，各偶数单体电池对应的理论电压分别为Ut2＝V2*Rf2/(Rf2+Rx1+Rx2)、…、Utn＝Vn*Rfn/(Rfn+Rxn-1+Rxn)；

步骤4：进行断线判断，设定系统采样误差5％，当U1/Ut1＝0.95-1.05、…、Un-1/Utn-1＝0.9-1.05，U2/Ut2＝0.95-1.05、…、Un/Utn＝0.95-1.05等式成立时，对应的采样线无断线情况发生，否则判定对应的采样线发生断线。

在采用上述检测装置进行断线检测时，将分压电阻为Rf1、Rf2、Rfn-1、Rfn接入系统，使得电阻接入后相应节单体电池的阻抗减小，所以分到的电压变化。但是，由于所有的分压电阻为相互串联连接，其减小的电压将累加到相邻的电池上，同时各分压电阻为固定阻值，不能根据电压进行切换，所以在检测时，高压时容易使相邻的电池触发过压、低压时容易触发过欠压。发生单体电池过欠压为严重故障，会导致系统停止工作。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种蓄电池组采样线断线检测装置及方法，能够在准确检测蓄电池组采样线断线的同时，有效地避免在断线检测时发生单体过欠压问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

<方案一>

本发明提供了一种蓄电池组采样线断线检测装置，用于对分别与蓄电池组中的n节单体电池的正极分别相连接的n根采样线进行断线检测，低节单体电池的采样线同时与相邻的高节单体电池的负极相连接，最低节单体电池的负极连接有参考采样线，具有这样的特征，包括：限流电阻模块，包含分别与n根采样线相连接的n个限流电阻、以及与参考采样线相连接的参考限流电阻；分压电阻模块，包含分别与n节单体电池相对应的n个分压电阻，每个分压电阻串联在对应的两个限流电流之间或者对应的限流电阻和参考限流电阻之间；检测开关模块，包含分别与n个分压电阻相对应的n个检测开关，每个检测开关的一端与对应的分压电阻相连接，另一端与对应的限流电阻和相邻的高节单体电池对应的分压电阻共同连接；切换电阻模块，包含分别与n个分压电阻并联连接的n个切换电阻单元，每个切换电阻单元含有串联连接的切换电阻和开关管；电压采集模块，包含分别与n节单体电池相对应的n个电压采集单元，每个电压采集单元用于在所有的检测开关都处于关闭状态时采集对应的单体电池两端的电压作为单体电池电压、以及在对应的检测开关处于开启状态且其余的检测开关都处于关闭状态时采集对应的分压电阻两端的电压作为实时诊断电压；比较判断模块，包含分别与n节单体电池相对应的n个比较判断单元，每个比较判断模块用于将对应的电压采集单元所采集到的单体电池电压和预设参考电压进行比较判断，在判断单体电池电压大于预设参考电压时使对应的开关管关断，从而使对应的切换电阻和分压电阻处于断开状态；以及微处理器，控制检测开关的开关，基于单体电池电压和对应的开关管的开关状态计算对应的分压电阻两端的电压作为理论诊断电压，并判断实时诊断电压是否在对应的理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的采集线处于断线状态，n为大于等于2的正整数。

在本发明提供的蓄电池组采样线断线检测装置中，还可以具有这样的特征：还包括：钳位管理模块，其中，钳位管理模块包含分别与n节单体电池相对应的n个稳压二极管，每个稳压二极管串联在对应的两个限流电阻之间或者对应的限流电阻和参考限流电阻之间。

在本发明提供的蓄电池组采样线断线检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，电压采集单元含有运算放大器，运算放大器的两个输入端分别与对应的两个限流电阻或者对应的限流电阻和参考限流电阻相连接，输出端用于将单体电池电压输送给微处理器和对应的比较判断单元以及将实时诊断电压输送给微处理器。

在本发明提供的蓄电池组采样线断线检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，电压采集单元还含有分别与两个输入端相对应的两个电阻作为差分采样电阻、以及作为运放限流电阻的电阻，差分采样电阻串联在对应的输入端和限流电阻之间或者对应的输入端和参考限流电阻之间，运放限流电阻串联在输出端和对应的比较判断单元之间。

在本发明提供的蓄电池组采样线断线检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，比较判断单元含有比较器，比较器的负相输入端与对应的运算放大器的输出端相连接，正相输入端用于接受预设参考电压，比较器的输出端与对应的开关管的控制端相连接。

在本发明提供的蓄电池组采样线断线检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，比较判断单元还含有上拉电阻，上拉电阻的一端与对应的比较器的输出端相连接，另一端用于接受上拉电压。

在本发明提供的蓄电池组采样线断线检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，开关管为MOSFET管。

<方案二>

本发明还提供了一种蓄电池组采样线断线检测方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

控制所有的检测开关都处于关闭状态，采集每个单体电池两端的电压作为单体电池电压；

依次判断每个单体电池电压是否大于预设参考电压，如是，则关断对应的开关管，如否，则开启对应的开关管；

依次开启每一个检测开关并使其余的检测开关都处于关闭状态，采集对应的分压电阻两端的电压作为实时诊断电压；

基于单体电池电压和对应的开关管的开关状态计算对应的分压电阻两端的电压作为理论诊断电压；

判断实时诊断电压是否在对应的理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的采样线处于断线状态。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的蓄电池组采样线断线检测装置及方法，因为每个检测开关的一端与对应的分压电阻相连接，另一端与对应的限流电阻和相邻的高节单体电池对应的分压电阻共同连接，切换电阻模块包含分别与n个分压电阻并联连接的n个切换电阻单元，每个切换电阻单元含有串联连接的切换电阻和开关管，每个电压采集单元能够在所有的检测开关都处于关闭状态时采集对应的单体电池两端的电压作为单体电池电压、以及在对应的检测开关处于开启状态且其余的检测开关都处于关闭状态时采集对应的分压电阻两端的电压作为实时诊断电压，每个比较判断模块能够将对应的电压采集单元所采集到的单体电池电压和预设参考电压进行比较判断，在判断单体电池电压大于预设参考电压时使对应的开关管关断，从而使对应的切换电阻和分压电阻处于断开状态，微处理器能够基于单体电池电压和对应的开关管的开关状态计算对应的分压电阻两端的电压作为理论诊断电压，并判断实时诊断电压是否在对应的理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的采集线处于断线状态，所以，本发明能够在准确检测蓄电池组采样线断线的同时，有效地避免在断线检测时发生单体过欠压问题。

附图说明

图1是本发明的实施例中蓄电池组采样线断线检测装置的结构框图；

图2是本发明的实施例中蓄电池组采样线断线检测装置的电路图；

图3是本发明的实施例中单体电池B1在开关管Q1处于关断状态下的简化检测电路图；

图4是本发明的实施例中单体电池B1在开关管Q1处于开启状态下的简化检测电路图；以及

图5是现有技术中采用串联式分压电阻的蓄电池组采样线断线检测装置。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明提供的蓄电池组采样线断线检测装置及方法作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中蓄电池组采样线断线检测装置的结构框图；图2是本发明的实施例中蓄电池组采样线断线检测装置的电路图。

如图1和图2所示，在本实施例中，蓄电池组采样线断线检测装置100用于对分别与蓄电池组200中的n节单体电池B1、B2、…、Bn的正极分别相连接的n根采样线L1、L2、…、Ln进行断线检测，n为不小于2的正整数；低节单体电池的采样线同时与相邻的高节单体电池的负极相连接，即、采样线L1同时与单体电池B2的负极相连接，采样线L2同时与单体电池B3的负极相连接，依次类推；最低节单体电池B1的负极连接有参考采样线L0。该蓄电池组采样线断线检测装置100包括限流电阻模块10、钳位管理模块20、分压电阻模块30、检测开关模块40、切换电阻模块50、电压采集模块60、比较判断模块70以及微处理器80。

如图1和图2所示，限流电阻模块10用于对蓄电池的电流进行限流隔离，防止过流对其他元器件造成损坏。该限流电阻模块10包含n个限流电阻Rx1、Rx2、…、Rxn以及参考限流电阻Rx0。

限流电阻Rx1、Rx2、…、Rxn与采样线L1、L2、…、Ln一一对应连接。

参考限流电阻Rx0与参考采样线L0相连接。

如图1和图2所示，钳位管理模块20用于对每个单体电池两端的钳位管理，包含分别与n节单体电池相对应的n个稳压二极管D1、D2、…、Dn。

每个稳压二极管串联在对应的单体电池对应的两个限流电阻之间或者对应的限流电阻和参考限流电阻之间。即、稳压二极管D1串联在限流电阻Rx1和参考限流电阻Rx0之间，稳压二极管D2串联在限流电阻Rx2和限流电阻Rx1之间，依次类推。

稳压二极管的工作原理是当其两端的电压大于预设钳位电压时，将电压稳压到该二极管的参考电压Vz，该参考电压Vz为对应的单体电池的最高电压的1.5-1.8倍，本实施例中，参考电压Vz采用对应的单体电池的最高电压的1.5倍。

如图1和图2所示，分压电阻模块30用于对每一个单体电池两端的电压进行分压采样，包含分别与n节单体电池相对应的n个分压电阻Rf1、Rf2、…、Rfn。

每个分压电阻串联在对应的单体电池所对应的两个限流电流之间或者对应的限流电阻和参考限流电阻之间。即、分压电阻Rf1串联在限流电阻Rx1和参考限流电阻Rx0之间，分压电阻Rf2串联在限流电阻Rx2和限流电阻Rx1之间，依次类推。

如图1和图2所示，检测开关模块40包含分别与n个分压电阻相对应的n个检测开关K1、K2、…、Kn。每个检测开关用于在断线检测状态时使分压电阻和对应的限流电阻相导通或者在非断线检测状态时使分压电压和对应的限流电阻断开。

检测开关的一端与对应的分压电阻相连接，另一端与对应的限流电阻和相邻的高节单体电池对应的分压电阻共同连接。即、检测开关K1的一端与分压电阻Rf1相连接，另一端与限流电阻Rx1和分压电阻Rf2共同连接；检测开关K2的一端与分压电阻Rf2相连接，另一端与限流电阻Rx2和分压电阻Rf3共同连接；依次类推。

如图1和图2所示，切换电阻模块50包含分别与n个分压电阻并联连接的n个切换电阻单元51。

每个切换电阻单元51含有串联连接的切换电阻和开关管。例如，切换电阻Rq1和开关管Q1串联连接后与分压电阻Rf1并联连接，切换电阻Rq2和开关管Q2串联连接后与分压电阻Rf2并联连接，依次类推。在本实施例中，开关管采用MOSFET管。

如图1和图2所示，电压采集模块60包含分别与n个单体电池相对应的n个电压采集单元61。每个电压采集单元61用于在所有的检测开关都处于关闭状态时采集对应的单体电池两端的电压作为单体电池电压、以及在对应的检测开关处于开启状态且其余的检测开关都处于关闭状态时采集对应的分压电阻两端的电压作为实时诊断电压。

每个电压采集单元61含有运算放大器、分别与运算放大器的两个输入端相对应的两个电阻作为差分采样电阻、以及一个作为运放限流电阻的电阻。每两个差分采样电阻的一端分别与对应的运算放大器的两个输入端相连接，另一端分别与对应的两个限流电阻或者对应的限流电阻和参考限流电阻相连接；运放限流电阻的一端与对应的运算放大器的输出端相连接。即、差分采样电阻Rc1和Rc2的一端分别与运算放大器A1的两个输入端相连接，另一端分别与参考限流电阻Rx0和限流电阻Rx1相连接，运放限流电阻Ra1的一端与运算放大器A1的输出端相连接；差分采样电阻Rc3和Rc4的一端分别与运算放大器A2的两个输入端相连接，另一端分别与限流电阻Rx1和Rx2相连接，运放限流电阻Ra2的一端与运算放大器A2的输出端相连接；依次类推。

如图1和图2所示，比较判断模块70，包含分别与n节单体电池相对应的n个比较判断单元71。每个比较判断模块71用于将对应的电压采集单元61所采集到的单体电池电压和预设参考电压进行比较判断，在判断单体电池电压大于预设参考电压时，使对应的开关管关断从而使对应的切换电阻和分压电阻处于断开状态；在判断单体电池电压不大于预设参考电压时，使对应的开关管开启从而使得对应的切换电阻和分压电阻处于连接状态。

每个比较判断单元71含有比较器和作为上拉电阻的电阻。

比较器的负相输入端与对应的运算限流电阻的另一端相连接，正相输入端用于接受预设参考电压Vref，比较器的输出端与对应的开关管的控制端相连接。即、比较器P1的负相输入端与运放限流电阻Ra1的另一端相连接，输出端与开关管Q1的控制端相连接；比较器P2的负相输入端与运放限流电阻Ra2的另一端相连接，输出端与开关管Q2的控制端相连接；依次类推。

上拉电阻的一端与对应的比较器的输出端相连接，另一端用于接上拉电压VCC。即、上拉电阻Rs1与比较器P1的输出端相连接，上拉电阻Rs2与比较器P2的输出端相连接，依次类推。

如图1所示，微处理器80用于控制检测开关的开关；也用于基于单体电池电压和对应的开关管的开关状态计算对应的分压电阻两端的电压作为理论诊断电压；还用于判断实时诊断电压是否在对应的理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的采集线处于断线状态。

在本实施例中，采用蓄电池组采样线断线装置100的检测方法，包括以下步骤：

步骤S1，微控制器80控制所有的检测开关都处于关闭状态，电压采集模块60采集每个单体电池两端的电压作为单体电池电压。

步骤S2，微控制器80依次判断每个单体电池电压是否大于预设参考电压，如是，则关断对应的开关管，如否，则开启对应的开关管。

步骤S3，依次开启每一个检测开关并使其余的检测开关都处于断开状态，电压采集模块60采集对应的分压电阻两端的电压作为实时诊断电压。

步骤S4，微控制器80基于单体电池电压和对应的开关管的开关状态计算对应的分压电阻两端的电压作为理论诊断电压；

步骤S5，微控制器80判断实时诊断电压是否在对应的理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的采样线处于断线状态。

下面以单体电池B1的采集线L1为例，来说明理论诊断电压的计算以及断线检测。

图3是本发明的实施例中单体电池B1在开关管Q1处于关断状态下的简化检测电路图；图4是本发明的实施例中单体电池B1在开关管Q1处于开启状态下的简化检测电路图。

设定单体电池B1对应的单体电池电压、实时诊断电压分别为Uz1、Us1，预设参考电压为Vref。

(1)若Uz1>Vref，则对应的比较器P1输出低电平，使得开关管Q1处于关断状态从而使切换电阻Rq1和分压电阻Rf1断开，此时简化的检测电路如图3所示。

单体电池B1对应的理论诊断电压Ut1-1为：

Ut1-1＝Uz1×Rf1/(Rf1+Rx0+Rx1)

设定系统采样为5％，若Us1/Ut1-1＝0.95…1.05，则判定采样线L1无断线，否则判定采样线L1发生断线。

(2)若Uz1≤Vref，则对应的比较器P1输出高电平，使得开关管Q1处于开启状态从而使切换电阻Rq1和分压电阻Rf1相连接，此时简化的检测电路如图4所示。

单体电池B1对应的理论诊断电压Ut1-2为：

Ut1-2＝Uz1×(Rf1//Rq1)/(Rf1//Rq1+Rx0+Rx1)

设定系统采样为5％，若Us1/Ut1-2＝0.95…1.05，则判定采样线L1无断线，否则判定采样线L1发生断线。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的蓄电池组采样线断线检测装置及方法，因为每个检测开关的一端与对应的分压电阻相连接，另一端与对应的限流电阻和相邻的高节单体电池对应的分压电阻共同连接，切换电阻模块包含分别与n个分压电阻并联连接的n个切换电阻单元，每个切换电阻单元含有串联连接的切换电阻和开关管，每个电压采集单元能够在所有的检测开关都处于关闭状态时采集对应的单体电池两端的电压作为单体电池电压、以及在对应的检测开关处于开启状态且其余的检测开关都处于关闭状态时采集对应的分压电阻两端的电压作为实时诊断电压，每个比较判断模块能够将对应的电压采集单元所采集到的单体电池电压和预设参考电压进行比较判断，在判断单体电池电压大于预设参考电压时使对应的开关管关断，从而使对应的切换电阻和分压电阻处于断开状态，微处理器能够基于单体电池电压和对应的开关管的开关状态计算对应的分压电阻两端的电压作为理论诊断电压，并判断实时诊断电压是否在对应的理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的采集线处于断线状态，所以，本实施例能够在准确检测蓄电池组采样线断线的同时，有效地避免在断线检测时发生单体过欠压问题。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种蓄电池组采样线断线检测装置，用于对分别与蓄电池组中的n节单体电池的正极分别相连接的n根采样线进行断线检测，低节单体电池的所述采样线同时与相邻的高节单体电池的负极相连接，最低节单体电池的负极连接有参考采样线，其特征在于，包括：

限流电阻模块，包含分别与所述n根采样线相连接的n个限流电阻、以及与所述参考采样线相连接的参考限流电阻；

分压电阻模块，包含分别与所述n节单体电池相对应的n个分压电阻，每个所述分压电阻串联在对应的两个所述限流电阻之间或者对应的所述限流电阻和所述参考限流电阻之间；

检测开关模块，包含分别与所述n个分压电阻相对应的n个检测开关，每个所述检测开关的一端与对应的所述分压电阻相连接，另一端与对应的所述限流电阻和相邻的高节单体电池对应的所述分压电阻共同连接；

切换电阻模块，包含分别与所述n个分压电阻并联连接的n个切换电阻单元，每个切换电阻单元含有串联连接的切换电阻和开关管，其中，所述开关管为MOSFET管；

电压采集模块，包含分别与所述n节单体电池相对应的n个电压采集单元，每个电压采集单元用于在所有的所述检测开关都处于关闭状态时采集对应的所述单体电池两端的电压作为单体电池电压、以及在对应的所述检测开关处于开启状态且其余的所述检测开关都处于关闭状态时采集对应的所述分压电阻两端的电压作为实时诊断电压；

比较判断模块，包含分别与所述n节单体电池相对应的n个比较判断单元，每个比较判断模块用于将对应的所述电压采集单元所采集到的所述单体电池电压和预设参考电压进行比较判断，在判断所述单体电池电压大于所述预设参考电压时使对应的所述开关管关断，从而使对应的所述切换电阻和所述分压电阻处于断开状态；

以及微处理器，控制所述检测开关的开关，基于所述单体电池电压和对应的所述开关管的开关状态计算对应的所述分压电阻两端的电压作为理论诊断电压，并判断所述实时诊断电压是否在对应的所述理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的所述采样线处于断线状态，所述n为大于等于2的正整数；

钳位管理模块，其中，所述钳位管理模块包含分别与所述n节单体电池相对应的n个稳压二极管，每个所述稳压二极管串联在对应的两个所述限流电阻之间或者对应的所述限流电阻和所述参考限流电阻之间。

2.根据权利要求1所述的蓄电池组采样线断线检测装置，其特征在于：其中，所述电压采集单元含有运算放大器，所述运算放大器的两个输入端分别与对应的两个所述限流电阻或者对应的所述限流电阻和所述参考限流电阻相连接，输出端用于将所述单体电池电压输送给所述微处理器和对应的所述比较判断单元以及将所述实时诊断电压输送给所述微处理器。

3.根据权利要求2所述的蓄电池组采样线断线检测装置，其特征在于：其中，所述电压采集单元还含有分别与所述两个输入端相对应的两个电阻作为差分采样电阻、以及作为运放限流电阻的电阻，所述差分采样电阻串联在对应的所述输入端和所述限流电阻之间或者对应的所述输入端和所述参考限流电阻之间，所述运放限流电阻串联在所述输出端和对应的所述比较判断单元之间。

4.根据权利要求2所述的蓄电池组采样线断线检测装置，其特征在于：其中，所述比较判断单元含有比较器， 所述比较器的负相输入端与对应的所述运算放大器的所述输出端相连接，正相输入端用于接受所述预设参考电压，所述比较器的输出端与对应的所述开关管的控制端相连接。

5.根据权利要求4所述的蓄电池组采样线断线检测装置，其特征在于：其中，所述比较判断单元还含有上拉电阻，所述上拉电阻的一端与对应的所述比较器的所述输出端相连接，另一端用于接受上拉电压。

6.一种蓄电池组采样线断线检测方法，应用于权利要求1至5中任一权利要求所述的检测装置，其特征在于，包括以下步骤：控制所有的检测开关都处于关闭状态，采集每个单体电池两端的电压作为单体电池电压；依次判断每个所述单体电池电压是否大于预设参考电压，如是，则关断对应的开关管，如否，则开启对应的所述开关管；依次开启每一个所述检测开关并使其余的所述检测开关都处于关闭状态，采集对应的所述分压电阻两端的电压作为实时诊断电压；基于所述单体电池电压和对应的所述开关管的开关状态计算对应的所述分压电阻两端的电压作为理论诊断电压；判断所述实时诊断电压是否在对应的所述理论诊断电压的误差范围内，在判断结果为否时，判定对应的采样线处于断线状态。