CN113224810B - 一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置 - Google Patents

一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置，包括：电压采集芯片、12路电压采集及均衡电路、12路电压比较电路、isoSPI菊花链通信电路、报警信号输出电路和宽输入电源芯片；通过本申请可以有效安全监控和管理轨道交通用锂电池系统，从而保证轨道交通用锂电池系统得到合理高效的利用。同时，针对轨道交通行业的特殊要求，本发明在原理设计和物料选型做了相应工作，使得本发明适用于轨道交通复杂恶劣的运行环境，符合轨道交通的行业标准。

Description

一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，具体为一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置。
背景技术
锂电池技术及其电池管理系统的发展在电动汽车领域已经达到了一个相对成熟稳定的阶段，但其在轨道交通领域的推广与使用还处于一个初步阶段。轨道交通相对于电动汽车而言，运行环境更为恶劣与复杂，电池电量和电压等级也更高，安全性要求也更为严格，所以，研发出适用于铁路运行环境和符合铁路标准要求的电池管理系统对于锂电池系统在轨道交通领域的推广使用有着重要的意义。
发明内容
针对于锂电池的特性和轨道交通行业的特殊要求，本发明创造出了适应于轨道交通复杂恶劣的运行环境，符合轨道交通严格的行业标准的锂电池管理系统电压采集装置。本装置的主要作用为采集单体电池电压，并将其通过isoSPI菊花链通信上传给控制板，并接受控制板指令，对单体电池进行均衡放电。同时本装置还可以通过硬件比较电路检测单体电池是否过压，输出硬件报警信号，为电池安全提供双保险。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置，包括：电压采集芯片、12路电压采集及均衡电路、12路电压比较电路、isoSPI菊花链通信电路、报警信号输出电路和宽输入电源芯片；
12个单体电池分别与12路电压采集及均衡电路连接，所述12路电压采集及均衡电路与电压采集芯片连接，所述电压采集芯片与isoSPI菊花链通信电路连接，
12个单体电池分别与12路电压比较电路连接，所述12路电压比较电路与报警信号输出电路连接，
所述12个单体电池串联，所述宽输入电源芯片与12个单体电池的总正、总负连接，所述宽输入电源芯片与电压采集芯片和报警信号输出电路连接，用于为电压采集芯片和报警信号输出电路供电；
电压采集芯片用于通过12路电压采集及均衡电路采集12个单体电池的电压，同时，还能够用于通过12路电压采集及均衡电路来对12个单体电池进行放电均衡处理，电压采集芯片用于通过isoSPI菊花链通信，将采集到的单体电池的信息上传控制板，并接受控制板的开关均衡指令；
所述12路电压比较电路用于实时比较每个单体电池的电压是否过压，若任一单体电池出现过压现象，则将过压报警信号输出至报警信号输出电路，
报警信号输出电路用于接受系统方波发生装置的PWM方波信号，在没有收到电压比较电路的过压报警信号的时，输出同样的PWM信号，若收到12路电压比较电路的过压报警信号，则输出高阻态。
PWM方波信号由系统方波发生装置发出，中间串联若干个电压采集装置，最后返回系统方波发生装置；若中间任一节点发生报警，则系统根据返回信号作出反应；
所述宽输入电源芯片用于从12个单体电池出取电，转换为5V电压，给电压采集芯片和报警信号输出电路供电。
进一步的，所述电压采集芯片采用集成芯片LTC6804-1。
进一步的，电压采集及均衡电路包含保护与滤波电路，用于将电池电压接入电压采集芯片。
进一步的，每个电压采集及均衡电路包括均衡电阻R1、均衡电阻R2和一个MOS管Q1；
所述均衡电阻R2的一端与均衡电阻R1的一端连接，所述均衡电阻R1的另一端与MOS管Q1的源极连接，所述MOS管Q1的漏极与单体电池的正极连接，同时连接至电压采集芯片的采集管脚C(n)，其中，1≤n≤12，均衡电阻R2的另一端与单体电池的负极连接，同时连接至电压采集芯片的采集管脚C(n-1)，所述MOS管Q1的栅极与电压采集芯片的均衡控制管脚S(n)连接，由电压采集芯片的均衡控制管脚S(n)，来控制MOS管的导通与截止，进而对单体电池进行放电均衡处理。
进一步的，每个电压比较电路包括分压电阻R3、分压电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、PNP型三极管Q2、光耦U1和一个TLV431，
所述单体电池的正极与分压电阻R3的一端、电阻R5的一端和PNP型三极管Q2的发射极均连接，所述分压电阻R3的另一端分别与分压电阻R4的一端和TLV431的1管脚连接，所述分压电阻R4的另一端与单体电池的负极连接，
所述电阻R5的另一端与TLV431的2管脚和电阻R6的一端均连接，所述电阻R6的另一端和PNP型三极管Q2的基极连接，PNP型三极管Q2的集电极与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端连与光耦U1的输入侧连接，光耦U1的发射极接地，光耦U1的集电极输出过压报警信号。
当电池电压达到设定报警值时，由分压电阻R3和分压电阻R4分压使TLV431的1管脚电压达到门限值，进而驱动PNP型三极管Q2，使光耦U1输入端导通。
进一步的，所述报警信号输出电路包括一个光耦器件U2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和一片具有三态输出的单线驱动器U3，
光耦器件U2输入侧接受系统方波发生装置的PWM方波信号，通过电阻分压，光耦器件U2的集电极与电阻R10的一端连接、电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端接地，光耦器件U2的发射极连接至单线驱动器U3的输入管脚A，单线驱动器U3的使能管脚OE接收每个电压比较电路的过压信号，单线驱动器U3的使能管脚OE与电阻R8的一端、电阻R9的一端均连接，所述电阻R9的另一端接地，电阻R8的另一端与VCC连接，单线驱动器U3的Y管脚为输出管脚；
若单线驱动器U3的使能管脚OE没有接收到过压信号，则单线驱动器U3的输出和输入一致，同样为PWM方波信号，传输至下一个电压采集装置，若单线驱动器U3的使能管脚收到过压信号，则输出为高阻态。
本发明有益效果是：
1.本发明是专门针对轨道交通而设计的电池管理系统单体电压采集保护装置，可以有效安全监控和管理轨道交通用锂电池系统，从而保证轨道交通用锂电池系统得到合理高效的利用。同时，针对轨道交通行业的特殊要求，本发明在原理设计和物料选型做了相应工作，使得本发明适用于轨道交通复杂恶劣的运行环境，符合轨道交通的行业标准。
2.本发明使用过程中须配合轨道交通用电池管理系统控制装置一起使用。本发明在系统中主要负责单体电压的采集，以及单体电池的均衡放电，并将所收集的信息上传给控制装置，除此之外，还提供一套纯硬件的单体电池保护机制，为电池使用提供双保险。
本发明采用高低压隔离设计，增加系统安全性能。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明的硬件结构图；
图2本发明的电压采集基本结构图
图3本发明的单体均衡电路原理图。
图4本发明的单体电压比较原理图。
图5本发明的硬件信号输出原理图。
具体实施方式
以下结合附图1～5对本发明作进一步详细说明。
一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置，包括：电压采集芯片、12路电压采集及均衡电路、12路电压比较电路、isoSPI菊花链通信电路、报警信号输出电路和宽输入电源芯片；
12个单体电池分别与12路电压采集及均衡电路连接，所述12路电压采集及均衡电路与电压采集芯片连接，所述电压采集芯片与isoSPI菊花链通信电路连接，
12个单体电池分别与12路电压比较电路连接，所述12路电压比较电路与报警信号输出电路连接，
所述12个单体电池串联，所述宽输入电源芯片与12个单体电池的总正、总负连接，所述宽输入电源芯片与电压采集芯片和报警信号输出电路连接，用于为电压采集芯片和报警信号输出电路供电；
电压采集芯片用于通过12路电压采集及均衡电路采集12个单体电池的电压，同时，还能够用于通过12路电压采集及均衡电路来对12个单体电池进行放电均衡处理，电压采集芯片用于通过isoSPI菊花链通信，将采集到的单体电池的信息上传控制板，并接受控制板的开关均衡指令；
所述12路电压比较电路用于实时比较每个单体电池的电压是否过压，若任一单体电池出现过压现象，则将过压报警信号输出至报警信号输出电路，
报警信号输出电路用于接受系统方波发生装置的PWM方波信号，在没有收到电压比较电路的过压报警信号的时，输出同样的PWM信号，若收到12路电压比较电路的过压报警信号，则输出高阻态。
PWM方波信号由系统方波发生装置发出，中间串联若干个电压采集装置，最后返回系统方波发生装置；若中间任一节点发生报警，则系统根据返回信号作出反应；
所述宽输入电源芯片用于从12个单体电池出取电，转换为5V电压，给电压采集芯片和报警信号输出电路供电。
进一步的，所述电压采集芯片采用集成芯片LTC6804-1。
进一步的，电压采集及均衡电路包含保护与滤波电路，用于将电池电压接入电压采集芯片。
进一步的，每个电压采集及均衡电路包括均衡电阻R1、均衡电阻R2和一个MOS管Q1；
所述均衡电阻R2的一端与均衡电阻R1的一端连接，所述均衡电阻R1的另一端与MOS管Q1的源极连接，所述MOS管Q1的漏极与单体电池的正极连接，同时连接至电压采集芯片的采集管脚C(n)，其中，1≤n≤12，均衡电阻R2的另一端与单体电池的负极连接，同时连接至电压采集芯片的采集管脚C(n-1)，所述MOS管Q1的栅极与电压采集芯片的均衡控制管脚S(n)连接，由电压采集芯片的均衡控制管脚S(n)，来控制MOS管的导通与截止，进而对单体电池进行放电均衡处理。
进一步的，每个电压比较电路包括分压电阻R3、分压电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、PNP型三极管Q2、光耦U1和一个TLV431，
所述单体电池的正极与分压电阻R3的一端、电阻R5的一端和PNP型三极管Q2的发射极均连接，所述分压电阻R3的另一端分别与分压电阻R4的一端和TLV431的1管脚连接，所述分压电阻R4的另一端与单体电池的负极连接，
所述电阻R5的另一端与TLV431的2管脚和电阻R6的一端均连接，所述电阻R6的另一端和PNP型三极管Q2的基极连接，PNP型三极管Q2的集电极与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端连与光耦U1的输入侧连接，光耦U1的发射极接地，光耦U1的集电极输出过压报警信号。
当电池电压达到设定报警值时，由分压电阻R3和分压电阻R4分压使TLV431的1管脚电压达到门限值，进而驱动PNP型三极管Q2，使光耦U1输入端导通。
进一步的，所述报警信号输出电路包括一个光耦器件U2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和一片具有三态输出的单线驱动器U3，
光耦器件U2输入侧接受系统方波发生装置的PWM方波信号，通过电阻分压，光耦器件U2的集电极与电阻R10的一端连接、电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端接地，光耦器件U2的发射极连接至单线驱动器U3的输入管脚A，单线驱动器U3的使能管脚OE接收每个电压比较电路的过压信号，单线驱动器U3的使能管脚OE与电阻R8的一端、电阻R9的一端均连接，所述电阻R9的另一端接地，电阻R8的另一端与VCC连接，单线驱动器U3的Y管脚为输出管脚；
若单线驱动器U3的使能管脚OE没有接收到过压信号，则单线驱动器U3的输出和输入一致，同样为PWM方波信号，传输至下一个电压采集装置，若单线驱动器U3的使能管脚收到过压信号，则输出为高阻态。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置，其特征在于，包括：电压采集芯片、12路电压采集及均衡电路、12路电压比较电路、isoSPI菊花链通信电路、报警信号输出电路和宽输入电源芯片；
12个单体电池分别与12路电压采集及均衡电路连接，所述12路电压采集及均衡电路与电压采集芯片连接，所述电压采集芯片与isoSPI菊花链通信电路连接，
12个单体电池分别与12路电压比较电路连接，所述12路电压比较电路与报警信号输出电路连接，
所述12个单体电池串联，所述宽输入电源芯片与12个单体电池的总正、总负连接，所述宽输入电源芯片与电压采集芯片和报警信号输出电路连接，用于为电压采集芯片和报警信号输出电路供电；
电压采集芯片用于通过12路电压采集及均衡电路采集12个单体电池的电压，同时，还能够用于通过12路电压采集及均衡电路来对12个单体电池进行放电均衡处理，电压采集芯片用于通过isoSPI菊花链通信，将采集到的单体电池的信息上传控制板，并接受控制板的开关均衡指令；
所述12路电压比较电路用于实时比较每个单体电池的电压是否过压，若任一单体电池出现过压现象，则将过压报警信号输出至报警信号输出电路，报警信号输出电路用于接受系统方波发生装置的PWM方波信号，在没有收到电压比较电路的过压报警信号的时，输出同样的PWM信号，若收到12路电压比较电路的过压报警信号，则输出高阻态；
所述宽输入电源芯片用于从所12个单体电池处取电，并转换为5V电压，给电压采集芯片和报警信号输出电路供电；
每个电压采集及均衡电路包括均衡电阻R1、均衡电阻R2和一个MOS管Q1；
所述均衡电阻R2的一端与均衡电阻R1的一端连接，所述均衡电阻R1的另一端与MOS管Q1的源极连接，所述MOS管Q1的漏极与单体电池的正极连接，同时连接至电压采集芯片的采集管脚C(n)，其中，1≤n≤12，均衡电阻R2的另一端与单体电池的负极连接，同时连接至电压采集芯片的采集管脚C(n-1)，所述MOS管Q1的栅极与电压采集芯片的均衡控制管脚S(n)连接，由电压采集芯片的均衡控制管脚S(n)来控制MOS管的导通与截止，进而对单体电池进行放电均衡处理。
2.如权利要求1所述的轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置，其特征在于，所述电压采集芯片采用集成芯片LTC6804-1。
3.如权利要求1所述的轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置，其特征在于，每个电压比较电路包括分压电阻R3、分压电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、PNP型三极管Q2、光耦U1和一个TLV431，
所述单体电池的正极与分压电阻R3的一端、电阻R5的一端和PNP型三极管Q2的发射极均连接，所述分压电阻R3的另一端分别与分压电阻R4的一端和TLV431的1管脚连接，所述分压电阻R4的另一端与单体电池的负极连接，
所述电阻R5的另一端与TLV431的2管脚和电阻R6的一端均连接，所述电阻R6的另一端和PNP型三极管Q2的基极连接，PNP型三极管Q2的集电极与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端连与光耦U1的输入侧连接，光耦U1的发射极接地，光耦U1的集电极输出过压报警信号；
当电池电压达到设定报警值时，由分压电阻R3和分压电阻R4分压使TLV431的1管脚电压达到门限值，进而驱动PNP型三极管Q2，使光耦U1输入端导通。
4.如权利要求1所述的轨道交通用带硬件保护功能的电压采集装置，其特征在于，所述报警信号输出电路包括一个光耦器件U2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和一片具有三态输出的单线驱动器U3，
光耦器件U2输入侧接受系统方波发生装置的PWM方波信号，通过电阻分压，光耦器件U2的集电极与电阻R10的一端连接、电阻R10的另一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端接地，光耦器件U2的发射极连接至单线驱动器U3的输入管脚A，单线驱动器U3的使能管脚OE接收每个电压比较电路的过压报警信号，单线驱动器U3的使能管脚OE与电阻R8的一端、电阻R9的一端均连接，所述电阻R9的另一端接地，电阻R8的另一端与VCC连接，单线驱动器U3的Y管脚为输出管脚；
若单线驱动器U3的使能管脚OE没有接收到过压报警信号，则单线驱动器U3的输出和输入一致，同样为PWM方波信号，传输至下一个电压采集装置，若单线驱动器U3的使能管脚收到过压报警信号，则输出为高阻态。
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