CN113702851B - 电池电压采样时序自动控制系统 - Google Patents

电池电压采样时序自动控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113702851B
CN113702851B CN202111001902.3A CN202111001902A CN113702851B CN 113702851 B CN113702851 B CN 113702851B CN 202111001902 A CN202111001902 A CN 202111001902A CN 113702851 B CN113702851 B CN 113702851B
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage sampling
time sequence
capacitor
sampling time
sine wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111001902.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113702851A (zh
Inventor
尚德华
杜鹏飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aopu Shanghai New Energy Co Ltd
Original Assignee
Aopu Shanghai New Energy Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aopu Shanghai New Energy Co Ltd filed Critical Aopu Shanghai New Energy Co Ltd
Priority to CN202111001902.3A priority Critical patent/CN113702851B/zh
Publication of CN113702851A publication Critical patent/CN113702851A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113702851B publication Critical patent/CN113702851B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2503—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques for measuring voltage only, e.g. digital volt meters (DVM's)

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

本发明涉及一种电池电压采样时序自动控制系统，包括采样模块、振荡器、鉴频器与MCU140。采样模块包括检测电容，用于与电池并联形成并联回路；振荡器用于监测检测电容的充放电状态，并将充放电状态转化为正弦波信号；鉴频器用于将正弦波信号转换为直流信号，并将正弦波信号的频率变化转换为幅值变化；MCU用于对直流信号进行处理并产生电压采样时序，并根据电压采样时序控制AFE芯片进行电压采样。上述电池电压采样时序自动控制系统，电压采样时序为实时动态的采样时序，能够根据复杂工况自动调整，精确度更高，AFE芯片根据该电压采样时序进行电压采样较为精确。

Description

电池电压采样时序自动控制系统
技术领域
本发明涉及储能电池控制领域，特别是涉及一种电池电压采样时序自动控制系统。
背景技术
随着国家对新能源行业的政策倾斜，锂电池及BMS(battery management system，电池管理系统)系统被大量应用在诸多领域。为精确、快速采集电池电压信息，BMS系统通常采用专业的AFE(Active Front End，主动前端)芯片并采用程序对AFE芯片的采样时序进行控制。
AFE芯片对电池电压采样，通常通过AFE芯片内部开关管控制内置采样电容并联于待采样电池正负极，采用固定采样时序进行采样。但是，采样电容充放电时由于其物理特性，会有电压爬升、跌落时间，虽然仅为数毫秒，但对与高频电路仍不能忽略。若电压检测过早，采样电容未完全充满电，则会导致采样电压偏低。若电压检测延迟过长，则检测周期变长，一次检测周期需要采样十几节电池，周期过长会超过国家对BMS的相关标准。因此，需要对AFE电压采样时序进行精确控制。
发明内容
基于此，有必要针对固定采样时序精确度不理想的问题，提供一种可提高电压采样时序精确度的电池电压采样时序自动控制系统。
一种电池电压采样时序自动控制系统，包括
采样模块，包括检测电容，用于与电池并联形成并联回路；
振荡器，用于监测所述检测电容的充放电状态，并将所述充放电状态转化为正弦波信号；
鉴频器，用于将所述正弦波信号转换为直流信号，并将所述正弦波信号的频率变化转换为幅值变化；与
MCU，用于对所述直流信号进行处理并产生电压采样时序，并根据所述电压采样时序控制AFE芯片进行电压采样。
进一步的，所述检测电容与所述AFE芯片的内置采样电容规格相同，所述AFE芯片接入所述并联回路并控制所述并联回路的导通或者闭合。
进一步的，所述MCU包括数字滤波单元与积分器单元，所述数字积分单元用于对所述直流信号进行滤波，所述积分器单元用于对滤波后的直流信号进行积分计算获得积分变化率。
进一步的，所述积分变化率由高变低并保持稳定时，所述MCU产生电压采样时序并发送给所述AFE芯片，控制所述AFE芯片进行电压采样。
进一步的，所述积分变化率由低变高并保持稳定时，所述MCU判断所述AFE芯片采样完毕。
进一步的，所述积分变化率无变化时间超过阈值时，所述MCU判断故障，控制发出报警信号。
进一步的，所述振荡器包括电感L1、电容C10与三极管Q1，所述电感L1与电容C10串联后通过所述三极管Q1与所述检测电容形成振荡回路。
进一步的，所述鉴频器包括变压器，所述振荡器输出的正弦波信号通过所述变压器耦合至所述鉴频器，所述鉴频器为双失谐回路斜率鉴频器。
上述电池电压采样时序自动控制系统，采样模块中的检测电容在检测过程中与AFE芯片的内置采样电容并联，因此检测电容的充放电能够实时反应内置采样电容的充放电状态；振荡器将检测电容的充电状态进行放大，转换成振荡频率高的正弦波信号，能够有效的判断检测电容是否充满电或者放电是否完成，当正弦波信号的振荡频率逐渐增大且趋于稳定时，说明检测电容已电满，当正弦波信号的振荡频率逐渐减小且趋于稳定时，说明检测电容放电已完成，当振荡频率长时间保持不变且超过预设的时间时，则说明出现故障；鉴频器将正弦波信号转换为直流信号，以便于MCU对直流信号做更精确的处理，同时，正弦波信号的频率变化转换为幅值变化，幅值变化的直流信号中具有检测电容的充放电状态信息，进入MCU后，MCU进行处理，产生电压采样时序，该电压采样时序为实时动态的采样时序，能够根据复杂工况自动调整，精确度更高，AFE芯片根据该电压采样时序进行电压采样较为精确。
附图说明
图1为一个实施例的电池电压采样时序自动控制系统原理图；
图2为内置采样电容充放电电流电压曲线图；
图3为图1中电池电压采样时序自动控制系统电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1与图3所示，一种电池电压采样时序自动控制系统，包括采样模块110、振荡器120、鉴频器130与MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)140。采样模块110，包括检测电容C1～C5，用于与电池并联形成并联回路。AFE芯片50接入并联回路并控制并联回路的导通或者闭合。为获得AFE芯片50内置采样电容充放电时序，在每节电池两端并联与AFE芯片50内置采样电容规格相同的检测电容，同时检测电容在布置时应尽量靠近AFE芯片50，以减小采样时产生的误差。在AFE芯片50对电池BAT1进行电压采样过程中，AFE芯片50控制内部开关管导通，内置采样电容、电池BAT1与检测电容C1相互并联，电池BAT1通过对内置采样电容与检测电容C1进行充电。因检测电容C1与内置采样电容的规格相同，充放电基本同时完成。因此，通过监测检测电容C1可判断内置采样电容的充放电状态。
振荡器120用于监测检测电容的充放电状态，并将检测电容的充放电状态转化为正弦波信号。为监测检测电容的电压变化，将其同时作为振荡器120的耦合电容，其充放电状态，相当于改变其耦合状态，导致振荡器120频率变化。振荡器120包括电感L1、电容C10与三极管Q1，电感L1与电容C10串联后通过三极管Q1与检测电容C1形成振荡回路。振荡器120实质上是满足振荡条件的正反馈放大器，振荡回路引出三个端子，分别接检测电容C1、电容C10与电感L1，从而构成反馈式自激振荡器。当谐振回路中的检测电容C1、电容C10与电感L1改变时，振荡器120频率随之发生变化。检测电容C1两端电压分为直流电压与交流电压，直流电压由电池BAT1提供，交流电压由振荡器120提供。但检测电容C1的总容值为定值，当电池BAT1为检测电容C1充电时，直流电压升高，交流电压随之降低，体现为可用于交流振荡的容值减小，则振荡回路容值减小，振荡器频率升高。振荡频率计算公式为
其中，f为振荡频率，c1为检测电容C1的容值，c10为电容C10的容值，l1为电感L1的感抗。
例如，当AFE芯片50对电池BAT1电压检测结束后，检测电容两端电压跌落，此时，检测电容C1两端直流电压小，则电压拥有较高交流量，振荡频率f较小；当电池BAT1对检测电容C1两端充电时，检测电容C1直流电压爬升，则电压交流分量随之减小，振荡频率f变高。
鉴频器130并将正弦波信号转换成直流信号，并将正弦波信号的频率变化转换为幅值变化。为了将振荡器频率变化还原为电压信号，则需要鉴频器130。鉴频器130实质为频幅变换、包络检波电路。鉴频器130包括变压器TR1，振荡器120输出的正弦波信号通过变压器TR1耦合至鉴频器130，鉴频器130为双失谐回路斜率鉴频器。鉴频器130将振荡器120输出的正弦波信号转化为直流信号，当振荡器120频率变化时，鉴频器130输出信号随之变化。例如，当电池BAT1对检测电容C1充电时，振荡频率f升高，鉴频器130首先将正弦波信号的频率变化转化为幅值变化，即振荡频率f升高，转化为幅值升高，然后将正弦波信号转换为直流信号，即对频率升高、幅值升高的正弦波信号进行包络检波，得到幅值升高的直流信号。
MCU140用于对直流信号进行处理并产生电压采样时序，控制AFE芯片50进行电压采样。MCU140通过算法决定电压采样时序，通过总线与AFE芯片50通信，控制其采样。具体的，MCU140包括数字滤波单元与积分器单元，数字积分单元用于对直流信号进行滤波，积分器单元用于对滤波后的直流信号进行积分计算获得积分变化率。MCU140通过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)管脚接收鉴频器130输入的直流信号。由于输入的直流信号不稳定，无法获得可直接使用的稳定信号。为防止干扰和信号突变，需要数字滤波单元，以滤除杂波。数字滤波单元实质为估计一个期望值，对输入的直流信号与期望值求协方差，得到下一个期望值，并对下一个输入的直流信号与期望值继续求协方差，不断迭代。其好处在于，遇到突变信号，由于数字滤波单元能够在其上叠加一个较小的加权，减小其影响，相当于将其滤除。经过数字滤波单元，可以得到稳定的信号，由于我们的目的在于检测滤波后信号的变化率，则需要对信号进行积分计算，积分可以反映出信号的变化率。在检测电容C1充电、放电并经过一系列变换，得到幅值变高或变低的信号，为了得到其变化率，需要进行积分计算。具体表现为，充电时，由低变高，充电完成后保持不变，放电时，由高变低，放电后保持不变。
电容充放过程电需要时间，参见图2，当输入电压U0跳变时，电容电压Uc与电流Ic变化是相对缓慢的变化过程。若AFE芯片50进行电压采样时，电容未充满电，则检测不准，若检测延时过长，则不能满足BMS系统对电压检测的频率要求。在本实施例中，MCU140对该变化率进行比较，当其由变化到保持不变时，则判断检测电容充电、放电完成。
积分变化率由高变低并保持稳定时，判断采样电容充电完成，MCU140产生电压采样时序并发送给AFE芯片50，控制AFE芯片50进行电压采样。积分变化率由低变高并保持稳定时，MCU判断所述AFE芯片50采样完毕，且检测电容C1放电完成，则MCU140进行下一时序。积分变化率无变化时间超过设定的阈值时，MCU140判断故障，控制发出报警信号，并跳过当前时序，进行下一时序。由于是动态采样，一旦遇到电池故障或电路故障，势必严重影响采样时序。通过报警信号可向外发出警告并跳过故障电池。
上述电池电压采样时序自动控制系统，采样模块110中的检测电容在检测过程中与AFE芯片50的内置采样电容并联，因此检测电容的充放电能够实时反应内置采样电容的充放电状态；振荡器120将检测电容的充电状态进行放大，转换成振荡频率高的正弦波信号，能够有效的判断检测电容是否充满电或者放电是否完成，当正弦波信号的振荡频率逐渐增大且趋于稳定时，说明检测电容已电满，当正弦波信号的振荡频率逐渐减小且趋于稳定时，说明检测电容放电已完成，当振荡频率长时间保持不变且超过预设的时间时，则说明出现故障；鉴频器130将正弦波信号转换为直流信号，以便于MCU对直流信号做更精确的处理，同时，正弦波信号的频率变化转换为幅值变化，幅值变化的直流信号中具有检测电容的充放电状态信息，进入MCU后，MCU进行处理，产生电压采样时序，该电压采样时序为实时动态的采样时序，能够根据复杂工况自动调整，精确度更高，AFE芯片50根据该电压采样时序进行电压采样较为精确。
另外，使用的检测电容可以根据AFE芯片50的内置采样电容的规格进行调整，避免了内置采样电容的因体质差异与元器件老化产生电气特性差异所造成的充放电时间差异，同时，相同规格的检测电容与AFE芯片50内置电容工作在相同温度等环境条件下，不会发生半导体温度漂移，因此采样精度更高。并且，无需人工干预，电路能够自动精度补偿，省去不必要的人工，规避了人工误操作带来的风险。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种电池电压采样时序自动控制系统，其特征在于，包括：
采样模块，包括检测电容，用于与电池并联形成并联回路；
振荡器， 用于监测所述检测电容的充放电状态， 并将所述充放电状态转 化为正弦波信号；
鉴频器， 用于将所述正弦波信号转换为直流信号， 并将所述正弦波信号 的频率变化转换为幅值变化；与
MCU，用于对所述直流信号进行处理并产生电压采样时序， 并根据所述 电压采样时序控制 AFE 芯片进行电压采样；
所述 MCU 包括数字滤波单元与积分器单元， 所述数字滤波单元用于对 所述直流信号进行滤波，所述积分器单元用于对滤波后的直流信号进行积分 计算获得积分变化率；
所述积分变化率由高变低并保持稳定时，所述 MCU 产生电压采样时序 并发送给所述AFE 芯片，控制所述 AFE 芯片进行电压采样；
所述积分变化率由低变高并保持稳定时， 所述 MCU 判断所述 AFE 芯片 采样完毕；
所述积分变化率无变化时间超过阈值时，所述 MCU 判断故障，控制发 出报警信号。
2.根据权利要求 1 所述的电池电压采样时序自动控制系统， 其特征在于， 所述检测电容与所述 AFE 芯片的内置采样电容规格相同，所述 AFE 芯片接 入所述并联回路并控制所述并联回路的导通或者闭合。
3.根据权利要求 1 所述的电池电压采样时序自动控制系统， 其特征在于， 所述振荡器包括电感 L1、电容 C10 与三极管 Q1，所述电感 L1 与电容 C10 串联后通过所述三极管 Q1 与所述检测电容形成振荡回路。
4.根据权利要求 1 所述的电池电压采样时序自动控制系统， 其特征在于， 所述鉴频器包括变压器，所述振荡器输出的正弦波信号通过所述变压器耦合 至所述鉴频器，所述鉴频器为双失谐回路斜率鉴频器。
CN202111001902.3A 2021-08-30 2021-08-30 电池电压采样时序自动控制系统 Active CN113702851B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111001902.3A CN113702851B (zh) 2021-08-30 2021-08-30 电池电压采样时序自动控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111001902.3A CN113702851B (zh) 2021-08-30 2021-08-30 电池电压采样时序自动控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113702851A CN113702851A (zh) 2021-11-26
CN113702851B true CN113702851B (zh) 2023-09-26

Family

ID=78656532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111001902.3A Active CN113702851B (zh) 2021-08-30 2021-08-30 电池电压采样时序自动控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113702851B (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4175252A (en) * 1977-03-12 1979-11-20 Sony Corporation Meter drive circuit
JP2004151035A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Sharp Corp 半導体装置の検査方法および装置
JP2004219159A (ja) * 2003-01-10 2004-08-05 Ngk Spark Plug Co Ltd 静電容量測定装置及び正弦波振幅検出装置
CN203117298U (zh) * 2013-01-30 2013-08-07 比亚迪股份有限公司 一种电容检测电路
CN105591459A (zh) * 2015-10-16 2016-05-18 国网江西省电力科学研究院 一种基于单相逆变的电压跟踪保持器
JP2016114571A (ja) * 2014-12-18 2016-06-23 アイシン精機株式会社 静電容量検出装置
WO2017149526A2 (en) * 2016-03-04 2017-09-08 May Patents Ltd. A method and apparatus for cooperative usage of multiple distance meters
CN111211777A (zh) * 2020-01-14 2020-05-29 中山大学 一种防止芯片时序违例的系统、方法及装置
CN111896134A (zh) * 2020-07-22 2020-11-06 傲普(上海)新能源有限公司 一种电池包分布式温度测量方法
CN113030614A (zh) * 2021-03-01 2021-06-25 国网宁夏电力有限公司营销服务中心(国网宁夏电力有限公司计量中心) 移动式交直流充电桩检测装置及方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7061225B2 (en) * 2004-06-29 2006-06-13 System General Corp. Apparatus and method thereof for measuring output current from primary side of power converter
EP3044599B8 (en) * 2013-09-13 2021-12-08 Schneider Electric USA, Inc. Arc-fault and ground fault interrupter using a single ground fault sensor and single adc

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4175252A (en) * 1977-03-12 1979-11-20 Sony Corporation Meter drive circuit
JP2004151035A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Sharp Corp 半導体装置の検査方法および装置
JP2004219159A (ja) * 2003-01-10 2004-08-05 Ngk Spark Plug Co Ltd 静電容量測定装置及び正弦波振幅検出装置
CN203117298U (zh) * 2013-01-30 2013-08-07 比亚迪股份有限公司 一种电容检测电路
JP2016114571A (ja) * 2014-12-18 2016-06-23 アイシン精機株式会社 静電容量検出装置
CN105591459A (zh) * 2015-10-16 2016-05-18 国网江西省电力科学研究院 一种基于单相逆变的电压跟踪保持器
WO2017149526A2 (en) * 2016-03-04 2017-09-08 May Patents Ltd. A method and apparatus for cooperative usage of multiple distance meters
CN111211777A (zh) * 2020-01-14 2020-05-29 中山大学 一种防止芯片时序违例的系统、方法及装置
CN111896134A (zh) * 2020-07-22 2020-11-06 傲普(上海)新能源有限公司 一种电池包分布式温度测量方法
CN113030614A (zh) * 2021-03-01 2021-06-25 国网宁夏电力有限公司营销服务中心(国网宁夏电力有限公司计量中心) 移动式交直流充电桩检测装置及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Laxmeesha Somappa 等.High Resolution Frequency Measurement Techniques for Relaxation Oscillator Based Capacitive Sensors.《IEEE Sensors Journal》.2021,第21卷(第12期),13394-13404. *
倪红 等.电池管理系统电压采样电路的设计与研究.《现代电子技术》.2017,158-160. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113702851A (zh) 2021-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11799306B2 (en) Battery internal resistance detection device and method
US5027294A (en) Method and apparatus for battery-power management using load-compensation monitoring of battery discharge
EP1976090A1 (en) Protection device for assembled battery, and battery pack unit
EP2574948A2 (en) Electric storage device monitor
CN108303651B (zh) 一种电池电量的测量方法及终端
KR102481221B1 (ko) 에너지 저장 시스템의 충전 상태 추정장치 및 방법
CN109494819A (zh) 一种充电器和充电方法
WO2020233552A1 (en) Battery charging system and method using dynamically adjusted battery voltage threshold for switching charging modes
CN110554328B (zh) 一种基于hht的蓄电池内阻测量方法和系统
CN113702851B (zh) 电池电压采样时序自动控制系统
CN108270347B (zh) 数字充电机的直流输出低频纹波补偿电路及其控制方法
CN116667505B (zh) 充电控制方法、装置、系统及电子设备
CN111999662A (zh) 用于检测不间断电源的电池的外部开关状态的新方法
CN116599185A (zh) 车载充电机的启动方法、系统、控制电路及存储介质
US20220349947A1 (en) Semiconductor device and method of monitoring battery remaining capacity
JP2006030080A (ja) 蓄電デバイスの残存容量演算装置
CN112557927A (zh) 一种电池静置时间的确定方法
CN114019418A (zh) 一种用于物联网电能表的掉电检测电路及物联网电能表
JPH0819192A (ja) 充電装置
CN111308364A (zh) 一种锂离子电池荷电状态估计方法及装置
CN214278375U (zh) 一种电池剩余容量估算电路
WO2016157843A1 (ja) バッテリ管理システム
CN115754484B (zh) 一种光储系统电感感量的在线监测方法及装置
CN215185959U (zh) 一种蓄电池低温预热及充放电系统
CN215833510U (zh) 一种分布式电力信息传感电路结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant