CN203249964U - 一种动力电池电压采集系统 - Google Patents

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张海英
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Abstract

本实用新型公开了一种动力电池电压采集系统，包括依次连接的通讯电路、单片机、A/D转换器、滤波电路、差分放大电路。改进了电压检测系统在速度方面的不足，在保证系统检测精度和稳定性的前提下提高了系统的检测速度，保证系统可以实现对单通道电压信号1ms/每次的实时在线采样。解决了现有技术中存在的电压检测系统速度低下的问题。

Description

一种动力电池电压采集系统
技术领域
本实用新型属于检测装置技术领域，涉及一种动力电池电压采集系统。 
背景技术
随着倡导清洁能源的环保需求，电动汽车成为汽车行业发展的新方向。动力电池作为电动车的能源核心，对动力电池的管理技术已成为当前的研究热点。动力电池必须串联使用才能满足电动汽车的需要，动力电池组在串联充放电过程中，为了使单节电池不过充、不过放，以延长动力电池的使用寿命，必须对单节电池电压等参数进行监测，并对单节电池的剩余容量(SOC)进行估计。 
动力电池剩余容量的估计与电池的电压有很大关系，在均衡充电过程中，电池电压的精度也与均衡效果直接相关，所以电池电压的检测精度直接影响着剩余容量的估计和均衡充电的效果。目前电压检测的方法很多，但是现有的方案在精度和速度上都存在一定的局限性，尤其是在速度方面，在电池的测试过程中，要求电池电压检测系统能够高速采样，记录电池电压的变化过程。 
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种动力电池电压采集系统，解决了现有技术中存在的电压检测系统速度低下的问题。 
本实用新型所采用的技术方案是，一种动力电池电压采集系统，包括依 次连接的通讯电路、单片机、A/D转换器、滤波电路、差分放大电路。 
本实用新型的特点还在于， 
其中差分放大电路还与选通开关连接。 
其中单片机为STM32F107主控芯片。 
其中A/D转换器为模数转换器AD7327芯片。 
其中通讯电路包括串口通讯模块、CAN通信模块和以太网通信模块，所述以太网通信模块为DP83848C芯片。 
其中差分放大电路包括运算放大器，运算放大器与电阻b、稳压管a、稳压管b、稳压管c、电容a、电容b、电阻c、电阻d、电阻e和电容c连接，电阻e还与电容e和A/D转换器连接，电容e与A/D转换器连接，电阻c还与电容a和稳压管c连接，电容a与稳压管c连接，电阻d与电容b连接，所述电阻b还与电容d、电阻a依次连接，电阻a还与稳压管a连接。 
其中运算放大器为LM353运算放大器。 
本实用新型的有益效果是本新型设计重点改进了电压检测系统在速度方面的不足，在保证系统检测精度和稳定性的前提下提高了系统的检测速度，保证系统可以实现对电压信号1ms每次的实时在线采样。 
本实用新型设计在保证精度和稳定性的前提下，提高了系统的采样速度。首先，本设计的误差可保持在0.05%，同时，本设计在对硬件和软件做了优化，提高了设计的抗干扰性，使得本设计可在电磁环境复杂的情况下正常工作。最后，本设计重点改进采样速度，设计可实现单通道1ms/每次，16通道10ms/每次的采样速度。 
附图说明
图1是本实用新型一种动力电池电压采集系统整体结构图； 
图2是本实用新型一种动力电池电压采集系统中差分放大电路的电路图； 
图3是A/D转换流程图。 
图中，1.单片机，2.通讯电路，3.A/D转换器，4.滤波电路，5.差分放大电路，6.选通开关，7.运算放大器，8.串口通讯模块，9.CAN通信模块，10.以太网通信模块，11.电阻b，12.稳压管a，13.稳压管b，14.稳压管c，15.电容a，16.电容b，17.电阻c，18.电阻d，19.电阻e，20.电容c，21.电容e，22.电容d，23.电阻a。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。 
本实用新型一种动力电池电压采集系统，如图1所示，包括依次连接的通讯电路2、单片机1、A/D转换器3、滤波电路4、差分放大电路5。其中差分放大电路5还可以与选通开关6连接。 
其中单片机1为STM32F107主控芯片；A/D转换器3为模数转换器AD7327芯片；通讯电路2包括串口通讯模块8、CAN通信模块9和以太网通信模块10，所述以太网通信模块10为DP83848C芯片。 
本动力电池电压采集系统使用基于ARM Cortex-M3核的STM32F107主控芯片作为单片机1，其内部包含了以太网MAC控制器，但无物理层接口，因此选择DP83848作为通信模块10，即以太网物理层接口器件，实现以太网数据通信。使用8通道12位高速采样芯片AD7327作为A/D转换器3实现对电压的实时采集。系统兼容RS485串口、CAN2.0以及以太网通信方式。 
如图2所示，差分放大电路5包括运算放大器7，运算放大器7与电阻b11、稳压管a12、稳压管b13、稳压管c14、电容a15、电容b16、电阻c17、电阻d18、 电阻e19和电容c20连接，电阻e19还与电容e21和A/D转换器3连接，电容e21与A/D转换器3连接，电阻c17还与电容a15和稳压管c14连接，电容a15与稳压管c14连接，电阻d18与电容b16连接，所述电阻b11还与电容d22、电阻a23依次连接，电阻a23还与稳压管a12连接。其中运算放大器7为LM353运算放大器。 
在串联电池组中的单体电压两端都存在较大的共模电压，所以单体电压检测的思想一般是消除共模电压，再通过AD转换获得实际电压。这里采用集成运放组成的差分放大电路5，利用差分放大电路5对共模信号的抑制原理实现对长串电池组中单体电压的测量，该电路结构简单，延迟时间短，且传输精度高，适合不同电压级别的微机接口电路。如图2所示的采样电路以运算放大器7（LM353运算放大器）为核心，两个二极管作为稳压管用以保护电路，被检测的电压取自每节单体电池的正负输出端电压的差，即单体电池电压。路中的电容d22以及e19，电容e21起到了对输入信号滤波和消除毛刺的作用。已知单体电池电压的变化区间为3～5V，而A/D转换器3的输入电压范围为0～12V，所以可推出最合适的匹配电阻比例关系，即R1/R4＝R2/R3＝2。利用这个比值，并综合考虑运放的性能指标，应尽量选择精度高的电阻，保持电阻的平衡，这样输出误差就会减小。电阻精度越高，输出越接近理想情况，故本设计采用0.1%精度的电阻。 
电压数据的转换即A/D转换器3采用AD7327芯片，它是一款8通道、12位带符号位的逐次逼近型模数转换器，实现12位的AD转化。该ADC配有一个高速串行接口，最高呑吐量可达500kSPS。同时使用精度为0.5mV的ISL2009高精度外部基准电压源，确保AD转换的精度在0.5mV。 
其中，利用AD7327的高速连续转换模式，配合主控芯片STM32F107 内部的DMA（Direct Memory Access，直接内存存取）高速通道，可实现对电压信号的连续采样转换，并且可以在无需CPU干预的情况下直接将转换数据存入内存中。保持Din输入引脚为低，便可实现连续高速转换，转换后的电压数据通过SPI接口由DMA通道直接存储到STM32F107的内存中。 
本实用新型兼容三种通信方式，包括：串口通信、CAN总线通信、以太网通信。STM32F107主控芯片内部包含以太网介质访问控制器、支持以太局域网通信，配合一个外部的物理接口设备(PHY)来连接以太网总线，本实用新型中使用DP83848C作为物理接口设备。然后连接RJ45的以太网插座，即可接入以太网总线实现以太网通信。 
系统中单片机1即主控芯片STM32F107通过SPI接口控制A/D转换器3即高速转换芯片AD7327，对各个电池的端电压依次采样并返回转换后的电压值，单片机1将电压数据进行滤波、校正等处理后通过串口、CAN总线以及以太网三种通信方式发到上位机或者电池管理系统进行显示、储存等相关操作。 
本实用新型中采用的A/D转换器3AD7327具有连续转换的功能，该功能只需通过SPI在A/D转换器3的内置控制寄存器写入设定转换的基本参数，同时选定连续转换模式并且设定截止通道数，则A/D转换器3会连续不间断的循环转换从通道1到截止通道的电压并将电压通过Dout返回给单片机1。在A/D转换器3连续转换过程中需要通过SPI接口不断向A/D转换器3写入0x00或者保持A/D转换器3的引脚Din始终位低电平。而返回的数据则通过单片机1中的DMA通道直接存储到内存中，无需CPU的干预。如图3所示。 

Claims (7)

1.一种动力电池电压采集系统，其特征在于，包括依次连接的通讯电路（2）、单片机（1）、A/D转换器（3）、滤波电路（4）、差分放大电路（5）。 
2.根据权利要求1所述的动力电池电压采集系统，其特征在于，所述差分放大电路（5）还与选通开关（6）连接。 
3.根据权利要求2所述的动力电池电压采集系统，其特征在于，所述单片机（1）为STM32F107主控芯片。 
4.根据权利要求2所述的动力电池电压采集系统，其特征在于，所述A/D转换器（3）为模数转换器AD7327芯片。 
5.根据权利要求2所述的动力电池电压采集系统，其特征在于，所述通讯电路（2）包括串口通讯模块（8）、CAN通信模块（9）和以太网通信模块（10），所述以太网通信模块（10）为DP83848C芯片。 
6.根据权利要求2所述的动力电池电压采集系统，其特征在于，所述差分放大电路（5）包括运算放大器（7），运算放大器（7）与电阻b（11）、稳压管a（12）、稳压管b（13）、稳压管c（14）、电容a（15）、电容b（16）、电阻c（17）、电阻d（18）、电阻e（19）和电容c（20）连接，电阻e（19）还与电容e（21）和A/D转换器（3）连接，电容e（21）与A/D转换器（3）连接，电阻c（17）还与电容a（15）和稳压管c（14）连接，电容a（15）与稳压管c（14）连接，电阻d（18）与电容b（16）连接，所述电阻b（11）还与电容d（22）、电阻a（23）依次连接，电阻a（23）还与稳压管a（12）连接。 
7.根据权利要求6所述的动力电池电压采集系统，其特征在于，所述运 算放大器（7）为LM353运算放大器。 
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