CN203705621U - 电池组剩余电量的计量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池组剩余电量的计量电路，其包括微控制单元以及分别与所述微控制单元联接的电压采样模块、电流采样模块、CAN通信模块、温度采集模块、充电启动信号检测模块和钥匙开关信号检测模块；所述电压采样模块的两端分别与电池组的正、负极联接，所述电流采样模块通过电流霍尔传感器与电池组的直流母线联接，所述CAN通信模块通过CAN网络与显示仪表联接，所述电池组的正、负极还联接有DC-DC电源转换模块，所述DC-DC电源转换模块与电压采样模块、电流采样模块、CAN通信模块、温度采集模块、充电启动信号检测模块和钥匙开关信号检测模块供电联接。本方案能解决现有信号采集滞后、脉动大等问题。

Description

电池组剩余电量的计量电路

技术领域

本实用新型涉及计量电路，具体是一种电池组剩余电量的计量电路。

背景技术

电动汽车中电池组剩余电量的多少是一个重要的信息数据，这个数据能为整车用电器对电池的使用状况提供参考及预警的作用，避免电池过多的放电以至于损害电池，同时此数据能显示汽车的续航里程，提供驾驶信息。

电池的容量受到很多因素的影响包括环境温度、老化程度、充放电电流的大小、电池内阻以及电池自放电等，要想准确的测量出剩余电量是十分困难的。目前剩余电量计算的方法诸多，从原理上统计大致有开路电压法和安时积分法，但开路电压法无法准确测量动态下的剩余电量值，而安时积分法在长期工作后会产出较大的累积误差。

为此，CN 201229395 Y公开了一种锂离子电池组剩余电能计算方法的装置，该装置利用锂离子电池组的开路电压和电能积分相结合的方法来计算充放电能量，根据开路电压和充放电电流的大小实时计算锂离子电池组的直流阻抗，由直流阻抗和充放电电流等参数确定锂离子电池组在当前情况下，到放电终止时可用的剩余电能相应的开路电压，并由此时的开路电压计算出锂离子电池组在放电达到终止电压时的实际剩余电能。该装置适用于电池在各种状态下的剩余电能的准确估算,适合动力电池的使用特点。

但该装置一个电池单体对应一个电压检测传感器，对于多个电池单体所需要的电压检测传感器就为多个，因此需要多选一模拟开关切换来选取信号，这样不但增加了电路的规模和复杂度，也存在信号滞后，脉动较大，信号不稳定等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电池组剩余电量的计量电路，其信号采集全面、准确，能解决现有技术中由于逐一对电池单体进行信号采集造成的滞后、脉动大等问题。

本实用新型的技术方案如下：一种电池组剩余电量的计量电路，包括微控制单元以及分别与所述微控制单元联接的电压采样模块、电流采样模块、CAN通信模块、温度采集模块、充电启动信号检测模块和钥匙开关信号检测模块；所述电压采样模块的两端分别与电池组的正、负极联接，所述电流采样模块通过电流霍尔传感器与电池组的直流母线联接，所述CAN通信模块通过CAN网络与显示仪表联接，所述电池组的正、负极还联接有DC-DC电源转换模块，所述DC-DC电源转换模块与电压采样模块、电流采样模块、CAN通信模块、温度采集模块、充电启动信号检测模块和钥匙开关信号检测模块供电联接。

所述电压采样模块用于实时地采集当前电池组的电压值，并将电池电压的模拟信号进行转换并传送到微控制单元中进行处理。电流采样模块与电流霍尔传感器相联接，用于采集电流霍尔传感器感应到的流过电池组直流母线的充放电电流，并转换后传送到微控制单元中进行处理。温度采集模块采集电池组的环境温度，并将采集值以数字信号方式发送到微控制单元中进行处理，并供微控制单元对电池容量进行温度修正。所述充电启动信号检测模块和钥匙开关信号检测模块检测行车、驻车和充电信号并送入微控制单元中，用于判断行车、驻车和充电状态。

所述微控制单元采用现有的电能量计算芯片，如按安时积分运算的电能量计算芯片ADE7753。微控制单元根据上述电压、电流、温度等信号，处理得到电池组实时电能。对应汽车，CAN通信模块与汽车的CAN网络的总线相联，微控制单元测量的数据通过此模块传送到显示仪表中显示。所述DC-DC电源转换模块将电池组的电压进行降压开关式转换，为其它模块提供工作所需的各种供电电源，也为电流霍尔传感器提供正负电源，同时能对高压供电系统和低压供电系统起到有效的隔离作用，同时能实现对电池的实时监测。

进一步的，所述电压采样模块包括第五线性光耦、第六线性光耦、第一放大器和第二放大器，所述第五线性光耦的管脚一与电池组的正极通过电阻联接，第五线性光耦的管脚二与电池组的负极联接，第五线性光耦的管脚一与管脚二间通过电容联接，第五线性光耦的管脚四与供电源联接，第五线性光耦的管脚三与第一放大器的同相输入端联接且通过电阻联接模拟地。

所述第一放大器的反相输入端与第六线性光耦的管脚三联接，第一放大器的输出端与第六线性光耦的管脚一联接，第一放大器的反相输入端与输出端通过电容联接。

所述第六线性光耦的管脚四与供电源联接，第六线性光耦的管脚二和管脚三分别通过电阻联接模拟地，第六线性光耦的管脚二还通过电阻与第二放大器的同相输入端联接。

所述第二放大器的同相输入端通过电容联接模拟地，第二放大器的反相输入端与输出端联接，第二放大器的输出端联接电阻后分别与微控制单元的输入端联接及通过电容与模拟地联接。

所述电压采样模块的第五线性光耦和第六线性光耦起隔离转换的作用，结合第一放大器和第二放大器；电池组的电压信号被隔离转换并传送到微控制单元的运算器中；微控制单元利用这个实时电压值修正开路静态下电池组的剩余电量。

进一步地，所述电流采样模块包括第一MOS管、第三放大器、第四放大器、第五放大器和第六放大器，所述第一MOS管的漏极、源极分别通过电阻与电流霍尔传感器的输出端联接，第一MOS管的源极还与模拟地联接，第一MOS管的栅极与微控制单元的输入端联接。

所述第三放大器的同相输入端依次通过磁珠、电阻与电流霍尔传感器的输出端联接，第三放大器的反相输入端与输出端联接，第三放大器的输出端分别通过电阻与第四放大器的同相输入端、第五放大器的反相输入端联接。

所述第四放大器的反相输入端通过电阻与模拟地联接，第四放大器的输出端依次通过电阻、第三二极管与模拟地联接，所述第三二极管的正极与模拟地联接，第三二极管的两端并联有一电阻，第三二极管的负极联接另一电阻后与微控制单元的输入端联接且与第三二极管的正极间联接有电容。

所述第五放大器的反相输入端依次通过电阻、第一二极管与输出端联接，所述第一二极管的负极与第五放大器的输出端联接，第一二极管的正极还通过电阻与第六放大器的反相输入端联接，第五放大器的输出端还依次通过第二二极管、电阻与第六放大器的同相输入端联接，所述第二二极管的正极与第五放大器的输出端联接，第二二极管的负极通过电阻与第五放大器的反相输入端联接。

所述第六放大器的输出端联接电阻后分别通过电容联接模拟地和联接微控制单元的输入端，第六放大器的输出端还通过电阻联接至反相输入端。

所述电流采样模块包括了电压跟随电路、信号的绝对值处理电路、信号的方向处理电路，该模块具有滤波抑噪的作用，实现了信号的变换和传输。微控制单元的电量计算芯片根据该模块输出的电流值进行安时积分运算，在动态下实现剩余电量的计算；根据电流值的大小，微控制单元还能控制电流采样档位的变换，这样可以保证在大电流下获得的信号不会溢出，同时还能保证在小电流下采样的精度。

本技术方案能够实时检测电池组的充放电电流、电池电压、电池的环境温度以及汽车的行车、驻车和充电状态，结合动态下安时积分运算、静态下开路电压修正的手段，计量出电池的剩余电量；加上环境温度的修正能够很大程度上提高剩余电量的检测精度。方案中的各信号模块以电池组隔离转换的方式供电；电压采样和电流采样以及开关信号的检测均是隔离方式，这样具有低耦合性和高安全性的优点；CAN通信模块将测量数据传输到CAN网络中为整车电器实时提供电池的当前状态；实用性强，经装车试验证明完全可以应用在电动汽车领域中。

附图说明

图1为本实用新型的系统方框图；

图2为本实用新型中电压采样模块的电路结构图；

图3为本实用新型中电流采样模块的电路结构图；

图4为本实用新型中CAN通信模块的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

参见图1至图4，一种电池组剩余电量的计量电路，包括微控制单元20以及分别与所述微控制单元20联接的电压采样模块21、电流采样模块23、CAN通信模块24、温度采集模块25、充电启动信号检测模块26和钥匙开关信号检测模块27；所述电压采样模块21的两端分别与电池组1的正、负极联接，所述电流采样模块23通过电流霍尔传感器28与电池组1的直流母线联接，所述CAN通信模块24通过CAN网络3与显示仪表4联接，所述电池组1的正、负极还联接有DC-DC电源转换模块22，所述DC-DC电源转换模块22与电压采样模块21、电流采样模块23、CAN通信模块24、温度采集模块25、充电启动信号检测模块26和钥匙开关信号检测模块27供电联接。

所述电压采样模块21用于实时地采集当前电池组1的电压值，并将电池电压的模拟信号进行转换并传送到微控制单元20中进行处理。电流采样模块23与电流霍尔传感器28相联接，用于采集电流霍尔传感器28感应到的流过电池组直流母线的充放电电流，并转换后传送到微控制单元20中进行处理。温度采集模块25采集电池组1的环境温度，并将采集值以数字信号方式发送到微控制单元20中进行处理，并供微控制单元20对电池容量进行温度修正。所述充电启动信号检测模块26和钥匙开关信号检测模块27检测行车、驻车和充电信号并送入微控制单元20中，用于判断行车、驻车和充电（充电机）状态。

所述微控制单元20采用现有的电能量计算芯片，如按安时积分运算的电能量计算芯片ADE7753。微控制单元20根据上述电压、电流、温度等信号，处理得到电池组1实时电能。对应汽车，CAN通信模块24与汽车的CAN网络3的总线相联，微控制单元20测量的数据通过此模块传送到显示仪表4中显示。所述DC-DC电源转换模块22将电池组1的电压进行降压开关式转换，为其它模块提供工作所需的各种供电电源，也为电流霍尔传感器28提供正负电源，同时能对高压供电系统和低压供电系统起到有效的隔离作用，同时能实现对电池的实时监测；该模块采用现有的DC-DC电源芯片即能够实现。

具体的，所述电压采样模块21包括第五线性光耦U5、第六线性光耦U6、第一放大器U1和第二放大器U2，所述第五线性光耦U5的管脚一与电池组1的正极通过电阻联接，第五线性光耦U5的管脚二与电池组1的负极联接，第五线性光耦U5的管脚一与管脚二间通过电容联接，第五线性光耦U5的管脚四与供电源联接，第五线性光耦U5的管脚三与第一放大器U1的同相输入端联接且通过电阻联接模拟地。

所述第一放大器U1的反相输入端与第六线性光耦U6的管脚三联接，第一放大器U1的输出端与第六线性光耦U6的管脚一联接，第一放大器U1的反相输入端与输出端通过电容联接。

所述第六线性光耦U6的管脚四与供电源联接，第六线性光耦U6的管脚二和管脚三分别通过电阻联接模拟地，第六线性光耦U6的管脚二还通过电阻与第二放大器U2的同相输入端联接。

所述第二放大器U2的同相输入端通过电容联接模拟地，第二放大器U2的反相输入端与输出端联接，第二放大器U2的输出端联接电阻后分别与微控制单元20的输入端联接及通过电容与模拟地联接。

所述电压采样模块21的第五线性光耦U5和第六线性光耦U6起隔离转换的作用，结合第一放大器U1和第二放大器U2；电池组1的电压信号被隔离转换并传送到微控制单元20的运算器中；微控制单元20利用这个实时电压值修正开路静态下电池组1的剩余电量。

进一步地，所述电流采样模块23包括第一MOS管Q1、第三放大器U3、第四放大器U4、第五放大器U5和第六放大器U6，所述第一MOS管Q1的漏极、源极分别通过电阻与电流霍尔传感器28的输出端联接，第一MOS管Q1的源极还与模拟地联接，第一MOS管Q1的栅极与微控制单元20的输入端联接。

所述第三放大器U3的同相输入端依次通过磁珠、电阻与电流霍尔传感器28的输出端联接，第三放大器U3的反相输入端与输出端联接，第三放大器U3的输出端分别通过电阻与第四放大器U4的同相输入端、第五放大器U5的反相输入端联接。

所述第四放大器U4的反相输入端通过电阻与模拟地联接，第四放大器U4的输出端依次通过电阻、第三二极管D3与模拟地联接，所述第三二极管D3的正极与模拟地联接，第三二极管D3的两端并联有一电阻，第三二极管D3的负极联接另一电阻后与微控制单元20的输入端联接且与第三二极管D3的正极间联接有电容。

所述第五放大器U5的反相输入端依次通过电阻、第一二极管D1与输出端联接，所述第一二极管D1的负极与第五放大器U5的输出端联接，第一二极管D1的正极还通过电阻与第六放大器U6的反相输入端联接，第五放大器U5的输出端还依次通过第二二极管D2、电阻与第六放大器U6的同相输入端联接，所述第二二极管D2的正极与第五放大器U5的输出端联接，第二二极管D2的负极通过电阻与第五放大器U5的反相输入端联接。

所述第六放大器U6的输出端联接电阻后分别通过电容联接模拟地和联接微控制单元20的输入端，第六放大器U6的输出端还通过电阻联接至反相输入端。

所述电流采样模块23的第一MOS管Q1、第三放大器U3、磁珠FB1、电阻R5~R7以及电容C3、电容C4构成了电压跟随电路，该电压跟随电路对信号还具有滤波抑噪的作用。第五放大器U5、第六放大器U6、第一二极管D1、第二二极管D2、电阻R1~R4、电阻R10、电阻R11及电阻R14构成了信号的绝对值处理电路，实现信号的变换和传输。第四放大器U4、电阻R8~R9、电阻R12~13、电阻R15、第三二极管D3及电容C6构成了信号的方向处理电路。微控制单元20的电量计算芯片根据该模块输出的电流值进行安时积分运算，在动态下实现剩余电量的计算；根据电流值的大小，微控制单元20还能控制电流采样档位的变换，这样可以保证在大电流下获得的信号不会溢出，同时还能保证在小电流下采样的精度。

更进一步地，所述CAN通信模块24包括CAN总线驱动芯片U9、静电保护模块U10和共模滤波电感U11，所述CAN总线驱动芯片U9的型号是TJA1050，所述CAN总线驱动芯片U9的管脚一、管脚四及管脚八与微控制单元20联接，CAN总线驱动芯片U9的管脚六和管脚七与静电保护模块U10的输入端联接，CAN总线驱动芯片U9的管脚五依次通过电阻、共模滤波电感U11与CAN网络3联接，所述静电保护模块U10的输出端接地。

微控制单元20计量出的数据通过CAN通信模块24传送到汽车的CAN网络3上，供车上的其它电器参考及使用，静电保护模块U10用于防止CAN网络3上的静电通过总线损害CAN总线驱动芯片U9，共模滤波电感U11用于防止总线产生的浪涌脉冲损害CAN总线驱动芯片U9。所述CAN总线驱动芯片U9的型号不限于TJA1050，根据现有技术，如型号为PCA82C250等的驱动芯片也符合。

本技术方案能够实时检测电池组1的充放电电流、电池电压、电池的环境温度以及汽车的行车、驻车和充电状态，结合动态下安时积分运算、静态下开路电压修正的手段，计量出电池的剩余电量；加上环境温度的修正能够很大程度上提高剩余电量的检测精度。方案中的各信号模块以电池组1隔离转换的方式供电；电压采样和电流采样以及开关信号的检测均是隔离方式，这样具有低耦合性和高安全性的优点；CAN通信模块24将测量数据传输到CAN网络3中为整车电器实时提供电池的当前状态；实用性强，经装车试验证明完全可以应用在电动汽车领域中。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电池组剩余电量的计量电路，其特征在于：包括微控制单元（20）以及分别与所述微控制单元（20）联接的电压采样模块（21）、电流采样模块（23）、CAN通信模块（24）、温度采集模块（25）、充电启动信号检测模块（26）和钥匙开关信号检测模块（27）；所述电压采样模块（21）的两端分别与电池组（1）的正、负极联接，所述电流采样模块（23）通过电流霍尔传感器（28）与电池组（1）的直流母线联接，所述CAN通信模块（24）通过CAN网络（3）与显示仪表（4）联接，所述电池组（1）的正、负极还联接有DC-DC电源转换模块（22），所述DC-DC电源转换模块（22）与电压采样模块（21）、电流采样模块（23）、CAN通信模块（24）、温度采集模块（25）、充电启动信号检测模块（26）和钥匙开关信号检测模块（27）供电联接。

2.根据权利要求1所述的电池组剩余电量的计量电路，其特征在于：所述电压采样模块（21）包括第五线性光耦（U5）、第六线性光耦（U6）、第一放大器（U1）和第二放大器（U2），所述第五线性光耦（U5）的管脚一与电池组（1）的正极通过电阻联接，第五线性光耦（U5）的管脚二与电池组（1）的负极联接，第五线性光耦（U5）的管脚一与管脚二间通过电容联接，第五线性光耦（U5）的管脚四与供电源联接，第五线性光耦（U5）的管脚三与第一放大器（U1）的同相输入端联接且通过电阻联接模拟地；

所述第一放大器（U1）的反相输入端与第六线性光耦（U6）的管脚三联接，第一放大器（U1）的输出端与第六线性光耦（U6）的管脚一联接，第一放大器（U1）的反相输入端与输出端通过电容联接；

所述第六线性光耦（U6）的管脚四与供电源联接，第六线性光耦（U6）的管脚二和管脚三分别通过电阻联接模拟地，第六线性光耦（U6）的管脚二还通过电阻与第二放大器（U2）的同相输入端联接；

所述第二放大器（U2）的同相输入端通过电容联接模拟地，第二放大器（U2）的反相输入端与输出端联接，第二放大器（U2）的输出端联接电阻后分别与微控制单元（20）的输入端联接及通过电容与模拟地联接。

3.根据权利要求1或2所述的电池组剩余电量的计量电路，其特征在于：所述电流采样模块（23）包括第一MOS管（Q1）、第三放大器（U3）、第四放大器（U4）、第五放大器（U5）和第六放大器（U6），所述第一MOS管（Q1）的漏极、源极分别通过电阻与电流霍尔传感器（28）的输出端联接，第一MOS管（Q1）的源极还与模拟地联接，第一MOS管（Q1）的栅极与微控制单元（20）的输入端联接；

所述第三放大器（U3）的同相输入端依次通过磁珠、电阻与电流霍尔传感器（28）的输出端联接，第三放大器（U3）的反相输入端与输出端联接，第三放大器（U3）的输出端分别通过电阻与第四放大器（U4）的同相输入端、第五放大器（U5）的反相输入端联接；

所述第四放大器（U4）的反相输入端通过电阻与模拟地联接，第四放大器（U4）的输出端依次通过电阻、第三二极管（D3）与模拟地联接，所述第三二极管（D3）的正极与模拟地联接，第三二极管（D3）的两端并联有一电阻，第三二极管（D3）的负极联接另一电阻后与微控制单元（20）的输入端联接且与第三二极管（D3）的正极间联接有电容；

所述第五放大器（U5）的反相输入端依次通过电阻、第一二极管（D1）与输出端联接，所述第一二极管（D1）的负极与第五放大器（U5）的输出端联接，第一二极管（D1）的正极还通过电阻与第六放大器（U6）的反相输入端联接，第五放大器（U5）的输出端还依次通过第二二极管（D2）、电阻与第六放大器（U6）的同相输入端联接，所述第二二极管（D2）的正极与第五放大器（U5）的输出端联接，第二二极管（D2）的负极通过电阻与第五放大器（U5）的反相输入端联接；

所述第六放大器（U6）的输出端联接电阻后分别通过电容联接模拟地和联接微控制单元（20）的输入端，第六放大器（U6）的输出端还通过电阻联接至反相输入端。

4.根据权利要求1或2所述的电池组剩余电量的计量电路，其特征在于：所述CAN通信模块（24）包括CAN总线驱动芯片（U9）、静电保护模块（U10）和共模滤波电感（U11），所述CAN总线驱动芯片（U9）的型号是TJA1050，所述CAN总线驱动芯片（U9）的管脚一、管脚四及管脚八与微控制单元（20）联接，CAN总线驱动芯片（U9）的管脚六和管脚七与静电保护模块（U10）的输入端联接，CAN总线驱动芯片（U9）的管脚五依次通过电阻、共模滤波电感（U11）与CAN网络（3）联接，所述静电保护模块（U10）的输出端接地。