CN208044035U - 一种电池组电芯电压采样电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型的名称为一种电池组电芯电压采样电路。属于电池管理系统技术领域。它主要是解决现有电芯电压采样电路因未做隔离和分压采样电阻对电池造成持续漏电流而存在抗干扰性较差、稳定性差和影响电芯一致性及寿命的问题。它的主要特征是：包括电池组、选通开关单元、译码器单元、主控制器、采样转换单元、电压调理单元、模数转换单元和数据隔离单元；选通开关单元、采样转换单元通过Va、Vb总线连接；电压调理单元由滤波电路和负反馈放大电路组成，负反馈放大电路采用隔离电源供电，电源地与采样转换单元采样输出电压低的信号相连。本实用新型具有抗干扰性能好、安全性高、可扩展性强和成本较低的特点，主要用于对锂离子电池组多个单体电芯的采样及检测。

Description

一种电池组电芯电压采样电路

技术领域

本实用新型属于电池管理系统技术领域。尤其涉及一种锂离子电池组电芯电压采样电路。

背景技术

锂离子电池组由多个单体电芯通过串并联组成，由于单体电芯在出现短路、过充、过放、以及电压一致性差等情况下，会导致电池性能下降和寿命衰减，甚至会引发冒烟、起火、爆炸等严重的安全危害。因此，锂离子电池组在使用过程中必须实时检测各个单体电芯的电压，以便于对电池组的充放电过程进行精准的控制与保护。

目前市场上常用的电池组电芯电压采样方法有两种，第一种方法采用共模分压法对电池组的电芯电压进行采样，电池主控芯片MCU可以共地，不需要通讯隔离，这种采样方法电路简单，但分压采样电阻对电池造成了持续漏电流，对电芯一致性和寿命产生不利影响，同时，采样电路未做隔离，会导致电路的抗干扰性较差，稳定性差。

第二种也是如今市场上最常见的方法，采用LTC6803、LTC6804等专用采样芯片，集成度高。但这些芯片最大仅支持12串电池电压采集，12串以上需要2个及以上的芯片级联实现，然而该芯片的价格昂贵，成本极高，同时，可扩展性较差。

发明内容

本实用新型为解决以上缺点，提出一种电池组电芯电压采样电路。通过采用带隔离的浮动式差分信号采样电路，实现对电池组中每个电芯电压进行单独采集。

本实用新型的技术解决方案是：一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：包括多个电芯串联组成的电池组、选通开关单元、译码器单元、主控制器、采样转换单元、电压调理单元、模数转换单元和数据隔离单元；所述选通开关单元、采样转换单元均由隔离开关阵列和共阳极二极管阵列组成，其之间通过Va、Vb总线连接；所述译码器单元由译码器阵列组成；所述电压调理单元由滤波电路和负反馈放大电路组成，负反馈放大电路采用隔离电源供电，电源地与采样转换单元采样输出电压低的信号相连。选通开关单元用于实现独立的电芯电压采样，其中隔离开关阵列用于电气隔离，选通各路电芯的正负极电压采样，共阳极二极管阵列用于控制选择对应的隔离开关的导通。采样转换单元通过控制信号的高低电平控制隔离开关阵列的导通与截止，将浮动的电芯电压采样信号Va、Vb转换为差分信号对。电压调理单元用于信号滤波，实现将单体电芯的采集电压转换为可以测量的电压值，同时增加阻抗匹配，抑制零点漂移与信号噪声，增强采样电路的抗干扰能力。

本实用新型的技术解决方案中所述的电池组中各电芯的正极、负极分别经各自串联的取样电阻与选通开关单元中各相对应隔离开关的输出端集电极相连，各隔离开关的另一个输出端发射极按奇数、偶数分选后分别与Va、Vb总线连接；隔离开关的输入端阳极通过串联限流电阻与供电电源相连，隔离开关的输入端阴极分别与其对应的共阳极二极管阵列的阳极端相连。

本实用新型的技术解决方案中所述的译码器单元中译码器阵列包括两个及以上的译码器；所述译码器的输入信号与主控制器的GPIO端口相连，输出信号端与选通开关单元中二极管的阴极相连，控制二极管的导通。译码器芯片可以轻松实现并行扩展，2片级联即可组成16路译码器，控制1-16路电芯选通开关，从而实现多达16路电芯电压采样。

本实用新型的技术解决方案中所述的电池组由多个串联的单体电芯组成，包括且不限于磷酸铁锂电池组、三元NCM锂电池组或三元NCA锂电池组。

本实用新型的技术解决方案中所述的选通开关单元、采样转换单元中的隔离开关为光耦或光耦继电器。

本实用新型的技术解决方案中所述的译码器单元的译码器为74系列译码器。

本实用新型的技术解决方案中所述的主控制器为MCU。MCU输出的控制信号与译码器单元相连，用于片选译码器并发送选通控制信号，从而实现电芯的选通开关的独立控制。MCU输出的采样转换信号与采样转换单元的输入端阴极相连，用于控制采样转换开关的导通与截止，从而实现将电芯采样信号Va，Vb转化为差分信号。MCU输入信号与数字隔离单元的输出相连，用于接收电芯电压采样数据。

本实用新型的技术解决方案中所述的电压调理单元中滤波电路为RC并联电路，负反馈放大电路由负反馈的运算放大器组成。

本实用新型的技术解决方案中所述的模数转换单元由高精度模数转换器组成，包括高速SPI通讯ADC，输出为高速SPI通讯的数据信号。模数转换单元用于将模拟电压信号转化为高速数字信号。

本实用新型的技术解决方案中所述的数据隔离单元由数据隔离器组成，其隔离输出的端口与主控制器连接。数字隔离单元用于通讯隔离，将隔离的电压数据上送至主控制器，增强采样电路安全性，提高主控制器通讯抗干扰能力。

本实用新型通过采用带隔离的浮动式差分信号采样电路，增强了电路抗干扰性和安全性，防止漏电流问题，同时，采用差分采样信号降低了检测误差，提升了电压检测精度。进一步的，该电路可以灵活的对电池组中每个电芯电压进行单独采集，可以根据不同的电芯串数配置相应的采样通道数，支持各种电芯串联数不同的电池组，可扩展性强，且成本较低。

附图说明

图1为本实用新型的电池组电芯电压采样电路图。

图2为本实用新型实施例1提供的电池组电芯电压采样电路图。

图3为本实用新型实施例2提供的电池组电芯电压采样电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1所示，本实用新型为一种电池组电芯电压采样电路，包括多个电芯串联组成的电池组U1、选通开关单元U2、译码器单元U3、主控制器U4、采样转换单元U5、电压调理单元U6、模数转换单元U7和数据隔离单元U8。

实施例1如图2所示。电池组U1由n个串联的单体电芯组成，包括且不限于磷酸铁锂电池组、三元（NCM、NCA）锂电池组。电池组U1中各电芯的正极、负极均通过一个串联的取样电阻后与选通开关输出端集电极（c极）相连，电池组U1中n个电芯正负极两端与选通开关单元U2中n+1个隔离开关一一对应。

选通开关单元U2由K0~Kn的隔离开关阵列和共阳极二极管阵列组成，隔离开关包括且不限于光耦、光耦继电器。隔离开关阵列K0~Kn的输出端集电极（c极）与电池组U1中电芯的正负极一一对应连接，其输出端发射极（e极）分别与Va、Vb总线连接，偶数位隔离开关K2n（n≥0）的e极与Va总线相连，奇数位隔离开关K2n+1（n≥0）的e极与Vb总线相连。同时，Va、Vb总线与采样转换单元U5的开关阵列的输出端集电极（c极）相连。隔离开关K0~Kn另一侧的输入端的阳极（+）串联一个电阻后连接到VCC3V3供电端，输入端的阴极（-）连接到共阳极二极管阵列的阳极端，由阴极（-）高低电平来控制隔离开关的导通与截止。选通开关单元U2用于实现独立的电芯电压采样，其中隔离开关阵列用于电气隔离，选通各路电芯的正负极电压采样，共阳极二极管阵列用于控制选择对应的隔离开关的导通。

译码器单元U3由译码器阵列组成，包括且不限于74系列译码器。所述译码器的输入信号与主控制器MCU端口相连，输出信号与选通开关单元U2的共阳极二极管的阴极相连。译码器芯片可以轻松实现并行扩展，2片级联即可组成16路译码器，控制1-16路电芯选通开关，从而实现多达16路电芯电压采样。

采样转换单元U5由隔离开关阵列组成，隔离开关包括且不限于光耦、光耦继电器。采样转换单元U5中隔离开关KC1~KC4输入端的开关控制信号与主控制器MCU的K1、K2脚相连，KC1 、KC3输出端的集电极（C极）与选通开关单元U2的开关阵列输出Vb总线相连，输出端的发射极（e极）与电压调理单元U6的滤波电路正极VDD总线相连。KC2 、KC4输出端的集电极（C极）与选通开关单元U2的开关阵列输出Va总线相连，输出端的发射极（e极）与电压调理单元U6的滤波电路负极VSS总线相连。采样转换单元U5通过控制信号K1K2的高低电平控制隔离开关阵列的导通与截止，将浮动的电芯电压采样信号Va、Vb转换为VDD、VSS差分信号对。

电压调理单元U6主要由滤波电路和负反馈放大电路组成，其中滤波电路为RC并联电路，负反馈放大电路主要由负反馈的运算放大器组成，包括且不限于OP-07，LM358等。负反馈放大电路供电采用隔离5V电源VDD5V/VSS，其中电源地VSS与采样转换单元U5中采样输出电压低的信号相连。负反馈放大电路将浮动的电芯采样电压VDD、VSS差分信号1:1放大转化为模拟信号Vbn输出，由运放虚短虚断定理可知，输出Vbn=VDD-VSS。电压调理单元U6用于信号滤波，实现将单体电芯的采集电压转换为可以测量的电压值Vbn，同时增加阻抗匹配，抑制零点漂移与信号噪声，增强采样电路的抗干扰能力。

模数转换单元U7由12位高精度模数转换器组成，包括且不限于12位高速SPI通讯ADC。模数转换单元U7输入信号端与电压调理单元U6的运放输出Vbn相连，输出为高速SPI通讯的双路数据信号与数字隔离单元U8的输入相连。模数转换单元U7用于将模拟电压信号转化为高速数字信号。

数字隔离单元U8由双通道数据隔离器组成，其输入信号端与模数转换单元U7的输出端连接，其隔离输出的端口与主控制器MCU连接，其输入端正负极供电为采样模块的隔离电源VDD5V/VSS，其输出端正负极供电为VCC3V3/GND。数字隔离单元U8用于通讯隔离，将隔离的电压数据上送至主控制器MCU，增强采样电路安全性，提高MCU通讯抗干扰能力。

主控制器U4为系统的核心控制部分MCU，MCU输出的控制信号CS1A2A1A0与译码器单元U3相连，用于片选译码器并发送选通控制信号，从而实现电芯的选通开关的独立控制。MCU输出的采样转换信号K1K2与采样转换单元U5的输入端阴极相连，用于控制采样转换开关的导通与截止，从而实现将电芯采样信号Va、Vb转化为差分信号VDD、VSS。MCU输入信号SDA、CLK与数字隔离单元U8的输出相连，用于接收电芯电压采样数据。

综上所述，本实用新型的检测方法总结为系统开始电芯电压采样时刻，MCU首先发送第n节电芯BTn选通控制信号CS1A2A1A0，片选并使能译码器，译码器输出相应通道的KBn低电平信号（KBn=0），二极管阵列中与KBn连接的二极管导通，从而使得选通开关阵列中Kn-1、Kn光耦导通，将电芯的正负极采样电压送至Va和Vb。同时刻，MCU发送采样转换控制信号K1K2的高低电平，控制采样转换开关导通和截止，从而将Va、Vb转换为VDD、VSS差分信号（VDD-VSS=|Va-Vb|）。差分信号经滤波调理，1:1运算放大后输出电芯电压值Vbn，再进过ADC模数转换器将模拟量的Vbn转换为数字电压信号，然后通过数字隔离器将该数字电压信号上送给MCU，MCU读取并保存BTn的电压值参数，同时，MCU将选通控制信号CS1A2A1A0、转换控制信号K1K2清零，准备下一次采样。依次轮询一遍，采样即可获得电池组中n个电芯BT1~BTn的电压参数。

步骤上：

1. 系统上电，MCU初始化，完成开机自检后，启动电芯电压采样；

2. 首先，MCU发送第1节电芯BT1选通控制信号CS1A2A1A0=0000，采样转换控制信号（奇数路）K1K2=10；

3. CS1A2A1A0=0000，U3中译码器D1被选中（CS1为译码器片选信号），74HC138译码器将A2A1A0=0000翻译为KB1=0，即KB1拉低置0；

4. 选通开关单元U2中与KB1连接的二极管导通，进而，隔离选通开关K0，K1导通，BT1的负极电压采样送至Va，BT1的正极电压采样送至Vb；

5. K1K2=10，采样转换单元U5中KC1、KC2立即导通，将Vb转换为VDD，Va转换为VSS,则第1节电芯实际检测电压值VBT1=Vb-Va=VDD-VSS。考虑到VDD/VSS、Vb/Va为线路相似的差分信号对，其线路误差在公式中可消除，极大的提高了VBT1值的检测精度；

6. 电压调理单元U6中滤波电路通过RC并联滤波，滤除噪声干扰，平滑VDD、VSS差分信号，差分信号VDD、VSS经过OP-07运算放大器1:1放大后，输出电压信号Vb1=VDD-VSS，即Vb1为第1节电芯采样检测电压值；

7. 模数转换单元U7将输入信号Vb1经过ADS7886S模数转换器进行A/D转换，同时，ADS7886S通过基准电压VREF对输入信号校准，提高A/D转换精度，输出高速SPI信号ADC_CLK,ADC_SDO；

8. 数据隔离单元U8将电芯采样电路的模拟地VSS与MCU模块的数字地GND隔离开，将高速SPI信号ADC_CLK,ADC_SDO转换为CLK，SDO，送至主控MCU；

9. MCU通过SPI通讯读取到SDO中第1节电芯电压值，保存数据。同时将控制信号清零，准备下一次采样；

10. MCU发送第2节电芯BT2选通控制信号CS1A2A1A0=0000，采样转换控制信号（偶数路）K1K2=01，U3中译码器D1被选中，译码器翻译输出KB2=0，即KB2拉低置0；

11. 选通开关单元U2中与KB2连接的二极管导通，进而，隔离选通开关K1，K2导通，BT2的负极电压采样送至Vb，BT1的正极电压采样送至Va；

12. K1K2=01，采样转换单元U5中KC3、KC4立即导通，将Va转换为VDD，Vb转换为VSS, 则第1节电芯实际检测电压VBT2=Va-Vb=VDD-VSS；

13. 重复步骤6-9，MCU获得第2节电芯电压值，保存数据；

14. 根据MCU发送对应的选通控制信号CS1A2A1A0，奇数路电芯采样参照步骤2-9，偶数路电芯采样参照步骤10-13，获取电芯电压采样检测值；

15. 按以上步骤，MCU对电池组中电芯依次轮询一遍，即可获得电池组中16个电芯BT1~BT16的电压检测值。

本实用新型的优点为：

1. 通过采用带隔离的浮动式差分信号采样电路，增强了电路抗干扰性和安全性，防止漏电流问题；

2. 采用差分采样信号降低了检测误差，提升了电压检测精度； 3. 可以灵活的对电池组中每个电芯电压进行单独采集，可以根据不同的电芯串数配置相应的采样通道数，支持各种电芯串联数不同的电池组，可扩展性强，且成本较低。

实施例2如图3所示。根据实施例1的基本设计思想，将电路稍加变换，可以变化为实施例2。

将实施例2中MCU的采样转换控制信号K1K2改换为选通控制信号A0组成的电路，同样可以实现采样转换单元U5的选通控制。实施例2的工作原理相应的变化部分为，A=0时（奇数路电芯采样），MOS管Q1截止，采样转换单元U5中KC1、KC2导通，KC3、KC4截止，与K1K2=10实现效果相同；当A=1时（偶数路电芯采样），MOS管Q1导通，采样转换单元U5中KC1、KC2截止，KC3、KC4导通，与K1K2=01实现效果相同。实施例2的其他部分工作原理与实施例1相同，不再累述。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型包括且不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：包括多个电芯串联组成的电池组（U1）、选通开关单元（U2）、译码器单元（U3）、主控制器（U4）、采样转换单元（U5）、电压调理单元（U6）、模数转换单元（U7）和数据隔离单元（U8）；所述选通开关单元（U2）、采样转换单元（U5）均由隔离开关阵列和共阳极二极管阵列组成，其之间通过Va、Vb总线连接；所述译码器单元（U3）由译码器阵列组成；所述电压调理单元（U6）由滤波电路和负反馈放大电路组成，负反馈放大电路采用隔离电源供电，电源地与采样转换单元（U5）采样输出电压低的信号相连。

2.根据权利要求1所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的电池组（U1）中各电芯的正极、负极分别经各自串联的取样电阻与选通开关单元中各相对应隔离开关的输出端集电极（C极）相连，各隔离开关的另一个输出端发射极（e极）按奇数、偶数分选后分别与Va、Vb总线连接；隔离开关的输入端阳极通过串联限流电阻与供电电源相连，隔离开关的输入端阴极分别与其对应的共阳极二极管阵列的阳极端相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的译码器单元（U3）中译码器阵列包括两个及以上的译码器；所述译码器的输入信号与主控制器（U4）相连，输出信号端与选通开关单元（U2）中二极管的阴极相连，控制二极管的导通。

4.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的电池组（U1）由多个串联的单体电芯组成，包括且不限于磷酸铁锂电池组、三元NCM锂电池组或三元NCA锂电池组。

5.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的选通开关单元（U2）、采样转换单元（U5）中的隔离开关为光耦或光耦继电器。

6.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的译码器单元（U3）的译码器为74系列译码器。

7.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的主控制器（U4）为MCU。

8.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的电压调理单元（U6）中滤波电路为RC并联电路，负反馈放大电路由负反馈的运算放大器组成。

9.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的模数转换单元（U7）由高精度模数转换器组成，包括高速SPI通讯ADC，输出为高速SPI通讯的数据信号。

10.根据权利要求1或2所述的一种电池组电芯电压采样电路，其特征在于：所述的数据隔离单元（U8）由双通道数据隔离器组成，其隔离输出的端口与主控制器（U4）连接。