CN209215559U - 一种低成本电池组串检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种低成本电池组串检测装置，包括电池组、均衡模块，还包括信号调理模块、CPU、隔离电源；所述电池组包括检测线、均衡线、正极B+、负极B‑；所述信号调理模块由电压采集单元、采集均衡单元、限压单元组成，利用CPU自带的片上模数转换器进行电池单体的电压检测，当采集控制开关关断时，CPU停止检测，检测电路不消耗电池组的电能；所述CPU自带的片上模数转换器对电池组中的所有电池单体的电压检测可以同时完成。与其他装置相比该装置结构简单，利用控制CPU中自带的模数转换器，不需要采用模拟数字前端芯片，因此成本低，而且可以同时检测所有的单体电池电压，因此检测速度快。

Description

一种低成本电池组串检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种低成本电池组串检测装置，属于锂电池等相关电池的管理系统，特别是采用CPU进行模数转换的电池检测装置。

背景技术

随着锂电池和储能技术的发展，对电池管理系统的要求也越来越高，而在电池管理系统中电池的检测装置具有重要的作用，对电池的使用性能和电池的安全性都有重要的影响。

目前应用最多的是采用集成芯片模拟前端作为电池管理系统的核心，例如中国专利CN 205985247 U公开了一种采用ML5235模拟前端的电池管理系统；CN 206117193 U公开了一种采用控制IC的电池管理系统；CN 205304339 U公开了一种采用BQ7694003模拟前端的电池管理系统。采用现有的集成芯片模拟前端进行电池管理和检测有很多弊端：首先，是集成芯片能够检测和管理的电池单体数量有限，一般为4、6、12个等。这样不利于实际应用。如通讯领域应用需要 48V电池，如果采用磷酸铁锂电池需要16个电池串联，而钛酸锂电池则需要22个电池串联，采用集成电池芯片会需要多个级联使用，由于电池串联数目不会刚好与芯片控制的数目相同，因此会产生浪费现象。如果多个芯片级联使用，其数据通讯处理比较复杂。其次，集成芯片通常成本较高，过高的器件成本限制了集成芯片的推广和使用。

中国专利CN 204858686 U公开了一种采用FPGA的电池管理系统采用专用的模数转换器，增加了系统的成本。CN 204886310 U公开了一种采用ARM的电池管理系统，虽然利用ARM片上的模数转换器，但是每个调理电路采用差分电路和电压跟随器，增加了系统的成本，特别是当蓄电池组串联单体较多、电压高于30V时，需要高压运放组成差分电路和电压跟随器，因此成本会大幅度增加。

综上所述，解决电池管理系统高性能与低成本之间的矛盾是非常重要的，需要通过优化设计来有效降低电池管理系统的成本。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的缺陷，提出了一种高性能电池组串检测装置及检测方法。该装置结构简单，利用控制CPU中自带的模数转换器，不需要采用模拟数字前端芯片，因此成本低，而且可以同时检测所有的单体电池电压，因此检测速度快。

本实用新型采取的技术方案为：

为了达到上述目的，本实用新型的一种低成本电池组串检测装置，包括电池组、均衡模块，其特征在于，还包括信号调理模块、CPU、隔离电源；所述电池组包括检测线、均衡线、正极B+、负极B-；所述信号调理模块由电压采集单元、采集均衡单元、限压单元组成，利用 CPU自带的片上模数转换器进行电池单体的电压检测，当采集控制开关关断时，CPU停止检测，检测电路不消耗电池组的电能；所述CPU 自带的片上模数转换器对电池组中的所有电池单体的电压检测可以同时完成。

所述信号调理模块包括电压采集单元、采集均衡单元、限压单元；所述电压采集单元、采集均衡单元、限压单元分别连接在电池组和CPU 之间组成一个信号调理网络，将电池组中的电池单体的电压调整到 CPU的片上模数转换器检测的电压范围之内。

针对电池组中的每个电池单体所述电压采集单元包括采集二极管、第一分压电阻、第二分压电阻、采集控制开关，电池组中每个电池单体正极引出的检测线分别与采集二极管正极连接，然后经过第一分压电阻和第二分压电阻分压后与CPU的片上模数转换器引脚相连，所述第二分压电阻均与CPU的地相连，然后经过采集控制开关与电池组的负极B-相连；所述采集控制开关的控制端与CPU的输出输出口引脚相连；所述分压电阻将所要检测的电池电压调整到模数转换器的参考电压范围之内。

针对电池组中的每个电池单体所述采集均衡单元包括均衡二极管、均衡电阻、均衡控制开关，电池组中每个电池单体负极引出的检测线分别与均衡二极管正极连接，然后经过均衡电阻并联在一起，再经过均衡控制开关与电池组的正极B+相连；所述均衡控制开关的控制端与CPU的输入输出口引脚相连。

所述限压单元由稳压管组成，稳压管的阳极接CPU的地相连，稳压管的阴极分别与CPU的模数转换引脚相连。

所述隔离电源为CPU和信号调理模块供电，其电源正端和地均与电池组电气隔离。

所述的一种低成本电池组串检测装置对电池组中的单体电池电压的检测方法，其特征在于，实现步骤如下：

步骤1：由CPU发出指令，通过IO口控制采集控制开关接通，并关断均衡控制开关，同时CUP内部定时器开始计时；

步骤2：CUP内部定时器计时t1时间后，控制片上模数转换器对输入的电池电压信号进行模数转换；

步骤3：CUP内部定时器计时到t2(t2>t1)时间后，通过IO口控制采集控制开关关断，并接通均衡控制开关，同时CUP内部定时器重新开始计时；

步骤4：CUP内部定时器计时到t2时间后，通过IO口控制均衡控制开关关断；

步骤5：CUP利用模数转换器转换的结果，根据以下公式计算出电池单体电压：U(Bi)＝AD(i)-AD(i+1)，i＝1,2,3...n,且AD(n+1)＝0V。

本实用新型的有益效果是：

利用CPU自带的片上模数转换器进行电池单体的电压检测，有效降低电池检测装置的成本；采用隔离电源供电，可以对多个电池单体进行并行检测，降低了系统成本，提高了检测速度；当采集控制开关关断时，CPU停止检测，检测电路不消耗电池组的电能，防止因检测电路引起的电池能量消耗；通过采集均衡单元使检测造成的电池不均衡现象得到消除。

附图说明

图1传统锂电池电池管理系统示意图；

图2本实用新型中低成本电池组串检测装置连接方式示意图；

图3是本实用新型中电池组接线图；

图4是本实用新型中低成本检测装置接线示意图；

图5是本实用新型中电压采集单元示意图；

图6是本实用新型中采集均衡单元示意图；

图7是本实用新型中限压单元示意图；

图8是本实用新型中干簧管可控开关示意图；

图9是本实用新型中光耦可控开关示意图；

图10是本实用新型中低成本电池组串检测装置详图；

图11是本实用新型中的控制流程。

附图中，各标号所代表的部件：

1、电池组，2、信号调理模块，3、CPU，4、隔离电源，5、均衡模块，101、检测线，102、均衡线，103、正极B+，104、负极B-， 201、采集二极管，202、第一分压电阻，203、第二分压电阻，204、采集控制开关，205、均衡二极管，206、均衡电阻，207、均衡控制开关，211、电压采集单元，212、采集均衡单元，213、限压单元，221、输入端，222、输出端，223、控制端，224、接地端

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的介绍。

传统的锂电池应用中，电池管理器多采用集成芯片，以便提高系统的集成度，通常集成芯片将模拟前端和均衡电路集成在一块芯片上，如图1所示。模拟前端需要高性能的模数转换器、差分放大电路等，检测结果传输给全数字控制器，例如单片机、DSP、FPGA等。由于很多单片机和DSP都集成了片上模数转换器，因此系统设计从总体上说有很多浪费，因此成本居高不下。本实施例，利用单片机、DSP等控制器自带的片上模数转换器，采用电阻网络代替高成本的差分放大电路，因此实现了低成本的电池组串检测装置。

本实施例中，电池组1相连的检测线101与信号调理模块2相连，经过信号调理模块2的分压后，将电池单体电压信号传输给CPU 3，CPU 3通过输入输出口对信号调理模块2进行控制，降低检测时对电池电量的消耗。整个电池组串检测装置的供电由隔离电源4提供，使得信号调理模块2、CPU 3的地和电源均与电池组1隔离，避免发生短路并且减少检测间隙时间产生的电能损耗。电池组1的另外一个出线端均衡线102与均衡模块5相连，以便检测完成后对电池组 1进行均衡处理，详见图2、图3。

电池组1由B1、B2、B1、B2、B3…Bn，一共n个电池单体串联组成，正极B+103、负极B-104，见图3。串联的B1、B2、B3…Bn电池单体的正负极极耳上单点分别引出两组线A0、A1、A2…An和C0、C1、 C2…Cn。其中，C0、C1、C2…Cn作为检测线101与信号调理模块2相连接。C(i-1)与电池B(i)(i∈[1,2,3,4…n])正极极耳相连接，C(n) 与负极B-104相连接。

信号调理模块2与CPU 3之间有电池电压信号线AD1、AD2、 AD3…ADn，分别接CUP 3的片上模数转换器接口。CUP 3的两路输入输出口IOa和IOb与信号调理模块2相连接，分别对电压采集单元 211和采集均衡单元212进行控制，见图4。

信号调理模块2是一个相对复杂的网络，但是可以根据其功能大致分为三个部分：电压采集单元211、采集均衡单元212、限压单元 213。

其中，电压采集单元211如图5所示。每个电池单体池B(i)(i ∈[1,2,3,4…n])的正极所连接的C(i-1)(i∈[1,2,3,4…n])都连接一个采集二极管201的正极，也就是，C(i-1)连接D1(i)的正极。采集二极管201的负极与第一分压电阻202相连接，也就是D1(i)的负极与R1(i)连接。R1(i)的另外一端与R2(i)，即第二分压电阻203 相连，同时输出给CPU 3的模数转换模块AD(i)。R2(i)，即第二分压电阻203的另外一端与CPU 3的地(GND)相连。所有的第二分压电阻203的接地端最终通过采集控制开关204与电池组1的负极B-104，即Cn端相连。采集控制开关204的控制端223，与CPU 3的输入输出接口IOa相连，并且CPU 3通过IOa控制采集控制开关204的接通和断开。当需要采集电池电压时，CPU 3通过IOa控制采集控制开关 204接通，电池电压信号输入给CPU 3的模数转换模块AD(i)，CPU 3 可以同时对n个电压进行检测，检测结果通过一系列运算，可以得到 n个电池单体的电压。由于采用了CPU3片上的模数转换器，而不需要传统电池检测电路中的模拟前端芯片，因此成本大大降低。此外CPU3可以控制所有模数转换器同时进行模数转换，可以提高检测速度。

每组R1(i)第一分压电阻202和R2(i)第二分压电阻203所连接的电池电压均不相同，因此需要调整R1(i)第一分压电阻202和R2(i)第二分压电阻203的电阻值，使分压后的电压信号AD(i)可能出现的最大值Vmax，小于模数转换器的参考电压，通常这个电压是隔离电源4提供给CPU 3的电源电压。

由于每组R1(i)第一分压电阻202和R2(i)第二分压电阻203的电阻值均不相同，因此在采集控制开关204接通进行电压采集时的电池单体B(i)所输出的电流I(i)均不相同。假设采集控制开关204接通时间是t2则所有电池因电压检测所消耗的电量Q(i)＝I(i)*t2均不相同。虽然每次时间非常短，只有几个ms，电流也非常小只有几个 mA，但是随着电池使用时间增加，检测次数增加，会使电池容量产生不一致现象。为了补偿因检测引起的电池容量的差别，即电池不均衡现象，本实用新型在实际应用中加入了采集均衡单元212，见图6。

采集均衡单元212包括均衡二极管205、均衡电阻206、均衡控制开关207。电池组1中每个电池单体B(i)负极引出的C(i)检测线 101分别与D2(i)均衡二极管205的正极连接，然后经过R3(i)均衡电阻206并联在一起，再经过均衡控制开关207与电池组1的正极 B+103相连。所述均衡控制开关207的控制端223与CPU 3的入输出口引脚IOb相连。R3(i)均衡电阻206的阻值的选择是依据R1(i)第一分压电阻202和R2(i)第二分压电阻203的电阻值。当CPU3控制均衡控制开关207接通t2时间时，使每个电池单体B(i)消耗的电流能够补偿因检测引起的电池容量的差别。也就是说，通过选择R3(i) 均衡电阻206达到合适的阻值，使采集控制开关204接通时输出电流小的电池单体，在均衡控制开关207接通相同时间内的输出电流变大；反之，采集控制开关204接通时输出电流大的电池单体，在均衡控制开关207接通相同时间内的输出电流变小；从而使整个电池组1 中的所有电池的容量达到平衡。

为了降低检测电路的损耗，在不进行检测的时间段，可以通过CPU 3控制采集控制开关204和均衡控制开关207同时关断，由于电池组 1和信号调理模块2之间没有任何回路，因此不会消耗任何电池存储的电能。

图7为限压单元213示意图，其中电压采集单元211的每个输出信号均有一个稳压管208。稳压管208的阳极接CPU 3的地相连，稳压管208的阴极分别与CPU 3的模数转换引脚相连。

不论是采集控制开关204还是均衡控制开关207都需要电气隔离。通常隔离方式有两种形式：

一种是电磁隔离方式，如继电器、干簧管等。如图8所示为干簧管可控开关示意图，干簧管可控开关包括输入端221，输出端222，控制端223，接地端224。输入端221、输出端222是两个机械触点，控制端223、接地端224连接的是线圈绕组。当控制端223和接地端 224通电产生电流时，控制输入端221与输出端222之间的两个机械触点吸合并导通。当控制端223和接地端224电流消失时，控制输入端221与输出端222之间的两个机械触点释放并关断。

另外一种电气隔离方式是光隔离，光耦和光耦继电器等。如图9 所示为光耦可控开关示意图，包括输入端221，输出端222，控制端 223，接地端224。输入端221、输出端222之间是两个MOSFET作为电子开关，控制端223、接地端224连接的是发光二极管。当控制端 223施加电压使二极管导通发光时，控制输入端221与输出端222之间的两个MOSFET导通。当控制端223电压消失时，控制输入端221 与输出端222之间的两个MOSFET关断。

综上所述，本实用新型的实施例中低成本电池检测装置详图见图 10。对电池组1中的单体电池电压的检测方法分5个部分，如图11 所示，实现步骤如下：

步骤1：由CPU 3发出指令，通过IO口控制采集控制开关204接通，并关断均衡控制开关207，同时CUP 3内部定时器开始计时；

步骤2：CUP 3内部定时器计时t1时间后，控制片上模数转换器对输入的电池电压信号进行模数转换；

步骤3：CUP 3内部定时器计时到t2(t2>t1)时间后，通过IO 口控制采集控制开关204关断，并接通均衡控制开关207，同时CUP 3内部定时器重新开始计时；

步骤4：CUP 3内部定时器计时到t2时间后，通过IO口控制均衡控制开关207关断；

步骤5：CUP 3利用模数转换器转换的结果，根据以下公式计算出电池单体电压：

U(Bi)＝AD(i)-AD(i+1)，i＝1,2,3...n,且AD(n+1)＝0V。

Claims (6)

1.一种低成本电池组串检测装置，包括电池组(1)、均衡模块(5)，其特征在于，还包括信号调理模块(2)、CPU(3)、隔离电源(4)；所述电池组(1)包括检测线(101)、均衡线(102)、正极B+(103)、负极B-(104)；所述信号调理模块(2)由电压采集单元(211)、采集均衡单元(212)、限压单元(213)组成，利用CPU(3)自带的片上模数转换器进行电池单体的电压检测，当采集控制开关(204)关断时，CPU(3)停止检测，检测电路不消耗电池组(1)的电能；所述CPU(3)自带的片上模数转换器对电池组(1)中的所有电池单体的电压检测可以同时完成。

2.如权利要求1所述的一种低成本电池组串检测装置，其特征在于，所述信号调理模块(2)包括电压采集单元(211)、采集均衡单元(212)、限压单元(213)；所述电压采集单元(211)、采集均衡单元(212)、限压单元(213)分别连接在电池组(1)和CPU(3)之间组成一个信号调理网络，将电池组(1)中的电池单体的电压调整到CPU(3)的片上模数转换器检测的电压范围之内。

3.如权利要求2所述的一种低成本电池组串检测装置，其特征在于，针对电池组(1)中的每个电池单体所述电压采集单元(211)包括采集二极管(201)、第一分压电阻(202)、第二分压电阻(203)、采集控制开关(204)，电池组(1)中每个电池单体正极引出的检测线分别与采集二极管(201)正极连接，然后经过第一分压电阻(202)和第二分压电阻(203)分压后与CPU(3)的片上模数转换器引脚相连，所述第二分压电阻(203)均与CPU(3)的地相连，然后经过采集控制开关(204)与电池组(1)的负极B-(104)相连；所述采集控制开关(204)的控制端(223)与CPU(3)的输出输出口引脚相连；所述分压电阻将所要检测的电池电压调整到模数转换器的参考电压范围之内。

4.如权利要求2所述的一种低成本电池组串检测装置，其特征在于，针对电池组(1)中的每个电池单体所述采集均衡单元(212)包括均衡二极管(205)、均衡电阻(206)、均衡控制开关(207)，电池组(1)中每个电池单体负极引出的检测线(101)分别与均衡二极管(205)正极连接，然后经过均衡电阻(206)并联在一起，再经过均衡控制开关(207)与电池组(1)的正极B+(103)相连；所述均衡控制开关(207)的控制端(223)与CPU(3)的输入输出口引脚相连。

5.如权利要求2所述的一种低成本电池组串检测装置，其特征在于，所述限压单元(213)由稳压管(208)组成，稳压管(208)的阳极接CPU(3)的地相连，稳压管(208)的阴极分别与CPU(3)的模数转换引脚相连。

6.如权利要求1所述的一种低成本电池组串检测装置，其特征在于，所述隔离电源(4)为CPU(3)和信号调理模块(2)供电，其电源正端和地均与电池组(1)电气隔离。