CN211741514U - 一种电池电压采集电路以及电池电压采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池电压采集电路和电池电压采集系统。所述电池电压采集电路包括：运算放大器、第一‑第四电阻模块，所述第一电阻模块的第一端连接电池电压正极、第二端连接在所述运算放大器的正向输入端，所述第二电阻模块的第一端连接电池电压负极、第二端连接在所述运算放大器的反向输入端，所述第三电阻模块的第一端连接所述第一电阻模块的第二端和所述运算放大器的正向输入端、第二端接地，所述第四电阻模块的第一端连接所述第二电阻模块的第二端和所述运算放大器的反向输入端、第二端连接所述运算放大器的输出端和电压输出端。本实用新型电路结构简单且成本低，抗干扰能力强、测量准确且精度高、线性度好，并可在单电源和双电源情况下工作。

Description

一种电池电压采集电路以及电池电压采集系统

技术领域

本实用新型涉及电池电压采集领域，更具体地说，涉及一种电池电压采集电路以及包括该电池电压采集电路的电池电压采集系统。

背景技术

在国内移动动环监控领域，电池电压状态的监测和管理非常重要，需要对给设备供电的电池组电压进行准确、可靠、有效的采集监测，只有确保对电池组电压参数的精确采集，方可为电池的故障诊断，安全防护提供依据。

目前对通讯电源的电池组电压的采集方式有两种，一种是使用光耦继电器将电池组电压顺序传递到一个采样电容，然后再对此采样电容进行电压采集的方式，这种方式缺点是采集的电压精度较低且器件成本较高；另一种是使用线性光耦或者模拟隔离运放等模拟隔离器件进行采集，其主要缺点是成本较高、电路结构复杂且应用不方便。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种成本低、精度高、线性度好且测量准确的电池电压采集电路以及包括该电池电压采集电路的电池电压采集系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电池电压采集电路，包括：运算放大器、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块和第四电阻模块，所述第一电阻模块的第一端连接电池电压正极、第二端连接在所述运算放大器的正向输入端，所述第二电阻模块的第一端连接电池电压负极、第二端连接在所述运算放大器的反向输入端，所述第三电阻模块的第一端连接所述第一电阻模块的第二端和所述运算放大器的正向输入端、第二端接地，所述第四电阻模块的第一端连接所述第二电阻模块的第二端和所述运算放大器的反向输入端、第二端连接所述运算放大器的输出端和电压输出端。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，所述第一电阻模块、所述第二电阻模块、所述第三电阻模块和/或所述第四电阻模块包括多个串联电阻。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，进一步包括连接到所述运算放大器的正向输入端和地之间的第一电容模块，和/或连接到所述运算放大器的反向输入端和地之间的第二电容模块。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，进一步包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极连接所述运算放大器的正向输入端和所述第二二极管的阴极、所述第一二极管的阴极连接所述运算放大器的正电源电压，所述第二二极管的阳极连接所述运算放大器的负电源电压。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，进一步包括第三二极管和第四二极管，所述第三二极管的阳极连接所述运算放大器的反向输入端和所述第四二极管的阴极、所述第三二极管的阴极连接所述运算放大器的正电源电压，所述第四二极管的阳极连接所述运算放大器的负电源电压。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，进一步包括第五电阻模块和第三电容模块，所述第五电阻模块的第一端连接所述运算放大器的输出端和所述第四电阻模块的第二端、第二端连接所述电压输出端，所述第三电容模块的第一端连接所述电压输出端，第二端接地。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，进一步包括连接在所述电池电压正极、所述电池电压负极，以及所述第一电阻模块和所述第二电阻模块之间的防雷模块。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，所述防雷模块包括第一压敏电阻、第二压敏电阻和放电管，所述第一压敏电阻的第一端连接所述电池电压正极和所述第一电阻模块的第一端、第二端连接所述放电管的第一端，所述第二压敏电阻的第一端连接所述电池电压负极和所述第二电阻模块的第一端、第二端连接所述放电管的第一端，所述放电管的第二端接地。

在本实用新型所述的电池电压采集电路中，所述防雷模块包括第一高压电容和/或第二高压电容，所述第一高压电容的第一端连接所述电池电压正极和所述第一电阻模块的第一端、第二端接地，所述第二高压电容的第一端连接所述电池电压负极和所述第二电阻模块的第一端、第二端接地。

本实用新型还涉及一种电池电压采集系统，包括电池模块、微控制器，所述的电池电压采集电路，所述电池电压采集电路分别连接在所述电池模块的电池电压正极和电池电压负极，所述微控制器连接所述电池电压采集电路的输出端。

本实用新型的电池电压采集电路以及包括该电池电压采集电路的电池电压采集系统采用运算放大器和电阻模块构成差分放大电路，从而输出电池采样电压，因此电路结构简单且成本低，抗干扰能力强、测量准确且精度高、线性度好，并可在单电源和双电源情况下工作。进一步地，差分电路增益可以通过电阻模块的电阻值比例进行调整，因此扩展性好。进一步地，通过设置滤波和钳位电路，可对电压进行有效滤波和钳位，进而进一步保证测量的精度。更进一步地，通过设置防雷模块，可以提高防雷性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的电池电压采集电路的第一优选实施例的电路原理图；

图2是本实用新型的电池电压采集电路的第二优选实施例的电路原理图；

图3是本实用新型的电池电压采集电路的防雷模块的优选实施例的电路原理图；

图4是本实用新型的电池电压采集系统的优选实施例的原理框图；

图5示出了根据图2所示的电池电压采集电路获得的电池电压的电脑仿真结果；

图6示出了实际测量所得的电池电压。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型涉及一种电池电压采集电路，包括：运算放大器、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块和第四电阻模块，所述第一电阻模块的第一端连接电池电压正极、第二端连接在所述运算放大器的正向输入端，所述第二电阻模块的第一端连接电池电压负极、第二端连接在所述运算放大器的反向输入端，所述第三电阻模块的第一端连接所述第一电阻模块的第二端和所述运算放大器的正向输入端、第二端接地，所述第四电阻模块的第一端连接所述第二电阻模块的第二端和所述运算放大器的反向输入端、第二端连接所述运算放大器的输出端和电压输出端。本实用新型的电池电压采集电路采用运算放大器和电阻模块构成差分放大电路，从而输出电池采样电压，因此电路结构简单且成本低，抗干扰能力强、测量准确且精度高、线性度好，并可在单电源和双电源情况下工作。

图1是本实用新型的电池电压采集电路的第一优选实施例的电路原理图。如图1所示，本实用新型的电池电压采集电路，包括：运算放大器U1、第一电阻模块R1、第二电阻模块R3、第三电阻模块R2和第四电阻模块R4。所述第一电阻模块R1的第一端A连接电池电压正极、第二端连接在所述运算放大器U1的正向输入端。所述第二电阻模块R3的第一端B连接电池电压负极、第二端连接在所述运算放大器U1的反向输入端。所述第三电阻模块R2的第一端连接所述第一电阻模块R1的第二端和所述运算放大器U1的正向输入端、第二端接地GND。所述第四电阻模块R4的第一端连接所述第二电阻模块R3的第二端和所述运算放大器U1的反向输入端、第二端连接所述运算放大器U1的输出端C和电压输出端Vout。

如图1所示，所述第一电阻模块R1和所述第三电阻模块R2串联后连接到电池电压正极和地GND之间，且所述第一电阻模块R1和所述第三电阻模块R2的连接点接入所述运算放大器U1的正向输入端。所述第三电阻模块R2和所述第四电阻模块R4串联后连接到电池电压负极和电压输出端Vout之间，且第三电阻模块R2和所述第四电阻模块R4的连接点接入所述运算放大器U1的反向输入端。这样，所述第四电阻模块R4同时连接在所述运算放大器U1的反向输入端和电压输出端Vout之间，从而形成反馈电阻。这样可以通过调节第一-第四电阻模块R1-R4的阻值参数与运算放大器匹配成差分放大模块，用于采集电池电压，运算放大器U1的电压输出端Vout即为本实用新型的电池电压采集电路的输出端。

下面结合图1对本实用新型的电池电压采集过程解释如下。根据运算放大器的特性和图1所示电路关系，得出以下式子：

(V+ - V)/R1 ＝ V/R2 ①

(V- - V)/R3 ＝ (V–Vout)/R4 ②

其中V+是连接所述第一电阻模块R1的第一端(即输入端)的输入电压，V-是连接所述第二电阻模块R3的第一端(即输入端)的输入电压，Vout为运算放大器U1的输出端，即电池电压采集电路的输出端采集的电池电压。根据以上①②可以导出电池电压采集电路的输出端采集的电池电压与输入电压的关系式，为方便计算

令R1＝R3＝Rα ③

R2 ＝ R4 ＝ Rβ ④

由①②③④得

Vout ＝ Rβ/ Rα×(V+ - V-) ⑤

其中Rβ/Rα为差分运算放大电路的放大倍数，即为增益，可以通过调节第一-第四电阻模块R1-R4的阻值参数来设置放大倍数或者缩小倍数。

在本实用新型的优选实施例中，第一-第四电阻模块R1-R4中的至少一者可以替换为多个电阻串联，电阻串联可以减少每个电阻在电路中分担的电压值，这样可以选择比较廉价的普通电压电阻。优选如图1所示，所述第一电阻模块R1由多个串联电阻R1a…R1n组成；所述第二电阻模块R3由多个串联电阻R3a…R3n组成。在本实用新型的优选实施例中，这些电阻模块R1-R4的电阻值优选可调，从而实现放大倍数或者缩小倍数的设置。通过对第一-第四电阻模块R1-R4进行适当取值能够保证运算放大器U1对高电压的承受和处理能力，且组成的差分放大电路能够增强电路抗共模干扰的能力，并且受环境温度影响较小，使得电池组电压采集精度高，线性度更好，测量更准确。因为使用的器件为低廉的电阻和普通的运算放大器，成本大幅度降低，应用也十分方便，在分布式或者集中式的电池电压监测管理系统中均可使用。

在本实用新型的优选实施例中，运算放大器U1可以选择具有较低的失调电压(2mV以下)、较高的转换速率(1.5V/us以上)和高的输入阻抗，符合以上要求的运放价格比较低廉。在本实用新型中，地GND优选为信号地。

因此，本实用新型的电池电压采集电路采用运算放大器和电阻模块构成差分放大电路，从而输出电池采样电压，因此电路结构简单且成本低，抗干扰能力强、测量准确且精度高、线性度好，并且运算放大器U1可在单电源和双电源情况下工作。进一步地，差分电路增益可以通过电阻模块的电阻值比例进行调整，因此扩展性好。

图2是本实用新型的电池电压采集电路的第二优选实施例的电路原理图。在图2所示实施例中，本实用新型的电池电压采集电路，包括：运算放大器U1、第一电阻模块R1、第二电阻模块R3、第三电阻模块R2和第四电阻模块R4，第一电容模块C1、第二电容模块C2、第三电容模块C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4、以及第五电阻模块R5和第六电阻模块R6。

如图2所示，所述第一电阻模块R1的第一端A连接电池电压正极、第二端连接在所述运算放大器U1的正向输入端。所述第二电阻模块R3的第一端B连接电池电压负极、第二端连接在所述运算放大器U1的反向输入端。所述第三电阻模块R2的第一端连接所述第一电阻模块R1的第二端和所述运算放大器U1的正向输入端、第二端接地GND。所述第四电阻模块R4的第一端连接所述第二电阻模块R3的第二端和所述运算放大器U1的反向输入端、第二端连接所述运算放大器U1的输出端C和电压输出端Vout。第一电容模块C1连接到所述运算放大器U1的正向输入端和地GND之间，第二电容模块C2连接到所述运算放大器U1的反向输入端和地GND之间。所述第一二极管D1的阳极连接所述运算放大器U1的正向输入端和所述第二二极管D2的阴极、所述第一二极管D1的阴极连接所述运算放大器U1的正电源电压FIX+，所述第二二极管D2的阳极连接所述运算放大器U1的负电源电压FIX-。所述第三二极管D3的阳极连接所述运算放大器U1的反向输入端和所述第四二极管D4的阴极、所述第三二极管D3的阴极连接所述运算放大器U1的正电源电压FIX+，所述第四二极管D4的阳极连接所述运算放大器U1的负电源电压FIX-。所述第五电阻模块R5的第一端连接所述运算放大器U1的输出端和所述第四电阻模块R4的第二端、第二端连接所述电压输出端Vout，所述第三电容模块C3的第一端连接所述电压输出端Vout，第二端接地GND。第六电阻模块R6连接到所述第一电阻模块R1的第一端A和第二电阻模块R3的第一端B之间。

在本实施例中，所述第一电阻模块R1和第一电容模块C1构成RC网络起滤波作用，所述第二电阻模块R3和第二电容模块C2也同样构成RC网络起滤波作用。所述第五电阻模块R5和所述第三电容模块C3同样构成RC网络起滤波作用。所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4构成钳位电路起限幅电压作用，使输入到运算放大器U1的电压信号处于所述运算放大器U1的正电源电压FIX+和负电源电压FIX-之间。第六电阻模块R6。为输入共模干扰抑制电阻，可根据应用场景选择K级或者M级电阻。并且，运算放大器U1的工作电源可以直流正电源供电，也可以直流正负双电源供电，适合工作在不同的电源供电电路中。在本实施例中，电池电压的计算方法同图1所示，在此就不再累述了。

针对电池电压采集电路的两个输入端电压差为20V，通过设置第一到第四电阻模块R1-R4的阻值使电路增益系数为1/13时，根据图2所示的电池电压采集电路获得的电池电压的电脑仿真结果如图5所示，实际测量结果如图6所示，其与图5基本相符，说明本实用新型的电池电压采集电路的线性度很好。

本领域技术人员知悉，在本申请中，提及的电阻模块可以指代任何类型的，适合的电阻，或者多个电阻串联或并联构成的电阻模块。同样的，电容模块也可以指代任何类型的，适合的电容，或者多个电容串联或并联构成的电容模块。在本实用新型中，电池电压可以是单个电池电压，多个电池组的串联电压等等。

本实用新型的电池电压采集电路采用运算放大器和电阻模块构成差分放大电路，从而输出电池采样电压，因此电路结构简单且成本低，抗干扰能力强、测量准确且精度高、线性度好，并可在单电源和双电源情况下工作。进一步地，差分电路增益可以通过电阻模块的电阻值比例进行调整，因此扩展性好。进一步地，通过设置滤波和钳位电路，可对电压进行有效滤波和钳位，进而进一步保证测量的精度。

在本实用新型的进一步的优选实施例中可以进一步设置防雷模块。即并不将第一电阻模块R1和第二电阻模块R2的第一端与电池电压正极和负极，而是在两者之间加入防雷模块，从而实现防雷功能。图3是本实用新型的电池电压采集电路的防雷模块的优选实施例的电路原理图。

如图3所示，所述防雷模块包括第一压敏电阻RV1、第二压敏电阻RV2、放电管SP1，第一高压电容CV1和第二高压电容CV2。在本实施例中，所述第一压敏电阻RV1的第一端连接电池电压正极V1+和所述第一电阻模块R1的第一端A、第二端连接所述放电管SP1的第一端1。所述第二压敏电阻RV2的第一端连接所述电池电压负极V1-和所述第二电阻模块R3的第一端B、第二端连接所述放电管SP1的第一端1。所述放电管SP1的第二端2接地PGND。所述第一高压电容CV1的第一端连接所述电池电压正极V1+和所述第一电阻模块R1的第一端A、第二端接地PGND，所述第二高压电容CV2的第一端连接所述电池电压负极V1-和所述第二电阻模块R3的第一端B、第二端接地PGND。在此，该地PGND优选是大地。

通过设置防雷模块，电池电压正极V1+和电池电压负极V1-这两个输入端引入的雷击(8/20us)浪涌能量通过第一压敏电阻RV1、第二压敏电阻RV2、放电管SP1泄放至大地。在本实用新型中。压敏电阻和放电管可以选择不同等级的器件使电路能够防护不同等级的感应雷击浪涌(3KA、5KA)。进一步的，通过设置第一高压电容CV1和第二高压电容CV2，可以吸收雷击防护后的残压。

图4是本实用新型的电池电压采集系统的优选实施例的原理框图。如图4所示，所述电池电压采集系统包括电池模块100、微控制器300，以及电池电压采集电路200。所述电池电压采集电路200分别连接在所述电池模块100的电池电压正极和电池电压负极，所述微控制器300连接所述电池电压采集电路200的输出端。本领域技术人员知悉，所述电池模块100可包括单个电池，多个电池组合等等。所述微控制器300可以是任何已知的控制器、处理器等等，其可以接收并使用所述运算放大器U1的输出端和/或所述电压输出端Vout输出的电压采集值，并用于后续任何适合的计算。在本实施例中，所述电池电压采集电路200可以参照图1-3中任意一项实施例构建，在此就不再累述了。基于本实用新型的教导，本领域技术人员能够构造这样的电池电压采集系统。

本实用新型的电池电压采集系统采用运算放大器和电阻模块构成差分放大电路，从而输出电池采样电压，因此电路结构简单且成本低，抗干扰能力强、测量准确且精度高、线性度好，并可在单电源和双电源情况下工作。进一步地，差分电路增益可以通过电阻模块的电阻值比例进行调整，因此扩展性好。进一步地，通过设置滤波和钳位电路，可对电压进行有效滤波和钳位，进而进一步保证测量的精度。更进一步地，通过设置防雷模块，可以提高防雷性能。

虽然本实用新型是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本实用新型做各种修改，而不脱离本实用新型的范围。因此，本实用新型不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本实用新型权利要求范围内的全部实施方式。

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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池电压采集电路，其特征在于，包括：运算放大器、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块和第四电阻模块，所述第一电阻模块的第一端连接电池电压正极、第二端连接在所述运算放大器的正向输入端，所述第二电阻模块的第一端连接电池电压负极、第二端连接在所述运算放大器的反向输入端，所述第三电阻模块的第一端连接所述第一电阻模块的第二端和所述运算放大器的正向输入端、第二端接地，所述第四电阻模块的第一端连接所述第二电阻模块的第二端和所述运算放大器的反向输入端、第二端连接所述运算放大器的输出端和电压输出端。

2.根据权利要求1所述的电池电压采集电路，其特征在于，所述第一电阻模块、所述第二电阻模块、所述第三电阻模块和/或所述第四电阻模块包括多个串联电阻。

3.根据权利要求1所述的电池电压采集电路，其特征在于，进一步包括连接到所述运算放大器的正向输入端和地之间的第一电容模块，和/或连接到所述运算放大器的反向输入端和地之间的第二电容模块。

4.根据权利要求1所述的电池电压采集电路，其特征在于，进一步包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极连接所述运算放大器的正向输入端和所述第二二极管的阴极、所述第一二极管的阴极连接所述运算放大器的正电源电压，所述第二二极管的阳极连接所述运算放大器的负电源电压。

5.根据权利要求1所述的电池电压采集电路，其特征在于，进一步包括第三二极管和第四二极管，所述第三二极管的阳极连接所述运算放大器的反向输入端和所述第四二极管的阴极、所述第三二极管的阴极连接所述运算放大器的正电源电压，所述第四二极管的阳极连接所述运算放大器的负电源电压。

6.根据权利要求1所述的电池电压采集电路，其特征在于，进一步包括第五电阻模块和第三电容模块，所述第五电阻模块的第一端连接所述运算放大器的输出端和所述第四电阻模块的第二端、第二端连接所述电压输出端，所述第三电容模块的第一端连接所述电压输出端，第二端接地。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的电池电压采集电路，其特征在于，进一步包括连接在所述电池电压正极、所述电池电压负极，以及所述第一电阻模块和所述第二电阻模块之间的防雷模块。

8.根据权利要求7所述的电池电压采集电路，其特征在于，所述防雷模块包括第一压敏电阻、第二压敏电阻和放电管，所述第一压敏电阻的第一端连接所述电池电压正极和所述第一电阻模块的第一端、第二端连接所述放电管的第一端，所述第二压敏电阻的第一端连接所述电池电压负极和所述第二电阻模块的第一端、第二端连接所述放电管的第一端，所述放电管的第二端接地。

9.根据权利要求7所述的电池电压采集电路，其特征在于，所述防雷模块包括第一高压电容和/或第二高压电容，所述第一高压电容的第一端连接所述电池电压正极和所述第一电阻模块的第一端、第二端接地，所述第二高压电容的第一端连接所述电池电压负极和所述第二电阻模块的第一端、第二端接地。

10.一种电池电压采集系统，其特征在于，包括电池模块、微控制器，以及根据权利要求1-9中任意一项所述的电池电压采集电路，所述电池电压采集电路分别连接在所述电池模块的电池电压正极和电池电压负极，所述微控制器连接所述电池电压采集电路的输出端。

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