CN215575572U - 一种bms高频均衡电流均值监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种BMS高频均衡电流均值监测系统，包括电流信号采样和处理模块、模数转换模块和主控制器，其中所述电流信号采样和处理模块包括采样电阻单元、低通滤波器单元和放大器单元，所述采样电阻单元串联在各个均衡电流的干道上以用于将高频锯齿波电流信号转换成高频锯齿波电压信号，所述低通滤波器单元并联在所述采样电阻单元的两端，所述放大器单元的输入端并联在所述低通滤波器上，输出端连接所述模数转换器的输入端，所述主控制器连接所述模数转换模块。本实用新型提出的BMS高频均衡电流均值监测系统成本低、体积小且可以满足使用要求。

Description

一种BMS高频均衡电流均值监测系统

技术领域

本实用新型涉及电池管理系统(Battery Management System,BMS)均衡管理技术领域，尤其涉及一种BMS高频均衡电流均值监测系统。

背景技术

纯电动汽车的电池包是由多个电池模组串联组成的，每个电池模组也是由众多锂离子电池单体串联而成。为了提高电池包的安全性能以及续航能力，通常需要一个电池管理系统对电池包中的各个电池单体进行监测和管理。由于电池单体在生产制造或者后天使用过程存在差异，相互之间会具有不一致性。BMS中的电池均衡管理系统可以有效地缓解由于电池单体间的不一致性带来的短板效应，提高电池包的能量利用效率。

电池均衡管理系统采用基于电感或者变换器的主动均衡方式时，其均衡电流为锯齿波形状，频率常常可以达到2MHz，如何准确地测量高频的均衡电流成为一项技术难题，这关系到均衡过程中电池剩余容量(State OfCharge,SOC)的准确计算。

目前，高频电流测量方法主要采用霍尔电流传感器和电流互感器。一般霍尔电流传感器的工作频率范围只能达到几十或者几百千赫兹，无法满足2MHz高频电流的测量，超高频的霍尔电流传感器一般作为示波器探头使用，价格昂贵，不适合在BMS上应用。电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，主要应用在高压超大电流的电力系统中，其二次侧高频小电流输出也需要结合采样电阻和ADC来实现模数转换，根据奈奎斯特采样定理以及工程应用，对于2MHz的高频电流，ADC的采样频率必须要达到6～10MHz才能保证不失真，如此高采样频率的ADC价格昂贵，而且电流互感器的体积也较大，当设计多路均衡电流采样时需要占用较大的体积。

因此，在高频均衡电流的测量上亟需设计一个低成本、小体积且可以满足使用要求的方案。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种BMS高频均衡电流均值监测系统，成本低、体积小且可以满足使用要求。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型公开了一种BMS高频均衡电流均值监测系统，包括电流信号采样和处理模块、模数转换模块和主控制器，其中所述电流信号采样和处理模块包括采样电阻单元、低通滤波器单元和放大器单元，所述采样电阻单元串联在各个均衡电流的干道上以用于将高频锯齿波电流信号转换成高频锯齿波电压信号，所述低通滤波器单元并联在所述采样电阻单元的两端，所述放大器单元的输入端并联在所述低通滤波器上，输出端连接所述模数转换器的输入端，所述主控制器连接所述模数转换模块。

优选地，所述放大器单元包括高共模电压单位增益差分器和运算放大器，所述高共模电压单位增益差分器的输入端并联在所述低通滤波器上，输出端连接所述运算放大器的输入端；所述运算放大器的输出端连接所述模数转换器的输入端连。

优选地，所述低通滤波器单元采用由一个电阻和一个电容组成的一阶低通滤波器，其中所述放大器单元的输入端并联在所述低通滤波器单元的所述电容的两端。

优选地，所述高共模电压单位增益差分器的输出参考电平设置为同一参考地。

优选地，所述的BMS高频均衡电流均值监测系统还包括模拟开关模块，所述模拟开关模块连接在所述放大器单元的输出端与所述模数转换器的输入端之间。

优选地，所述的BMS高频均衡电流均值监测系统还包括隔离电路，所述模拟开关模块的控制端口通过所述隔离电路连接到所述主控制器上。

优选地，所述隔离电路包括至少一个光耦隔离器。

优选地，所述主控制器的通用IO接口连接所述隔离电路的输入端。

优选地，所述的BMS高频均衡电流均值监测系统还包括上位机显示模块，所述上位机显示模块连接所述主控制器。

优选地，所述主控制器通过IIC总线连接所述模数转换模块的控制引脚。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：

(1)本实用新型可以准确测量高频均衡电流的均值，与利用原始电流波形对时间离散积分计算电池SOC相比，采用这段时间均衡电流的均值对时间积分计算电池SOC可以有效减小积分误差。

(2)高共模电压单位增益差分器可以实现对高端电流进行监测，本实用新型可以实现对18节串联锂离子电池的19个支路电流进行测量，高端的共模电压达到70V，本实用新型理论上的共模电压范围可以达到±275V。

(3)本实用新型采用模拟开关实现多路复用功能，极大地减小了ADC的数量，降低方案成本和整体体积。

(4)本实用新型可以实现对电流方向的监测。

(5)本实用新型采用光耦隔离器实现强电和弱电的分离，安全性能较高。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例的BMS高频均衡电流均值监测系统结构示意图；

图2为本实用新型一实施例的电路原理图整图；

图3为图2中A处对应的一路采样电阻、低通滤波以及单位增益差分原理图；

图4为图2中B处对应的一个运算放大器的原理图；

图5为图2中C处对应的一个模拟开关及其复选控制的光耦隔离器的原理图；

图6为图2中D处对应的两个ADC的原理图；

图7为图2中E处对应的主控制器及其外围电路的原理图；

图8为图2中F处对应的总电源输入原理图；

图9为图2中G处对应的19路电流输入输出接线端子原理图；

图10为一实施例的高共模电压单位增益差分器原理图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实用新型公开的一种BMS高频均衡电流均值监测系统，主要解决BMS系统中采用基于电感或者变换器的主动均衡方式时各个均衡干道上高频锯齿波均衡电流难以采样的问题，均衡电流采样不准确会导致均衡过程中各个电池单体的SOC变化量计算出错。本实用新型采用的技术思路是，通过采样电阻将高频锯齿波电流信号转换成高频锯齿波电压信号，然后通过低通滤波器把高频锯齿波电压信号中的高频成分滤除掉，剩下的直流分量就是高频锯齿波电压信号的均值，通过将均值对时间积分来求取SOC变化量与将原始波形对时间积分可以得到相同的结果。本实用新型主要应用于BMS系统中需要测量高频均衡电流来计算SOC的场合。

如图1所示，本实用新型优选实施例提供了一种BMS高频均衡电流均值监测系统，包括电流信号采样和处理模块1、模拟开关复选模块2、模数转换模块3、其隔离电路4及主控制器(MCU)5。电流信号采样和处理模块1包括采样电阻11、RC低通滤波器12、高共模电压单位增益差分器13以及运算放大器14四个部分，采样电阻11串联在各个均衡电流干道上，RC低通滤波器12并联在采样电阻两端，高共模电压单位增益差分器13输入端并联在RC低通滤波器12的电容两端，输出端串联一个运算放大器14。模拟开关复选模块2包括多个模拟开关21，模拟开关21的输入端连接到运算放大器14的输出端，模拟开关21的输出端连接到模数转换模块3输入端，模拟开关21的控制引脚连接到光耦隔离器41的输出端，主控制器5通过IIC总线连接到模数转换模块3的控制引脚，主控制器5的通用IO连接到光耦隔离器41的输入端，主控制器5通过串口线连接到PC上位机进行数据显示。

其中，采样电阻11用于将高频锯齿波电流信号转换成高频锯齿波电压信号；RC低通滤波器12用于将高频锯齿波电压信号的高频成分滤除掉，保留直流分量，就是高频锯齿波电压信号的均值；高共模电压单位增益差分器13用于将高共模电压的差分信号转换成同一参考地的低共模电压信号，后续可以采用低共模电压的运算放大器14以及模数转换模块(ADC)3就可以直接对信号进行处理，提高安全性和节约设计成本；运算放大器单元14用于将高共模电压单位增益差分器13的输出电压进行放大，调节到符合ADC的测量量程上，提高测量的精度；模拟开关复选模块2用于ADC输入测量通道的复选，可以减少ADC的数量，降低设计成本；模数转换模块(ADC)3用于将模拟量转换成数字量，便于数据的处理和传输；主控制器5用于控制信号采样以及数据的处理工作，并通过串口与上位机界面进行通信，显示测量的结果。具体地，RC低通滤波器12采用RC滤波器，由一个电阻和一个电容组成的一阶低通滤波器。高共模电压单位增益差分器13输出参考电平设置为同一参考地，这虽然会带来初始测量偏差的问题，但在本实用新型通过推导出初始测量偏差的关系式并采用软件补差修正的方式可以消除初始测量偏差。模拟开关复选模块2的控制端口采用光耦隔离器41连接到主控制器5上，实现光耦隔离，保护主控制器安全。通过采样电阻11和RC低通滤波器12得到高频锯齿波均衡电流的均值，通过将均衡电流的均值对时间积分所得到的电池单体的SOC变化量与实际高频锯齿波均衡电流对时间积分得到的SOC变化量是相同的。

如图2所示，本实用新型一实施例的电路原理图整图，为了详细介绍各个部分的具体实施方式，将所述电路原理图整图划分出A-G部分，分别对应说明书附图的图3-9。

图3为本实施例中的一路电流信号采样和处理单元的原理图，所述的采样电阻采用0.1Ω的精密采样电阻R1，将高频电流信号转换成高频电压信号，所述的RC低通滤波器由1KΩ的电阻R2和0.1μF的电容C1串联而成，其低通截止频率可以通过公式(1)计算得出，整体并联到采样电阻R1的两端。

所述的高共模电压单位增益差分器U1采用INA149芯片，其输入端并联到电容C1两端，目的是将高共模电压的差分电压信号转换成统一参考地GND1的低共模电压信号，U1采用双电源供电，共模电压范围达到±275V，本实用新型可以拓展到65节串联电池的高端电流监测上。

高频均衡电流信号流过采样电阻R1转换成高频电压信号，高频电压信号经过截至频率为1.6KHz的低通滤波器，可以把高频的分量过滤掉，留下有用的直流分量和一些低频噪声，低频噪声后面将采用软件的方法来处理。RC低通滤波器的电容C1两端的电压信号是直流分量，当其处于较高的串联电池组上时，共模电压会非常高，所以将滤波电容C1两端的差分电压作为高共模电压单位增益差分器U1的差分输入，并将U1的输出参考电平统一设置为参考地GND1，则U1的输出VOUT是差分信号输入单位增益之后得到的低共模电压信号输出。

图4为本实施例中的一个运算放大器原理图，所述的运算放大器U20采用的是LM324芯片，一个LM324包含了4路通用运算放大器，每个运算放大器的输入端连接的是所述的高共模电压单位增益差分器的输出端，U20采用双电源供电，因此可以实现对负电压的放大，以U20中引脚1、2、3为例推导其放大倍数的计算。本实施例中将U20设置成同相放大器，电阻R39的阻值为10KΩ，电阻R40的阻值为1KΩ，U20输出V_K1和输入V_BI1的关系可以通过公式(2)计算得出，输出对输入放大了11倍。

图5为本实施例中的一个模拟开关和光耦隔离器，所述的模拟开关U25采用ADG1608型号的芯片，U25的S1～S8引脚为8个信号输入端，本实施例中总共使用了三个模拟开关，每个模拟开关实际使用到的信号输入端数量分别为6、6、7，总共实现了对19路信号的连接。U25信号输入端S1～S6分别连接了所述的运算放大器的输出端V_K0～V_K5，U25的复选通道控制引脚为A0～A2，分别连接到了所述的光耦隔离器U28的输出端，U28采用的是TLP521-4型号的芯片，可以实现输入输出端的光耦隔离，U28的输入端ACH_0～ACH_2连接到了所述主控制器的通用IO上，U25的复选信号输出端口为V_O1，通过配置控制引脚A0～A2可以实现输出端V_O1导通到不同的输入端V_K0～V_K5上，所述的模拟开关U25采用双电源±12V供电，可以实现对负电源的传输。

图6为本实施例的两个模数转换器U31和U32，所述的U31和U32都采用ADS1115型号的芯片，具有16位的分辨率，每秒可以实现860次AD转换，通过IIC总线进行通信，进行模块的拓展非常方便。U31的第一路差分输入端连接的是第一个模拟开关的输出端V_O1和GND1，第二路差分输入端连接的是第二个模拟开关的输出端V_O2和GND1，U31的地址引脚ADDR连接到地GND，可以将芯片U31的地址配置为(0b)1001000，U31的信号引脚SCL和SDA都通过10KΩ的上拉电阻R100和R101连接到5V电源上，U31的电源采用直流5V供电，电源输入端连接了一个旁路电容对电源进行滤波去噪。U32的第一路差分输入端连接的是第三个模拟开关的输出端V_O3和GND1，第二路差分输入端没有使用，连接到端口CON17上，U32的地址引脚ADDR连接到地5V电源上，可以将芯片U32的地址配置为(0b)1001001，U32的信号引脚SCL和SDA与U31的信号引脚SCL和SDA分别连接在一起，共同挂接在同一根IIC总线上，U32的电源采用直流5V供电，电源输入端连接了一个旁路电容对电源进行滤波去噪。

图7为本实施例的主控制器及其外围电路原理图，所述的主控制器U33采用的是STM32F103R8T6信号的微处理器，U33的PA11和PA12引脚分别连接IIC总线的SDA和SCL，采用软件模拟IIC的驱动模式，U33的ACH_0～ACH_8引脚连接到所述的光耦隔离器的控制端口上，由微控制控制引脚的状态实现模拟开关的快速切换。U34为芯片LM2576R-5，其输入端为24V直流电源，经过U34的DC-DC转换之后得到5V电源输出，U35为芯片LM1085R-3.3，其输入为所述的5V电源，经过U35线性稳压器之后得到3.3V电源输出，所述的主控制器U33就采用3.3V直流电源供电，U33的TX1和RX1引脚连接到CON13端口上，通过串口与上位机进行数据传输。主控制器U33主要完成的工作包括：所述的模数转换器的初始化，串口通信的初始化，上位机采样指令帧的接收，模数转换器数值的多次读取与取平均，模拟开关的快速轮询切换，电压电流信号的换算与补偿，19路电流数据的整合与数据帧的发送。

图8为本实施例的总电源输入原理图，U36为电源DC-DC模块，其输入端连接的是直流24V电源，输出端为±12V和参考地GND，±12V作为所述的高共模电压单位增益差分器、运算放大器和模拟开关模块的双电源供电，此外，所述的电源DC-DC模块U36的+12V连接了一个线性稳压器U37，其输出端可以输出5.3V直流电压，作为所述的光耦隔离变换器的端口上拉电源，U37输入端连接了一个旁路电容C80接到地，U37输出端也连接了一个旁路电容C81接到地，可以对U37输出输出的电压进行滤波，提高输入输出电压源的质量。

图9为本实施例的19路均衡电流线路的输入和输出接线端子。

图10为本实施例各个高共模电压单位增益差分器相互位置原理图，用于说明19个高共模电压单位增益差分器的输出端的参考基准采用同一个参考地GND1时所导致的测量初值问题，本实用新型采用软件补偿校正的方式来解决测量初值偏离问题。如图10所示，假设第i节电池正极的电池电压为Vi，在初值静置状态下，各个通道的均衡电流值都为0，但是由于所述的高共模电压单位增益差分器输入端并联到了低通滤波器的滤波电容两端，并且其输出端参考电平连接到了同一个参考地GND1上，在电势差的驱动下会形成两个微小的静态电流I1和I2，如图10所示，假设滤波电容两端的电势分别为V2和V1，高共模电压单位增益差分器内部的运算放大器同相端和反相端的电势分别为V+和V-，结合深度负反馈运算放大器的虚短和虚断可以知道，V+和V-相等，并且所述运算放大器同相端和反相端没有电流输入，所以I1电流主要通过I3和I4两个干道分流，高共模电压单位增益差分器输入和输出之间存在关系式如公式(3)所示。结合公式(3)～公式(8)可以推导出第i个高共模电压单位增益差分器输出电压Vouti与第i节电池正极电压Vi的关系式，如公式(9)所示。所以在初始时刻，即使没有均衡电流的存在，各个高共模电压单位增益差分器的输出端都会存在一个与所在电池正极电压Vi成比例的电压，当电池所处位置越高，初始偏置电压Vouti越大，所以在计算实际电流值的时候，需要根据电池电压动态地补偿修正才能计算出正确的电流值。

Vouti＝V2-V1 (3)

V2＝Vi-I2*1KΩ (4)

V1＝Vi-I1*0.1Ω (5)

I2＝Vi/(1KΩ+380KΩ+19KΩ) (6)

I1＝(Vi-V+)/(0.1Ω+380KΩ) (7)

V+＝V-＝I2*19KΩ (8)

Vouti＝-0.0025*Vi (9)

本实施例测量参数说明：所述的模数转换模块(ADC)的测量范围为±6.14V，高频锯齿波均衡电流经过0.1Ω采样电阻并低通滤波之后得到的直流分量放大11倍要落在ADC的测量范围内，反向推导可以得出高频齿波均衡电流的均值范围为±5.58A。

本实用新型是基于对BMS系统中的高频均衡电流监测问题进行深入分析。其中对高频均衡电流精确采样是为了可以精确计算均衡过程中电池SOC的变化量，而电池SOC的计算在实际应用中通常采用的是安时积分法，也就是将采样电流值对时间进行积分处理。因此，如果能够实时得到高频均衡电流的平均值，将其对时间积分也可以得到相同的SOC变化量。基于此，本实用新型优选实施例提出了一种BMS高频均衡电流均值监测系统，可以实现对19路高频均衡电流的测量，包括：精密采样电阻、RC低通滤波电路、高共模电压单位增益差分电路、放大器、模拟开关、光耦隔离器、ADC以及主控制器。其中的精密采样电阻分别串联在19路电流干道上，用于将高频锯齿波电流信号转换成高频电压信号。RC低通滤波电路由一个电阻和一个电容串联而成，整体并联到精密采样电阻两端，可以把高频锯齿波电流的高频成分过滤掉，剩余的直流成分恰好就是高频锯齿波电流的平均值。高共模电压单位增益差分电路的差分输入端并联在RC低通滤波电路的电容两端，差分输出端的一路连接到输出端的公共参考地上，可以把高共模电压的差分信号转换成同一参考地的低共模电压的差分信号输出。放大器用于将低共模电压的差分信号输出进行放大，调整到适合ADC的测量量程上，提高ADC测量的精度。模拟开关起到多路复用的功能，其输入端连接到多个放大器的输出端，其输出端连接到ADC上。通过高速切换可以实现一路ADC对多个放大器的输出电压进行测量，降低设计成本，同时可以提高集成度。光耦隔离器用于将模拟开关控制端口与微控制器IO端口电气隔离，保护微控制器。ADC用于将上述采样、滤波、差分转换、放大以及通道复用之后的输出电压进行模数转换，并通过IIC总线与微控制器进行通信。微控制器用于控制光耦隔离器对模拟开关的输入通道进行选择和快速切换，同时通过IIC总线对ADC的数字量输出进行读取，并通过多次取平均处理减小偶然误差以及补偿处理消除静态误差。

本实用新型的背景部分可以包含关于本实用新型的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，包括电流信号采样和处理模块、模数转换模块和主控制器，其中所述电流信号采样和处理模块包括采样电阻单元、低通滤波器单元和放大器单元，所述采样电阻单元串联在各个均衡电流的干道上以用于将高频锯齿波电流信号转换成高频锯齿波电压信号，所述低通滤波器单元并联在所述采样电阻单元的两端，所述放大器单元的输入端并联在所述低通滤波器上，输出端连接所述模数转换器的输入端，所述主控制器连接所述模数转换模块。

2.根据权利要求1所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，所述放大器单元包括高共模电压单位增益差分器和运算放大器，所述高共模电压单位增益差分器的输入端并联在所述低通滤波器上，输出端连接所述运算放大器的输入端；所述运算放大器的输出端连接所述模数转换器的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，所述低通滤波器单元采用由一个电阻和一个电容组成的一阶低通滤波器，其中所述放大器单元的输入端并联在所述低通滤波器单元的所述电容的两端。

4.根据权利要求2所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，所述高共模电压单位增益差分器的输出参考电平设置为同一参考地。

5.根据权利要求1所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，还包括模拟开关模块，所述模拟开关模块连接在所述放大器单元的输出端与所述模数转换器的输入端之间。

6.根据权利要求5所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，还包括隔离电路，所述模拟开关模块的控制端口通过所述隔离电路连接到所述主控制器上。

7.根据权利要求6所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，所述隔离电路包括至少一个光耦隔离器。

8.根据权利要求6所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，所述主控制器的通用IO接口连接所述隔离电路的输入端。

9.根据权利要求1所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，还包括上位机显示模块，所述上位机显示模块连接所述主控制器。

10.根据权利要求1所述的BMS高频均衡电流均值监测系统，其特征在于，所述主控制器通过IIC总线连接所述模数转换模块的控制引脚。

Images