一種電池電壓和溫度監測裝置的製作方法
2023-11-01 00:24:12 2
專利名稱：一種電池電壓和溫度監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池的狀態監測技術領域，具體來說是一種關於汽車電池電 壓和溫度狀態的監測、管理裝置。
背景技術：
在現代車輛中，電池作為能量儲存器對車輛的正常運行起著至關重要的 作用，特別是用於混合動力車和電動車上的大容量電池組已經成為整個車輛 動力體系中的關鍵控制部件。這些大容量電池組經過多次沖、放周期後，會 出現電池組之間的不平衡，引起電池組間單體電量的差別，這將嚴重影響電 池組的儲電能力，進而影響汽車的動力供給。更為嚴重的是，當單體電量不 平衡達到一定程度後會損壞某些單體，導致電池組使用壽命減短。因此，需 要在電池組工作狀態下實時檢測電池運行狀態，包括對每組電池電壓，電池 組總電壓，電池溫度，電池充放電電流等參數監測，將檢測結果向主控制器 發送，接受主控制器的命令等。所有這些監測工作都要求電池組數據採集電 路具有極高的精確性和可靠性。現在的電池組數據採集電路主要分為集中式 和分布式。集中式數據採集電路採用一個採集電路板利用多路開關切換輪流 採集各電池組數據，其主要優點是節約成本，但由於共用一個採集電路板， 如果出現故障則所有組電池的數據都不能正確測量，此外由於其集中度較 高，不易擴展，因此不能靈活匹配電池組數量。分布式採集電路則對每個電 池組分別採用一個採集電路板，同時對各個電池組狀態數據進行採集，數據 採集速度更快，並且便於擴展，維護方便，但由於使用多個採集電路板導致 使用成本較高。
發明內容
本發明的目的是為克服已有技術中，集中式採集電路不易擴展、不能靈 活匹配電池組數量，以及傳統分布式採集電路使用成本高，精度底的缺陷， 設計了一種低成本、使用方便的分布式電池組數據採集監測裝置，本發明的 裝置還提高電池組電壓釆集精度以及電壓採集電路的抗幹擾性，同時使分布 式採集板更換維護更加方便，節約了成本。
實現上述目的本發明的技術方案為 一種電池電壓和溫度監測裝置，包 括主控制器和採集板，釆集板的數目和需要監測的電池組相同，每個採集板 僅對單組電池的電壓，溫度進行採集。每組電池的採集板上包括有電壓採集 模塊，溫度採集模塊，主控晶片MCU, A/D轉換模塊，光耦隔離模塊或線 圏隔離模塊，CAN總線通訊模塊及對外兩個連接埠 CN1， CN2。 A/D轉 換模塊輸入端連接電壓採集模塊和溫度採集模塊的輸出，A/D轉換模塊的輸 出端與光耦隔離模塊連接，主控晶片MCU中SPI總線模塊I/O埠與光耦 隔離模塊連接，A/D轉換模塊與主控晶片MCU之間使用SPI總線通信，這 樣就實現了光耦隔離模塊將電壓、溫度採集模塊與主控晶片MCU隔離，解 決高壓電池和低壓控制電路之間的共模問題。主控晶片MCU通過CAN總 線通訊模塊與主控制器上的CAN總線通訊模塊連接，採集板之間由CN1端 口通過接插件接另 一個採集板的CN2埠後依次連接，CN1和CN2埠均 為6腳埠，其中l腳作為電源線、2腳作為地線、2腳作為CAN總線，1 腳作為採集板主控晶片MCU的I/O埠。主控制器上的電源經過穩壓電路 後，通過採集板上的連接埠為每個採集板主控晶片MCU、光耦隔離模塊 和CAN驅動模塊供電。電壓採集模塊，溫度採集模塊，A/D轉換模塊，光耦隔離模塊的供電電 源可以利用單組電池上的電壓經過濾波，穩壓後提供。
採集板主控晶片MCU通過其SPI總線接口 ，其發出的控制指令通過光耦 隔離模塊後控制電壓採集模塊，溫度採集模塊和A/D轉換模塊開始工作並將 採集的數據轉換為數字量傳給採集板主控晶片MCU或通過光耦隔離模塊控 制供電模塊的通斷來停止釆集板工作。
為了使線路簡潔，安裝方便，本發明每個採集板上有兩個6腳的埠 CN1、 CN2, CN1埠上有l腳電源線、2腳地線、2腳CAN總線及另一個 採集^1主控晶片MCU的輸入埠 ； CN2埠有對應的1腳電源線、2腳地 線、2腳CAN總線及另一個採集板主控晶片MCU的輸出埠， 一個採集板 的CN1埠通過接插件接另 一個採集板的CN2埠 ，依次連接在一起，第 一個採集板則連到主控制器上，這樣從主控制器連到採集板上的線只有第一 個採集板上的一組，下一個採集板開始傳送數據的控制命令由上一個採集板 的MCU發送一個高電平信號來實現。
為提高電壓採集模塊和溫度採集模塊中信號的線性度和抗幹擾性，模塊 中分別使用兩組濾波電路去除電壓、溫度信號中來自整車電磁幹擾。濾波後 的電壓信號還通過精密電阻分壓後經過一個運算放大器後再輸入A/D轉換 模塊進行模數轉換。
本發明技術方案中使用的光耦隔離模塊均可以採用線圈隔離模塊來替 代，但可能會提高產品的製造成本。
本發明結構簡單、操作方便，和已有的相關技術相比，具有以下優點
1.電壓、溫度採集模塊從電池組上取電，利用光耦隔離模塊將高壓電池和主控制器弱電迴路隔離，巧妙地避開了共模幹擾問題。
2、 電壓、溫度採集模塊將採集到的模擬信號通過A/D轉換模塊轉換為數 字信號後使用SPI總線通過光耦隔離模塊送到主控晶片MCU,這樣不僅減 小了對採集數據精確性的幹擾，而且保證了信號採集的速度。
3、 本發明設計上非常巧妙，每個採集板只採集一組電池信號，每組電池
的相對電壓基本上是固定的，這樣做可以使採集模塊上取電的電壓不會太
高，減小電路設計難度，同時不會影響電池單體之間的均衡性；也保證了各
個採集板的一致性和互換性。
4、由於每個採集板上有兩個6腳的埠 CN1、 CN2,含有電源線、信 號線、CAN總線，各個採集板通過接插件連接在一起進行供電和通信，減 少了連線，使整個系統更加簡潔、易用。
圖l是本發明採集板裝置與主控制器的連接框圖2是本發明採集板上對單組電池電壓和溫度的採集原理圖3是本發明中光耦隔離模塊控制採集電路供電原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的工作原理進行具體描述圖l給出採集板與主 控制器、採集板與採集板之間的連接關係。每個採集板上有2個6腳端子 CN1和CN2，端子CN1信號依次為地、輸入、CAN—H、 7V、 CAN—L、 地；端子CN2信號依次為地、輸出、CAN—H、 7V、 CAN—L、地。其中端 子CN1的信號地、CAN—H、 7V、 CAN—L與端子CN2的信號地、CAN—H、 7V、 CAN—L分別連接在一起的。端子CN1的"輸入"信號連到主控MCU 的一個I/O引腳；端子CN2的"輸出"信號連到主控MCU的一個I/O引主控制器通過相連採集板的端子CN1的"輸入"引腳輸入到主控MCU—個 信號，用於確定第一個採集板。該採集板的主控晶片MCU輸出信號到端子 CN2的"輸出"信號，其接到相鄰採集板的端子CN1的"輸入"，則確定 相鄰的採集板為第二個採集板。通過這種方式依次確定其餘的採集板，從而 使主控制器區分出接收的採集數據屬於哪一個採集板。通過這種方式各個採 集板是完全一致的，可以互換，不會發生裝錯次序。
圖2給出了釆集板的總體結構，它主要負責單組電池(14個單體/組)電 壓的監測、電池溫度的檢測以及與主控制器之間的通訊等。主要包括濾波電 路、DC/DC電路、運放電路、溫度採集電路、A/D轉換電路、光耦隔離電路、 主控MCU、 7V轉5V電路和CAN驅動電路等。A/D轉換後得到的數字量 通過SPI總線經過光耦隔離電路送到主控MCU，然後主控MCU通過CAN 總線將數據送到主控制器。
以單組電池為14個單體/組、電池組為126個單體電池的混合動力車和 電動車用動力電池組的採集為例來詳細說明本發明，由於整車實際工況復 雜，電vf茲信號幹擾嚴重，濾波電if各必不可少，本方案採用線圏繞組B82790 和瞬態抑制二極體組成濾波電路；濾波輸出後一方面進行DC/DC轉換，一 方面進行精密電阻分壓，輸入A/D轉換晶片。DC/DC轉換電路使用TLE4266 將電池輸入電壓轉為5V，如圖3。通過控制TLE4266的引腳INH可以控制 採集電路部分供電。主控晶片MCU—個I/0引腳POWERON輸出低電平， 則通過光耦SFH6756使TLE4266引腳INH為高電平，則TLE4266工作，輸 出5V電壓供運放電路、高精度參考電源電路、光耦電路使用。高精度參考 電源電路使用MAX6033晶片輸出4.096V0.P/o精度電壓作為溫度採集電路、
8A/D轉換電路的參考電壓。
在整車實際工況和電池特性下每個電池單體電壓範圍是0.7V-1.65V, 單組電池電壓範圍
下限LM).7V"4個-9.8V
上限U-1.65V"4個-23.1V
由此可以計算出單組電池(14個/組)的工作電壓變化範圍在[9.8V 23.1V] 之間變化。本系統中，對單組電池(14個/組)電壓的採集方案採用了先通 過精密電阻分壓，使輸入運算放大器LMC7111的電壓範圍在[1.74V 4V]之 間，運算放大器LMC7111運放作跟隨器使用，這樣做可以加強抗幹擾能力、 提高採樣精度。經過運算放大器LMC7U1輸出到A/D轉換晶片MAX144 的CHO引腳進行A/D轉換。
由於溫度變化較緩慢，對採集精度要求不高，電池溫度採集電路使用熱 電阻傳感器，既能滿足要求，又可節約成本。溫度測量範圍-50°C~+120°C。
A/D轉換電路採用A/D轉換晶片MAX144。該晶片具有12位採集精度， 2個採集通道，速度為10汰sps，低功耗，並內置SPI總線驅動。主控晶片 MCU通過SPI總線控制MAX144進行電池電壓、溫度檢測，將採集到的數 據進行A/D轉換後通過SPI總線送入主控MCU,由主控MCU通過CAN總 線傳送給主控制器。
光耦隔離電路使用晶片SFH6756高速光耦，速度可以達到10Mbd。 SPI 總線有五路信號，分別為時鐘信號(SCLK)、片選信號(CS)、數據輸 入(DIN)、數據輸出(DOUT)、標誌信號(SSTRB)。外加一#制採 集電路供電的信號，供需6個光耦通道。每個SFH6756具有2路光耦。本方案共使用3個SFH6756。
主控MCU使用含有SPI總線和CAN總線的8位單片機。主控MCU電 路使用主控制器上的7V電源經過穩壓晶片轉為5V給單片才幾、CAN驅動電 路供電，CAN驅動電路使用PAC82C250晶片。
上述技術方案僅體現了本發明技術方案的優選技術方案，本技術領域的 技術人員對其中某些部分所可能做出的一些變動均體現了本發明的原理，屬 於本發明的^f呆護範圍之內。
權利要求
1、一種電池電壓和溫度監測裝置，包括主控制器和採集板，其特徵在於，每組電池的採集板上包括有電壓採集模塊，溫度採集模塊，主控晶片MCU，A/D轉換模塊，光耦隔離模塊，CAN總線通訊模塊及對外兩個連接埠CN1，CN2，A/D轉換模塊輸入端連接電壓採集模塊和溫度採集模塊的輸出，A/D轉換模塊的輸出端通過SPI總線與光耦隔離模塊連接，主控晶片MCU中SPI總線模塊I/O埠與光耦隔離模塊連接，主控晶片MCU通過CAN總線通訊模塊與主控制器上的CAN總線通訊模塊連接，採集板之間由CN1埠通過接插件接另一個採集板的CN2埠後依次連接，主控制器上的電源通過採集板上的連接埠為每個採集板主控晶片MCU供電。
2、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 每個採集板僅對單組電池的電壓，溫度進行採集。
3、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 採集板上的光耦隔離模塊將電壓、溫度採集模塊和主控晶片MCU隔離。
4、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 單組電池上的電壓經過濾波，穩壓後為電壓採集模塊，溫度採集模塊， A/D轉換模塊，光耦隔離模塊供電。
5、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 採集板主控晶片MCU發出的控制信號經過光耦隔離模塊後控制電壓採 集模塊，溫度採集模塊和A/D轉換模塊開始或停止工作。
6、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 主控制器上的電源可以經過穩壓電路後為採集板主控晶片MCU供電。
7、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 釆集板上的兩個連接埠均為6腳埠，其中l腳作為電源線、2腳作 為地線、2腳作為CAN總線，l腳作為採集板主控晶片MCU的1/0埠。
8、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 採集板主控晶片MCU可以控制與其CN2埠相連的下一採集板向主控 制器發送數據。
9、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在於 主控晶片MCU的1/0埠與光耦隔離模塊之間採用SPI總線連接。
10、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵在 於在電壓採集模塊和溫度採集模塊中均使用濾波電路去除電壓、溫 度信號中來自整車電磁幹擾，並且經過濾波後的電壓信號通過精密電 阻分壓後經過一個運算放大器進一步提高電壓採集模塊的線性度和抗千擾性。
11、 根據權利要求1所述的電池電壓和溫度監測裝置，其特徵還 在於釆集板上的光耦隔離模塊也可用線圏隔離模塊代替。
全文摘要
本發明公開了一種電池電壓和溫度監測裝置，包括主控制器和採集板，每組電池採集板上包括有電壓採集模塊，溫度採集模塊，主控晶片MCU，A/D轉換模塊，光耦隔離模塊，CAN總線通訊模塊及對外兩個連接埠CN1，CN2，A/D轉換模塊輸入端連接電壓採集模塊和溫度採集模塊的輸出，A/D轉換模塊的輸出端通過SPI總線與光耦隔離模塊連接，主控晶片MCU中SPI總線模塊I/O埠與光耦隔離模塊連接，主控晶片MCU通過CAN總線通訊模塊與主控制器上的CAN總線通訊模塊連接，採集板之間通過接插件依次連接。本發明結構簡單、操作方便，數據精確性高，各個採集板的一致性和互換性強，並且利用光耦隔離模塊將高壓電池和主控制器迴路隔離，避開了共模幹擾問題，是電池狀態監測、管理領域的一項技術革新。
文檔編號G01K1/00GK101509960SQ20091011897
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月11日 優先權日2008年11月20日
發明者躍 王 申請人:奇瑞汽車股份有限公司