本發(fā)明屬于電動汽車動力電池領域，具體涉及一種電動汽車鋰離子動力電池組電壓同步采集電路及其控制方法。

背景技術：

磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、聚合物鋰電池、三元鋰電池等鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度、自放電率低、充電效率高、使用壽命長等優(yōu)點，因而被廣泛用作電動汽車的動力電池。由于單節(jié)鋰離子電池的標稱電壓約為3.6v(磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池為3.2v、聚合物鋰電池和錳酸鋰電池為3.7v)，通常采用多節(jié)電池串聯(lián)構成動力電池組的方法，來獲取更高的電壓等級，電池組中的每一節(jié)電池稱為電池單體。動力電池管理系統(tǒng)必須實時監(jiān)測每一個電池單體的電壓值，才能實現(xiàn)單體內阻計算、單體一致性計算、電池組soh(stateofhealthy，健康度)計算、soc(stateofhealthy，荷電狀態(tài))估算等功能。因此，實時的采集監(jiān)測電動汽車動力電池組單體電壓，是電動汽車動力電池管理系統(tǒng)一項必不可少的功能。

通常，電池管理系統(tǒng)采用輪詢采集的方法來實現(xiàn)單體電壓的監(jiān)測，即通過模擬開關、光控mos管、繼電器等開關器件依次選通每個電池單體，來完成電壓的采集。市場上主流的集成單體電壓采集芯片lt608x、ad7280、ata6870、isl94212、max1492等均采用輪詢采集方法。該方法僅需要一個ad(模擬/數(shù)字)轉換器，因而具有成本低廉的優(yōu)點，但是由于輪詢采集屬于非同步采集方法，根據(jù)其選通次序，不同電池單體之間存在一定的時間的采集間隔。對于電動汽車而言，其工作電流通常根據(jù)車輛的運行工況，存在快速的大幅波動。而對于不同的工作電流而言，由于內阻的分壓作用，電池單體電壓會隨著電流的增大而降低。因此，當動力電池工作電流快速波動時，采用輪詢采集方法采集到的單體電壓，其實是不同電流值下的單體電壓。這種由于采樣時間間隔造成的采樣誤差，會嚴重的影響電池單體內阻、單體一致性、電池組soh和soc的計算。因此，動力電池組單體電壓的同步采集是提高動力電池管理系統(tǒng)性能的關鍵環(huán)節(jié)。

已有的動力電池組單體電壓采集方法可以分為“電容電壓保持法”和“多路ad采樣法”兩類。電容電壓保持法通過同時選通和電池單體等數(shù)量的電容與電池單體并聯(lián)，來完成電容的充電。電池充電完成后兩端電壓將和電池單體兩端電壓一致，然后再同時斷開所有電容與電池之間的連接，并依次通過模擬開關、繼電器等開關器件依次選通每個電容，完成電壓的采集。所有電容兩端的電壓采集完畢之后，通過負載電阻將電容器兩端的電壓釋放掉，進行下一輪采集。電容電壓保持法有效的避免了單體電壓隨電流變化而波動的問題，但是該方法存在以下不足：⑴對電容器漏電流要求較高。如果電容漏電流較大，采樣期間電容兩端電壓會發(fā)生明顯降低，造成采樣誤差；⑵需要數(shù)量較多的開關器件。電池單體與電容器之間、電容器與采樣ad之間、電容器與負載電阻之間均需要開關器件選通連接。

多路ad采樣法的基本思路是每個電池單體配置一個ad轉換器件，通過外部同步脈沖實現(xiàn)多個ad器件的同步采樣觸發(fā)，然后通過隔離的數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)轉換結果的讀取。該方法具有同步精度高、采樣誤差小、采樣速度高等優(yōu)點，但是存在以下不足：⑴需要與電池單體等同的ad轉換器件，并且每個轉換器件需要隔離電源供電，系統(tǒng)成本較高；⑵每個ad轉換器件與主控制器之間需要通過隔離的數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)較為復雜。

一個良好的動力電池組單體電壓采集電路應該具有以下特征：⑴能夠適應不同電池單體間較高的共模電壓；⑵較高的同步精度和采樣精度；⑶較低的系統(tǒng)成本。

鑒于現(xiàn)有的兩種動力電池組單體電壓采集方法存在的問題，本發(fā)明提供一種采用低功耗微控制器、隔離異步串行數(shù)據(jù)總線、時分多址數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咄骄?、高采樣精度、較低成本的動力電池組單體電壓采集電路。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于：針對現(xiàn)有的“電容電壓保持法”和“多路ad采樣法”動力電池組單體電壓采集方法存在的問題，提供一種電動汽車鋰離子動力電池組電壓同步采集電路及其控制方法，具有以下特征：⑴采用低成本的低功耗單片機作為模擬采樣前端，電池單體直接給單片機供電，不需要電壓變換、不需要隔離電源供電；⑵采用配置電阻實現(xiàn)模擬采樣前端的id配置；⑶采用單向的隔離異步串行數(shù)據(jù)總線，每個電池單體僅需要一個光耦器件便可以實現(xiàn)模擬采樣前端和主控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸；⑷采用時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制實現(xiàn)電池單體id識別；⑸采用光耦實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的隔離傳輸。

具體而言，所發(fā)明的動力電池組電壓同步采集電路包含電池單體(1)、模擬采樣前端單片機(2)、id配置電阻(3)、觸發(fā)脈沖上拉電阻(4)、觸發(fā)脈沖隔離光耦(5)、數(shù)據(jù)傳輸隔離光耦(6)、數(shù)據(jù)接收端上拉電阻(7)、觸發(fā)電流放大器(9)和主控制器(11)，其特征在于：電池單體(1)的正負極分別連接模擬采樣前端單片機(2)的供電和地引腳；id配置電阻(3)的一端連接至模擬采樣前端單片機(2)的io端口，另一端連接至電池單體(1)的正極或者負極；觸發(fā)脈沖隔離光耦(5)的集電極與模擬采樣前端單片機(2)的采樣觸發(fā)io連接，并通過觸發(fā)脈沖上拉電阻(4)與電池單體(1)的正極連接；主控制器(11)的同步觸發(fā)脈沖經觸發(fā)電流放大器(9)和限流電阻與觸發(fā)脈沖隔離光耦(5)的二極管陽極連接；數(shù)據(jù)傳輸隔離光耦(6)的二極管陽極經限流電阻與模擬采樣前端單片機(2)的數(shù)據(jù)發(fā)送端口連接；多個數(shù)據(jù)傳輸隔離光耦的集電極以集電極開路的方式連接在一起，并與主控制器(11)的數(shù)據(jù)接收端口連接。采用上述硬件電路實現(xiàn)動力電池組電壓同步采集僅僅需要一個低成本的低功耗單片機和兩個光耦器件，與已有方案相比，其電路結構簡單、成本低。

基于所發(fā)明的上述動力電池組同步采集電路，工作流程可分為主控制器工作流程和模擬采樣前端單片機工作流程兩個部分。

當主控制器(11)需要進行一次電池單體電壓同步采集時，首先拉高其觸發(fā)脈沖發(fā)送端(10)，然后將數(shù)據(jù)接收端(8)配置為接收狀態(tài)，當檢測到數(shù)據(jù)接收端(8)上出現(xiàn)起始位時，便開始數(shù)據(jù)的接收，直至接收完所有電池單體模擬采樣前端按照時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制完成所有單體電壓數(shù)據(jù)傳輸。

模擬采樣前端單片機工作流程又可以分為上電工作流程、觸發(fā)脈沖喚醒工作流程和定時時間到喚醒工作流程三個子流程。當模擬采樣前端單片機連接電池單體并發(fā)生上電操作時觸發(fā)上電工作流程，上電后首先根據(jù)id配置端口的電平狀態(tài)確定模擬采樣前端的id，并根據(jù)id確定傳輸延遲時間td，然后將模擬采樣前端單片機設置為下降沿觸發(fā)ad轉換、轉換完成喚醒模式。采用該方法，所有的模擬采樣前端單片機程序完全相同，有助于批量生產。當io3檢測到下降沿的觸發(fā)脈沖后，便啟動觸發(fā)脈沖喚醒工作流程。基于該方法，同步誤差僅包含光耦的傳輸時延誤差和低功耗單片機的采樣時延誤差，可實現(xiàn)高同步精度。模擬采樣前端單片機首先啟動電壓采集并完成ad轉換，然后設定為定時喚醒模式，定時器時間為td，單片機再次進入睡眠狀態(tài)。定時時間td到后，觸發(fā)定時時間到喚醒工作流程。模擬采樣前端單片機按照時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制完成電池單體電壓的發(fā)送，發(fā)送完畢之后再次將單片機設定為下降沿觸發(fā)ad轉換、轉換完成喚醒模式，最后單片機進入休眠狀態(tài)等待下一個同步采集觸發(fā)脈沖的到來?；谏鲜隹刂品椒?，除了ad采樣以及數(shù)據(jù)傳輸之外的其他時刻，模擬采樣前端單片機均處于休眠模式，功耗極低。同時個模擬采樣前端單片機的共組時長一致，消耗的電量一致，不會對單體電壓一致性產生影響。

本發(fā)明中的時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制以trig和data兩條物理總線為傳輸通道，其中trig為由主控制器(11)的觸發(fā)脈沖發(fā)送端10的傳輸通道，data為由模擬采樣前端通過“線與”方式給主控制器(11)的數(shù)據(jù)接收端8發(fā)送電壓采樣結果的傳輸通道。當主控制器發(fā)起一次同步采集時，首先在trig信號線上發(fā)送一個上升沿，并保持高電平至data信號線上接收完所有的模擬采樣前端的電壓采樣結果。各模擬采樣前端單片機完成單體電壓采集后在td-＝(id+1)*(tw+ntb)時刻向data數(shù)據(jù)總線上發(fā)送采樣結果，其中tw為不同id間的傳輸間隔，n為每個id發(fā)送的字節(jié)數(shù)量，tb為單字節(jié)所需的傳輸時間。主控制器(11)根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)的字節(jié)順序確定數(shù)據(jù)所屬的模擬采樣前端的id。每個數(shù)據(jù)字節(jié)的格式包含起始位st、數(shù)據(jù)位b0～b7、奇偶校驗位p、停止位sp共4部分。其中，起始位st為一個低電平，校驗位p可采用奇校驗或者偶校驗方式，停止位sp為一個高電平。各起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位寬度一致，模擬采樣前端單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)波特率與主控制器(11)的數(shù)據(jù)接收端(8)的波特率保持一致。采用上述時分多址傳輸機制，總線結構簡單、數(shù)據(jù)傳輸效率高。

有益效果

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

⑴電路結構簡單。每個電池單體的模擬采樣前端僅由一顆低成本的低功耗單片機構成，觸發(fā)脈沖以及數(shù)據(jù)傳輸僅各需要一顆光耦；⑵同步精度高。同步誤差僅包含光耦的傳輸時延誤差和低功耗單片機的采樣時延誤差，可實現(xiàn)微秒級別的同步精度；⑶成本低。每個電池單體僅需要一顆低成本的低功耗單片機、兩顆光耦便可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸；⑷易于批量生產。不同電池單體的模擬采樣前端單片機程序完全相同，上電后自動根據(jù)io端口電平設置其id；⑸時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制，總線結構簡單；⑹極低功耗。各模擬采樣前端單片機采樣完畢后立即進入睡眠模式，睡眠模式功耗僅2微安；⑺各模擬采樣前端能耗一致，不會對單體電壓一致性產生影響。各電池單體的模擬采樣前端單片機在其數(shù)據(jù)傳輸窗口被定時喚醒來完成數(shù)據(jù)傳輸，保證了工作時長一致，進而消耗的電能一致。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中動力電池組電壓同步采集電路示意圖；

圖2是本發(fā)明中電池單體模擬采樣前端單片機上電工作流程圖；

圖3是本發(fā)明中電池單體模擬采樣前端單片機同步觸發(fā)脈沖喚醒后的工作流程；

圖4是本發(fā)明中電池單體模擬采樣前端單片機同步觸發(fā)定時時間到喚醒后的工作流程；

圖5是本發(fā)明中時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制時序圖；

圖6是本發(fā)明中數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)編碼方式示意圖；

標號說明：

1、電池單體；2、模擬采樣前端單片機；3、id配置電阻；4、觸發(fā)脈沖上拉電阻；5、觸發(fā)脈沖隔離光耦；6、數(shù)據(jù)傳輸隔離光耦；7、數(shù)據(jù)接收端上拉電阻；8、數(shù)據(jù)接收端；9、觸發(fā)電流放大器；10、觸發(fā)脈沖發(fā)送端；11、主控制器。

具體實施方式

以下將結合具體實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。

這里本發(fā)明創(chuàng)造的電動汽車鋰離子動力電池組電壓同步采集電路如圖1所示。下面分別從電路結構原理、工作流程、時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制、字節(jié)編碼方式四個方面來描述本發(fā)明的具體實施方式。

(1)、電路結構原理：如圖1所示，完整的動力電池組電壓同步采集電路包含電池單體(1)、模擬采樣前端單片機(2)、id配置電阻(3)、觸發(fā)脈沖上拉電阻(4)、觸發(fā)脈沖隔離光耦(5)、數(shù)據(jù)傳輸隔離光耦(6)、數(shù)據(jù)接收端上拉電阻(7)、觸發(fā)電流放大器(9)和主控制器(11)共9個關鍵元件。圖1中以8個電池單體同步采集為例，列出了電路的具體連接方式。

每個電池單體的正負極分別連接模擬采樣前端單片機(2)的供電和地引腳。單體電壓的采集通過單片機(1)的供電電壓監(jiān)控功能完成。本例采用stm8l05x單片機，其供電電壓監(jiān)控完成方式通過其ad轉換器的vrefint通道完成。具體而言，通過將adc_cr3的chsel[4:0]位設置為11100選通vrefint通道，轉換完成后adc_drh和adc_drl寄存器中將是轉化結果的高字節(jié)和低字節(jié)。轉換結果是vrefint占電源電壓的比例，且vrefint＝1.224v，由此可知，

每個模擬采樣前端單片機的通過io口的電平來配置其id。圖1中以8個電池單體的同步采集為例，共需要三個io端口來配置其id。實際系統(tǒng)中，通過調整id配置電阻3連接至電池單體(1)的正極或者負極來實現(xiàn)id的配置。如果系統(tǒng)中有n個電池單體，那么所需的id配置io數(shù)量為log2ⁿ。id配置io連接至電池正極為1，連接至負極為0。如果一個電池單體的模擬采樣前端id為3，對應的三個id配置io2、io1和io0的連接狀態(tài)應分別為電池負極、電池正極、電池正極。

選通脈沖通過隔離光耦(5)實現(xiàn)，當主控制器需要啟動電池單體電壓采集時，在觸發(fā)脈沖發(fā)送端輸出一個上升沿，經光耦傳遞到模擬采樣前端單片機。經光耦處理后，模擬采樣前端單片機(2)的io3接收的觸發(fā)信號為下降沿。這里由于主控制器(11)的觸發(fā)脈沖發(fā)送端(10)需要驅動多個光耦(本例中8個)，需要較大的驅動電流，因此在觸發(fā)脈沖發(fā)送端(10)與選通脈沖隔離光耦中發(fā)光二極管陽極限流電阻之間加入電流放大器9。

單片機接收到該下降沿后，直接啟動ad采樣并完成轉換，轉換完成后模擬采樣前端單片機(2)自動被喚醒，并設置為定時喚醒模式，定時時間td＝(id+1)*(tw+ntb)，其中tw為不同id間的傳輸間隔，n為每個id發(fā)送的字節(jié)數(shù)量，tb為單字節(jié)所需的傳輸時間。本例中，由于所選用的模擬采樣前端單片機stm8l05x的ad轉換器位寬為12，所以這里依次ad轉換結果為2個字節(jié)，n＝2。

每個模擬采樣前端單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送通過數(shù)據(jù)傳輸隔離光耦(6)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隔離，隔離光耦(6)的發(fā)光二極管陽極通過一限流電阻與單片機的io4相連，不同電池單體的數(shù)據(jù)傳輸隔離光耦以oc(集電極開路)方式實現(xiàn)“線與”連接，僅需在主控制器數(shù)據(jù)接收端8連接一個上拉電阻(7)至主控制器電源端。

(2)、工作流程：所發(fā)明的電動汽車鋰離子動力電池組電壓同步采集電路的工作流程可分為主控制器工作流程和模擬采樣前端單片機工作流程兩個部分。

根據(jù)主控制器的工作邏輯，當其需要進行一次電池單體電壓同步采集時，首先拉高其觸發(fā)脈沖發(fā)送端(10)，然后將數(shù)據(jù)接收端(8)配置為接收狀態(tài)，當檢測到數(shù)據(jù)接收端(8)上出現(xiàn)起始位時，便開始數(shù)據(jù)的接收，直至接收完所有電池單體模擬采樣前端發(fā)送的電壓數(shù)據(jù)。本例中，一共8個電池單體，每個電池單體的電壓數(shù)據(jù)為2個字節(jié)，所以一次同步采集共16個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

模擬采樣前端單片機的工作流程可以分為上電工作流程、觸發(fā)脈沖喚醒工作流程和定時時間到喚醒工作流程三個子流程。當模擬采樣前端單片機連接電池單體并發(fā)生上電操作時觸發(fā)上電工作流程，如圖2所示。上電后首先根據(jù)id配置端口的電平狀態(tài)確定模擬采樣前端的id，并根據(jù)id確定傳輸延遲時間td，然后將模擬采樣前端單片機設置為下降沿觸發(fā)ad轉換、轉換完成喚醒模式。本例中通過將syscfg_rmpcr2寄存器中的adc_trig位置1，將pd0管腳配置為adc轉換觸發(fā)管腳，并通過將adc_cr2寄存器的extsel[1:0]設置為01將adc配置為外部觸發(fā)啟動轉換。最后，單片機進入睡眠模式等待觸發(fā)脈沖的到來。當io3檢測到下降沿的觸發(fā)脈沖后，便啟動觸發(fā)脈沖喚醒工作流程，如圖3所示。模擬采樣前端單片機首先啟動電壓采集并完成ad轉換，然后設定為定時喚醒模式，定時器時間為td，單片機再次進入睡眠狀態(tài)。定時時間td到后，觸發(fā)定時時間到喚醒工作流程，如圖4所示。模擬采樣前端單片機首先發(fā)送采樣結果的高字節(jié)，然后發(fā)送低字節(jié)，發(fā)送完畢之后再次將單片機設定為下降沿觸發(fā)ad轉換、轉換完成喚醒模式，最后單片機進入休眠狀態(tài)等待下一個同步采集觸發(fā)脈沖的到來。

(3)、時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制：如圖5所示，本發(fā)明中的時分多址數(shù)據(jù)傳輸機制以trig和data兩條物理總線為傳輸通道，其中trig為由主控制器(11)的觸發(fā)脈沖發(fā)送端10的傳輸通道，data為由模擬采樣前端通過“線與”方式給主控制器(11)的數(shù)據(jù)接收端(8)發(fā)送電壓采樣結果的傳輸通道。

當主控制器發(fā)起一次同步采集時，首先在trig信號線上發(fā)送一個上升沿，并保持高電平至data信號線上接收完所有的模擬采樣前端的電壓采樣結果。當模擬采樣前端單片機接收到trig信號線(隔離后的)上的下降沿觸發(fā)信號后，立即進入ad采樣并完成數(shù)據(jù)轉換。對于特定的采樣時鐘而言，所需的轉換時長tc為固定值。ad采樣且數(shù)據(jù)轉換完畢之后，各模擬采樣前端單片機依次在data數(shù)據(jù)總線上發(fā)送采樣結果，各模擬采樣前端單片機在data信號線上的發(fā)送時刻為td＝(id+1)*(tw+ntb)。其中，tw為不同id間的傳輸間隔，n為每個id發(fā)送的字節(jié)數(shù)量，tb為單字節(jié)所需的傳輸時間。主控制器11根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)的字節(jié)順序確定數(shù)據(jù)所屬的模擬采樣前端的id。

(4)、字節(jié)編碼方式：如圖6所示，每個數(shù)據(jù)字節(jié)的格式包含起始位st、數(shù)據(jù)位b0～b7、奇偶校驗位p、停止位sp共4部分。其中，起始位st為一個低電平，校驗位p可采用奇校驗或者偶校驗方式，停止位sp為一個高電平。各起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位寬度一致，模擬采樣前端單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)波特率與主控制器11的數(shù)據(jù)接收端8的波特率保持一致。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。