專利名稱：一種電池電壓和溫度監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種關(guān)于汽車電池電 壓和溫度狀態(tài)的監(jiān)測、管理裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代車輛中，電池作為能量儲存器對車輛的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的 作用，特別是用于混合動力車和電動車上的大容量電池組已經(jīng)成為整個車輛 動力體系中的關(guān)鍵控制部件。這些大容量電池組經(jīng)過多次沖、放周期后，會 出現(xiàn)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(yán)重影響電 池組的儲電能力，進(jìn)而影響汽車的動力供給。更為嚴(yán)重的是，當(dāng)單體電量不 平衡達(dá)到一定程度后會損壞某些單體，導(dǎo)致電池組使用壽命減短。因此，需 要在電池組工作狀態(tài)下實(shí)時檢測電池運(yùn)行狀態(tài)，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(shù)監(jiān)測，將檢測結(jié)果向主控制器 發(fā)送，接受主控制器的命令等。所有這些監(jiān)測工作都要求電池組數(shù)據(jù)采集電 路具有極高的精確性和可靠性?，F(xiàn)在的電池組數(shù)據(jù)采集電路主要分為集中式 和分布式。集中式數(shù)據(jù)采集電路采用一個采集電路板利用多路開關(guān)切換輪流 采集各電池組數(shù)據(jù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約成本，但由于共用一個采集電路板， 如果出現(xiàn)故障則所有組電池的數(shù)據(jù)都不能正確測量，此外由于其集中度較 高，不易擴(kuò)展，因此不能靈活匹配電池組數(shù)量。分布式采集電路則對每個電 池組分別采用一個采集電路板，同時對各個電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù) 采集速度更快，并且便于擴(kuò)展，維護(hù)方便，但由于使用多個采集電路板導(dǎo)致 使用成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)中，集中式采集電路不易擴(kuò)展、不能靈 活匹配電池組數(shù)量，以及傳統(tǒng)分布式采集電路使用成本高，精度底的缺陷， 設(shè)計(jì)了一種低成本、使用方便的分布式電池組數(shù)據(jù)采集監(jiān)測裝置，本發(fā)明的 裝置還提高電池組電壓釆集精度以及電壓采集電路的抗干擾性，同時使分布 式采集板更換維護(hù)更加方便，節(jié)約了成本。
實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，包 括主控制器和采集板，釆集板的數(shù)目和需要監(jiān)測的電池組相同，每個采集板 僅對單組電池的電壓，溫度進(jìn)行采集。每組電池的采集板上包括有電壓采集 模塊，溫度采集模塊，主控芯片MCU, A/D轉(zhuǎn)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端口 CN1， CN2。 A/D轉(zhuǎn) 換模塊輸入端連接電壓采集模塊和溫度采集模塊的輸出，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸 出端與光耦隔離模塊連接，主控芯片MCU中SPI總線模塊I/O端口與光耦 隔離模塊連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊與主控芯片MCU之間使用SPI總線通信，這 樣就實(shí)現(xiàn)了光耦隔離模塊將電壓、溫度采集模塊與主控芯片MCU隔離，解 決高壓電池和低壓控制電路之間的共模問題。主控芯片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，采集板之間由CN1端 口通過接插件接另 一個采集板的CN2端口后依次連接，CN1和CN2端口均 為6腳端口，其中l(wèi)腳作為電源線、2腳作為地線、2腳作為CAN總線，1 腳作為采集板主控芯片MCU的I/O端口。主控制器上的電源經(jīng)過穩(wěn)壓電路 后，通過采集板上的連接端口為每個采集板主控芯片MCU、光耦隔離模塊 和CAN驅(qū)動模塊供電。電壓采集模塊，溫度采集模塊，A/D轉(zhuǎn)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(jīng)過濾波，穩(wěn)壓后提供。
采集板主控芯片MCU通過其SPI總線接口 ，其發(fā)出的控制指令通過光耦 隔離模塊后控制電壓采集模塊，溫度采集模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊開始工作并將 采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳給采集板主控芯片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(fā)明每個采集板上有兩個6腳的端口 CN1、 CN2, CN1端口上有l(wèi)腳電源線、2腳地線、2腳CAN總線及另一個 采集^1主控芯片MCU的輸入端口 ； CN2端口有對應(yīng)的1腳電源線、2腳地 線、2腳CAN總線及另一個采集板主控芯片MCU的輸出端口， 一個采集板 的CN1端口通過接插件接另 一個采集板的CN2端口 ，依次連接在一起，第 一個采集板則連到主控制器上，這樣從主控制器連到采集板上的線只有第一 個采集板上的一組，下一個采集板開始傳送數(shù)據(jù)的控制命令由上一個采集板 的MCU發(fā)送一個高電平信號來實(shí)現(xiàn)。
為提高電壓采集模塊和溫度采集模塊中信號的線性度和抗干擾性，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干擾。濾波后 的電壓信號還通過精密電阻分壓后經(jīng)過一個運(yùn)算放大器后再輸入A/D轉(zhuǎn)換 模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明技術(shù)方案中使用的光耦隔離模塊均可以采用線圈隔離模塊來替 代，但可能會提高產(chǎn)品的制造成本。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，和已有的相關(guān)技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.電壓、溫度采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回路隔離，巧妙地避開了共模干擾問題。
2、 電壓、溫度采集模塊將采集到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號后使用SPI總線通過光耦隔離模塊送到主控芯片MCU,這樣不僅減 小了對采集數(shù)據(jù)精確性的干擾，而且保證了信號采集的速度。
3、 本發(fā)明設(shè)計(jì)上非常巧妙，每個采集板只采集一組電池信號，每組電池
的相對電壓基本上是固定的，這樣做可以使采集模塊上取電的電壓不會太
高，減小電路設(shè)計(jì)難度，同時不會影響電池單體之間的均衡性；也保證了各
個采集板的一致性和互換性。
4、由于每個采集板上有兩個6腳的端口 CN1、 CN2,含有電源線、信 號線、CAN總線，各個采集板通過接插件連接在一起進(jìn)行供電和通信，減 少了連線，使整個系統(tǒng)更加簡潔、易用。


圖l是本發(fā)明采集板裝置與主控制器的連接框圖2是本發(fā)明采集板上對單組電池電壓和溫度的采集原理圖3是本發(fā)明中光耦隔離模塊控制采集電路供電原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作原理進(jìn)行具體描述圖l給出采集板與主 控制器、采集板與采集板之間的連接關(guān)系。每個采集板上有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采集板的端子CN1的"輸入"引腳輸入到主控MCU—個 信號，用于確定第一個采集板。該采集板的主控芯片MCU輸出信號到端子 CN2的"輸出"信號，其接到相鄰采集板的端子CN1的"輸入"，則確定 相鄰的采集板為第二個采集板。通過這種方式依次確定其余的采集板，從而 使主控制器區(qū)分出接收的采集數(shù)據(jù)屬于哪一個采集板。通過這種方式各個采 集板是完全一致的，可以互換，不會發(fā)生裝錯次序。
圖2給出了釆集板的總體結(jié)構(gòu)，它主要負(fù)責(zé)單組電池(14個單體/組)電 壓的監(jiān)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(yùn)放電路、溫度采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路、 主控MCU、 7V轉(zhuǎn)5V電路和CAN驅(qū)動電路等。A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量 通過SPI總線經(jīng)過光耦隔離電路送到主控MCU，然后主控MCU通過CAN 總線將數(shù)據(jù)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采集為例來詳細(xì)說明本發(fā)明，由于整車實(shí)際工況復(fù) 雜，電vf茲信號干擾嚴(yán)重，濾波電if各必不可少，本方案采用線圏繞組B82790 和瞬態(tài)抑制二極管組成濾波電路；濾波輸出后一方面進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，一 方面進(jìn)行精密電阻分壓，輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片。DC/DC轉(zhuǎn)換電路使用TLE4266 將電池輸入電壓轉(zhuǎn)為5V，如圖3。通過控制TLE4266的引腳INH可以控制 采集電路部分供電。主控芯片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(yùn)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芯片輸出4.096V0.P/o精度電壓作為溫度采集電路、
8A/D轉(zhuǎn)換電路的參考電壓。
在整車實(shí)際工況和電池特性下每個電池單體電壓范圍是0.7V-1.65V, 單組電池電壓范圍
下限LM).7V"4個-9.8V
上限U-1.65V"4個-23.1V
由此可以計(jì)算出單組電池(14個/組)的工作電壓變化范圍在[9.8V 23.1V] 之間變化。本系統(tǒng)中，對單組電池(14個/組)電壓的采集方案采用了先通 過精密電阻分壓，使輸入運(yùn)算放大器LMC7111的電壓范圍在[1.74V 4V]之 間，運(yùn)算放大器LMC7111運(yùn)放作跟隨器使用，這樣做可以加強(qiáng)抗干擾能力、 提高采樣精度。經(jīng)過運(yùn)算放大器LMC7U1輸出到A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX144 的CHO引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
由于溫度變化較緩慢，對采集精度要求不高，電池溫度采集電路使用熱 電阻傳感器，既能滿足要求，又可節(jié)約成本。溫度測量范圍-50°C~+120°C。
A/D轉(zhuǎn)換電路采用A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX144。該芯片具有12位采集精度， 2個采集通道，速度為10汰sps，低功耗，并內(nèi)置SPI總線驅(qū)動。主控芯片 MCU通過SPI總線控制MAX144進(jìn)行電池電壓、溫度檢測，將采集到的數(shù) 據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后通過SPI總線送入主控MCU,由主控MCU通過CAN總 線傳送給主控制器。
光耦隔離電路使用芯片SFH6756高速光耦，速度可以達(dá)到10Mbd。 SPI 總線有五路信號，分別為時鐘信號(SCLK)、片選信號(CS)、數(shù)據(jù)輸 入(DIN)、數(shù)據(jù)輸出(DOUT)、標(biāo)志信號(SSTRB)。外加一#制采 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(jī)。主控MCU電 路使用主控制器上的7V電源經(jīng)過穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)為5V給單片才幾、CAN驅(qū)動電 路供電，CAN驅(qū)動電路使用PAC82C250芯片。
上述技術(shù)方案僅體現(xiàn)了本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)選技術(shù)方案，本技術(shù)領(lǐng)域的 技術(shù)人員對其中某些部分所可能做出的一些變動均體現(xiàn)了本發(fā)明的原理，屬 于本發(fā)明的^f呆護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，包括主控制器和采集板，其特征在于，每組電池的采集板上包括有電壓采集模塊，溫度采集模塊，主控芯片MCU，A/D轉(zhuǎn)換模塊，光耦隔離模塊，CAN總線通訊模塊及對外兩個連接端口CN1，CN2，A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端連接電壓采集模塊和溫度采集模塊的輸出，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過SPI總線與光耦隔離模塊連接，主控芯片MCU中SPI總線模塊I/O端口與光耦隔離模塊連接，主控芯片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，采集板之間由CN1端口通過接插件接另一個采集板的CN2端口后依次連接，主控制器上的電源通過采集板上的連接端口為每個采集板主控芯片MCU供電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 每個采集板僅對單組電池的電壓，溫度進(jìn)行采集。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 采集板上的光耦隔離模塊將電壓、溫度采集模塊和主控芯片MCU隔離。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 單組電池上的電壓經(jīng)過濾波，穩(wěn)壓后為電壓采集模塊，溫度采集模塊， A/D轉(zhuǎn)換模塊，光耦隔離模塊供電。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 采集板主控芯片MCU發(fā)出的控制信號經(jīng)過光耦隔離模塊后控制電壓采 集模塊，溫度采集模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊開始或停止工作。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 主控制器上的電源可以經(jīng)過穩(wěn)壓電路后為采集板主控芯片MCU供電。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 釆集板上的兩個連接端口均為6腳端口，其中l(wèi)腳作為電源線、2腳作 為地線、2腳作為CAN總線，l腳作為采集板主控芯片MCU的1/0端口。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 采集板主控芯片MCU可以控制與其CN2端口相連的下一采集板向主控 制器發(fā)送數(shù)據(jù)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在于 主控芯片MCU的1/0端口與光耦隔離模塊之間采用SPI總線連接。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征在 于在電壓采集模塊和溫度采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干擾，并且經(jīng)過濾波后的電壓信號通過精密電 阻分壓后經(jīng)過一個運(yùn)算放大器進(jìn)一步提高電壓采集模塊的線性度和抗千擾性。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，其特征還 在于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(fā)明公開了一種電池電壓和溫度監(jiān)測裝置，包括主控制器和采集板，每組電池采集板上包括有電壓采集模塊，溫度采集模塊，主控芯片MCU，A/D轉(zhuǎn)換模塊，光耦隔離模塊，CAN總線通訊模塊及對外兩個連接端口CN1，CN2，A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端連接電壓采集模塊和溫度采集模塊的輸出，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端通過SPI總線與光耦隔離模塊連接，主控芯片MCU中SPI總線模塊I/O端口與光耦隔離模塊連接，主控芯片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，采集板之間通過接插件依次連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，數(shù)據(jù)精確性高，各個采集板的一致性和互換性強(qiáng)，并且利用光耦隔離模塊將高壓電池和主控制器回路隔離，避開了共模干擾問題，是電池狀態(tài)監(jiān)測、管理領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)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(yōu)先權(quán)日2008年11月20日
發(fā)明者躍 王 申請人:奇瑞汽車股份有限公司