專利名稱：一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種鋰電池組分布式檢測方法，具體的說是一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法。
背景技術(shù)：
鋰電池由于其具有高能量密度、長壽命、低自放電率、無污染等優(yōu)點，迅速成為現(xiàn)代混合動力車研發(fā)的熱點?；旌蟿恿π铍姵仉妷旱囊蠖嘣?00 400V之間，也有個別電動汽車由于動力的需求會使蓄電池總電壓達(dá)到500多伏。一般單片鋰電池充滿電為
3.32V以上，要達(dá)到幾百伏動力源需要一百多片鋰電池單片串聯(lián)，鋰電池系統(tǒng)在運(yùn)行過程中由于各種內(nèi)部或者外部的原因可能會使鋰電池單片工作出現(xiàn)異常，從而影響整個鋰電池系統(tǒng)的性能與安全，為了確保鋰電池的正常工作并評估其性能，應(yīng)對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控。在應(yīng)用于混合動力系統(tǒng)的過程中，很多常見因素會影響鋰電池工作，如由路面崎嶇、撞車、·翻車等引起的車體內(nèi)鋰電池振動可能會致使電池系統(tǒng)工作性能受到影響；鋰電池組在工作過程中會因為發(fā)熱在電池箱內(nèi)形成一定的溫度梯度，當(dāng)溫度過高時會使電池的性能嚴(yán)重下降，甚至燒毀電池；鋰電池中水分的存在不但能夠?qū)е落囯姵仉娊庖褐袖圎}的分解并對正負(fù)極材料、集流體都有一定的腐蝕破壞作用，而且也導(dǎo)致電池循環(huán)性能及安全性能降低，水分子過高也會造成電池容量衰減。因此振動狀況、溫濕度信息的檢測也是鋰電池的檢測中非常重要的部分。一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法作為一種新型的鋰電池組檢測方法,在傳統(tǒng)的檢測方式中不僅加入了極為重要的振動和溫濕度的檢測而且在電壓檢測上做出了改進(jìn)，傳統(tǒng)檢測方式中以多個電池單體為一組組成電池模塊，測量模塊電壓，一般模塊電壓有二十伏左右(以五個電池單體組成電池模塊為例)，電壓較高，一般需要隔離才能輸出到下一級，這種方式不僅不能具體的知道每片單體電池的性能(只能知道電池模塊的性能)，而且還使檢測單元更加復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)的帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，所述方法以η (η〈=16)片串聯(lián)的鋰電池單體為一個檢測單元進(jìn)行測量，每個檢測單元對每個鋰電池單體進(jìn)行檢測，其特征在于所述每個檢測單元包括繼電器選通陣列、譯碼器選通單元、精密基準(zhǔn)電壓源電路、信號調(diào)理單元、撥碼開關(guān)、微處理器MCU以及振動傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊，所述檢測單元的檢測方法是微控制器MCU通過譯碼器控制繼電器陣列中任意時刻只有I個繼電器選通，被選通的鋰電池單片電壓信號送入信號調(diào)理單元的輸入端Vin進(jìn)行電壓調(diào)理，信號調(diào)理單元的輸出端Vout通過微控制器MCU內(nèi)部A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時微控制器MCU分別通過I2C總線和I/O 口獲取來自振動傳感器和溫濕度傳感器的信息，并將這些信息通過CAN總線發(fā)送給鋰電池包主控單元，每個檢測單元完全相同，通過撥碼開關(guān)為每個檢測單元設(shè)置一個ID號用來做CAN通訊的標(biāo)示符，以致于鋰電池包主控單元能夠區(qū)分CAN上接受的信息來自于哪個檢測單元。
所述檢測單元采用自供電模式，其供電電源由八塊串聯(lián)的鋰電池供給，然后利用電源模塊轉(zhuǎn)換成幾種需要的電壓等級。
所述每個檢測單元對n=16片串聯(lián)的鋰電池單體進(jìn)行測量，檢測由m片單電池串聯(lián)的鋰電池包時，采用N=m/16個檢測單元。
所述譯碼器的輸入端分別由微處理器MCU的I/O 口控制，當(dāng)譯碼器進(jìn)行16種狀態(tài)切換時，譯碼器的輸出端依次輸出為低電平，驅(qū)動繼電器陣列中對應(yīng)的繼電器開關(guān)閉合。
所述每個檢測單元中鋰電池單片電壓的檢測，使用繼電器實現(xiàn)對電池單體進(jìn)行循環(huán)檢測，在任意時刻只采集一片鋰電池電壓，每一個檢測單元都由16個繼電器組成一個繼電器陣列，每片電池單片對應(yīng)一個繼電器，每一個繼電器中含有兩個單繼電器，兩個單繼電器分別控制鋰電池單片的正負(fù)極，當(dāng)繼電器被選通時，其對應(yīng)的兩個單繼電器開關(guān)閉合，分別使鋰電池單片的正極接調(diào)理單元輸入端，鋰電池單片的負(fù)極接地。
上述每片鋰電池的正負(fù)極由一個內(nèi)部含有兩個單繼電器的繼電器AQW214EHAZ控制，微控制器MCU通過控制譯碼器使繼電器陣列中任意時候只有一個繼電器J i(i=l、2…… 16)被選通，譯碼器的輸入端A0、A1、A2、A3分別由微處理器MCU的I/O 口控制，當(dāng)A0、A1、A2、 A3從0000到1111進(jìn)行16種狀態(tài)切換，譯碼器的輸出端YO Y15依次輸出為低電平，繼電器中發(fā)光二極管正極接+5V，負(fù)極接譯碼器輸出端，屬于低電平驅(qū)動的，YO Y15依次輸出為低電平時驅(qū)動對應(yīng)的繼電器Ji (i=l、2……16)中開關(guān)K (2i-l)和K2i (i=l、2……32) 閉合，使被選通的鋰電池單片負(fù)極接地，正極接信號調(diào)理單元輸入端。輸入端信號Vin通過一個電壓跟隨器接到差分比例放大電路中運(yùn)算放大器U4的正極輸入端，另一邊，+4. 096V 基準(zhǔn)電壓源輸出的4. 096V電壓經(jīng)過一個反相器接到差分比例放大電路中運(yùn)算放大器U4 的負(fù)極輸入端，以抬高輸入電壓信號的電位，以便對負(fù)電壓信號進(jìn)行測量，信號調(diào)理單元的輸出端經(jīng)過電容與穩(wěn)壓管組成的限幅輸出保護(hù)電路之后的輸出信號Vout直接與微控制器 MCU的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，MCU內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊由+4. 096V基準(zhǔn)電壓源提供精密基準(zhǔn)電壓。
所述信號調(diào)理單元包括精密軌到軌運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器、電壓反相器和差分比例放大電路以及精密電阻Rl R6、電容Cl C2以及穩(wěn)壓管，其中單片電壓信號的輸入端與差分比例放大電路的同相端相連接，精密基準(zhǔn)電壓源經(jīng)過電壓反相器與差分比例放大電路的反相端相連接，其作用是抬升輸入電壓信號電位，信號調(diào)理單元的輸出端設(shè)置有電容與穩(wěn)壓管組成的限幅輸出保護(hù)電路，所述信號調(diào)理單元中用于抬升輸入電壓信號的精密基準(zhǔn)電壓源來自用于A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓源。
與現(xiàn)代諸多電池檢測系統(tǒng)相比，本發(fā)明引入了振動信號和溫濕度信號的檢測，增強(qiáng)了電池系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。為了實現(xiàn)目的，首先采用了 freescale公司的加速度傳感器 MMA7455L采集振動信號，MMA7455L提供了 I2C和SPI數(shù)字接口，這使微控制器MCU可以通過主控同步串行端口與外圍模塊相連。檢測單元的微控制MCU通過I2C總線得到振動信號之后，對振動信號進(jìn)行判斷分級(分為嚴(yán)重振動和輕微振動)。其次對于溫濕度的采集采用了奧松公司的AM2303，這是一款數(shù)字式集成溫濕度傳感器，精度高，不需要A/D轉(zhuǎn)換器，只需要通過簡單的I/O 口給微控制器MCU傳遞信息。除此之外，與傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)相比，該檢測方式中采用自供電模式，不需要開關(guān)電源對檢測板進(jìn)行供電。本檢測單元采用的是24V供電，用八片鋰電池單片串聯(lián)作為供電電源。然后利用電源模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換成所需要的各個等級電壓。由于有很多檢測板，而且每塊檢測板以類似并聯(lián)的形式連接到CAN網(wǎng)絡(luò)上將采集到的信息發(fā)送給鋰電池包主控單元，鋰電池包主控單元通過CAN網(wǎng)絡(luò)會接收到來自各個檢測板采集到的信息。為了使鋰電池主控單元可以區(qū)分CAN網(wǎng)絡(luò)上采集到的信息來自哪個檢 測板，每個檢測板上加入了一個5位的撥碼開關(guān)，通過撥碼開關(guān)對每個檢測板編號，這個編號作為該檢測板CAN通訊時的標(biāo)示符。撥碼開關(guān)的撥碼依次從00001 11111可以對31快檢測板進(jìn)行標(biāo)號。鋰電池主控單元上CAN通訊時首先會對發(fā)送端(檢測板)的CAN網(wǎng)標(biāo)示符進(jìn)行判斷以明確接收的信號來自哪塊檢測板。


圖I為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明檢測單元自供電電源模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明檢測單元工作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。如圖I所示，首先可將檢測系統(tǒng)分為兩部分鋰電池檢測單元和鋰電池主控單元，這兩個部分之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)來連接，檢測板采集底層數(shù)據(jù)，然后通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給鋰電池主控單元。所述檢測單元中采用自供電模式，如圖2所示，將八片鋰電池單片串聯(lián)作為供電電源，磷酸鹽鋰電池單片電壓正常工作時約3. 3V，充放電過程中電壓的變化范圍為3. OV 3. 4V,八片鋰電池串聯(lián)起來電壓為24 27. 2V，可以其看作約24V的供電電源，然后利用電源模塊將24V電源轉(zhuǎn)換為所需要的電壓等級，該檢測單元中所需的電壓等級是正負(fù)12V和+5V，所以采用的是24V轉(zhuǎn)正負(fù)12V電源模塊A2412S-1W和24V轉(zhuǎn)+5V電源模塊B2405-2W?？紤]到CAN接口電路中光隔供電電源需要隔開，所以采用了兩個24V轉(zhuǎn)+5V的電源模塊。本發(fā)明采用了分布式檢測方法，以16片鋰電池單體為一個檢測單元進(jìn)行測量，第i個檢測單元對鋰電池單體 C(16t+1) C(16t+16) (其中t=i-l)進(jìn)行檢測，每個檢測單元結(jié)構(gòu)完全相同，主要包括繼電器選通陣列、譯碼器選通單元、精密基準(zhǔn)電壓源電路、信號調(diào)理單元、撥碼開關(guān)、微處理器MCU以及振動傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊。唯一的區(qū)別在于每個檢測單元的ID號不同，檢測單元上的撥碼開關(guān)一次為00001、00010、00011、00100…分別為檢測單元I N進(jìn)行設(shè)置ID (N —般小于31)。通過判斷ID號，鋰電池主控單元可以判斷CAN網(wǎng)絡(luò)上接收的數(shù)據(jù)來自于哪個檢測單元。本發(fā)明的每個檢測單元中的鋰電池單片與對應(yīng)的繼電器選通陣列的輸出端(K1、K2…K32)相連，繼電器選通陣列的輸入端發(fā)光二極管陰極與譯碼器的輸出端連接。譯碼器的輸入端由微控制器MCU的I/O 口控制，當(dāng)譯碼器的輸入端A0、Al、A2、A3從OOOO到1111進(jìn)行16種狀態(tài)切換，譯碼器的輸出端YO Y15依次輸出為低電平驅(qū)動對應(yīng)的繼電器Ji(i=l、2……16)中開關(guān)K (2i-l)和K2i (i=l、2……32)閉合，使被選通的鋰電池單片負(fù)極接地正極接信號調(diào)理單元輸入端。譯碼器的輸出任意時刻只有一個為低電平，這就保證了任意時刻只有單片電池在線檢測。在線檢測的單片電池的電壓信號送入信號調(diào)理單元的輸入端Vin進(jìn)行電壓調(diào)理，在信號調(diào)理單元中弓丨入了一個4. 096V基準(zhǔn)電壓源以抬升輸入信號的電位，以便測量因故障出現(xiàn)的負(fù)壓值。信號調(diào)理單元的輸出端Vout直接連接到微控制器MCU的內(nèi)部A/D模塊。繼電器選用的是AQW214EHAZ，每個AQW214EHAZ中包含兩個單繼電器，分別控制著鋰電池單片的正負(fù)極，由于每個檢測單元檢測的是16片電池單片，所以選用的譯碼器使4一 16線譯碼器74HC154，信號調(diào)理單元中的電阻采用的是精阻，以保證反相器和比例差分電路的準(zhǔn)確性，考慮到信號調(diào)理電源中的輸入端電壓可能超過5V，選用的運(yùn)放是供電電壓可以大于5V的精密運(yùn)放芯片MAX479，里面含有4個運(yùn)算放大器，剛好滿足信號調(diào)理電路中4個運(yùn)算放大器的需求，信號調(diào)理單元中的限幅輸出保護(hù)電路采用5. IV的穩(wěn)壓管即可，因為經(jīng)過信號調(diào)理單元的輸出不會超過5V。內(nèi)部A/D模塊中采用的電壓基準(zhǔn)是+4. 096V,由精確 +4. 096V 電壓源 X60008ES8-41 提供。
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本發(fā)明中振動傳感器模塊采用了 freescale公司的加速度傳感器MMA7455L采集振動信號，MMA7455L提供了 I2C和SPI數(shù)字接口，這使微控制器MCU可以通過主控同步串行端口與外圍模塊相連。溫濕度傳感器模塊采用了奧松公司的AM2303，這是一款數(shù)字式集成溫濕度傳感器，精度高，不需要A/D轉(zhuǎn)換器，只需要通過簡單的I/O 口給微控制器MCU傳遞信息。本發(fā)明檢測單元將采集到的電壓信號、振動信號、溫濕度信號通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給鋰電池包主控單元，檢測單元和主控單元上的CAN連接之前都需要一個CAN接口電路，這個接口電路包括光隔和CAN收發(fā)器。在CAN接口電路中采用的光隔是高速光隔6N137，CAN收發(fā)器采用的是應(yīng)用于汽車中高速領(lǐng)域的PCA82C250.這是目前使用最為廣泛的CAN收發(fā)器，支持ISO——11898標(biāo)準(zhǔn)。由圖I可見，微控制器MCU需要豐富的I/O 口，具有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，I2C總線、CAN總線，因此檢測單元中微控制器MCU采用的MICROCHIP公司的PIC18F258。以上結(jié)合最佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
權(quán)利要求
1.一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，所述方法以η片串聯(lián)的鋰電池單體為一個檢測單元進(jìn)行測量，每個檢測單元對每個鋰電池單體進(jìn)行檢測，其特征在于所述每個檢測單元包括繼電器選通陣列、譯碼器選通單元、精密基準(zhǔn)電壓源電路、信號調(diào)理單元、撥碼開關(guān)、微處理器MCU以及振動傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊，所述檢測單元的檢測方法是微控制器MCU通過譯碼器控制繼電器陣列中任意時刻只有I個繼電器選通，被選通的鋰電池單片電壓信號送入信號調(diào)理單元的輸入端Vin進(jìn)行電壓調(diào)理，信號調(diào)理單元的輸出端Vout通過微控制器MCU內(nèi)部A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時微控制器MCU分別通過I2C總線和I/O 口獲取來自振動傳感器和溫濕度傳感器的信息，并將這些信息通過CAN總線發(fā)送給鋰電池包主控單元，所述每個檢測單元完全相同，通過撥碼開關(guān)為每個檢測單元設(shè)置一個ID號用來做CAN通訊的標(biāo)示符，以致于鋰電池包主控單元能夠區(qū)分CAN上接受的信息來自于哪個檢測單元。
2.如權(quán)利要求I所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，其特征在于，檢測單元采用自供電模式，其供電電源由八塊串聯(lián)的鋰電池供給，然后利用電源模塊轉(zhuǎn)換成幾種需要的電壓等級。
3.如權(quán)利要求I所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，其特征在于，每個檢測單元對η=16片串聯(lián)的鋰電池單體進(jìn)行測量，檢測由m片單電池串聯(lián)的鋰電池包時,采用N=m/16個檢測單元。
4.如權(quán)利要求I或3所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，其特征在于，所述譯碼器的輸入端分別由微處理器MCU的I/O 口控制，當(dāng)譯碼器進(jìn)行16種狀態(tài)切換時，譯碼器的輸出端依次輸出為低電平，驅(qū)動繼電器陣列中對應(yīng)的繼電器開關(guān)閉合。
5.如權(quán)利要求I所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，其特征在于，對于每個檢測單元中鋰電池單片電壓的檢測，使用繼電器實現(xiàn)對電池單體進(jìn)行循環(huán)檢測，在任意時刻只采集一片鋰電池電壓，每一個檢測單元都由16個繼電器組成一個繼電器陣列，每片電池單片對應(yīng)一個繼電器，每一個繼電器中含有兩個單繼電器，兩個單繼電器分別控制鋰電池單片的正負(fù)極，當(dāng)繼電器被選通時，其對應(yīng)的兩個單繼電器開關(guān)閉合，分別使鋰電池單片的正極接調(diào)理單元輸入端，鋰電池單片的負(fù)極接地。
6.如權(quán)利要求I所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，其特征在于，信號調(diào)理單元包括精密軌到軌運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器、電壓反相器和差分比例放大電路以及精密電阻Rl R6、電容Cl C2以及穩(wěn)壓管，其中單片電壓信號的輸入端與差分比例放大電路的同相端相連接，精密基準(zhǔn)電壓源經(jīng)過電壓反相器與差分比例放大電路的反相端相連接，其作用是抬升輸入電壓信號電位，信號調(diào)理單元的輸出端設(shè)置有電容與穩(wěn)壓管組成的限幅輸出保護(hù)電路，所述信號調(diào)理單元中用于抬升輸入電壓信號的精密基準(zhǔn)電壓源來自用于A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓源。
7.如權(quán)利要求I所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，其特征在于鋰電池在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的振動狀況的檢測采用的是freescale公司MMA7455L來實現(xiàn)的，MMA7455L提供I2C和SPI數(shù)字接口。
8.如權(quán)利要求7所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，，其特征在于，檢測單元微控制器MCU對振動傳感器MMA7455L檢測到的振動信號進(jìn)行分析并分級，當(dāng)振動為嚴(yán)重振動時，記振動標(biāo)示符flag為1，當(dāng)為輕微振動時，記振動標(biāo)示符flag為O0
9.如權(quán)利要求I所述的一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，其特征在于，鋰電池溫濕度的檢測采用數(shù)字式集成溫濕度傳感器AM2303，其輸出信號為數(shù)字信號，直接與微控制器MCU的I/O 口相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶振動和溫濕度檢測的鋰電池組分布式檢測方法，該方法采用分組檢測方式，以16片鋰電池為一組進(jìn)行測量，每個檢測單元包括繼電器選通陣列、譯碼器選通單元、精密基準(zhǔn)電壓源電路、信號調(diào)理單元、撥碼開關(guān)、微處理器MCU以及振動傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊。本發(fā)明的微控制器MCU通過繼電器選通陣列、譯碼器選通單元、精密基準(zhǔn)電壓源電路、信號調(diào)理單元對電池單體進(jìn)行循環(huán)檢測，傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊將采集的信息通過I2C總線和I/O口分別發(fā)送給微控制器MCU，檢測單元將采集到鋰電池單片電壓信息、振動等級信息、溫濕度信息通過CAN總線發(fā)送給鋰電池包主控單元。本發(fā)明簡潔清晰，可靠性高，能實現(xiàn)對鋰電池單片電壓信號以及電池組的振動信號、溫濕度信號進(jìn)行高精度檢測。
文檔編號G01R31/36GK102928789SQ20121043818
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者謝長君, 全書海, 王姣, 鄧堅, 黃亮, 孫曉明, 王樹明, 程洪 申請人:武漢理工大學(xué)