高共模蓄電池單體電壓采集電路和采集方法與流程

本發明涉及蓄電池管理系統技術領域，具體涉及一種適用于空間用串聯數較多的高共模鋰離子蓄電池組單體電壓的高共模蓄電池單體電壓采集電路和采集方法。

背景技術：

單體電壓的采集是蓄電池管理系統(bms)的技術核心，其采集精度的高低直接影響bms管理的準確性和有效性。根據蓄電池類型、串聯節數、應用環境等不同，單體電壓采集電路的形式多樣，包括直接采樣、線性光耦隔離、電阻分壓、飛電容等等電路實現方式。

受空間環境、長壽命、高可靠且無法維修等因素約束，在空間應用的串聯蓄電池組單體電壓采集電路通常采用電阻分壓法，電阻分壓法采用的電路圖如圖1所示，先通過電阻分壓降低共模電壓幅值，然后再進行放大、采樣-保持、數/模轉換、編碼。

電阻分壓法電路具有形式簡單、可靠性高等優點，但從電路傳遞函數可知，電阻分壓比偏差、共模電壓大小以及差分放大環節是影響采集精度的主要因素，對分壓電阻的精度和溫度系數要求非常苛刻。實際工程應用中，中壓42v體系(例如，九節鋰離子蓄電池串聯)，分壓電阻采用±0.05％精度、±10ppm溫度系數，在-25℃～70℃溫度范圍內測試的電壓采集精度接近10mv，勉強滿足指標要求。但隨著蓄電池串聯節數的增加(例如22節鋰離子蓄電池串聯的高壓100v體系)，電阻分壓比、共模電壓以及差分放大倍數的增加，將使誤差進一步放大，實現10mv采集精度的指標將變得非常困難。

技術實現要素：

本發明提供一種高共模蓄電池單體電壓采集電路和采集方法，提高采集精度、壽命長、可靠性高、環境適應性強。

為實現上述目的，本發明提供一種高共模蓄電池單體電壓采集電路，其特點是，該采集電路包含：電池單體電壓差模信號采集模塊，其包含運算放大器，該運算放大器輸入端接采集的蓄電池，運算放大器的負極輸入端設置有第一電阻，輸出端設置有第二電阻，將串聯蓄電池的單體電壓差模信號轉換為電流信號，提取電池單體的電壓。

上述運算放大器負極輸入端和輸出端之間連接有第一npn三極管和第二npn三極管；第一npn三極管的發射極連接運算放大器負極輸入端，基極接第二npn三極管的發射極，集電極接第二npn三極管的集電極；第二npn三極管基極接運算放大器的輸出端。

上述運算放大器的輸出端依次接有：差分放大模塊、采樣保持模塊、模數轉換模塊、編碼模塊和傳輸模塊。

上述運算放大器的型號為op07。

上述第一電阻和第二電阻的阻值相等。

上述第一電阻和第二電阻的阻值為390千歐，精度±1％，溫度系數±10ppm。

一種上述的高共模蓄電池單體電壓采集電路的采集方法，其特點是，該采集方法包含：

運算放大器的負極輸入端和輸出端設置阻值相等的第一電阻和第二電阻；

運算放大器的負極輸入端和正極輸入端分別接需采集電池單體的正負極，采集單體電壓差模信號；

運算放大器將串聯蓄電池的單體電壓差模信號轉換為電流信號，并由電流信號提取電池單體的電壓。

上述單體電壓差模信號轉換為電流信號和提取電池單體電壓的方法包含：

在第一電阻兩端產生需采集電池單體的電壓：u1＝un＝un+―un-；u1為第一電阻電壓、un為需采集電池單體電壓，un+為電池單體正極電壓，為電池單體正極電壓；

得到第一電阻的電流i1＝u1/r1，r1為第一電阻的阻值；

利用運算放大器同相和反相輸入端虛斷的工作特性，第二電阻的電流i2＝i1，在第二電阻兩端產生電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1；r2為第二電阻的阻值；

當第一電阻與第二電阻阻值相等時，得到u2＝u1＝un。

本發明高共模蓄電池單體電壓采集電路和采集方法和現有技術相比，其優點在于，本發明采用電壓-電流轉換，將串聯蓄電池組中某一節單體的差模電壓等比例提取出來且不受高共模電壓的影響，通過了-25℃～70℃溫度范圍內的試驗考核，單體電壓的采集精度在全溫范圍內達到±3mv，相比電阻分壓法在采集精度上有大幅度的提升，解決了現有空間飛行器上蓄電池單體電壓采集方案，電阻分壓法存在的固有缺陷，大幅提升了采集精度且可以不斷擴展而不受蓄電池串聯節數的約束；

本發明減少了單體電壓采集精度的影響因素，主要取決于兩個電阻的溫度系數的匹配程度，有利于采集精度的提升；

本發明的電路形式和元器件參數的選取不受蓄電池串聯節數的影響，特別適用于高共模蓄電池單體電壓的采集，從設計源頭保障了采集精度的一致性和穩定性；

本發明將電壓信號轉換為電流信號，具有較強的抗干擾特性；

本發明所選用的元器件對空間環境的適應性強，壽命長，可靠性高，特別適用于空間飛行器上的產品。

附圖說明

圖1為現有技術電阻分壓法串聯蓄電池組單體電壓采集電路的電路圖；

圖2為本發明高共模蓄電池單體電壓采集電路的電路模塊圖；

圖3為本發明高共模蓄電池單體電壓采集電路的電路原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖，進一步說明本發明的具體實施例。

如圖2所示，本發明公開一種高共模蓄電池單體電壓采集電路，該采集電路包含：電池單體電壓差模信號采集模塊210，電路連接電池單體電壓差模信號采集模塊210輸出端的差分放大模塊220，電路連接差分放大模塊220輸出端的采樣保持模塊230、電路連接采樣保持模塊230輸出端的模數轉換模塊240，電路連接模數轉換模塊240輸出端的編碼模塊250和電路連接編碼模塊250輸出端的傳輸模塊260。

其中，電池單體電壓差模信號采集模塊210包含運算放大器，該運算放大器輸入端接需采集電壓的串聯蓄電池的電池單體的正極和負極接收un+和un-，其中運算放大器的負極輸入端接un+，正極輸入端接un-，運算放大器的負極輸入端接un+之間設有第一電阻r1，運算放大器的輸出端和負極輸入端之間設有npn三極管，通過npn三極管接有第二電阻r2，通過第二電阻r2電路連接差分放大模塊220。電池單體電壓差模信號采集模塊210利用運算放大器同相/反相輸入端虛短、虛斷的工作特性，通過匹配電阻對(第一電阻r1和第二電阻r2)，等比例取出，將串聯蓄電池的單體電壓差模信號變換為電流信號，再進行放大、采樣等，最終提取電池單體的電壓，解決了電阻分壓法將串聯單體共模信號和差模信號同時縮小的固有缺陷。

本發明利用運算放大器同相/反相輸入端虛短的工作特性，在第一電阻r1兩端產生第n節單體電壓u1＝un＝un+―un-，由此產生的電流i1＝u1/r1；利用運算放大器同相/反相輸入端虛斷的工作特性，第二電阻的電流i2＝i1，在第二電阻r2兩端產生的電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1。當第二電阻的阻值r2＝r1時，可得第二電阻的電壓u2＝u1＝需采集的電池單體的電壓un。

如圖3所示，為高共模蓄電池單體電壓采集電路的電路原理圖，該采集電路包含有第一運算放大器u1，該第一運算放大器u1采用型號為op07，可將輸入失調電壓對采集精度的影響降低到了可忽略不計的程度。

第一運算放大器u1的正極輸入端通過第三電阻r3接需采集電壓的電池單體的負端un-；負極輸入端通過第四電阻r4和第一電阻r1連接需采集電壓的電池單體的正端un+；第一運算放大器u1的電壓源負極通過第五電阻r5接電壓源vcc1，并通過第一電容c1和第二電容c2接地gnd1；電壓源正極接地gnd1；第一運算放大器u1輸出端通過第七電阻r7連接電壓源正極。

第一運算放大器u1的負極輸入端與輸出端之間連接有型號為3cg1的第一npn三極管q1和第二npn三極管q2；第一運算放大器u1的負極輸入端通過第四電阻r4連接第一npn三極管q1的發射極；第一npn三極管q1的基極連接第二npn三極管q2的發射極；第一npn三極管q1的集電極連接第二npn三極管q2的集電極，并且連接至第二電阻r2的一端，第二電阻r2的另一端通過第八電阻r8接地gnd；第二npn三極管q2的基極連接第一運算放大器u1的輸出端。本發明通過兩個npn三極管(第一npn三極管q1和第二npn三極管q2)復合，將三極管基極電流對采集精度的影響降低到了可忽略不計的程度。

這里，利用第一運算放大器u1同相/反相輸入端虛短的工作特性，在第一電阻r1兩端產生第n節單體電壓(需檢測電池單體的電壓)u1＝un＝un+―un-，由此產生的第一電阻r1的電流i1＝u1/r1；利用運算放大器同相/反相輸入端虛斷的工作特性，第二電阻r2的電流i2＝i1，在第二電阻r2兩端產生的電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1。當第二電阻r2的阻值r2＝r1時，可得第二電阻r2的電壓u2＝u1＝需采集的電池單體的電壓un。

第二電阻r2的兩端通過第九電阻r9和第十電阻r10連接第二運算放大器u2的+in端和-in端。第二運算放大器u2的型號為ad624sd。第二運算放大器u2的rg2端和rg1端通過第十一電阻r11連接；電壓源正極+vs通過第十二電阻r12連接+12v電源，并通過第三電容c3和第五電容c5接地gnd；電壓源負極-vs通過第十三電阻r13連接-12v電源，并通過第四電容c4和第六電容c6接地gnd；ref端接地；out端和sense電路連接，并通過第六電阻r6連接需采集電池單體的電壓輸出celln，并分別通過第七電容c7和型號為2ck6642ub的第一二極管d1接地。

如圖3所示，其中電器元件的參數如下：

第一電阻r1和第二電阻r2的阻值為390kω，精度為±1％，溫度系數為±10ppm；

第三電阻r3和第四電阻r4的阻值為510kω，精度為±1％；

第五電阻r5和第六電阻r6的阻值為100ω，精度為±1％；

第七電阻r7的阻值為100kω，精度為±1％；

第八電阻r8的阻值為10kω，精度為±1％；

第九電阻r9和第十電阻r1的阻值為1kω，精度為±1％；

第十一電阻r11的阻值為51kω，精度為±1％，溫度系數為±10ppm；

第十二電阻r12和第十三電阻r13的阻值為51ω，精度為±1％；

第十四電阻r14的阻值為1.5kω，精度為±1％。

第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第五電容c5、第六電容c6的電容值為33nf；

第七電容c7的電容值為100nf。

本發明還公開了一種上述的高共模蓄電池單體電壓采集電路的采集方法，該采集方法包含：

s1、運算放大器的負極輸入端和輸出端設置阻值相等的第一電阻和第二電阻。

s2、運算放大器的負極輸入端和正極輸入端分別接需采集電池單體的正負極，采集單體電壓差模信號。

s3、運算放大器將串聯蓄電池的單體電壓差模信號轉換為電流信號，并由電流信號提取電池單體的電壓。

其中，單體電壓差模信號轉換為電流信號和提取電池單體電壓的方法包含：在第一電阻兩端產生需采集電池單體的電壓：u1＝un＝un+―un-；從而得到第一電阻的電流i1＝u1/r1，r1為第一電阻的阻值；利用運算放大器同相和反相輸入端虛斷的工作特性，第二電阻的電流i2＝i1，在第二電阻兩端產生電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1；當第一電阻與第二電阻阻值相等時，得到u2＝u1＝un。其中，u1為第一電阻電壓、un為需采集電池單體電壓，un+為電池單體正極電壓，為電池單體正極電壓；r2為第二電阻的阻值。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。