本發(fā)明涉及蓄電池管理系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于空間用串聯(lián)數(shù)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(shù)：

單體電壓的采集是蓄電池管理系統(tǒng)(bms)的技術(shù)核心，其采集精度的高低直接影響bms管理的準(zhǔn)確性和有效性。根據(jù)蓄電池類型、串聯(lián)節(jié)數(shù)、應(yīng)用環(huán)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(shí)現(xiàn)方式。

受空間環(huán)境、長(zhǎng)壽命、高可靠且無(wú)法維修等因素約束，在空間應(yīng)用的串聯(lián)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(guò)電阻分壓降低共模電壓幅值，然后再進(jìn)行放大、采樣-保持、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、編碼。

電阻分壓法電路具有形式簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但從電路傳遞函數(shù)可知，電阻分壓比偏差、共模電壓大小以及差分放大環(huán)節(jié)是影響采集精度的主要因素，對(duì)分壓電阻的精度和溫度系數(shù)要求非常苛刻。實(shí)際工程應(yīng)用中，中壓42v體系(例如，九節(jié)鋰離子蓄電池串聯(lián))，分壓電阻采用±0.05％精度、±10ppm溫度系數(shù)，在-25℃～70℃溫度范圍內(nèi)測(cè)試的電壓采集精度接近10mv，勉強(qiáng)滿足指標(biāo)要求。但隨著蓄電池串聯(lián)節(jié)數(shù)的增加(例如22節(jié)鋰離子蓄電池串聯(lián)的高壓100v體系)，電阻分壓比、共模電壓以及差分放大倍數(shù)的增加，將使誤差進(jìn)一步放大，實(shí)現(xiàn)10mv采集精度的指標(biāo)將變得非常困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(zhǎng)、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種高共模蓄電池單體電壓采集電路，其特點(diǎn)是，該采集電路包含：電池單體電壓差模信號(hào)采集模塊，其包含運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器輸入端接采集的蓄電池，運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端設(shè)置有第一電阻，輸出端設(shè)置有第二電阻，將串聯(lián)蓄電池的單體電壓差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，提取電池單體的電壓。

上述運(yùn)算放大器負(fù)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(fā)射極連接運(yùn)算放大器負(fù)極輸入端，基極接第二npn三極管的發(fā)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(yùn)算放大器的輸出端。

上述運(yùn)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊、編碼模塊和傳輸模塊。

上述運(yùn)算放大器的型號(hào)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(shù)±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(diǎn)是，該采集方法包含：

運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端和輸出端設(shè)置阻值相等的第一電阻和第二電阻；

運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端和正極輸入端分別接需采集電池單體的正負(fù)極，采集單體電壓差模信號(hào)；

運(yùn)算放大器將串聯(lián)蓄電池的單體電壓差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并由電流信號(hào)提取電池單體的電壓。

上述單體電壓差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)和提取電池單體電壓的方法包含：

在第一電阻兩端產(chǎn)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(yùn)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(chǎn)生電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1；r2為第二電阻的阻值；

當(dāng)?shù)谝浑娮枧c第二電阻阻值相等時(shí)，得到u2＝u1＝un。

本發(fā)明高共模蓄電池單體電壓采集電路和采集方法和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明采用電壓-電流轉(zhuǎn)換，將串聯(lián)蓄電池組中某一節(jié)單體的差模電壓等比例提取出來(lái)且不受高共模電壓的影響，通過(guò)了-25℃～70℃溫度范圍內(nèi)的試驗(yàn)考核，單體電壓的采集精度在全溫范圍內(nèi)達(dá)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(xiàn)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(kuò)展而不受蓄電池串聯(lián)節(jié)數(shù)的約束；

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

本發(fā)明的電路形式和元器件參數(shù)的選取不受蓄電池串聯(lián)節(jié)數(shù)的影響，特別適用于高共模蓄電池單體電壓的采集，從設(shè)計(jì)源頭保障了采集精度的一致性和穩(wěn)定性；

本發(fā)明將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗干擾特性；

本發(fā)明所選用的元器件對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，可靠性高，特別適用于空間飛行器上的產(chǎn)品。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)電阻分壓法串聯(lián)蓄電池組單體電壓采集電路的電路圖；

圖2為本發(fā)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(fā)明高共模蓄電池單體電壓采集電路的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。

如圖2所示，本發(fā)明公開(kāi)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(hào)采集模塊210，電路連接電池單體電壓差模信號(hào)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊240，電路連接模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)采集模塊210包含運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器輸入端接需采集電壓的串聯(lián)蓄電池的電池單體的正極和負(fù)極接收un+和un-，其中運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端接un+，正極輸入端接un-，運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端接un+之間設(shè)有第一電阻r1，運(yùn)算放大器的輸出端和負(fù)極輸入端之間設(shè)有npn三極管，通過(guò)npn三極管接有第二電阻r2，通過(guò)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(hào)采集模塊210利用運(yùn)算放大器同相/反相輸入端虛短、虛斷的工作特性，通過(guò)匹配電阻對(duì)(第一電阻r1和第二電阻r2)，等比例取出，將串聯(lián)蓄電池的單體電壓差模信號(hào)變換為電流信號(hào)，再進(jìn)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(lián)單體共模信號(hào)和差模信號(hào)同時(shí)縮小的固有缺陷。

本發(fā)明利用運(yùn)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(chǎn)生第n節(jié)單體電壓u1＝un＝un+―un-，由此產(chǎn)生的電流i1＝u1/r1；利用運(yùn)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(chǎn)生的電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1。當(dāng)?shù)诙娮璧淖柚祌2＝r1時(shí)，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(yùn)算放大器u1，該第一運(yùn)算放大器u1采用型號(hào)為op07，可將輸入失調(diào)電壓對(duì)采集精度的影響降低到了可忽略不計(jì)的程度。

第一運(yùn)算放大器u1的正極輸入端通過(guò)第三電阻r3接需采集電壓的電池單體的負(fù)端un-；負(fù)極輸入端通過(guò)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(yùn)算放大器u1的電壓源負(fù)極通過(guò)第五電阻r5接電壓源vcc1，并通過(guò)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(yùn)算放大器u1輸出端通過(guò)第七電阻r7連接電壓源正極。

第一運(yùn)算放大器u1的負(fù)極輸入端與輸出端之間連接有型號(hào)為3cg1的第一npn三極管q1和第二npn三極管q2；第一運(yùn)算放大器u1的負(fù)極輸入端通過(guò)第四電阻r4連接第一npn三極管q1的發(fā)射極；第一npn三極管q1的基極連接第二npn三極管q2的發(fā)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(guò)第八電阻r8接地gnd；第二npn三極管q2的基極連接第一運(yùn)算放大器u1的輸出端。本發(fā)明通過(guò)兩個(gè)npn三極管(第一npn三極管q1和第二npn三極管q2)復(fù)合，將三極管基極電流對(duì)采集精度的影響降低到了可忽略不計(jì)的程度。

這里，利用第一運(yùn)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(chǎn)生第n節(jié)單體電壓(需檢測(cè)電池單體的電壓)u1＝un＝un+―un-，由此產(chǎn)生的第一電阻r1的電流i1＝u1/r1；利用運(yùn)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(chǎn)生的電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1。當(dāng)?shù)诙娮鑢2的阻值r2＝r1時(shí)，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(guò)第九電阻r9和第十電阻r10連接第二運(yùn)算放大器u2的+in端和-in端。第二運(yùn)算放大器u2的型號(hào)為ad624sd。第二運(yùn)算放大器u2的rg2端和rg1端通過(guò)第十一電阻r11連接；電壓源正極+vs通過(guò)第十二電阻r12連接+12v電源，并通過(guò)第三電容c3和第五電容c5接地gnd；電壓源負(fù)極-vs通過(guò)第十三電阻r13連接-12v電源，并通過(guò)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(guò)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(guò)第七電容c7和型號(hào)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(shù)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(shù)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(shù)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(fā)明還公開(kāi)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(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端和輸出端設(shè)置阻值相等的第一電阻和第二電阻。

s2、運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端和正極輸入端分別接需采集電池單體的正負(fù)極，采集單體電壓差模信號(hào)。

s3、運(yùn)算放大器將串聯(lián)蓄電池的單體電壓差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并由電流信號(hào)提取電池單體的電壓。

其中，單體電壓差模信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)和提取電池單體電壓的方法包含：在第一電阻兩端產(chǎn)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(yùn)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(chǎn)生電壓u2＝i2×r2＝r2/r1×u1；當(dāng)?shù)谝浑娮枧c第二電阻阻值相等時(shí)，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(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。