[發明專利]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

在審

• 申請號: 201710317184.8
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107128191A
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 申永鵬;金楠;楊小亮;郭磊磊;武潔;劉安康
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業學院
• 主分類號: B60L11/18
• 分類號: B60L11/18;G01R19/25;G01R31/00;G01R31/36
• 代理公司: 石家莊輕拓知識產權代理事務所(普通合伙)13128
• 代理人: 王璐

本發明公開了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。該電路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，結構簡單、成本低；通過配置電阻實現模擬采樣前端的ID配置，易于批量生產；采用光耦實現觸發脈沖的隔離傳輸，同步精度高；采用單向的隔離異步串行數據總線和時分多址數據傳輸機制，每個電池單體僅需要一個光耦器件便可以實現模擬采樣前端和主控制器之間的數據傳輸，總線結構簡單、數據傳輸效率高。

技術領域

本發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、使用壽命長等優點，因而被廣泛用作電動汽車的動力電池。由于單節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)，通常采用多節電池串聯構成動力電池組的方法，來獲取更高的電壓等級，電池組中的每一節電池稱為電池單體。動力電池管理系統必須實時監測每一個電池單體的電壓值，才能實現單體內阻計算、單體一致性計算、電池組SOH(state of healthy，健康度)計算、SOC(state of healthy，荷電狀態)估算等功能。因此，實時的采集監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一項必不可少的功能。

通常，電池管理系統采用輪詢采集的方法來實現單體電壓的監測，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/數字)轉換器，因而具有成本低廉的優點，但是由于輪詢采集屬于非同步采集方法，根據其選通次序，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性能的關鍵環節。

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量的電容與電池單體并聯，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生明顯降低，造成采樣誤差；⑵需要數量較多的開關器件。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多個AD器件的同步采樣觸發，然后通過隔離的數據總線實現轉換結果的讀取。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據總線進行數據的傳輸，系統較為復雜。

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較低的系統成本。