一种串联电池组单体电压检测方法及电路

技术领域

本发明属于锂电源管理技术领域，尤其涉及一种串联电池组单体电压检测电路。

背景技术

对串联电池组单体电池电压进行检测，其难点在于电压地的处理。现有的电池检测装置大多结构较为复杂，且检测电池组时需要挨个检测，过程繁琐且成本较高。

对于串联电池组的单体电池电压进行检测，从技术角度的确存在一些挑战和问题。以下是对现有技术存在的缺陷以及存在的急需解决的技术问题的分析：

1.结构复杂：现有的检测设备通常需要对电池组中的每一个电池进行单独的检测。这就需要电池检测设备具有复杂的结构以便能够接入、检测并分析每一个电池的电压。这种复杂的结构不仅增加了设备的制造和维护成本，而且可能导致设备的可靠性降低。

2.过程繁琐：由于需要对每一个电池进行单独的检测，检测过程可能会非常繁琐和时间消耗。这可能会限制电池检测设备在大规模电池组检测中的应用，同时也增加了操作人员的工作负担。

3.成本较高：如前所述，复杂的设备结构和繁琐的检测过程都可能导致电池检测的成本增加。这包括设备的制造和维护成本、操作人员的工作成本以及由于检测效率低导致的时间成本。

急需解决的技术问题包括：

1.简化设备结构：发展新的电池检测技术和设备，以简化设备结构，降低设备的制造和维护成本。

2.提高检测效率：研发能够同时检测多个电池或更快速检测单个电池的技术，以提高检测效率，减少检测过程的繁琐。

3.降低成本：通过简化设备结构和提高检测效率，以降低检测成本，更加经济有效地进行电池检测。

4.提高可靠性：开发新的电池电压检测算法和技术，以提高检测的准确性和可靠性，减少检测错误和漏检的可能性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种串联电池组单体电压检测电路，可以实现直接检测几十节甚至几百节的串联电池组中每个单体电池电压的检测。

本发明是这样实现的，一种串联电池组单体电压检测方法，包括：

使用数据选择器(例如74HC595位移缓存器或单片机输出选择)选择需要检测的单体电池。数据选择器直接控制与选定电池相连的光耦开关。

通过导通的光耦开关，将选定电池的电压输出到二线总线上。此时的电压无极性。

二线总线上的电压经过由四个P型MOSFET组成的电压极性转换器，被转换为单极性电压。

单极性电压输出到电压检测电路。电压检测电路由两个P型MOSFET管或两个P型三极管和三个电阻组成，能将串联电池组中任选的单体电池电压转化为其单体电压。

对串联电池组中的所有单体电池重复以上步骤，以完成全部电池的电压检测。

这种方法可以大大简化串联电池组的单体电池电压检测过程，提高检测效率，并降低设备和操作的复杂性。同时，由于使用了电压极性转换器和电压检测电路，可以确保检测结果的准确性和可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种串联电池组单体电压检测电路，包括：串联电池组，光耦开关，二线总线、电压极性转换器和电压检测电路；光耦开关由数据选择器任选二个相邻导通，串联电池组电压由光耦开关通过二极管加到总线上，总线上电压经极性转换电路输出到电压检测电路，检测的电压数据选择器选择的单体电池电压，电压极性转换器用于转换电压极性。

进一步，串联电池组包括多个串联的单体电池，每个电池的正极连接一个光耦开关，光耦开关数量与单体电池数量一致，每个光耦开关的输出端连接一个二极管。

进一步，数据选择器可由74HC595位移缓存器或单片机输出选择，直接控制光耦开关，把要测量的单体电池电压输出到总线上，不分极性。

进一步，电压极性转换器由四个P型MOSFET组成，把总线上可变的高低电压，转换为单极性电压。

进一步，光耦开关的一个引脚分别连接于数据选择器或单片机信号，测量时只能某单体电池两端的光耦开关导通，另一引脚接地。

进一步，总线二线电压可变，总线电压对应的单体电池两端电压，无极性，总线连接4个相应的P型MOSFET栅极或P型三极管基极，MOSFET的漏极输出到电压检测电压高电压端和其源极输出到电压检测电压的低电压端，4个P型MOSFET组桥式连接。

进一步，电压检测电路把任选的某个串联电压组单体电压转化为其单体电压，电压检测电路由两个P型MOSFET管或两个P型三极管和三个电阻组成，三个电阻阻值相等，两个P-MOSFET管的栅极相连，总线电压输出到MOSFET管的漏极，连总线电压低的MOSFET管栅极与源极相连，并与电阻连接后到地，总线电压高的连电阻后到其漏极，其源极连电阻后到地，源极电压为单体电池电压。

进一步，光耦开关采用开关型光耦芯片。

进一步，总线上电压经极性转换电路输出到电压检测电路，检测电压数据选择器选择的单体电池电压。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，相比现有的电池检测装置，本发明的电路结构更为简单。可以实现直接检测几十节甚至几百节的串联电池组中每个单体电池电压的检测。它包括串联电池组、光耦、二极管、运算放大器、极性转换器、移位缓存器和单片机等组件，减少了元件数量和连接线路的复杂性。通过光耦、二极管和运算放大器的组合，实现对串联电池组各个单体电池电压的检测。每个单体电池的正极连接一个光耦，光耦输出端连接一个二极管，二极管通过极性转换器接收电压并统一切换为正值，然后由运算放大器计算并输出给单片机。这种设计可以快速、准确地检测每个单体电池的电压情况。移位缓存器和单片机的协同工作使得移位缓存器的某两个相邻输出口输出高电平，使得对应两个相邻的光耦导通。这样可以实现单片机对移位缓存器的控制，从而精确地确定哪两个相邻的电池进行电压检测，避免了挨个检测的繁琐过程。通过检测单体电池的电压，可以及时发现电池组中电压过高的情况。当电池电压高于工作电压上限时，可能会发生危险事故，如电池起火或爆炸。本发明的电路可以帮助及时发现异常电压情况，采取相应的措施避免事故发生，提升了电池组的安全性。相比复杂的电池检测装置，本发明的电路结构简单，元件数量较少，因此制造成本相对较低。同时，采用了常见的元器件和单片机，易于获取和集成，降低了设备的成本和维护成本。

第二，本发明应用串联电池组的检测，按图2所示连接，经单片机发出的拟检测某单体电池电压的信号，输出到移位缓存器，控制信号可由指示可见，控制相应的光耦开关导通，某单体电池两端的电压经高低可变端口输入，极性转换电路输出到固定高低端口输出，经差支检测电路检测，某单体的电池的电压由电压输出端输出，可供单片机直接采集。图3和图4对比可见端口电压的变化，可变端口的电位是变化的，经极性转换电路，固定端口的高低电位是固定的，图3和图4是检测相邻的单体电池的电压的情况，实测为4.06V与4.04V，设定为4V，误差为毫伏级，说明检测正确。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的电压检测技术解决了串联电池组因水桶效应产生的共地问题；

(2)可智能选择及监控串联电池组任意单体电池及整体组电压，为锂电池管理系统提供精确的电池端电压；

(3)本发明电压检测产品所用器件为低成本器件，预期有较好的商业价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的串联电池电压检测电路；

图2是本发明实施例提供的串联电池组与光耦连接示意图；

图3是本发明实施例提供的总线与极性转换电路连接示意图；

图4是本发明实施例提供的电压检测电路；

图5是本发明实施例提供的单片机与移位缓存器连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种串联电池组单体电压检测电路，下面结合附图对本发明作详细的描述。

根据如图1描述，可以构建以下的串联电池组单体电压检测方法：

1)选择检测电池：使用数据选择器(例如74HC595位移缓存器或单片机输出选择)选择需要检测的单体电池。数据选择器直接控制与选定电池相连的光耦开关。

2)电压采集：通过导通的光耦开关，将选定电池的电压输出到二线总线上。此时的电压无极性。

3)电压极性转换：二线总线上的电压经过由四个P型MOSFET组成的电压极性转换器，被转换为单极性电压。

4)电压检测：单极性电压输出到电压检测电路。电压检测电路由两个P型MOSFET管或两个P型三极管和三个电阻组成，能将串联电池组中任选的单体电池电压转化为其单体电压。

5)重复以上步骤：对串联电池组中的所有单体电池重复以上步骤，以完成全部电池的电压检测。

这种方法可以大大简化串联电池组的单体电池电压检测过程，提高检测效率，并降低设备和操作的复杂性。同时，由于使用了电压极性转换器和电压检测电路，可以确保检测结果的准确性和可靠性。如图1所示，本发明实施例提供的串联电池组单体电压检测电路，包括：串联电池组，光耦开关，二线总线、电压极性转换器和电压检测电路；光耦开关由数据选择器任选二个相邻导通，串联电池组电压由光耦开关通过二极管加到总线上，总线上电压经极性转换电路输出到电压检测电路，检测的电压数据选择器选择的单体电池电压，电压极性转换器用于转换电压极性。

串联电池组包括多个串联的单体电池，每个电池的正极连接一个光耦开关，光耦开关数量与单体电池数量一致，每个光耦开关的输出端连接一个二极管。

数据选择器可由74HC595位移缓存器或单片机输出选择，直接控制光耦开关，把要测量的单体电池电压输出到总线上，不分极性。

电压极性转换器由四个P型MOSFET组成，把总线上可变的高低电压，转换为单极性电压。

光耦开关的一个引脚分别连接于数据选择器或单片机信号，测量时只能某单体电池两端的光耦开关导通，另一引脚接地。

总线二线电压可变，总线电压对应的单体电池两端电压，无极性，总线连接4个相应的P型MOSFET栅极或P型三极管基极，MOSFET的漏极输出到电压检测电压高电压端和其源极输出到电压检测电压的低电压端，4个P型MOSFET组桥式连接。

电压检测电路把任选的某个串联电压组单体电压转化为其单体电压，电压检测电路由两个P型MOSFET管或两个P型三极管和三个电阻组成，三个电阻阻值相等，两个P-MOSFET管的栅极相连，总线电压输出到MOSFET管的漏极，连总线电压低的MOSFET管栅极与源极相连，并与电阻连接后到地，总线电压高的连电阻后到其漏极，其源极连电阻后到地，源极电压为单体电池电压。

光耦开关采用开关型光耦芯片。

总线上电压经极性转换电路输出到电压检测电路，检测电压数据选择器选择的单体电池电压。

如图2所示，本发明实例提供一种串联电池组单体电压检测电路，由多个串联的电池，多个光耦，二线总线、电压极性转换和电压检测电路组成。

光耦选择4N25，其1脚连数据选择器或单片机输出信号，2脚连地，由单片机输出的两相邻光耦的1脚加高电位，光耦开关4、5脚导通。可任选电池两端的光耦导通，某单体电池电压输出到总线上，无极性，二总线电压可高可低。如图3所示。

总线线电压可变，无极管或高低电压可变，经图3电路后，输出为高低电压明确的电路输出。经图4电压检测电路，可检测出串联电池组某单体电池电压。

各光耦的引脚1分别连接于数据选择器或单片机信号，测量时只能某单体电池两端的光耦开关导通；各光耦的引脚2均接地，光耦采用开关型光耦芯片如4N25芯片。

多个光耦，其数量比串联电池组单体电池多一，每个单体电池的正极都会连接一个对应的光耦引脚5；

每个电池的正极都会连接一个光耦开关；光耦开关由数据选择器任选二个相邻导通，单体电池电压由光耦开关通过二极管加到总线上，总线上电压经极性转换电路输出到电压检测电路，检测的电压数据选择器选择的单体电池电压。

本发明提供了一种串联电池组单体电压检测电路，可以实现直接检测几十节的串联电池组中每个单体电池电压的检测。

以下结合附图1进行进一步说明：

如图1所示，本实例提供一种串联电池组单体电压检测电路，包括：光耦、74HC595移位缓存器、极性转换器，运算放大电路、单片机。

每个电池的正负极分别连接两个相邻的光耦，运算放大电路与极性转换器和单片机连接，移位缓存器与单片机和光耦开关、单体电池连接。

移位缓存器的作用就是根据从单片机接收到的拟测某单体电池的串行信号转为并行的信号，指定拟测某单体电池两端连接的光耦开关导通，其它电池的光耦开关关闭，保证一时间只测某一个单体电池的电压；移位缓存器采用级联的方式连接，一个移位缓存器可控制8个光耦，4个单体电池，两个移位缓存器可以控制16个光耦，以此类推。

本实例通过单片机向移位缓存器输入测试信号数据控制光耦，在任意时间保证只有一对某单体电池两端相邻的光耦是导通的，其余光耦关闭；通过移位缓存器选择指定需要导通的光耦，此时得到的电压就是两个光耦所连接的单体电池电压，通过单片机程序编译控制移位缓存器选择每个电池就可测量所有单体电池电压。

在如图1所示中，串联电池组为N个，包括BAT1～BATN，对应的光耦采用N+1个，包括K1～KN+1。

具体的，光耦采用4N25芯片。各光耦的引脚1分别连接于74HC595移位缓存器的一个输出引脚；各光耦的引脚2均接地；各光耦的引脚5分别连接对应的单体电池正极；各光耦的引脚4均连接一个二极管，通过二极管连接到极性转换器。

单片机采用AT89C51芯片或其它类型可编程的单片机都可。

如图5所示，单片机的P3.4引脚与首个移位缓存器的14引脚连接，用于数据的输入，P3.5、P3.6分别与每个移位缓存器12、11引脚连接，用于控制移位缓存器的工作状态，LED灯与单片机相连，用于指示移位缓存器的输出情况。

在如图5所示中，移位缓存器为多个，其数量由单体电池数确定，采用级联的方式连接。在级联的74HC595移位缓存器中，上一级的移位缓存器的9引脚与下一级移位缓存器的14引脚连接，移位缓存器U1的输出引脚Q0～Q7分别连接K1～K8的引脚1，移位缓存器U2的输出引脚Q0～Q7则分别连接K9～K16的引脚1，以此类推，每个移位缓存器分别可以连接控制8个对应的光耦。

本发明工作原理：

单片机控制移位缓存器，并向移位缓存器输入信号数据，移位缓存器向指定的光耦发送高电平使其导通，通过单片机程序保证在同一时间内只有一对相邻的两个光耦导通，这样就确定了串联电池组中的单体电池。单体电池两端电压经导通的光耦开关输出到极性转换器，极性转换器的输入端两端口电压，无极性，端口电压高低可变，但经极性转换后，输出端电压为有明确高低端输出，由此，差分检测电路换算为单体电池电压，经运算放大电路输出到单片机，可供单片机后续的处理。

本发明应用串联电池组的检测，按图2所示连接，经单片机发出的拟检测某单体电池电压的信号，输出到移位缓存器，控制信号可由指示可见，控制相应的光耦开关导通，某单体电池两端的电压经高低可变端口输入，极性转换电路输出到固定高低端口输出，经差支检测电路检测，某单体的电池的电压由电压输出端输出，可供单片机直接采集。图3和图4对比可见端口电压的变化，可变端口的电位是变化的，经极性转换电路，固定端口的高低电位是固定的，图3和图4是检测相邻的单体电池的电压的情况，实测为4.06V与4.04V，设定为4V，误差为毫伏级，说明检测正确。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。