一种新型蓄电池单体电压检测装置
本实用新型属于电压检测装置技术领域，具体涉及一种新型蓄电池单体电压检测装置。
背景技术：
现今，电动汽车发展越来越快，市面上也出现了越来越多的电动汽车，因此对电动汽车维修的需求量也越来越大，尤其体现在蓄电池的维修与保养上，需对蓄电池的工作状态进行检测与监控，根据检测结果判断蓄电池是否处在良好的工作状态。而当前的蓄电池大多为单体且电压不高，一般只有3.6v左右，为满足新能源汽车功率要求以及提高使用效率，多采用多节蓄电池串联方式提高输出电压，当多节蓄电池串联后的某一节蓄电池出现故障，均会导致整体故障，所以需要对多节蓄电池串联中的某个单体蓄电池进行精确检测。
当前对串联锂电池单体电压检测的难点主要在于串联电池组的各电池电位是逐渐升高的，单体锂电池的两端电压信号是包括了巨大的共模信号，此共模信号的消除是一个较大的难点，同时，串联锂电池组与电压检测相连，导致电池组时刻处于自放电状态，因此如何精确的测量单体电池电压并消除测量带来的串联锂电池组的性能损失是当前必须解决的问题。常用的对数量较多的串联蓄电池组进行单体电压检测方法非常占用资源，还存在可靠性不够等问题；也有一些测量装置中选用继电器作为开关，性能比较稳定可靠，但却存在体积过大、机械触点寿命有限、噪声较大等缺点，如串联的蓄电池过多，则会占用太多的空间，不利于集成检测，长时间使用还会存在不稳定的问题；也有一些检测方法中采用运算放大器结合p型mosfet管，但由于漏电流和导通电阻的存在，会导致检测精度的下降。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型的目的之一在于提供一种新型蓄电池单体电压检测装置，能减小检测装置的体积并实现高精度测量单体蓄电池的电压。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种新型蓄电池单体电压检测装置，包括，
光耦开关矩阵，用于在导通时输入单体蓄电池两端的电压；
差分运放模块，与所述光耦开关矩阵的输出端相连，用于消除所述光耦开关矩阵传输的电压中的共模电压信号；
绝对值处理模块，与所述差分运放模块的输出端相连，用于将所述差分运放模块发送的电压进行绝对值处理；
光电隔离模块，与所述绝对值处理模块的输出端相连，并与ad转换模块的输入端相连，用于隔离所述绝对值处理模块和与所述光电隔离模块输出端相连的ad转换模块，以及接受绝对值处理模块发送的绝对值电压信号并发送；
ad转换模块，与所述光电隔离模块的输出端相连，用于将所述光电隔离模块发送的电压信号转换成数字信号并发送；
cpu控制模块，与所述ad转换模块的输出端相连，用于根据ad转换模块输出的数字信号输出控制信号；
译码器及逻辑门模块，与所述cpu控制模块的输出端相连，且所述译码器及逻辑门模块的输出端与所述光耦开关矩阵的输入端相连，用于接收所述cpu控制模块发出的控制信号，能够实现i/o口的扩展，控制所述光耦开关矩阵的选通开关。
进一步地，所述译码器及逻辑门模块包括74ls138译码器、逻辑门芯片74ls86和逻辑门芯片74ls04。
进一步地，所述译码器74ls138的输出接到逻辑门芯片74ls86和74ls04，所述逻辑门芯片74ls86是四组两输入端异或门，逻辑门芯片74ls04为6输入反向器。
进一步地，所述差分运放模块的芯片选用ina148ua差分运算放大器芯片。
进一步地，所述光电隔离模块中采用hcnr200线性光耦作为隔离器。
进一步地，所述ad转换模块采用ad974芯片。
进一步地，还包括设置在所述ad转换模块输入端前的分压电路，用于控制所述ad转换模块的输入端电压在0-5v范围内。
进一步地，所述cpu控制模块采用stc12c5620ad单片机作为主控芯片。
进一步地，所述绝对值处理模块还包括rc滤波器及电压跟随器。
进一步地，cpu控制模块还包括485通讯单元。
进一步地，光耦开关矩阵采用光耦elt3021作为蓄电池与检测装置的隔离开关。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1.节省资源，扩展方便，稳定性更高；本装置的内部电路在开关矩阵选通的设计上，并非直接通过控制模块i/o直接控制，而是采用译码器与逻辑门电路组合对开关矩阵进行控制，节省了i/o口的浪费，且扩展方便，同时采用逻辑门模块，还增添了测量的稳定性，在异或门的控制下，即使出现通讯错误，也能避免蓄电池测量短路的情况发生，提高了装置在使用时，内部电路的测量稳定性。
2.设计合理，结构简便；在测量单体电压的原理设计上，本装置采用了开关矩阵对各个单体电池进行选通检测，这样的设计节省了大量运算放大器及电路，大大节省了成本，且简化了电路结构，降低了装置内电路体积，更利于电路小型化集成化，从而减小检测装置的体积，便于装置携带，同样在装置的后续运放电路的设计中，采用了两个运算放大器采集各个单体蓄电池两端电压，通过cpu控制模块使采集值为正的运算放大器输出值送入后续信号处理模块，这样也简便了电路结构，更利于集成，同样能减少装置的体积。
3.抗干扰能力强，安全性能好；在传统检测装置的电路基础上，对选通开关矩阵和运算放大电路进行了改进，选择光耦继电器开关作为本设计的选通开关，光耦继电器不仅具有稳定可靠的优点，同时还有体积小，运行安全的优点，光耦继电器能将蓄电池的高压与控制电路的低压电路隔离开来，所以具有抗干扰能力强，安全性好的优点，同时在装置的运行电路设计中，添加线性光耦隔离模块，增强了装置在测量时的抗干扰能力，提高装置稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分可按照实际的比例绘制。
图1为本实用新型一种新型蓄电池单体电压检测装置的一实施例结构连接图；
图2为本实用新型中光耦开关矩阵的内部原理电路图；
图3为本实用新型中差分运放模块电路原理图；
图4为本实用新型中绝对值处理模块的电路原理图；
图5为本实用新型中光电隔离模块电路原理图；
图6为本实用新型中a/d转换模块的内部原理电路图；
图7为本实用新型中参考电压源的电路原理图；
图8a为本实用新型中cpu控制模块的内部原理电路图；
图8b为本实用新型中485通讯单元的内部原理电路图；
图9为本实用新型中译码器及逻辑门模块的内部原理电路图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
需注意，本实施例中的电路图中的附图标记均为常用电路图符号，如gnd代表接地，vcc为电压；r加数字代表电阻、c加数字代表电容、d加数字为二极管等等，这些不在实施例中一一赘述。
实施例1
参考图1，本实用新型一种新型蓄电池单体电压检测装置的一实施例总体原理框图；具体地，一种新型蓄电池单体电压检测装置，包括，
光耦开关矩阵100，用于在导通时输入单体蓄电池两端的电压；
本实施例中的光耦开关矩阵100的原理电路图可参考图2，本实施例中选用光耦继电器开关，光耦继电器以光为媒介传输电信号，它对输入输出电信号有良好的隔离作用，所以它在各种电路中得到广泛的应用；
优选地，本实施例中的光耦开关矩阵100采用光耦elt3021作为蓄电池与检测装置的隔离开关，图2中的s1-s8即为光耦elt3021，光耦elt3021具有良好的线性及开关特性，能很好的将蓄电池高压与低压检测装置隔离开来，elt3021最高隔离电压能达到5000v，同时也具有良好的线性特性，保证了测量的精准。
差分运放模块200，与光耦开关矩阵100的输出端相连，用于消除光耦开关矩阵传输的电压中的共模电压信号；
本实施例中的差分运放模块200的内部电路原理图可参考图3，本实用新型中的新型蓄电池单体电压检测装置测量精度主要取决于各电阻匹配精度，如果电阻精度不够将导致后续测量精度误差太大，而电阻精度越高，成本越高，要达到理想的测量精度，对电阻的要求从成本来说是比较不合适的，因此为提高最后测量精度，本实施例中选取ti公司的ina148ua差分运算放大器芯片，此芯片内部集成高精度电阻网络，能达到需求的测量精度，ina148ua连接电路图可参考芯片手册典型电路图；
图3中的ina148芯片的各引脚标注均为典型ina148ua电路图标注，ref为基准参考电压输入，+in为正输入端，-in为负输入端，v-为负电源端，v+为正电源端，nc为常闭触头，out为输出端。
绝对值处理模块300，与差分运放模块200的输出端相连，用于将差分运放模块发送的电压进行绝对值处理；
实施例中的绝对值处理模块300的电路图可参考图4，进一步地，采用ina148芯片消除共模误差后，本实施例中的绝对值处理模块300内采用精密运放opa177芯片，因为ad转换芯片只能对正值进行ad转换，所以需使输入到后续ad转换模块500的电压值不为负，采用opa2227运算放大器芯片进行滤波和增强抗干扰能力，opa2227是一种低噪声、高精度的运算放大器集成电路；opa2227具有输入失调电压低，输入偏置电流低和开环增益高等特性，因此，本实施例中，在绝对值处理模块的电路中采用opa2227作为运算放大器；
优选地，为消除杂波信号，在其他实施例中可以在绝对值处理模块后端接rc滤波器，如图4中电阻r7与电容c12构成的rc滤波。
优选地，为提高输入阻抗，增强抗干扰能力，在绝对值处理模块后端接电压跟随器，如图4中电容c14、运放器u5a等组成的电压跟随器的电路。
光电隔离模块400，与绝对值处理模块300的输出端相连，并与ad转换模块500的输入端相连，用于隔离绝对值处理模块和与光电隔离模块输出端相连的ad转换模块，以及接受绝对值处理模块发送的绝对值电压信号并发送；
本实施例中的光电隔离模块400的内部原理电路图可参考图5，本实施例中，为避免将蓄电池高压信号引入后续ad转换模块500和cpu控制模块600，带来误差与不安全性，采用线性隔离光耦作为隔离器，在一具体实施例中，采用hcnr200线性光耦作为隔离器；
本实施例中的hcnr200芯片的各引脚标注均为典型hcnr200电路图标注，led为发光二极管，pd1与pd2均为光电二极管。
ad转换模块500，与光电隔离模块400的输出端相连，用于将光电隔离模块400发送的电压信号转换成数字信号并发送；
本实施例中的ad转换模块500的内部原理电路图可参考图6，本实施例中，为了蓄电池单体电压检测有较高的精度，采用高精度的ad转换芯片，ad974是一款4通道、200ksps、低功耗、16位模数转换器，它具有采样率高，数模转换精度高、线性误差小、信噪比高，总谐波失真小等特点，本实施例中，通过高精度电压源为ad974提供高精度参考电压，ad974通过dataclck引脚与单片机进行时钟信号通信，最后通过data引脚进行串行通信将转换结果送入单片机完成ad转换；
本实施例中的ad974芯片的各引脚标注均为典型ad974电路图标注，agnd、agnd2为模拟地，v3b、v3a、v4b、v4a、v2b、v2a、v1b、v1a均为模拟输入范围选择端，bip为双极性偏移量，cap为参考缓冲输出，ref为参考输入/输出端，r/c为读取/转换输入端，vdig为数字电源端，pwrd为掉电模式输入端，ext为数字时钟选择输入端，dgng为数字地，vana为模拟电源端，a0、a1为通道选择端，cs片选输入端，busy为忙状态信号输出端，wr1、wr2为多路转换器写输入端，data为与dataclk同步的串行数字输出端，dataaclk为串行数字时钟输入/输出端，sync为数字输出帧同步端，p1.1a0、p1.0a1与控制芯片相连，实现通道选择，p3.7bsuy0为忙信号输出端，p1.7ssclk为数字时钟端，实现与控制芯片的时钟通信，p1.6data为数字输出端，实现ad转换的数据输出。
优选地，在一具体实施例中选择ref02作为参考电压源，电路图参考图7，ref02是一个精密基准电压源芯片，能够提供稳定的10.0v、5.0v或2.5v输出，具有出色的温度稳定性，能够在更宽的工作温度范围内提供更高的精度和温度稳定性，ref02具有高输出精度，低噪声，高负载驱动能力等特点；图7中的tm为温度系数输出引脚温度改变，此引脚输出也会有所改变，电路不会用到此引脚，tr为输出电压调整引脚，可以精密调节输出电压，使得输出电压精确为5v。
进一步地，常用的ad转换输入电压范围为0-5v，本实施例中，还在ad转换模块输入端前设置一分压电路，用于控制所述ad转换模块的输入端电压在0-5v范围内。
cpu控制模块600，与ad转换模块500的输出端相连，用于根据ad转换模块500输出的数字信号输出控制信号；
本实施例中的cpu控制模块600的内部原理电路图可参考图8a与图8b，图8a为控制模块主体部分，实现对检测装置的整体控制，如控制检测装置对电池组中某一个电池的检测等等，本实施例中，cpu控制模块采用stc12c5620ad单片机作为电测装置的主控芯片，stc12c5620ad单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，能满足本设计抗干扰，运算速度和通信速度的要求。主控模块主要实现对ad转换模块中ad974转换数据的处理，以及对蓄电池检测通路的选通控制，stc12c5620ad单片机与ad转换芯片ad974主要通过串行通信进行数据传输；cpu控制模块还包括485通讯单元，其目的为搭建的485串口，通过485串口能够将测量的数据传输至上位机(电脑)，便于直观的看到检测数据，图8b为485通讯单元内部的原理电路图。
需要注意，图8a与图8b中的stc12c5620ad单片机、485通讯单元(max485)中的引脚标注均为常用引脚功能，具体可以参考stc12c5620ad单片机器件手册和max485使用手册。
译码器及逻辑门模块700，与cpu控制模块的输出端相连，且其输出端还与光耦开关矩阵的输入端相连，用于接收cpu控制模块600发出的控制信号，能够实现i/o口的扩展，控制光耦开关矩阵100的选通开关。
本实施例中的译码器及逻辑门模块700的内部原理电路图可参考图9，译码器的作用是扩展i/o口，使cpu用少量的i/o口能控制大量的蓄电池测量通道导通，本实施例中采用74ls138译码器，通过a0，a1，a2三个i/o口的输入控制
进一步的，本实施例中的一种新型蓄电池单体电压检测装置还包括被测电池组800，用于被测试电池组800中的单个电池电压，图2中p1-p7代表不同的蓄电池。
实施例2
实施例1中的一种新型蓄电池单体电压检测装置工作原理为：cpu控制模块输出控制信号，译码器接受后，相应输出端口输出为低电平，其余输出端口为高电平，输出端口送入异或门相与，只有与相应输出为低电平端口相与的两个异或门才输出高电平，其余输出低电平，实现将相应单体蓄电池的两端电压信号送入后续检测装置。电压信号送入差分运放模块后，将共模电压信号消除，得到蓄电池真实单体电压，但得到的电压值可能为负，会影响后续a/d转换，所以对信号进行绝对值处理，经过绝对值处理模块处理后，再通过电压跟随器和滤波器，提高输入阻抗，增强抗干扰能力。为避免将蓄电池高压信号引入后续a/d转换及cpu控制模块，采用线性隔离光耦，将前端高压检测部分电压与后续检测装置模块隔离开来，消除高压部分带来的信号干扰，并提高检测装置安全性。
本实用新型中的一种新型蓄电池单体电压检测装置通过由译码器及逻辑门模块控制的光耦开关矩阵通断，实现控制采集各单体蓄电池电压，采用译码器有效节省了i/o口的占用，简化了检测装置中内部电路结构，并可以灵活实现电路扩展，逻辑门也节省控制支路，使得一个输出口能控制一节蓄电池两端光耦开口的通断，同时也能消除信号误传递导致测量的事故发生，提高了蓄电池单体电压测量的稳定性和抗干扰性，使得蓄电池电压检测更为简便且稳定；后续通过差分运放模块对电压进行差分运放，接着经绝对值处理模块后通过后续ad转换模块将模拟量转换为数字量，送入cpu处理。
以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。
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