一种实现高压隔离的电压采集及断线检测方法与流程

本发明属于电源管理，具体涉及一种实现高压隔离的电压采集及断线检测方法。

背景技术：

1、在bms电池管理系统领域，要对电池组/串的过充电及过放电做到精细化的控制，就要对电池组/串的电压进行采集并量化，然后再进行比较，根据比较结果控制bms中的充/放电开关管，从而达到控制充/放电的目的，用于?；ふ鯾ms系统的安全。由于电池组/串一般都在十几伏，高至一百伏左右，所以对于电池组/串的电压采集，都必须在高压域进行；另外，出于bms安全角度的考虑，一般也都会进行断线功能的检测，即对电池组/串的节点进行灌/拉电流的动作，配合上电压的采集和量化，从而判断是否有节点断线，而对电池组/串灌/拉电流的动作也都是在高压域进行，且独立于采集部分。最终通过高压域的采集，量化以及数据处理，确保整个系统的安全运行；

2、目前，在电源管理领域，特别是bms系统的电压采集，量化以及断线判断主要有以下的实现方案：

3、如图1是目前普遍使用的bms系统控制简图，控制过程如下：

4、1.将电池组/串的两个相邻节点电压vc（m），vc（m-1）通过高压域的数据选择器直接输出到比较器或者量化电路（一般指模数转换器）中，按照时分复用的方式，依次对每节电池电压进行测量；

5、2.因为vc（m），vc(m-1)是高压电压，所以后级的比较器或者量化电路中必须加入一定的高压隔离电路，如图3阴影部分是利用高压电容做的隔离，或者直接在高压域进行数据处理，最后通过高压转低压的电平转换电路输出逻辑值；

6、3.经过比较器或者量化电路后的数据必须转换成低压域的数据，再经过一定的逻辑处理，按照bms的?；げ呗越刂菩藕攀涑龈缏?；

7、4.最后，驱动电路按照逻辑控制单元提供的信号来控制充/放电功率管的开启和关闭；

8、5.对于断线判断，未在图1中体现出来，如图5所示，一般是在vc(m)上加一个下拉或者上拉电流，通过开关管，配合上一定时序实现周期性的主动下拉或者上拉节点vc（m），如果存在真实断线，vc(m)就会被下拉到接近vc(m-1)或者上拉到接近vc(m+1)；

9、图2是高压域常用的一种数据选择器，示意了一节电池，实际bms有n节电池，就需要n组图2中的电路；由于高压域的数据选择器直接输出高压电压，所以后级的电路也必须在高压域工作，最后将高压域的逻辑信号转换成低压域的逻辑信号，或者将高压域和低压域通过耐高压的器件隔离，如图3、图4所示，利用耐高压的电容隔离开；

10、图3是高压mux的后级量化电路，利用阴影部分的耐高压电容，将高压和低压隔离开，同时实现电压采样的目的。由于一般的量化电路都是采用差分形式，且为了省功耗，基本都是使用开关电容电路，所以对于vc_s_p/?vc_s_n,?都是利用图2中的高压mux?在不同相位来回切换，实现vc_s_p/vc_s_n在不同相位时选择vc(m)或者vc(m-1)，时序如图4所示；

11、图5是常见的一种断线检测的实现方案，即在vc（m）上拉或者下拉一定电流，为了节省功耗，这种上拉或者下拉或者上/下拉配合的动作是周期性发生的，每次只进行一小段时间，如果存在真实断线，就会被拉低或者拉高到相邻的节点电压值附近；

12、以上常用的这种方式可以实现电池组/串的电压采集及判断过压，欠压，断线等功能，但这种方案由于数据选择器是在高压域完成的，所以存在诸多的缺点：

13、如图2所示，一节电池的采集需要至少6个高压开关管，面积开销很大，并且需要额外的高压?；さ缏?；

14、后级量化电路或者比较电路，即数模转换器或者比较器需要使用耐高压电容作为采样电容和高压隔离器件，一方面面积开销大，另外因为高压器件面积本身就比较大，所以各个节点的寄生电容也会比较大；

15、因为数据选择器的输出是直接驱动电容负载的，所以对于后级的高速比较器或者数模转换器来讲，如果要保证一定的建立时间，就需要高压开关管的导通电阻比较小，这就需求并联更多的开关管，进一步增加了面积开销；另外，如图5，对于断线检测的上拉或者下拉，也需要额外的高压开关管，也将进一步增加面积，因此，需要研发一种新的实现高压隔离的电压采集和断线检测方法来解决现有的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种实现高压隔离的电压采集及断线检测方法，以解决高压数据选择器面积消耗过大的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种实现高压隔离的电压采集及断线检测方法，包括：

3、利用电阻电容网络对电池串中每个节点电压vcx进行分压得到低电压；并实现高压隔离，

4、将采集的低电压通过低压数据选择器，配合时序，依次输出每一组电压值；电压值包括：每一组vc_s(m)，比如测试cell(m)的电压时，低压数据选择器就输出vc_s(m)?和vc_s(m-1)；

5、将低压数据选择器输出的每一组电压值经过驱动放大后发送给比较器或者模数转换电路，将采集到的电压信号经过测量系统，得到最终每节电池的测量值；

6、优选的，所述电阻电容网络中的电阻确定方法包括：

7、根据电池组的最高节数n、单节电池的最高电压vmax、低压工艺的耐压值以及支路功耗要求选择电阻r以及分压比例；

8、设定第m节电池的正极电压为vc(m),?负极电压为vc(m-1),?即vc(m)-vc（m-1）≤vmax。

9、优选的，所述将采集的低电压通过低压数据选择器的方法包括：

10、当测量第m节电池时，通过低压数据选择器将vc(m)和vc(m-1)选通；

11、当测量第(m+1)节电池时，将vc(m+1)和vc(m)通过低压数据选择器选通。

12、优选的，所述电阻电容网络包括电阻单元m*r、与电阻单元m*r相连接的高压开关管、与两个高压开关管相连接的电容。

13、优选的，所述电阻r值确定方法包括：

14、根据单节电池最高电压值以及每组功耗要求来确定，若vmax/(n*r)?大于每组功耗要求的值时，设置高压开关管s(m)0和高压开关管s(m)1配合控制时序，并设置为间歇性工作的模式，测量第m节电池时，即测量vc(m)和vc(m-1)时，可以提前将s(m)0打开，等到正式测量时再将s(m)1开启。

15、优选的，所述电容的计算方法包括：将vc(m)分压为1/n，所以分压后的电压值表示为（s频域）

16、（1）

17、当时，（2）；式中，n代表电池串数，r代表电阻，s是拉普拉斯变换中的复数频率；c’、c分别代表不同的电容值；m是自然整数；

18、从公式（1）~公式（2）得出vc(m)分压后的电压建立的时间常数τ为：

19、???(3)；

20、其中，n大于等于10时，（4）；

21、时间常数（5）；

22、式中，形如a//b表示如下：（6），其中a、b表示两个数值；

23、所以第m支路的电容为时，所有支路时间常数一致，即cr。

24、优选的，所述电容的计算方法还包括：如果需要进一步减小开关的面积，比如只采用nmos作为高压开关管，则继续分压，设分压比为k，则对应的电容也需要变化，其时间常数为：

25、（7），

26、当时，（8），

27、当n≥10，?k≥5时，（9），

28、所以第m支路的电容为c/m时，所有支路时间常数一致，即cr/k。

29、优选的，所述低压数据选择器输出的每一组电压值驱动放大的实现电路包括：与低压数据选择器连接的第一运算放大器和第二运算放大器、与第一运算放大器、第二运算放大器相连接的第三运算放大器、与第三放大器相连接的比较器或模数转换器；

30、其中，所述第一运算放大器、第二运算放大器与第三运算放大器之间均设置有电阻；

31、所述第三运算放大器分别并联有电阻。

32、优选的，所述低压数据选择器输出的每一组电压值驱动放大的实现电路包括：与低压数据选择器连接的第一运算放大器和第二运算放大器、与所述第一运算放大器和第二运算放大器相连接的比较器或模数转换器。

33、本发明另提供一种实现高压隔离的电压采集及断线检测方法，其特征在于：用于将各个节点电压从高压转成低压的高压隔离及采集电路、用于将高压隔离及采集电路转换后的低压根据控制逻辑的时序，将需要进行比较或者量化的低压输出的低压数据选择电路、用于将低压数据选择电路的低压进行驱动和放大的电压放大及驱动增强电路、比较器或模数转换器、数据处理及逻辑控制电路、用于根据数据处理及逻辑控制电路的结果控制功率管开启和关断的功率管驱动电路。

34、本发明的技术效果和优点：本发明采用电阻网络进行高压隔离，同时完成电压初步采集以及断线下拉功能，无需较多的高压开关管，减小了面积开销，同时兼顾断线检测时的下拉功能，不需要额外的下拉电路；采样电压只与电阻比例相关，与电阻绝对值无关，因此工艺上易于实现；实现方式简单，无须担心高压工艺中的一些限制要求及可靠性问题，使得高压隔离变得简单，高压域和低压域区分清晰，正因为高压器件使用较少，所以占用的面积资源相对比较少，简单，有效的实现方式达到了高压隔离，电压采集以及断线检测的目的，配合上一定的电容，实现各采样电压有相同的建立时间；通过修改电阻网络的值，来控制断线检测的下拉能力，再配合上一定的控制时序，也能够既实现断线功能，节省功耗；将高压域vc(m)和低压域的比较/量化及控制电路隔离，这样从系统角度讲既可靠，又节省面积；克服现有技术中高压数据选择器面积消耗过大，且输出与后续电路需要耐高压器件隔离以及断线检测方案中也需要额外的高压器件来配合实现的问题；将高压隔离，电压采集，断线检测的部分功能同时完成。