一种锂电池压力信号采集装置及方法与流程

1.本发明涉及锂电池技术领域，特别指一种锂电池压力信号采集装置及方法。


背景技术：

2.随着储能电站、电动工具、电动汽车等的快速发展，对电池比能量(比能量：参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小；单位：wh/kg或wh/l)和安全性要求逐渐提高，传统的硬壳锂电池越来越不能满足要求，而软包装锂电池具有比能量大、安全性高等特点，逐渐成为锂电池行业的主要产品。
3.但是，软包装锂电池用于动力电源，必须经过串并联成组，并用结构件封装才能满足要求。软包装锂电池的封装不仅要考虑封装结构的强度和变形，还必须考虑封装初始压力与电池充放电过程产生的膨胀压力之和，对电池性能和安全性的影响，然而，传统上并无对锂电池所受压力进行检测的相关装置。
4.因此，如何提供一种锂电池压力信号采集装置及方法，实现对锂电池受到的压力进行实时采集，进而提高锂电池的性能以及安全性，成为一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题，在于提供一种锂电池压力信号采集装置及方法，实现对锂电池受到的压力进行实时采集，进而提高锂电池的性能以及安全性。
6.第一方面，本发明提供了一种锂电池压力信号采集装置，包括：
7.一个上位机；
8.一个压力信号采集器，与所述上位机连接；
9.一个压力传感器组，与所述压力信号采集器连接；
10.所述压力信号采集器包括：
11.一个通信模块，与所述上位机连接；
12.一个主控模块，与所述通信模块连接；
13.一个模数转换模块，与所述主控模块连接；
14.一个电压放大模块组，一端与所述模数转换模块连接，另一端与所述压力传感器组连接。
15.进一步地，所述压力传感器组包括：
16.至少两个压力传感器，分别与所述电压放大模块组连接。
17.进一步地，所述通信模块为以太网通信模块。
18.进一步地，所述电压放大模块组包括：
19.至少两个电压放大模块，一端与所述模数转换模块连接，另一端与所述压力传感器组连接。
20.进一步地，所述电压放大模块包括：
21.一个电压放大芯片u17，引脚2以及3与压力传感器组连接；
22.一个电阻r79，一端与所述电压放大芯片u17的引脚8以及模数转换模块连接，另一端与所述电压放大芯片u17的引脚7连接；
23.一个电阻r83，一端与所述电阻r79连接，另一端与所述电压放大芯片u17的引脚6连接；
24.一个电容c92，一端与所述电压放大芯片u17的引脚4连接并接地，另一端与所述电压放大芯片u17的引脚5连接。
25.进一步地，所述电阻r79的阻值为200k；所述电阻r83的阻值为1k。
26.进一步地，还包括：
27.一个电源模块，与所述主控模块连接。
28.第二方面，本发明提供了一种锂电池压力信号采集方法，包括如下步骤：
29.步骤s10、对压力传感器进行标定，获取第一压力数字信号与实际压力值的转换比例；
30.步骤s20、将压力传感器设于锂电池组内，对锂电池间的压力进行感应，并将感应信号发送给电压放大模块；
31.步骤s30、电压放大模块将接收的所述感应信号进行放大后，发送给模数转换模块；
32.步骤s40、模数转换模块将接收的所述感应信号由模拟量转换为数字量，得到第二压力数字信号并发送给主控模块；
33.步骤s50、主控模块基于所述第二压力数字信号以及转换比例计算压力值，并在接收到上位机发送的压力查询指令后，将所述压力值通过以太网通信模块发送给上位机。
34.进一步地，所述步骤s30具体为：
35.电压放大模块通过电阻r79以及电阻r83的匹配关系，将接收的所述感应信号放大201倍后，发送给模数转换模块。
36.进一步地，所述步骤s40具体包括：
37.步骤s41、模数转换模块接收并存储所述感应信号；
38.步骤s42、模数转换模块在接收到主控模块发送的第一配置值后，将所述感应信号由模拟量转换为数字量得到第二压力数字信号，将所述第二压力数字信号通过spi总线发送给主控模块；
39.步骤s43、主控模块接收所述第二压力数字信号，并通过spi总线向模数转换模块发送配置值获取指令；
40.步骤s44、模数转换模块接收所述配置值获取指令后，向主控模块发送配置寄存器里存储的第二配置值，主控模块判断所述第一配置值与第二配置值是否相等，若是，说明主控模块与模数转换模块之间通信正常，第二压力数字信号有效，并进入步骤s50；若否，则进入步骤s41。
41.本发明的优点在于：
42.1、通过设置压力传感器对锂电池受到的压力进行感应，再利用电压放大模块对压力传感器的感应信号进行201倍的放大，能够对微小的压力进行感应，然后通过模数转换模块将压力传感器的感应信号进行模数转换得到压力数字信号，主控模块利用事先标定得到的转换比例对压力数字信号进行转换计算得到压力值，并通过太网通信模块发送给上位
机，使得上位机能够实时对锂电池组内锂电池受到的压力值进行监测，当压力值超过设定阈值时可及时采取安全措施，让锂电池始终工作在压力合适的环境下，最终实现对锂电池受到的压力进行实时采集，进而极大的提高了锂电池的性能以及安全性。
43.2、通过设置包括至少两个压力传感器的压力传感器组，包括至少两个电压放大模块的电压放大模块组，实现对多个锂电池组，或者同个锂电池组内的多个部位同时进行压力信号采集，进而极大的提升了压力信号采集效率。
44.3、通过模数转换模块在接收到主控模块发送的第一配置值才进行模数转换，主控模块在接收模数转换模块发送的第二压力数字信号后，向模数转换模块索取第二配置值，并通过比对第一配置值和第二配置值是否相同来验证第二压力数字信号是否有效，进而极大的提升了数据传输的完整性以及安全性。
附图说明
45.下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
46.图1是本发明一种锂电池压力信号采集装置的电路原理框图。
47.图2是本发明以太网通信模块的电路图。
48.图3是本发明模数转换模块的电路图。
49.图4是本发明电压放大模块的电路图。
50.图5是本发明一种锂电池压力信号采集方法的流程图。
51.标记说明：
52.100
‑
一种锂电池压力信号采集装置，1
‑
上位机，2
‑
压力信号采集器，3
‑
压力传感器组，21
‑
通信模块(以太网通信模块)，22
‑
主控模块，23
‑
模数转换模块，24
‑
电压放大模块组，25
‑
电源模块，31
‑
压力传感器，241
‑
电压放大模块。
具体实施方式
53.本技术实施例中的技术方案，总体思路如下：通过设置压力传感器31对锂电池(未图示)受到的压力进行感应，再利用电压放大模块241对压力传感器31的感应信号进行放大，然后通过模数转换模块23将压力传感器31的感应信号进行模数转换得到压力数字信号，主控模块22利用事先标定得到的转换比例对压力数字信号进行转换计算得到压力值并发送给上位机1，以实现对锂电池受到的压力进行实时采集，提高锂电池的性能以及安全性。
54.请参照图1至图5所示，本发明一种锂电池压力信号采集装置100的较佳实施例，包括：
55.一个上位机1，用于通过压力信号采集器2获取压力传感器组3测量的压力值；
56.一个压力信号采集器2，与所述上位机1连接，用于对压力传感器组3的感应信号进行放大和模数转换，并进行计算得到直观的压力值；
57.一个压力传感器组3，与所述压力信号采集器2连接，用于对受到的压力进行感应，并发送对应的感应信号；
58.所述压力信号采集器2包括：
59.一个通信模块21，通过网线(未图示)与所述上位机1连接；
60.一个主控模块22，与所述通信模块21连接，用于控制所述压力信号采集器2的工作，型号优选为意法半导体公司的stm32f4系列芯片，stm32f4系列芯片是基于cortex
‑
m4内核的高性能微控制器，采用了90纳米的nvm工艺和art技术，内部集成了一个以太网外设，实际是通过dma控制器进行介质访问控制，借助以太网外设，stm32f4系列芯片可以通过以太网外设按照ieee 802.3
‑
2002标准发送和接收数据包；
61.一个模数转换模块23，与所述主控模块22连接，用于将感应信号由模拟量转换为数字量，型号优选为亚德诺半导体公司的ad7689，ad7689是8通道、16位、电荷再分配逐次逼近寄存器型模数转换器，使用简单的spi接口实现配置寄存器的写入和转换结果的接收，使用外部基准电压源2.5v,所有模拟输入配置为单端输入，以系统地为参考，所有模拟输入的范围均为gnd至2.5v；
62.一个电压放大模块组24，一端与所述模数转换模块23连接，另一端与所述压力传感器组3连接。
63.进一步地，所述压力传感器组3包括：
64.至少两个压力传感器31，分别与所述电压放大模块组24连接，用于对受到的压力进行感应，并发送对应的感应信号。
65.进一步地，所述通信模块21为以太网通信模块21，用于所述上位机1与压力信号采集器2通过以太网进行通信，以提升通信速度；所述以太网通信模块21的型号优选为lan8720a，lan8720a是低功耗的10/100m以太网物理层芯片，可以通过自协商的方式与目的主机建立最佳连接，支持hpauto
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mdix(自动检测当前连接所需的电缆连接类型)自动翻转功能，无需更换网线即可将连接更改为直连或交叉连接；所述以太网通信模块21通过rmii接口与主控模块22连接，所述主控模块22通过移植lwip协议栈(是瑞典计算机科学院开发的一个小型开源的tcp/ip协议栈，是tcp/ip的一种实现方式)来实现udp通讯。
66.进一步地，所述电压放大模块组24包括：
67.至少两个电压放大模块241，一端与所述模数转换模块23连接，另一端与所述压力传感器组3连接；
68.进一步地，所述电压放大模块241包括：
69.一个电压放大芯片u17，引脚2以及3与压力传感器组3连接；所述电压放大芯片u17用于对压力传感器31的感应信号进行放大，便于对微小的压力进行检测，型号优选为亚德诺半导体公司的ad8237armz，ad8237armz是一款微功耗、零漂移、轨到轨输入和输出仪表放大器，通过阻值为200k的所述电阻r79和阻值为1k的所述电阻r83的匹配，将ad8237armz的增益设置为201倍，ad8237armz集成rfi滤波器，可在不影响输入阻抗和频率范围内cmrr(共模抑制比)的情况下移除高频带外信号；
70.一个电阻r79，一端与所述电压放大芯片u17的引脚8以及模数转换模块23连接，另一端与所述电压放大芯片u17的引脚7连接；
71.一个电阻r83，一端与所述电阻r79连接，另一端与所述电压放大芯片u17的引脚6连接；
72.一个电容c92，一端与所述电压放大芯片u17的引脚4连接并接地，另一端与所述电压放大芯片u17的引脚5连接。
73.进一步地，所述电阻r79的阻值为200k；所述电阻r83的阻值为1k；通过200k和1k的
阻抗匹配，实现所述电压放大芯片u17的201倍增益输出，进而对微小的压力进行检测。
74.进一步地，还包括：
75.一个电源模块25，与所述主控模块22连接，用于给所述压力信号采集器2供电。
76.本发明一种锂电池压力信号采集方法的较佳实施例，包括如下步骤：
77.步骤s10、对压力传感器进行标定，获取第一压力数字信号与实际压力值的转换比例，将所述转换比例存储至主控模块中；转换比例＝实际压力值/第一压力数字信号；
78.步骤s20、将压力传感器设于锂电池组内，对锂电池间的压力进行感应，并将感应信号发送给电压放大模块；锂电池组包含若干个相互串并联的锂电池；锂电池在充电过程中会发送膨胀，并对压力传感器产生压力，压力传感器受到压力后以电信号的形式输出，即所述感应信号；
79.步骤s30、电压放大模块将接收的所述感应信号进行放大后，发送给模数转换模块；
80.步骤s40、模数转换模块将接收的所述感应信号由模拟量转换为数字量，得到第二压力数字信号并发送给主控模块；
81.步骤s50、主控模块基于所述第二压力数字信号以及转换比例计算压力值，并在接收到上位机发送的压力查询指令后，将所述压力值通过以太网通信模块发送给上位机，上位机接收并保存所述压力值。压力值＝第二压力数字信号*转换比例。
82.进一步地，所述步骤s30具体为：
83.电压放大模块通过电阻r79以及电阻r83的匹配关系，将接收的所述感应信号放大201倍后，发送给模数转换模块。
84.进一步地，所述步骤s40具体包括：
85.步骤s41、模数转换模块接收并存储所述感应信号；
86.步骤s42、模数转换模块在接收到主控模块发送的第一配置值后，将所述感应信号由模拟量转换为数字量得到第二压力数字信号，将所述第二压力数字信号通过spi总线发送给主控模块；
87.步骤s43、主控模块接收所述第二压力数字信号，并通过spi总线向模数转换模块发送配置值获取指令；
88.步骤s44、模数转换模块接收所述配置值获取指令后，向主控模块发送配置寄存器里存储的第二配置值，主控模块判断所述第一配置值与第二配置值是否相等，若是，说明主控模块与模数转换模块之间通信正常，第二压力数字信号有效，并进入步骤s50；若否，则进入步骤s41。
89.综上所述，本发明的优点在于：
90.1、通过设置压力传感器对锂电池受到的压力进行感应，再利用电压放大模块对压力传感器的感应信号进行201倍的放大，能够对微小的压力进行感应，然后通过模数转换模块将压力传感器的感应信号进行模数转换得到压力数字信号，主控模块利用事先标定得到的转换比例对压力数字信号进行转换计算得到压力值，并通过太网通信模块发送给上位机，使得上位机能够实时对锂电池组内锂电池受到的压力值进行监测，当压力值超过设定阈值时可及时采取安全措施，让锂电池始终工作在压力合适的环境下，最终实现对锂电池受到的压力进行实时采集，进而极大的提高了锂电池的性能以及安全性。
91.2、通过设置包括至少两个压力传感器的压力传感器组，包括至少两个电压放大模块的电压放大模块组，实现对多个锂电池组，或者同个锂电池组内的多个部位同时进行压力信号采集，进而极大的提升了压力信号采集效率。
92.3、通过模数转换模块在接收到主控模块发送的第一配置值才进行模数转换，主控模块在接收模数转换模块发送的第二压力数字信号后，向模数转换模块索取第二配置值，并通过比对第一配置值和第二配置值是否相同来验证第二压力数字信号是否有效，进而极大的提升了数据传输的完整性以及安全性。
93.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。