專(zhuān)利名稱(chēng)：低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電池監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域， 一種低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路。 用于筆記本等便攜式設(shè)備以及車(chē)輛動(dòng)力電池的安全性和一致性的在線(xiàn)監(jiān)控和評(píng) 價(jià)，以確保電池組中各個(gè)單體電池工作在安全狀態(tài)；防止單體電池出現(xiàn)過(guò)充和過(guò) 放；預(yù)防電池發(fā)生火災(zāi)乃至爆炸等事故。
技術(shù)背景一般來(lái)說(shuō)，單體電化學(xué)電池的電壓在5V以?xún)?nèi)，多數(shù)在0.6-4.5V之間，用 電設(shè)備的電壓需求則可能高于這個(gè)電壓，故常需要將多個(gè)單體電池串聯(lián)成電池組 以獲得更高電壓。在電池組的放電和充電過(guò)程中，各個(gè)單體電池由于存在容量、 內(nèi)阻、自放電、電化學(xué)活性等性能上的差異(這通常與材料、制造等因素有關(guān))， 故在其充電和放電過(guò)程中，單體的容量、內(nèi)阻、電壓、SOC會(huì)發(fā)生變化，從而 導(dǎo)致個(gè)別單體出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放問(wèn)題，如果不加以干預(yù)調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致電池組的整體 性能急劇下降甚至過(guò)早失效。過(guò)充過(guò)放也會(huì)帶來(lái)安全性隱患，比如電池組的電壓也許還在正常許可的范圍 內(nèi)，故系統(tǒng)也就不會(huì)報(bào)警，但是單體的充電電壓也許已經(jīng)超過(guò)極限電壓了，結(jié)果 是必然導(dǎo)致單體損壞，如容量下降、內(nèi)阻增加、泄漏、鼓包，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致單 體發(fā)生燃燒或者爆炸。無(wú)論是活性較高的鋰電池或者沒(méi)有燃燒爆炸危險(xiǎn)的電池，都需要對(duì)單體電池 電壓進(jìn)行監(jiān)控，.以便對(duì)電池的使用加以干預(yù)和調(diào)節(jié)。這對(duì)于提高電池組的耐久性 及壽命方面均有重要意義。電池組中單體電壓監(jiān)控中所面臨的問(wèn)題是單體電壓逐級(jí)增加，對(duì)測(cè)量電路帶 來(lái)了麻煩。相對(duì)于電池組的負(fù)極來(lái)說(shuō)，從各個(gè)單體上電壓引出端的電位逐級(jí)上升， 如果以電池組的負(fù)極為監(jiān)控系統(tǒng)的地線(xiàn)/公共端，那么單體引出端的電位可能會(huì)超過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的量程；如果監(jiān)控系統(tǒng)量程與最高電位匹配，那么對(duì)于低電位則因 量程太大而增大誤差；那么，如果測(cè)量引出端到地線(xiàn)的電壓差來(lái)確定各個(gè)單體的電壓，則存在測(cè)量上的累積誤差。電池組中單體電池電壓監(jiān)控常規(guī)方法如下 l.直接測(cè)量對(duì)于一個(gè)單體標(biāo)稱(chēng)3.3V， 16級(jí)串聯(lián)的電池組，最高充電電壓可能達(dá)到60V，如果要直接監(jiān)控各個(gè)單體的電壓，那么需要16個(gè)模擬通道，通 道的耐壓均達(dá)到60V，耐壓較高的模擬通道，其成本較為可觀。故很多場(chǎng)合下不合適。2. 電阻分壓取樣采用電阻分壓取樣，每一級(jí)的電位測(cè)量存在累積誤差，精密電阻的數(shù)量需求較多。3. 光耦選通方法微處理器控制光耦選通相鄰單體進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。 存在幾個(gè)缺點(diǎn)需要使用價(jià)格較高的隔離運(yùn)放；需要使用獨(dú)立電源對(duì)隔離運(yùn)放前 后級(jí)進(jìn)行供電；另外對(duì)于導(dǎo)通狀態(tài)下光耦的線(xiàn)性度、頻帶等也有要求。增加獨(dú)立電源或DC/DC、采用隔離運(yùn)放及精度較高的光耦均會(huì)大幅度提高系統(tǒng)的成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于，利用 晶體三極管和精密電阻組成單體電池電壓測(cè)量的壓控恒流源變換電路，跨接在單體電池正負(fù)極上，晶體管的集電極通過(guò)一個(gè)取樣電阻接到公共參考地端；由N個(gè) 這樣的壓控恒流源變換電路串聯(lián)組成電池組單體電池電壓測(cè)量電路。該電池組單 體電池電壓測(cè)量電路將寬范圍的各級(jí)電位變換為N個(gè)相對(duì)于公共參考地端的較 窄范圍電位，末級(jí)就可以連接常規(guī)的多通道模數(shù)變換器ADC以及微處理器 MCU，將其變換為與后級(jí)采集系統(tǒng)量程匹配的較窄范圍變化的待測(cè)電壓。后級(jí) 不需要承受大范圍的電壓，克服了利用常規(guī)的方法進(jìn)行測(cè)量處理時(shí)，三極管要承 受寬范圍內(nèi)的待測(cè)電壓，故消除了與大量程帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。 所述單體電池電壓測(cè)量變換電路是采用三極管Q!構(gòu)成壓控恒流源，利用三 極管Q!發(fā)射極電阻Rel來(lái)決定電壓到電流的跨導(dǎo)，壓控恒流源的三極管Gh的 發(fā)射極電阻Rel接電池組中被測(cè)單體電池Ei的負(fù)極，三極管Q，的基極接單體電 池的正極，集電極的取樣電阻Rcl連接到末級(jí)單體電池En的正扱，即公共參考 地端，將流經(jīng)三極管集電極的電流lc變換為電壓Vcl輸出；下一級(jí)單體電池E2的電壓測(cè)量電路同前一級(jí)單體電池E，的完全相同，其集電極的取樣電阻Rc2也 連接到末級(jí)單體電池EN的正極，即公共參考地端；依次類(lèi)推，對(duì)于N級(jí)單體電 池串聯(lián)的電池組，共需要N-l級(jí)變換電路，最后一級(jí)的單體電池電壓可直接測(cè)量， 不需要變換。
后級(jí)連接常規(guī)的多通道模數(shù)變換器ADC以及微處理器MCU，其中公共參 考地端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)變換器ADC。電池電壓經(jīng)所述變換電路變換后， 送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，然后在微處 理器MCU中進(jìn)行補(bǔ)償、校正處理，以獲得準(zhǔn)確的單體電壓值。據(jù)電池組的這些 單體電壓值，就可判斷這些單體電池的狀態(tài)。
本發(fā)明的有益效果是使用單體電池電壓測(cè)量變換電路后，可利用常規(guī)的方法 進(jìn)行測(cè)量處理。其三極管承的受寬范圍待測(cè)電壓變換為與后級(jí)采集系統(tǒng)量程匹配 的較窄范圍變化的待測(cè)電壓。后級(jí)不需要承受大范圍的電壓，故消除了與之對(duì)應(yīng) 的測(cè)量誤差。采用該電路可構(gòu)成低成本、高精度的單體電壓測(cè)量和監(jiān)控系統(tǒng)。


圖1為電池組單體電池電壓測(cè)量變換電路示意圖。
圖2為5級(jí)串聯(lián)的電池組的單體電池電壓測(cè)量電路的仿真實(shí)例。
圖3為8級(jí)串聯(lián)的電池組的單體電池電壓測(cè)量電路示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出了一種低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路。下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附 圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以說(shuō)明。
在圖1所示的電池組單體電池電壓測(cè)量變換電路示意圖中。所述單體電池電 壓測(cè)量變換電路是采用三極管Gh構(gòu)成壓控恒流源，利用三極管Q !發(fā)射極電阻 Rel來(lái)決定電壓到電流的跨導(dǎo)，壓控恒流源的三極管Q的發(fā)射極電阻Rel接電 池組中被測(cè)單體電池E!的負(fù)極，三極管Gh的基極接單體電池的正極，集電極的 取樣電阻Rcl連接到末級(jí)單體電池En的正扱，即公共參考地端，將流經(jīng)三極管 集電極的電流lc變換為電壓Vcl輸出。下一級(jí)單體電池E2的電壓測(cè)量電路同前 一級(jí)單體電池E,的完全相同，其集電極的取樣電阻Rc2也連接到末級(jí)單體電池En的正扱，即公共參考地端；依次類(lèi)推，對(duì)于N級(jí)單體電池串聯(lián)的電池組，共需要N-1級(jí)變換電路，最后一級(jí)的單體電池電壓可直接測(cè)量，不需要變換。下面具體分析單體電池的電壓與變換后的輸出之間的數(shù)量關(guān)系。 單體電池的電壓直接加在晶體管電路的輸入端，輸入電壓為前后兩級(jí)電位之差V"k尸V(k+i)-V(k)晶體管發(fā)射極電流le由輸入電壓Vi、基極發(fā)射極壓降Vbe及發(fā)射極電阻Re 決定le=[Vi(k)-Vbe]/Re晶體管工作于線(xiàn)性放大區(qū)，集電極電流lc與基極電流lb存在p倍的關(guān)系 lc=|3*lb發(fā)射極電流等于基極電流、集電極電流之和，當(dāng)晶體管電流放大倍數(shù)較大時(shí)，發(fā)射極電流約等于集電極電流 le=lC+lb=(l+l/P)lC=lClc= le/(l+l/P)= le*|3/(l+(3)= (Vi-Vbe) *(3/(l+P)/Re可確定輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的關(guān)系V。(k)=lc(k)*Rc= [Vi(k)-Vbe
*(Rc/Re)-[Vi(k)-Vbe] *(RC/Re)當(dāng)取集電極電阻Rc、發(fā)射極電阻Re相等時(shí)，輸出電壓與輸出電壓之間相差 一個(gè)基極發(fā)射極壓降，也就是相差一個(gè)PN結(jié)壓降 VO(k產(chǎn)Vi(k廣Vbe二 V(k+1)-V(k) -Vbe可見(jiàn)通過(guò)測(cè)量V。(k)即可確定單體電壓vi(k)，電池組所有單體對(duì)應(yīng)的v。(k) (k=L2n)的電位是對(duì)地電位，不再需要測(cè)量有電勢(shì)累積的電池組各級(jí)電位(即 寬范圍待測(cè)電壓)Vi(k+))及Vi(k)，對(duì)于整電池組來(lái)說(shuō)，也就是說(shuō)后續(xù)電路不需要處 理從0 電池組最高電壓寬范圍變化的電位。測(cè)量誤差均為已知規(guī)律的系統(tǒng)性誤差，故均可用軟件在線(xiàn)或者離線(xiàn)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償，亦可通過(guò)在制造、裝配的時(shí)候分級(jí)、選配、調(diào)校來(lái)提高精度。該電路 中的器件成本很低，采用該電路可構(gòu)成低成本、高精度的單體電壓測(cè)量和監(jiān)控系 統(tǒng)。假設(shè)測(cè)量需求0.5級(jí)精度
(1) 對(duì)于精密電阻的數(shù)量需求較少，0.1%精度的電阻，Rc、 Re選擇0.1% 精度的則可滿(mǎn)足0.5級(jí)精度的測(cè)量需求，或者將其中之一改為可調(diào)電阻；
(2) 如果選擇電流放大系數(shù)大于200的三極管，則采用le來(lái)近似lc日寸，其
中放大系數(shù)帶來(lái)的誤差小于0.5%，如果選擇Rc=Re,則V。-Vi-Vbe,即Vi-V。+Vbe;
(3) Vbe測(cè)量值可以采用5位半的萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量，Vbe的溫度系數(shù)也可通過(guò) 測(cè)量若干個(gè)溫度下的Vbe來(lái)進(jìn)一步校準(zhǔn)。
對(duì)于快速的場(chǎng)合，采用簡(jiǎn)化的算法即可大略確定單體的電壓，誤差5%~10%， 適合于在線(xiàn)；對(duì)于精密測(cè)量的場(chǎng)合，通過(guò)軟件校準(zhǔn)和補(bǔ)償，可以達(dá)到0.5%的精 度，適合于離線(xiàn)測(cè)量及速度不高的在線(xiàn)監(jiān)控。也可采用普通1%精度的電阻，通 過(guò)軟件來(lái)計(jì)算準(zhǔn)確的電壓值，即可進(jìn)一步降低硬件成本。
關(guān)于地線(xiàn)問(wèn)題，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬地與電池組的正極(或負(fù)極)相連，那 么如果有其它系統(tǒng)也要與電池有直接的電氣連接(非變壓器等隔離的連接)，那 么則需要謹(jǐn)慎，注意地線(xiàn)問(wèn)題。防止電池的正負(fù)極分別被連接到不同設(shè)備的地線(xiàn) 上，導(dǎo)致通過(guò)地線(xiàn)發(fā)生短路?？梢酝ㄟ^(guò)在模擬部分設(shè)置隔離或者對(duì)數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng) 的電源及通信端口進(jìn)行電氣隔離，即可解決潛在的短路危險(xiǎn)。
電池組正負(fù)極不與其它設(shè)備的地線(xiàn)連接、或者監(jiān)控系統(tǒng)不與其它的設(shè)備的地 線(xiàn)連接(沒(méi)有直接的電氣連接)，則一般不存在地線(xiàn)問(wèn)題，故也不需要隔離，數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)可以得到簡(jiǎn)化。 試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證
圖2所示為5級(jí)串聯(lián)的電池組的單體電池電壓測(cè)量電路的仿真實(shí)例。 本原理已經(jīng)通過(guò)了電路試驗(yàn)、軟件仿真的驗(yàn)證。軟件仿真的畫(huà)面如圖2所示。 仿真單體電池V1 V5，以單體電池V1的正極即電池組的正極作為公共參考端(地 線(xiàn))，探頭Probel Probe4測(cè)量的電壓值分別是單體電池V2 V5所對(duì)應(yīng)的輸電壓。單體電池標(biāo)稱(chēng)電壓4V，圖中給出了探頭Probel Probe4的測(cè)量值，可見(jiàn) 測(cè)量值與單體電池V2 V5的標(biāo)稱(chēng)電壓4V相差均為0.6~0.7V左右，也就是相差 一個(gè)PN結(jié)壓降。4V， 8V, 12V， 16V， 20V被變換到小的范圍4V，很明顯， 可以將探頭Probel Probe4替換為多路AD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多路輸入，那么就可以方便地采集原本不好測(cè)量的級(jí)聯(lián)單體電池電壓。 實(shí)施例圖3中給出了一種8級(jí)串聯(lián)的電池組的單體電壓測(cè)量電路，以第8級(jí)單體電 池Cel舊的正極即電池組的正極作為公共參考地端即第8級(jí)單體電池的正極。采用三極管Q1 Q7分別與其發(fā)射極電阻R1、 R2、 R4、 ...R12構(gòu)成壓控恒 流源，壓控電流源的電壓輸入端接電池組單體電池的兩端(為電池組的各級(jí)抽頭Bat—V0、 Bat—VI.....Bat一V8),各自的集電極取樣電阻R3、 R5、…R15連接到公共參考地端GND，將流經(jīng)三極管集電極的電流變換為電壓輸出。從Vcen廣Vc別7分別是單體電池Celll ~Cell7所對(duì)應(yīng)的輸出，其測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的單體電池的實(shí)際電壓相差一個(gè)PN結(jié)壓降；可見(jiàn)已經(jīng)將差異很大的各級(jí)單體電池上的電位全部變換為對(duì)于公共參考端的小范圍電壓(接近于單體電池的電壓)，VCel舊通過(guò)電阻直接取自Bat_V7, VCell8=B。t_V7-Bat—V8，也就是單體電池 cel舊本身的單體電壓。公共參考端GND連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)變換器ADC的模擬地，變換后 的電壓輸出連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端。通過(guò)數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量， 送微處理器中進(jìn)一步處理，如補(bǔ)償、校正以獲得準(zhǔn)確的單體電壓值；據(jù)此電壓 值來(lái)判斷單體電池的狀態(tài)等等。Q1…Q7的發(fā)射極、基極到集電極分別承受了大約7倍.....l倍的單體電壓，需要Vcb。、 Vce。較高的晶體管。本電路本質(zhì)上是將輸入電位之差變換為集電極取樣電阻上的電壓，晶體管則 將多余的高電位分量(由于單體串聯(lián)而抬高了的電位分量)承擔(dān)下來(lái)，剩余的電 位分量就是晶體管輸出端到公共參考端的電位差，這個(gè)電位差為反映單體電壓的 小范圍的輸出，容易與測(cè)量電路匹配、易于精確測(cè)量。故本電路應(yīng)該選擇耐壓稍高的晶體管。
本電路的功耗可以做到很小，比如可做到小于鋰離子動(dòng)力電池組的自放電。 只要選擇足夠大的發(fā)射極電阻就可將三極管的工作電流壓縮到足夠小，三極管電 路的消耗也就可降到的較低水平。故本電路的三極管一般選擇小功率管即可。
權(quán)利要求
1.一種低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于，利用晶體三極管和精密電阻組成單體電池電壓測(cè)量的壓控恒流源變換電路，跨接在單體電池正負(fù)極上，晶體管的集電極通過(guò)一個(gè)取樣電阻接到公共參考地端；由N個(gè)這樣的壓控恒流源變換電路串聯(lián)組成電池組單體電池電壓測(cè)量電路；該電池組單體電池電壓測(cè)量電路將寬范圍的各級(jí)電位變換為N個(gè)相對(duì)于公共參考地端的較窄范圍電位，末級(jí)連接常規(guī)的多通道模數(shù)變換器ADC以及微處理器MCU，將其變換為與后級(jí)采集系統(tǒng)量程匹配的較窄范圍變化的待測(cè)電壓，由此后級(jí)不需要承受大范圍的電壓，克服了利用常規(guī)的方法進(jìn)行測(cè)量處理時(shí)，三極管要承受寬范圍內(nèi)的待測(cè)電壓，故消除了與大量程帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于， 所述單體電池電壓測(cè)量變換電路是采用三極管Q!構(gòu)成壓控恒流源，利用三極管 Gh發(fā)射極電阻Rei來(lái)決定電壓到電流的跨導(dǎo)，壓控恒流源的三極管Q！的發(fā)射極 電阻Rei接電池組中被測(cè)單體電池E！的負(fù)極，三極管Gh的基極接單體電池的正 極，集電極的取樣電阻Rci連接到末級(jí)單體電池EN的正極，即公共參考地端，將 流經(jīng)三極管集電極的電流lc變換為電壓Vci輸出；下一級(jí)單體電池E2的電壓測(cè) 量電路同前一級(jí)單體電池E！的完全相同，其集電極的取樣電阻Rc2也連接到末 級(jí)單體電池EN的正極，即公共參考地端；依次類(lèi)推，對(duì)于N級(jí)單體電池串聯(lián)的 電池組，共需要N-l級(jí)變換電路，最后一級(jí)的單體電池電壓可直接測(cè)量，不需要 變換；后級(jí)連接常規(guī)的多通道模數(shù)變換器ADC以及微處理器MCU，其中公共 參考地端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)變換器ADC，電池電壓經(jīng)所述變換電路變換 后，送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，然后在 微處理器MCU中進(jìn)行補(bǔ)償、校正處理，以獲得準(zhǔn)確的單體電壓值，據(jù)電池組的 這些單體電壓值，就可判斷這些單體電池的狀態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于， 所述晶體管Q選用Vcbo、 Vce。較高的三極管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于，所述電池組為蓄電池、普通一次性電池或者燃料電池。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路，其特征 在于，所述晶體管三極管也可以是場(chǎng)效應(yīng)管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路，其特征在于， 所述壓控恒流源由晶體管或運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于能源領(lǐng)域電池監(jiān)控技術(shù)的一種低成本電池組單體電池電壓測(cè)量電路。利用晶體三極管和精密電阻組成單體電池電壓測(cè)量的壓控恒流源變換電路，跨接在單體電池正負(fù)極上，晶體管的集電極通過(guò)一個(gè)取樣電阻接到公共參考地端；由N個(gè)這樣的壓控恒流源變換電路串聯(lián)組成電池組單體電池電壓測(cè)量電路；該電池組單體電池電壓測(cè)量電路將寬范圍的各級(jí)電位變換為N個(gè)相對(duì)于公共參考地端的較窄范圍電位，克服了利用常規(guī)的方法進(jìn)行測(cè)量處理時(shí)，三極管要承受寬范圍內(nèi)的待測(cè)電壓，故消除了與大量程帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。用于電池的安全性一致性的在線(xiàn)監(jiān)控和評(píng)價(jià)，防止單體電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放；預(yù)防電池發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故發(fā)生。
文檔編號(hào)G01R19/00GK101324655SQ20081011616
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者猛 仝, 盧蘭光, 堅(jiān) 吳, 吳永平, 楊福源, 歐陽(yáng)明高, 焦生杰, 偉 趙, 鄧隆陽(yáng), 郭軍杰, 毅 韓, 黃平云 申請(qǐng)人:清華大學(xué)