CN101261290A - 一种电池电压监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种电池电压监测电路，该电路的控制电路包括有两个输入端的差分放大模块，二级放大模块和一个输出端，所述差分放大模块将输入的电池电压信号进行差分放大，放大后的信号经所述二级放大模块再次放大后，通过输出端输出至模数转换模块。所述的差分放大模块、二级放大模块各包含一个运算放大器。该电路抗共模干扰的能力强、测量精度高、成本低、并且无需较高的电源电压供电，应用方便。

Description

一种电池电压监测电路

技术领域

本发明涉及一种电池电压监测电路，特别是涉及一种混合动力车或电动车车用蓄电池的电压测量电路。

背景技术

在当前汽车，特别是混合动力车和电动车中，电池状态的监测和管理非常重要，如何准确、可靠、有效地测量电池的高电压是其中的关键技术之一。

目前常用的蓄电池的电压测量方法有两种，一种是使用模拟隔离器件(例如线性光耦、模拟隔离运放)进行测量，其缺点是器件成本高、电路复杂；另一种是使用高共模电压运算放大器(例如INA117)进行测量，其缺点是器件成本高，并且因为该运算放大器需要较高的电源电压，应用起来不方便。

发明内容

本发明提出了使用低成本器件、电路简单、无需较高电源电压供电，应用方便的一种电池电压监测电路。

该电路的控制电路包括有两个输入端的差分放大模块，二级放大模块和一个输出端，所述差分放大模块将输入的电池电压信号进行差分放大，放大后的信号经所述二级放大模块再次放大后，通过输出端输出至模数转换模块。所述的差分放大模块、二级放大模块各包含一个运算放大器。

由于采用了差分放大的电路结构，大大增强了电路抗共模干扰的能力。整个电路利用两个运放构成了二级放大结构，保证了运放器件对高电压的承受与处理能力，使之能胜任混合动力或电动车高压电池包电压的监测，并且线性度高、测量准确。因为使用的元器件是价格低廉的电阻、普通运放，所以电路的成本大大下降，并且无需较高的电源电压供电，应用方便。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的实施方式1的电路原理图；

图3是实施方式2的电路原理图；

图4是实施方式2中集成块A1的内部电路原理图；

图5是本发明的电路仿真结果；

图6是本发明的电路实测结果。

具体实施方式

实施方式1：

参考图2，该电路的控制电路包括有两个输入端的差分放大模块，二级放大模块和一个输出端，所述差分放大模块将输入的电池电压信号进行差分放大，放大后的信号经所述二级放大模块再次放大后，通过输出端输出至模数转换模块10。所述的差分放大模块包含电阻R1A、R2A、Rb、Rd和运放A，二级放大模块包含电阻R3B、Re、Rf、Rg和运放B，所述电路的一个输入端通过电阻R1A、Rb的串联电路与运放A的输出端相连，电阻R1A与Rb的连接点与运放A的负输入端相连，所述电路的另一输入端通过电阻R2A、Rd的串联电路接地，电阻R2A与Rd的连接点与运放A的正输入端相连，运放A的输出端通过电阻Re、Rf的串联电路接地，电阻Re与Rf的连接点与运放B的正输入端相连，运放B的负输入端通过电阻Rg接地，运放B的负输入端还通过电阻R3B与运放B的输出端相连，运放B的输出端即为所述电路的输出端。将待测电池的正负两极与上述两个输入端连接，电池的电压信号经过差分放大模块和两次放大模块改变增益后，再通过该电路的输出端输出至模数转换模块10进行处理。

通过调节各电阻的阻值，可以设置该电路对输入信号的放大或缩小倍数，改变其增益。

根据运放的特性及图2所示的电路连接关系可以得到下面(1)、(2)两式：

$\frac{(u_1-u_A)\×\mathrm{Rb}}{R1A+\mathrm{Rb}}+u_A=\frac{u_2\×\mathrm{Rf}}{R2A+\mathrm{Rd}}---\left(1\right)$

$\frac{u_A\×\mathrm{Rf}}{\mathrm{Re}+\mathrm{Rf}}=\frac{u_{\mathrm{out}}\×\mathrm{Rg}}{R3B+\mathrm{Rg}}---\left(2\right)$

其中u₁为与电阻R1A连接的输入端的输入电压，u₂为与电阻R2A连接的输入端的输入电压，u_A为运放A的输出端的电压，u_out为运放B的输出端的电压，即整个电路的输出端的电压。

根据上述(1)、(2)两式即可推导出输出电压u_out与输入电压u₁、u₂的关系。为方便计算，可使电阻R1A的阻值等于R2A的阻值，Rb、Rd、Re、Rf、Rg的阻值相等，其阻值大于零且远远小于电阻R1A、R2A、R3B的阻值，这样整个电路的输出电压u_out≈(u₁-u₂)*[R3B/(R1A+R2A)]，即u_out≈u_in*(R3B/2R1A)，其中u_in＝u₁-u₂，u_in为两个输入端之间的输入电压，即待测电池两端的电压。

采用公式u_out≈(u₁-u₂)*R[3B/(R1A+R2A)]计算时，电阻R1A、R2A或R3B的阻值与电阻Rb、Rd、Re、Rf、Rg的阻值之比至少要大于100，才能使计算误差小于1％。

实施方式2：

参考图3，在本实施例中，实施方式1中所述电阻R1A由电阻R1、Ra串联组成，电阻R2A由电阻R2、Rc串联组成，电阻R3B由电阻R3、Rh串联组成。

所述电阻R1、R2、R3均可由多个电阻串联而成，这种利用多个电阻串联起来的好处是可以减少每个电阻在电路中分担的电压值，这样就可以选取价格低廉的普通耐压电阻。

所述电阻Ra～Rh、运放A、运放B被集成在一个集成块A1里。集成块A1的原理如图4所示。在集成块A1内部，所述运放A的负输入端分别经过电阻Ra、Rb与集成块A1的a脚、b脚连接，正输入端分别经过电阻Rc、Rd与集成块A1的c脚、d脚连接，输出端与集成块A1的第一输出脚连接，运放B的正输入端分别经过电阻Re、Rf与集成块A1的e脚、f脚连接，负输入端分别经过电阻Rg、Rh与集成块A1的g脚、h脚连接，输出端与集成块A1的第二输出脚连接。该集成块优先采用BB公司的型号为IN2137的集成块。该部分电路采用集成块的优点在于：1、集成了电阻，因而具有非常优良的线性度；2、具有非常低的失调电压(低至100uV以下)和高的输入阻抗。

这样，在本实施例中，运放A、电阻R1、R2、Ra～Rd构成了差分放大模块，运放B、电阻Re～Rh、R3构成了二级放大模块。

电阻R1与电容C1构成RC网络起滤波作用，同理电阻R2与电容C2构成RC网络起滤波作用，电阻R3与电容C3构成RC网络起滤波作用。钳位二极管DN1、DN2构成限幅电路，使输入到后端Ra、Rc处的信号电压始终处于PV+Vf和NV-Vf之间(Vf为二极管压降，PV为正电源电压，NV为负电源电压)。稳压二极管D3将输出电压进行限幅。同时电阻R1、R2、R3还起到设置放大电路增益系数的作用。

因为：

R1A＝R1+Ra；

R2A＝R2+Rc；

R3B＝R3+Rh。

根据实施方式1中的计算公式(1)、(2)及上面的电阻阻值关系，即可推导出输出电压u_out与输入电压u₁、u₂的关系。为方便计算，可使电阻R1的阻值等于R2的阻值，Ra～Rh的阻值相等，其阻值大于零且远远小于电阻R1、R2、R3的阻值，这样整个电路的输出电压u_out≈(u₁-u₂)*[R3/(R1+R2)]，即u_out≈u_in*(R3/2R1)，其中u_in＝u₁-u₂，u_in为两个输入端之间的输入电压，即待测电池两端的电压。

采用公式u_out≈(u₁-u₂)*[R3/(R1+R2)]计算时，电阻R1、R2或R3的阻值与电阻Ra～Rh的阻值之比至少要大于100，才能使计算误差小于1％。

差分放大模块使用了在集成块内集成的多个电阻，使电路的线性度大大提高，同时由于其差分电路结构，大大增强了电路抵抗共模干扰的能力。

该电路由于采用了二级放大结构，保证了运放器件对高电压的承受与处理能力，使之能胜任混合动力或电动车高压电池包电压的监测。

当整个电路的第一输入端和第二输入端之间的电压差为18V，通过设置电阻R1、R2、R3的阻值使电路增益系数(R3/R1)为1/4时，电脑仿真结果如图5所示，实际测量结果如图6所示，其与图5基本相符，说明了该电路的线性度很好。

综上所述，本发明的大部分电路采用单片集成块的方式实现，线性度良好，保证了测量准确；电压增益可由少至3个电阻(R1、R2、R3)设定，扩展性能较好，结构简单，可靠性高，成本较低；设计了输入、输出保护电路，具有较强的抗干扰性能；且该集成运放芯片对供电电源没有特殊要求，可在整车蓄电池供电低至6V以下正常工作，不需要设计隔离电源，适合分布式与集中式电池管理系统使用。相比其他方案，具有结构简单、抗干扰能力强、测量准确度高、使用方便、成本低的优点。

Claims (10)

1、一种电池电压监测电路，其特征在于：该电路的控制电路包括含两个输入端的差分放大模块、二级放大模块和一个输出端，所述差分放大模块将输入的电池电压信号进行差分放大，放大后的信号经所述二级放大模块再次放大后，通过输出端输出至模数转换模块(10)。

2、根据权利要求1所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述的差分放大模块、二级放大模块各包含一个运算放大器。

3、根据权利要求1或2所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述的差分放大模块包含电阻R1A、R2A、Rb、Rd和运放A，二级放大模块包含电阻R3B、Re、Rf、Rg和运放B，所述电路的一个输入端通过电阻R1A、Rb的串联电路与运放A的输出端相连，电阻R1A与Rb的连接点与运放A的负输入端相连，所述电路的另一输入端通过电阻R2A、Rd的串联电路接地，电阻R2A与Rd的连接点与运放A的正输入端相连，运放A的输出端通过电阻Re、Rf的串联电路接地，电阻Re与Rf的连接点与运放B的正输入端相连，运放B的负输入端通过电阻Rg接地，运放B的负输入端还通过电阻R3B与运放B的输出端相连，运放B的输出端即为所述电路的输出端。

4、根据权利要求3所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述电阻R1A由电阻R1、Ra串联组成，所述电阻R2A由电阻R2、Rc串联组成，所述电阻R3B由电阻R3、Rh串联组成。

5、根据权利要求4所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述电阻Ra～Rh、运放A、运放B被集成在一个集成块A1里。

6、根据权利要求4或5所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述电阻R1、R2、R3均可由多个电阻串联而成。

7、根据权利要求6所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述电阻Ra～Rh的阻值相等，其阻值大于零且远远小于电阻R1、R2、R3的阻值。

8、根据权利要求7所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述电阻R1、R2或R3的阻值与所述电阻Ra的阻值之比至少要大于100。

9、根据权利要求8所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述电阻R1、R2的阻值相等，

10、根据权利要求5所述的一种电池电压监测电路，其特征在于：所述集成块A1的型号为IN2137。

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