CN101324655B - 低成本电池组单体电池电压测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于能源领域电池监控技术的一种低成本电池组单体电池电压测量电路。利用晶体三极管和精密电阻组成单体电池电压测量的压控恒流源变换电路，跨接在单体电池正负极上，晶体管的集电极通过一个取样电阻接到公共参考地端；由N个这样的压控恒流源变换电路串联组成电池组单体电池电压测量电路；该电池组单体电池电压测量电路将宽范围的各级电位变换为N个相对于公共参考地端的较窄范围电位，克服了利用常规的方法进行测量处理时，三极管要承受宽范围内的待测电压，故消除了与大量程带来的测量误差，提高了测量精度。用于电池的安全性一致性的在线监控和评价，防止单体电池出现过充、过放；预防电池发生火灾或爆炸事故发生。
Description
技术领域
本发明属于电池监控技术领域，一种低成本电池组单体电池电压测量电路。用于笔记本等便携式设备以及车辆动力电池的安全性和一致性的在线监控和评价，以确保电池组中各个单体电池工作在安全状态；防止单体电池出现过充和过放；预防电池发生火灾乃至爆炸等事故。
背景技术
一般来说，单体电化学电池的电压在5V以内，多数在0.6～4.5V之间，用电设备的电压需求则可能高于这个电压，故常需要将多个单体电池串联成电池组以获得更高电压。在电池组的放电和充电过程中，各个单体电池由于存在容量、内阻、自放电、电化学活性等性能上的差异(这通常与材料、制造等因素有关)，故在其充电和放电过程中，单体的容量、内阻、电压、SOC会发生变化，从而导致个别单体出现过充、过放问题，如果不加以干预调节，会导致电池组的整体性能急剧下降甚至过早失效。
过充过放也会带来安全性隐患，比如电池组的电压也许还在正常许可的范围内，故系统也就不会报警，但是单体的充电电压也许已经超过极限电压了，结果是必然导致单体损坏，如容量下降、内阻增加、泄漏、鼓包，严重的可能导致单体发生燃烧或者爆炸。
无论是活性较高的锂电池或者没有燃烧爆炸危险的电池，都需要对单体电池电压进行监控，以便对电池的使用加以干预和调节。这对于提高电池组的耐久性及寿命方面均有重要意义。
电池组中单体电压监控中所面临的问题是单体电压逐级增加，对测量电路带来了麻烦。相对于电池组的负极来说，从各个单体上电压引出端的电位逐级上升，如果以电池组的负极为监控系统的地线/公共端，那么单体引出端的电位可能会超过监控系统的量程；如果监控系统量程与最高电位匹配，那么对于低电位则因量程太大而增大误差；那么，如果测量引出端到地线的电压差来确定各个单体的电压，则存在测量上的累积误差。
电池组中单体电池电压监控常规方法如下：
1.直接测量：对于一个单体标称3.3V，16级串联的电池组，最高充电电压可能达到60V，如果要直接监控各个单体的电压，那么需要16个模拟通道，通道的耐压均达到60V，耐压较高的模拟通道，其成本较为可观。故很多场合下不合适。
2.电阻分压取样：采用电阻分压取样，每一级的电位测量存在累积误差，精密电阻的数量需求较多。
3.光耦选通方法：微处理器控制光耦选通相邻单体进入测量系统进行测量。存在几个缺点：需要使用价格较高的隔离运放；需要使用独立电源对隔离运放前后级进行供电；另外对于导通状态下光耦的线性度、频带等也有要求。增加独立电源或DC/DC、采用隔离运放及精度较高的光耦均会大幅度提高系统的成本。
发明内容
本发明提出了一种低成本电池组单体电池电压测量电路，其特征在于，利用晶体三极管和精密电阻组成单体电池电压测量的压控恒流源变换电路，跨接在单体电池正负极上，晶体管的集电极通过一个取样电阻接到公共参考地端；由N个这样的压控恒流源变换电路串联组成电池组单体电池电压测量电路。该电池组单体电池电压测量电路将宽范围的各级电位变换为N个相对于公共参考地端的较窄范围电位，末级就可以连接常规的多通道模数变换器ADC以及微处理器MCU，将其变换为与后级采集系统量程匹配的较窄范围变化的待测电压。后级不需要承受大范围的电压，克服了利用常规的方法进行测量处理时，三极管要承受宽范围内的待测电压，故消除了与大量程带来的测量误差，提高了测量精度。
所述单体电池电压测量变换电路是采用三极管Q1构成压控恒流源，利用三极管Q1发射极电阻Re1来决定电压到电流的跨导，压控恒流源的三极管Q1的发射极电阻Re1接电池组中被测单体电池E1的负极，三极管Q1的基极接单体电池的正极，集电极的取样电阻Rc1连接到末级单体电池EN的正极，即公共参考地端，将流经三极管集电极的电流Ic变换为电压Vc1输出；下一级单体电池E2的电压测量电路同前一级单体电池E1的完全相同，其集电极的取样电阻Rc2也连接到末级单体电池EN的正极，即公共参考地端；依次类推，对于N级单体电池串联的电池组，共需要N-1级变换电路，最后一级的单体电池电压可直接测量，不需要变换。
后级连接常规的多通道模数变换器ADC以及微处理器MCU，其中公共参考地端连接数据采集系统的模数变换器ADC。电池电压经所述变换电路变换后，送到数据采集系统的输入端，通过数据采集系统将其转变为数字量，然后在微处理器MCU中进行补偿、校正处理，以获得准确的单体电压值。据电池组的这些单体电压值，就可判断这些单体电池的状态。
本发明的有益效果是使用单体电池电压测量变换电路后，可利用常规的方法进行测量处理。其三极管承的受宽范围待测电压变换为与后级采集系统量程匹配的较窄范围变化的待测电压。后级不需要承受大范围的电压，故消除了与之对应的测量误差。采用该电路可构成低成本、高精度的单体电压测量和监控系统。
附图说明
图1为电池组单体电池电压测量变换电路示意图。
图2为5级串联的电池组的单体电池电压测量电路的仿真实例。
图3为8级串联的电池组的单体电池电压测量电路示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种低成本电池组单体电池电压测量电路。下面结合说明书附图和实施例对本发明予以说明。
在图1所示的电池组单体电池电压测量变换电路示意图中。所述单体电池电压测量变换电路是采用三极管Q1构成压控恒流源，利用三极管Q1发射极电阻Re1来决定电压到电流的跨导，压控恒流源的三极管Q1的发射极电阻Re1接电池组中被测单体电池E1的负极，三极管Q1的基极接单体电池的正极，集电极的取样电阻Rc1连接到末级单体电池EN的正极，即公共参考地端，将流经三极管集电极的电流Ic变换为电压Vc1输出。下一级单体电池E2的电压测量电路同前一级单体电池E1的完全相同，其集电极的取样电阻Rc2也连接到末级单体电池EN的正极，即公共参考地端；依次类推，对于N级单体电池串联的电池组，共需要N-1级变换电路，最后一级的单体电池电压可直接测量，不需要变换。
下面具体分析单体电池的电压与变换后的输出之间的数量关系。
单体电池的电压直接加在晶体管电路的输入端，输入电压为前后两级电位之差：
Vi(k)＝V(k+1)-V(k)
晶体管发射极电流Ie由输入电压Vi、基极发射极压降Vbe及发射极电阻Re决定：
Ie＝[Vi(k)-Vbe]/Re
晶体管工作于线性放大区，集电极电流Ic与基极电流Ib存在β倍的关系：
Ic＝β*Ib
发射极电流等于基极电流、集电极电流之和，当晶体管电流放大倍数较大时，发射极电流约等于集电极电流：
Ie＝Ic+Ib＝(1+1/β)Ic≈Ic
Ic＝Ie/(1+1/β)＝Ie*β/(1+β)＝(Vi-Vbe)*β/(1+β)/Re
可确定输出电压Vo与输入电压Vi的关系：
Vo(k)＝Ic(k)*Rc＝[Vi(k)-Vbe]*β/(1+β)*(Rc/Re)≈[Vi(k)-Vbe]*(Rc/Re)
当取集电极电阻Rc、发射极电阻Re相等时，输出电压与输出电压之间相差一个基极发射极压降，也就是相差一个PN结压降：
Vo(k)＝Vi(k)-Vbe＝V(k+1)-V(k)-Vbe
可见通过测量Vo(k)即可确定单体电压Vi(k)，电池组所有单体对应的Vo(k)(k＝1，2，...，n)的电位是对地电位，不再需要测量有电势累积的电池组各级电位(即宽范围待测电压)Vi(k+1)及Vi(k)，对于整电池组来说，也就是说后续电路不需要处理从O～电池组最高电压宽范围变化的电位。
测量误差均为已知规律的系统性误差，故均可用软件在线或者离线对测量值进行补偿，亦可通过在制造、装配的时候分级、选配、调校来提高精度。该电路中的器件成本很低，采用该电路可构成低成本、高精度的单体电压测量和监控系统。假设测量需求0.5级精度：
(1)对于精密电阻的数量需求较少，0.1％精度的电阻，Rc、Re选择0.1％精度的则可满足0.5级精度的测量需求，或者将其中之一改为可调电阻；
(2)如果选择电流放大系数大于200的三极管，则采用Ie来近似Ic时，其中放大系数带来的误差小于0.5％，如果选择Rc＝Re，则Vo≈Vi-Vbe，即：Vi≈Vo+Vbe；
(3)Vbe测量值可以采用5位半的万用表来测量，Vbe的温度系数也可通过测量若干个温度下的Vbe来进一步校准。
对于快速的场合，采用简化的算法即可大略确定单体的电压，误差5％～10％，适合于在线；对于精密测量的场合，通过软件校准和补偿，可以达到0.5％的精度，适合于离线测量及速度不高的在线监控。也可采用普通1％精度的电阻，通过软件来计算准确的电压值，即可进一步降低硬件成本。
关于地线问题，数据采集系统的模拟地与电池组的正极(或负极)相连，那么如果有其它系统也要与电池有直接的电气连接(非变压器等隔离的连接)，那么则需要谨慎，注意地线问题。防止电池的正负极分别被连接到不同设备的地线上，导致通过地线发生短路。可以通过在模拟部分设置隔离或者对数据采集系统的电源及通信端口进行电气隔离，即可解决潜在的短路危险。
电池组正负极不与其它设备的地线连接、或者监控系统不与其它的设备的地线连接(没有直接的电气连接)，则一般不存在地线问题，故也不需要隔离，数据采集系统可以得到简化。
试验和仿真验证
图2所示为5级串联的电池组的单体电池电压测量电路的仿真实例。
本原理已经通过了电路试验、软件仿真的验证。软件仿真的画面如图2所示。仿真单体电池V1～V5，以单体电池V1的正极即电池组的正极作为公共参考端(地线)，探头Probe1～Probe4测量的电压值分别是单体电池V2～V5所对应的输出电压。
单体电池标称电压4V，图中给出了探头Probe1～Probe4的测量值，可见测量值与单体电池V2～V5的标称电压4V相差均为0.6～0.7V左右，也就是相差一个PN结压降。4V，8V，12V，16V，20V被变换到小的范围4V，很明显，可以将探头Probe1～Probe4替换为多路AD数据采集系统的多路输入，那么就可以方便地采集原本不好测量的级联单体电池电压。
实施例
图3中给出了一种8级串联的电池组的单体电压测量电路，以第8级单体电池Cell8的正极即电池组的正极作为公共参考地端即第8级单体电池的正极。
采用三极管Q1～Q7分别与其发射极电阻R1、R2、R4、...R12构成压控恒流源，压控电流源的电压输入端接电池组单体电池的两端(为电池组的各级抽头Bat_VO、Bat_V1、...、Bat_V8)，各自的集电极取样电阻R3、R5、...R15连接到公共参考地端GND，将流经三极管集电极的电流变换为电压输出。
从Vcell1～Vcell7分别是单体电池Cell1～Cell7所对应的输出，其测量值与对应的单体电池的实际电压相差一个PN结压降；可见已经将差异很大的各级单体电池上的电位全部变换为对于公共参考端的小范围电压(接近于单体电池的电压)，VCell8通过电阻直接取自Bat_V7，VCell8＝Bat_V7-Bat_V8，也就是单体电池cell8本身的单体电压。
公共参考端GND连接数据采集系统的模数变换器ADC的模拟地，变换后的电压输出连接数据采集系统的输入端。通过数据采集系统将其转变为数字量，送微处理器中进一步处理，如：补偿、校正以获得准确的单体电压值；据此电压值来判断单体电池的状态等等。
Q1...Q7的发射极、基极到集电极分别承受了大约7倍、...、1倍的单体电压，需要Vcbo、Vceo较高的晶体管。
本电路本质上是将输入电位之差变换为集电极取样电阻上的电压，晶体管则将多余的高电位分量(由于单体串联而抬高了的电位分量)承担下来，剩余的电位分量就是晶体管输出端到公共参考端的电位差，这个电位差为反映单体电压的小范围的输出，容易与测量电路匹配、易于精确测量。故本电路应该选择耐压稍高的晶体管。
本电路的功耗可以做到很小，比如可做到小于锂离子动力电池组的自放电。只要选择足够大的发射极电阻就可将三极管的工作电流压缩到足够小，三极管电路的消耗也就可降到的较低水平。故本电路的三极管一般选择小功率管即可。
Claims (2)
1.一种低成本电池组单体电池电压测量电路，利用晶体三极管和精密电阻组成单体电池电压测量的压控恒流源变换电路，跨接在单体电池正负极上，晶体管的集电极通过一个取样电阻接到公共参考地端；由N个这样的压控恒流源变换电路串联组成电池组单体电池电压测量电路；该电池组单体电池电压测量电路将宽范围的各级电位变换为N个相对于公共参考地端的较窄范围电位，末级连接常规的多通道模数变换器ADC以及微处理器MCU，其特征在于，所述电池组单体电池电压测量电路是采用三极管Q1构成压控恒流源，利用三极管Q1发射极电阻Rel来决定电压到电流的跨导，压控恒流源的三极管Q1的发射极电阻Rel接电池组中被测单体电池E1的负极，三极管Q1的基极接单体电池E1的正极，集电极的取样电阻Rcl连接到末级单体电池EN的正极，即公共参考地端，将流经三极管集电极的电流Ic变换为电压Vcl输出；下一级单体电池E2的电压测量电路同前一级单体电池E1的完全相同，其集电极的取样电阻Rc2也连接到末级单体电池EN的正极，即公共参考地端；依次类推，对于N级单体电池串联的电池组，共需要N-1级变换电路，最后一级的单体电池电压可直接测量，不需要变换；后级连接常规的多通道模数变换器ADC以及微处理器MCU，其中公共参考地端连接数据采集系统的模数变换器ADC，电池电压经所述变换电路变换后，送到数据采集系统的输入端，通过数据采集系统将其转变为数字量，然后在微处理器MCU中进行补偿、校正处理，以获得准确的单体电压值，据电池组的这些单体电压值，就可判断这些单体电池的状态；将电池组单体电池电压变换为与后级采集系统量程匹配的较窄范围变化的待测电压，由此后级不需要承受大范围的电压，克服了利用常规的方法进行测量处理时，三极管要承受宽范围内的待测电压，故消除了与大量程带来的测量误差，提高了测量精度。
2.根据权利要求1所述低成本电池组单体电池电压测量电路，其特征在于，所述晶体三极管选用Vcbo、Vceo较高的三极管。
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