CN101652670B - 电池电压监测系统 - Google Patents

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Abstract

一种电池电压监测系统监测由多于两个的串联电池(U1，U2，U3，U4，U5)组成的布置的电压。该系统包括分压器，该分压器包括与电池布置的至少一部分并联布置并且连接到参考电压线和电池布置中的节点(N1，N2，N3，N4)的第一电阻元件(R1，R2，R3，R4)和第二电阻元件(R5，R6，R7，R8)。晶体管(Q11，Q12，Q13，Q14)布置于第一电阻元件(R1，R2，R3，R4)与第二电阻元件(R5，R6，R7，R8)之间。晶体管的基极经由二极管(D1，D2，D3，D4)连接到串联电池布置中的又一节点(N2，N3，N4，N5)。开关元件(Q1，Q2，Q3，Q4)被提供用以对晶体管(Q11，Q12，Q13，Q14)进行寻址。

Description

电池电压监测系统
技术领域
本发明涉及一种用于对在一端连接到参考电压的由多于两个的串联电池组成的电池布置的电池电压进行监测的电池电压监测系统，其中该监测系统包括一分压器，所述分压器包括与电池布置的至少一部分并联布置并且在一端连接到参考电压而在另一端连接到电池布置中的节点的第一电阻元件和第二电阻元件。
背景技术
如果电器配备有例如Li离子电池，则需要或多或少复杂的电池管理系统，因为在充电期间需要保护Li离子电池并且也保护Li聚合物免于过电压(＜4.2V)。在使用电器期间将对电池进行放电。如果布置中的任何电池的电池电压超过某一下限如2.7V，则将主动地关断电器以防止电池充电不足，这将造成对电池的永久损坏。具有其它化学物质(例如NiMH)的电池具有它们自己的其它特有电压水平。电池布置在一端连接到参考电压。对于单个电池或者串行连接到参考电压的第一电池，可以直接地测量电池电压。对于由多于两个电池组成的串联布置则需要更复杂的方案。已知使用与电池布置的至少一部分并联布置的分压器。这允许测量串联电池布置的一部分之上的电压、即用于两个、三个或者更多电池的总电压。
然而使用已知方案，测量误差随着使用的电池越来越多而增加。各测量提供多个电池之上的电压。将基于各种测量来计算特定电池的电池电压。这导致误差。这样的误差可能造成对电池的不希望的损坏或者如果应用安全裕度则造成在实质上高于2.7V的实际电压处关断设备或者在实质上低于4.2V的电压处终止对电池的充电。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种增加其中电压测量的精确度的改进的电池电压监测系统。本发明以精确地监测由串行连接的电池组成的布置的个体电池电压为目标。
为此，根据本发明的一种电池电压监测系统的特征在于在第一电阻元件与第二电阻元件之间布置有晶体管，该晶体管的基极经由二极管连接到串联电池布置中的又一节点，并且开关电路被提供用以对晶体管进行寻址。
当对晶体管进行寻址时，跨越第一电阻器的电压变得基本上等于在电池布置中的两个节点之间的电压。这允许直接地测量个体电池上的电压差，因此消除误差源。
在一个优选实施例中，两个或者更多个分压器具有共用电阻器。对共用电阻器的使用减少测量误差。
在一个优选实施例中，二极管包含于与分压器中的晶体管相匹配的晶体管中。这减少误差。
晶体管在实施例中是PNP晶体管、在其它实施例中是NPN晶体管。
将通过示例并且参照以下附图更具体地说明本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1图示了用于测量电池系统中的电池电压的标准布置；
图2图示了使用MOSFET的根据WO 2005/117232的已知布置；
图3A-图3C在与图1和图2的标准布置的比较中图示了本发明；
图4图示了本发明的一个实施例；
图5图示了本发明的一个优选实施例；
图6图示了本发明的一个优选实施例；
图7A图示了本发明的一个优选实施例；
图7B图示了图7A的实施例的一种变型，其中使用了环形计数器；
图8图示了图7中所示设备的简化版本；
图9图示了使用NPN晶体管的一个实施例。
附图未按比例绘制。一般而言，相同部件在图中由相同标号表示。
具体实施方式
在图1中呈现普通Li离子电池管理系统。它包括低电压电源插头(或者“适配器”)、Li离子电池(在本例中为五个电池)的串行连接、控制器、接通/关断开关和用以测量电压的装置。通过Mosfet M5可以中断充电电流。通过Mosfet M6可以在控制接通/关断开关时接通和关断电器。
充电
如果借助控制器在输入I2检测到存在电源插头电压Uplug，则将对电池操作的电器(手持真空清洁器、动力工具等)进行充电。如果电池具有低充电状态，则控制器将输出O5从低状态改变成高状态。这接通晶体管O5和PMosfet M5。电阻器R15限制充电电流。在充电期间，每个个体电池的电压将增加。必须监测每个个体电池(U1至U5)的电压。如果电池电压超过4.2V这一限制，则将减少电池的寿命。为了增加充电/放电循环的数目，最大电压阈值将限于较低值，如3.8V。
由于电池U5以参考电压线(在本例中为地)为参考，所以控制器可以用模拟输入A5直接地监测U5的电池单元电压。必须借助四个分压器R1/R5、R2/R6、R3/R7和R4/R8间接地监测电池U1至U4的电压。这四个分压器连接到参考电压线(在本例中为地)并且分别连接到电池布置中的节点N1、N2、N3、N4。四个分压器根据每个个体分压器的尺度设定将电压缩放到范围从2V到3V的模拟输入A1、A2、A3和A4。这一电压范围为与电压参考Uref相同的数量级。
为了例如测量电池U1的电压，需要测量在输入A1和A2处的电压并且将该电压与电压参考Uref进行比较。从电压UA1和UA2得到：
UA 1 = R 5 R 1 + R 5 · U 1 + = X 1 · U 1 +
UA 2 = R 6 R 2 + R 6 · U 2 + = X 2 - U 2 +
对于电池电压U1现在可以写为：
U 1 = U 1 + - U 2 + = UA 1 X 1 - UA 2 X 2 .
这一计算由控制器进行。因此，为了精确地测量电压U1，控制器需要考虑衰减X1和X2。另外，也必须考虑分压器电阻器和电压参考的容差以确定A/D转换过程的所需解析度。可以用类似方式测量电池U2、U3和U4的电压，但是各模拟输入通道需要考虑不同的衰减因子。
如果控制器测量到个体电池的电池电压高于3.8V，则停止充电过程。控制器将输出O5从高改变成低并且关断PMosfet M5。插入二极管D5以阻止电池电流可以流回到电源中。
这一电压监测系统的又一弊端在于在充电之后分压器网络保持连接到电池。通常使用高欧姆电阻器，但是大量电流仍将从电池泄漏掉。串联连接越多的电池，则需要越多分压器，将出现越多泄漏。
放电
通过推动接通/关断开关来接通电池操作的电器(手持真空清洁器、动力工具)。控制器将输出O6从低状态改变成高状态。这接通NMosfet M6并且DC电机开始运行。在操作DC电机期间将对电池进行放电。如果一个电池的个体电池电压超过2.7V的最小阈值，则必须关断DC电机。这防止Li离子电池的永久损坏。控制器现在将输出O6从高状态改变成低状态并且关断NMosfet M6。在放电期间监测个体电池电压的原理与在电池充电期间的完全相同。
在图2中示出了Li离子电池布置的现有技术的电池电压监测系统(Milwaukee  WO2005/117232A2)。这一现有技术的系统解决在全充电循环之后从电池泄漏电流的问题。各分压器配备有NMosfet M1、M2、M3和M4。选择这一NMosfet的Rds_on使得它并不影响电压监测系统的精确度、通常为R4的0.01％。
在充电期间，控制器使输出O1为低，并且在Q1的集电极处的电压将变成高状态。这接通NMosfet的M1至M4，并且将正常地操作分压器。电压监测与已经讨论的电压监测类似。在全充电循环之后，通过关断NMosfet M1至M4(输出O1＝高)从电池断开分压器。这一系统的优点在于在分压器中不再需要高欧姆电阻器。这使系统对噪声的敏感度更低并且因而实现更精确的测量。
虽然这一现有技术系统由此增加精确度，但是它并未消除间接电池电压测量的基本问题以及对于四个不同衰减因子的需要以及在电池电压计算期间的舍入误差。
图3A和图3B中图示了图1和图2中所示的监测系统的基本部件而在图3C中图示了用于根据本发明的监测系统的基本部件。为求简化，在图3A-图3C中并未绘出对于说明而言不相关的控制器的输入或者输出(比如A2、A3等)。
在图3C中，晶体管Q11位于分压器中的电阻器R1与R5之间，而它的基极经由二极管D1连接到电池布置的节点N2。二极管D1的功能在于将Q11的基极从节点N2断开。如果使在本例中为晶体管Q1的开关元件变为导通状态，则对晶体管Q11进行寻址并且跨越电阻器R1的电压变成：
U(R1)＝U1+Ube(Q11)-Uak(D1)。
如果Ube(Q11)＝Uak(D1)，则这一方程变成：
U(R1)＝U1！！！
因此如果晶体管Q1处于导通状态，则跨越电阻器R1的电压与电池电压U1成比例。利用这一原理将电池电压U1变换成比例电流Ie(Q11)。电流Ie(Q11)向下流向以地为参考的电阻器R5，从而使跨越R5的电压与电池电压U1几乎成比例。这允许对电压U1的直接测量，因此无需考虑各种衰减因子并且由此增加个体电池电压的测量精确度。另外，与如图3A中所示的标准布置比较而言，减少了泄漏电流，而与图3B的布置比较而言提供更简易而成本更低、又更精确的布置。
图4图示了根据本发明的监测系统的一个实施例。
分别在电阻器R1、R2、R3和R4与各电阻器R5、R6、R7和R8之间提供晶体管Q11至Q14。晶体管Q11至Q14的基极经由二极管D1至D4连接到电池布置中的节点。借助晶体管Q1至Q4来提供用于对晶体管进行寻址的开关元件。
通过对晶体管Q1至Q4进行寻址，控制器可以借助模拟输入A1至A5来读出每个个体电池的电池电压而无需衰减因子。因而不会产生舍入误差也不引起泄漏电流路径。
图5图示了本发明的一个优选实施例。
在图3C的方案中，如果Ube(Q11)不等于Uak(D1)则留有误差。在图5中，二极管形成与PNP晶体管Q11相匹配的晶体管T11的部分，由此消除Ube(Q11)与Uak(D1)的不相等所致的测量误差。如果使用精确度为1％的电阻器，则这里总精确度优于2.5％。在这一图3中未绘出对于说明而言不相关的控制器的输入和输出。
图6图示了本发明的一个优选实施例。在这一实施例中，各种分压器共享共用电阻器R5。使用共用电阻器以减少误差并且简化系统(需要更少模拟输入)。对晶体管Q1至Q4的依次寻址对于读出每个个体电池的电池电压而言现在很有用。由于充电过程相对慢，所以依次读出每个个体电池的电池电压不成问题。
图7A和7B图示了其中将图5和图6的方面进行组合的实施例。图7A是这两个方面的直接组合。在图7B中示出了晶体管Q1至Q4的简化寻址系统。无需控制器“知道”哪个个体电池的哪个电池电压超过较低或者较高电压保护水平。因此，对晶体管Q1至Q4的寻址可以由简易而廉价的环形计数器(类似HEF4017)来实现。这尤其在大串电池串行连接时意味着减少控制器的所需输出数目。这实现使用成本更低的控制器。
图8是图7A中所示方案的简化版本，其中示出了仅三个电池。
在前图中已经使用PNP晶体管。在实施例中可以使用NPN晶体管。在图9中图示了这样的布置。参考电压变成正电压线而不是如在前图中的地。控制器也使用加号线作为参考。本发明的原理同样地适用。
简言之，本发明可以描述为：
一种电池电压监测系统监测由多于两个串联电池(U1，U2，U3，U4，U5)组成的布置的电压。该系统包括分压器，所述分压器包括与电池布置的至少一部分并联布置并且连接到参考电压线和电池布置中的节点(N1，N2，N3，N4)的第一电阻元件(R1，R2，R3，R4)和第二电阻元件(R5，R6，R7，R8)。晶体管(Q11，Q12，Q13，Q14)布置于第一电阻元件(R1，R2，R3，R4)与第二电阻元件(R5，R6，R7，R8)之间。晶体管的基极经由二极管(D1，D2，D3，D4)连接到串联电池布置中的又一节点(N2，N3，N4，N5)，并且开关元件(Q1，Q2，Q3，Q4)被提供用以对晶体管(Q11，Q12，Q13，Q14)进行寻址。
应当注意上文提到的实施例举例说明而不是限制本发明并且本领域技术人员能够设计许多替代实施例而不脱离所附权利要求的范围。例如：在例子中利用了NPN或者PNP晶体管，而在实施例中可以同时利用这两类晶体管。
在权利要求中，置于括号之间的任何标号不应理解为限制权利要求。
字眼“包括”并不排除存在除了权利要求中列举的元件或者步骤之外的元件或者步骤。可以通过如上所述各种不同优选实施例的任何组合来实施本发明。

Claims (7)

1.一种电池电压监测系统，用于监测在一端连接到参考电压线的由多于两个的串联电池(U1，U2，U3，U4，U5)组成的电池布置的电池电压，其中所述电池电压监测系统包括：
分压器，所述分压器包括第一电阻元件(R1，R2，R3，R4)和第二电阻元件(R5，R6，R7，R8)，与所述电池布置的至少一部分并联布置并且在一端连接到所述参考电压线而在另一端连接到所述电池布置中的相应节点(N1，N2，N3，N4)，
晶体管(Q11，Q12，Q13，Q14)，位于所述第一电阻元件(R1，R2，R3，R4)与所述第二电阻元件(R5，R6，R7，R8)之间，所述晶体管的基极经由二极管(D1，D2，D3，D4)连接到所述电池布置中的又一节点(N2，N3，N4，N5)，以及
开关元件(Q1，Q2，Q3，Q4)被提供用以对所述晶体管(Q11，Q12，Q13，Q14)进行寻址。
2.如权利要求1所述的电池电压监测系统，其中所述二极管(D1，D2，D3，D4)包含在与所述分压器中的所述晶体管(Q11，Q12，Q13，Q14)相匹配的晶体管(T11，T12，T13，T14)中。
3.如权利要求1或者2所述的电池电压监测系统，其中两个或者更多分压器具有共用电阻器(R5)。
4.如权利要求1或2所述的电池电压监测系统，其中所述分压器中的所述晶体管是NPN晶体管。
5.如权利要求1或2所述的电池电压监测系统，其中所述分压器中的所述晶体管是PNP晶体管。
6.如权利要求1或2所述的电池电压监测系统，所述电池电压监测系统还包括环形计数器。
7.一种电池可驱动的设备，包括如任一前述权利要求所述的电池电压监测系统。
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