CN101849193B

CN101849193B - 具有电池级联的电路布置

Info

Publication number: CN101849193B
Application number: CN2008801149618A
Authority: CN
Inventors: M·弗兰克; J·里默尔; T·舍德尔
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Delongee Braun home Co., Ltd
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: WO2009059657A3; KR101244493B1; CN101849193A; DK2208080T3; JP2011503559A; WO2009059657A2; KR20100060035A; HUE032355T2; JP5258894B2; DE102007052929A1; ES2608980T3; EP2208080B1; US20100237873A1; PL2208080T3; PT2208080T; EP2208080A2

Abstract

在其中载荷由电池级联供电的电气装置中，必须高精度地测量电池级联中的电池的电压，以便起动充电均衡并且防止欠电压或过电压，其中如有可能，应同时使用有利的组件。该问题由所提议的具有电池级联的电路布置而得到解决，所述电路布置包括其负极具有地电位(GND)的第一电池(A1)、其负极耦接到第一电池的正极的第二电池(A2)，并且还包括电容器(C1)，所述电容器在其第一侧经由电阻器(R1)耦接到第一电池的正极，并且其第二侧能够经由第一开关(S1)施加到地电位(GND)。此外，第二电池(A2)的正极能够经由第二开关(S2)耦接在电阻器(R1)和电容器(C2)之间。能够将电容器(C1)充电至第一电池的电压(V1)，并且仅需测量整个电池级联和电容器(C1)之间的差分电压。

Description

具有电池级联的电路布置

技术领域

本发明涉及具有电池级联的电路布置。

背景技术

具有电池级联的电路布置通常用来防止电池级联中的各个电池的充电差异，并且因此防止电池的过早劣化。

具有电池级联的电路布置描述于专利说明书DE 39 40 929 C1中，其中控制电路连接串联电路对，所述电路对各自连接到电池级联中的电池的极连接件，因此将相应的电池与并联连接的电容相连接。取决于电容器和连接到它们上的电池之间的电压差，能够发生电荷交换和充电均衡。每个电池均连接到比较电路，所述比较电路能够对实际电压和相应电池上的目标电压进行比较，并且用差分电压来加载控制电路。为了均衡充电，首先闭合充电较充足的电池的电路对，并且对电容器进行充电，直到它们具有充电较充足的电容器的电压。其后，打开该电路对，并且闭合充电不太充足的电池的电路对。然后电荷从电容器流出并进入到充电不太充足的电池中。

所述的电路布置的一个缺点在于，其需要为每个电池配备比较电路以便测量各个电池的电压，并且还需要具有若干个电容器的附加电路以便进行电压均衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电路布置和方法，其中可能在电池级联中用简单的电路布置来精密地测量电压，并且不同程度充电的电池之间的电压均衡还是可能的。

该问题能够通过具有如权利要求1所述特征的电路布置和具有如权利要求10所述特征的方法来解决。附加实施方案在从属权利要求中给出。

如权利要求1所述的电路布置允许测量电池级联中的第二电池上的电压，因为能够存储第一电池的电压，并且因此能够相对于地电位测量整个电池级联中的电压和电容器上的电压之间的差值。这使得每个电池没有必要具有分配的独立测量电路，并且这也允许使用不是为电池级联中的总电压设计的测量电路，因为仅需相对于地电位测量差分电压而非第二电池两极处的电压差值。包括锂离子电池的电池级联的典型电压值在第一电池的正极处为约4.0伏(V)，并且在第二电池的正极处为8.0V。在本电路布置中，不必将第二电池的电压测量为相对于地电位的8.0V的差值和相对于地电位的4.0V，而是能够直接相对于地电位测量为4.0V的差分电压。

在电路布置的另一个实施方案中，存在测量电路，该测量电路能够直接通过第一输入端而具有第一电池的电压，并且该测量电路的第二输入端能够具有电容器(处于其充电状态)上的电压和电池级联的总电压之间的电压差。由于电路布置的特性，能够将测量电路例如可商购获得的且经济型的微控制器(其是为约5.5V的最大电压设计的)用于该目的。

在另一个实施方案中，测量电路具有模拟-数字转换器和存储器。利用所述转换器能够将所提供的模拟电压值转换为数字电压值。能够将数字电压值保存在存储器中以便例如进行彼此比较，或使电压随着时间的推移积聚下来以便进行日后分析。该模拟-数字转换器能够同时从测量电路的第一输入端或第二输入端接收模拟信号，因此没有必要提供两个模拟-数字转换器，并且在仅有一个模拟-数字转换器的情况下每次转换均能够具有相同的误差，使得在计算两个转换的值之间的差值时，误差能够基本上被消除。能够将存储器设计为用于某个数字值的存储器或用于若干个数字值的存储器。

在一个实施方案中，测量电路具有另一个比较单元，所述比较单元用来比较先前限定的电压值和当前电压值。

在另一个实施方案中，第一电路和第二电路能够由测量电路来控制。

在另一个实施方案中，第二电池的正极能够通过第三电路与测量电路耦接。以此方式，能够通过电池级联向测量电路提供能量。

在一个实施方案中，测量电路具有内部基准电压。这允许绝对地测量电压值。具体地讲，这允许确定相应电池上的欠电压或过电压。此外，基准电压还能够使测量具有更高的精确度。

在另一个实施方案中，将电池级联连接到充电电路，使得电池能够通过充电电路充电。充电电路能够由测量电路来控制，使得当发生欠电压时能够自动地对电池充电。

具体地讲，所述的电路布置能够用于由电池供电的电气装置。具体地讲，此类电气装置为移动电话、电动牙刷、剃刀或脱毛器、以无线方式操作的家用装置诸如手持式搅拌器、或以无线方式操作的工具诸如无绳螺丝刀。因此，本发明也涉及其特征在于这种电路布置的电气装置。

此外，本发明还涉及用于测量电池级联中的电压的方法。该方法由以下步骤组成：

●将落在地电位上的电容器充电，直到第一电池上的电压也以所需精度与电容器上的电压相同，所述电容器包括落在地电位上的电池级联中的第一电容器。

●将电容器从地电位退耦，其中具体地讲，这发生在当具有高阻抗(例如，若干兆欧)的电阻器连接在电容器和地电位之间时。

●将电池级联的总电压施加在电容器处，使得能够相对于地电位测量电容器处的电压和总电压之间的差值。

在该方法的另一些实施方案中，将第二电池通过电阻器部分地放电，或当电池充电时将充电电流通过电阻器部分地提供给第二电池。这允许无论何时当与第一电池上的电压相比在第二电池上检测到高电压时，第二电池通过电阻器部分地放电或通过充电电流的放电而缓慢充电(如同第一电池一样)，直到电压达到均衡。

在该方法的另一个实施方案中，测量电路仅通过第一电池供电。在这种情况下，如果与第二电池上的电压相比在第一电池上检测到了高电压，则会由于为测量电路供电而使第一电池比第二电池更快速地放电，使得电压能够被均衡。

附图说明

本发明通过讨论实例实施方案并参照附图而得到进一步的详细说明。在这方面，

图1显示了电路布置，其用于测量电池级联中的电压；

图2显示了电路布置，与图1相比，其用附加组件作了扩展；并且

图3显示了具有电路布置的电气装置的示意图。

具体实施方式

图1所述的电路布置具有电池级联，所述电池级联具有第一电池A1和第二电池A2。第一电池A1具有电压V1，并且第二电池A2具有电压V2。电压值由电池的相应充电状况确定。第一电池A1的负极连接到地电位例如大地电位或另一种地电位。第一电池A1的正极同时连接到第二电池A2的负极和电阻器R1。电阻器R1连接到电容器C1，所述电容器继而通过第一开关S1(在第一开关S1的闭合状态中)连接到地电位。第二电池A2的正极通过第二开关S2耦接在电容器C1和电阻器R1之间。测量电路μC由虚线指示。类似地，能够将用于测量第一输入端AD1和第二输入端AD2的电压值提供给测量电路μC。电池级联能够以熟知的方式连接到充电电路DC。在具有所述电路的情况下，电池级联不能够通过充电电路DC放电，但通过所述电路电池级联可能可充电。测量电路μC也用来控制第二开关S2，所述开关由虚线指示。在此处将第一开关S1设计为测量电路μC的组件，并且电容器在地电位侧与测量电路的第二输入端AD2耦接。然而，第一开关S1也能够为由测量电路μC控制的外部开关。为了使开关具有高精度，具体地讲能够将第二开关S2设计为具有低(或几乎没有)电压降的开关，例如设计为FET或MOS-FET。

如果电池为锂离子电池，则电压V1和V2在它们的工作状态中能够呈现例如2.5至4.2伏(V)的值，这取决于它们的充电状况。第一电池A1的正极处的分接头允许直接测量第一电池A1上的电压V1。这种分接头在此处与测量电路μC的第一输入端AD1连接。测量电路μC能够例如通过模拟-数字转换器ADC将所提供的模拟电压值转换为数字电压值，其中10位模拟-数字转换器允许具有为基准电压的约千分之一的精度。能够将数字电压值保存在测量电路μC的存储器M中以便进一步地使用，例如用于电压值比较(如下所述)或提供随着时间的推移的电压V1。

所示出的电路布置允许下文所述的不同类型的应用。这些应用包括用作

a)用于测量电池级联的电压的电路布置；和

b)用于找平第一和第二电池的充电状态的电路布置。

图1所述的电路布置在应用a)中的功能如下。首先，在第一输入端AD1处通过第一电池A1的正极上的分接头将第一电池A1上的电压V1提供给测量电路μC。将第一输入端AD1送至测量电路μC的模拟-数字转换器ACD，所述转换器将模拟电压值转换为数字电压值，其中所述的实施方案中的模拟-数字转换器ADC具有10位的分辨率以便能够获得约4mV的精度，因为旨在分辨的最大电压对应于锂离子电池的最大电压。在下一个步骤中，将第一开关S1闭合，并且将第二开关S2打开。于是，第一电池A1通过电阻器R1对电容器C1充电。通过适当地制定电容器C1(电容C)和电阻器R1(欧姆电阻R)的大小，能够限定充电时间常数T，因为其为电容器C1的电容C和电阻器R1的欧姆电阻R1的乘积(T＝RxC)，这样做的结果是，在精度为约0.1％(其对应于模拟-数字转换器ADC数字化电压值时的精度大小)的几毫秒的充电时间内，包含在电容器C1上的电压对应于包含在第一电池A1上的电压V1。能够用更长或更短的充电时间来获得更高或更低的电压值对应精度。如果因此在电容器C1上获得了所需精度的电压，则打开第一开关S1，使得电容器C1的放电基本上被禁止(当第一开关S1打开时，第二输入端具有在兆欧范围(MΩ)内的极高阻抗)，因此仅会有穿过电容器C1的漏电阻的低漏电流导致电容器C1缓慢放电。然后闭合第二开关S2，以便将电压值提供给测量电路μC的第二输入端AD2，所述电压值对应于第一电池A1上的电压V1和第二电池A2上的电压V2的总和电压和电容器C1上的电压V1′(V1′≈V1)之间的差值；因此，能够相对于地电位测量电压V＝(V1+V2)-V1′＝V2′。

因此，第二输入端AD2上的电压V对应于电压V2，具有由与第一电池A1上的电压V1相关的电容器C1上的电压V1′的精度所指示的精度。通过增加电容器C1的充电时间，能够增加该电压的精度。由于实际上当第一开关S1打开时电容器C1事实上不放电(这能够通过选择适当优质的电容器来保证)，并且电压测量能够基本上在闭合第二开关S2之后无延时地测量，电容器C1的自放电对于电压测量精度的影响也是微不足道的。将第二输入端AD2电压值送至模拟-数字转换器ADC以将模拟电压值转换成数字电压值。模拟-数字转换器ADC在此处是同一个转换器，电压值也通过第一输入端AD1送至所述同一个转换器。然而，测量电路μC也能够具有若干个模拟-数字转换器。

在测量电路μC的供电电压(其在图1所述的实施方案中从外部电压源提供)保持恒定的条件下，能够进行所存储的第一数字电压值(其对应于第一电池A1上的电压V1)与第二数字电压值(其对应于第二电池上的电压V2)之间的相对比较，例如使用测量电路μC的比较单元CP来进行。所比较的电压的差值表明，这两个电池中的一个比另一个放电更强烈。因此能够采取对应的步骤，以便找平第一电池A1的充电状态和第二电池A2的充电状态。

如果测量电路μC提供内部恒定的基准电压Uref(见图2)，则电压值也能够绝对地彼此比较，并且具体地讲能够确定电压值是否逼近临界低电压值，所述临界低电压值对应于对应电池的几乎完全放电。因此能够导入必要的步骤以防止完全放电(所述步骤能够为对放电警示的显示和/或以已知方式实现的对装置的实际载荷的不供电)。当电池在充电时，也能够确定电池上的相应电压是否正接近临界上限值，并且因此能够停止电池的充电。当然，基准电压也能够以外部方式来提供。

所述的电路布置允许使用测量电路μC，所述测量电路不是为第一电池A1的电压V1和第二电池A2的电压V2的总和电压V＝V1+V2设计的。因此，能够将为约5.5V的最大电压设计的微控制器用作测量电路，其中电池充分充电时的总和电压V＝V1+V2为约8.4V。电路布置也允许精确(相对地和/或绝对地)测量电池级联中的电池上的电压，并且精确地比较这两个电压V1和V2。由于在测量期间没有电流流过电容器C1，因此第一开关S1的转移电阻和第二开关S2的转移电阻是不相关的，因此能够使用经济型组件。基本上，较高的组件质量需求仅是电容器C1所需要的。因此，例如具有高漏电阻的纸或塑料箔电容器能够用来保持电容器C1的自放电，其在此处用作一个极低电压值的存储器。

图1所述的电路布置在应用b)中的功能如下。如果对电压的比较已确定第二电池A2上的电压V2大于第一电池上的电压V1(V2＞V1)，则充电均衡能够以如下方式发生：将第二开关S2闭合，因此使第二电池通过电阻器R1放电。在一个实施方案中，由于测量电路μC会定期进行电压值的测量，因此当第二电池上的电压V2与第一电池A1上的电压V1相同时(V2＝V1)，能够通过打开第二开关来停止第二电池A2通过电阻器R1的部分放电。如果装置在充电，则闭合第二开关S2会导致电流的一部分流过电阻器R1并且不流过第二电池A2，使得第一电池A1的充电速度快于第二电池A2，因此能够均衡第二电池A2上的电压值V2和第一电池A1上的V1。测量电路μC也能够测量电压值V1和V2，并且能够相应地在电池充电期间打开或闭合第二开关。如果确定了第一电池A1上的电压V1大于第二电池上的电压V2(V1＞V2)，则第一电池能够用来向测量电路μC供电，使得第一电池A1因向测量电路μC供电而以毫安范围(mA)内的电流放电，而不向载荷供电的电池的静止模式中的自放电在微安范围(μA)内。这参照图2描述于下文中。

图2所述的电路布置基本包括与图1中相同的组件，因此可参考图1关于这些组件的描述。然而，与图1所述的电路布置相比，图2所述的电路布置是扩展了的。第一电池的正极通过第一二极管D1连接到测量电路μC的供电输入。此外，第二电池A2的正极通过第三开关S3连接到附加电阻器R2。第三开关S3能够由测量电路μC来控制，所述电路由虚线指示。附加电阻器R2通过齐纳二极管连接到地电位，并且附加电阻器R2通过第二二极管D2连接到测量电路μC的供电输入。该电路布置允许电路布置的第三应用，即，由电池级联为测量电路μC供电。测量电路μC还具有内部基准电压Uref，所述内部基准电压能够用来-如已结合图1所述的那样-绝对地测量所提供的电压值，以便能够识别欠电压的发生，并且因此能够保护电池免受欠电压的损害，这能够增加电池的预期使用寿命。

在图2所述的实施方案中，测量电路μC通过电池供电。在第三开关S3闭合的情况下，测量电路μC由电池级联的这两个电池通过第二二极管D2供电。以如下方式选择附加电阻器R2和齐纳二极管ZD1：甚至在这两个电池的总和电压高于测量电路μC的工作电压(约5.5V)时，测量电路μC也仅具有为测量电路μC所设计的电压。当由电池级联的这两个电池供电时，测量电路能够仍然提供全性能，甚至当电池的电压各接近约2.5V的欠电压限值时也是如此。此外，测量电路μC在大载荷期间也能够可靠地得到供电，因为由大载荷引起的所得电压降不会导致测量电路μC的欠电压，所述大载荷通过加载要供电的装置(未示出；具有载荷(通常为马达)的剃刀或家用装置)而施加到电池上。如已结合图1所述的那样，测量电路μC在第一电池A1的电压V1大于第二电池A2的电压V2(V1＞V2)的情况下也能够单独由第一电池A1供电。为此目的，将第三开关S3打开。此外，在该装置的待机运行期间，测量电路μC通过第一二极管D1供电，其中第三开关S3保持打开。在该类型的运行中，通过附加电阻器R2和齐纳二极管ZD1进行电压调节是不必要的，并且仅使用几微安(μA)的电流。

所述的电路布置允许有几毫伏的高测量精度，而无需使用成本密集的组件。实际上能够将经济型、可商购获得的微控制器用作测量电路μC。

在图3中，显示了具有如本发明所述的电路布置的电气装置100。电路布置由第一电池A1、第二电池A2和电子组件EL组成。电池为电气装置100的载荷L供电。这种载荷能够为例如马达，因此其能够驱动应用机构A。这种应用机构A为例如电动剃刀上的剪切刀片、脱毛器中的镊元件、电钻上的钻头、或手持式搅拌器上的刀刃。在移动电话中，载荷能够由显示器以及发射和接收单元组成。电气装置100的电池能够在充电站LS处以已知方式通过感应充电或通过直接接触来充电。为此目的，电气装置100包含电子充电器。

Claims

1.一种电路布置，所述电路布置适合用于测量在电池级联中的电池中的相应电压，所述电路布置具有

○第一电池(A1)，其负极连接到地电位(GND)；

○第二电池(A2)，其负极与所述第一电池的正极耦接；和

○电容器(C1)，所述电容器在其第一侧通过电阻器(R1)与所述第一电池(A1)的正极耦接并且能够在第二侧通过第一开关(S1)连接到所述地电位(GND)，

其中所述第二电池(A2)的正极能够通过第二开关(S2)耦接在所述电阻器(R1)和所述电容器(C1)之间。

2.如权利要求1所述的电路布置，所述电路布置还具有用于评测实测电压的测量电路(μC)，其中所述第一电池(A1)的正极与所述测量电路(μC)的第一输入端(AD1)耦接，并且所述电容器(C1)的第二侧与所述测量电路(μC)的第二输入端(AD2)耦接。

3.如权利要求2所述的电路布置，其中所述测量电路(μC)具有用于数字化所提供的模拟电压值的模拟-数字转换器(ADC)和用于存储至少一个数字电压值的存储器(M)。

4.如权利要求2或权利要求3所述的电路布置，其中所述测量电路(μC)具有用于比较两个电压值的比较单元(CP)。

5.如权利要求2或权利要求3所述的电路布置，其中所述第一开关(S1)和所述第二开关(S2)由所述测量电路(μC)控制。

6.如权利要求2或权利要求3所述的电路布置，其中所述第二电池(A2)的正极能够通过第三开关(S 3)与所述测量电路(μC)耦接。

7.如权利要求2或权利要求3所述的电路布置，其中所述测量电路(μC)具有用于绝对地确定电压值的内部基准电压(Uref)。

8.如权利要求1所述的电路布置，其中所述第一电池(A1)的负极和所述第二电池(A2)的正极与充电电流(DC)耦接或能够与充电电流(DC)耦接。

9.一种具有如权利要求1至3和8中任一项所述的电路布置的电气装置(100)，其中所述电池级联用来为所述电气装置(100)的载荷(L)供电。

10.一种用于提供电压的方法，所述电压为在电池级联中的电池的电压的量度，其中执行以下步骤：

●对连接到地电位的电容器(C1)进行充电，直到连接到所述地电位(GND)的电池级联的第一电池(A1)的电压(V1)以预定精度接近所述电容器(C1)的电压；

●将电容器(C1)从所述地电位(GND)退耦；

●将源自所述电池级联中的第一电池(A1)的电压(V1)和第二电池(A2)的电压(V2)的总电压施加到所述电容器(C1)上。

11.如权利要求10所述的方法，其中作为附加步骤，通过电阻器(R1)来进行所述第二电池(A2)的部分放电。

12.如权利要求10所述的方法，其中作为充电所述电池级联过程中的附加步骤，通过电阻器(R1)来传送用于所述第二电池(A2)的充电电流的一部分。

13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中作为附加步骤，仅通过所述第一电池(A1)来进行对测量电路(μC)的供电。

14.如权利要求10至12中任一项所述的方法，将所述电容器(C1)从所述地电位(GND)的退耦是通过切换所述电容器(C1)和地电位(GND)之间的高阻抗来实现的。