CN102866358A

CN102866358A - 高串数锂电池包电压检测电路及应用其的电池包保护电路

Info

Publication number: CN102866358A
Application number: CN2012102741945A
Authority: CN
Inventors: 刘辉
Original assignee: Huizhou Blueway Electronic Co Ltd
Current assignee: Huizhou Blueway New Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: CN102866358B

Abstract

本发明涉及高串数锂电池包电压检测电路及相应的保护电路。所述检测电路包括与锂电池包内电池单体数量对应的N个V/I转换电路；V/I转换电路中，从锂电池包取合适电压供给电压跟随器由电压跟随器输出后通过稳压管钳位为运算放大器供电，运算放大器电源负端接浮地。采用上述电压检测电路与微处理器构成高串数锂电池包电压保护电路。工作时，电压检测电路将检测到的电池包内每节电池的电压信息传输给微处理器，由微处理器进行分析计算，进而对电池包的充放电进行控制实现对电池包的保护。本发明有效解决了目前高串数锂电池各节点电压检测方案的缺点，降低了对元器件的耐压要求和精度要求，同时又避免了各节电池之间的漏电不平衡的缺陷。

Description

高串数锂电池包电压检测电路及应用其的电池包保护电路

技术领域

本发明专利涉及到电池保护领域，尤其涉及到一种高串数锂电池包的电压检测电路及应用该电压检测电路的高串数锂电池包的保护电路。

背景技术

目前锂电池应用日益广阔，随着应用领域的不断深入，高串数锂电池包的应用也越来越多，但锂电池由于单节电池电压较低,因此对于电压要求较高的领域，就必须要多节电池串联应用；同时，由于锂电池的充放电都必须严格控制在准确的范围以内，才能保证锂电池的寿命，因此，高性能，高串数锂电池保护方案越来越引起重视，在高串数锂电池保护方案中，必须准确检测各个电池电压，为微处理器提供精确的计算和判断依据，很多公司相继推出了专用的集成线路用于高串数锂电池内各电池电压的检测。但由于目前高串数锂电池的应用太多，要求也不尽一样，加上专用集成线路的成本过高，难以大范围普及。发明内容

本发明需解决的问题是提供一种高串数锂电池包电压检测电路，并提应用该检测电路的一种高串数锂电池包保护电路。

本发明技术方案如下：一种高串数锂电池包电压检测电路，包括与锂电池包内电池单体数量对应的N个V/I转换电路，所述每个V/I转换电路包括一运算放大器及一个三极管；所述运算放大器的输出端连接三极管基极，三极管集电极通过电阻接地；该集电极同时作为检测电路输出端；V/I转换电路中，第N节电池的正端电压V(n)通过电阻R(n)接入三极管发射极，同时该端还通过一限流电阻接运算放大器的同相输入端，第N节电池的负端通过另一限流电阻连接运算放大器U(n)的反相输入端。

上述方案中的三极管可采用三极管复合电路替换；所述各三极管复合电路包括两个三极管，其中三极管Q(n1)集电极与三极管Q(n2)基极连接，运算放大器U(n)的输出端连接三极管Q(n1)基极，三极管Q(n2) 发射极通过电阻接地；该发射极同时作为检测电路输出端；V/I转换电路中，第N节电池的正端电压V(n)通过电阻R(n)分别接入三极管Q(n1)、Q(n2) 发射极和集电极，同时该端还通过一限流电阻接运算放大器U(n)的反相输入端，第N节电池的负端通过另一限流电阻连接运算放大器U(n)的同相输入端。

为了避免电池包中各节电池的自耗电不平衡导致测量偏差的问题，本发明还提供一种优选的方案：一种高串数锂电池包电压检测电路，包括与锂电池包内电池单体数量对应的N个V/I转换电路，所述每个V/I转换电路包括一运算放大器及一三极管；所述运算放大器的输出端连接三极管基极，三极管集电极通过电阻接地，该集电极同时作为检测电路输出端；V/I转换电路中，每个运算放大器的反相输入端均通过电阻连接与其对应的三极管的发射极，第N节电池的负端通过与其对应的限流电阻连接该运算放大器的同相输入端；各三极管集电极还分别通过与其对应的采样电阻连接至锂电池包中最高节电池的正端。

同样，上述优选方案中，三极管也可采用三极管复合电路；所述各三极管复合电路包括两个三极管，其中三极管Q(n1)集电极与三极管Q(n2)基极连接，运算放大器的输出端连接三极管Q(n1)基极，三极管Q(n2) 发射极通过电阻接地，该发射极同时作为检测电路输出端；V/I转换电路中，每个运算放大器的反相输入端均通过电阻连接与其对应的三极管复合电路中两个三极管的集电极，第N节电池的负端通过与其对应的限流电阻连接该运算放大器U(n)的同相输入端；各三极管复合电路中两个三极管的集电极分别通过与其对应的采样电阻连接至锂电池包中最高节电池的正端。

为了解决通用运算放大器的耐压问题，运算放大器的供电，从高串数锂电池包取电VCC，该VCC电压通过稳压管钳位后提供给运算放大器作为运算放大器的工作电压，运算放大器电源负端接浮地。或者，从高串数锂电池包取合适电压供给电压跟随器，由电压跟随器输出通过稳压管钳位后提供给运算放大器作为运算放大器的工作电压，运算放大器电源负端接浮地。或者，所述V/I转换电路中，从高串数锂电池包取合适电压供给电压跟随器，由电压跟随器输出通过稳压管钳位后提供给运算放大器作为运算放大器的工作电压，运算放大器电源负端接地。

基于上述高串数锂电池包电压检测电路，本发明还提供一种高串数锂电池包保护电路，将上述两种高串数锂电池包的电压检测电路应用于电池包保护电路，配合微处理器，工作时，所述高串数锂电池包电压检测电路将检测到的电池包内每节电池的电压信息传输给微处理器，由微处理器进行分析计算，进而对电池包的充放电进行控制实现对电池包的保护。

与现有技术相比，本发明采用通用的运算放大器与三极管构成高端电流/电压转换电路，把串联后较高的电池电压转换成共地的电压信号，转换过程中，运算放大器电源采用稳压管进行电压钳位，并通过电阻使其供电负端浮地，解决了通用运算放大器的耐压问题；同时结合电阻分压原理，使得每节电池的自耗电不平衡远远低于微安级，解决了电池包中各节电池的自耗电不平衡的隐患。然后通过处理器对电压信号进行计算，就可以准确的检测出各节电池的电压，从而实现对电池的有效监测和保护。

附图说明

附图1A 为所述V/I转换电路实施例一原理示意图；

附图1B为所述V/I转换电路实施例二原理示意图；

附图2 为所述高串数锂电池包电压检测电路实施例电路原理示意图；

附图3为所述运算放大器电源浮地连接示意图；

附图4为高串数锂电池包保护电路原理框图；

附图5为锂电池包内各电池自耗电示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步的详细说明。

附图1A为本发明所述V/I转换电路第一实施例，每个V/I转换电路包括一运算放大器及一个三极管；所述运算放大器U1A的输出端连接三极管Q1基极，三极管Q1集电极通过电阻RO接地,该集电极同时作为检测电路输出端；V/I转换电路中，第N节电池的正端电压V(n)通过电阻R(n)接入三极管Q1发射极，同时该端还通过一限流电阻R1接运算放大器U1A的同相输入端，第N节电池的负端通过限流电阻R2连接运算放大器U1A的反相输入端。

附图1B为本发明所述V/I转换电路第二实施例，所述每个V/I转换电路包括一运算放大器及一三极管复合电路。所述三极管复合电路包括两个三极管，其中三极管Q1集电极与三极管Q2基极连接，运算放大器U1A的输出端连接三极管Q1基极，三极管Q2 发射极通过电阻RO接地；该发射极同时作为检测电路输出端；V/I转换电路中，第N节电池的正端电压V(n)通过电阻RI分别接入三极管Q1、Q2的发射极和集电极，同时该端还通过一限流电阻R2接运算放大器U1A的反相输入端，第N节电池的负端通过限流电阻R1连接运算放大器U1A的同相输入端。

根据运算放大器的特性,电阻RI上的电压为:VRI= V(n)-VP- ,由于运算放大器的输入阻抗很高，因此VP-=V(n-1)，这样，电阻RI上的电压就等于第N节电池电压。结合附图1B，可以得出：

I1 = [V(n)-V(n-1)]/RI

I1 = Ic1+Ic2

I2 = Ic1+Ic2-Ib

由于Q1,Q2组成复合管的放大数很大，因此Ib可以忽略，从而可以求出RO上的电压：

Vbat = RO*I2 ≈ RO*I1 = V(n)-V(n-1) （ RI=RO=R），这样，第N节电池的电压就通过V/I变换，转换成共地的电压Vbat。

附图1A的原理同此，不再赘述。

具体应用时，高串数锂电池包电压检测电路中设置与锂电池包内电池单体数量对应的N个V/I转换电路，第N节电池的正端电压V(n)通过电阻R(n)分别接入三极管Q(n1)、Q(n2) 发射极和集电极，同时该端还通过一限流电阻接运算放大器U(n)的反相输入端，第N节电池的负端通过另一限流电阻连接运算放大器U(n)的同相输入端。则电池包中每节电池的电压都转换成相应的共地电压，共处理器采集计算。

图2为本发明最优选的实施例，该实施例中，高串数锂电池包电压检测电路包括与锂电池包内电池单体数量对应的N个V/I转换电路，所述每个V/I转换电路包括一运算放大器及一三极管复合电路；所述各三极管复合电路包括两个三极管，其中三极管Q(n1)集电极与三极管Q(n2)基极连接，运算放大器的输出端连接三极管Q(n1)基极，三极管Q(n2) 发射极通过电阻接地，该发射极同时作为检测电路输出端；V/I转换电路中，每个运算放大器的反相输入端均通过电阻连接与其对应的三极管复合电路中两个三极管的集电极，第N节电池的负端通过与其对应的限流电阻连接该运算放大器U(n)的同相输入端；各三极管复合电路中两个三极管的集电极分别通过与其对应的采样电阻连接至锂电池包中最高节电池的正端。

在锂电池包中，由于电池串联，因此要保证每节电池耗电平衡，就必须尽量保证流过每节电池的电流都相等；但由于保护板要对每节电池电压进行监测，因此就会在每个电池的节点上有电流流出，如果从第i节电池流出的电流为Ix(i)，参考图5：

第1节电池耗电：Ix(1)+Ix(2)…+Ix(n)

第2节电池耗电：Ix(2)…+Ix(n)

第N节电池耗电：Ix(n)

显然，第1节电池的自耗电最大。要尽量减少此种不平衡，就必须保证从电池串的中间结点流出的电流，必须越小越好，这样就能保证所有电池消耗的电流尽可能接近。

该实施例中，为了避免各节电池V/I转换过程中的电流引起每节电池的自耗电不一样，而将每节电池的V/I转换电路都连接于同一点，例如，在第N到N-2节的检测中，采样电阻都由V(n)端接入，这样，V/I转换电路所消耗的电流就都通过V(n)流出，保证了各节电池的自耗电完全一致，根据V/I转换的原理，可得出：

VO(n) = [V(n)-V(n-1)]* RO1/RI1

VO(n-1) = [V(n)-V(n-2)]* RO2/RI2

VO(n-2) = [V(n)-V(n-3)]* RO3/RI3

如果选取 RI1=R，RI2=2R ，RI3=3R；RO1=RO2=RO3=R，则：

VO(n) = V(n)-V(n-1)

VO(n-1) = [V(n)–V(n-2)]/2

VO(n-2) = [V(n)–V(n-3)]/3

其中VO（n）,VO(n-1),VO(n-2)由微处理器通过A/D转换读出，根据上述算式，就可以求出各节电池电压。

具体实施时，运算放大器的电源，可从高串数锂电池包直接取电，当从高端取电时，由于串联单体多，电压高，需将取出的电压通过稳压管钳位后提供给运算放大器，运算放大器电源负端不直接接地，而是采用浮地方式。也可从高串数锂电池包中间段取电，此时取合适电压供给电压跟随器，由电压跟随器输出后再通过稳压管钳位后提供给运算放大器，运算放大器电源负端也采用浮地连接方式。当从高串数锂电池包低段取电时，可直接取合适电压供给电压跟随器，由电压跟随器输出直接提供给运算放大器作为运算放大器的工作电压，运算放大器电源负端接地。

参照附图3，运算放大器U1的电源正端V+ = V(n),电源负端V-通过电阻R01接于公共地，由于稳压管的嵌位，V- = V(n)-Vz（Vz为稳压管的反向击穿电压），这样，U1的工作电压就等于Vz，而不受V(n)电压的高低影响，同时又不影响其线路功能，降低了对器件耐压得要求。U2的电源正端V+的电压由U1采用电压跟随器的方式提供，如图中，U2的电源正端V+=V(n-3)，其中Q01的作用是用于扩流，使得U2的工作电流不通过U1流出，而是通过Q01由V(n)提供，以避免因U2电流过大造成U1工作不稳定。另外，U2的工作电源由U1通过跟随器提供，后继线路的电流消耗是从电池串的最高节流出V(n)，最低节流入，从而使得在工作过程中，所有电池的电流消耗一致。

本发明中还保护一种高串数锂电池包保护电路，如图4所示，该保护电路包括前述的高串数锂电池包电压检测电路30及微处理器40。其中高串数锂电池包电压检测电路30将检测到的电池包10内的每节电池的电压信息传输给微处理器40，由微处理器进行分析计算，进而对电池包的充放电进行控制实现对电池包的保护。图中，S1的作用是当线路休眠后会切断电源，以进入低功耗模式。

本发明经过验证，采用本发明所述检测电路和保护电路的电池保护板各项性能都有很大提升，具有很大的经济效益。

Claims

1.一种高串数锂电池包电压检测电路，其特征在于，包括与锂电池包内电池单体数量对应的N个V/I转换电路，所述每个V/I转换电路包括一运算放大器及一个三极管；所述运算放大器的输出端连接三极管基极，三极管集电极通过电阻接地；该集电极同时作为检测电路输出端；

V/I转换电路中，第N节电池的正端电压V(n)通过电阻R(n)接入三极管发射极，同时该端还通过一限流电阻接运算放大器的同相输入端，第N节电池的负端通过另一限流电阻连接运算放大器U(n)的反相输入端。

2. 根据权利要求1所述的电压检测线路，其特征在于，所述三极管采用三极管复合电路；所述各三极管复合电路包括两个三极管，其中三极管Q(n1)集电极与三极管Q(n2)基极连接，运算放大器U(n)的输出端连接三极管Q(n1)基极，三极管Q(n2) 发射极通过电阻接地；该发射极同时作为检测电路输出端；

V/I转换电路中，第N节电池的正端电压V(n)通过电阻R(n)分别接入三极管Q(n1)、Q(n2) 发射极和集电极，同时该端还通过一限流电阻接运算放大器U(n)的反相输入端，第N节电池的负端通过另一限流电阻连接运算放大器U(n)的同相输入端。

3. 一种高串数锂电池包电压检测电路，其特征在于，包括与锂电池包内电池单体数量对应的N个V/I转换电路，所述每个V/I转换电路包括一运算放大器及一三极管；所述运算放大器的输出端连接三极管基极，三极管集电极通过电阻接地，该集电极同时作为检测电路输出端；

V/I转换电路中，每个运算放大器的反相输入端均通过电阻连接与其对应的三极管的发射极，第N节电池的负端通过与其对应的限流电阻连接该运算放大器的同相输入端；各三极管集电极还分别通过与其对应的采样电阻连接至锂电池包中最高节电池的正端。

4. 根据权利要求3所述的电压检测线路，其特征在于，所述三极管采用三极管复合电路；所述各三极管复合电路包括两个三极管，其中三极管Q(n1)集电极与三极管Q(n2)基极连接，运算放大器的输出端连接三极管Q(n1)基极，三极管Q(n2) 发射极通过电阻接地，该发射极同时作为检测电路输出端；

V/I转换电路中，每个运算放大器的反相输入端均通过电阻连接与其对应的三极管复合电路中两个三极管的集电极，第N节电池的负端通过与其对应的限流电阻连接该运算放大器U(n)的同相输入端；各三极管复合电路中两个三极管的集电极分别通过与其对应的采样电阻连接至锂电池包中最高节电池的正端。

5. 根据权利要求1-4中任意一项所述高串数锂电池包电压检测电路，其特征在于，所述V/I转换电路中，从高串数锂电池包取电VCC，该VCC电压通过稳压管钳位后提供给运算放大器作为运算放大器的工作电压，运算放大器电源负端接浮地。

6. 根据权利要求1-4中任意一项所述高串数锂电池包电压检测电路，其特征在于，所述V/I转换电路中，从高串数锂电池包取合适电压供给电压跟随器，由电压跟随器输出通过稳压管钳位后提供给运算放大器作为运算放大器的工作电压，运算放大器电源负端接浮地。

7. 根据权利要求1-4中任意一项所述高串数锂电池包电压检测电路，其特征在于，所述V/I转换电路中，从高串数锂电池包取合适电压供给电压跟随器，由电压跟随器输出通过稳压管钳位后提供给运算放大器作为运算放大器的工作电压，运算放大器电源负端接地。

8. 一种高串数锂电池包保护电路，其特征在于，包括高串数锂电池包电压检测电路，还包括微处理器；所述高串数锂电池包电压检测电路将检测到的电池包内每节电池的电压信息传输给微处理器，由微处理器进行分析计算，进而对电池包的充放电进行控制实现对电池包的保护。