CN103026245A - 电压测量电路和方法 - Google Patents

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Abstract

检测电阻器并联连接到待测量的两个端子。测量流过检测电阻器的电流的值，并且测量的电流值被时间积分。另外，把积分的电流值除以积分时间，由此确定作为电流值的平均值的平均电流值。平均电流值随后被转换成数字信号，该数字信号随后被发送给计算装置(处理器)。计算装置从平均电流值和检测电阻器的电阻值计算两个端子两端的电压值。

Description

电压测量电路和方法
技术领域
本发明涉及一种适合测量所需端子之间的电压的电压测量电路和方法。
背景技术
典型地，在通过例如保护电路保持安全的同时，使用其中充入和放出的能量(电力)的量很大的二次电池。具体地讲，锂离子二次电池具有比相同电池容量的其它二次电池高的能量密度，因此必须与保护电路一起使用。
保护电路的主要功能是过充电保护和过放电保护。通常通过监测二次电池的端子(正端子和负端子)两端的电压来检测过充电和过放电。结果，必须准确地测量二次电池的端子两端的电压以防止过充电和过放电。
另外，当使用二次电池时，二次电池中积蓄的电力(以下，称为残余电池电力)的量的管理是很重要的。在残余电池电力的管理中能够使用二次电池的端子间电压，并且基于在保护电路中测量的端子间电压，处理器(诸如，CPU(中央处理单元))能够从已预先发现的端子间电压和残余电池电力之间的关系估计残余电池电力。
采用运算放大器的结构典型地已知为用于测量这种类型的二次电池的端子间电压的电路(以下，称为电压测量电路)。这种电路的例子显示在图1中。
图1中显示的背景技术的电压测量电路具有这样的结构：使用多个固定电阻器(电阻固定的电阻器)对二次电池的端子间电压进行分压，并且分压的电压随后经由由运算放大器构成的阻抗转换电路被提供给处理器。处理器基于运算放大器的输出电压和由所述多个固定电阻器实现的分压比计算二次电池的端子间电压。
另外，诸如专利文献1中描述的结构也已知为使用运算放大器测量二次电池的端子间电压的电路。在专利文献1中，描述了这样的结构：二次电池的正电极和负电极的端子电压中的每一个由由运算放大器构成的各自的差动放大器检测，并且二次电池的端子间电压被从差动放大器提供给A/D(模数)转换器。
近年来，二次电池也被用作电动汽车或混合动力汽车的电源，并进一步伴随着全球变暖的问题，正在研究把二次电池用于由可再生电源产生的电力的存储，可再生电源诸如是为了实现低碳社会而引入的太阳能电池。换句话说，二次电池的使用随着它们的容量的增加而扩展，并且二次电池开始用作例如驱动设备(诸如，安装在电动汽车或混合动力汽车中的电动机)或固定设备(诸如，转换电力的逆变器)的电源以便能够把已由可再生电源产生的电力提供给电力系统。
驱动设备或固定设备变为产生影响对很大的量的电力的控制的噪声的源。结果，二次电池的端子间电压的测量准确性由于这种噪声而下降。存在另外的担心：由驱动设备或固定设备产生的噪声可引起保护电路中所包括的处理器(诸如，CPU)的故障。
在图1中显示的背景技术的电压测量电路中，向作为产生噪声的源的驱动设备或固定设备(未示出)提供电力的二次电池的负电势与处理器共享地电势，由此出现这样的担心：由于噪声叠加在通过使用多个电阻器进行分压的电压上而妨碍了二次电池的端子间电压的准确测量。
另一方面，在专利文献1中描述的电压测量电路中，差动放大器用于检测二次电池的正电极和负电极的端子电压中的每一个，并且因此能够防止在二次电池的正电极和负电极处产生的共模噪声。结果，与图1中显示的电压测量电路相比，在更大程度上减小由在驱动设备或固定设备中产生的噪声导致的影响。然而，作为驱动设备或固定设备的操作的结果产生的噪声不仅限于共模噪声，并且电压测量电路因此优选地具有这样的结构：该结构对噪声具有高抵抗能力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开No.2002-350472。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种防止噪声发射并能够实现作为测量的对象的端子两端的电压的准确测量的电压测量电路和方法。
用于实现上述目的的本发明的示例性方面的电压测量电路是一种测量作为测量的对象的电池的两个端子两端的电压的电压测量电路，并包括：
检测电阻器，其并联连接到这两个端子；
电流检测装置，其测量流入检测电阻器的电流值；
积分装置，其对由电流检测装置测量的电流值执行时间求积分；
平均值计算装置，其把已经受求积分(积分)的电流值除以积分时间以获得作为电流值的平均值的平均电流值；和
算术装置，其从平均电流值和检测电阻器的电阻值计算这两个端子两端的电压的值。
本发明的示例性方面的电压测量方法是一种测量作为测量的对象的两个端子两端的电压的电压测量方法，并包括下述步骤：
电流检测装置测量流入并联连接到这两个端子的检测电阻器的电流值；
积分装置对由电流检测装置测量的电流值执行时间求积分；
平均值计算装置把由积分装置积分的电流值除以积分时间并获得作为电流值的平均值的平均电流值；
A/D转换装置把由平均值计算装置获得的平均电流值转换成数字信号；以及
算术装置从由A/D转换装置转换成数字信号的平均电流值和检测电阻器的电阻值计算这两个端子两端的电压的值。
附图说明
图1是显示背景技术的电压测量电路的结构的电路图。
图2是显示本发明的电压测量电路的结构的示例的电路图。
具体实施方式
接下来使用附图描述本发明。
在本示例性实施例的电压测量电路中，对测量的值执行时间平均，并且时间平均值(模拟值)被转换成数字信号并被发送给处理器。另外，包括例如驱动设备或固定设备的负载的模拟部分的地电势和包括处理器的数字部分的地电势分开。
通过对测量的值求积分并随后把积分值除以积分时间来计算平均值。然而，在本示例性实施例的电压测量电路中，对能够视为一个量的电流的值执行时间求积分，而非对电压值执行时间求积分。更具体地讲，作为固定电阻器的检测电阻器并联到作为测量的对象的两个端子，流入检测电阻器的电流值由电流检测装置测量，并且由积分装置对电流值执行时间求积分。另外，通过由平均值计算装置把已经受时间求积分的电流值除以积分时间来获得电流的平均值(平均电流值)。获得的平均电流值由A/D转换装置转换成数字信号。
在本示例性实施例的电压测量电路中，提供绝缘通信装置，绝缘通信装置包括位于向处理器传送已经受A/D转换的平均电流值的传输路径上的信号绝缘元件，并且包括二次电池或负载的模拟部分的地电势和包括处理器的数字部分的地电势被分开以稳定数字部分的操作。经由绝缘通信装置发送给处理器的平均电流值由处理器(算术装置)基于欧姆定律转换成电压值。
图2是显示本发明的电压测量电路的结构的示例的电路图。
如图2中所示，本示例性实施例的电压测量电路具有分压电阻器2、检测电阻器14、库仑计数器7、绝缘通信电路5和处理器4。分压电阻器2、检测电阻器14、库仑计数器7、绝缘通信电路5和处理器4安装在保护电路基板6上，例如二次电池1的保护电路形成在保护电路基板6上。由驱动设备或固定设备构成的负载15连接在二次电池1的端子两端。
在图2中，显示这样的结构的示例：二次电池1的端子间电压由本发明的电压测量电路测量，但本示例性实施例的电压测量电路不限于二次电池1的端子间电压的测量，并且当测量另一电路或设备中的任何端子间电压时能够使用本示例性实施例的电压测量电路。然而，假设：待测量的端子具有当连接分压电阻器2或检测电阻器14时确保防止发生电压降落的电流驱动能力。
分压电阻器2和检测电阻器14是固定电阻值的固定电阻器。分压电阻器2和检测电阻器14串联连接，并被平行地插入到二次电池1的正电极端子和负电极端子之间。分压电阻器2用于对二次电池1的端子间电压进行分压以减小施加于检测电阻器14的电压。结果，当在检测电阻器14中使用相对较大的电阻值时或者当二次电池1的端子间电压低时，不需要分压电阻器2。
库仑计数器7具有上述电流检测装置、积分装置和平均值计算装置的能力，检测发生在检测电阻器14的两端的电势(电压)的差作为流入检测电阻器14的电流值，对这个值执行时间求积分并通过把积分值除以积分时间来计算电流的平均值(平均电流值)。库仑计数器7还具有上述A/D转换装置的能力，并且对计算的电流的平均值执行A/D转换，并提供电流的平均值作为数字信号。库仑计数器7和处理器4具有允许通过例如串行通信方法执行信号的双向通信的结构。
通常，库仑计数器7通过测量发生在串联插入到负载15和二次电池1的端子(正电极或负电极)之间的检测电阻器的两端的电势差(电压)来检测对二次电池1的充电/放电电流，并把检测到的充电/放电电流加起来以估计二次电池1的电池残余量。在本示例性实施例中，在二次电池1的端子间电压的测量中使用这个库仑计数器7。通过使用例如美国公司Texas Instruments的电池监测评估模块bq26200能够实现库仑计数器7。在互联网上描述了关于电池监测评估模块bq26200的细节，参考：URL:http://focus.tij.co.jp/jp/docs/prod/folders/print/ bq26200.html。
虽然在图2中显示了这样的示例：库仑计数器7测量电流值、对这个电流值执行时间求积分并进一步从已经受时间求积分的值获得电流平均值，但用于时间求积分或用于获得电流平均值的过程能够由处理器4实现。在这种情况下，库仑计数器7可对测量的电流值执行A/D转换，并把该值提供给处理器4。
绝缘通信电路5具有作为信号绝缘元件的光电耦合器10和11以及晶体管12和13；由此在光电耦合器10和11使处理器4的地电势和库仑计数器7的地电势分开的同时，能够由此实现处理器4和库仑计数器7的双向通信。如上所述，上述电流平均值(数字信号)被从库仑计数器7提供给处理器4。另一方面，用于控制库仑计数器7的操作的命令(数字信号)被从处理器4提供给库仑计数器7。当库仑计数器7在不受处理器4控制的情况下独立地操作时，不需要把从处理器4发送的命令中继转发给库仑计数器7的光电耦合器11和晶体管13。
晶体管12根据从库仑计数器7提供的电流平均值(数字信号)驱动光电耦合器10，并且晶体管13根据从处理器4提供的命令(数字信号)驱动光电耦合器11。
绝缘通信电路5不限于使用光电耦合信号绝缘元件(诸如，图2中显示的光电耦合器10和11)的结构，并且可使用磁耦合类型或电容耦合类型的信号绝缘元件构造绝缘通信电路5。
处理器4根据存储在例如存储装置(未示出)中的程序基于从库仑计数器7报告的电流值以及基于分压电阻器2和检测电阻器14的电阻值计算二次电池1的端子间电压。处理器4可具有例如存储装置或由各种逻辑电路构成的控制装置。例如被包括进二次电池1的保护电路中的处理器可用作处理器4。
在这种类型的结构中，由分压电阻器2和检测电阻器14对二次电池1的端子间电压进行分压。
库仑计数器7检测在检测电阻器14的两端产生的电势(电压)的差作为流入检测电阻器14的电流值，并通过对电流值执行时间求积分并把积分值除以积分时间来计算平均电流值。
库仑计数器7还把平均电流值转换成数字信号，并经由绝缘通信电路5以及通过串行通信方法把信号传送给处理器4。
处理器4基于欧姆定律根据从绝缘通信电路5接收的平均电流值以及分压电阻器2和检测电阻器14的电阻值计算二次电池1的端子间电压。通过这一系列过程能够测量二次电池1的端子间电压。
本示例性实施例的电压测量电路具有这样的结构：其测量流入检测电阻器的电流值，对电流值执行时间求积分，通过把已经受时间求积分的电流值除以积分时间来获得平均电流值，并把平均电流值转换成电压值，由此，尽管在检测电阻器14的两端处发生负载15中产生的噪声，但通过平均能够减小这种噪声。结果，能够防止噪声发射以便能够实现作为测量的对象的端子两端的电压的准确测量。
另外，在能够实现库仑计数器7和处理器4之间的双向通信的同时，绝缘通信电路5使包括负载15或库仑计数器7的模拟部分的地电势和包括处理器4的数字部分的地电势分开，由此减小由由负载15产生的噪声对数字部分引起的不利影响。
结果，通过减小在负载(诸如，驱动设备或固定设备)中产生的噪声发射，能够实现稳定的电压测量。另外，通过使包括二次电池1的模拟部分的地电势和包括处理器4的数字部分的地电势分开，防止包括处理器4的数字部分的故障。
典型地，当测量二次电池1的端子间电压时，也通过从该二次电池提供的电力操作用于这种测量的电压测量电路，并且因此，电压测量电路优选地具有消耗可能的最少量的电力的电路结构。
如上所述，库仑计数器7最初是用于二次电池1的充电/放电电流的检测的元件，并设计为操作于在二次电池1的保护电路中考虑的低功耗。结果，在本示例性实施例的电压测量电路中使用库仑计数器7作为上述电流检测装置、积分装置、平均值计算装置和A/D转换装置能够防止电压测量电路的功耗的增加。
如图2中所示，开关SW1提供在二次电池1的正电极和分压电阻器2之间，并且如果在未实施电压测量的待机期间通过例如用于切断开关SW1的接触的处理器4的指令来执行控制，则能够在电压测量电路的待机期间实现功耗的进一步减小。开关SW1也可提供在二次电池1的负电极和检测电阻器14之间。
为了获得更高的输出电压(其中串联连接的多个二次电池用于获得更高的输出电压)的目的，采用应用图1中显示的运算放大器的结构或二次电池的端子间电压被施加于半导体装置的结构需要选择这样的电压测量电路的电路部件，其考虑运算放大器或半导体装置的最大电压额定值。本示例性实施例的电压测量电路具有这样的结构：固定电阻器2和检测电阻器14连接在二次电池1的端子之间，并且必须考虑固定电阻器2或检测电阻器14的功耗的最大额定值。然而，因为未采用其中二次电池1的端子间电压被施加于运算放大器或半导体装置的结构，所以不需要考虑电路部件的最大电压额定值，并且因此提高了电路部件的选择的自由程度。
虽然已参照示例性实施例描述了本申请的发明，但本申请的发明不限于上述示例性实施例。本申请的发明的结构和细节对于在本申请的发明的范围内的对于本领域普通技术人员之一是清楚的各种修改而言是开放的。
本申请要求基于于2010年7月7日提交的日本专利申请No.2010-154610的优先权的利益，并通过引用包括这些申请的所有的公开。

Claims (12)

1.一种测量作为测量的对象的电池的两个端子两端的电压的电压测量电路，包括：
检测电阻器，其并联连接到所述两个端子；
电流检测装置，其测量流入所述检测电阻器的电流值；
积分装置，其对由所述电流检测装置测量的所述电流值执行时间求积分；
平均值计算装置，其把已经受积分的电流值除以积分时间以获得作为所述电流值的平均值的平均电流值；和
算术装置，其从所述平均电流值和所述检测电阻器的电阻值计算所述两个端子两端的电压的值。
2.根据权利要求1所述的电压测量电路，还包括：
A/D转换装置，其把所述平均电流值转换成数字信号；
其中所述算术装置从在所述A/D转换装置中转换成数字信号的所述平均电流值和所述电阻值计算所述两个端子两端的电压的值。
3.根据权利要求2所述的电压测量电路，还包括：绝缘通信装置，其使所述电流检测装置、所述积分装置、所述平均值计算装置和所述A/D转换装置的地电势与所述算术装置的地电势分开，并连接所述A/D转换装置和所述算术装置以便能够实现转换成所述数字信号的所述平均电流值的传输。
4.根据权利要求2或3所述的电压测量电路，其中所述电流检测装置、所述积分装置、所述平均值计算装置和所述A/D转换装置由库仑计数器实现。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的电压测量电路，还包括：
开关，其连接在所述检测电阻器和所述端子之一之间；
其中所述算术装置在未实施电压测量的待机期间断开所述开关。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的电压测量电路，其中作为测量的对象的所述电池是二次电池。
7.一种测量作为测量的对象的电池的两个端子两端的电压的电压测量方法，所述电压测量方法包括下述步骤：
电流检测装置测量流入并联连接到所述两个端子的检测电阻器的电流值；
积分装置对由所述电流检测装置测量的所述电流值执行时间求积分；
平均值计算装置把由所述积分装置积分的电流值除以积分时间并获得作为所述电流值的平均值的平均电流值；
算术装置从所述平均电流值和所述检测电阻器的电阻值计算所述两个端子两端的电压的值。
8.根据权利要求7所述的电压测量方法，其中：
A/D转换装置把在所述平均值计算装置中获得的所述平均电流值转换成数字信号；以及
所述算术装置从在所述A/D转换装置中转换成数字信号的所述平均电流值和所述电阻值计算所述两个端子两端的电压的值。
9.根据权利要求8所述的电压测量方法，其中绝缘通信装置使所述电流检测装置、所述积分装置、所述平均值计算装置和所述A/D转换装置的地电势与所述算术装置的地电势分开，并连接所述A/D转换装置和所述算术装置以便能够实现转换成所述数字信号的所述平均电流值的传输。
10.根据权利要求8或9所述的电压测量方法，其中所述电流检测装置、所述积分装置、所述平均值计算装置和所述A/D转换装置由库仑计数器实现。
11.根据权利要求7至10中任何一项所述的电压测量方法，其中：
在所述检测电阻器和所述端子中的任一个之间提供开关；以及
所述算术装置在未实施电压测量的待机期间断开所述开关。
12.根据权利要求7至11中任何一项所述的电压测量方法，其中作为测量的对象的所述电池是二次电池。
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