CN103852622A - 一种电池组单体电池电压检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组单体电池电压检测电路包括：高压模拟开关阵列，其输入端连接待检测单体电池两端，其输出端连接高共模输入误差放大器；高共模输入误差放大器，用于把高共模的电池信号变成以低电压为参考电压的差分信号进行检测；其中，检测电池组中待检测单体电池电压时，连接在此电池正负极板上高压模拟开关阵列中对应一组高压开关导通，把电池电压信号直接输出到高共模输入误差放大器。检测电池组中待检测单体电池电压时，连接在此电池正负极板上的高压开关导通，把电池电压信号输出到高共模输入误差放大器。采用本发明的高电压检测电路较传统的检测电路，节约芯片面积的同时提高了检测精度。

Description

一种电池组单体电池电压检测电路

技术领域

本发明涉及高压模拟集成电路设计领域，特别是涉及一种电池组单体电池电压检测电路。

背景技术

动力电池组是维持汽车动力的基础部分，为了延长电池的使用寿命，及时检测和排除电池故障，合理的对其进行充放电，电池组管理系统必不可少。

以聚合物锂离子电池为例，它具有能量密度高，输出功率大，充电效率高，使用寿命长，无污染等优越性能，是新能源汽车重要的储能元件。其不足之处，就是需要特殊的保护电路，以防止过充过放，或者电池组中单体电池电量不均衡引起的使用寿命问题等。对电池组单体电池电压的精确检测是设计保护、均衡等功能的前提。

电池组通常包含几节至几十节串联的单体电池以提供高输出电压，单体电池的正负极电压常有几十伏的共模值，需要把单体电池共模电压降低到以地为参考电压的低电平进行检测。传统的检测方法有两种，一是利用电阻分压，把电池极板上的共模电压降低到以地为参考的低电压进行检测。这种方法需要精确匹配的电阻，并且在共模电压很高时，准确度差。二是利用电容和开关电路，把电池电压由高共模搬运到低共模进行检测。这种方法极易受到开关管寄生电容的影响而出现检测结果的偏差，解决的办法是增大电容，使寄生电容可以忽略，但是增大电容会占用过多的面积而增加芯片的成本。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种电池组单体电池电压检测电路。具体地，所述电池组单体电池电压检测电路包括：

高压模拟开关阵列，其输入端连接待检测单体电池两端，其输出端连接高共模输入误差放大器；

高共模输入误差放大器，用于把高共模的电池信号变成以低电压为参考电压的差分信号进行检测；

其中，检测电池组中待检测单体电池电压时，连接在此电池正负极板上高压模拟开关阵列中对应一组高压开关导通，把电池电压信号直接输出到高共模输入误差放大器。

所述电路还包括向高压模拟开关阵列提供驱动电流和控制信号的开关驱动电路及低压逻辑控制器。

所述高压模拟开关阵列至少包括两路高压开关，每路高压开关包括：至少两个高压P型DMOS管，电阻和齐纳二极管。

所述高压模拟开关阵列通过接收低压逻辑信号控制其导通与关断。

所述高压开关中至少两个P型DMOS管的源极、栅极连接一起，其中一个P型DMOS管的漏极连接到单体电池的其中一个电极，另一个P型DMOS管的漏极连接到高共模误差放大器电路，至少两个P型DMOS的栅极和源极之间并联有电阻和齐纳二极管。

所述开关驱动电路及低压逻辑控制器包括误差放大器、补偿电阻电容、分压电阻、用于电压转电流的电阻和电流镜。

所述高共模输入的误差放大器至少包括两个运算放大器、三个电阻和一对晶体管；其中，运算放大器各自形成负反馈环路。

所述高共模输入的误差放大器具有两个输入端，分别连接到高压模拟开关阵列的两个输出端，用于接收来自与高压模拟开关阵列连通的一个单体电池的电压；

所述高共模输入的误差放大器的两个输入端分别经过高压电阻连接到第一或第二晶体管的漏极和第一或第二运算放大器的其中一个输入端；

所述第一或第二运算放大器的另一个输入端共同连接到参考电压；

所述高共模输入的误差放大器的至少一个输入端经过电阻与第一运算放大器的输出连接；

所述第一运算放大器的输出作为所述高共模误差放大器电路的输出；

所述第一和第二晶体管的源极接地，并且其栅极共同连接到第二运算放大器的输出端。

本发明采用高压模拟开关阵列及高共模输入误差放大器，较传统单体电池电压检测电路的优点为：

一是，检测不同共模电压的信号时共用一对大阻值电阻，较之传统的电阻分压，大大减小了电阻个数和芯片面积。

二是，与传统采用高压MOS管设计的高共模误差放大器不同，本发明使用电阻作为耐高压器件，重要的反馈回路全部采用低压器件，由于低压器件在准确度和工艺角变化，以及匹配等各方面性能远好于高压器件，因而检测精度高，检测误差受外界影响较小。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明一个实施例的高压模拟开关阵列及其驱动电路示意图；

图2为根据本发明一个实施例的高共模误差放大器电路示意图；

图3为根据本发明一个实施例的单体电池电压检测电路示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

以下详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图3为根据本发明一个实施例的单体电池电压检测电路示意图，其中包括多个串联的电池21-25、多个高压开关11-16、开关驱动电路及低压逻辑控制器17以及高共模误差放大器电路30。多个高压开关11-16分别连接到电池21-25的各个电极，所述高压开关11-16在开关驱动电路及低压逻辑控制器17的控制下导通或关闭，用于在任何时间将高共模误差放大器电路30连接到其中一个电池21-25的两端电极，用于通过高共模误差放大器电路30测量被连接的电池的电压。下面分别结合图1和图2详细描述高压开关11-16及其驱动电路以及高共模误差放大器电路30的工作原理。

图1为根据本发明一个实施例的高压模拟开关阵列及其驱动电路示意图；

参照图1，本发明的一个实施例提供了一种高压模拟开关阵列及其驱动电路，包括：

高压模拟开关驱动电路S1，其中包括误差放大器13、分压电阻R1、R2，和由四个CMOS晶体管nm3、nm4、nm7、pm3构成的电流镜以及用于电压转电流的电阻R3，其中所述误差放大器13包括四个CMOS晶体管pm1、pm2、nm1、nm2、补偿电容C1和补偿电阻R4。

高压开关阵列S2，其中包含第一高压开关11和第二高压开关12，以第一高压开关为例介绍高压开关的结构。晶体管pm4源极连接待检测电池组的最高电压HV，漏极连接第一高压开关11中晶体管pm8，pm9的栅极，栅极与晶体管pm3栅极连接组成电流镜获取驱动电流；在第一高压开关11中，电阻R6与齐纳管D2并联两端分别连接在高压晶体管pm8、pm9的栅极和源极；高压晶体管pm8、pm9的源极相连接，高压晶体管pm8、pm9的漏极分别连接在任意单体电池的某一极板Cl_in以及第一高压开关11的输出端Cl_out；高压晶体管nm5的漏极连接第一高压开关11中晶体管pm8，pm9的源极，其栅极连接低压逻辑控制信号logicl，源极连接nm8的漏极。nm8的栅极连接nm3的栅极构成电流镜，使得nm8中电流与pm4中电流相等，开关11能够悬浮在任意导通电压。高压模拟开关阵列S2的第二高压开关12与此类似，此处不再赘述。

下面参照图1、图3具体描述各部分电路及其工作原理。如图1所示，高压模拟开关阵列驱动电路S1为电流型的驱动电路，由于误差放大器接成闭环负反馈结构，两输入对管pm1,pm2的栅极电压相等，流经R3的电流由公式1决定：

I=VDD*R1/[R3*(R1+R2)]

电阻R3上电流与晶体管nm3上电流相同，晶体管nm3、nm4的栅源电压相同构成电路镜，高压晶体管nm7使他们具有相近的漏极电压，保证了电流较大程度的匹配。晶体管nm7在所属支路中还具有承受高压的作用。晶体管pm3中的电流与晶体管nm4中电流相同，并且将电流镜像给晶体管pm4，pm5等支路。驱动电路中晶体管nm7和pm3是高压器件，其余均为低压器件。

高压模拟开关阵列S2用于选通电池组中某节单体电池，为后级放大器提供输入信号。使用高压DMOS实现的高压开关传输高压模拟电平时，具有导通电阻小，关断耐高压的特点。高压DMOS的源极和漏极之间可以耐几十伏的高压，但是栅极和源极之间耐压不超过5V，因此开关驱动电路必须使得DMOS的栅源电压在0V和5V之间变动，既要满足高压检测又不能损坏DMOS。开关导通时，若栅源电压保持在5V，DMOS的导通电阻最小，并且不会损坏；若栅源电压小于5V，相同导通电阻要求下，DMOS面积增加，导致芯片面积增加。开关关断时，为防止漏电流从电池流向内部电路，降低功耗，栅源电压应为0V，使得开关完全阻断电流。

高压模拟开关阵列S2中，晶体管pm6、晶体管pm7、电阻R5、齐纳二极管D1或晶体管pm8、晶体管pm9、电阻R6、齐纳二极管D2组成了开关电路的核心部分。晶体管pm6、pm7、pm8、pm9是高压P型的DMOS管，晶体管pm6、pm7或晶体管pm8、pm9源极，栅极分别连接在一起，漏极分别与电池的某一电极、高压开关的输出连接。高压DMOS的源漏端之间存在寄生二极管，为防止开关关断时候漏电流流过，DMOS的寄生二极管必须反向连接。由于电阻R5或R6上流过公式1所示电流，因而R5或R6上压降为：

V=I*R5=VDD*R1*R5/[R3*(R1+R2)]

调整电阻的比例，使得V刚好为5V，也即DMOS的栅源电压为5V。D1是5V的齐纳管，它确保DMOS管的栅源电压不超过5V，不会损坏。nm5，nm6是高压nmos管，它的栅源端能够承受5V电压，因而用低压逻辑控制非常方便。

Logil、logic2为低压逻辑控制信号，可由一般的数字电路(未示出)产生。以logic2为例，低压逻辑信号对高压模拟开关的控制作用如下：

当logic2为高电平时，nm6导通，R5上流过电流I，使晶体管pm6，pm7的栅源电压为5V并且导通电阻最小，此时开关导通；

当logic2为低电压，晶体管nm6截止，R5上电流为0，晶体管pm6，pm7的栅源电压也为0，开关关断，此时晶体管pm6，pm7的漏极被拉至最高电压HV，并且寄生二极管反偏，把漏电流减到最小。

为了使开关DMOS管的栅源电压保持在准确的5V，晶体管pm1的栅极电压可以替换为高精度的基准电压，电流的镜像可以使用更加匹配的串接结构。

图2为根据本发明一个实施例的高共模误差放大器电路30的示意图，其中包括：

高压部分，主要包含电阻R7、R8，它们的一端为误差放大器的输入端口VPLUS、VMIUS分别与电池的正负极相接，R7的另一端连接晶体管nm8的漏极以及运算放大器EA2，R8的另一端连接nm9的漏极并通过电阻R9与运算放大器EA1的输出连接；高压部分主要起到承受高压，并且把电压信息转换成电流信息的功能。

低压部分，包含运算放大器EA1及其负反馈电阻R9，运算放大器EA2及其负反馈晶体管nm8。低压部分设定了电路中A、B两个重要节点的电压，使得电阻上的电流准确反映了电池电压信息；并实现把电池电压转换成以VREF电压为参考的差模输出功能，并且使输出具有一定的电流驱动能力，满足后级ADC的要求。

参照图2、图3，高共模输入误差放大器的具体工作原理如下：

当选择电池组中某节电池时，VPLUS通过高压模拟开关接到电池正极板，VMINUS通过高压模拟开关接到电池负极板。误差放大器EA1具有较高的增益，保证EA1和R9组成的负反馈回路有足够的环路增益，使得A节点电压与VREF精确相等。EA1需要同时具有电流驱动能力，以提供由EA1的输出到A节点的电流。EA2与nm8组成负反馈回路，为EA2设计合适的增益，使得B节点电压与VREF精确相等。nm8与nm9是匹配的nmos管，由于A节点与B节点电压相等都等于基准电压VREF，也即nm1与nm2的漏端电压相等，并且nm1与nm2的栅极电压和源极电压都相等，因此nm1与nm2流过的电流精确相等。设置R7与R8电阻值相等，选取R7与R9的电阻比值，得到OUT电压如下式：

OUT=VREF+(VPLUS-VMINUS)*R9/R7

若以VREF为参考电压，则输出差分电压为(VPLUS-VMINUS)*R9/R7，当选取R9与R7阻值相等时，输出差分电压就等于VPLUS-VMINUS，也即电池组中某节电池的电压。根据系统后级ADC的需要选择合适的VREF电压，VREF电压不需要很精确，因为输出到后级ADC的电压是以VREF为参考的差分电压。

本发明采用高压模拟开关阵列及高共模输入误差放大器进行单体电池电压检测，较传统单体电池电压检测电路的优点为：一是检测不同共模电压的信号时共用一对大阻值电阻，较之传统的电阻分压，大大减小了电阻个数和芯片面积。二是，与传统采用高压MOS管设计的高共模误差放大器不同，本发明使用电阻作为耐高压器件，重要的反馈回路全部采用低压器件，由于低压器件在准确度和工艺角变化，以及匹配等各方面性能远好于高压器件，因而检测精度高，检测误差受外界影响较小。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他模块或步骤，单数不排除复数。

Claims (8)

1.一种电池组单体电池电压检测电路，包括：

高压模拟开关阵列(11-16)，其输入端连接待检测单体电池(21-25)两端，其输出端连接高共模输入误差放大器(30)；

高共模输入误差放大器(30)，用于把高共模的电池信号变成以低电压为参考电压的差分信号进行检测；

其中，检测电池组中待检测单体电池电压时，连接在此电池正负极板上高压模拟开关阵列中对应一组高压开关导通，把电池电压信号直接输出到高共模输入误差放大器(30)。

2.根据权利要求1所述的电池电压检测电路，其特征在于，所述电路还包括向高压模拟开关阵列(11-16)提供驱动电流和控制信号的开关驱动电路及低压逻辑控制器(17)。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述高压模拟开关阵列至少包括两路高压开关，每路高压开关包括：至少两个高压P型DMOS管(pm8、pm9)，电阻(R6)和齐纳二极管(D2)。

4.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述高压模拟开关阵列通过接收低压逻辑信号控制其导通与关断。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述高压开关中至少两个P型DMOS管的源极、栅极连接一起，其中一个P型DMOS管的漏极连接到单体电池的其中一个电极，另一个P型DMOS管的漏极连接到高共模误差放大器电路(30)，至少两个P型DMOS的栅极和源极之间并联有电阻和齐纳二极管。

6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述开关驱动电路及低压逻辑控制器(17)包括误差放大器、补偿电阻电容、分压电阻、用于电压转电流的电阻和电流镜。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述高共模输入的误差放大器(30)至少包括两个运算放大器、三个电阻和一对晶体管；其中，运算放大器各自形成负反馈环路。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述高共模输入的误差放大器(30)具有两个输入端，分别连接到高压模拟开关阵列的两个输出端，用于接收来自与高压模拟开关阵列连通的一个单体电池的电压；

所述高共模输入的误差放大器(30)的两个输入端分别经过高压电阻连接到第一或第二晶体管的漏极和第一或第二运算放大器的其中一个输入端；

所述第一或第二运算放大器的另一个输入端共同连接到参考电压；

所述高共模输入的误差放大器(30)的至少一个输入端经过电阻与第一运算放大器的输出连接；

所述第一运算放大器的输出作为所述高共模误差放大器电路(30)的输出；

所述第一和第二晶体管的源极接地，并且其栅极共同连接到第二运算放大器的输出端。

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