CN104678160B - 串联电池组中单体电池电压的测量电路 - Google Patents

Abstract

串联电池组中单体电池电压的测量电路保留了单体电池电压测量可以实时、高速进行的优点，且测量范围可以从0V开始；正常工作时，注入或吸取每节电池的电流只有缓冲器和运放的偏置电流，典型值只有0.3微安，非常微弱；测量电路关闭时，每节电池只有缓冲器和运放的输入级反偏电流，电流更小；与电池间的连线顺序弄错，因失调平衡电阻RPx、输入电阻RIx的限流作用，不会导致电流失控，自然不会损坏电路；本发明对电路元件的精度要求低，成本相对低廉。

Description

串联电池组中单体电池电压的测量电路

技术领域

本发明涉及电压测量电路，特别是涉及一种串联电池组中单体电池电压的测量电路。

背景技术

目前可以反复充电使用的蓄电池(以下简称“电池”)，其单体电压比较低，如铅酸电池为2V，镍氢电池为1.2V，锂离子电池为3.6V等等。在需要高电压的场合，常常将它们多只串联起来，形成电压较高的电池组如36V，多个电池组串联成更高电压的电池系统(如360V，在纯电动汽车中就有类似的应用)。

限于目前电池的工艺水平和制造成本的限制，电池的参数不一致、应用环境的差异(如成组电池中间部分的单体电池和外部的单体电池散热条件就不相同)等因素，导致串联电池组的单体电池间剩余容量不一致。严重时可能导致充放电过程中，个别电池过充电或过放电而损坏,导致电池组无法使用。所以，在串联电池组的实际应用中，都配备有监测串联电池组中单体电池电压的测量电路，将单体电池电压数字化，结合智能控制器，来准确判断电池状态、进行电池保护。这已经成为电池制造行业、电池应用行业等方面的共识。

串联电池组中单体电池电压的测量方法多种多样，比较流行的有三种结构，其典型的原理图收录于说明书附图中。下面简单介绍如下：

现有技术1、如附图1所示的中国实用新型专利申请(专利申请号：201220273479.2，实用新型名称：一种任意节串联电池组中各单体电池电压简易测量电路)公示的电路结构，用可控开关网络(考虑到开关切换的频繁性，常用光控场效应管，也称PhotoMOS)分时选通某节单体电池，再用减法电路获得单体电池两端的电压值。

现有技术2、每节电池对应一个类似附图1中的减法电路，直接获得共参考地的每个单体电池电压值，每个减法器需用4个比例精密的电阻。

现有技术3、中国发明专利申请(专利申请号：200810038790.7，发明名称：汽车用多节串联电池组系统的单体电池电压测量电路)公示的电路结构，其中附图2是电压到电流转换电路(以下简称“电流源”)，是附图3中带箭头的圆圈(附近标注英文SOURCE CURRENT)的具体电路，附图3为该发明的主体电路结构。该发明将悬浮的各路单体电池电压转换为共参考地的电流信号，通过取样电阻复原为与单体电池电压成正比、且共参考地的电压信号，方便A/D(模拟到数字)转换器的高速采集。

但是，现在使用的技术方法存在如下缺陷：

1、现有技术1采用选通开关轮流选通一节电池来测量，其实时性较差，单节电池采集时间在1毫秒以上(受光控场效应管即PhotoMOS的开关速度限制)，10节电池串联的电池组的总采集时间10毫秒，如果通过电池组的电流是10毫秒的正弦半波波形(50赫兹正弦电流的绝对值，单相逆变器的直流供电电源的电流类似此种波形)，将导致部分电池电压在电流为0时采集，部分电池电压在电流为峰值时采集，采集结果将产生严重的偏差，而且用作选通开关的光控场效应管也价格不低。

2、现有技术2中使用了数量众多的比例精密的电阻，成本高，而且每节电池消耗的电流不一致，理由和现有技术3中描述的一致。

3、现有技术3中的电流源需要从每节电池上吸取电流，且每节电池被吸取的电流不一致，长期运行过程中容易造成电池的不平衡，比如第5节电池，除了本节对应的电流源吸取电流外，第6、7、…等节的电流源也要从其吸取电流，但第1、2、…、4等节的电流源则不从第5节电池吸取电流；电流源中的运放(如附图2中的U2)采用电池直接供电，使得测量不能从0V开始，其最低起始点为运放的最低工作电源电压如2V，导致低压测量无法进行；如果在生产或维修过程中，弄错了与电池间的连线顺序，会造成部分运放供电反向而容易损坏运放。图3中，若BATTERY1的电压为0，会导致BATTERY2的电压测量无法进行，原因如下：参见图2，如果电流源正常工作，点VB1、运放U2的1和3脚、PNP管Q2的发射极等电位相同，都为0V，无法在PNP管Q2的集电极VC2得到高于其发射极的电压，所以VC2的电压也为0，和电池电压VB2-VB1不成比例。

发明内容

基于此，有必要提供一种成本低、电流小的串联电池组中单体电池电压的测量电路，

一种串联电池组中单体电池电压的测量电路，包括与电池节数相同数量的精密电平移位单元IS1、···、ISx、···、ISN和A/D转换器，还包括与电池节数相同数量的缓冲器U1A、U2A、···、UxA、···、UNA以及与所述缓冲器数量对应的输出直流电源VA1、VA2、···、VAx、···、VAN，其中，N≥2，1≤x≤N；

所述缓冲器UxA的正相输入端接所对应的电池的正极，所述缓冲器UxA的反相输入端接所述缓冲器UxA的输出端，所述缓冲器UxA的输出端接所述精密电平移位单元VAx的正输入端；

所述精密电平移位单元ISx包括采样电阻RSx、受控电流源CIx；所述受控电流源CIx包括运算放大器UxB、三极管Qx、电压电流转换电阻RZx及失调平衡电阻RPx；

所述电压电流转换电阻RZx的一端接所述运算放大器UxB的反相输入端，所述电压电流转换电阻RZx的另一端接所述缓冲器UxA的输出端；所述失调平衡电阻RPx的一端接所对应的电池负极，所述失调平衡电阻RPx的另一端接所述运算放大器UxB的正相输入端，所述运算放大器UxB的输出端接所述三极管Qx的基极，所述三极管Qx的发射极接所述运算放大器UxB的反相输入端，所述三极管Qx的集电极接所述采样电阻RSx，所述采样电阻RSx的另一端接地，所述三极管Qx的集电极与所述采样电阻RSx的公共连接点为所述精密电平移位单元ISx的输出端；

多输出直流电源VS1、VA1、VA2、···、VAx、···、VAN的输出之间相互隔离，其中第一路输出电源VS1的电压比所述精密电平移位单元ISx的输出电压VOx的最大值VOmax高出1V，第一路输出电源VS1负端作为公共参考地GND，第一路输出电源VS1正端连接所对应的第1节电池的负端；输出电源VA1、VA2、···、VAx、···、VAN组成多个正负电源对，正端为VAx+、负端为VAx-、中心端为GAx，对应给所述缓冲器UxA、所述运算放大器UxB供电；其中x为正负电源对的序号，数量不大于电池节数N；其中第一组正负电源对的中心端GA1连接所对应的第1节电池的负端；

所述缓冲器UxA、所述精密电平移位单元ISx、所述直流电源VAx对应连接后检测电池BTx；

所述A/D转换器的输入端接所述精密电平移位单元IS1、···、ISx、···、ISN的输出端；

还包括防反二极管DFx和限流电阻RLx，所述防反二极管DFx的正极接所述缓冲器UxA的输出端，所述防反二极管DFx的负极接所述限流电阻RLx，所述限流电阻RLx的另一端接输入电源的中心端GAx+1。

在其中一个实施例中，所述三极管Qx为PNP型三极管。

在其中一个实施例中，所述三极管Qx为P沟道场效应管。

在其中一个实施例中，所述缓冲器的型号为AS324。

在其中一个实施例中，所述运算放大器的型号为AS358。

上述串联电池组中单体电池电压的测量电路保留了单体电池电压测量可以实时、高速进行的优点，且测量范围可以从0V开始；正常工作时，注入或吸取每节电池的电流只有缓冲器和运放的偏置电流，典型值只有0.3微安，非常微弱；测量电路关闭时，每节电池只有缓冲器和运放的输入级反偏电流，电流更小；与电池间的连线顺序弄错，因失调平衡电阻RPx、输入电阻RIx的限流作用，不会导致电流失控，自然不会损坏电路；本发明对电路元件的精度要求低，成本相对低廉。

附图说明

图1为一种任意节串联电池组中各单体电池电压简易测量电路的电路结构；

图2为汽车用多节串联电池组系统的单体电池电压测量电路的电路结构；

图3为图2中SOURCE CURRENT内部的电路原理图；

图4为串联电池组单体电池电压的测量电路的原理图。

具体实施方式

如图4所示，为串联电池组单体电池电压的测量电路的原理图。

一种串联电池组中单体电池电压的测量电路，包括与电池节数相同数量的缓冲器U1A、U2A、···、UxA、···、UNA，与所述缓冲器数量对应的精密电平移位单元IS1、···、ISx、···、ISN，以及与所述缓冲器数量对应的输出直流电源VA1、VA2、···、VAx、···、VAN和A/D转换器，其中，N≥2，1≤x≤N。

所述缓冲器UxA的正相输入端接所对应的电池的正极，所述缓冲器UxA的反相输入端接所述缓冲器UxA的输出端，所述缓冲器UxA的输出端接所述精密电平移位单元VAx的正输入端。

所述精密电平移位单元ISx包括采样电阻RSx、受控电流源CIx；所述受控电流源CIx包括运算放大器UxB、三极管Qx、电压电流转换电阻RZx及失调平衡电阻RPx。

所述电压电流转换电阻RZx的一端接所述运算放大器UxB的反相输入端，所述电压电流转换电阻RZx的另一端接所述缓冲器UxA的输出端；所述失调平衡电阻RPx的一端接所对应的电池负极，所述失调平衡电阻RPx的另一端接所述运算放大器UxB的正相输入端，所述运算放大器UxB的输出端接所述三极管Qx的基极，所述三极管Qx的发射极接所述运算放大器UxB的反相输入端，所述三极管Qx的集电极接所述采样电阻RSx，所述采样电阻RSx的另一端接地，所述三极管Qx的集电极与所述采样电阻RSx的公共连接点为所述精密电平移位单元ISx的输出端。

多输出直流电源VS1、VA1、VA2、···、VAx、···、VAN的输出之间相互隔离，其中第一路输出电源VS1的电压比所述精密电平移位单元ISx的输出电压VOx的最大值VOmax高出1V，第一路输出电源VS1负端作为公共参考地GND，第一路输出电源VS1正端连接所对应的第1节电池的负端；输出电源VA1、VA2、···、VAx、···、VAN组成多个正负电源对，正端为VAx+、负端为VAx-、中心端为GAx，对应给所述缓冲器UxA、所述运算放大器UxB供电；其中x为正负电源对的序号，数量不大于电池节数N；其中第一组正负电源对的中心端GA1连接所对应的第1节电池的负端。

所述缓冲器UxA、所述精密电平移位单元ISx、所述直流电源VAx对应连接后检测电池BTx；具体的，所述缓冲器U1A、所述精密电平移位单元IS1、所述直流电源VA1对应连接后检测电池BT1；所述缓冲器U2A、所述精密电平移位单元IS2、所述直流电源VA2对应连接后检测电池BT2；所述缓冲器UNA、所述精密电平移位单元ISN、所述直流电源VAN对应连接后检测电池BTN。

所述A/D转换器的输入端接所述精密电平移位单元IS1、···、ISx、···、ISN的输出端。

串联电池组中单体电池电压的测量电路还包括防反二极管DFx和限流电阻RLx，所述防反二极管DFx的正极接所述缓冲器UxA的输出端，所述防反二极管DFx的负极接所述限流电阻RLx，所述限流电阻RLx的另一端接输入电源的中心端GAx+1。

三极管Qx为PNP型三极管。

在其他实施例中，三极管Qx为P沟道场效应管。

缓冲器的型号为AS324。其中，缓冲器可以全部或者部分选用型号AS324缓冲器。

运算放大器的型号为AS358。其中运算放大器可以全部或部分选用型号AS358运算放大器。

电池组并非本发明的内容。

基于上述所有实施例，假设需要测量N节电池组的单体电池的电压。

N节电池顺序串联连接而成电池组，电池节数序号为BT1、…、BTx、BTx+1、…、BTN，第x节电池编号为BTx；第1节电池的正极连接第2节电池的负极，第2节电池的正极连接第3节电池的负极，…，依次类推；最后，第1节电池的负极作为整个电池组的负极，第N节电池的正极作为整个电池组的正极。

请结合图4。标记为POWER的方框中，包含本发明的供电电源，它可以是一个直流直流(DC/DC)变换器，有多个相互隔离的电源输出，包括电源VS1、多组正负电源对。

标记为ISx的方框总称为精密电平移位单元(x取值范围是1、2、···、N)，描述了单元IS1、···、ISx、···、ISN的内部电路构造，其包括受控电流源CIx和取样电阻RSx；所述受控电流源CIx由运放UxB、PNP三极管Qx、电压电流转换电阻RZx、失调平衡电阻RPx等构成；其中电阻RZx一端连接运放UxB的反向输入端，另一端作为受控电流源CIx的输入端INx；其中电阻RPx一端连接运放UxB的正向输入端，另一端作为受控电流源CIx的参考端REFx；其中三极管Qx的发射极、基极分别连接运放UxB的反向输入端、输出端；其中取样电阻RSx的一端连接公共参考地GND，另一端和PNP三极管Qx的集电极连接，作为精密电平移位单元ISx的输出端VOx；受控电流源CIx的输入端INx、参考端REFx、输出端VOx也就是精密电平移位单元ISx的输入端INx、参考端REFx、输出端VOx，相互等价，后面的描述不再严格区分；精密电平移位单元ISx的输出电压VOx的最大值VOmax是单体电池最高电压的RSx/RZx倍。

在本实施例中，串联电池组中单体电池电压的测量电路包括一个多通道A/D(模拟到数字)转换器，与电池节数相同数量的精密电平移位单元，其中第x个精密电平移位单元ISx的参考端REFx连接到第x节电池的负极，输出端VOx连接到多通道A/D转换器的第x个输入端。

还包括与电池节数相同数量的电压缓冲器，编号为U1A、U2A、···、UxA、···、UNA，实现高阻输入、低阻输出和精密缓冲，其中和第x节电池对应的是缓冲器UxA，其输入端通过输入电阻RIx连接到第x节电池的正极，输出端连接精密电平移位单元ISx的输入端INx；所述缓冲器UxA、运算放大器UxB使用相同的供电电源。

还包括一个多输出直流电源POWER，输出之间相互隔离，其中第一路输出电源VS1的电压比精密电平移位单元ISx的输出电压VOx的最大值VOmax高出1V以上，其负端作为公共参考地GND，其正端连接第1节电池的负端(也就是整个电池组的负极)；其它路输出电源组成多个正负电源对，正端为VAx+、负端为VAx-、中心端为GAx，分别给上述缓冲器UxA、运放UxB供电；其中x为正负电源对的序号，数量不大于电池节数N；其中第一组正负电源对的中心端GA1连接第1节电池的负端。

还有，上述缓冲器UxA的输出端还连接防反二极管DFx的阳极，顺序通过防反二极管DFx、限流电阻RLx连接到第x+1路缓冲器Ux+1A的正负供电电源的中心端GAx+1，为缓冲器的电流输出提供通路。

基于上述实施例，对本发明电路的工作过程做详细的描述，并对能获得前述优点的原因进行阐述。

第x节电池的正极电位经过缓冲器UxA等值跟随后，和其负极电压同时送到受控电流源CIx的输入端INx、参考端REFx，二者的差值(等于第x节电池的电压VBTx)被转换成从PNP三极管Qx集电极流出的电流Ix，电流Ix经过取样电阻RSx，还原成输出电压VOx，所述的电流Ix＝VBTx/RZx，所以输出电压VOx＝Ix*RSx＝VBTx*RSx/RZx，可见第x节电池电压VBTx被转换成对公共参考地的电压VOx，与VBTx成正比，其比例误差可以在A/D转换后，通过软件来修正，可以使用通用元件来构建电路，从而成本低廉。

缓冲器的输入端经过输入电阻RIx与第x节电池正极连接，运放的输入端经失调平衡电阻RPx与第x节电池负极连接，二者都是高阻抗连接，通过的电流只有运放和缓冲器的偏置电流，非常微弱，如上海BCD公司的通用运放AS324的偏置电流典型值为0.02微安。

由于输入电阻RIx、失调平衡电阻RPx的限流作用，即使与电池间连线顺序弄错，也不会导致电流失控，不会损坏电路中的器件。

缓冲器、运放都是外电源供电，不是由电池直接供电，电池电压为0时，电路同样可以正常工作，测量范围从0V开始，低压时输出电压VOx与电池电压VBTx的比例不变，精度得到保证。

由于电源VS1的作用，公共参考地GND电压比电池组的负极电压低，且超过精密电平移位单元ISx的输出电压VOx的最大值VOmax，所以第1节电池对应的受控电流源IS1中的PNP三极管Q1的发射极、集电极之间留有电压余量，在电池电压为0和最大值时都能正常工作，依次类推，所有的受控电流源中的PNP三极管的发射极、集电极之间都留有电压余量，不受其它节电池电压的影响而可以正常工作。

本发明中的受控电流源的输出电流，都是由供电电源提供，不通过电池组。例如第2节电池对应的受控电流源的输出电流的路径是：正电源VA2+→缓冲器U2A的输出端→电压电流转换电阻RZ2→PNP三极管Q2→取样电阻RS2→公共参考地GND→电源VS1的正端(正负电源对1的中心端GA1)→正电源VA1+→缓冲器U1A的输出端→防反二极管DF1和限流电阻RL1→正负电源对2的中心端GA2→正电源VA2+。

如果关闭外电源的供应，所有缓冲器、运算放大器失去供电电源，电池电压作用于二者的输入端，形成反偏，只有反向漏电流，其值相当于二极管的反向漏电流，非常微弱。

进一步地，在缓冲器UxA、运算放大器UxB的共模输入电压范围内，多个缓冲器共用一组正负电源对，共用电源的缓冲器之间的防反二极管DFx、限流电阻RLx省略，第一路输出电源VS1也可以作为缓冲器U1A供电的正负电源对中的负电源。

进一步地，防反二极管DFx、限流电阻RLx中的任何一个或两个用短路线替代。

进一步地，PNP三极管Qx用P沟道绝缘栅场效应管替代，其中P沟道绝缘栅场效应管的源极、栅极、漏极顺序对应PNP三极管Qx的发射极、基极、集电极。

进一步地，所有的缓冲器、运算放大器选择上海BCD semiconductormanufacturing limited公司的AS324、或者AS358及其改进型等通用运放，既满足工业级温度范围要求，价格又比较低。

上述的进一步方案或为降低成本，或为提供更多样的器件选择，容易理解，不再赘述。

上述串联电池组中单体电池电压的测量电路保留了单体电池电压测量可以实时、高速进行的优点，且测量范围可以从0V开始；正常工作时，注入或吸取每节电池的电流只有缓冲器和运放的偏置电流，典型值只有0.3微安，非常微弱；测量电路关闭时，每节电池只有缓冲器和运放的输入级反偏电流，电流更小；与电池间的连线顺序弄错，因失调平衡电阻RPx、输入电阻RIx的限流作用，不会导致电流失控，自然不会损坏电路；本发明对电路元件的精度要求低，成本相对低廉。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种串联电池组中单体电池电压的测量电路，包括电池节数相同数量的精密电平移位单元IS1、…、ISx、…、ISN和A/D转换器，其特征在于，包括与电池节数相同数量的缓冲器U1A、U2A、…、UxA、…、UNA以及与所述缓冲器数量对应的输出直流电源VA1、VA2、…、VAx、…、VAN，其中，N≥2，1≤x≤N；

所述缓冲器UxA的正相输入端接所对应的电池的正极，所述缓冲器UxA的反相输入端接所述缓冲器UxA的输出端，所述缓冲器UxA的输出端接所述精密电平移位单元VAx的正输入端；

所述精密电平移位单元ISx包括采样电阻RSx、受控电流源CIx；所述受控电流源CIx包括运算放大器UxB、三极管Qx、电压电流转换电阻RZx及失调平衡电阻RPx；

所述电压电流转换电阻RZx的一端接所述运算放大器UxB的反相输入端，所述电压电流转换电阻RZx的另一端接所述缓冲器UxA的输出端；所述失调平衡电阻RPx的一端接所对应的电池负极，所述失调平衡电阻RPx的另一端接所述运算放大器UxB的正相输入端，所述运算放大器UxB的输出端接所述三极管Qx的基极，所述三极管Qx的发射极接所述运算放大器UxB的反相输入端，所述三极管Qx的集电极接所述采样电阻RSx，所述采样电阻RSx的另一端接地，所述三极管Qx的集电极与所述采样电阻RSx的公共连接点为所述精密电平移位单元ISx的输出端；

多输出直流电源VS1、VA1、VA2、…、VAx、…、VAN的输出之间相互隔离，其中第一路输出电源VS1的电压比所述精密电平移位单元ISx的输出电压VOx的最大值VOmax高出1V，第一路输出电源VS1负端作为公共参考地GND，第一路输出电源VS1正端连接所对应的第1节电池的负端；输出电源VA1、VA2、…、VAx、…、VAN组成多个正负电源对，正端为VAx+、负端为VAx-、中心端为GAx，对应给所述缓冲器UxA、所述运算放大器UxB供电；其中x为正负电源对的序号，数量不大于电池节数N；其中第一组正负电源对的中心端GA1连接所对应的第1节电池的负端；

所述缓冲器UxA、所述精密电平移位单元ISx、所述直流电源VAx对应连接后检测电池BTx；

所述A/D转换器的输入端接所述精密电平移位单元IS1、…、ISx、…、ISN的输出端；

还包括防反二极管DFx和限流电阻RLx，所述防反二极管DFx的正极接所述缓冲器UxA的输出端，所述防反二极管DFx的负极接所述限流电阻RLx，所述限流电阻RLx的另一端接输入电源的中心端GAx+1。

2.根据权利要求1所述的串联电池组中单体电池电压的测量电路，其特征在于，所述三极管Qx为PNP型三极管。

3.根据权利要求1所述的串联电池组中单体电池电压的测量电路，其特征在于，所述三极管Qx为P沟道场效应管。

4.根据权利要求1所述的串联电池组中单体电池电压的测量电路，其特征在于，所述缓冲器的型号为AS324。

5.根据权利要求1所述的串联电池组中单体电池电压的测量电路，其特征在于，所述运算放大器的型号为AS358。