CN105510670A - 用于检测电池组中电池电压的检测电路及电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于检测电池组中电池电压的检测电路，其包括压控电流源，其跨接于所述电池组中电池子组的正极与负极，压控电流源的输出端通过输出电阻接地，所述电池子组包括一个单体电池或一个以上的单体电池，其中，压控电流源包括：运算放大器，其正相输入端与所述电池子组的正极通过第一电阻电连接、与所述电池子组的负极通过第二电阻电连接，其反相输入端通过第三电阻与所述电池子组的正极电连接；开关器件，其控制端电连接到所述运算放大器的输出端，其第一端电连接到所述运算放大器的反相输入端，其第二端通过输出电阻连接到地，由此所述输出电阻两端的电压表征所述电池子组的电压。根据本发明的电路可提供较高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及电池组，更具体地涉及检测电池组中的电池电压的技术。
背景技术
在用电设备电压需求较高的情况下，需要将多个单体电池串联成电池组以获得高压。在电池组放电与充电过程中，由于各单体电池存在容量、内阻等性能上的差异，使得在充放电过程中，单体电池的单体容量、内阻、电压、荷电状态（SOC）等发生变化，从而导致个别单体电池出现过充、过放等问题。如果不对这种情况加以干预，将导致电池组整体性能下降甚至过早失效。因此，需要对单体电池的电压进行监控。
对电池组中单体电池电压的监控，基本采用两类策略，一个是软件监测，一个是硬件监测。
软件监测方案中，应用传统的硬件电路来检测高压测的电压，并通过特定算法降低误差。这类方案要求控制单元（MCU）有足够的资源以实现该特定算法，同时，这类方案对CPU的消耗较大。
硬件检测方案中，使用电压转换器来调整要输入到ADC的电压，使该电压在ADC输入的范围内，再通过高精度ADC改善监测精度。成本相对高一些。
发明内容
有鉴于此，本发明提供用于检测电池组中电池电压的检测电路。所述检测电路包括压控电流源，其跨接在所述电池组中电池子组的正极与负极之间，所述电池子组包括一个单体电池或一个以上的单体电池，其中，所述压控电流源包括：运算放大器，其正相输入端与所述电池子组的正极通过第一电阻电连接、与所述电池子组的负极通过第二电阻电连接，其反相输入端通过第三电阻与所述电池子组的正极电连接；开关器件，其控制端电连接到所述运算放大器的输出端，其第一端电连接到所述运算放大器的反相输入端，其第二端通过输出电阻连接到地，由此所述输出电阻两端的电压表征所述电池子组的电压。
根据本发明所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，可选地，所述开关器件的控制端通过第四电阻电连接到所述运算放大器的输出端。
根据本发明所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，可选地，所述开关器件为达林顿晶体管，所述控制端为所述达林顿晶体管的基极，所述第一端为所述达林顿晶体管的射极，所述第二端为所述达林顿晶体管的集电极。可选地，所述达林顿晶体管由2个PNP的双极结型晶体管构成。
根据本发明所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，可选地，所述开关器件为P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管，所述控制端为所述P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管的栅极，所述第一端为所述P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管的源极，所述第二端为所述P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管的漏极。
根据本发明所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，可选地，所述开关器件包括第一PNP的双极结型晶体管与第二PNP的双极结型晶体管，所述控制端为所述第一PNP的双极结型晶体管的基极，所述第一PNP的双极结型晶体管的射极与所述第二PNP的双极结型晶体管的基极电连接，所述第一端为所述第二PNP的双极结型晶体管的射极，所述第一PNP的双极结型晶体管的集电极与所述第二PNP的双极结型晶体管的集电极电连接从而构成所述开关器件的所述第二端。
根据本发明所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，可选地，所述开关器件包括PNP的双极结型晶体管与NPN的双极结型晶体管，所述控制端为所述PNP的双极结型晶体管的基极，所述PNP的双极结型晶体管的集电极与所述NPN的双极结型晶体管的基极电连接，所述PNP的双极结型晶体管的射极与所述NPN的双极结型晶体管的集电极电连接从而构成所述开关器件的第一端，所述第二端为所述NPN的双极结型晶体管的射极。
本发明还提供一种电池组，其包括如上所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路。
附图说明
图1是根据本发明示例的用于检测电池组中电池电压的检测电路。
图2是图1所示的示意性电路图的一个具体示例，其中，检测电路20的电路构成以示例而非限制性方式被示出。
图3是在图2的基础上所给出的根据本发明的一个具体示例的电路图示，以说明输出电阻Rout两端的电压Uo与电池子组两端的电压Ub1之间的关系。
图4到图6分别是图1所示的示意性电路图中开关器件的示例性的不同实现方式。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明的示意性示例，相同的附图标号表示相同的元件。下文描述的各实施例有助于本领域技术人员透彻理解本发明，且意在示例而非限制。图中各元件、部件、模块、装置及设备本体的图示不一定按比例绘制，仅示意性表明这些元件、部件、模块、装置及设备本体之间的相对关系。
图1是示意性电路图，其中，检测电路20与被检测电池子组10电性连接。如图1所示，检测电路20跨接在电池子组10的正极与负极之间，以获得电池子组10两端的电压。电池子组10可以仅包括电池组中的一个单体电池，也可以包括电池组中一个以上的单体电池，例如2个、3个等，但是，电池子组10所包括的单体电池的数目少于电池组中总的单体电池数目。
根据本发明的示例，检测电路20包括压控电流源，其跨接在电池组中电池子组的正极与负极之间，如上所述，电池子组包括一个单体电池或一个以上的单体电池。压控电流源包括运算放大器与开关器件。运算放大器正相输入端与该电池子组的正极通过第一电阻电连接、与该电池子组的负极通过第二电阻电连接，其反相输入端通过第三电阻与该电池子组的正极电连接。该开关器件包括控制该开关器件通断的控制端、第一端与第二端，其控制端电连接到该运算放大器的输出端、第一端电连接到该运算放大器的反相输入端、第二端通过输出电阻连接到地、由此，该输出电阻两端的电压表征该电池子组的电压。
图2是图1所示的示意性电路图的一个具体示例，其中，检测电路20的电路构成以示例而非限制性方式被示出。如图所示，图1所示的检测电路20包括运算放大器201与晶体管203。运算放大器201的正相输入端通过第一电阻R1电性连接到电池子组10的正极、通过第二电阻R2与电池子组10的负极电连接；运算放大器201的反相输入端通过第三电阻Rs电连接到电池子组10的正极。晶体管203的射极与运算放大器201的反相输入端电连接；晶体管203的集电极通过输出电阻Rout接地，同时，晶体管203的集电极的输出可传送给模数转换器。运算放大器201的输出端与晶体管203的基极电连接；根据本发明的可选示例，运算放大器201的输出端可以通过第四电阻Rg与晶体管203的基极电连接，以借由第四电阻Rg限流，从而保护运算放大器201。在本发明的示例中，晶体管203采用达林顿晶体管，其中，该达林顿晶体管可以由两个PNP的双极结型晶体管构成。
参考图3，在初始状态，运算放大器201的反相输入端电压Vs高于其正相输入端电压Vf，运算放大器201的输出端为低，在运算放大器201的输出端电压Va比反相输入端电压Vs至少小0.6伏的情况下，PNP三极管203导通，由此在第三电阻Rs、PNP三极管203及输出电阻Rout中产生电流Ic；随着Ic逐渐增大，反相输入端电压Vs逐渐降低，当反相输入端电压Vs低于正相输入端电压Vf时，运算放大器201的输出为高，Va增大使得PNP三极管203导通电阻增大，Ic电流减小。在上述过程中形成负反馈，最终该检测电路达到稳定状态，稳定时电流Ic为稳定值，而且电流Ic与正相输入端电压Vf成线性关系。
图3是在图2的基础上所给出的根据本发明的一个具体示例的电路图示，以说明输出电阻Rout两端的电压Uo与电池子组10两端的电压Ub1之间的关系。在该示例中，运算放大器201采用的是市售LM2904，晶体管203采用的市售BC856BLT1；基准电压是在运算放大器201的正电源端，图中示意为基准电压Vref50，基准电压Vref的大小为0伏；第一电阻R1与第二电阻R2的电阻大小均为10千欧，第三电阻Rs的电阻大小为75千欧，第四电阻Rg（在此示例为设置有第四电阻Rg，第四电阻不是必需的）的电阻大小为10千欧，输出电阻Rout的大小为50千欧，其中：
Vf=-Ub1*(R1/(R1+R2))=-0.5Ub1（1）
由于对运算放大器而言，有等式（2）中所示的关系：
Vn+=Vn-,（2）
因此可获得等式（3），
Vs=Vf=-0.5Ub1（3）
进一步，可获得等式（4）与（5），如下：
Ic=-0.5Ub1/Rs（4）
Uo=|Ic|*Rout=0.5Ub1*Rout/Rs=0.33Ub1（5）
由此可见，电池子组两端的电压Ub1与输出电阻Rout的输出电压Uo大小成线性比例关系。上述等式（2）中，Vn+指的是运算放大器的正相输入端的电压，Vn-指的是运算放大器的反相输入端的电压。
在上文结合图2及图3的示例中，电池子组包括一个单体电池。本领域技术人员不难理解，电池子组包括2个或更多个单体电池的工作原理与基于图2及图3所阐述的原理是相同的。
采用根据本发明所述的检测电路20，只需要测量出输出电阻Rout两端的电压，即可获得电池子组两端的电压。此外，由于根据本发明所述的检测电路20，以压控电流源的方式将施加在电池子组10两端的电压转换为流经第三电阻Rs、PNP三极管203及输出电阻Rout的电流Ic，Ic随Ub1变化的一致性较好，因此所获得的Uo与Ub1的一致性也较好，测量误差由此变小。而且在根据本发明的方案中，由于采用了达林顿晶体管或金属氧化层半导体场效晶体管，还有效避免与被检测电池子组相邻的单体电池的电压对被测电池子组的电压的影响，例如避免了图2中的电压Uoffset对Ub1的影响，这也有助于改善对车用动力电池高压侧电压的检测精度。此外，根据本发明所述的检测电路20，其所采用的部件成本也非常低廉。综上可见，根据本发明的检测电路以较低的成本提供了较高精度的检测。
图4到图6分别是图1所示的示意性电路图中开关器件的示例性的不同实现方式。除了在此所示的实现方式，其它能够产生可控的电流Ic的器件也是可用的，比如光耦合器。再例如，在图5所给出的示例中，P沟道MOSFET可也可采用N沟道MOSFET，只是还需要增加一些相关部件以达成所述功能。
根据图4的示例，该开关器件为P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管403，即MOSFET-P。在该例中，该开关器件的控制端为该MOSFET-P403的栅极，该开关器件的第一端为MOSFET-P403的源极，该开关器件的第二端为该MOSFET-P403的漏极。
根据图5的示例，该开关器件包括第一PNP的双极结型晶体管503a与第二PNP的双极结型晶体管503b，即第一PNPBJT503a与第二PNPBJT503b。第一PNPBJT503a的射极与第二PNPBJT503b的基极电连接，第一PNPBJT503a的集电极与第二PNPBJT503b的集电极电连接以构成该开关器件的第二端。第一PNPBJT503a的基极为该开关器件的控制端。
根据图6的示例，该开关器件包括PNP的双极结型晶体管603a与NPN的双极结型晶体管603b，即PNPBJT603a与NPNBJT603b。PNPBJT603a的集电极与NPNBJT603b的基极电连接。PNPBJT603a的射极与NPNBJT603b的集电极电连接从而构成该开关器件的第一端。PNPBJT603a的基极为该开关器件的控制端。NPNBJT603b的集电极为该控制器的第二端。在该示例中，可以选择将PNPBJT603a的集电极通过电阻Rg2电连接到NPNBJT603b的基极。
根据本发明，还提供一种动力电池组，其包括两个或更多的单体电池，且包括如上文所述的任一示例的检测电路。
尽管已结合附图在上文的描述中，公开了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员可以理解到，可在不脱离本发明精神的情况下，对公开的具体实施例进行变形或修改。本发明的实施例仅用于示意并不用于限制本发明。
Claims (8)
1.一种用于检测电池组中电池电压的检测电路，其特征在于，所述检测电路包括：
压控电流源，其跨接在所述电池组中电池子组的正极与负极之间，所述电池子组包括一个单体电池或一个以上的单体电池，其中，所述压控电流源包括：
运算放大器，其正相输入端与所述电池子组的正极通过第一电阻电连接、与所述电池子组的负极通过第二电阻电连接，其反相输入端通过第三电阻与所述电池子组的正极电连接；
开关器件，其控制端电连接到所述运算放大器的输出端，其第一端电连接到所述运算放大器的反相输入端，其第二端通过输出电阻连接到地，由此所述输出电阻两端的电压表征所述电池子组的电压。
2.如权利要求1所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，其特征在于，所述开关器件的控制端通过第四电阻电连接到所述运算放大器的输出端。
3.如权利要求1或2所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，其特征在于，所述开关器件为达林顿晶体管，所述控制端为所述达林顿晶体管的基极，所述第一端为所述达林顿晶体管的射极，所述第二端为所述达林顿晶体管的集电极。
4.如权利要求3所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，其特征在于，所述达林顿晶体管由2个PNP的双极结型晶体管构成。
5.如权利要求1或2所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，其特征在于，所述开关器件为P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管，所述控制端为所述P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管的栅极，所述第一端为所述P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管的源极，所述第二端为所述P沟道金属－氧化层半导体场效应晶体管的漏极。
6.如权利要求1或2所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，其特征在于，所述开关器件包括第一PNP的双极结型晶体管与第二PNP的双极结型晶体管，所述控制端为所述第一PNP的双极结型晶体管的基极，所述第一PNP的双极结型晶体管的射极与所述第二PNP的双极结型晶体管的基极电连接，所述第一端为所述第二PNP的双极结型晶体管的射极，所述第一PNP的双极结型晶体管的集电极与所述第二PNP的双极结型晶体管的集电极电连接从而构成所述开关器件的所述第二端。
7.如权利要求1或2所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路，其特征在于，所述开关器件包括PNP的双极结型晶体管与NPN的双极结型晶体管，所述控制端为所述PNP的双极结型晶体管的基极，所述PNP的双极结型晶体管的集电极与所述NPN的双极结型晶体管的基极电连接，所述PNP的双极结型晶体管的射极与所述NPN的双极结型晶体管的集电极电连接从而构成所述开关器件的第一端，所述第二端为所述NPN的双极结型晶体管的射极。
8.一种电池组，其特征在于，所述电池组包括如权利要求1到7中任意一项所述的用于检测电池组中电池电压的检测电路。
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