CN105629046B - 多节电池监测电路及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多节电池监测电路与系统，该电路包括：前级监测电路(210)、模数转换器(220)和控制电路(230)；前级监测电路(210)用于将多级串联电池的高压电压域模拟电压信号转换为低压电压域模拟电压信号；模数转换器(220)用于将低压电压域的模拟电压信号转换成数字电压信号；控制电路(230)用于根据数字电压信号生成控制信号，控制信号用于控制前级监测电路(210)和模数转换器(220)。本发明实施例保证了每个开关管承受的最大电压差不超过一个电池电压；每个电容上下极板最大电压不超过一个电池电压，降低了因为高压电容电压系数引起的非线性，提高了采样精度，降低了成本。

Description

多节电池监测电路及其系统
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种多节电池监测电路及其系统。
背景技术
目前，以电能为动力系统的交通工具得到越来越广泛的使用，如：电动自行车、电动汽车、电动摩托车等，这些交通工具需要多节电池串联来提供足够高的电压和足够大的电流以保证其能够正常运作。其中监测电路被用于实时监测动力汽车或电动汽车串联电池串的每一节电池电压，确保动力的持久性；
在监测电路中n级电芯电压具有不同电压域，在对n级电芯电压实时监测的时，需要在不同电压域之间切换，常见的电压监测电路需要高压开关管和高压采样电容。电路中若需要监测电池CELLn的电压，首先控制开关管SWn-1和公共开关管SW_con导通，其它开关管断开，通过电容C的电荷量为Q＝Vn-1*C；然后控制开关管SWn导通，其它开关管断开，则由电荷守恒原理，得到VM端电压为Vn-Vn-1,此时模数转换器ADC工作实现对电池CELLn电压的监测；
但是，因为开关管SW0、SW1、……、SWn,和采样电容C需要在不同电压域转换，所以n+1个开关管和电容C都需要承受高压，因此开关管需要采用纯高压材料，其面积较大成本较高；因为电压系数，电容C在不同电压值时电容值随电压变化，非线性效应明显。
发明内容
为了克服上述技术问题，一方面，本发明提供了一种多节电池监测电路，
该电路包括：前级监测电路、模数转换器和控制电路；前级监测电路用于将多级串联电池的高压电压域模拟电压信号转换为低压电压域模拟电压信号；模数转换器用于将低压电压域的模拟电压信号转换成数字电压信号；控制电路用于根据数字电压信号生成控制信号，控制信号用于控制前级监测电路和模数转换器。
进一步的，前级监测电路包括多个电池、与多个电池数量相应的多个电容、与多个电池数量相应的多组开关管，每组开关管包括上置开关管和下置开关管，以及公共开关管；多组开关管和所述公共开关管受控于控制电路；多个电池串联连接，多个电池中的第一电池的第一端分别与公共开关管和多组开关管中第一组开关管的下置开关管连接；第一电池的第二端分别与第一组开关管的上置开关管和多组开关管中第二组开关管的下置开关管连接；除第一电池外，相邻的两个电池中的第一电池的第一端分别与相邻的两组开关管中第一组开关管的上置开关管和第二组开关管的下置开关管连接；电容串联连接，多个电容中的第一电容的下极板分别与公共开关管的第二端，以及模数转换器；第一电容的上极板分别与第一组开关管的上置开关管和第一组开关管下置开关管连接；除第一组开关管外的其它组开关管连接至多个电容中相应电容的上极板；在对第一电池进行监测时，初始时刻，多组开关管均处于断开状态；在第一预设时间段内，控制电路输出的控制信号，控制所述第一组开关管中的下置开关管和公共开关管处于闭合状态，第一组开关管中的上置开关管、其他多组开关管与模数转换器处于断开状态；在第二预设时间段内，控制电路输出的控制信号，控制所述第一组开关管中的上置开关管和模数转换器处于闭合状态；第一组开关管中的下置开关管与其他多组开关管处于断开状态。
进一步的，前级监测电路还包括：参考电压源，参考电压源的第一端分别与第一电池的第一端和所述第一组开关管的下置开关管相连，参考电压源的第二端通过公共开关管连接至第一电容的下极板；参考电压源用于为第一电容提供最小电压。
进一步的，前级监测电路还包括：运算放大器，运算放大器的正向输入端分别与第一电池的第一端和所述第一组开关管的下置开关管相连，运算放大器的反向输入端分别与第一电容的下极板和公共开关管的一端连接，运算放大器的输出端通过公共开关管连接至模数转换器；运算放大器用于为第一电容的下极板电压提供驱动能力。
进一步的，前级监测电路还包括：参考电压源，参考电压源的第一端分别与第一电池的第一端和所述第一组开关管的下置开关管相连，参考电压源的第二端与运算放大器的正向输入端连接；参考电压源用于为所述第一电容提供最小电压。
另一方面，本发明提供了一种多节电池监测系统，该系统包括上述的电路。
本发明实施例前级监测电路通过2n+1个开关管，n-1个电容实现n节串联电池电压的监测，过程中将串联的各级CELL电压由不同的电压域全部转换到低压电压域，然后在低压域通过ADC和控制电路，实现了对n级电芯电压的实时监测；其中，通过2n+1个开关管共同作用，使每个开关管承受的最大电压差不超过一个电池电压，以及通过n-1个电容串联连接方式，降低了每个电容耐压要求，每个电容上下极板最大电压不超过一个电池电压，从而降低了所占芯片的面积；从而降低了因为高压电容电压系数引起的非线性，提高了系统监测精度，降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术中多节电池监测电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多级电池监测电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多级电池监测电路的内部结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种多级电池监测电路的监测时序示意图；
图5为图3的另一种多级电芯监测电路的内部结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种多级电池监测电路的内部结构示意图；
图7为图6的另一种多级电池监测电路的内部结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明实施例提供的一种多级电池监测电路的结构示意图。如图2所示，该多节电池监测电路200包括：前级监测电路210、模数转换器ADC 220和控制电路230；模数转换器ADC 220的输入端连接至前级监测电路210的输出端，模数转换器ADC 220的输出端连接至控制电路230的输入端，控制电路230的输出端连接至前级监测电路210的输入端。
前级监测电路210用于将多级串联的电池电压由不同的高压电压域转换到将低压电压域；模数转换器ADC 220用于将前级监测电路210转换输出的低压电压域的模拟电压信号转换成数字电压信号；控制电路230用于接收模数转换器ADC 220输出的数字电压信号，控制前级监测电路210中的开关单元与模数转换器ADC 220以固定的时序工作。
本发明实施例中的前级监测电路210，将多级电芯电压由不同的高压电压域，根据电荷守恒原理全部转换到低压电压域，将低压电压域的电压通过模数转换器ADC 220和控制电路230，实现对多级电芯电压的实时监测。
图3为本发明实施例提供的一种多级电池监测电路的内部结构示意图。如图3所示，前级监测电路210包括：N个电池CELL、N-1个电容、一个公共开关管SW_con和N组开关单元。
其中，N个电池CELL串联连接，第一电池CELL的负极接地；N-1个电容串联连接，第一电容C1的下极板通过公共开关管接地；
第一组开关单元的第一输入端与第一电池CELL的负极相交，第二输入端连接至第一电池CELL正极与第二电池CELL负极的交点，输出端连接至第一电容C1的上极板与第二电容C2的下极板的交点；
第二组开关单元的第一输入端连接至第一组开关单元的第二输入端，第二输入端连接至第二电池CELL正极与第三电池CELL负极的交点，输出端连接至第一电容C1的上极板与第二电容C2的下极板的交点；
第三组开关单元的第一输入端连接至第二组开关单元的第二输入端，第二输入端连接至第三电池CELL正极与第四电池CELL负极的交点，输出端连接至第二电容C2的上极板与第三电容C3的下极板的交点；
以此类推，第N组开关单元的第一输入端连接至第N-1组开关单元的第二输入端，第二输入端连接至第N电池CELL正极，输出端连接至第N-1电容C N-1的上极板。
其中，每组开关单元包括两个开关管，每个开关管都含有三端；以第一组开关单元为例，第一组开关单元包括；开关管SW1_dn的第一端为第一组开关单元的第一输入端，第二端为第一组开关单元的输出端，第三端连接至控制电路230的输出端；开关管SW1_up的第一端为第一组开关单元的第二输入端，第二端连接至开关管SW1_dn的第二端，即第二端为第一组开关单元的输出端，第三端连接至控制电路230的输出端；其他开关单元的内部连接方式与第一组开关单元相同，这里不再赘述。
前级监测电路210中第一电容C1的下极板通过模数转换器ADC 220与控制电路230相连。需要说明的是，开关单元中的开关管包括但不限制于PMOS管和NMOS管。
图4为本发明实施例提供的一种多级电池监测电路的监测时序示意图。结合图4详述监测电路的工作原理。如图4所示，公共开关管SW_con与N组开关单元中的开关管通过控制电路230输出的控制信号进行开启和关断，其中，开关管的第三端接收高电平有效，在控制电路230的作用下，前级监测电路210中的公共开关管SW_con进行周期性变化；当N组开关单元中的开关管SW1_up—SWn_up变为高电平时，模数转换器ADC 220将被触发进行工作。
结合图4的监测时序图通过监测图3中第一电池CELL1、第四电池CELL4和第n电池CELLn详述电路工作过程。
监测第一电池CELL1：
在t0时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t0—t1时刻，开关管SW_con和SW1_dn处于ON状态,模数转换器ADC 220以及开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上下极板电压均为0V，因此电容C1的电荷量Q1＝0V*C1＝0；由于开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，使除电容C1外的其它n-2个电容的上极板都处于悬空状态。
t1—t2时刻，开关管SW1_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW1_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1，由于开关管SW_con断开，使电容C1的下极板悬空，由电荷守恒原理，电容C1的下极板电压为V1，即VM端电压为V1；控制电路230控制模数转换器ADC220处于ON状态，实现了对第一节电池CELL1电压的监测；
监测第四电池CELL4：
在t6时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t6—t7时刻，SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn处于ON状态，模数转换器ADC 220以及剩余其他开关管都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1，下极板电压为0，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1；电容C2上极板电压为V2，下极板电压为V1，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2；电容C3上极板电压为V3，下极板电压为V2，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3；由于除SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn外的其他开关管都处于OFF状态，使除电容C1、C2和C3外的其它n-4个电容的上极板都处于悬空状态。
t7—t8时刻，SW4_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW4_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C3的上极板电压为V4,电容C3、C2和C1下极板的开关管SW3_dn、SW2_dn、SW1_dn和SW_con断开，电容C3、C2、C1串联，由于SW4_up闭合使电容C3的下极板电压由原来的V2增加到V2+V4-V3，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将由原来的0V变为V4-V3，即VM端电压为V4-V3；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，实现了对第四节电池CELL4电压的监测；
监测第n电池CELLn：
在t(2n-2)时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t(2n-2)到t(2n-1)时刻,SW_con、SW2_dn、SW3_dn、SW4_dn、……、SWn_dn都处于ON状态，模数转换器ADC 220以及SW1_dn、SW1_up、SW2_up、SW3_up、……、SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1,下极板电压为0，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1，电容C2上极板电压为V2，下极板电压为V1，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2，电容C3上极板电压为V3，下极板电压为V2，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3，同理电容C(n-1)上极板电压为Vn-1,下极板电压为Vn-2,因此电容C(n-1)的电荷量Qn-1＝(Vn-1-Vn-2)Cn-1。
t(2n-1)到t2n时刻，SWn_up和模数转换器ADC 220处于ON状态，除SWn_up外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容Cn-1的上极板电压为Vn,所有电容的下极板的开关管SWn_dn、……、SW_con都断开，电容Cn-1、……、C1串联，由于SWn_up闭合使电容Cn-1的下极板电压由原来的Vn-2增加到Vn-2+Vn-Vn-1，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将变为Vn-Vn-1，即VM端电压为Vn-Vn-1；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，实现了对第n节电池CELLn电压的监测。
图5为本发明实施例提供的另一种多级电芯监测电路的内部结构示意图。如图5所示，前级监测电路210包括：N个电池CELL、N-1个电容、一个公共开关管SW_con、N组开关单元和一个参考电压源。其中，参考电压源输出的参考电压为Vref，用于为第一电容C1提供最小电压，且根据模数转换器ADC220对输入电压要求设定参考电压源提供的参考电压值。
参考电压源的正极通过公共开关管SW_con连接至第一电容C1的下极板，负极与第一组开关单元的第一端相交并接地。其中，N个电池CELL、N-1个电容、N组开关单元和一个运算放大器OP的连接方式与上文相同，这里不再赘诉。
结合图4的监测时序图，通过监测图5中第一电池CELL1、第四电池CELL4和第n电池CELLn的工作原理详述该监测电路的工作过程。
监测第一电池CELL1：
在t0时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；t0—t1时刻，开关管SW_con和SW1_dn处于ON状态,模数转换器ADC 220以及开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为0V，下极板电压为Vref，因此电容C1的电荷量Q1＝(0V-Vref)*C1＝0；由于开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，使除电容C1外的其它n-2个电容的上极板都处于悬空状态；
t1—t2时刻，开关管SW1_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW1_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1，由于开关管SW_con断开，使电容C1的下极板悬空，由电荷守恒原理，电容C1的下极板电压为V1+Vref，即VM端电压为V1+Vref；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，通过设置模数转换器ADC 220使输入的VM端电压在其内部除去Vref固定电压值，实现了对第一节电池CELL1电压的监测。
监测第四电池CELL4：
在t6时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t6—t7时刻，SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn处于ON状态，模数转换器ADC 220以及其他开关管都处于OFF状态，此时，参考电压源第一电池CELL1和SW2_dn构成通路，使电容C1的上极板电压变为V1+Vref，下极板电压为Vref，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1；同理电容C2上极板电压为V2+Vref，下极板电压为V1+Vref，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2；电容C3上极板电压为V3+Vref，下极板电压为V2+Vref，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3；由于除SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn外的其他开关管都处于OFF状态，使除电容C1、C2和C3外的其它n-4个电容的上极板都处于悬空状态；
t7—t8时刻，SW4_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW4_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C3的上极板电压为V4，电容C3、C2和C1下极板的开关管SW3_dn、SW2_dn、SW1_dn和SW_con断开，电容C3、C2、C1串联，由于SW4_up闭合使电容C3的下极板电压由原来的V2+Vref增加到V2+V4-V3+Vref，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将由原来的Vref变为V4-V3+Vref，即VM端电压为V4-V3+Vref；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，通过设置模数转换器ADC 220使输入的VM端电压在其内部除去Vref固定电压值，实现了对第四节电池CELL4电压的监测。
监测第n电池CELLn：
在t(2n-2)时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t(2n-2)—t(2n-1)时刻,SW_con、SW2_dn、SW3_dn、SW4_dn、……、SWn_dn都处于ON状态，模数转换器ADC 220以及SW1_dn、SW1_up、SW2_up、SW3_up、……、SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1+Vref，下极板电压为Vref，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1，电容C2上极板电压为V2+Vref，下极板电压为V1+Vref，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2，电容C3上极板电压为V3+Vref，下极板电压为V2+Vref，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3，同理电容C(n-1)上极板电压为Vn-1+Vref,下极板电压为Vn-2+Vref,因此电容C(n-1)的电荷量Qn-1＝(Vn-1-Vn-2)Cn-1；
t(2n-1)—t2n时刻，SWn_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SWn_up外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容Cn-1的上极板电压为Vn，所有电容的下极板的开关管SWn_dn、……、SW_con都断开，电容Cn-1、……、C1串联，由于SWn_up闭合使电容Cn-1的下极板电压由原来的Vn-2增加到Vn-2+Vn-Vn-1+Vref，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将变为Vn-Vn-1+Vref，即VM端电压为Vn-Vn-1+Vref；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，通过设置模数转换器ADC 220使输入的VM端电压在其内部除去Vref固定电压值，实现了对第n节电池CELLn电压的监测。
参考电压源用于为电容C1的下极板提供最小电压，其正极通过公共开关管SW_con连接至第一组开关单元中电容C1的下极板，负极与第一组开关单元的第一端相交并接地。参考电压源提供的参考电压值是根据模数转换器ADC220对输入电压要求而定。
本实施例通过2n+1个开关管和n-1个电容，实现n节串联电池电压的实时监测。其中，通过N个开关单元的实时变化，保证了每个开关管承受的最大电压差不超过一个电池电压；通过n-1个电容的串联，降低了每个电容耐压要求，每个电容上下极板最大电压不超过一个电池电压，从而降低了因为高压电容电压系数引起的非线性，提高了采样精度，降低了成本；
图6为本发明实施例提供的另一种多级电池监测电路的内部结构示意图。如图6所示，前级监测电路210包括：N个电池CELL、N-1个电容、一个公共开关管SW_con、N组开关单元和一个运算放大器OP。
运算放大器OP的正向输入端余第一组开关单元的第一输入端相交后接地；运算放大器OP的反向输入端连接至第一电容C1的下极板，运算放大器OP的输出端通过公共开关管SW_con与的输入端和运算放大器OP的反向输入端分别相连。运算放大器OP为VM端电压提供驱动能力，防止VM端电压在传输过程中发生损耗。其中，N个电池CELL、N-1个电容和N组开关单元的连接方式与上文相同，这里不再赘诉。
结合图4的监测时序图，通过监测图6中第一电池CELL1、第四电池CELL4和第n电池CELLn的工作原理详述该监测电路的工作过程。
监测第一电池CELL1：
在t0时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t0—t1时刻，开关管SW_con和SW1_dn处于ON状态，运算放大器OP处于负反馈状态，运算放大器OP的正向输入端输入电压为0V，通过负反馈将该电压传输到第一电容的下极板，模数转换器ADC 220以及开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上下极板电压均为0V，因此电容C1的电荷量Q1＝0V*C1＝0；由于开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，使除电容C1外的其它n-2个电容的上极板都处于悬空状态；
t1—t2时刻，开关管SW1_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW1_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1，由于开关管SW_con断开，使电容C1的下极板悬空，由电荷守恒原理，电容C1的下极板电压为V1，即VM端电压为V1；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，实现了对第一节电池CELL1电压的监测。
监测第四电池CELL4：
在t6时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t6—t7时刻，SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn处于ON状态，运算放大器OP处于负反馈状态，运算放大器OP的正向输入端输入电压为0V，通过负反馈将该电压传输到第一电容的下极板，模数转换器ADC 220以及其他开关管都处于OFF状态，此时参考电压源第一电池CELL1和SW2_dn构成通路，使电容C1的上极板电压变为V1，下极板电压为0V，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1；同理电容C2上极板电压为V2，下极板电压为V1，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2；电容C3上极板电压为V3，下极板电压为V2，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3；由于除SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn外的其他开关管都处于OFF状态，使除电容C1、C2和C3外的其它n-4个电容的上极板都处于悬空状态；
t7—t8时刻，SW4_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW4_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C3的上极板电压为V4，电容C3、C2和C1下极板的开关管SW3_dn、SW2_dn、SW1_dn和SW_con断开，电容C3、C2、C1串联，由于SW4_up闭合使电容C3的下极板电压由原来的V2+Vref增加到V2+V4-V3，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将由原来的0V变为V4-V3，即VM端电压为V4-V3；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，实现了对第四节电池CELL4电压的监测。
监测第n电池CELLn：
在t(2n-2)时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t(2n-2)到t(2n-1)时刻,SW_con、SW2_dn、SW3_dn、SW4_dn、……、SWn_dn都处于ON状态，运算放大器OP处于负反馈状态，此时运算放大器OP的正向输入端输入电压为0V，通过负反馈将该电压传输到第一电容的下极板，模数转换器ADC 220以及SW1_dn、SW1_up、SW2_up、SW3_up、……、SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1，下极板电压为0V，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1，电容C2上极板电压为V2，下极板电压为V1，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2，电容C3上极板电压为V3，下极板电压为V2，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3，同理电容C(n-1)上极板电压为Vn-1,下极板电压为Vn-2,因此电容C(n-1)的电荷量Qn-1＝(Vn-1-Vn-2)Cn-1；
t(2n-1)—t2n时刻，SWn_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SWn_up外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容Cn-1的上极板电压为Vn，所有电容的下极板的开关管SWn_dn、……、SW_con都断开，电容Cn-1、……、C1串联，由于SWn_up闭合使电容Cn-1的下极板电压由原来的Vn-2增加到Vn-2+Vn-Vn-1+Vref，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将变为Vn-Vn-1+Vref，即VM端电压为Vn-Vn-1+Vref；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，通过设置模数转换器ADC 220使输入的VM端电压在其内部除去Vref固定电压值，实现了对第n节电池CELLn电压的监测。
图7为本发明实施例提供的另一种多级电池监测电路的内部结构示意图。如图7所示，前级监测电路210包括：N个电池CELL、N-1个电容、一个公共开关管SW_con、N组开关单元、一个参考电压源和一个运算放大器OP。
参考电压源的正极连接至运算放大器OP的正向输入端，参考电压源的负极与第一组开关单元的第一端相交并接地，对于N个电池CELL、N-1个电容、N组开关单元和一个运算放大器OP的连接方式与上文相同，这里不再赘诉。其中，参考电压源输出的参考电压为Vref，用于为第一电容C1提供最小电压，且根据模数转换器ADC 220对输入电压要求设定参考电压源提供的参考电压值。
结合图4的监测时序图，通过监测图7中第一电池CELL1、第四电池CELL4和第n电池CELLn的工作原理详述该监测电路的工作过程。
监测第一电池CELL1：
在t0时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t0—t1时刻，开关管SW_con和SW1_dn处于ON状态，运算放大器OP处于负反馈状态，此时运算放大器OP的正向输入端输入电压为Vref，通过负反馈将该电压传输到第一电容的下极板，模数转换器ADC 220以及开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为0V，下极板电压为Vref，因此电容C1的电荷量Q1＝(0V-Vref)*C1＝0；由于开关管SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态，使除电容C1外的其它n-2个电容的上极板都处于悬空状态；
t1—t2时刻，开关管SW1_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW1_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1，由于开关管SW_con断开，使电容C1的下极板悬空，由电荷守恒原理，电容C1的下极板电压为V1+Vref，即VM端电压为V1+Vref；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，通过设置模数转换器ADC 220使输入的VM端电压在其内部除去Vref固定电压值，实现了对第一节电池CELL1电压的监测。
监测第四电池CELL4：
在t6时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t6—t7时刻，SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn处于ON状态，运算放大器OP处于负反馈状态，此时运算放大器OP的正向输入端输入电压为Vref，通过负反馈将该电压传输到第一电容的下极板，模数转换器ADC 220以及其他开关管都处于OFF状态，此时，参考电压源第一电池CELL1和SW2_dn构成通路，使电容C1的上极板电压变为V1+Vref，下极板电压为Vref，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1；同理电容C2上极板电压为V2+Vref，下极板电压为V1+Vref，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2；电容C3上极板电压为V3+Vref，下极板电压为V2+Vref，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3；由于除SW_con、SW2_dn、SW3_dn和SW4_dn外的其他开关管都处于OFF状态，使除电容C1、C2和C3外的其它n-4个电容的上极板都处于悬空状态；
t7—t8时刻，SW4_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SW4_up以外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容C3的上极板电压为V4，电容C3、C2和C1下极板的开关管SW3_dn、SW2_dn、SW1_dn和SW_con断开，电容C3、C2、C1串联，由于SW4_up闭合使电容C3的下极板电压由原来的V2+Vref增加到V2+V4-V3+Vref，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将由原来的Vref变为V4-V3+Vref，即VM端电压为V4-V3+Vref；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，通过设置模数转换器ADC 220使输入的VM端电压在其内部除去Vref固定电压值，实现了对第四节电池CELL4电压的监测。
监测第n电池CELLn：
在t(2n-2)时刻，开关管SW_con、SW1_dn、SW1_up、……、SWn_dn和SWn_up都处于OFF状态；
t(2n-2)到t(2n-1)时刻,SW_con、SW2_dn、SW3_dn、SW4_dn、……、SWn_dn都处于ON状态，运算放大器OP处于负反馈状态，此时运算放大器OP的正向输入端输入电压为Vref，通过负反馈将该电压传输到第一电容的下极板，模数转换器ADC 220以及SW1_dn、SW1_up、SW2_up、SW3_up、……、SWn_up都处于OFF状态，此时电容C1的上极板电压为V1+Vref，下极板电压为Vref，因此电容C1的电荷量Q1＝V1*C1，电容C2上极板电压为V2+Vref，下极板电压为V1+Vref，因此电容C2的电荷量Q2＝(V2-V1)*C2，电容C3上极板电压为V3+Vref，下极板电压为V2+Vref，因此电容C3的电荷量Q3＝(V3-V2)*C3，同理电容C(n-1)上极板电压为Vn-1+Vref,下极板电压为Vn-2+Vref,因此电容C(n-1)的电荷量Qn-1＝(Vn-1-Vn-2)Cn-1；
t(2n-1)—t2n时刻，SWn_up以及模数转换器ADC 220处于ON状态，除SWn_up外的其它开关管都处于OFF状态，此时电容Cn-1的上极板电压为Vn，所有电容的下极板的开关管SWn_dn、……、SW_con都断开，电容Cn-1、……、C1串联，由于SWn_up闭合使电容Cn-1的下极板电压由原来的Vn-2增加到Vn-2+Vn-Vn-1+Vref，由电荷守恒原理，C1的下极板电压将变为Vn-Vn-1+Vref，即VM端电压为Vn-Vn-1+Vref；控制电路230控制模数转换器ADC 220处于ON状态，通过设置模数转换器ADC 220使输入的VM端电压在其内部除去Vref固定电压值，实现了对第n节电池CELLn电压的监测。
本发明实施例将多级串联的电池电压由不同的高压电压域，根据电荷守恒原理全部转换到将低压电压域，将低压电压域的电压通过模数转换器ADC和控制电路，实现对多级电池电压的实时监测。
具体的，通过2n+1个开关管和n-1个电容，实现n节串联电池电压的实时监测。其中，通过2n+1个开关管的实时变化，保证了每个开关管承受的最大电压差不超过一个电池电压，由此可以采用高压工艺里边的低压隔离器件，也就是说，只需要包含2N+1个开关管的隔离井整体承受高压，井内的每个开关管可以选用低压结构的器件；由此不仅减小了芯片尺寸，降低了成本，同时也提高了开关管导通电阻的匹配精度，从而提高了系统监测精度；通过n-1个电容串联的连接方式，降低了每个电容耐压要求，每个电容上下极板最大电压不超过一个电池电压，因此可以采用低压电容，由此不仅减小了芯片尺寸，降低了由电压系数引起的非线性，也降低了因为高压电容电压系数引起的非线性，从而提高了系统监测精度。
另外，本发明还可以提供一种多节电池监测系统，该系统中包括上述图3、图5至图7中所示的一个或多个电路。
本发明实施例的多节电池监测系统，通过将多级串联的电池电压由不同的高压电压域，根据电荷守恒原理全部转换到将低压电压域，将低压电压域的电压通过模数转换器ADC和控制电路，实现对多级电池电压的实时监测。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多节电池监测电路，其特征在于，所述电路包括：前级监测电路(210)、模数转换器(220)和控制电路(230)；
所述前级监测电路(210)，用于将多级串联电池的高压电压域模拟电压信号转换为低压电压域模拟电压信号；
所述模数转换器(220)，用于将所述低压电压域的模拟电压信号转换成数字电压信号；
所述控制电路(230)，用于根据所述数字电压信号生成控制信号，所述控制信号用于控制所述前级监测电路(210)和所述模数转换器(220)；
其中，所述前级监测电路(210)包括N个电池、N-1个电容、N组开关管和一个公共开关管；每组开关管包括上置开关管和下置开关管，每个开关管都含有三端，所述N组开关管和所述公共开关管受控于所述控制电路(230)；
所述N个电池串联连接，第一电池的负极接地；所述N-1个电容串联连接，第一电容的下极板通过公共开关管接地；第一组开关管的第一输入端与所述第一电池的负极相交，第二输入端连接至所述第一电池正极与第二电池负极的交点，输出端连接至所述第一电容的上极板与第二电容的下极板的交点；第二组开关管的第一输入端连接至所述第一组开关管的第二输入端，第二输入端连接至所述第二电池正极与第三电池负极的交点，输出端连接至所述第一电容的上极板与所述第二电容的下极板的交点；第三组开关管的第一输入端连接至所述第二组开关管的第二输入端，第二输入端连接至所述第三电池正极与第四电池负极的交点，输出端连接至所述第二电容的上极板与第三电容的下极板的交点；以此类推，第N组开关管的第一输入端连接至第N-1组开关管的第二输入端，第二输入端连接至第N电池正极，输出端连接至第N-1电容C N-1的上极板；
所述每组开关管包括所述上置开关管和所述下置开关管，每个开关管都含有三端；第一组开关管包括:所述下置开关管的第一端为所述第一组开关管的第一输入端，第二端为所述第一组开关管的输出端，第三端连接至所述控制电路(230)的输出端；所述上置开关管的第一端为所述第一组开关管的第二输入端，第二端连接至所述下置开关管的第二端，即第二端为所述第一组开关管的输出端，第三端连接至所述控制电路(230)的输出端；其他每组开关管的内部连接方式与所述第一组开关管相同，以此类推。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述前级监测电路(210)还包括：参考电压源，
所述参考电压源的第一端与所述第一电池的第一端和所述第一组开关管的下置开关管的公共点相连，所述参考电压源的第二端通过所述公共开关管连接至所述第一电容的下极板；
所述参考电压源用于为所述第一电容提供最小电压。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述前级监测电路(210)还包括：运算放大器，
所述运算放大器的正向输入端与所述第一电池的第一端和所述第一组开关管的下置开关管的公共点相连，所述运算放大器的反向输入端分别与所述第一电容的下极板和所述公共开关管与所述模数转换器(220)连接端的一端连接，所述运算放大器的输出端通过所述公共开关管连接至所述模数转换器(220)；
所述运算放大器用于为所述第一电容的下极板电压提供驱动能力。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述前级监测电路(210)还包括：参考电压源，
所述参考电压源的第一端与所述第一电池的第一端和所述第一组开关管的下置开关管的公共点相连，所述参考电压源的第二端与所述运算放大器的正向输入端连接；
所述参考电压源用于为所述第一电容提供最小电压。
5.一种多节电池监测系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至4任一项所述的电路。
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