CN105866513A - 串联电池组电压转移电路 - Google Patents

Abstract

串联电池组电压转移电路，以便用简化紧凑的方式实现逐节电池电压测量，包括形成堆叠结构的若干个电路阶，每一个电路阶包括对应连接上下抽头的可充电电池的正负极，上抽头连上一级电路阶，下抽头连下一级，上抽头分别连接第四电阻的一端和第二PMOS管的源极，第二PMOS管的栅极分别连接第四电阻的另一端和电流漏并通过该电流漏接地，第二PMOS管的漏极分别连接第一电阻的一端、第三电阻的一端和放大器的第一控制端，放大器的负极端分别连接第三电阻的另一端和第一PMOS管的源极，放大器的正极端分别连接第一电阻的另一端和第二电阻的一端，第二电阻的另一端和放大器的第二控制端均连接下抽头，放大器的输出端连接第一PMOS管的栅极，第一PMOS管的漏极通过MU接地。

Description

串联电池组电压转移电路

技术领域

本发明涉及串联电池组中每节电池的电压测量技术，特别是一种串联电池组电压转移电路，通过堆叠电路结构和将高端电压转移到低电压端，以便用简化紧凑的方式实现逐节电池电压测量。

背景技术

锂离子可充电电池因其储能能力强等因素越来越多地得到广泛使用。例如笔记本电脑、手机等产品已全面采用该种电池，同时也可以预期自行机器人和电动工具等等也将广泛使用此种电池。该种电池的放电平台，即主要充放电电压范围仅有3.6V～4.0V的400mV的变化(有的在2.5V～4.2V之间)；对该种电池的测量评估要求好于50mV的准确度。在串联电池组中，以10串为例，该测量相当于在40V范围内准确地测量电压压差。其精度要求和电压范围决定其电路规模较大，难以高密度集成。目前的集成方案包括高压开关配合电阻分压器的方案和利用飞电容把高位电池的压差转移到低电位的方案两大类型。这些电路存在的主要问题是高压开关和高压电路多，各节电池的采样电路因分压电阻上的电压跨度大无法保持一致性、或因电容在开关时与地的电压差异大无法保持一致性，不得不按逐节电池所处电压范围提供修正，致使其电路规模大、制造成本高，限制了集成规模和经济性。本发明试图使用一种新的结构减少高压开关和高压电路数量，利用一种方式把高端电压高度一致地转移到低电压端，减小电路规模和制造成本，从而促进其经济、广泛的使用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种串联电池组电压转移电路，通过堆叠电路结构和将高端电压转移到低电压端，以便用简化紧凑的方式实现逐节电池电压测量。

本发明技术方案如下：

串联电池组电压转移电路，其特征在于，包括形成堆叠结构的若干个电路阶，每一个电路阶包括上抽头和下抽头，所述上抽头连接可充电电池的正极，所述下抽头连接可充电电池的负极，所述上抽头连接堆叠的上一级电路阶连接处，所述下抽头连接堆叠的下一级电路阶连接处，所述上抽头分别连接第四电阻的一端和第二PMOS管的源极，所述第二PMOS管的栅极分别连接所述第四电阻的另一端和电流漏并通过该电流漏连接接地端，所述第二PMOS管的漏极分别连接第一电阻的一端、第三电阻的一端和放大器的第一控制端，所述放大器的负极端分别连接所述第三电阻的另一端和第一PMOS管的源极，所述放大器的正极端分别连接第一电阻的另一端和第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端和所述放大器的第二控制端均连接所述下抽头，所述放大器的输出端连接所述第一PMOS管的栅极，所述第一PMOS管的漏极通过模拟信号多路选择器单元连接接地端。

所述电流漏为单个场效应管FET组成的电流漏。

所述电流漏用于把处于低电压端的控制信号以电流的形式转移到其所在的电路阶中，控制第二PMOS管启动对电压采样电路的供电。

所述放大器和第一PMOS管组成负反馈环路，所述负反馈环路使第三电阻上的压降一致于第一电阻和第二电阻上的分压。

所述第一PMOS管隔离对地和其他元件的漏电和/或干扰。

对电路阶内元件的衬底进行等电位屏蔽，隔离阶电路对地电位的影响。

所述第一PMOS管和所述第二PMOS管均为高压MOSFET。

所述可充电电池的电池电压为Vb，第一电阻值为rs1，第二电阻值为rs2，第三电阻值为rt，则电压转移到电流的传输关系如下：iv＝Vb·rs1/[(rs1+rs2)·rt]，式中iv是用电流表达的、所测量的电池电压比例信号。

本发明技术效果如下：本发明串联电池组电压转移电路，使用一种新的结构能够减少高压开关和高压电路数量，利用一种方式把高端电压高度一致地转移到低电压端，减小电路规模和制造成本，从而促进其经济、广泛的使用。本发明电路每阶仅需要2个高压MOSFET，所需电路规模远小于现有产品的电路。高压FET对附件电路的漏电低，隔离简单、不受所处电压影响。再加上采用低压电路和衬底等电位屏蔽，阶阶之间的一致性容易保证，不需要逐节修正。

本发明具有的特点：1.采用Q1隔离对地和其它元件的漏电和干扰的方案；2.利用堆叠结构使每阶仅使用CS和Q两个简单高压元件的电路结构；3.对阶内元件的衬底进行等电位屏蔽，隔离阶电路对地电位影响的电路结构。

本发明能够以最为简化的紧凑的方式实现逐节电池电压测量。在一个串联电池组中测量每节电池的电压是实现电池均衡、进行SOC评价和SOH评价、电池充放电能力评价和实现电池重组的必要条件。

附图说明

图1是实施本发明串联电池组电压转移电路的结构原理示意图。

附图标记列示如下：1-可充电电池或锂离子可充电电池或第n节电池或第n电路阶中电池；2-第n个抽头；3-第(n+1)个电路阶的堆叠处或堆叠的上一级电路阶连接处；4-第四电阻；5-MU即模拟信号多路选择器单元，MU单元接收来自多个电路阶的iv信号、选择一个iv输出到公共的测量输出公外部测量使用；6-接地端；7-第(n-1)个电路阶的堆叠处或堆叠的下一级电路阶连接处；8-第(n-1)个抽头；9-第一电阻；10-第三电阻；11-第二电阻；CS-电流漏；Vb-电池电压；Q1-第一PMOS管；Q2-第二PMOS管；ms-测量选择信号，此ms信号用来启动MOSFET Q2，接通对由A和Q1组成的电压转移电路的供电，使该电路工作；iv-是用电流表达的、所测量的电池电压比例信号；M-选择一个电路阶的信号，此信号启动电流漏CS，利用电流漏把M的控制信号转移到处于高电压段的第n阶电压转移电路；A-放大器；rs1-第一电阻值；rs2-第二电阻值；rt-第三电阻值。

具体实施方式

下面结合附图(图1)对本发明进行说明。

图1是实施本发明串联电池组电压转移电路的结构原理示意图。如图1所示，串联电池组电压转移电路，包括形成堆叠结构的若干个电路阶(例如，图1中的第n阶，位于上方的第n+1阶和位于下方的第n-1阶)，每一个电路阶包括上抽头(例如第n个抽头2)和下抽头(例如第(n-1)个抽头8)，所述上抽头连接可充电电池1的正极，所述下抽头连接可充电电池1的负极，所述上抽头连接堆叠的上一级电路阶连接处3，所述下抽头连接堆叠的下一级电路阶连接处7，所述上抽头分别连接第四电阻4的一端和第二PMOS管Q2的源极，所述第二PMOS管Q2的栅极分别连接所述第四电阻4的另一端和电流漏CS并通过该电流漏CS连接接地端6，所述第二PMOS管Q2的漏极分别连接第一电阻9的一端、第三电阻10的一端和放大器A的第一控制端，所述放大器A的负极端分别连接所述第三电阻10的另一端和第一PMOS管Q1的源极，所述放大器A的正极端(+)分别连接第一电阻9的另一端和第二电阻11的一端，所述第二电阻11的另一端和所述放大器A的第二控制端均连接所述下抽头，所述放大器A的输出端连接所述第一PMOS管Q1的栅极，所述第一PMOS管Q1的漏极通过模拟信号多路选择器单元MU连接接地端6。所述电流漏CS为单个场效应管FET组成的电流漏。所述电流漏CS用于把处于低电压端的控制信号以电流的形式转移到其所在的电路阶中，控制第二PMOS管Q2启动对电压采样电路的供电。所述放大器A和第一PMOS管Q1组成负反馈环路，所述负反馈环路使第三电阻10上的压降一致于第一电阻9和第二电阻11上的分压。所述第一PMOS管Q1隔离对地和其他元件的漏电和/或干扰。对电路阶内元件的衬底进行等电位屏蔽，隔离阶电路对地电位的影响。所述第一PMOS管Q1和所述第二PMOS管Q2均为高压MOSFET。所述可充电电池的电池电压为Vb，第一电阻值为rs1，第二电阻值为rs2，第三电阻值为rt，则电压转移到电流的传输关系如下：iv＝Vb·rs1/[(rs1+rs2)·rt]，式中iv是用电流表达的、所测量的电池电压比例信号。

库伦效率或库伦损失：使电池的开路电压变化一致，放出电荷和充入电荷的比；或等效地，充入等量电荷导致的电压上升和放出等量电荷产生的电压变化的比。电池在不同电压时的充放电能力有差异，库伦效率需要在同一个电压变化范围内测量和评价。功能良好的锂电池的放电平坦区域内的库伦效率一般在95％～97％，或者折合到1C的充放电产生约30mV～50mV的电压差异。

电池电压充放电电压分化，或电压分化：串联电池组中的充电和放电分别受到最先充满到最高许可电压的一节和最先放电到最低许可充电电压的一节的限制。在串联电池组中，充入各节的电荷量一致，这个电荷量由最高电压一节的充电电量决定。从库伦损失现象看，这将导致每1C充放，其余电池的电压降低约30mV～50mV。这一现象即电池充放电电压分化。这一现象导致串联电池组使用中较低电压电池的充放电电压范围逐渐变低，而最终因为其接近最低放电电压使电池组无法有效使用。相对于单节电池容量差异，电压分化对电池组的有效使用有更大影响。

电池均衡：使串联电池组中每节电池的充满程度一致，从而保证每节电池都可以充满；或者使串联电池组中每节电池得以充分放电。

电池重组：根据电池组内每节电池的健康状况，按节替换后重新组织成电池组。

SOC：电池充满程度，描述电池以其当时的实际容量计算的充满程度。

SOH：电池健康程度，描述电池相对于其出厂状态的老化情况。

参考图1，本发明的电路由多个相同的这样的电路阶堆叠而成。这样的电路阶的偏置电压由电池电压提供，仅CS和Q1与低电位连接。其中CS为单个FET组成的电流漏，负责把处于低电压端的控制信号以电流的形式转移到第n个电路阶中，控制Q2启动对电压采样电路的供电。Q1为受控高压FET，负责把受放大器A控制产生的采样电流输送到低电压端。包括放大器A和受控管Q1组成的负反馈环路使rt上的压降与rs1和rs2的分压一致，得到如下的电压→电流的传输关系：iv＝Vb·rs1/[(rs1+rs2)·rt]。测量选择信号即ms信号用来启动MOSFET Q2，接通对由A和Q1组成的电压转移电路的供电，使该电路工作。模拟信号多路选择器单元即MU单元接收来自多个电路阶的iv信号、选择一个iv输出到公共的测量输出供外部测量使用。选择一个电路阶的信号M，此信号启动电流漏CS、利用电流漏把M的控制信号转移到处于高电压段的第n阶电压转移电路。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

1.串联电池组电压转移电路，其特征在于，包括形成堆叠结构的若干个电路阶，每一个电路阶包括上抽头和下抽头，所述上抽头连接可充电电池的正极，所述下抽头连接可充电电池的负极，所述上抽头连接堆叠的上一级电路阶连接处，所述下抽头连接堆叠的下一级电路阶连接处，所述上抽头分别连接第四电阻的一端和第二PMOS管的源极，所述第二PMOS管的栅极分别连接所述第四电阻的另一端和电流漏并通过该电流漏连接接地端，所述第二PMOS管的漏极分别连接第一电阻的一端、第三电阻的一端和放大器的第一控制端，所述放大器的负极端分别连接所述第三电阻的另一端和第一PMOS管的源极，所述放大器的正极端分别连接第一电阻的另一端和第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端和所述放大器的第二控制端均连接所述下抽头，所述放大器的输出端连接所述第一PMOS管的栅极，所述第一PMOS管的漏极通过MU连接接地端，所述MU是模拟信号多路选择器单元。

2.根据权利要求1所述的串联电池组电压转移电路，其特征在于，所述电流漏为单个场效应管FET组成的电流漏。

3.根据权利要求1所述的串联电池组电压转移电路，其特征在于，所述电流漏用于把处于低电压端的控制信号以电流的形式转移到其所在的电路阶中，控制第二PMOS管启动对电压采样电路的供电。

4.根据权利要求1所述的串联电池组电压转移电路，其特征在于，所述放大器和第一PMOS管组成负反馈环路，所述负反馈环路使第三电阻上的压降一致于第一电阻和第二电阻上的分压。

5.根据权利要求1所述的串联电池组电压转移电路，其特征在于，所述第一PMOS管隔离对地和其他元件的漏电和/或干扰。

6.根据权利要求1所述的串联电池组电压转移电路，其特征在于，对电路阶内元件的衬底进行等电位屏蔽，隔离阶电路对地电位的影响。

7.根据权利要求1所述的串联电池组电压转移电路，其特征在于，所述第一PMOS管和所述第二PMOS管均为高压MOSFET。

8.根据权利要求1所述的串联电池组电压转移电路，其特征在于，所述电池电压为Vb，第一电阻值为rs1，第二电阻值为rs2，第三电阻值为rt，则电压转移到电流的传输关系如下：iv＝Vb·rs1/[(rs1+rs2)·rt]，式中iv是用电流表达的、所测量的电池电压比例信号。