CN106300522B - 电池电压监视电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的电池电压监视电路具备：第一逻辑电路部，根据从外部供给的控制指令，选择某一个二次电池；第一基准电压产生部，产生基准电压；第一AD转换部，使用来自第一基准电压产生部的基准电压，对由第一逻辑电路部选择出的二次电池的两端电压进行数字化；第一通信部，将由第一AD转换部数字化后的二次电池的两端电压的数字信号发送到外部；第二逻辑电路部，根据从外部供给的控制指令，选择某一个二次电池；第二基准电压产生部，产生基准电压；第二AD转换部，使用来自第二基准电压产生部的基准电压，对由第二逻辑电路部选择出的二次电池的两端电压进行数字化；第二通信部，将由第二AD转换部数字化后的二次电池的两端电压的数字信号发送到外部。

Description

电池电压监视电路
本申请是于2013年2月28日提交的、申请号为201310063182.2的、发明名称为“电池电压监视电路”的专利申请的分案申请，优先权日为2012年3月7日。
技术区域
本发明涉及对串联连接的多个二次电池的电池电压进行监视的电池电压监视电路。
背景技术
近年来，作为二次电池锂离子电池被用作搭载于电动汽车或汽车等车辆的电源。锂离子电池需要具备电池电压的监视电路。在将多个锂离子电池串联连接用作一个电池组(battery pack)时，在监视电路中准确地测定各个锂离子电池的电压，并将测定结果通知给外部CPU等上位装置。
此外，还已知有如下技术：对于串联连接了多个二次电池的模块电池的保护装置以及蓄电装置，当检测二次电池的端子间电压而该电压为预定范围外时，通过第一保护单元输出用于停止模块电池的充放电的信号，当检测模块电池2的端子间电压而该电压为预定范围外时，通过第二保护单元输出用于停止模块电池的充放电的信号(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2001-177998号公报
对于监视电池组的电压的电池电压监视电路要求较高的可靠性。但是，在将电池组搭载于车辆时，由于温度或振动等使用环境严酷的原因，所以可能会产生故障，可能降低电池电压监视电路的可靠性。
作为提高严酷的使用环境下电池电压监视电路的可靠性的方法，想到了将搭载于电池组的电池电压监视电路二重化的方法。但是，此时产生了电池电压监视电路的成本上升为2倍这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于以上问题点而提出的发明，其目的在于提供一种能够抑制成本上升并提高可靠性的电池电压监视电路。
本发明的一个实施方式涉及的电池电压监视电路，其与串联连接了多个二次电池(Cell1～Cell16)的电池组连接，并监视所述多个二次电池的电池电压，所述电池电压监视电路具备：
第一逻辑电路部(27)，其根据从外部供给的控制指令，从所述多个二次电池中选择某一个二次电池；
第一基准电压产生部(24)，其产生基准电压；
第一AD转换部(23)，其使用来自所述第一基准电压产生部的基准电压，对由所述第一逻辑电路部选择出的二次电池的两端电压进行数字化；
第一通信部(26)，其将由所述第一AD转换部数字化后的所述二次电池的两端电压的数字信号发送到外部；
第二逻辑电路部(37)，其根据从所述外部供给的控制指令，从所述多个二次电池中选择某一个二次电池；
第二基准电压产生部(34)，其产生基准电压；
第二AD转换部(33)，其使用来自所述第二基准电压产生部的基准电压，对由所述第二逻辑电路部选择出的二次电池的两端电压进行数字化；以及
第二通信部(36)，其将由所述第二AD转换部数字化后的所述二次电池的两端电压的数字信号发送到外部。
优选的是，所述第一逻辑电路部具有保持基准值的第一保持部(27a)，
所述第一逻辑电路部根据从所述外部供给的控制指令选择预定部的电压，将由所述第一AD转换部数字化后的所述预定部的电压与所述第一保持部的基准值进行比较，从而诊断是否正常。
优选的是，所述第二逻辑电路部具有保持基准值的第二保持部(37a)，
所述第二逻辑电路部根据从所述外部供给的控制指令选择预定部的电压，将由所述第二AD转换部数字化后的所述预定部的电压与所述第二保持部的基准值进行比较，从而诊断是否正常。
优选的是，所述第一逻辑电路部、所述第一基准电压产生部、所述第一AD转换部和所述第一通信部形成于第一半导体芯片(11)上，
所述第二逻辑电路部、所述第二基准电压产生部、所述第二AD转换部和所述第二通信部形成于第二半导体芯片(12)上。
优选的是，所述第一半导体芯片(11)和所述第二半导体芯片(12)被层叠封装。
此外，上述括号内的参考符号是为了便于理解而标注的，仅是一个例子，并不局限于图示的形态。
根据本发明，能够抑制成本上升并提高可靠性。
附图说明
图1是电池电压监视电路的一个实施方式的电路结构图。
图2是电池电压监视电路执行的处理的流程图。
图3是电池电压监视电路的一个实施方式的截面图。
图4是电池电压监视电路的另一实施方式的截面图。
符号说明
10 电池电压监视电路
11、12 半导体芯片
21 单体平衡控制部
22 电平移动缓冲器部
23、33AD 转换器
24、34 带隙基准电压产生部
25、35 振荡部
26、36 串行通信部
27、37 逻辑电路部
27a、37a 非易失性存储器
28、38 开关
29、30、31 调节器
32 多路复用器
40 隔离部
41、42、43 热敏电阻
Cell1～Cell16 电池单体
具体实施方式
以下根据附图对本发明的实施方式进行说明。
<电池电压监视电路的电路结构>
图1是电池电压监视电路的一个实施方式的电路结构图。图1中电池电压监视电路10具有半导体芯片11和半导体芯片12。半导体芯片11和半导体芯片12以不同的工艺制成。
在半导体芯片11上形成有单体平衡(cell balance)控制部21、电平移动缓冲器部(level shift buffer)22、AD转换器(ADC)23、带隙(band gap)基准电压产生部(BGR)24、振荡部(OSC)25、串行通信部26、逻辑电路部27、开关28、调节器(regulator)29、30、31、多路复用器(multiplexor)32。
在半导体芯片12上形成有AD转换器33、带隙基准电压产生部34、振荡部35、串行通信部36、逻辑电路部37、开关38。AD转换器33、带隙基准电压产生部34、振荡部35、串行通信部36、逻辑电路部37、开关38分别与半导体芯片11的AD转换器23、带隙基准电压产生部24、振荡部25、串行通信部26、逻辑电路部27、开关28是相同电路。
单体平衡控制部21根据来自逻辑电路部27、37的控制信号从半导体芯片11的外部端子CB1～CB16中的某一个输出高电平信号，由此使n沟道MOS晶体管M1～M16中某一个导通。当MOS晶体管M1～M16中某一个导通时，电池单体Cell1～Cell16中某一个的两端间经限制电阻R1～R6中介连接，电池单体Cell1～Cell16中某一个进行放电。由此，能够进行使电池单体Cell1～Cell16各自的电压为一定的单体平衡处理。
此外，串联连接的电池单体Cell1～Cell16分别是锂离子电池。电池单体Cell1的两端经由保护电阻与半导体芯片11的外部端子V0、V1连接，电池单体Cell2的两端经由保护电阻与外部端子V1、V2连接，以下同样地，电池单体Cell16的两端经由保护电阻与外部端子V15、V16连接。
在来自逻辑电路部27、37的控制信号指示选择电池单体Cell1时，电平移动缓冲器部22以将外部端子V0的电压移动到接地电平的状态，将外部端子V1的电压输出到开关28、38。此外，在控制信号指示选择电池单体Cell2时，以将外部端子V1的电压移动到接地电平的状态，将外部端子V2的电压输出到开关28、38，以下同样地，在控制信号指示选择电池单体Cell16时，以将外部端子V15的电压移动到接地电平的状态，将外部端子V16的电压输出到开关28、38。
在来自逻辑电路部27的控制信号指示测定电池电压时，开关28将电平移动缓冲器部22的输出电压供给到AD转换器23，在指示测定温度或自身诊断时，将多路复用器32的输出电压供给到AD转换器23。带隙基准电压产生部24使用带隙电路产生基准电压并将其供给到AD转换器23。振荡部25生成时钟，并将其供给到AD转换器23、串行通信部26和逻辑电路部27。
AD转换器23将作为电平移动缓冲器部22的输出电压的电池电压、或者作为多路复用器32的输出电压的温度或者试验电压进行数字化，并供给到逻辑电路部27。
逻辑电路部27从半导体芯片11的外部端子SHDN、ALARM、TEST1、TEST2经由隔离部(isolate)40与未图示的外部CPU连接，对从外部CPU供给的控制指令进行解析并将控制信号供给到半导体芯片11的各部。此外，逻辑电路部27还经由串行通信部26向外部端子CS1供给从外部CPU供给的芯片选择信号。逻辑电路部27在测定电池电压时将来自AD转换器23的数字测定电池电压供给到串行通信部26。逻辑电路部27在温度测定时将数字测定温度供给到串行通信部26。此外，隔离部40进行在电池电压监视电路10与外部CPU之间收发的信号的电平移动。
此外，在逻辑电路部27上设有非易失性存储器27a，对非易失性存储器27a预先写入例如正常时的带隙基准电压产生部24输出的基准电压或自身诊断时经由隔离部40施加到外部端子TC4的试验电压等的基准值。逻辑电路部27在自身诊断时通过将带隙基准电压产生部24输出的基准电压或施加到外部端子TC4的试验电压与存储在非易失性存储器27a中的基准值进行比较，来判别AD转换器23或带隙基准电压产生部24是在正常工作还是发生故障，在发生故障时，从外部端子ALARM向外部CPU供给报警信号。
串行通信部26将从AD转换器23经由逻辑电路部27供给的数字测定电池电压或者数字测定温度与时钟一起从外部端子SD0、SD1、CLK1经由隔离部40供给到外部CPU。此外，串行通信部26在从外部CPU经由外部端子CS1供给了例如高电平的芯片选择信号时进行上述数字信号的输出。
调节器29根据从串联连接的电池单体Cell1～Cell6供给的电压生成例如4.5V的直流电压，并将其供给到半导体芯片11的带隙基准电压产生部24以及半导体芯片12的带隙基准电压产生部34。调节器30根据例如4.5V的直流电压生成例如3.3V的直流电压，并从外部端子TDVDD供给到外部的热敏电阻41、42、43。
调节器31根据例如4.5V的直流电压生成例如3.3V的直流电压，并将其供给到AD转换器23、振荡部25、串行通信部26、逻辑电路部27、多路复用器32、以及半导体芯片12的AD转换器33、振荡部35、串行通信部36、逻辑电路部37。
多路复用器32根据来自逻辑电路部27、37的控制信号，来选择从外部端子TC1、TC2、TC3供给的热敏电阻41、42、43的输出电压、以及例如从外部CPU供给到外部端子TC4试验电压、以及从未图示的外加的多路复用器供给到外部端子TempIN的电压中的某一个，并将其供给到开关28、38。
在来自逻辑电路部37的控制信号指示测定电池电压时，开关38将电平移动缓冲器部22的输出电压供给到AD转换器33，在指示测定温度或自身诊断时，将多路复用器32的输出电压供给到AD转换器33。带隙基准电压产生部34使用带隙电路产生基准电压并将其供给到AD转换器33。振荡部35生成时钟，并将其供给到AD转换器33、串行通信部36和逻辑电路部37。
AD转换器33将作为电平移动缓冲器部22的输出电压的电池电压、或者作为多路复用器32的输出电压的温度或者试验电压进行数字化，并供给到逻辑电路部37。
逻辑电路部37从半导体芯片11的外部端子SHDN、ALARM、TEST1、TEST2经由隔离部40与未图示的外部CPU连接，对从外部CPU供给的控制指令进行解析并将控制信号供给到半导体芯片12的各部。此外，逻辑电路部37还经由串行通信部36向外部端子CS1供给从外部CPU供给的芯片选择信号。逻辑电路部37在测定电池电压时将来自AD转换器33的数字测定电池电压供给到串行通信部36。逻辑电路部37在温度测定时将数字测定温度供给到串行通信部36。
此外，在逻辑电路部37上设有非易失性存储器37a，对非易失性存储器37a预先写入例如正常时的带隙基准电压产生部34输出的基准电压或自身诊断时经由隔离部40施加到外部端子TC4的试验电压等基准值。逻辑电路部37在自身诊断时通过将带隙基准电压产生部34输出的基准电压或施加到外部端子TC4的试验电压与存储在非易失性存储器37a中的基准值进行比较，来判别AD转换器33或带隙基准电压产生部34是在正常工作还是发生故障，在发生故障时，从外部端子ALARM向外部CPU供给报警信号。
串行通信部36将从AD转换器33经由逻辑电路部37供给的数字测定电池电压或者数字测定温度与时钟一起从外部端子SD0、SD1、CLK1经由隔离部40供给到外部CPU。此外，串行通信部36在从外部CPU经由外部端子CS2供给了例如高电平的芯片选择信号时进行上述数字信号的输出。
<电池电压监视电路的工作模式>
在从外部CPU向外部端子SHDN供给例如高电平时，电池电压监视电路10使调节器29～31工作而成为备用模式(standby mode)。然后，在向外部端子CS1或者CS2供给高电平的芯片选择信号时，成为活动模式(active mode)，通过AD转换器23或者33进行电压测定，通过串行通信部26或者36进行数字信号的输出。并且，当外部端子CS1和CS2的芯片选择信号为低电平时，成为备用模式。进而，电池电压监视电路10在向外部端子SHDN供给了低电平时，使包含调节器29～31在内的全部动作停止(shut down)。
<流程图>
图2表示从备用模式变化到活动模式时根据外部CPU的指示电池电压监视电路10执行的处理的流程图。在步骤S1中，通过来自外部CPU的指示，逻辑电路部27、37分别进行自身诊断。例如，将带隙基准电压产生部24、34输出的基准电压或施加给外部端子TC4的试验电压，与存储在非易失性存储器27a、37a中的基准值进行比较，由此来判别AD转换器23、33或带隙基准电压产生部24、34是否在正常工作，在产生故障时从外部端子ALARM向外部CPU供给报警信号。
在步骤S2中外部CPU判别半导体芯片11的AD转换器23以及带隙基准电压产生部24是否正常。如果正常则在步骤S3中外部CPU仅向外部端子CS1供给高电平的芯片选择信号，成为活动模式，使用半导体芯片11的AD转换器23～开关28输出数字测定电池电压或者数字测定温度。
另一方面，在步骤S2中如果在AD转换器23、带隙基准电压产生部24中产生故障，则在步骤S4中外部CPU判别半导体芯片12的AD转换器33以及带隙基准电压产生部34是否正常。如果正常则在步骤S5中外部CPU仅向外部端子CS2供给高电平的芯片选择信号，成为活动模式，使用半导体芯片12的AD转换器33～开关38输出数字测定电池电压或者数字测定温度。
此外，在步骤S4中如果在AD转换器33、带隙基准电压产生部34中产生故障，则在步骤S6中外部CPU向外部端子SHDN供给低电平，使电池电压监视电路10停止。
此外，半导体芯片11的半导体芯片12和电平移动缓冲器部22是耐高压电路，AD转换器23～多路复用器32是耐低压电路。耐高压电路芯片面积较大，元件数为少至100元件这样的数量。相反，耐低压电路芯片面积较小，元件数为多达10000元件这样的巨大数量。因此，与耐高压电路相比耐低压电路的故障发生率格外高。
因此，在本实施方式中设置具有与作为半导体芯片11的耐低压电路主要部分的AD转换器23、带隙基准电压产生部24、振荡部25、串行通信部26、逻辑电路部27、开关28相同结构的AD转换器33、带隙基准电压产生部34、振荡部35、串行通信部36、逻辑电路部37、开关38的半导体芯片12。并且，使逻辑电路部27、37具有自身诊断功能，在AD转换器23、带隙基准电压产生部24产生故障时，通过使用半导体芯片12来提高电池电压监视电路10的可靠性。此时，半导体芯片12相对于半导体芯片11是低成本，能够将电池电压监视电路10的成本增长抑制得较低。
<电池电压监视电路的截面图>
图3是电池电压监视电路的一个实施方式的截面图。图3中，在台(stage)51上固定有半导体芯片11，并且在半导体芯片11上通过绝缘性粘结剂层叠地固定有半导体芯片12。半导体芯片11、12的外部端子通过线52与引线53连接。上述的台51、半导体芯片11、12、线52、引线53中除引线53的一部分以外分别通过封装树脂54而被封装。
此外，还可以如图4所示，将半导体芯片11、12进行平面配置来代替层叠半导体芯片11、12。图4中，在台61、62各自的上方固定有半导体芯片11、12。半导体芯片11、12的外部端子通过线63与引线64连接。此外，半导体芯片11、12的外部端子通过线63相互连接。上述的台61、62、半导体芯片11、12、线63、65、引线64中除引线64的一部分以外分别通过封装树脂66而被封装。
这里，使半导体芯片11、12为不同的芯片是因为当在半导体芯片11的AD转换器23、带隙基准电压产生部24等中产生短路等故障时，短路导致的漏电电流不流过半导体芯片12，半导体芯片11的故障影响不会波及到半导体芯片12。
此外，如图3所示，在将半导体芯片11、12层叠的结构中，通过封装树脂54封装了半导体芯片11、12时，施加到半导体芯片11、12的应力大致相同。形成于半导体芯片的电路元件的特性由于施加到半导体芯片的应力而受到影响，因此能够使半导体芯片11上的AD转换器23、带隙基准电压产生部24和半导体芯片12上的AD转换器33、带隙基准电压产生部34的特性大致相同。也就是，即使对半导体芯片11上的AD转换器23、带隙基准电压产生部24与半导体芯片12上的AD转换器33、带隙基准电压产生部34进行切换，也几乎不会在测定电压产生变化。

Claims (5)

1.一种电池电压监视电路，其与串联连接了多个二次电池的电池组连接，并监视所述多个二次电池的电池电压，其特征在于，
所述电池电压监视电路由第一半导体芯片和第二半导体芯片构成，
所述第一半导体芯片具有：
第一耐压的单体平衡控制部，其用于使所述多个二次电池的各个二次电池的电压为恒定；
所述第一耐压的电平移动缓冲器部，其根据从外部供给的控制指令，从所述多个二次电池输出某一个二次电池的电池电压；
第二耐压的第一逻辑电路部，其具有保持基准值的第一保持部，并根据从所述外部供给的控制指令来选择所述电平移动缓冲器部输出了电池电压的二次电池，所述第二耐压低于所述第一耐压；
所述第二耐压的第一基准电压产生部，其产生基准电压；
所述第二耐压的第一AD转换部，其使用来自所述第一基准电压产生部的基准电压，对由所述第一逻辑电路部选择出的二次电池的两端电压进行数字化；以及
所述第二耐压的第一通信部，其将由所述第一AD转换部数字化后的所述二次电池的两端电压的数字信号发送到外部；
所述第二半导体芯片具有：
所述第二耐压的第二逻辑电路部，其具有保持基准值的第二保持部，并根据从所述外部供给的控制指令来选择所述电平移动缓冲器部输出了电池电压的二次电池；
所述第二耐压的第二基准电压产生部，其产生基准电压；
所述第二耐压的第二AD转换部，其使用来自所述第二基准电压产生部的基准电压，对由所述第二逻辑电路部选择出的二次电池的两端电压进行数字化；以及
所述第二耐压的第二通信部，其将由所述第二AD转换部数字化后的所述二次电池的两端电压的数字信号发送到外部，
所述第一逻辑电路部根据从所述外部供给的控制指令选择预定部的电压，将由所述第一AD转换部数字化后的所述预定部的电压与所述第一保持部的基准值进行比较，来进行所述第一AD转换部与所述第一基准电压产生部是否正常的第一诊断，
在所述第一诊断为正常时，使用所述第一半导体芯片的所述第一AD转换部来输出所述二次电池的两端电压的数字信号，
在所述第一诊断为异常时，所述第二逻辑电路部根据从所述外部供给的控制指令选择预定部的电压，将由所述第二AD转换部数字化后的所述预定部的电压与所述第二保持部的基准值进行比较，来进行所述第二AD转换部与所述第二基准电压产生部是否正常的第二诊断，
在所述第二诊断为正常时，使用所述第二半导体芯片的所述第二AD转换部来输出所述二次电池的两端电压的数字信号，
在所述第二诊断为异常时，使所述电池电压监视电路停止。
2.根据权利要求1所述的电池电压监视电路，其特征在于，
所述第一保持部的基准值和所述第二保持部的基准值预先被保持。
3.根据权利要求1或2所述的电池电压监视电路，其特征在于，
所述第一保持部和所述第二保持部由非易失性存储器构成。
4.根据权利要求1所述的电池电压监视电路，其特征在于，
所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片被层叠封装。
5.根据权利要求1所述的电池电压监视电路，其特征在于，
所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片被平面配置而封装。
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