CN108463733A - 用于测量二次电池的充电和放电期间的电流的电子电路 - Google Patents

用于测量二次电池的充电和放电期间的电流的电子电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量二次电池(307)的充电和放电期间的电流的电子电路和方法，所述电子电路具有二次电池(307)；至少一个分流器(312,313)，该分流器用于通过测量所述分流器(312,313)上的电压降来确定所述二次电池(307)的充电和/或放电期间的电流；可切换电负载(305)；两个连接器(302和303)，该连接器用于将优选的可切换电源(304)连接到所述电子电路(301)以用于对所述二次电池(307)进行充电；以及电压测量装置(310)。第一分流器(313)串联连接在所述电负载(305)与所述二次电池(307)之间，并且第二分流器(312)串联连接在用于连接所述电源(304)的所述两个连接器中的一个连接器(303)与所述二次电池(307)之间，其中所述第一分流器(313)和所述第二分流器(312)连接到所述二次电池(307)的两个电池端子中的同一个，并且特征在于所述电压测量装置(310)仅包括一个电压抽头，所述电压抽头连接到所述第一分流器(313)与所述可切换电负载(305)之间的电导管并且测量相对于接地的电位，所述电位由所述电压测量装置(310)的接地电位定义。

Description

用于测量二次电池的充电和放电期间的电流的电子电路
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于测量二次电池的充电和放电期间的电流的电子电路，该电流分别在充电或放电时(相反电流)在相反方向上流过二次电池。该电路具有至少一个分流器，其用于通过测量分流器上的电压降来确定电池的充电和/或放电期间的电流；可切换电负载；两个连接器，其用于将优选的可切换电源连接到电子电路以用于对二次电池进行充电；以及电压测量装置。分流器是用于测量电流的电阻器，优选地具有低电阻。流过分流器的电流会在分流器上产生与电流成比例的电压降。该电压降利用电压测量装置来测量。本发明还涉及一种用于利用上述电路测量二次电池的充电和放电电流的方法。优选地，电子电路被集成到剃刀或剃须刀、特别是电动剃刀或剃须刀、脱毛装置(诸如电脱毛器)或口腔护理装置(诸如电动牙刷)中，所有这些装置通常都具有二次电池。
背景技术
在电池供电装置中，当负载接通时，充电期间的电流方向与装置的使用期间的电流方向相反。在使用期间，通常会接通可切换电负载，如马达或类似装置。出于若干原因，充电和放电电流都要以高精度进行测量是至关重要的。首先，可能需要了解二次电池的充电和放电电流，以通过库仑计数或检测充电结束来确定其充电水平。另外，如果电负载为马达，则在一定程度上与放电电流相同的马达电流的值可能用于转速控制或过载。通常，电负载的控制和测量由装置内的微控制器来进行。
为了测量两个方向上的电流(在应用中也表示为相反电流)，已知几种可能性。第一种解决方案包括分流器和模数转换器(ADC)，差分通道通常集成在微控制器中。这种具有差分通道的ADC可以测量ADC的两个输入引脚之间的两个极性的电压。分流电阻器例如放置在二次电池的两个端子中的任一端子处，并且ADC的输入引脚各自连接到分流器的一端。在这样的电子电路中，充电电流和放电电流都必须通过分流器，导致分流器上有电压降。该电压降对于充电和放电具有相反极性，形成了必需的差分ADC，其可以拾取两种极性的电压。然而，具有差分ADC的微控制器比单端ADC更昂贵，并且使用它的电子电路占用了微控制器的两个引脚。
在US 2007/0190396 A1中描述了相应的电子电路，其具有两个分流电阻器，这两个分流器电阻器分别使用具有差分通道的ADC测量以相反方向流过二次电池的充电电流和放电电流，这些差分通道测量一个或另一个分流电阻器上的电压差，这取决于充电和放电期间相反电流的方向。
用于这种任务的另一个电子电路使用运算放大器来规避负电压的问题。但是不仅运算放大器是非常昂贵的零部件，而且它还必须在制造期间进行校准，导致成本甚至更高并且使它不适用于廉价的大规模生产。
另选的电子电路使用两个单端ADC或具有两个输入引脚的一个单端ADC，该具有两个输入引脚的一个单端ADC可等效于两个单端ADC使用。这种电路进一步包括两个分流器，一个用于充电，并且一个用于通过马达或负载放电。一个分流器(电池分流器)被放置成与电池串联，并且第一ADC连接到分流器的在充电期间具有正电压的一侧。另一个分流器(马达或负载分流器)被放置成与马达或负载串联，并且第二ADC连接到分流器的在装置的使用期间具有正电压的一端。该电子电路在它使用两个微控制器引脚方面有缺点。另外，在该装置的使用期间，当马达或类似负载正在运行时，电流必须通过两个分流器，导致由于测量电路而引起的功耗增加一倍。
因此，本发明的目的是提供一种用于在没有上述缺点的情况下在两个方向上有效地测量电流的电子电路。
发明内容
该目的通过根据权利要求1所述的电子电路和根据权利要求6所述的方法来解决。
所提出的电子电路具有当外部能量源未被连接时用于对装置供电的二次电池，其可以在装置使用之后和/或之前进行再充电。该电路进一步包括用于确定电池的充电和放电期间的电流的至少第一和第二分流器。分流器可以是电阻器，优选地具有低电阻。
流过分流器的电流会在分流器上产生与电流成比例的电压降。然后可以测量该电压降以确定通过分流器的电流。该电子电路进一步包括可切换电负载，诸如电动马达或多个类似装置以及用于激活/停用电负载的切换装置。
为了对二次电池进行充电，该电子电路具有用于将电源连接到电子电路的两个连接器。该电路还具有用于测量电压的装置。该装置可以是模数转换器(ADC)，它可以是微控制器的一部分。该微控制器也可能用于进一步控制该装置。这样的ADC通常具有非常高的输入电阻，导致极低的测量电流。任何其它类型的电压测量装置也可以符合该提议，如例如简易动圈式电流计。第一分流器串联连接在电负载与二次电池之间，使得通过第一分流器的电流等于通过电负载的电流。第二分流器串联连接在用于连接电源的这两个连接器中的一个连接器与二次电池之间，使得通过第二分流器的电流等于充电期间由电源输送的电流。第一和第二分流器都连接到电池端子的同一极。因此，分流器的这些端子也彼此连接。
电压测量装置仅具有被适配为并且用于测量二次电池的充电和放电期间的相反电流的一个电压抽头。为此目的，该一个电压抽头连接到位于第一分流器与可切换电负载之间的电导管。电压测量装置因此测量相对于参考电位的电位。该参考电位接地，如由电压测量装置的接地电位定义，例如电压测量装置的或包含ADC的微控制器的接地连接器。电压测量装置的接地连接器可以在内部连接到连接器，该连接器用于连接第二分流器也能够连接到的电源。为了闭合电子电路，这两个电池端子中的另一个(未连接到这两个分流器的一个电池端子)连接到可切换负载并且连接到用于连接电源的这两个连接器中的另一个。因此，可切换负载也串联连接在这两个电池端子之间。
因此，利用根据本发明的提议，电压测量装置连接到电子电路，使得在第一和第二分流器上测量的电压分别对于充电和放电电流两者具有相同极性，即，两个相反电流。该特征允许仅使用一个单端ADC，即，具有一个抽头的ADC，其相对于定义的参考电位(接地)测量抽头电压。
该提议特别是针对一种电动剃刀或脱毛器或电动牙刷。这些是普通用户家用电器，该普通用户家用电器具有用于电子部件的有限空间以及分别在使用和充电(相反电流)期间具有不同电流方向的二次电池。该提议允许使用仅需要一个(非差分)ADU通道的单个且低成本微控制器或类似测量装置来测量(相反方向上的)两个电流。
在该提议的优选实施方案中，第一分流器和第二分流器连接到电池的负极。这在电压测量装置的抽头处导致正电位。由此，可以使用仅能够测量正电压的电压测量装置。
在另一个优选实施方案中，连接器可连接或连接到电源的负极，该连接器用于连接与第二分流器连接的电源。此外，用于对二次电池进行充电的电源可以是可切换的，这意味着它可以被接通和关断。这可以通过集成控制单元(诸如微控制器)来进行。
在另一个优选实施方案中，电子电路可以包括被适配为在充电期间切断可切换负载的控制单元。当电源以例如固定连接集成到电路中时，控制单元也可以被适配为在负载接通时通过切断电源来切断充电。因此，在充电期间没有电流流过第一分流器，而仅通过第二分流器。在放电期间，没有电流流过第二分流器，而是通过第一分流器。
在优选实施方案中，电压测量装置是单端模数转换器(ADC)。这种ADC可以是通用微控制器的一部分，并且可以仅使用微控制器的一个引脚集成到微控制器中。ADC然后针对预定参考电压进行测量。
本发明还涉及一种用于以上述发明电子电路中的任一种测量电池的充电和放电电流的方法。
在充电期间，没有电流流过电负载，但由此流过第一分流器。因此，在第一分流器处没有电压降，导致在该第一分流器的第一端和该第一分流器的第二端处具有相同的电位。因此，电压测量装置仅测量第二分流器上的电压降。第二分流器的电压降与流过电源与电池之间的第二分流器的充电电流成比例。两个电压降都是以电子电路的同一个单一电压抽头来测量并且表现出相同的极性。
在电负载的使用期间，即，当可切换电负载接通时，电源不输送电流。电源可能没有通过连接器连接或者被禁用，使得没有电流流过第二分流器。然后电流仅流过连接电池和电可切换负载的第一分流器。因此，电压测量装置仅测量第一分流器的电压降。
根据该提议，该装置被使用或进行再充电，但不能同时使用使用或再充电。这意味着电源电流等于充电电流，而电负载电流等于放电电流。因为分流器的电阻是已知的，所以可根据欧姆定律由电压降计算电流，如本领域技术人员通常所知。
在优选实施方案中，用于充电和/或放电电流的测量值可用于通过库仑计数来确定电池状态，检测充电结束或者由于其它原因而使用。在另一个优选实施方案中，电负载可能是电动马达，并且所测量的放电电流用于控制马达的转速或用于过载检测。
附图说明
图1示出了用于利用差分ADC测量充电和放电电流的已知电子电路的示例；
图2示出了用于利用两个ADC测量充电和放电电流的已知电子电路的示例；
图3示出了用于根据该提议利用单端ADC测量充电和放电电流的电子电路的示例；
图4示出了充电期间图3的电路图；
图5示出了马达的使用期间图3的电路图；
具体实施方式
图1示出了电池供电的可再加载装置的已知电子电路101。电子电路101具有二次电池107、具有开关106的马达105形式的可切换电负载、分流电阻器112以及用于连接电源104的连接器102、103。为了测量二次电池107的充电和放电期间的电流114、115，分流电阻器112在其负极处串联连接到电池107。为了测量其二次电池107的充电和放电期间的电流114、115，电子电路101包括具有差分通道或电压抽头110、111的模数转换器(ADC)。这意味着ADC具有两个引脚110、111，并且将这两个点之间的电位差(即，电压)转换为数字值。利用这样的ADC 110、111，可测量两个极性的电压。第一ADC引脚110连接到分流器112的第一端，而第二ADC引脚111连接到分流器112的第二端。
当电源104没有被连接并且开关106处于接通状态使得马达105正在运行时，通过马达105的电流等于通过分流器112的电流，并且还等于通过电池107的放电电流115。电流的方向从电池107的正极通过电负载105、通过分流器112指向电池107的负极。因此，通过分流器112的电流从分流器112的连接到第二ADC引脚111的第二端流动到分流器112的连接到第一ADC引脚110的第一端。这导致分流器112上的电压降在第一ADC引脚110处相对于第二ADC引脚111处为负电压。
当使用开关106切断马达105并且连接电源104时，电池107由电源104以充电电流114进行充电。充电电流114与放电电流115具有相反的方向。Is因此也沿相反方向流过分流器112。这导致分流器112上的电压降在第一ADC引脚110处相对于第二ADC引脚111处为正电压。
具有差分通道110、111的ADC可以拾取负电压和正电压并且将它们转换为数字值。该数字值然后可以被例如处理器解译为计算充电电流和马达/放电电流。
图2示出了电池供电的可再加载装置的另一个已知电子电路201。为了测量其电池207的充电和使用马达205期间的电流214、215，该电子电路包括两个单端ADC 210、211和两个分流器212、213。电池分流器212连同第一ADC 210一起连接到电池207的负极。该分流器212和ADC 210用于确定充电期间的电流214。马达分流器213经由开关206连同第二ADC 211一起连接到马达205的负电压输入。该分流器213和ADC 211用于确定使用马达时的电流215。
当电源204没有被连接并且开关206接通使得马达205正在运行时，通过马达205的电流与通过分流器212、213的电流以及电池207的放电电流215相同。电流的方向从电池207的正极通过具有开关206的马达205、马达分流器213和电池分流器212到电池207的负极。因此，通过电池分流器212的电流从分流器212的连接到马达分流器213的第二端流动到分流器212的连接到第一ADC 210的第一端。这导致电池分流器212上的电压降在第一ADC 210处具有负电压。因此该电压不能用单端ADC 210来测量。通过马达分流器213的电流215从连接到具有开关206的马达205的第一端流动到连接到电池分流器212的第二端。这导致马达分流器213上的电压降在第二ADC 211处具有正电压。因此，可用第二单端ADC 211来测量放电电流215。在马达205的使用期间，放电/马达电流215必须流过两个分流器。
当使用开关206切断马达205并且连接电源204时，电池207由电源204以充电电流214进行充电。通过电池分流器212的充电电流214与放电电流具有相反的方向。这导致电池分流器212上的电压降在第一ADC 210处具有正电压。因此可以用第一ADC 210来测量充电电流214。
图3示出了符合根据本发明的提议的优选实施方案的用于电池供电的可再加载装置的电子电路301。该电路包括用于电源304的两个连接器302、303、具有开关306的马达305、二次电池307、作为(电压测量装置310的)电压抽头的单端ADC、第二或电池分流器312以及第一或马达分流器313。在下文中，(单端)ADC也用附图标记310表示，因为它是图3中所表示的测量装置的唯一部分。
电池307的正极连接到第一电源连接器302，该第一电源连接器可以连接到电源304的正极。它进一步经由开关306连接到马达305的正输入。电池307的负极经由马达分流器313连接到马达305的负输入。它进一步经由电池分流器312连接到第二电源连接器303，该第二电源连接器可以连接到电源304的负极。单端ADC 310的引脚连接到马达305的负输入与马达分流器313之间的导管。该单端ADC 310的引脚因此是用于测量二次电池307的充电和放电期间的两个相反电流的一个电压抽头。优选地，连接器303连接到接地电平GND。因此，接地电平GND是电压测量装置310的参考电位(电压抽头)。
电源304可能为可切换电源304，其意义在于它可以使用图中未示出的适合的开关元件来切断和接通。通过切断和接通电源，例如可以控制二次电池的充电。
图4示出了当开关306没有闭合并且电源304被连接时图3的电子电路301的等效电路图。因为在该状态下没有电流可以流过马达305，所以为了清楚起见，在图4的等效电路301的图中省略了这些部件。类似于微控制器的任何典型ADC，ADC 310具有若干MΩ的非常高的输入电阻，导致非常小的输入电流。因此，马达分流器313上的电压降可以忽略，并且在等效电路301的绘制中其也可以省略。
在充电期间，电源304因此以其正极连接到电池307的正极，而其负极经由电池分流器312连接到电池307的负极。ADC 310连接在电池分流器312与电池307的负极之间。电流从电源304的正极流动到电池307的正极，并且从电池307的负极经由电池分流器312流动到电源304的负极，导致电池分流器312上的电压降在ADC 310处具有正电压。
图5示出了当电源304没有被连接并且开关306闭合使得马达305正在运行时图3的电路301的等效电路图。因为没有电流流过电池分流器312和电源连接器302、303，所以在等效电路图的图中省略了这些部件。
在马达305的使用期间，电池307的正极因此经由开关306连接到马达305的正输入，而电池307的负极经由马达分流器313连接到马达305的负输入。ADC 310连接在马达分流器313与马达305之间。电流从电池307的正极通过具有开关306的马达305和马达分流器313流动到电池307的负极。这导致马达分流器313上的电压降在ADC 310处具有正电压。
因此，在充电和放电两者期间，ADC 310输入(或电压抽头)处的电压都为正，使得该电压可被单端ADC 310拾取。
本文所公开的量纲和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个这样的量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。

Claims (6)

1.一种电子电路，所述电子电路用于测量二次电池(307)的充电和放电期间的电流，所述电子电路具有
-二次电池(307)，
-至少一个分流器(312,313)，所述分流器用于通过测量所述分流器(312,313)上的电压降来确定所述二次电池(307)的充电和/或放电期间的所述电流，
-可切换电负载(305)，
-两个连接器(302和303)，所述连接器用于将优选的可切换电源(304)连接到所述电子电路(301)以对所述二次电池(307)进行充电，以及
-电压测量装置(310)，
其中
-第一分流器(313)串联连接在所述电负载(305)与所述二次电池(307)之间，并且
-第二分流器(312)串联连接在用于连接所述电源(304)的所述两个连接器中的一个连接器(303)与所述二次电池(307)之间，
其中所述第一分流器(313)和所述第二分流器(312)连接到所述二次电池(307)的所述两个电池端子中的同一个，
其特征在于，所述电压测量装置(310)仅包括一个电压抽头，所述电压抽头连接到所述第一分流器(313)与所述可切换电负载(305)之间的电导管并且测量相对于接地的电位，所述电位由所述电压测量装置的接地电位定义。
2.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，所述第一分流器(313)和所述第二分流器(312)连接到所述二次电池(307)的负极的电池端子。
3.根据权利要求2所述的电子电路，其特征在于，所述连接器(303)可连接到所述电源(304)的负极，所述连接器用于连接与所述第二分流器(312)连接的所述电源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电子电路，其特征在于，控制单元被适配为在充电期间切断所述可切换负载。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电子电路，其特征在于，所述电压测量装置(310)为单端模数转换器。
6.用于利用根据前述权利要求中任一项所述的电子电路(301)来测量二次电池(307)的充电和放电电流的方法，其特征在于，
-在充电期间，没有电流流过所述电负载(305)，使得所述电压测量装置(310)利用所述一个电压抽头来仅测量所述第二分流器(312)上的电压降，并且
-在所述电负载(305)的使用期间，没有电流被所述电源(304)输送，使得所述电压测量装置(310)利用所述一个电压抽头来仅测量所述第一分流器(313)上的电压降，
其中所述第一分流器(313)和所述第二分流器(312)上的所述电压降表现出相同极性。
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