CN110161419B - 一种三节电芯电量检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三节电芯电量检测电路，通过增加分压电阻解决了传统检测电路第一节或者第二节电芯电压为0V时，其上一节电池出现过充偏高甚至不保护的问题，同时调整补偿电流的电源路径以及在第三节电池电量检测电路增加补偿电阻，提高电量检测的精度，提高电芯使用的安全性。
Description
技术领域
本发明属于电池保护技术领域，特别涉及一种三节电芯电量检测检测电路。
背景技术
随着各种智能设备以及新能源动力车辆的发展，锂动力电池得到了非常成熟的发展与应用，锂电池通过串联构成不同电压、不同容量的电池组可以为大功耗用电设备供电。为了电池组的安全，通常会设置锂电池保护芯片过充保护和过放保护，一般通过检测电池的电压来判断电池的电量，来保证每一节电池在过充情况下关闭充电管或过放情况下关闭放电管，延长电池的使用寿命。尤其是在过充情况下检测精度要高，若检测电路转换出的电压偏低，即会导致电池实际过充电压偏高，严重会导致电池充爆的情况发生。
目前，大多数电池电量检测采用电压全采样方式，如图3所示，在正常应用下没有问题，但是在第一节电池BAT201为0V时，PM206栅极和OP201的正向输入端变为0V，由于电路结构限制，OP201的输出即PM201栅极不可能为0V，从而R207两端电压低于实际第二节电池BAT202的电压，进一步转换出的电流IC204作用在R208产生的采样电压VB202偏低，而过充比较点不变，所以第二节电池实际会比正常值偏高，甚至出现不保护的情况；同理在第二节电池BAT202为0V时，PM207栅极和OP202的正向输入端变为0V，由于电路结构限制，OP202的输出即PM202栅极不可能为0V，从而R211两端电压低于实际第三节电池BAT203的电压，进一步转换出的电流IC202作用在R212产生的采样电压VB203偏低，同时由于补偿电流IC206和IC207也是通过R203从第三节电池BAT203上产生的，所以第三节电池实际会比正常值偏高很多，很容易出现不保护的情况。
如图2所示传统的电量检测电路系统框图，第三节电池的补偿电流和采样路径没有分开导致第三节电压采样偏低，最终很容易导致过充点偏高。所以传统的电路结构决定采样精度低；同样传统的电压全采样方式，需要对器件耐压提出比较高的要求，同时需要更大的面积去实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三节电芯电量检测检测电路，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三节电芯电量检测电路，包括电量检测电路、电池BAT101、电池BAT102、电池BAT103、输入电阻RV101、输入电阻RV102、输入电阻RV103、输入电容C101、输入电容C102、输入电容C103、输出端VB101、输出端VB102和输出端VB103；电量检测电路通过三个输入电阻RV101～RV103分别连接到每一节电池电压BAT101～BAT103的两端，同时BAT103增加了一个输入电阻RV104，输入电容C101～C103分别连接到每一节电池电压BAT101～BAT103和GND两端，电量检测电路有三个输出VB101～VB103。
进一步的，电量检测电路包括PMOS管PM101～PM104、NMOS管NM101、NMOS管NM102、电阻R101～R112、运算放大器OP101～OP102、电阻RV101～RV103和电容C101～C103；
电阻RV101其中一端连接电池BAT101的正极和电池BAT102的负极，电阻RV101另一端连接电容C101、电阻R102，电容C101另一端连接和GND连接；电阻R102和电阻R101连接输出VB101，电阻R101另一端接地；
电阻RV102其中一端连接电池BAT102的正极和电池BAT103的负极，电阻RV102另一端连接电容C102、电阻R106和电阻R107，电容C102另一端连接和GND连接；电阻R106和电阻R105连接运放OP101的正向输入端，电阻R105另一端连接电阻RV101、电容C101、电阻R102；电阻R107另一端连接OP101的反向输入端和PMOS管PM101的源极，OP101的输出连接PMOS管PM101的栅极，构成负反馈环路；
PMOS管PM101的漏极连接NMOS管NM101的漏极栅极以及NMOS管NM102的栅极，NMOS管NM101的源极和电阻R108连接输出VB102，电阻R108另一端和GND连接，NMOS管NM102的源极和电阻R103连接，电阻R103另一端和GND连接；
电阻RV103其中一端连接电池BAT103的正极，电阻RV103另一端连接电容C103、电阻R110和电阻R111，电容C103另一端连接和GND连接；电阻R110和电阻R109连接运放OP102的正向输入端，电阻R109另一端连接电阻RV102、电容C102、电阻R106；电阻R111另一端连接OP102的反向输入端和PMOS管PM102的源极，OP102的输出连接PMOS管PM102的栅极，构成负反馈环路；
PMOS管PM102的漏极、电阻R102连接输出VB103，电阻R102另一端通过电阻R112连接到GND；电阻RV104其中一端连接电池BAT103的正极，电阻RV104另一端连接PMOS管PM103的源极和PM104的源极，PM103的栅极和漏极与PM104的栅极连接，构成第一组电流镜。
进一步的，当第一节电池BAT101电压为0V时，电阻R105和电阻R106分压后再接入到OP101的正向输入端。
进一步的，通过电阻R106、电阻R105、电阻R107、运放OP101以及PMOS管PM101构成第二节电池BAT102的电压采样转换。
进一步的，当R108＝R103可以保证NMOS管NM101和NMOS管NM102的栅源电压相同，通过取相同的MOS管宽长尺寸所构成的电流镜的电流一样。
进一步的，当第二节电池BAT102电压为0V时，电阻R109和电阻R110分压后在接入到OP102的正向输入端。
进一步的，通过电阻R110、电阻R109、电阻R111、运放OP102以及PMOS管PM102构成第二节电池BAT103的电压采样转换。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明针对现有电池电量检测电路的缺点，提出了电压分压采样方式，并将第三节电压的采样和补偿路径分开方式解决了现有电路面积大、精度低、特殊情况下过充点偏高的问题；每一节电池电压都通过相同比例分压点，和同样阻值的采样电阻，使得第一节和第二节电池基本不耗电，平衡电流，保证电池的电量保持一致，延长其使用寿命。
同时调整补偿电流的电源路径以及在第三节电池电量检测电路增加补偿电阻，提高电量检测的精度，确保电芯的安全。
附图说明
图1是本发明的电量检测电路系统框图；
图2是传统的电量检测电路系统框图；
图3是传统的电量检测电路；
图4是本发明的电量检测电路具体实施例。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
如图1所示，三节电芯电量检测电路系统框图，所述电量检测电路通过输入电阻RV101～RV103分别连接到每一节电池电压BAT101～BAT103的两端，同时BAT103增加了一个输入电阻RV104，输入电容C101～C103分别连接到每一节电池电压BAT101～BAT103和GND两端电量，电量检测电路有三个输出VB101～VB103。
如图4所示，本发明的电量检测电路具体实施例主要包括：PMOS管PM101～PM104、NMOS管NM101、NMOS管NM102、电阻R101～R112、运放OP101～OP102、电阻RV101～RV103、电容C101～C103。
所述电阻RV101其中一端连接电池BAT101的正极和电池BAT102的负极，电阻RV101另一端连接电容C101、电阻R102，电容C101另一端连接和GND连接；电阻R102和电阻R101连接输出VB101，电阻R101另一端接地；假设电阻RV101上的电流IV101为0，此时VB101的电压通过调节电阻R102和电阻R101的阻值可以得到第一节电池BAT101的采样比例K1，以及此时电阻R102和电阻R101的电流IC101为：
所述电阻RV102其中一端连接电池BAT102的正极和电池BAT103的负极，电阻RV102另一端连接电容C102、电阻R106和电阻R107，电容C102另一端连接和GND连接；电阻R106和电阻R105连接运放OP101的正向输入端，电阻R105另一端连接电阻RV101、电容C101、电阻R102；电阻R107另一端连接OP101的反向输入端和PMOS管PM101的源极，OP101的输出连接PMOS管PM101的栅极，构成负反馈环路。
当第一节电池BAT101电压为0V时，电阻R105和电阻R106分压后在接入到OP101的正向输入端，这样PMOS管PM101的栅极输出并不像传统电路那样输出为0V，从而解决第一节电池BAT101电压为0V，第二节电池采样电压偏低导致过充偏高甚至不保护的问题。
通过电阻R106、电阻R105、电阻R107、运放OP101以及PMOS管PM101构成第二节电池BAT102的电压采样转换，假设电阻RV102上的电流IV102为0，此时电压BAT102转换成一定比例K2的电流IC104：
进一步的，PMOS管PM101的漏极连接NMOS管NM101的漏极栅极以及NMOS管NM102的栅极，NMOS管NM101的源极和电阻R108连接输出VB102，电阻R108另一端和GND连接，NMOS管NM102的源极和电阻R103，电阻R103另一端和GND连接，当R108＝R103可以保证NMOS管NM101和NMOS管NM102的栅源电压相同，通过取相同的MOS管宽长尺寸所构成的电流镜的电流一样：
此时第二节电池的采样电压VB102为：
其中第二节电池的采样BAT102的采样比例K12为：
即可以通过设置电阻R105、电阻R106、电阻R107和电阻R108调节第二节电池的采样BAT102的采样比例K12。
所述电阻RV103其中一端连接电池BAT103的正极，电阻RV103另一端连接电容C103、电阻R110和电阻R111，电容C103另一端连接和GND连接；电阻R110和电阻R109连接运放OP102的正向输入端，电阻R109另一端连接电阻RV102、电容C102、电阻R106；电阻R111另一端连接OP102的反向输入端和PMOS管PM102的源极，OP102的输出连接PMOS管PM102的栅极，构成负反馈环路。
当第二节电池BAT102电压为0V时，电阻R109和电阻R110分压后在接入到OP102的正向输入端，这样PMOS管PM102的栅极输出并不像传统电路那样输出为0V，从而解决第二节电池BAT102电压为0V，第三节电池采样电压偏低导致过充偏高甚至不保护的问题。
通过电阻R110、电阻R109、电阻R111、运放OP102以及PMOS管PM102构成第二节电池BAT103的电压采样转换，假设电阻RV103上的电流IV103为0，此时电压BAT103转换成一定比例的电流IC105：
进一步的，PMOS管PM102的漏极、电阻R102连接输出VB103，电阻R102另一端通过电阻R112连接到GND。此时第三节电池的采样电压VB103为：
其中第三节电池的采样BAT103的采样比例K13为：
即可以通过设置电阻R109、电阻R110、电阻R111、电阻R102和电阻R112调节第三节电池的采样BAT103的采样比例K13。
所述电阻RV104其中一端连接电池BAT103的正极，阻RV104另一端连接PMOS管PM103的源极和PM104的源极，PM103的栅极和漏极与PM104的栅极连接，构成第一组电流镜，通过取相同的MOS管宽长尺寸，得到相同的电流，其电流关系为：
实际电压采样精度必须考虑每一节电池的在电阻RV101、RV102、RV103上的压降，当每节电池所消耗的电流IV101、IV102、IV103为0时，或者增加补偿，才能得到精确比例的采样电压VR101、VR102、VR103。所以本专利提出一种合理的电流补偿以及平衡
方案。
此时第一节电池BAT101所消耗的电流IV101为：
当第一节电池BAT101和第二节电池BAT102压相等时，同时电阻R101、R102、R105、
R106满足R101+R102＝R105+R106，则IV101＝0。
同理第二节电池BAT102所消耗的电流IV102为：
IV102＝IC102-IC103+IC104-IC107 (12)
由上面所述推导可知IC104＝IC107，即IV102＝IC102-I103，当第二节电池BAT102和第三节电池BAT103电压相等时，同时电阻R105、R106、R109、R110满足R105+R106＝R109+R110，则IV102＝0。
NMOS管NM101、NM102、电阻R108、R103、PMOS管PM103、PM104构成电流补偿电路，补偿第二节电池BAT102经过运放OP101后多消耗的电流IC104。最终使第二节电池所消耗的电流为0。
所以第一节电池BAT101和第二节电池BAT102所消耗的电流为0，所以可以得到精确比例的采样电压VR101、VR102。只有第三节采样会消耗电流IV103，其消耗电流为：
IV103＝IC103+IC105 (13)
由于第三节电池采样路径上的电阻RV103存在压降，所以传统电路在第三节采样电压VB103会偏低，本专利提出两种方式解决此问题：(1)尽量减少电阻RV103上的压降，由此将需要降低电阻RV103上的电流IV103，所以将补偿电流IC106和IC107通过第三节电池的另一条通路即电阻RV104上取电，大大降低电阻RV103上电流IV103；(2)同时增加补偿电阻R102用于抵消电阻RV103上的压降，消除RV103上的压降对第三节电池电压采样的影响。
以上仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。
Claims (6)
1.一种三节电芯电量检测电路，其特征在于，包括电量检测电路、电池BAT101、电池BAT102、电池BAT103、输入电阻RV101、输入电阻RV102、输入电阻RV103、输入电容C101、输入电容C102、输入电容C103、输出端VB101、输出端VB102和输出端VB103；电量检测电路通过三个输入电阻RV101～RV103分别连接到每一节电池BAT101～BAT103，同时BAT103增加了一个输入电阻RV104，输入电容C101～C103分别连接到每一节电池BAT101～BAT103和GND，电量检测电路有三个输出VB101～VB103；
电量检测电路包括PMOS管PM101～PM104、NMOS管NM101、NMOS管NM102、电阻R101～R112和运算放大器OP101～OP102；
输入电阻RV101其中一端连接电池BAT101的正极和电池BAT102的负极，输入电阻RV101另一端连接输入电容C101、电阻R102，输入电容C101另一端和GND连接；电阻R102和电阻R101连接输出VB101，电阻R101另一端接地；
输入电阻RV102其中一端连接电池BAT102的正极和电池BAT103的负极，输入电阻RV102另一端连接输入电容C102、电阻R106和电阻R107，输入电容C102另一端和GND连接；电阻R106另一端和电阻R105连接运放OP101的正向输入端，电阻R105另一端连接输入电阻RV101、输入电容C101、电阻R102；电阻R107另一端连接OP101的反向输入端和PMOS管PM101的源极，OP101的输出连接PMOS管PM101的栅极，构成负反馈环路；
PMOS管PM101的漏极连接NMOS管NM101的漏极栅极以及NMOS管NM102的栅极，NMOS管NM101的源极和电阻R108连接输出VB102，电阻R108另一端和GND连接，NMOS管NM102的源极和电阻R103连接，电阻R103另一端和GND连接；
输入电阻RV103其中一端连接电池BAT103的正极，输入电阻RV103另一端连接输入电容C103、电阻R110和电阻R111，输入电容C103另一端和GND连接；电阻R110另一端和电阻R109连接运放OP102的正向输入端，电阻R109另一端连接输入电阻RV102、输入电容C102、电阻R106；电阻R111另一端连接OP102的反向输入端和PMOS管PM102的源极，OP102的输出连接PMOS管PM102的栅极，构成负反馈环路；
PMOS管PM102的漏极、电阻R104连接输出VB103，电阻R104另一端通过电阻R112连接到GND；输入电阻RV104其中一端连接电池BAT103的正极，输入电阻RV104另一端连接PMOS管PM103的源极和PM104的源极，PM103的栅极和漏极与PM104的栅极连接，构成第一组电流镜。
2.根据权利要求1所述的一种三节电芯电量检测电路，其特征在于，当第一节电池BAT101电压为0V时，电阻R105和电阻R106分压后再接入到OP101的正向输入端。
3.根据权利要求1所述的一种三节电芯电量检测电路，其特征在于，通过电阻R106、电阻R105、电阻R107、运放OP101以及PMOS管PM101构成第二节电池BAT102的电压采样转换。
4.根据权利要求1所述的一种三节电芯电量检测电路，其特征在于，当R108＝R103可以保证NMOS管NM101和NMOS管NM102的栅源电压相同，通过取相同的MOS管宽长尺寸所构成的电流镜的电流一样。
5.根据权利要求1所述的一种三节电芯电量检测电路，其特征在于，当第二节电池BAT102电压为0V时，电阻R109和电阻R110分压后再接入到OP102的正向输入端。
6.根据权利要求1所述的一种三节电芯电量检测电路，其特征在于，通过电阻R110、电阻R109、电阻R111、运放OP102以及PMOS管PM102构成第三节电池BAT103的电压采样转换。
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Denomination of invention: A Three saving Cell Power Detection Circuit Effective date of registration: 20231222 Granted publication date: 20211015 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: HUATECH SEMICONDUCTOR, Inc. Registration number: Y2023980073740 |