CN111337837B - 一种电压采样电路及电压采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压采样电路及电压采样方法，所述电路包括：具有至少两节电池的电池包；分时采样模块，包括至少两个分时采样单元，分时采样单元与电池一一对应、并且连接于对应电池的正极端和负极端，用于选中对应电池，并对选中的电池进行电压采样，以实现对电池包中各电池电压进行分时采样；参考电压设定模块，连接于分时采样模块的正输出端，用于设定参考电压；比较模块，连接于分时采样模块的负输出端和参考电压设定模块，用于对采样电压和参考电压进行比较，并根据比较结果输出相应控制信号。通过本发明解决了现有电压采样电路结构复杂、功耗大、成本高的问题。

Description

一种电压采样电路及电压采样方法

技术领域

本发明属于电路设计领域，特别是涉及一种电压采样电路及电压采样方法。

背景技术

如今锂电池作为新一代高效清洁的储能单元已广泛应用于各行各业，包括移动电子产品、电动工具、新能源汽车、电动自行车、UPS电源等领域。但是伴随着诸多优点的锂电池依然存在一个安全隐患，那就是当发生过充电时会发生剧烈的化学反应，导致起火甚至爆炸，造成财产及人身安全。所以禁止对锂电池过充电来保障其安全性，通常的做法是检测电池电压，当电池电压超过过充阈值后，将串联在充电器和电池之间的开关断开，使得虽然插着充电器却无法对电池充电，因此避免电池发生过充电，从而保证了电池的安全使用。

对于单节锂电池电压的检测非常简单，直接用电阻分压即可。但当多节电池串联使用时，要获得每一节电池的电压则需要一定处理才能完成，目前主要有两种实现方法：

图1为现有的一种实现方法，该方法是通过与每一节电池并联的电阻串联分压与浮地的参考电压Vref进行比较，之后通过比较器CMP1输出比较结果给后级逻辑单元进行相应处理。图1所示电压采样电路虽然电路结构简单，但却需要大量的电阻和比较器，从而导致电路成本较高。

图2为现有的另一种实现方法，该方法是对每一节电池采用相同的采样电路进行电压采样；以第一节电池(Bat1)的采样电路为例：采样电路包括2个主要部分，第一部分包括运算放大器OPA1、电阻R1U、R1D和晶体管M1组成，用于将第一节电池的电压转为对地的电压；第二部分包括参考电压和比较器，用于将第一部分输出的采样电压与参考电压进行比较，并根据输出的比较结果供后级逻辑单元处理。图2所示电压采样电路不仅结构复杂，而且需要大量运算放大器、电阻和比较器，从而导致电路功耗大、成本高。

虽然现有两种电压采样电路均能实现电池电压检测，但却都有其局限性。鉴于此，有必要设计一种新的电压采样电路及电压采样方法用以解决上述技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电压采样电路及电压采样方法，用于解决现有电压采样电路结构复杂、功耗大、成本高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电压采样电路，所述电压采样电路包括：

电池包，包括至少两节电池，并且各节所述电池串行连接；

分时采样模块，包括至少两个分时采样单元，所述分时采样单元与所述电池一一对应、并且连接于对应所述电池的正极端和负极端，其中各所述分时采样单元的正输出端彼此相连，作为所述分时采样模块的正输出端，各所述分时采样单元的负输出端彼此相连，作为所述分时采样模块的负输出端；用于选中对应所述电池，并对选中的所述电池进行电压采样，以实现对所述电池包中各电池电压进行分时采样；

参考电压设定模块，连接于所述分时采样模块的正输出端，用于设定参考电压；

比较模块，连接于所述分时采样模块的负输出端和所述参考电压设定模块，用于对采样电压和参考电压进行比较，并根据比较结果输出相应控制信号。

可选地，所述分时采样单元包括：第一开关和第二开关，其中所述第一开关的一端连接于对应所述电池的正极端，所述第一开关的另一端作为所述分时采样单元的正输出端；所述第二开关的一端连接于对应所述电池的负极端，所述第二开关的另一端作为所述分时采样单元的负输出端。

可选地，所述参考电压设定模块包括：基准电压源、压控电流源及第一电阻，其中所述基准电压源的正输出端连接于所述压控电流源的正输入端，所述基准电压源的负输出端接地，所述压控电流源的负输入端连接于所述压控电流源的负输出端，同时接地，所述压控电流源的正输出端连接于所述第一电阻的一端，同时作为所述参考电压设定模块的输出端，所述第一电阻的另一端连接于所述分时采样模块的正输出端。

可选地，所述比较模块包括：第一比较器，其中所述第一比较器的第一输入端连接于所述参考电压设定模块的输出端，所述第一比较器的第二输入端连接于所述分时采样模块的负输出端，所述第一比较器的输出端作为所述比较模块的输出端。

本发明还提供了一种利用如上所述电压采样电路实现的电压采样方法，所述电压采样方法包括：

通过各所述分时采样单元对所述电池包中各电池电压进行分时采样，以获取对应电池的采样电压；

设定参考电压，对所述采样电压和所述参考电压进行比较，并根据比较结果输出相应控制信号。

可选地，获取对应电池采样电压的方法包括：

基于开关控制信号，控制一分时采样单元中的第一开关和第二开关关断，以从所述电池包中选出与所述分时采样单元对应的所述电池作为采样电池；

采样所述采样电池的正极端电压和负极端电压，以获取所述采样电池的电池电压。

可选地，通过基准电压源提供的基准电压、压控电流源的跨导或/及第一电阻对所述参考电压进行调节；其中所述参考电压Vref＝(Gm*R1)*Vs，Vs表示所述基准电压源提供的基准电压，Gm表示所述压控电流源的跨导，R1表示所述第一电阻的阻值。

可选地，在所述参考电压包括过压阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述过压阈值进行比较，并在所述采样电压大于所述过压阈值时，输出过压控制信号。

可选地，在所述参考电压包括欠压阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述欠压阈值进行比较，并在所述采样电压小于所述欠压阈值时，输出欠压控制信号。

可选地，在所述参考电压包括均衡阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述均衡阈值进行比较，并在所述采样电压大于所述均衡阈值时，输出均衡控制信号。

可选地，在所述参考电压包括断线阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述断线阈值进行比较，并在所述采样电压小于所述断线阈值时，输出断线控制信号。

如上所述，本发明所述电压采样电路及电压采样方法通过分时采样模块对所述电池包中各电池电压进行分时采样，同时通过参考电压设定模块设定参考电压，以通过比较模块对所述采样电压和所述参考电压进行比较，实现根据比较结果输出相应控制信号。

附图说明

图1显示为现有一种电压采样电路的具体电路图。

图2显示为现有另一种电压采样电路的具体电路图。

图3显示为本发明所述电压采样电路的具体电路图。

图4显示为本发明所述电压采样电路对第一节电池进行电压采样时的等效电路图。

元件标号说明

100 电池包

200 分时采样模块

201 分时采样单元

300 参考电压设定模块

400 比较模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3和图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3所示，本实施例提供一种电压采样电路，所述电压采样电路包括：

电池包100，包括至少两节电池，并且各节所述电池串行连接；

分时采样模块200，包括至少两个分时采样单元201，所述分时采样单元201与所述电池一一对应、并且连接于对应所述电池的正极端和负极端，其中各所述分时采样单元201的正输出端彼此相连，作为所述分时采样模块200的正输出端，各所述分时采样单元201的负输出端彼此相连，作为所述分时采样模块200的负输出端；用于选中对应所述电池，并对选中的所述电池进行电压采样，以实现对所述电池包中各电池电压进行分时采样；

参考电压设定模块300，连接于所述分时采样模块200的正输出端，用于设定参考电压；

比较模块400，连接于所述分时采样模块200的负输出端和所述参考电压设定模块300，用于对采样电压和参考电压进行比较，并根据比较结果输出相应控制信号。

作为示例，如图3所示，所述分时采样单元201包括：第一开关S1和第二开关S2，其中所述第一开关S1的一端连接于对应所述电池的正极端，所述第一开关S1的另一端作为所述分时采样单元201的正输出端；所述第二开关S2的一端连接于对应所述电池的负极端，所述第二开关S2的另一端作为所述分时采样单元201的负输出端。所述第一开关S1和所述第二开关S2均是通过开关控制信号控制其打开或关闭，即通过利用开关控制信号依次对各电池所对应的开关组进行关闭操作，以在任一电压采样时刻，有且仅有一个所述分时采样单元工作(即仅有一组开关处于关闭状态)，从而实现对各电池电压进行分时采样；如对第一节电池(Bat1)进行采样时，通过开关控制信号控制第一节电池(Bat1)所对应的第一开关S1和第二开关S2关闭，其它节电池所对应的开关组均打开，以实现通过第一开关S1采样第一节电池(Bat1)的正极端电压，通过第二开关S2采样第一节电池(Bat1)的负极端电压，从而实现对第一节电池(Bat1)的电压进行采样；在对第二节电池(Bat2)进行采样时，通过开关控制信号控制第二节电池(Bat2)所对应的第一开关S1和第二开关S2关闭，其它节电池所对应的开关组均打开，以实现通过第一开关S1采样第二节电池(Bat2)的正极端电压，通过第二开关S2采样第二节电池(Bat2)的负极端电压，从而对第二节电池(Bat2)的电压进行采样；依次类推，实现对电池包中各电池进行分时采样。需要注意的是，由于一节电池的采样时间约为1ms左右，故即使电池包串联的电池节数非常多，在依次对各电池进行电压采样时，各电池电压在总电压采样时间内的变化也是非常小的，几乎可以忽略；也就是说，总电压采样期间，各电池电压的变化对采样精度的影响小到可以忽略不计。

作为示例，如图3所示，所述参考电压设定模块300包括：基准电压源V1、压控电流源I1及第一电阻R1，其中所述基准电压源V1的正输出端连接于所述压控电流源I1的正输入端，所述基准电压源V1的负输出端接地，所述压控电流源I1的负输入端连接于所述压控电流源I1的负输出端，同时接地，所述压控电流源I1的正输出端连接于所述第一电阻R1的一端，同时作为所述参考电压设定模块300的输出端，所述第一电阻R1的另一端连接于所述分时采样模块200的正输出端。

本实施例所述参考电压设定模块300通过所述压控电流源I1将所述基准电压源V1提供的基准电压Vs转换为流经所述第一电阻R1的电流，从而实现将以地为参考的基准电压Vs转换为第一电阻R1两端的浮动的参考电压Vref。需要注意的是，所述参考电压Vref不随第一电阻R1的正端电压(VP节点处的电压)变化而变化，也就是说，当第一电阻R1的正端电压变化时，所述第一电阻R1的负端电压也会跟着变化，并且变化幅度、方向与其正端电压变化幅度、方向相同，使得最终形成的第一电阻R1两端的压差(即参考电压Vref)不变。

具体的，所述参考电压Vref＝(Gm*R1)*Vs，其中Vs表示所述基准电压源V1提供的基准电压，Gm表示所述压控电流源I1的跨导，R1表示所述第一电阻的阻值；通过所述基准电压源V1提供的基准电压Vs、压控电流源I1的跨导Gm或/及第一电阻R1的阻值对所述参考电压Vref进行调节，以实现根据实际需要设定所需参考电压Vref(如设定所述参考电压Vref为过压阈值、欠压阈值、均衡阈值或断线阈值等)。其中通过所述基准电压源V1提供的基准电压Vs、压控电流源I1的跨导Gm或/及第一电阻R1的阻值对所述参考电压Vref进行调节，包括多种调节方案：如通过所述基准电压源V1提供的基准电压Vs调节所述参考电压Vref，通过所述压控电流源I1的跨导Gm调节所述参考电压Vref，通过第一电阻R1的阻值调节所述参考电压Vref，通过所述基准电压源V1提供的基准电压Vs和所述压控电流源I1的跨导Gm同时调节所述参考电压Vref，通过所述基准电压源V1提供的基准电压Vs和所述第一电阻R1的阻值同时调节所述参考电压Vref，通过所述压控电流源I1的跨导Gm和所述第一电阻R1的阻值同时调节所述参考电压Vref，或通过所述基准电压源V1提供的基准电压Vs、所述压控电流源I1的跨导Gm和所述第一电阻R1的阻值同时调节所述参考电压Vref等等。

作为示例，如图3所示，所述比较模块400包括：第一比较器CMP1，其中所述第一比较器CMP1的第一输入端连接于所述参考电压设定模块300的输出端，所述第一比较器CMP1的第二输入端连接于所述分时采样模块200的负输出端，所述第一比较器CMP1的输出端作为所述比较模块400的输出端。可选地，在本实施例中，所述第一比较器CMP1的正相输入端连接于所述参考电压设定模块300的输出端，所述第一比较器CMP1的反相输入端连接于所述分时采样模块200的负输出端；当然在其它实施例中，也可以为所述第一比较器CMP1的反相输入端连接于所述参考电压设定模块300的输出端，所述第一比较器CMP1的正相输入端连接于所述分时采样模块200的负输出端。需要注意的是，在所述第一比较器CMP1的正相输入端和反相输入端反接时，其输出电平也会相反。

本实施例还提供了一种利用如上所述电压采样电路实现的电压采样方法，所述电压采样方法包括：

通过各所述分时采样单元201对所述电池包100中各电池电压进行分时采样，以获取对应电池的采样电压；

设定参考电压Vref，对所述采样电压和所述参考电压Vref进行比较，并根据比较结果输出相应控制信号。

作为示例，获取对应电池采样电压的方法包括：

基于开关控制信号，控制一分时采样单元201中的第一开关S1和第二开关S2关断，以从所述电池包100中选出与所述分时采样单元201对应的所述电池作为采样电池；

采样所述采样电池的正极端电压和负极端电压，以获取所述采样电池的电池电压。

作为示例，通过基准电压源V1提供的基准电压Vs、压控电流源I1的跨导Gm或/及第一电阻R1对所述参考电压Vref进行调节；其中所述参考电压Vref＝(Gm*R1)*Vs，Vs表示所述基准电压源V1提供的基准电压，Gm表示所述压控电流源I1的跨导，R1表示所述第一电阻的阻值。

作为示例，在所述参考电压包括过压阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述过压阈值进行比较，并在所述采样电压大于所述过压阈值时，输出过压控制信号。

作为示例，在所述参考电压包括欠压阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述欠压阈值进行比较，并在所述采样电压小于所述欠压阈值时，输出欠压控制信号。

作为示例，在所述参考电压包括均衡阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述均衡阈值进行比较，并在所述采样电压大于所述均衡阈值时，输出均衡控制信号。

作为示例，在所述参考电压包括断线阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述断线阈值进行比较，并在所述采样电压小于所述断线阈值时，输出断线控制信号。

需要注意的是，本实施例所述电路并不仅限于过压保护、欠压保护、均衡阈值检测、断线阈值检测，在其他涉及电池电压采样的应用中同样适用。

下面请参阅图4，结合本实施例所述电压采样电路对其实现的电压采样方法进行详细说明。

如图4所示，以对第一节电池(Bat1)进行电压采样为例，此时第一节电池(Bat1)所对应的第一开关S1和第二开关S2关闭，其余开关组均打开，即节点VP处的电位等于第一节电池(Bat1)的正极端电位，节点VN处的电位等于第一节电池(Bat1)的负极端电位，此时整个电压采样电路等效于图4，其中电压源Vref(也即参考电压)等效于第一电阻R1两端的电压。

若对所述第一节电池(Bat1)进行过压检测，通过调节基准电压源V1的基准电压Vs、压控电流源I1的跨导Gm或/及第一电阻R1，使得参考电压Vref等于过压阈值；此时根据比较器特性可得到如下等式：VP-Vref＝VN，对其变形可得到VP-VN＝Vref，其中VP-VN为第一节电池(Bat1)的电池电压，Vref为过压阈值，故在第一节电池(Bat1)的电池电压大于过压阈值Vref时，所述第一比较器翻转为高电平，即所述第一比较器输出过压控制信号。

若对所述第一节电池(Bat1)进行欠压检测，通过调节基准电压源V1的基准电压Vs、压控电流源I1的跨导Gm或/及第一电阻R1，使得参考电压Vref等于欠压阈值；此时根据比较器特性可得到如下等式：VP-Vref＝VN，对其变形可得到VP-VN＝Vref，其中VP-VN为第一节电池(Bat1)的电池电压，Vref为欠压阈值，故在第一节电池(Bat1)的电池电压小于欠压阈值Vref时，所述第一比较器翻转为低电平，即所述第一比较器输出欠压控制信号。

若对所述第一节电池(Bat1)进行均衡阈值检测，通过调节基准电压源V1的基准电压Vs、压控电流源I1的跨导Gm或/及第一电阻R1，使得参考电压Vref等于均衡阈值；此时根据比较器特性可得到如下等式：VP-Vref＝VN，对其变形可得到VP-VN＝Vref，其中VP-VN为第一节电池(Bat1)的电池电压，Vref为均衡阈值，故在第一节电池(Bat1)的电池电压大于均衡阈值Vref时，所述第一比较器翻转为高电平，即所述第一比较器输出均衡控制信号。

若对所述第一节电池(Bat1)进行断线阈值检测，通过调节基准电压源V1的基准电压Vs、压控电流源I1的跨导Gm或/及第一电阻R1，使得参考电压Vref等于断线阈值；此时根据比较器特性可得到如下等式：VP-Vref＝VN，对其变形可得到VP-VN＝Vref，其中VP-VN为第一节电池(Bat1)的电池电压，Vref为断线阈值，故在第一节电池(Bat1)的电池电压小于断线阈值Vref时，所述第一比较器翻转为低电平，即所述第一比较器输出断线控制信号。

综上所述，本发明所述电压采样电路及电压采样方法通过分时采样模块对所述电池包中各电池电压进行分时采样，同时通过参考电压设定模块设定参考电压，以通过比较模块对所述采样电压和所述参考电压进行比较，实现根据比较结果输出相应控制信号。

可见，本发明所述电压采样电路仅包括开关网络、一基准电压源、一电流源、一电阻及一比较器，大大简化了电压采样电路的电路结构；本发明还通过分时采样模块对所述电池包中各电池电压进行分时采样，即在电压采样期间，只有一个分时采样单元处于工作状态，其它各分时采样单元均处于未工作状态，实现仅通过一套分时采样模块利用开关切换即可对多节电池进行电压采样，大大节省了硬件资源，而且还使得本发明所述电压采样电路的功耗远远低于常规电压采样电路(约低于常规电压采样电路两个量级以上)，对于功耗非常敏感的应用领域具有不可替代的优势；本发明更通过参考电压设定模块设定可调节的参考电压，使得本发明所述参考电压不仅对不同电池的不同电位均可使用，而且还可根据实际需要进行调节，以满足同一节电池的不同阈值判断，从而大大拓宽了本发明所述电压采样电路的应用性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电压采样电路，其特征在于，所述电压采样电路包括：

电池包，包括至少两节电池，并且各节所述电池串行连接；

分时采样模块，包括至少两个分时采样单元，所述分时采样单元与所述电池一一对应、并且连接于对应所述电池的正极端和负极端，其中各所述分时采样单元的正输出端彼此相连，作为所述分时采样模块的正输出端，各所述分时采样单元的负输出端彼此相连，作为所述分时采样模块的负输出端；用于选中对应所述电池，并对选中的所述电池进行电压采样，以实现对所述电池包中各电池电压进行分时采样；

参考电压设定模块，连接于所述分时采样模块的正输出端，用于设定参考电压；

比较模块，连接于所述分时采样模块的负输出端和所述参考电压设定模块，用于对采样电压和参考电压进行比较，并根据比较结果输出相应控制信号；

其中，所述参考电压设定模块包括：基准电压源、压控电流源及第一电阻，其中所述基准电压源的正输出端连接于所述压控电流源的正输入端，所述基准电压源的负输出端接地，所述压控电流源的负输入端连接于所述压控电流源的负输出端，同时接地，所述压控电流源的正输出端连接于所述第一电阻的一端，同时作为所述参考电压设定模块的输出端，所述第一电阻的另一端连接于所述分时采样模块的正输出端。

2.根据权利要求1所述的电压采样电路，其特征在于，所述分时采样单元包括：第一开关和第二开关，其中所述第一开关的一端连接于对应所述电池的正极端，所述第一开关的另一端作为所述分时采样单元的正输出端；所述第二开关的一端连接于对应所述电池的负极端，所述第二开关的另一端作为所述分时采样单元的负输出端。

3.根据权利要求1所述的电压采样电路，其特征在于，所述比较模块包括：第一比较器，其中所述第一比较器的第一输入端连接于所述参考电压设定模块的输出端，所述第一比较器的第二输入端连接于所述分时采样模块的负输出端，所述第一比较器的输出端作为所述比较模块的输出端。

4.一种利用如权利要求1至3任一项所述电压采样电路实现的电压采样方法，其特征在于，所述电压采样方法包括：

通过各所述分时采样单元对所述电池包中各电池电压进行分时采样，以获取对应电池的采样电压；

设定参考电压，对所述采样电压和所述参考电压进行比较，并根据比较结果输出相应控制信号。

5.根据权利要求4所述的电压采样方法，其特征在于，获取对应电池采样电压的方法包括：

基于开关控制信号，控制一分时采样单元中的第一开关和第二开关关断，以从所述电池包中选出与所述分时采样单元对应的所述电池作为采样电池；

采样所述采样电池的正极端电压和负极端电压，以获取所述采样电池的电池电压。

6.根据权利要求4所述的电压采样方法，其特征在于，通过基准电压源提供的基准电压、压控电流源的跨导或/及第一电阻对所述参考电压进行调节；其中所述参考电压Vref＝(Gm*R1)*Vs，Vs表示所述基准电压源提供的基准电压，Gm表示所述压控电流源的跨导，R1表示所述第一电阻的阻值。

7.根据权利要求6所述的电压采样方法，其特征在于，在所述参考电压包括过压阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述过压阈值进行比较，并在所述采样电压大于所述过压阈值时，输出过压控制信号。

8.根据权利要求6所述的电压采样方法，其特征在于，在所述参考电压包括欠压阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述欠压阈值进行比较，并在所述采样电压小于所述欠压阈值时，输出欠压控制信号。

9.根据权利要求6所述的电压采样方法，其特征在于，在所述参考电压包括均衡阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述均衡阈值进行比较，并在所述采样电压大于所述均衡阈值时，输出均衡控制信号。

10.根据权利要求6所述的电压采样方法，其特征在于，在所述参考电压包括断线阈值时，根据比较结果输出相应控制信号的方法包括：对所述采样电压和所述断线阈值进行比较，并在所述采样电压小于所述断线阈值时，输出断线控制信号。

Images