CN111551864B - 应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路及其方法，包括电路采样模块、信号输入模块和电路控制与放大模块，检测方法包括以下步骤：S1、检测电路中的场效应管Q1设置为高阻态，初始化检测电路；S2、所述第一控制信号输出高电平，场效应管Q1导通，所述检测信号的电压为V1；所述第一控制信号输出低电平，场效应管Q1断开，所述检测信号的电压为V2；S3、令m＝V2‑V1，判断m是否大于0以获取电池的充放电状态：若m大于0，则电池处于放电状态，放电电流I_放电＝R2*(V2‑V1)/(R4+R6)；若m小于0，则电池处于充电状态，充电电流I_充电＝R2*(V1‑V2)/(R4+R6)。其可实现双向电流检测，电流检测精度高。

Description

应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路及其方法

技术领域

本发明涉及检测电路技术领域，具体涉及一种应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路及其方法。

背景技术

电流检测电路，通常采用运算放大器来对检测对象值进行一定倍数的放大，在放大的过程中，如果采样的误差无法有效滤除，将导致检测电路的采样精度低，达不到预期效果。另外采样电路存在PCB板载阻抗，在不同的PCBlayout结构中，误差也不尽相同。同时运算放大器存在零点漂移的特性。在现有技术应用中，没有一个有效的措施能解决这个问题。所以，如何提高电流检测精度，尤其是电池充放电方面，显得尤为重要。

其次，电池充放电电流检测电路中，一般采用两种电路组合检测，充电电流检测电路和放电电流检测电路，电路设计比较复杂。同时电池充放电电流检测电路(简称双向检测电路)中还存在电路校准的问题，电池充放电电流对电路校准影响较大。电池充放电电流处于动态平衡，很难找到一个基准电流值来对电池充放电进行判断。

专利CN2018107420261,通过设置采样选择模块以及引入电流源的恒定电流，并在系统内部来抵消电流检测的误差。引入恒流源以及该采样选择模块设计复杂，电流源的恒流设计很难达到。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于电池充放电的高精度双向电流检测电路及其方法，其可实现双向电流检测，电流检测精度高。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，包括：

电路采样模块，其采集电池负极电压，所述电路采样模块包括第一电阻R1、第四电阻R4和第五电阻R5，所述第一电阻R1的第一端与电池的负极和第五电阻R5的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端和第四电阻R4的第一端皆接地；

信号输入模块，其能够产生第一控制信号，所述第一控制信号输出高电平或低电平；

电路控制与放大模块，所述电路控制与放大模块包括场效应管Q1、运算放大器U1A、恒压源U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第六电阻R6和第七电阻R7，所述场效应管Q1的栅极与第一控制信号连接，所述场效应管Q1的漏极与第五电阻R5的第二端连接，所述场效应管Q1的源极与第四电阻R4的第二端连接，

所述第六电阻R6的第一端与场效应管Q1的源极连接，所述第六电阻R6的第二端与运算放大器U1A的正向输入端连接，所述第七电阻R7的第一端与场效应管Q1的漏极连接，所述第七电阻R7的第二端与运算放大器U1A的负向输入端连接；

所述第二电阻R2的第一端与恒压源U2连接，所述第二电阻R2的第二端与运算放大器U1A的正向输入端连接，所述第三电阻R3的第一端与运算放大器U1A的负向输入端连接，所述第三电阻R3的第二端与所述运算放大器U1A的输出端连接，所述运算放大器U1A的输出端输出检测信号；

其中，所述第二电阻R2的阻值等于第三电阻R3的阻值，所述第四电阻R4的阻值等于第五电阻R5的阻值，所述第六电阻R6的阻值等于第七电阻R7的阻值。

作为优选的，所述第一控制信号与所述场效应管Q1的栅极之间还连接有第八电阻R8。

作为优选的，还包括第九电阻R9，所述第九电阻R9的第一端与所述第一控制信号连接，所述R9的第二端接地。

作为优选的，还包括第一电容C1，所述第一电容C1的第一端与场效应管Q1的栅极连接，所述第一电容C1的第二端接地。

作为优选的，还包括第二电容C2，所述第二电容C2与第三电阻R3并联。

作为优选的，还包括第十二电阻R12，所述运算放大器U1A的输出端与第十二电阻R12的第一端连接，所述第十二电阻R12的第二端输出检测信号。

作为优选的，还包括第三电容C3，所述第三电容C3的第一端与所述第十二电阻R12的第二端连接，所述第三电容C3的第二端接地。

作为优选的，还包括第十一电阻R11，所述第十一电阻R11与所述第一电阻R1并联。

作为优选的，所述场效应管Q1为N沟道增强型场效应管。

本发明公开了一种高精度双向电流检测方法，基于上述的高精度双向电流检测电路，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将检测电路中的场效应管Q1设置为高阻态，初始化检测电路；

S2、所述第一控制信号输出高电平，场效应管Q1导通，所述检测信号的电压为V1；所述第一控制信号输出低电平，场效应管Q1断开，所述检测信号的电压为V2；

S3、令m＝V2-V1，判断m是否大于0以获取电池的充放电状态：

若m大于0，则电池处于放电状态，放电电流I_放电＝R2*(V2-V1)/(R4+R6)；

若m小于0，则电池处于充电状态，充电电流I_充电＝R2*(V1-V2)/(R4+R6)。

本发明的有益效果：

1、本发明中检测电路控制与放大模块，采用一个场效应管和一个恒压源，通过采集检测电路的自身误差，电流检测精度高。

2、本发明通过控制场效应管的通断，可在任意时刻校准自身电流检测误差，提高系统的场景适应性。

3、本发明中检测电路通过紧凑的电路设计，有且仅有一个场效应管，即可实现双向电流检测，尤其适用用在电池充放电等动态双向电流的场合中。

4、本发明中电路的设计简单可靠，精度高，且成本低廉。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为场效应管Q1导通状态下的等效电路图；

图3为场效应管Q1断开状态下的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明公开了一种应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，包括电路采样模块、信号输入模块和电路控制与放大模块。

电路采样模块采集电池负极电压VBAT-，电路采样模块包括第一电阻R1、第四电阻R4和第五电阻R5，第一电阻R1的第一端与电池的负极和第五电阻R5的第一端连接，第一电阻R1的第二端和第四电阻R4的第一端皆接地。第一电阻R1为检流电阻。

信号输入模块，其能够产生第一控制信号，第一控制信号输出高电平或低电平。如图1所示，第一控制信号为MCU_I_CTRL。

电路控制与放大模块，电路控制与放大模块包括场效应管Q1、运算放大器U1A、恒压源U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第六电阻R6和第七电阻R7。

场效应管Q1的栅极与第一控制信号连接，场效应管Q1的漏极与第五电阻R5的第二端连接，场效应管Q1的源极与第四电阻R4的第二端连接；

第六电阻R6的第一端与场效应管Q1的源极连接，第六电阻R6的第二端与运算放大器U1A的正向输入端连接，第七电阻R7的第一端与场效应管Q1的漏极连接，第七电阻R7的第二端与运算放大器U1A的负向输入端连接；

第二电阻R2的第一端与恒压源U2连接，第二电阻R2的第二端与运算放大器U1A的正向输入端连接，第三电阻R3的第一端与运算放大器U1A的负向输入端连接，第三电阻R3的第二端与运算放大器U1A的输出端连接，运算放大器U1A的输出端输出检测信号MCU_CURRENT_DETECT。

其中，第二电阻R2的阻值等于第三电阻R3的阻值，第四电阻R4的阻值等于第五电阻R5的阻值，第六电阻R6的阻值等于第七电阻R7的阻值。满足该阻值关系，并且电路布线采用差分布线方式，可以提高检测精度。

第一控制信号与场效应管Q1的栅极之间还连接有第八电阻R8。

本发明还包括第九电阻R9，第九电阻R9的第一端与第一控制信号连接，R9的第二端接地。本发明还包括第一电容C1，第一电容C1的第一端与场效应管Q1的栅极连接，第一电容C1的第二端接地。第一电容C1和第九电阻R9使得场效应管Q1的栅极输入更为稳定。

本发明还包括第二电容C2，第二电容C2与第三电阻R3并联。

本发明还包括第十二电阻R12，运算放大器U1A的输出端与第十二电阻R12的第一端连接，第十二电阻R12的第二端输出检测信号。本发明还包括第三电容C3，第三电容C3的第一端与第十二电阻R12的第二端连接，第三电容C3的第二端接地。如此，检测信号的输出更为稳定。

本发明还包括第十一电阻R11，第十一电阻R11与第一电阻R1并联。R11的电阻等于R1的电阻大小。

本发明中，场效应管Q1为N沟道增强型场效应管。而场效应管Q1的源极与衬底连接。

本发明还公开了一种高精度双向电流检测方法，基于上述的高精度双向电流检测电路，包括以下步骤：

S1、将检测电路中的场效应管Q1设置为高阻态，初始化检测电路；

S2、第一控制信号输出高电平，场效应管Q1导通，检测信号的电压为V1，VBAT-端和第一电阻R1被短接，参见图2，为场效应管Q1导通状态下的等效电路图，根据放大器的原理可计算出检测信号V1等于恒压源U2。

之后，第一控制信号输出低电平，场效应管Q1断开，检测信号的电压为V2，参见图3，为场效应管Q1断开状态下的等效电路图。

S3、令m＝V2-V1，判断m是否大于0以获取电池的充放电状态：

若m大于0，则电池处于放电状态，放电电流I_放电＝R2*(V2-V1)/(R4+R6)；

若m小于0，则电池处于充电状态，充电电流I_充电＝R2*(V1-V2)/(R4+R6)。

由于Q1导通时，其得出的电压值V1为该检测电路本身的误差值，在正常的电流检测中，得出的电流检测结果是在V2的基础上，减去V1(电路本身的误差)，所以，可以消除电路板载误差、放大器的误差等，提高电流检测的精度。

本发明的有益效果如下：

1、检测电路中的放大模块，采用一个单NMOS管和一个恒压源，采集检测电路的自身误差，电流检测精度高。

2、通过控制单NMOS管的通断，可在任意时刻校准自身电流检测误差，提高系统的场景适应性。

3、检测电路通过紧凑的电路设计，有且仅有一个NMOS管可实现双向电流检测，尤其适用用在电池充放电等动态双向电流的场合中。

4、本发明中电路的设计简单可靠，精度高，且成本低廉。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，包括：

电路采样模块，其采集电池负极电压，所述电路采样模块包括第一电阻R1、第四电阻R4和第五电阻R5，所述第一电阻R1的第一端与电池的负极和第五电阻R5的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端和第四电阻R4的第一端皆接地；

信号输入模块，其能够产生第一控制信号，所述第一控制信号输出高电平或低电平；

电路控制与放大模块，所述电路控制与放大模块包括场效应管Q1、运算放大器U1A、恒压源U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第六电阻R6和第七电阻R7，所述场效应管Q1的栅极与第一控制信号连接，所述场效应管Q1的漏极与第五电阻R5的第二端连接，所述场效应管Q1的源极与第四电阻R4的第二端连接，

所述第六电阻R6的第一端与场效应管Q1的源极连接，所述第六电阻R6的第二端与运算放大器U1A的正向输入端连接，所述第七电阻R7的第一端与场效应管Q1的漏极连接，所述第七电阻R7的第二端与运算放大器U1A的负向输入端连接，所述第二电阻R2的第一端与恒压源U2连接，所述第二电阻R2的第二端与运算放大器U1A的正向输入端连接，所述第三电阻R3的第一端与运算放大器U1A的负向输入端连接，所述第三电阻R3的第二端与所述运算放大器U1A的输出端连接，所述运算放大器U1A的输出端输出检测信号；

其中，所述第二电阻R2的阻值等于第三电阻R3的阻值，所述第四电阻R4的阻值等于第五电阻R5的阻值，所述第六电阻R6的阻值等于第七电阻R7的阻值。

2.如权利要求1所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，所述第一控制信号与所述场效应管Q1的栅极之间还连接有第八电阻R8。

3.如权利要求2所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，还包括第九电阻R9，所述第九电阻R9的第一端与所述第一控制信号连接，所述R9的第二端接地。

4.如权利要求2所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，还包括第一电容C1，所述第一电容C1的第一端与场效应管Q1的栅极连接，所述第一电容C1的第二端接地。

5.如权利要求1所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，还包括第二电容C2，所述第二电容C2与第三电阻R3并联。

6.如权利要求1所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，还包括第十二电阻R12，所述运算放大器U1A的输出端与第十二电阻R12的第一端连接，所述第十二电阻R12的第二端输出检测信号。

7.如权利要求6所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，还包括第三电容C3，所述第三电容C3的第一端与所述第十二电阻R12的第二端连接，所述第三电容C3的第二端接地。

8.如权利要求1所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，还包括第十一电阻R11，所述第十一电阻R11与所述第一电阻R1并联。

9.如权利要求1所述的应用于电池充放电的高精度双向电流检测电路，其特征在于，所述场效应管Q1为N沟道增强型场效应管。

10.一种高精度双向电流检测方法，基于权利要求1-9任一项所述的高精度双向电流检测电路，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将检测电路中的场效应管Q1设置为高阻态，初始化检测电路；

S2、所述第一控制信号输出高电平，场效应管Q1导通，所述检测信号的电压为V1；所述第一控制信号输出低电平，场效应管Q1断开，所述检测信号的电压为V2；

S3、令m＝V2-V1，判断m是否大于0以获取电池的充放电状态：

若m大于0，则电池处于放电状态，放电电流I_放电＝R2*(V2-V1)/(R4+R6)；

若m小于0，则电池处于充电状态，充电电流I_充电＝R2*(V1-V2)/(R4+R6)。

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