CN203658441U - 一种航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型的航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，用于测量航天器用高压锂离子电池组单体电压，属于航天器电源控制技术领域。该采集电路包括选通开关电路、分压电路和差分放大电路。选通开关电路由一个P-MOS管和两个NPN三极管构成，可以通过控制信号开通或关断采集电路，分压电路与选通电路相连，实现对电池单体正负端高压的分压，差分放大电路用于对分压后的电压差分放大采样。本实用新型的技术方案克服了以往高压锂离子电池单体测量电路精度低、易产生电池组单体容量偏差等缺点，尤其适用于高压长寿命锂离子电池组单体电压的测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及电学领域,特别涉及航天飞行器电源系统锂离子电池单体电压测量电路。
背景技术
锂离子电池是20世纪90年代初期发展起来的先进蓄电池，具有高比能量、高电压、良好的低温性能、低的自放电率、无记忆效应、循环性能良好等一系列优点。锂离子电池在航天飞行器电源系统上的应用首先需要解决的就是对锂离子电池进行合理有效的充电控制。而锂离子电池一般以单体电压作为充电控制的判据，因此对锂离子电池单体电压测量电路提出了很高的要求。
传统的锂离子电池单体电压测量电路采用直接电阻分压后测量的设计方式，先将电池单体电压进行电阻分压，分压比例系数n1的确定原则是分压后的电压值V=Vbat/n1能满足后级运算放大器的输入电压范围要求；分压后的电压值V=Vbat/n1送入运算放大器进行差分放大后输出，放大倍数n2的确定原则是与分压比例系数相同,即n2=n1，最终运算放大器输出的电压即为电池单体电压。
传统的锂离子电池单体电压测量电路中，电池单体分压电阻连接在电池单体上，电池单体等效为一个固定的负载，因此电池单体上始终会有电流经分压电阻流出，造成电池容量的衰减。同时由于在电池组每一个电池单体上都有分压电阻，并且因电池组内各电池单体电压不同，为了使分压后的电压值V=Vbat/n1能满足后级运算放大器的输入电压范围要求，分压电阻阻值选取也会不同，所以电池单体上经分压电阻流出的电流也不同，造成每个电池单体容量衰减也不同，最终导致电池组内各单体容量产生差异，对电池组性能产生不良的影响。随着空间飞行器运行寿命和可靠性要求的不断提高，亟需寻找合适的方法解决锂离子电池单体电压测量电路对电池单体容量的影响。
实用新型内容
本实用新型解决的问题是传统的锂离子电池单体电压测量电路会对电池单体容量产生影响;解决所述问题，本实用新型提供了一种新型的锂离子单体电压采集电路。
本发明所提供的航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，包括:选通开关电路，所述选通开关电路通过控制信号开通或关断测量电路，包括电池单体正端选通开关电路、电池单体负端选通开关电路；分压电路，所述分压电路对电池单体正、负端高压进行分压，包括电池单体正端分压电路、电池单体负端分压电路；差分放大采样电路，所述差分放大采样电路与分压电路相连。
进一步，所述电池单体正端选通开关电路包括: P沟道结型场效应管Q11、NPN三极管V11、NPN三极管V12、MOSFET匹配电阻、第一基极控制电源；P沟道结型场效应管Q11源极与被测电池单体正端Vi+相连，Q11漏极通过电池单体正端分压电路与电池组负端相连，栅极通过MOSFET匹配电阻R13～R15与NPN三极管V11集电极相连，NPN三极管V11发射极与NPN三极管V12集电极相连，NPN三极管V12发射极与控制信号相连；NPN三极管V11、V12基极与第一基极控制电源直接相连。
进一步，电池单体负端选通开关电路包括：P沟道结型场效应管Q21、MOSFET匹配电阻、NPN三极管V21、第二基极控制电源；所述P沟道结型场效应管Q21源极与被测电池单体负端Vi-相连，Q21漏极通过电池单体负端分压电路与电池组负端相连，栅极通过MOSFET匹配电阻R23～R25与NPN三极管V21集电极相连，NPN三极管V21发射极与NPN三极管V22集电极相连，NPN三极管V22发射极与控制信号相连；NPN三极管V21、V22基极与第二基极控制电源直接相连。
进一步，所述分压电路中单体正端和负端与电池组负端之间设有分压调试电阻。
进一步，所述差分放大采样电路采用AD620实现。
进一步，所述差分放大采样电路AD620引脚1和引脚8端设有增益调试电阻。
本实用新型的技术方案可以避免锂离子电池单体电压测量电路对电池单体容量损失的影响。
与传统的锂离子电池单体电压测量电路相比，本实用新型的技术方案通过在测量电路中引入开关控制技术，除需测量时开关短时间开通外，在非测量时开关关闭，使电池单体正负端的分压电阻上无电流流出，可避免测量电路中分压电阻对电池单体容量的影响。
附图说明
图1为本实用新型提供的锂离子电池单体电压测量电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。
如图1所示Vi+、Vi-分别表示电池单体正端和负端；Q11、Q21表示P沟道结型场效应管；V11、V12、V21、V22表示NPN三极管；R13～R15、R23～R25表示MOSFET匹配电阻；R11～R12、R21～R22表示三极管基极限流电阻；*R16～*R17、*R26～*R27表示分压电路中调试电阻，R18、R28表示分压电路中的固定电阻；N1表示差分运算放大器AD620，RG表示差分运算放大器AD620的增益调节电阻；VCC表示第一三极管基极电源，VCC‘表示第一三极管基极电源的取值可以为+5V；Vcontrol表示测量开关选通控制信号，可为0V或+5V；VCC1+表示差分运算放大器供电正电源，VCC1-表示差分运算放大器供电负电源。Vo表示锂离子电池单体电压采集电路输出。
电池单体正端选通开关电路中P沟道结型场效应管Q11源极与被测电池单体正端Vi+相连，Q11漏极通过电池单体正端分压电路与电池组负端相连，栅极通过MOSFET匹配电阻R13～R15与NPN三极管V11集电极相连，NPN三极管V11发射极与NPN三极管V12集电极相连，NPN三极管V12发射极与控制信号相连。NPN三极管V11、V12基极与第一控制电源直接相连。
电池单体负端选通开关电路中P沟道结型场效应管Q21源极与被测电池单体负端Vi-相连，Q21漏极通过电池单体正端分压电路与电池组负端相连，栅极通过MOSFET匹配电阻R23～R25与NPN三极管V21集电极相连，NPN三极管V21发射极与NPN三极管V22集电极相连，NPN三极管V22发射极与控制信号相连。NPN三极管V21、V22基极与第二基极控制电源直接相连。电池单体正端选通开关电路和电池单体负端选通开关电路可使用同一个控制信号。
电池单体正端分压电路调试电阻*R16一端与场效应管Q11漏极相连，*R16另一端与调试电阻*R17一端相连，调试电阻*R17另一端同时与固定电阻R18一端和差分运算放大器N1输入正端相连，固定电阻R18另一端与电池组地相连。
电池单体负端分压电路调试电阻*R26一端与场效应管Q21漏极相连，*R26另一端与调试电阻*R27一端相连，调试电阻*R27另一端同时与固定电阻R28一端和差分运算放大器N1输入负端相连，固定电阻R28另一端与电池组地相连。
差分运算放大器N1输入正端与电池单体正端分压电路相连，差分运算放大器输入负端与电池单体负端分压电路相连。增益调试电阻RG两端分别与差分运算放大器引脚1和引脚8相连。差分运算放大器输出端Vo为电池单体电压值。
当测量开关选通控制信号Vcontrol为+5V时，电池单体正端选通开关电路中NPN三极管V11、V12处于截止状态，MOSFET匹配电阻R13～R15上各点无电压差，P沟道结型场效应管Q11不开通，电池单体正端电压Vi+不能加载到后极的分压电路上。
同理当测量开关选通控制信号Vcontrol为+5V时，电池单体负端选通开关电路中NPN三极管V21、V22处于截止状态，MOSFET匹配电阻R23～R25上各点无电压差，P沟道结型场效应管Q21不开通，电池单体正端电压Vi-也不能加载到后极的分压电路上。
当测量开关选通控制信号Vcontrol由+5V变为0V时，电池单体正端选通开关电路中NPN三极管V11、V12饱和导通，MOSFET匹配电阻R13～R15上形成电压差，使P沟道结型场效应管Q11栅极和源极上形成可满足Q11开通的电压条件，电池单体正端电压Vi+加载到正端分压电路上，经1/n比例分压后产生电池单体正端测量电压Vn+送到差分运算放大器N1输入正端。
同时由于测量开关选通控制信号Vcontrol由+5V变为0V，电池单体负端选通开关电路中NPN三极管V21、V22也饱和导通，MOSFET匹配电阻R23～R25上形成电压差，使P沟道结型场效应管Q21栅极和源极上形成可满足Q21开通的电压条件，电池单体负端电压Vi-加载到负端分压电路上，经1/n比例分压后产生电池单体负端测量电压Vn-送到差分运算放大器N1输入负端。
差分运算放大器N1将电池单体正端测量电压Vn+、电池单体正端测量电压Vn-进行差分并经相应放大n 倍后，输出测量得到的电压即为电池单体电压Vo。
从以上描述可以得知，本实用新型的技术方案提供的锂离子电池单体电压测量电路，具有以下几方面的优点：
1）采用具有选通开关的锂离子电池单体电压测量电路，除需测量时开关短时间开通外，在非测量时开关关闭，使电池单体正负端的分压电阻上无电流流出，可避免测量电路中分压电阻对电池单体容量的影响。
2）选通开关中使用P沟道结型场效应管，对后级电阻分压测量精度影响极小可忽略；对差分运算放大器、分压电阻和增益电阻进行合理选型，并通过调试可保证该电路具有很高的测量精度。
3）测量电路中的选通开关可以使用数字逻辑电路信号进行控制，因此本测量电路尤其适用于智能化电源控制设备中。
本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本专利，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，其特征在于：包括:选通开关电路，所述选通开关电路通过控制信号开通或关断测量电路，包括电池单体正端选通开关电路、电池单体负端选通开关电路；分压电路，所述分压电路对电池单体正负端高压进行分压，包括电池单体正端分压电路、电池单体负端分压电路；差分放大采样电路，所述差分放大采样电路与分压电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，其特征在于，所述电池单体正端选通开关电路包括：P沟道结型场效应管Q11、NPN三极管V11、NPN三极管V12、MOSFET匹配电阻、第一基极控制电源；P沟道结型场效应管Q11源极与被测电池单体正端Vi+相连，Q11漏极通过电池单体正端分压电路与电池组负端相连，栅极通过MOSFET匹配电阻R13～R15与NPN三极管V11集电极相连，NPN三极管V11发射极与NPN三极管V12集电极相连，NPN三极管V12发射极与控制信号相连；NPN三极管V11、V12基极与第一基极控制电源直接相连。
3. 根据权利要求1所述的一种航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，其特征在于，电池单体负端选通开关电路包括：P沟道结型场效应管Q21、MOSFET匹配电阻、NPN三极管V21、NPN三极管V22、第二基极控制电源；所述P沟道结型场效应管Q21源极与被测电池单体负端Vi-相连，Q21漏极通过电池单体负端分压电路与电池组负端相连，栅极通过MOSFET匹配电阻R23～R25与NPN三极管V21集电极相连，NPN三极管V21发射极与NPN三极管V22集电极相连，NPN三极管V22发射极与控制信号相连；NPN三极管V21、V22基极与第二基极控制电源直接相连。
4.根据权利要求1所述的一种航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，其特征在于，所述分压电路中单体正端和负端与电池组负端之间设有分压调试电阻。
5.根据权利要求1所述的一种航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，其特征在于，所述差分放大采样电路采用AD620实现。
6.根据权利要求1所述的一种航天器用高压锂离子电池组单体电压测量电路，其特征在于，所述差分放大采样电路AD620引脚1和引脚8端设有增益调试电阻。
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