ITMI20120656A1 - Circuito elettronico, in particolare per un sistema di gestione di una batteria - Google Patents

Description

“CIRCUITO ELETTRONICO, IN PARTICOLARE PER UN SISTEMA DI GESTIONE DI UNA BATTERIAâ€

La presente invenzione ha per oggetto un circuito elettronico, destinato in particolare - ma non esclusivamente - ad un sistema di gestione di una batteria. Più in dettaglio, l’invenzione si riferisce ad un circuito elettronico comprendente uno o più amplificatori - operazionali, differenziali o da strumentazione - e uno o più interruttori analogici.

Un amplificatore differenziale, così come un amplificatore da strumentazione, à ̈ un circuito elettronico - composto da amplificatori operazionali - dotato di due ingressi (indicati con positivo - o “non invertente†- e negativo - o “invertente†) e di un’uscita e in grado di amplificare e/o traslare di livello la differenza di tensione presente tra i due ingressi e di fornire all’uscita un corrispondente segnale. L’amplificatore presenta verso i due ingressi un'impedenza di ingresso molto elevata; in particolare, nel caso dell'amplificatore da strumentazione, tale impedenza à ̈ nominalmente infinita. Indicando i due ingressi con V+ e V- , un amplificatore differenziale fornisce un'uscita Vout: Vout= Ad(V+ - V-) Ac((V+ V-)/2), in cui Adà ̈ detto “guadagno di modo differenziale†e Acà ̈ detto “guadagno di modo comune†.

In sostanza, il guadagno di modo differenziale indica come l’amplificatore trasmette all’uscita (modificandola in ampiezza) la differenza tra le tensioni, ovvero il segnale che si desidera “elaborare “, mentre il guadagno di modo comune amplifica la media aritmetica tra le tensioni in ingresso e per questo, pesando in misura tipicamente maggiore sull’uscita, può “coprire†- nascondendola - la differenza tra le tensioni; inoltre il guadagno di modo comune tende ad amplificare ogni segnale sommato in maniera uguale ai due ingressi, com’à ̈ tipicamente nel caso di disturbi sugli ingressi. Al fine di rendere il circuito immune all’effetto amplificatore sulla tensione di modo comune, à ̈ necessario che Actenda il più possibile a 0 e soprattutto che rimanga costante sia nel tempo che rispetto alle condizioni operative, in modo tale da poter essere facilmente calibrato, preferibilmente per via numerica. In tal modo l’uscita dell’amplificatore tende a Vout= Ad(V+ - V-) e il cosiddetto “rapporto di reiezione di modo comune†(CMRR, dall'inglese "common mode rejection ratio"), definito come il rapporto tra il guadagno di modo differenziale e il guadagno di modo comune tende all’infinito. In tale condizione ideale il segnale di uscita dipenderebbe esclusivamente dalla differenza tra i segnali di ingresso.

Gli amplificatori differenziali e da strumentazione vengono impiegati in una grande varietà di circuiti elettronici. Tra questi figurano i circuiti di controllo per batterie composte da una pluralità di celle, nei quali un amplificatore differenziale può essere utilizzato per la lettura della tensione di una singola cella mediante un circuito elettronico riferito al polo negativo della batteria stessa. E' questo il caso del cosiddetto BMS (dall’inglese Battery Management System, Sistema di Gestione della Batteria), un sistema elettronico per il controllo di batterie ricaricabili, il quale si occupa di monitorare lo stato della batteria (valori di tensione e corrente, temperatura, stato di carica, etc.) e di gestire l’erogazione dell’energia elettrica e la ricarica. Tale sistema à ̈ impiegato ad esempio nelle batterie ricaricabili al litio, realizzato in forma digitale, e una sua parte considerevole à ̈ riferita proprio alla tensione del polo negativo.

Nel campo dei BMS, à ̈ noto l’impiego di circuiti integrati dedicati, completamente analogici, non disabilitabili, che assorbono correnti dell'ordine delle decine di Î1⁄4A e con accuratezze dell'ordine delle decine di mV. Sono altresì noti circuiti integrati dedicati digitali, che assorbono correnti dell'ordine della decina di Î1⁄4A, e sono limitati a tensioni di modo comune di poche decine di volt; tali circuiti hanno un’accuratezza tipicamente dell'ordine delle decine di mV. Ancora, à ̈ noto il ricorso ad amplificatori differenziali analogici dotati di un’impedenza di ingresso non commutabile. Infine, sono attualmente impiegati partitori resistivi con interruttori analogici, seguiti direttamente, o attraverso un multiplexer, da uno stadio di conversione analogico/digitale; la differenza di tensione tra i due ingressi à ̈ quindi calcolata nel dominio digitale.

La Richiedente ha riscontrato tuttavia che gli attuali circuiti elettronici, in particolare destinati ad un sistema di gestione di una batteria, non sono esenti da inconvenienti e sono migliorabili sotto diversi aspetti.

Più in dettaglio, la Richiedente ha constatato come nei circuiti elettronici noti la corrente negli ingressi del o degli amplificatori operazionali, impiegati per la misurazione dei valori di tensione delle celle, non à ̈ annullabile.

Un ulteriore inconveniente dei circuiti noti risiede nella scarsa precisione e/o risoluzione nel calcolo delle tensioni delle celle di una batteria.

Ancora, nei circuiti noti la rete resistiva attorno all’amplificatore operazionale ne abbassa il valore di CMRR (rapporto di reiezione di modo comune), ossia rende l’operazionale sensibile al modo comune, e ciò impedisce di rilevare una piccola fluttuazione della tensione rispetto ad un valore base, tipicamente alto, e di operare con precisione quando l'informazione rilevante à ̈ contenuta nella differenza di tensione tra i due ingressi.

Un ulteriore inconveniente dei circuiti noti consiste nella loro difficoltà di interfacciamento con circuiteria digitale, tipicamente posizionata a valle rispetto ad essi e alla quale sono destinati i segnali elaborati dal circuito stesso.

Ancora, la Richiedente ha riscontrato come l’impiego di circuiti integrati dedicati comporti l’assenza di componenti compatibili o sostituibili, necessari per la manutenzione o la riparazione di guasti, e/o una difficoltà nell'approvvigionamento dei componenti del circuito, tipicamente realizzati da un unico fornitore per la specifica applicazione. In sostanza, i circuiti noti sono tipicamente progettati specificamente per una particolare applicazione e risulta estremamente difficoltoso apportare modifiche e adattare il circuito ad altre applicazioni.

In questa situazione, in particolare alla luce degli inconvenienti sopra illustrati, lo scopo alla base della presente invenzione, nei suoi vari aspetti e/o forme realizzative, à ̈ mettere a disposizione un circuito elettronico - destinato in particolare, ma non esclusivamente, ad un sistema di gestione di una batteria - che possa essere in grado di ovviare ad uno o più degli inconvenienti citati.

In particolare, la Richiedente ha valutato come la risoluzione delle suddette problematiche rappresenti un obiettivo primario, dal momento che gli amplificatori differenziali e da strumentazione vengono impiegati in una grande varietà di circuiti elettronici, in particolare in tutti i casi in cui vanno soddisfatte contemporaneamente le due seguenti condizioni: à ̈ richiesto di amplificare con elevata precisione (in termini di accuratezza e ripetibilità) e risoluzione una piccola tensione sommata ad una grande tensione di modo comune; à ̈ necessario poter disabilitare o disconnettere (“aprire†) il circuito per annullare la corrente che fluisce nei suoi ingressi, ad esempio per applicazioni nel campo delle batterie o per prevenire effetti galvanici. Infatti, in questo tipo di sistemi à ̈ necessario monitorare la tensione delle singole celle (tipicamente da 2.7V a 4.2V), le quali tuttavia si trovano sommate alla tensione delle celle sottostanti, che può arrivare a diverse centinaia di volt. Inoltre, à ̈ altamente desiderabile poter annullare - o ridurre fortemente - la corrente assorbita quando la batteria non à ̈ utilizzata, con lo scopo sia di allungarne l'autonomia sia di preservare la carica della batteria qualora questa non venga utilizzata o ricaricata per lungo tempo, caso che può verificarsi nelle applicazioni di trazione o propulsione in genere, o negli strumenti portatili ad uso stagionale. In questi casi, anche piccole correnti (ad esempio dell’ordine dei 10-100Î1⁄4A) in tempi lunghi (ad esempio mesi o anni) possono portare allo scaricamento completo o al danneggiamento di batterie, anche di grande capacità.

In definitiva, à ̈ uno scopo tecnico della presente invenzione mettere a disposizione un circuito elettronico caratterizzato nel contempo da un’elevata precisione nella misurazione di tensioni differenziali e dalla capacità di interrompere la corrente circolante al suo interno, aumentando il valore di CMRR.

È inoltre obiettivo dell’invenzione quello di mettere a disposizione un circuito elettronico di semplice e/o economica progettazione e/o realizzazione e/o manutenzione e/o caratterizzato da un’elevata efficienza.

Tale scopo, e altri eventuali, che meglio risulteranno nel corso della seguente descrizione, viene sostanzialmente raggiunto da un circuito elettronico, in particolare per un sistema di gestione di una batteria, secondo una o più delle unite rivendicazioni, ciascuna delle quali presa da sola (senza le relative dipendenze) o in qualsiasi combinazione con le altre rivendicazioni, nonché secondo i seguenti aspetti e/o forme realizzative, variamente combinati, anche con le suddette rivendicazioni. In un aspetto l’invenzione riguarda un circuito elettronico, in particolare per un sistema di gestione di una batteria, il circuito comprendente:

- almeno un ingresso, destinato ad essere collegato ad una sorgente di tensione posta a monte del circuito;

- almeno un amplificatore elettronico, dotato di almeno un terminale di ingresso positivo, un terminale di ingresso negativo e un’uscita di tensione, detto almeno un ingresso essendo collegato elettricamente con detto terminale d ingresso positivo o detto terminale di ingresso negativo;

- almeno un partitore di tensione interposto tra, e collegato con, detto almeno un ingresso e uno tra detto terminale di ingresso positivo e detto terminale di ingresso negativo;

il circuito comprendendo inoltre almeno un interruttore analogico collegato in serie a detto almeno un partitore di tensione e selettivamente operabile almeno tra una condizione di chiusura, nella quale consente il passaggio di corrente elettrica da detto almeno un ingresso a detto amplificatore elettronico, e una condizione di apertura, nella quale interrompe il passaggio di corrente elettrica da detto almeno un ingresso a detto amplificatore elettronico.

In un aspetto detto amplificatore elettronico à ̈ un amplificatore operazionale o un amplificatore da strumentazione. Il circuito, nel suo complesso, realizza un amplificatore differenziale.

Come illustrato sopra, con l’espressione “amplificatore operazionale†si identifica un amplificatore elettronico dotato di un terminale di ingresso positivo, di un terminale di ingresso negativo e di un’uscita di tensione e in grado di fornire a tale uscita un segnale corrispondente alla differenza di tensione presente tra i due terminali di ingresso moltiplicata per un coefficiente di amplificazione.

Nell’ambito della presente invenzione, con l’espressione “amplificatore da strumentazione†si identifica una tipologia di amplificatore operazionale particolarmente adatto per l’esecuzione di misurazioni elettroniche e nelle strumentazioni professionali. La sua struttura può essere considerata una derivazione dell'amplificatore differenziale: infatti anch’esso comprende due ingressi (positivo e negativo) e un’uscita di tensione, ma à ̈ realizzato mediante tre distinti amplificatori operazionali, due dei quali sono collegati singolarmente rispettivamente all’ingresso positivo e all’ingresso negativo, e collegati tra loro, mentre il terzo à ̈ disposto a valle dei primi due e collegato con i suoi due ingressi alle due uscite dei primi due amplificatori. L’architettura dell’amplificatore da strumentazione consente vantaggiosamente di aumentare l'impedenza di ingresso del circuito e di variare l'amplificazione della tensione differenziale d'ingresso. In alternativa, à ̈ altresì possibile realizzare un amplificatore da strumentazione anche con due soli amplificatori operazionali.

In un aspetto detto almeno un interruttore analogico può essere un transistor a giunzione bipolare (o BJT), un transistor ad effetto di campo (o FET), preferibilmente un MOSFET, un MESFET o un JFET, oppure un relà ̈.

In sostanza, l’interruttore analogico funge, all’interno del circuito, da interruttore controllabile al fine di aprire e chiudere selettivamente il ramo del circuito - nel quale à ̈ inserito - che collega l’ingresso all’amplificatore elettronico e, tramite quest’ultimo, all’uscita del circuito; in tal modo con gli interruttori aperti gli ingressi positivo e negativo saranno scollegati dall’uscita di tensione, mentre - al contrario -con gli interruttori chiusi gli ingressi positivo e negativo saranno collegati all’uscita di tensione. In altre parole, l’interruttore consente di interrompere selettivamente il partitore all’ingresso del circuito. Ciò significa che l’amplificatore elettronico diviene “commutabile†, ossia attivabile o disattivabile mediante i due interruttori. Il circuito elettronico oggetto dell’invenzione ha impedenza in ingresso finita e gli interruttori consentono di renderla pressoché infinita quando il circuito à ̈ spento oppure quando non à ̈ richiesto di effettuare una misura di tensione differenziale. In un aspetto, detto circuito comprende un ingresso positivo e un ingresso negativo, destinati ad essere collegati rispettivamente ad una sorgente di tensione positiva e ad una sorgente di tensione negativa a monte del circuito, e detto amplificatore elettronico à ̈ un amplificatore operazionale, dove il terminale di ingresso positivo e il terminale di ingresso negativo dell’amplificatore operazionale sono collegati elettricamente rispettivamente con detto ingresso positivo e detto ingresso negativo, il circuito comprendendo inoltre un primo partitore di tensione interposto tra, e collegato con, l’ingresso positivo e detto terminale di ingresso positivo, e un secondo partitore di tensione interposto tra, e collegato con, l’ingresso negativo e detto terminale di ingresso negativo, il circuito comprendendo inoltre un primo interruttore analogico e un secondo interruttore analogico, collegati in serie rispettivamente a detto primo partitore di tensione e a detto secondo partitore di tensione, detti primo e secondo interruttore analogico essendo selettivamente e indipendentemente operabili almeno tra detta condizione di chiusura e detta condizione di apertura, per consentire o interrompere il passaggio di corrente elettrica dal rispettivo ingresso a detto amplificatore operazionale.

Nel caso in cui le sorgenti di tensione provengono da una batteria, ossia il circuito elettronico à ̈ collegato ad una batteria, le suddette sorgenti di tensione positiva e negativa sono tipicamente due sorgenti positive, una maggiore dell’altra; in tal caso le sorgenti di tensione positiva e negativa sono rispettivamente la maggiore e la minore delle due tensioni della batteria.

In sostanza, nella forma realizzativa esposta nell’aspetto sopra, l'invenzione à ̈ basata su un amplificatore operazionale con partitori in ingresso (per aumentare l'intervallo di modo comune), alle cui resistenze di ingresso vengono messi in serie due interruttori analogici (preferibilmente MOSFET con adeguata tensione di rottura o BJT o relà ̈).

L’uso di interruttori analogici realizzati con transistor BJT può essere indicato, ad esempio, per applicazioni che non richiedono una precisione elevata, quali la gestione di batterie al piombo. In tal caso l’impiego di interruttori BJT consente di ridurre i costi di realizzazione del circuito elettronico.

In un ulteriore aspetto, il circuito oggetto della presente invenzione comprende almeno un primo e un secondo ingresso, destinati ad essere collegati rispettivamente ad una prima sorgente di tensione e ad una seconda sorgente di tensione a monte del circuito, e detto amplificatore elettronico à ̈ un amplificatore da strumentazione, dove il terminale di ingresso positivo e il terminale di ingresso negativo dell’amplificatore da strumentazione sono collegati elettricamente rispettivamente con detto primo ingresso e detto secondo ingresso, il circuito comprendendo inoltre un primo partitore di tensione interposto tra, e collegato con, il primo ingresso e detto terminale di ingresso positivo, e un secondo partitore di tensione interposto tra, e collegato con, il secondo ingresso e detto terminale di ingresso negativo, il circuito comprendendo inoltre un primo interruttore analogico e un secondo interruttore analogico, collegati in serie rispettivamente a detto primo partitore di tensione e a detto secondo partitore di tensione, detti primo e secondo interruttore analogico essendo selettivamente e indipendentemente operabili almeno tra detta condizione di chiusura e detta condizione di apertura, per consentire o interrompere il passaggio di corrente elettrica dal rispettivo ingresso a detto amplificatore da strumentazione. In sostanza, nella forma realizzativa esposta nell’aspetto sopra, l'invenzione à ̈ basata su un amplificatore da strumentazione con un partitore resistivo in ingresso per ciascun nodo (cella) da acquisire. Tale partitore prevede in serie un interruttore analogico, tipicamente - ma non esclusivamente - posto appena sopra il nodo d'uscita del partitore.

In un aspetto indipendente l’invenzione riguarda un sistema di gestione di una batteria comprendente una pluralità di detti circuiti elettronici ciascuno destinato ad essere collegato ad una rispettiva cella di una batteria elettrica.

La presente invenzione può essere vantaggiosamente applicata alla gestione di batterie e banchi di supercondensatori.

Il circuito descritto può essere realizzato sia in forma integrata sia a componenti discreti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, tra cui anche una forma di esecuzione preferita, esemplari ma non esclusive, di un circuito elettronico, in particolare per un sistema di gestione di una batteria, in accordo con la presente invenzione. Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegno, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ una rappresentazione schematica generale di un circuito elettronico in accordo con la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una rappresentazione schematica di una possibile forma realizzativa di una porzione del circuito elettronico di figura 1, in particolare del blocco indicato con il numero 20;

- la figura 3 Ã ̈ una rappresentazione schematica di una ulteriore possibile forma realizzativa di una porzione del circuito elettronico di figura 1, in particolare del blocco indicato con il numero 20;

- la figura 4 Ã ̈ uno schema circuitale di una prima forma realizzativa di un circuito elettronico in accordo con la presente invenzione;

- la figura 5 Ã ̈ uno schema circuitale di una seconda forma realizzativa di un circuito elettronico in accordo con la presente invenzione.

Con riferimento alle figure allegate, un circuito elettronico secondo la presente invenzione à ̈ globalmente indicato con il numero di riferimento 1. In generale, lo stesso numero di riferimento à ̈ utilizzato per elementi uguali o simili, eventualmente nelle loro varianti realizzative.

Il circuito elettronico 1, nella sua forma più generale schematizzata in figura 1, comprende: almeno un ingresso Vp o Vn, collegabile ad una sorgente di tensione posta a monte del circuito; almeno un amplificatore elettronico 10, dotato di almeno un terminale di ingresso positivo 11, un terminale di ingresso negativo 12, un’uscita di tensione 13 ed eventualmente un riferimento di tensione Vref, dove detto almeno un ingresso Vp o Vn à ̈ collegato elettricamente con il terminale d ingresso positivo o il terminale di ingresso negativo; almeno un partitore di tensione 20 interposto tra, e collegato con, l’almeno un ingresso e uno tra il terminale di ingresso positivo e il terminale di ingresso negativo. Il circuito comprende inoltre almeno un interruttore analogico, indicato con il numero 30, operativamente collegato in serie al partitore di tensione 20 e in grado di operare selettivamente tra una condizione di chiusura, nella quale consente il passaggio di corrente elettrica dall’ingresso del circuito all’amplificatore elettronico, e una condizione di apertura, nella quale interrompe il passaggio di corrente elettrica dall’ingresso all’amplificatore elettronico. In altre parole, l’interruttore “spezza†il partitore consentendo l’attivazione e la disattivazione selettiva del circuito elettronico.

Tale amplificatore elettronico à ̈ preferibilmente un amplificatore operazionale (figura 4) o un amplificatore da strumentazione (figura 5).

Il suddetto interruttore analogico 30 à ̈ un transistor a giunzione bipolare (o BJT), un transistor ad effetto di campo (o FET), preferibilmente un MOSFET, un MESFET o un JFET, oppure un relà ̈.

Il suddetto riferimento di tensione Vref può essere esplicito, nel caso si intenda traslare l'uscita attorno al riferimento stesso, oppure - in alternativa - può essere implicito (o nascosto) qualora si colleghi a 0V il riferimento.

La figura 2 mostra una rappresentazione schematica di una porzione dello schema generale di circuito elettronico di figura 1, in particolare del blocco partitore, indicato con il numero 20. In tale configurazione, sviluppata in concreto nel circuito esemplare di figura 4 descritto più avanti, l’interruttore 30 à ̈ inserito nel partitore di tensione 20 tra una sua prima porzione (o “partitore alto†, indicato con il riferimento 20a) collegata agli ingressi Vp e Vn e una sua seconda porzione (o “partitore basso†, indicato con il riferimento 20b), collegata al riferimento di tensione Vref. In altre parole, l’interruttore à ̈ collegato sia al partitore alto che al partitore basso ed à ̈ posto sopra le uscite del partitore, le quali si collegano ai terminali di ingresso 11 e 12 dell’amplificatore posto a valle del partitore.

La figura 3 mostra invece una rappresentazione schematica di una diversa realizzazione del blocco partitore, indicato con il numero 20, dello schema generale di circuito elettronico di figura 1. In tale configurazione l’interruttore 30 à ̈ inserito nel partitore di tensione 20 “a monte†sia del partitore alto 20° che del partitore basso 20b. L’interruttore riceve infatti gli ingressi Vp e Vn ed à ̈ collegato in uscita al partitore alto; il partitore basso à ̈ posto a valle del partitore alto ed à ̈ collegato al riferimento di tensione Vref. Tale configurazione à ̈ definibile come partitore di tensione 20 con interruttore “all’ingresso†.

In entrambi i casi, ossia figura 2 e figura 3, l’interruttore 30 à ̈ collegato ad una linea di abilitazione (indicata nelle figure con “Abil†) che lo alimenta e ne determina il funzionamento.

Nella forma di realizzazione di figura 4, che estende lo schema funzionale di figura 1 e mostra uno schema circuitale di implementazione del circuito oggetto dell’invenzione, il circuito comprende un ingresso positivo Vp e un ingresso negativo Vn, collegabili rispettivamente ad una sorgente di tensione positiva e ad una sorgente di tensione negativa a monte del circuito, e l’amplificatore elettronico à ̈ un amplificatore operazionale U1. Come indicato sopra, le due sorgenti di tensione possono essere entrambe positive (come à ̈ tipicamente nel caso di batterie); in tal caso Vp à ̈ la maggiore delle due sorgenti positive e Vn à ̈ la minore delle due sorgenti positive; il fatto che Vp e Vn siano una positiva e l’altra negativa oppure entrambe positive non influisce sul funzionamento complessivo del circuito.

Inoltre, i terminali di ingresso positivo e negativo dell’amplificatore operazionale sono collegati elettricamente rispettivamente con l’ingresso positivo e negativo. In tale forma realizzativa, il circuito comprende inoltre: un primo partitore di tensione R1-R3 interposto tra, e collegato con, l’ingresso positivo e il terminale di ingresso positivo; un secondo partitore di tensione R2-R4 interposto tra, e collegato con, l’ingresso negativo e il terminale di ingresso negativo; un primo interruttore analogico M1 e un secondo interruttore analogico M2, collegati in serie rispettivamente al primo e al secondo partitore di tensione. Il primo e il secondo interruttore analogico sono selettivamente e indipendentemente operabili almeno tra le suddette condizione di chiusura e di apertura, per consentire o interrompere il passaggio di corrente elettrica dal rispettivo ingresso all’amplificatore operazionale. Preferibilmente l’ingresso positivo e l’ingresso negativo sono elettricamente collegati rispettivamente alla sorgente di tensione positiva e alla sorgente di tensione negativa a monte del circuito, tali essendo i terminali di uscita di una batteria o di una singola cella di una batteria (non mostrata, ad esempio una batteria al lito o un’altra batteria di tipo noto). Come già indicato, nel caso di una batteria collegata al circuito elettronico, ambedue le sorgenti di tensione sono positive (con Vp maggiore di Vn); in alternativa, Vp e Vn possono essere collegato rispettivamente ai terminali positivo e negativo di una cella di una batteria.

Preferibilmente il primo partitore di tensione comprende una prima R1 e una terza resistenza elettrica R3 collegate in serie all’ingresso positivo e il secondo partitore di tensione comprende una seconda R2 e una quarta resistenza elettrica R4 collegate in serie all’ingresso negativo. Si osservi che le resistenze R1 ed R3 non sono elettricamente in serie, nel senso che la corrente di R1 non entra nell'ingresso dell'operazionale; tuttavia esse sono da ritenersi “in serie†dal punto di vista logico e del flusso dell'informazione. Più in dettaglio, come mostrato in figura 4, il terminale di ingresso positivo dell’amplificatore operazionale à ̈ collegato in posizione intermedia tra la prima e terza resistenza elettrica e il terminale di ingresso negativo dell’amplificatore operazionale à ̈ collegato in posizione intermedia tra la seconda e la quarta resistenza elettrica.

Preferibilmente il circuito 1 comprende un riferimento di tensione Vref (o tensione di riferimento), collegato al terminale di ingresso positivo dell’amplificatore operazionale, e una quinta resistenza elettrica R5 interposta in serie la tensione di riferimento e il terminale di ingresso positivo.

Preferibilmente tale riferimento di tensione à ̈ collegato in un punto comune a valle della terza e quarta resistenza elettrica.

Preferibilmente il circuito comprende una linea di retroazione 40 collegante l’uscita di tensione e il terminale di ingesso negativo dell’amplificatore operazionale. Preferibilmente il circuito comprende, in serie a tale linea di retroazione, una sesta resistenza elettrica R6.

Preferibilmente il primo interruttore analogico à ̈ interposto in serie tra la prima e la terza resistenza elettrica e il secondo interruttore analogico à ̈ interposto in serie tra la seconda e la quarta resistenza elettrica.

Preferibilmente il circuito elettronico comprende una linea indipendente di abilitazione o selezione (indicata nelle figure con il riferimento “Abil†) collegata al primo e secondo interruttore analogico per determinarne il passaggio tra la condizione di apertura e la condizione di chiusura.

La Richiedente ha verificato come l’architettura del circuito con amplificatore operazionale consenta vantaggiosamente di minimizzare il numero di amplificatori operazionali impiegati per l’esecuzione di misurazioni di tensione, e in generale per il controllo, di una batteria elettrica composta da una pluralità di celle.

Viene descritto e analizzato nel seguito, in modo dettagliato, il funzionamento del circuito elettronico nella forma realizzativa che prevede l’impiego di un amplificatore operazionale, con particolare riferimento alle funzioni di trasferimento tra ingressi e uscite, alle relazioni tra tensioni, correnti e resistenze, e agli effetti della non-idealità dei componenti del circuito.

Considerando il circuito descritto, e tralasciando per il momento la presenza degli interruttori analogici, si riscontra come nell'amplificatore “classico†, ossia “non commutato†, il collegamento a due sorgenti di tensione (ingressi positivo e negativo), fa sì che vi sia sempre una corrente che scorre nei terminali di ingresso dell’amplificatore, anche nel caso in cui esso non sia alimentato. Infatti la terza R3, la quarta R4 e la quinta resistenza R5, nonché i diodi di protezione interni all'amplificatore, forniscono dei cammini verso l’ingresso negativo di tensione del circuito (tipicamente collegato a monte al polo negativo della batteria). La corrente che fluisce in questi cammini à ̈ quantificabile nella tensione alla quale si trovano i due ingressi, divisa per la resistenza vista verso gli ingressi (all'incirca la prima resistenza R1 sommata alla terza resistenza R3, e quindi la prima resistenza R1, essendo quest'ultima dominante). Tipicamente tali correnti possono avere un valore fino a diverse decine di Î1⁄4A (ad esempio 80Î1⁄4A per una tensione in ingresso di 80V con resistenza di 1MΩ). L'effetto cumulativo di più gli stadi di lettura, ossia di più circuiti affiancati, applicato per periodi lunghi può portare all'assorbimento di quantità di carica pari ad una frazione rilevante della capacità nominale della batteria. La presenza del primo e del secondo interruttore analogico consente, quando essi si trovano in condizione di apertura, di ridurre drasticamente le correnti che fluiscono negli ingressi dell’amplificatore; al contrario, quando gli interruttori sono in condizione di chiusura perturbano minimamente - ed in maniera compensabile tramite calibrazione - il funzionamento dell'amplificatore ed equivalgono, all’interno del circuito, ad una resistenza molto inferiore alle altre, e tipicamente trascurabile. L'entità della riduzione della corrente di ingresso dipende dal tipo di interruttore analogico e quindi da scelte progettuali. Ad esempio, un MOSFET in package SOT-23 da 200V (ad esempio il prodotto commerciale con codice ZVN3320), ad una tensione di 80V e a temperatura ambiente incorre in circa 4Î1⁄4A di corrente di perdita, un fattore 20 volte migliore rispetto alle soluzioni note, e permette contemporaneamente una realizzazione molto compatta del circuito (ad esempio un circuito stampato a doppia faccia di dimensioni 28mm x 24mm può ospitare fino a 4 circuiti elettronici). Utilizzando, quali interruttori analogici, dei relà ̈ si ottengono correnti ancora più ridotte (in pratica assenti) e la possibilità di elaborare tensioni d'ingresso negative; tuttavia il circuito risulta molto meno compatto e può soffrire dei problemi tipici dei sistemi elettromeccanici.

Con riferimento alla figura 4 e considerando gli interruttori analogici accesi e ideali (ossia MOSFET aventi una resistenza nulla al passaggio della corrente tra drain e source, in regione lineare), Ã ̈ possibile calcolare la resistenza vista guardando verso l'ingresso positivo, chiudendo il circuito sul riferimento di tensione:

La tensione al terminale negativo dell’amplificatore operazionale à ̈: L'amplificatore operazionale (ideale e non saturato o in limitazione di slew rate) impone che le tensioni ai suoi due ingressi positivo e negativo siano uguali:

La corrente che fluisce in R2, verso l'ingresso negativo dell'operazionale à ̈:

La corrente che fluisce in R4, verso il riferimento di tensione à ̈:

D'ora in poi, si assume che le suddette resistenze elettriche siano così dimensionate: R1=R2; R3=R4; R5=R6. Nel prosieguo verrà analizzato l'effetto dello sbilanciamento di tali resistenze. Tale assunzione comporta i seguenti valori di corrente:

Infine, la corrente che fluisce in R6, verso l'uscita di tensione, Ã ̈:

La tensione all'uscita risulta:

Al fine di valutare il comportamento del circuito inserendo in esso delle impedenze generiche al posto delle resistenze, si sostituiscono - nelle formule precedenti - tutte le resistenze elettriche R con corrispondenti impedenze e, mantenendo le stesse assunzioni, si ottiene il medesimo risultato:

con il vantaggio che à ̈ possibile integrare nel circuito oggetto dell'invenzione opportune funzioni di filtraggio.

Un ulteriore aspetto da considerare nell’analisi del circuito à ̈ rappresentato dagli effetti delle non idealità delle resistenze, in primis i cosiddetti “elementi parassiti†. Tali elementi comprendono le capacità in parallelo e le induttanza in serie e possono essere trascurati per frequenze molto inferiori a quelle di taglio dei vari filtri parassiti che si vengono a formare. Ipotizzando resistenze dell'ordine delle centinaia di kΩ e capacità dell'ordine delle centinaia di pF, si ottengono bande passanti dell'ordine della decina di kHz, quindi ampiamente superiori alle frequenze tipiche delle tensioni delle celle di una batteria. Inoltre, qualora fossero necessarie velocità di lettura maggiori, à ̈ possibile diminuire la resistenza del partitore, a scapito di un aumento della corrente di lettura e di una maggiore potenza dissipata nel partitore stesso, il quale può incorrere in una deriva termica.

Proseguendo con gli effetti delle non idealità delle resistenze, si consideri il caso in cui R2 ≠ R1. Dalla trattazione dell'amplificatore operazionale senza partitore in ingresso, à ̈ noto che un tale sbilanciamento influisce sul CMRR, pertanto - per semplificare - si considerano Vref=0 e Vp=Vn=Vcm(tensione di modo comune): i risultati rimangono validi per via del principio di sovrapposizione degli effetti. La tensione ai due ingressi dell'amplificatore operazionale risulta:

La corrente in R2 diviene:

La corrente in R4:

La corrente in R6:

La tensione in uscita:

Viene quindi messa in evidenza una sensibilità al modo comune ed il relativo CMRR à ̈:

Al tendere di R2 verso R1, il CMRR tende ad infinito e Vouta zero.

A titolo d'esempio, ponendo R1 = R5 = R6 = 220kΩ, R2 = 222.2kΩ (1% di errore), R3 = R4 = 12kΩ, si ottiene un CMRR = 118. Con una tensione in ingresso di 100V, l'errore in uscita risulta di 850mV. È necessario quindi dimensionare il circuito in modo che la tensione di uscita sia, nel peggiore dei casi, compatibile con tutta la catena elettronica di acquisizione, ed in particolare con un eventuale convertitore analogico/digitale a valle del circuito.

Si analizza ora il caso di non idealità delle resistenze in cui R4 ≠ R3. Si assumono le stesse condizioni del caso precedente, ottenendo i seguenti risultati:

Anche in questo caso viene messa in luce una sensibilità al modo comune ed il relativo CMRR à ̈:

Al tendere di R3 verso R4, il CMRR tende verso infinito, mentre Vouttende a zero. A titolo d'esempio, ponendo R1=R2=R5=R6=220kΩ, R3=12kΩ e R4=12.12kΩ (1% di errore), si ottiene CMRR=112. Con una tensione in ingresso di 100V, l'errore in uscita à ̈ di 890mV.

Si analizza ora il caso di non idealità delle resistenze in cui R6 ≠ R5. Si assumono le medesime condizioni dei casi precedenti, ottenendo:

Anche in questo caso viene messa in luce una sensibilità al modo comune ed il relativo CMRR à ̈:

Al tendere di R5 verso R6, il CMRR tende verso infinito, mentre Vouttende a zero. A titolo d'esempio, ponendo R1 = R2 = R6 = 220kΩ, R5 = 217,8kΩ e R3 = R4 = 12kΩ, si ottiene CMRR = 2014. In questo caso la tolleranza agli sbilanciamenti à ̈ molto migliore che nei casi precedenti. Con una tensione in ingresso di 100V, l'errore in uscita à ̈ 50mV.

Ulteriori aspetti da considerare nell’analisi del circuito sono rappresentati dagli effetti delle non idealità delle sorgenti di tensione, degli interruttori analogici e dell’amplificatore operazionale.

La resistenza in serie ai generatori di tensione, ad esempio la resistenza interna alle celle della batteria, con la tolleranza da un generatore all'altro, agisce sbilanciando il rapporto R1/R2. La trattazione ricade quindi nel caso di non idealità delle resistenze R1≠R2. Va tuttavia notato che le resistenze interne delle celle sono dell'ordine dei mΩ, ossia da otto a nove ordini di grandezza più piccole delle resistenze tipiche dell'amplificatore operazionale commutato

Gli interruttori analogici introducono una resistenza in serie ad R1 ed R2, quindi ogni sbilanciamento va trattato come nel caso di non idealità R1≠R2. Inoltre, gli interruttori introducono capacità parassite, dell'ordine delle decine di pF, per cui la trattazione à ̈ la stessa degli elementi parassiti delle resistenze. Il diodo di bulk di un MOSFET quale interruttore analogico, invece, permette la circolazione di correnti di perdita nel caso di tensioni d'ingresso negative. Per ovviare a questo problema, à ̈ possibile impiegare un relà ̈ come interruttore analogico, aggiungere al circuito un secondo interruttore analogico MOSFET in serie a quello mostrato, ma con drain e source scambiati, in modo da impedire ogni circolazione di corrente non prevista, utilizzare un photoMOS oppure progettare il circuito in modo che le tensioni da misurare siano sempre positive rispetto alla massa del circuito.

Per quanto riguarda gli effetti delle non idealità dell'amplificatore operazionale, sono diversi i fenomeni da considerare. Per prima cosa, la tensione di offset dell'amplificatore operazionale può essere modellata come un generatore di tensione in serie ad uno dei due ingressi dell'amplificatore stesso. Si assuma Vp= Vn= Vref= 0, tutte le relazioni tra le resistenze come ideali (R1=R2, R3=R4, R5=R6) e si applichi il principio di sovrapposizione degli effetti. Va osservato inoltre che il terminale negativo del generatore di tensione à ̈ collegato ad una massa virtuale, dato che non passa alcuna corrente in R1, R3 o R5, poiché l'ingresso dell'operazionale non emette corrente. Il circuito allora diventa un amplificatore non invertente, avente come ingresso Vos, la tensione di offset. Si può ricavare:

nella quale G rappresenta il guadagno dello stadio nel caso ideale (R5/R1) e l'approssimazione vale quando R2 à ̈ molto maggiore di R4, caso comune quando lo stadio à ̈ dimensionato per accettare grandi tensioni di modo comune. L'effetto à ̈ quello di amplificare la tensione di offset. È necessario pertanto scegliere dei componenti che abbiano una tensione di offset piccola e stabile, in modo da renderla facilmente calibrabile (e compensabile) via software.

Tra gli effetti della non idealità dell'amplificatore operazionale va rilevato come le correnti in ingresso all'operazionale generino delle tensioni sulle resistenze a loro connesse. Pertanto à ̈ necessario scegliere componenti con correnti parassite molto limitate, dell'ordine del pA, in modo tale da generare sulle resistenze il minore errore possibile (dell'ordine dei Î1⁄4V). Tale errore in tensione viene poi amplificato in maniera simile alla tensione di offset, ma à ̈ tipicamente trascurabile rispetto a quest'ultima.

Per quanto riguarda la banda passante dell’amplificatore, per non degradare le prestazioni del circuito à ̈ necessario selezionare un operazionale che abbia una prodotto banda-guadagno tale da garantire una banda passante molto maggiore della massima frequenza d'interesse. Il Guadagno da tenere in considerazione à ̈:

Inoltre, dal momento che gli amplificatori operazionali funzionano correttamente soltanto se le tensioni applicate agli ingressi sono comprese tra le tensioni di alimentazione dell'integrato stesso, occorre dimensionare le resistenze R3 ed R4 in modo tale da portare le tensioni di ingresso all'interno dell'intervallo di alimentazione.

Infine, per garantire la stabilità dell'intero circuito, à ̈ necessario che l’amplificatore sia stabile a guadagno unitario.

La figura 5 mostra un’ulteriore forma realizzativa del circuito oggetto della presente invenzione, illustrata mediante uno schema circuitale che mostra componenti e collegamenti.

In tale forma realizzativa, alternativa a quella mostrata in figura 4 ma parimenti derivata dallo schema generale di figura 1, il circuito comprende un primo VpN e un secondo ingresso VpN-1, collegabili rispettivamente ad una prima e una seconda sorgente di tensione a monte del circuito, e il suddetto amplificatore elettronico à ̈ un amplificatore da strumentazione (complessivamente indicato - a titolo di esempio -con i riferimenti dei tre amplificatori operazionali U7, U8 e U9,ma realizzabile anche con solo due amplificatori operazionali, o ancora utilizzando un amplificatore da strumentazione monolitico). In tale forma realizzativa, il terminale di ingresso positivo e il terminale di ingresso negativo dell’amplificatore da strumentazione (rispettivamente coincidenti con il terminale positivo dell’operazionale U8 e con il terminale positivo dell’operazionale U7) sono collegati elettricamente rispettivamente con il primo e il secondo ingresso. Il circuito comprende inoltre un primo partitore di tensione R1,N-R2,N interposto tra, e collegato con, il primo ingresso e il terminale di ingresso positivo, e un secondo partitore di tensione R1,N-1 - R2,N-1 interposto tra, e collegato con, il secondo ingresso e il terminale di ingresso negativo. Preferibilmente il circuito comprende inoltre un primo interruttore analogico MN e un secondo interruttore analogico MN-1, collegati in serie rispettivamente al primo e al secondo partitore di tensione. Il primo e il secondo interruttore analogico sono selettivamente e indipendentemente operabili almeno tra le suddette condizione di chiusura di apertura, per consentire o interrompere il passaggio di corrente elettrica dal rispettivo ingresso all’amplificatore da strumentazione.

Preferibilmente il primo e il secondo ingresso sono elettricamente collegati rispettivamente alla prima e seconda sorgente di tensione a monte del circuito, tali due tensioni essendo rispettivamente il terminale di uscita di una cella di una batteria e il terminale di uscita di una successiva cella della medesima batteria.

Preferibilmente il primo partitore di tensione comprende una prima R1, N e una seconda resistenza elettrica R2,N collegate in serie al primo ingresso e il secondo partitore di tensione comprende una rispettiva prima R1, N-1 e una rispettiva seconda resistenza elettrica R2,N-1 collegate in serie al secondo ingresso. Si osservi, come visto sopra, che anche in questo caso le resistenze R1,N ed R2,N, così come la coppia di resistenze R1,N-1 ed R2,N-1, non sono elettricamente in serie ma sono tuttavia da ritenersi “in serie†dal punto di vista logico e del flusso dell'informazione.

Il terminale di ingresso positivo dell’amplificatore da strumentazione à ̈ preferibilmente collegato in posizione intermedia tra la prima e la seconda resistenza elettrica del primo partitore di tensione e il terminale di ingresso negativo dell’amplificatore da strumentazione à ̈ preferibilmente collegato in posizione intermedia tra le rispettive prima e seconda resistenza elettrica del secondo partitore di tensione.

Preferibilmente l’amplificatore da strumentazione comprende un primo amplificatore operazionale U8, avente il rispettivo terminale di ingresso positivo collegato al primo ingresso del circuito, un secondo amplificatore operazionale U7, avente il rispettivo terminale di ingresso positivo collegato al secondo ingresso del circuito, e un terzo amplificatore operazionale U9 collocato a valle del primo e secondo amplificatore operazionale e avente il rispettivo terminale di ingresso positivo collegato all’uscita del primo amplificatore operazione, mediante una resistenza elettrica RD3,N e il rispettivo terminale di ingresso negativo collegato all’uscita del secondo amplificatore operazione, mediante una resistenza elettrica RD4,N.

Preferibilmente il primo U8, il secondo U7 e il terzo amplificatore operazionale U9 hanno una rispettiva linea di retroazione, collegante la rispettiva uscita al rispettivo terminale di ingresso negativo, comprendente una rispettiva resistenza elettrica di retroazione RD1,N, RD2,N e RD6,N.

Preferibilmente il primo e il secondo amplificatore operazionale hanno i rispettivi terminali di ingresso negativo tra loro collegati tramite una resistenza elettrica di guadagno RG,N.

Alla base delle due forme realizzative descritte vi à ̈ un unico concetto inventivo; infatti, l’amplificatore da strumentazione si può pensare come derivato dall'amplificatore operazionale: rispetto a quest’ultimo presenta due operazionali in più che migliorano (aumentandola) l'impedenza di ingresso del circuito e permettono di variare l'amplificazione del segnale differenziale d'ingresso (differenza tra le tensioni del primo e secondo ingresso) variando un solo componente, ossia la resistenza elettrica di guadagno RG,N.

Il concetto inventivo unificante risiede quindi nello schema generale che prevede un partitore interrompibile tramite interruttori, seguito da un blocco analogico di elaborazione (amplificatore), il quale calcola la differenza nel dominio analogico e non in quello digitale.

Preferibilmente il circuito comprende un riferimento di tensione (che costituisce un ingresso al circuito), collegato in un punto comune all’uscita del primo amplificatore operazionale e al terminale di ingresso positivo del terzo amplificatore operazionale, e una quinta resistenza elettrica RD5,N interposta in serie tra il riferimento di tensione e il terminale di ingresso positivo del terzo amplificatore. Preferibilmente tale riferimento di tensione à ̈ collegato in un punto a valle della resistenza elettrica RD3,N.

Preferibilmente il primo interruttore analogico à ̈ interposto in serie tra la prima R1, N e la seconda resistenza elettrica R2,N del primo partitore di tensione, e il secondo interruttore analogico à ̈ interposto in serie tra la rispettiva prima R1, N-1 e la rispettiva seconda resistenza elettrica R2,N-1 del secondo partitore di tensione.

Preferibilmente il circuito elettronico comprende inoltre una linea indipendente di abilitazione o selezione (Abil) collegata al primo e secondo interruttore analogico per determinarne il passaggio tra la condizione di apertura e la condizione di chiusura. Preferibilmente il circuito comprende una pluralità di amplificatori da strumentazione concatenati in successione in modo tale che il primo ingresso di un amplificatore sia elettricamente collegato al secondo ingresso dell’amplificatore successivo e il primo ingresso dell’amplificatore successivo sia elettricamente collegato al secondo ingresso dell’amplificatore ancora successivo, e comprende inoltre una pluralità di ingressi in cui un primo ingresso à ̈ collegato al terminale di ingresso negativo del primo amplificatore da strumentazione, un secondo ingresso à ̈ collegato al terminale di ingresso positivo del primo amplificatore da strumentazione e al terminale di ingresso negativo dell’amplificatore successivo, e un terzo ingresso à ̈ collegato al terminale di ingresso positivo dell’amplificatore successivo e al terminale di ingresso positivo di un amplificatore da strumentazione ancora successivo, detto schema potendosi ripetere per una pluralità di ingressi di tensione successivi destinati ad essere collegati a successive celle di una batteria.

È questo il caso mostrato in figura 5, in cui il circuito comprende un ulteriore amplificatore da strumentazione comprendente i tre amplificatori operazionali indicati con U1, U2 e U3. Tale ulteriore amplificatore riceve al suo terminale di ingresso positivo la tensione VpN+1 proveniente da una cella successiva (o precedente in base al verso di percorrenza delle celle) alla cella N, mentre riceve in ingresso al terminale negativo la tensione VpN proprio della cella N-esima, collegata anche al terminale positivo dell’adiacente amplificatore U7-U8-U9.

La Richiedente ha verificato come l’architettura del circuito con amplificatore operazionale consenta vantaggiosamente di minimizzare il numero di interruttori analogici e permetta di condividere i partitori tra più celle; inoltre permette di “multiplexare†un unico, o pochi amplificatori da strumentazione, tra molte celle adiacenti.

Viene descritto e analizzato nel seguito, in modo dettagliato, il funzionamento del circuito elettronico nella forma realizzativa che prevede l’impiego di un amplificatore da strumentazione, con particolare riferimento alle funzioni di trasferimento tra ingressi e uscite, alle relazioni tra tensioni, correnti e resistenze, e agli effetti della non-idealità dei componenti del circuito.

L'analisi della seconda forma realizzativa à ̈ semplificata rispetto a quella della prima, dal momento che le correnti provenienti dalle sorgenti di tensione fluiscono unicamente nelle resistenze dei partitori e non prendono parte alla retroazione. Ciò permette di considerare separatamente i contributi dei partitori e degli amplificatori da strumentazione.

In questo caso, Ã ̈ opportuno assumere che tutti i partitori abbiano la stessa attenuazione, e che gli interruttori e gli amplificatori siano ideali. Occorre anzitutto dimensionare i partitori in modo che, nel caso peggiore, non vengano eccedute le massime tensioni applicabili agli ingressi dell'amplificatore da strumentazione.

All'uscita di ciascun partitore, considerando il positivo della cella N, Ã ̈ presente la tensione:

,

nella quale il parametro “k†definisce l'attenuazione del partitore.

La tensione vista dall'ingresso dell'amplificatore da strumentazione che elabora la tensione della cella N Ã ̈:

,

nella quale si assume che tutte le resistenze superiori dei partitori siano uguali a R1 e che tutte le inferiori siano uguali a R2. La tensione all'uscita dell'amplificatore da strumentazione risulta:

,

dove G indica il guadagno dell'amplificatore da strumentazione, pari a:

,

In tale relazione si à ̈ considerato RD1=RD2, RD3=RD4, RD5=RD6 per l'amplificatore di ciascuna cella.

È opportuno scegliere:

,

al fine di ottenere all'uscita di ciascun amplificatore un valore di tensione pari alla differenza di tensione tra una cella e la precedente, entrambe entranti in tale amplificatore:

Si ritiene tecnicamente equivalente alla forma descritta, e quindi rientrante nell’ambito di tutela, ogni forma di realizzazione della presente invenzione nella quale il circuito comprende un amplificatore da strumentazione, quest’ultimo in qualsiasi forma, anche monolitica, presentante il primo ingresso, il secondo ingresso, l’uscita di tensione e uno o più amplificatori operazionali.

Come nella prima forma realizzativa, un aspetto da considerare nell’analisi del circuito à ̈ rappresentato dagli effetti delle non idealità delle resistenze, ossia la presenza di elementi parassiti (capacità in parallelo ed induttanza in serie): tali elementi possono essere trascurati per frequenze molto inferiori a quelle di taglio dei vari filtri parassiti che si vengono a formare nel circuito. Ipotizzando resistenze dell'ordine delle centinaia di kΩ e capacità dell'ordine delle centinaia di pF, si ottengono bande passanti dell'ordine della decina di kHz, quindi ampiamente superiori alle frequenze tipiche delle tensioni delle celle i una batteria.

Per quanto riguarda i partitori, un eventuale loro sbilanciamento, ossia il caso in cui le resistenze superiori non sono tutte uguali tra loro (lo stesso vale per le inferiori), cioà ̈ i fattori “k†precedentemente definiti non sono uguali per tutti i partitori, introduce una sensibilità al modo comune, oltre ad un errore di guadagno.

Assumendo che il polo positivo della cella N venga elaborato da un partitore ideale, con attenuazione k, mentre il negativo (che à ̈ anche il positivo della cella precedente N-1) venga elaborato con un'attenuazione k(1+ε), le tensioni dei due poli possono essere scritte in termini di modo comune e differenziale come:

La tensione all'ingresso del relativo amplificatore da strumentazione risulta:

,

se ε=0, allora si ritrova la formula del caso ideale. All'uscita dell'amplificatore da strumentazione, si otterrà:

,

nella quale si sfrutta il fatto che G = 1/k. Quindi si ha un errore di guadagno e si introduce un errore di modo comune, con il corrispondente rapporto di reiezione:

Ulteriori aspetti da considerare nell’analisi del circuito sono rappresentati dagli effetti delle non idealità delle sorgenti di tensione, degli interruttori analogici e dell’amplificatore da strumentazione.

Per quanto riguarda le sorgenti di tensione, se le celle hanno una resistenza interna non nulla, questa resistenza si somma alle resistenze superiori dei partitori, introducendo un errore ε. Tenendo in conto gli ordini di grandezza, quest'errore risulta trascurabile, in quanto le resistenze interne delle celle sono dell'ordine dei mΩ, mentre le resistenze superiori dei partitori sono dell'ordine delle centinaia di kΩ o addirittura dei MΩ.

Per quanto riguarda la resistenza parassita in serie agli interruttori, va notato che il caso peggiore à ̈ quello dei MOSFET, nei quali può arrivare a poche decine di Ω (25Ω per il prodotto commerciale noto con il codice ZVN3320). Anche in questo caso, le resistenze superiori dei partitori sono decisamente più grandi (almeno quattro ordini di grandezza) rispetto alla resistenza parassita considerata. Il CMRR introdotto dai MOSFET sarà quindi limitato a circa 10000, molto migliore di quello introdotto dalle tolleranze delle resistenze superiori (0.1%, quindi CMRR limitato a 1000, a meno di non utilizzare resistenze molto precise e costose). La variazione della resistenza di canale con la temperatura può essere stimata in un raddoppio per un incremento della temperatura di 50°C. Anche in questo caso (peraltro difficilmente ottenibile nel caso di una batteria progettata correttamente), il CMRR non à ̈ limitato dagli interruttori analogici, e comunque viene introdotta una dipendenza dalla temperatura difficilmente osservabile dal convertitore analogico/digitale di cui sono normalmente dotati i microcontrollori (10-12bit, cioà ̈ una parte su 1024 o 4096, rispettivamente).

La capacità parassita dell'interruttore introduce un filtro parassita ed una dipendenza del CMRR dalla frequenza, ma per le considerazioni espresse precedentemente, gli effetti di questi filtri diventano apprezzabili solo dalla decina di kHz in su.

Per quanto concerne la non idealità dell'amplificatore da strumentazione, la tensione di offset si somma alla tensione in ingresso all'amplificatore da strumentazione e viene quindi amplificata col medesimo guadagno (G). Ipotizzando una batteria a venti celle al lito (84V a fine carica nominale), e volendo limitare sotto i 5V la tensione all'ingresso dell'amplificatore, un'attenuazione k=1/20 ed un corrispondente G=20, implicano un errore di 20mV per ogni mV di tensione di offset. Tale valore può essere facilmente compensato in fase di calibrazione. E' importante scegliere o progettare l'amplificatore da strumentazione in modo che la variazione della tensione di offset con la temperatura, l'umidità e l'invecchiamento sia contenuta in poche decine di Î1⁄4V, in modo tale che l'errore complessivo sia minore di 1mV.

Selezionando amplificatori con ingresso a FET e considerando che le correnti in ingresso generano errori in tensione per via del loro fluire nel parallelo tra R1 ed R2 (le resistenze superiori ed inferiori dei paritori), Ã ̈ possibile valutare in una decina di nV l'errore introdotto prima dell'amplificatore da strumentazione, e quindi trascurabile rispetto a quello dovuto alla sua tensione di offset. Anche nel caso di correnti dell'ordine del nA (tipiche di amplificatori con ingresso a BJT), si ottengono errori paragonabili a quelli dovuti alla tensione di offset.

Infine, la stabilità dell'amplificatore da strumentazione non à ̈ influenzata dal dimensionamento del partitore, in quanto questi non partecipa alla rete di retroazione. Il circuito oggetto della presente invenzione può essere realizzato sia in forma integrata sia mediante componenti discreti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito elettronico (1), in particolare per un sistema di gestione di una batteria, il circuito comprendente: - almeno un ingresso (Vn; Vp), destinato ad essere collegato ad una sorgente di tensione posta a monte del circuito; - almeno un amplificatore elettronico (10), dotato di almeno un terminale di ingresso positivo (11), un terminale di ingresso negativo (12) e un’uscita di tensione (13), detto almeno un ingresso essendo collegato elettricamente con detto terminale d ingresso positivo o detto terminale di ingresso negativo; - almeno un partitore di tensione (20) interposto tra, e collegato con, detto almeno un ingresso e uno tra detto terminale di ingresso positivo e detto terminale di ingresso negativo; il circuito comprendendo inoltre almeno un interruttore analogico (30) collegato operativamente in serie a detto almeno un partitore di tensione e selettivamente operabile almeno tra una condizione di chiusura, nella quale consente il passaggio di corrente elettrica da detto almeno un ingresso a detto amplificatore elettronico, e una condizione di apertura, nella quale interrompe il passaggio di corrente elettrica da detto almeno un ingresso a detto amplificatore elettronico, detto almeno un interruttore analogico (30) essendo preferibilmente un transistor a giunzione bipolare (o BJT), un transistor ad effetto di campo (o FET) o un relà ̈.
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, comprendente un ingresso positivo (Vp) e un ingresso negativo (Vn), destinati ad essere collegati rispettivamente ad una sorgente di tensione positiva e ad una sorgente di tensione negativa a monte del circuito, e detto amplificatore elettronico à ̈ un amplificatore operazionale (Ul), dove il terminale di ingresso positivo e il terminale di ingresso negativo dell’ amplificatore operazionale sono collegati elettricamente rispettivamente con deto ingresso positivo e deto ingresso negativo, il circuito comprendendo inoltre un primo partitore di tensione (RI, R3) interposto tra, e collegato con, l’ingresso positivo (Vp) e deto terminale di ingresso positivo, e un secondo partitore di tensione (R2, R4) interposto tra, e collegato con, l’ingresso negativo (Vn) e deto terminale di ingresso negativo, il circuito comprendendo inoltre un primo interruttore analogico (MI) e un secondo interruttore analogico (M2), facenti parte della serie che costituisce rispetivamente deto primo partitore di tensione e detto secondo partitore di tensione, detti primo e secondo interrutore analogico essendo selettivamente e indipendentemente operabili almeno tra deta condizione di chiusura e deta condizione di apertura, per rispetivamente consentire o interrompere il passaggio di corrente eletrica attraverso deto partitore e per fornire selettivamente all'operazionale un segnale valido per la misura dal rispetivo ingresso a deto amplificatore operazionale.
3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 2, in cui deti ingresso positivo (Vp) e ingresso negativo (Vn) sono elettricamente collegati rispetivamente a deta sorgente di tensione positiva e detta sorgente di tensione negativa a monte del circuito, le sorgenti di tensione positiva e negativa essendo i terminali di uscita di una batteria o di una singola cella di una bateria, dove tali terminali di uscita della bateria sono due sorgenti positive, una maggiore dell’altra, e dete sorgenti di tensione positiva e negativa sono rispetivamente la maggiore e la minore delle due tensioni della bateria, e/o in cui detto primo partitore di tensione comprende una prima (RI) e una terza resistenza eletrica (R3) collegate operativamente e logicamente in serie a deto ingresso positivo (Vp) e deto secondo partitore di tensione comprende una seconda (R2) e una quarta resistenza eletrica (R4) collegate in serie a deto ingresso negativo (Vn), deto terminale di ingresso positivo dell’ amplificatore operazionale essendo collegato in posizione intermedia tra deta prima e terza resistenza eletrica e deto terminale di ingresso negativo dell’amplificatore operazionale essendo collegato in posizione intermedia tra detta seconda e quarta resistenza elettrica, e/o in cui il circuito comprende un riferimento di tensione (Vref), collegato al terminale di ingresso positivo dell’amplificatore operazionale, e una quinta resistenza elettrica (R5) interposta in serie tra il riferimento di tensione e il terminale di ingresso positivo, detto riferimento di tensione essendo collegato preferibilmente in un punto comune a valle di dette terza e quarta resistenza elettrica.
4. 4. Circuito secondo la rivendicazione 2 o 3, comprendente una linea di retroazione (40) collegante l’uscita di tensione (13) e il terminale di ingesso negativo dell’amplificatore operazionale, e comprendente, in serie a detta linea di retroazione, una sesta resistenza elettrica (R6), e/o in cui detto primo interruttore analogico (MI) à ̈ interposto in serie tra dette prima e terza resistenza elettrica e detto secondo interruttore analogico (M2) à ̈ interposto in serie tra detta seconda e quarta resistenza elettrica, e/o in cui il circuito comprende una linea indipendente di alimentazione collegata a detti primo (MI) e/o secondo interruttore analogico (M2) per determinarne il passaggio tra la condizione di apertura e la condizione di chiusura.
5. 5. Circuito secondo la rivendicazione 1, comprendente almeno un primo (VpN) e un secondo ingresso (Vp(N-l)), destinati ad essere collegati rispettivamente ad una prima sorgente di tensione e ad una seconda sorgente di tensione a monte del circuito, e detto amplificatore elettronico à ̈ un amplificatore da strumentazione (U7, U8, U9), dove il terminale di ingresso positivo e il terminale di ingresso negativo dell’ amplificatore da strumentazione sono collegati elettricamente rispettivamente con detto primo ingresso e detto secondo ingresso, il circuito comprendendo inoltre un primo partitore di tensione (R1,N, R2,N) interposto tra, e collegato con, il primo ingresso (VpN) e detto terminale di ingresso positivo, e un secondo partitore di tensione (R1,N-1, R2,N-1) interposto tra, e collegato con, il secondo ingresso (Vp(N-l)) e detto terminale di ingresso negativo, il circuito comprendendo inoltre un primo interruttore analogico (MN) e un secondo interruttore analogico (MN-1), configurati per interrompere in modo selettivo rispettivamente detto primo partitore di tensione e detto secondo partitore di tensione, detti primo e secondo interruttore analogico essendo selettivamente e indipendentemente operabili almeno tra detta condizione di chiusura e detta condizione di apertura, per rispettivamente consentire o interrompere il passaggio di corrente elettrica attraverso il rispettivo partitore e per fornire selettivamente a detto amplificatore da strumentazione un segnale di misura valido dal rispettivo ingresso a detto amplificatore da strumentazione.
6. 6. Circuito secondo la rivendicazione precedente, in cui detti primo e secondo ingresso sono elettricamente collegati rispettivamente a dette prima e seconda sorgente di tensione a monte del circuito, la prima e la seconda sorgente di tensione essendo rispettivamente il terminale di uscita di una cella di una batteria e il terminale di uscita di una successiva cella della medesima batteria, e/o in cui il primo partitore di tensione comprende una prima (R1,N) e una seconda resistenza elettrica (R2,N) collegate operativamente e logicamente in serie a detto primo ingresso e il secondo partitore di tensione comprende una rispettiva prima (R1,N-1) e una rispettiva seconda resistenza elettrica (R2,N-1) collegate operativamente e logicamente in serie a detto secondo ingresso, dove il terminale di ingresso positivo dell’ amplificatore da strumentazione à ̈ collegato in posizione intermedia tra la prima e la seconda resistenza elettrica del primo partitore di tensione e il terminale di ingresso negativo dell’ amplificatore da strumentazione à ̈ collegato in posizione intermedia tra le rispettive prima e seconda resistenza elettrica del secondo partitore di tensione.
7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui Γ amplificatore da strumentazione comprende un primo amplificatore operazionale (U8), avente il rispettivo terminale di ingresso positivo collegato a detto primo ingresso del circuito, un secondo amplificatore operazionale (U7), avente il rispettivo terminale di ingresso positivo collegato a detto secondo ingresso del circuito, e un terzo amplificatore operazionale (U9) collocato a valle di detti primo e secondo amplificatore operazionale e avente il rispettivo terminale di ingresso positivo collegato all’uscita del primo amplificatore operazione, mediante una resistenza elettrica (RD3,N) e il rispettivo terminale di ingresso negativo collegato all’ uscita del secondo amplificatore operazione, mediante una rispettiva resistenza elettrica (RD4,N), e/o in cui il primo (U8), il secondo (U7) e il terzo amplificatore operazionale (U9) hanno una rispettiva linea di retroazione, collegante la rispettiva uscita al rispettivo terminale di ingresso negativo, comprendente una rispettiva resistenza elettrica di retroazione (RD1,N, RD2,N e RD6,N), e/o in cui detti primo e secondo amplificatore operazionale hanno i rispettivi terminali di ingresso negativo tra loro collegati tramite una resistenza elettrica di guadagno (RG,N).
8. 8. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, comprendente un riferimento di tensione (Vref), collegato in un punto comune all’uscita del primo amplificatore operazionale e al terminale di ingresso positivo del terzo amplificatore operazionale, e una quinta resistenza elettrica (RD5,N) interposta in serie tra il riferimento di tensione e il terminale di ingresso positivo del terzo amplificatore, detto riferimento di tensione essendo collegato preferibilmente in un punto a valle della resistenza elettrica RD3,N, e/o in cui detto primo interruttore analogico (MN) à ̈ interposto in serie tra la prima (R1,N) e la seconda resistenza elettrica (R2,N) del primo partitore di tensione, e detto secondo interruttore analogico (MN-1) à ̈ interposto in serie tra la rispettiva prima (R1,N-1) e la rispettiva seconda resistenza elettrica (R2,N-1) del secondo partitore di tensione, e/o in cui il circuito comprende una linea indipendente di alimentazione collegata a detti primo e secondo interruttore analogico per determinarne il passaggio tra la condizione di apertura e la condizione di chiusura.
9. 9. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, comprendente una pluralità di amplificatori da strumentazione concatenati in successione in modo tale che il primo ingresso di un amplificatore sia elettricamente collegato al secondo ingresso dell’ amplificatore successivo e il primo ingresso dell’ amplificatore successivo sia elettricamente collegato al secondo ingresso dell’ amplificatore ancora successivo, e comprende inoltre una pluralità di ingressi in cui un primo ingresso à ̈ collegato al terminale di ingresso negativo del primo amplificatore da strumentazione, un secondo ingresso à ̈ collegato al terminale di ingresso positivo del primo amplificatore da strumentazione e al terminale di ingresso negativo dell 'amplificatore successivo, e un terzo ingresso à ̈ collegato al terminale di ingresso positivo dell 'amplificatore successivo e al terminale di ingresso positivo di un amplificatore da strumentazione ancora successivo, detto schema potendosi ripetere per una pluralità di ingressi di tensione successivi destinati ad essere collegati a successive celle di una batteria.
10. 10. Sistema di gestione di una batteria comprendente una pluralità di circuiti elettronici secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ciascuno essendo destinato ad essere collegato ad una rispettiva cella di una batteria elettrica.