TW201303336A - 電池電壓量測系統與方法 - Google Patents

Abstract

一種電池電壓量測系統，包括量測單元、校正單元與控制單元。校正單元耦接於量測單元與電池之間，用以提供多個測試電壓至量測單元。控制單元耦接於量測單元與校正單元，用以控制校正單元與接收量測單元的輸出電壓。在校正模式下，校正單元輸出測試電壓至量測單元，控制單元根據測試電壓與量測單元的輸出電壓之間的關係計算一校正值。在量測模式下，校正單元傳遞電池電壓至量測單元，而控制單元則根據校正值校正量測單元的輸出電壓以取得正確的電池電壓。

Description

電池電壓量測系統與方法

本發明是有關於一種電池電壓的量測單元，且特別是有關於一種具有自我校正功能的電池電壓量測系統。

石化燃料是目前交通運輸工具的主要動力來源，但是燃燒石油會影響生態環境以及帶來溫室效應等問題。為了降低對石油的依賴性，世界各國都在發展替代能源以取代石化燃料。由於電動車可以減少對環境的汙染，目前有很多大型車商與國家都投入大量的資源在進行研發。電動車最重要的關鍵技術就是電池與其電力管理技術。

高壓電池管理系統中最重要的功能就是量測電池電壓，以用來避免電池發生過充或過放的情形。為了達成可精準量測電池電壓，電路上常採用微控制器、類比數位轉換器、運算放大器、電阻等零件來進行量測。然而電子零件的老化及損壞還有外在使用環境及工作溫度都有可能影響電子零件特性，進而造成量測誤差。

在習知技術中，高壓電池管理系統通常無法自行判斷本身的量測誤差以及進行自我診斷與校正。高壓電池管理系統的電壓量測準確性必須藉由使用外部的量測儀器才能確認，這會造成使用者額外的成本與方便性下降。

本發明提供一種電池電壓量測系統，其具有自我診斷與校正的功能，藉由提供固定電壓進行檢測及軟體上的控制，確保電池電壓量測之誤差在允許範圍內，可提高串聯電池組的安全性並增加其使用壽命。

本發明提出一種電池電壓量測系統，適用於量測一電池的一電池電壓，包括一量測單元、一校正單元與一控制單元。量測單元用以量測該電池電壓。校正單元耦接於該量測單元與電池之間，用以提供多個測試電壓至該量測單元。控制單元耦接於量測單元與校正單元，用以控制校正單元與接收量測單元的輸出電壓。其中，電池電壓量測系統具有一校正模式與一量測模式。在校正模式下，校正單元輸出該些測試電壓至量測單元，控制單元根據該些測試電壓與量測單元的輸出電壓之間的關係計算一校正值。在量測模式下，校正單元傳遞電池電壓至量測單元，而控制單元則根據校正值校正量測單元的輸出電壓以取得正確的電池電壓。

本發明另提出一種電池電壓量測方法，包括下列步驟：依序提供多個測試電壓至一量測單元；根據該些測試電壓與該量測單元的輸出電壓之間的關係計算一校正值；以及傳遞一電池電壓至該量測單元以量測該電池電壓，並根據該校正值校正該量測單元的輸出電壓。

綜合上述，本發明所提出的電池電壓量測系與方法可以自行提供測試用的測試電壓來測試量測電路是否誤差，然後去除誤差以獲得正確的電池電壓。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在下文中，將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明，而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。

(第一實施例)

圖1繪示本發明第一實施例的電池電壓量測系統的功能方塊圖。電池電壓量測系統100包括校正單元110、量測單元120與控制單元130。校正單元110耦接於串聯電池組101與量測單元120之間，控制單元130則耦接於校正單元110與量測單元120。電池電壓量測系統100具有校正模式與量測模式兩種操作模式。

在校正模式下，控制單元130會致能校正單元110以輸出測試電壓至量測單元120的輸入端，然後根據量測單元120的輸出與測試電壓之間的關係取得量測單元120的增益與線性度等電路參數。控制單元130會根據在校正模式下所取得的參數計算一校正值。在量測模式下，校正單元110會傳遞串聯電池組101的電池電壓至量測單元120以進行量測。控制單元130會根據校正值來校正量測單元120的輸出電壓以推算正確的電池電壓。值得注意的是，上述電池電壓可以是任一個電池兩端的電壓或多個串聯電池兩端的電壓，本實施例不受限制。

量測單元120的線性度或零件特性可能受到電子零件的老化、損壞、外在使用環境及工作溫度等因素的影響而產生誤差。因此，在進行校正模式後，電池電壓量測系統100可以重新取得量測單元120的電路特性，以便校正量測單元120的輸出電壓。藉此，電池電壓量測系統100可以取得較為正確的電池電壓，並且可以解決因量測單元120特性改變所產生的量測誤差。

請同時參考圖2，其繪示本實施例的電池電壓量測系統100的電路示意圖。校正單元110包括隔離單元210與電壓產生單元220。隔離單元210耦接於量測單元120的輸入端與串聯電池組101之間。在校正模式下，隔離單元210隔離串聯電池組101與量測單元120以避免串聯電池組101的電壓影響到量測單元120；在量測模式下，隔離單元210會傳遞串聯電池組101的電池電壓至量測單元120以量測電池電壓的大小。電壓產生單元220則會在校正模式下產生測試電壓VP、VN至量測單元120。

隔離單元210包括第一隔離電路211與第二隔離電路212，分別耦接於量測電路120的兩個輸入端與串聯電池組101之間。第一隔離電路211包括電阻R11、R12、R13、NPN電晶體Q1與PMOS電晶體Q2。PMOS電晶體Q2的源極與汲極分別耦接於電池11的正端與量測單元120的輸入端PIN1之間，而電阻R12耦接於PMOS電晶體Q2的源極與閘極之間。電阻R13耦接於PMOS電晶體Q2的閘極與NPN電晶體Q1的集極之間，而NPN電晶體Q1的基極則經由電阻R1耦接於致能信號VE。第二隔離電路212包括電阻R14、R15、R16、NPN電晶體Q3與PMOS電晶體Q4，其中PMOS電晶體Q4耦接於電池11的負端與量測單元120的第二輸入端PIN2之間，而其餘電路架構與第一隔離電路211相似，不再贅述。控制單元130可以經由電阻R11、R14分別耦接至電晶體Q1與Q3的基極，並且調整致能信號VE以控制PMOS電晶體Q2、Q4的導通與否。

當致能信號VE為高電位時，PMOS電晶體Q2、Q4會導通，使電池11兩端的電壓可以傳遞至量測單元120；當致能信號VE為低電位時，PMOS電晶體Q2、Q4會關閉以隔離電池11兩端的電壓與量測單元120。控制單元130可以根據操作模式的改變輸出致能信號VE至隔離單元210，以在校正模式下隔離電池11兩端的電壓與量測單元120。

電壓產生單元220包括致能電路221、電壓產生電路222與輸出隔離電路223。致能電路221包括電阻R17、R18、R19 NPN電晶體Q5與PNP電晶體Q6，其PNP電晶體Q6的射極與集極分別耦接於電池11的正端與電壓產生電路222，用以傳遞電力至電壓產生電路222以產生測試電壓VP、VN。電阻R18耦接於PNP電晶體Q6的射極與基極之間。電阻R19耦接於PNP電晶體Q6的基極與NPN電晶體Q5的集極之間。NPN電晶體Q5的射極耦接於接地端GND，而其基極則經由電阻R17耦接於診斷致能信號DE。控制單元130可以輸出診斷致能信號DE至PNP電晶體Q5以控制PNP電晶體Q6。

當診斷致能信號DE為高電位時，PNP電晶體Q6導通以傳遞串聯電池組101的電力至電壓產生電路222。當診斷致能信號DE為低電位時，PNP電晶體Q6關閉以隔離串聯電池組101與電壓產生電路222。此時，電壓產生電路222不作動。

電壓產生電路222包括電阻R22、電容C1與複數個偏壓產生電路231、232、233與分壓電路234，其中電阻R22串接於致能電路221與偏壓產生電路231、232、233之間。電容C1耦接於各該偏壓產生電路231、232、233的輸出與接地端GND之間。各該偏壓產生電路231、232、233由標準電壓元件與NPN電晶體構成。偏壓產生電路231包括電阻R20、標準電壓元件Z1與NPN電晶體Q7，其中標準電壓元件Z1耦接於電阻R22的一端與NPN電晶體Q7的集極之間。NPN電晶體Q7的射極耦接於接地端GND，其基極則經由電阻R20耦接於控制信號VC1。偏壓產生電路232包括電阻R21、標準電壓元件Z2與NPN電晶體Q8；偏壓產生電路233包括電阻R23、標準電壓元件Z3與NPN電晶體Q9。偏壓產生電路232、233的電路架構與偏壓產生電路231相似，不再贅述。標準電壓元件Z1例如是齊納二極體(zener diode)，但本發明不限制於此。

偏壓產生電路231~233分別受控於控制信號VC1、VC2與VC3。控制單元130可經由調整控制信號VC1、VC2與VC3來改變偏壓產生電路231~233所產生的偏壓。值得注意的是，本實施例以三組偏壓產生電路231~233為例說明，但本實施例不限制偏壓產生電路的組數。

分壓電路234由複數個串聯的電阻R24~R27組成，其耦接於偏壓產生電路231~233與接地端GND之間。

輸出隔離電路223包括兩個NMOS電晶體Q10、Q11，分別耦接於電阻R24的兩端與量測單元120的第一輸入端PIN1與第二輸入端PIN2之間。NMOS電晶體Q10的閘極經由電阻R28耦接於致能電路221的輸出電壓VG。因此，當致能電路221致能時，其高電位的輸出電壓VG會使NMOS電晶體Q10、Q11導通以輸出測試電壓VP、VN。反之，當致能電路221失能時，其低電位的輸出電壓VG會使NMOS電晶體Q10、Q11關閉。換言之，輸出隔離電路223係受控於致能電路221的輸出電壓VG。當診斷致能信號DE致能時，輸出隔離電路223中的NMOS電晶體Q10、Q11導通；當診斷致能信號DE失能時，輸出隔離電路223中的NMOS電晶體Q10、Q11關閉(不導通)。在本實施例中，測試電壓VP、VN不限制為電阻R24兩端的電壓，可以依照需要切換至不同電阻的分壓以產生不同的測試電壓VP、VN。

值得注意的是，上述電壓產生電路222主要的功能在於產生測試電壓，其電路架構可以有很多種實施方式，例如直接以電阻分壓或是使用數位類比轉換器來產生不同的類比電壓。本實施例的電壓產生電路222不限制於圖2所示的電路架構。

量測單元120包括運算放大器251、類比數位放大器252、電阻R30、R31、R32、R33。電阻R30耦接於第一輸入端PIN1與運算放大器251的非反相端之間，而電阻R31耦接於運算放大器251的非反相端與接地端GND之間。電阻R32耦接於運算放大器251的反相端與第二輸入端PIN2之間。電阻R33耦接於運算放大器251的輸出端與反相端之間。類比數位放大器252耦接於運算放大器251的輸出端與控制單元130之間，用以將運算放大器251的輸出電壓轉換為數位信號並輸出至控制單元130。控制單元130例如為微控制器，但本實施例不受限制。

在本實施例中，由於具有三組偏壓產生電路231~233，因此至少可以產生三組不同的測試電壓VP、VN。在校正模式下，控制單元130可以經由控制致能信號VE、診斷制能信號DE與控制信號VC1~VC3來控制校正單元110以偵測量測單元120的誤差、增益與電路特性。舉例來說，控制單元130可以依序致能控制信號VC1~VC3以產生三組不同的測試電壓VP、VN至量測單元120，然後根據量測單元120的輸出電壓變化來獲得量測單元120的增益與線性度。

請參照圖3，其繪示本實施例的量測結果示意圖。假設三組測試電壓VP、VN的電壓差為電壓VA、VB與VC。量測單元120的輸出電壓分別為V1、V2與V3。由圖3可知，量測單元120在電壓VA至電壓VC之間並非線性。控制單元130會根據三組測試電壓VP、VN與量測單元120的輸出電壓之間的關係計算一校正值。然後，在量測模式下，控制單元130會根據所得到的校正值來校正量測單元120的輸出電壓以取得正確的電池電壓。

另外，在校正模式下，控制單元130會致能診斷致能信號DE，使致能電路221以傳遞電力至電壓產生電路222，藉此產生測試電壓VP、VN至量測單元120。控制單元130會同時使隔離單元210中的PMOS電晶體Q2、Q4關閉以隔離串聯電池組101與量測單元120。在量測模式下，電壓產生單元220不會輸出量測電壓VP、VN，控制單元130會同時使隔離單元210中的PMOS電晶體Q2、Q4導通以傳遞電池11的電池電壓至量測單元120。

換言之，本實施例的電池電壓量測系統100可以自行測試量測單元120的電路特性，然後依照測試結果校正量測單元120的輸出電壓以增加電池電壓的量測準確性。校正的過程僅需經由軟體運算校正即可，不需調整硬體電路。另外，當控制單元130發現量測單元120產生誤差時，可以利用微處理器的通訊功能告知使用者相關的資訊。

值得注意的是，上述校正單元110所接收的致能信號VE、診斷致能信號DE與控制信號VC1~VC3可以來自控制單元130，也可以來自外部系統，本實施例並不限制信號的來源。上述電池電壓量測系統100中可以包括多組校正單元110與量測單元120以對應量測串聯電池組101中的其他電池，本實施例不限制校正單元110與量測單元120的組數。另外，同一組校正單元110中也可設置多組隔離單元210與電壓產生單元220以對應耦接至不同的電池。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。

(第二實施例)

上述圖2中的第一隔離電路211、第二隔離電路212、致能電路221與輸出隔離電路223可以直接由開關元件實現，例如PMOS電晶體、NMOS電晶體、BJT電晶體或繼電器等，本實施例並不限制開關元件的種類。請參照圖4，其繪示本發明第二實施例的電池電壓量測系統的電路示意圖。圖4與圖2主要差異在於以開關411取代第一隔離電路211，以開關412取代第二隔離電路212，以開關421取代致能電路221以及以開關423、424取代輸出隔離電路223。圖4中的其餘電路架構與操作方式與上述圖2相同，在此不再贅述。

從上述實施例中，本發明可歸納出一種電池電壓量測方法。請同時參照圖2與圖5，圖5繪示本發明一實施例的電池電壓量測方法的流程圖。首先，校正單元110會提供多個測試電壓至量測單元120(步驟S510)；然後，控制單元130會根據測試電壓與量測單元120的輸出電壓之間的關係計算一校正值(步驟S520)。在取得校正值後，校正單元110可以進入量測模式，然後傳遞電池電壓至量測單元120以量測電池電壓，控制單元130會根據校正值校正量測單元120的輸出電壓以獲得正確的電池電壓值。本發明的電池電壓量測方法的其餘細節如同上述第一實施例的說明，在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。

在上述實施例中，PNP電晶體為PNP雙極接面電晶體(PNP bipolar junction transistor)的簡稱。NPN電晶體為NPN雙極接面電晶體(NPN bipolar junction transistor)的簡稱。NMOS電晶體為N通道金氧半場效電晶體(N channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)的簡稱。PMOS電晶體為P通道金氧半場效電晶體(P channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)的簡稱。

此外，值得注意的是，上述元件之間的耦接關係包括直接或間接的電性連接，只要可以達到所需的電信號傳遞功能即可，本發明並不受限。上述實施例中的技術手段可以合併或單獨使用，其元件可依照其功能與設計需求增加、去除、調整或替換，本發明並不受限。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。

綜上所述，本發明的電池電壓量測系統可以提供測試電壓來測試量測單元的電路特性，藉此校正量測單元的誤差。本發明可以降低因元件老化、故障或是環境不同所造成的量測誤差，並且得到正確的電池電壓值。

雖然本發明之較佳實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．電池電壓量測系統

101．．．串聯電池組

110．．．校正單元

120．．．量測單元

130．．．控制單元

210．．．隔離單元

211．．．第一隔離電路

212．．．第二隔離電路

220．．．電壓產生單元

221．．．致能電路

222．．．電壓產生電路

223．．．輸出隔離電路

231、232、233．．．偏壓產生電路

234．．．分壓電路

251．．．運算放大器

252．．．類比數位放大器

411、412、421、423、424．．．開關

R11~R33．．．電阻

Q1~Q11．．．電晶體

C1．．．電容

VE．．．致能信號

VP、VN．．．測試電壓

DE．．．診斷致能信號

GND．．．接地端

Z1、Z2、Z3．．．標準電壓元件

VC1、VC2、VC3．．．控制信號

PIN1．．．第一輸入端

PIN2．．．第二輸入端

VG．．．輸出電壓

VP、VN．．．測試電壓

VA、VB、VC．．．電壓

V1、V2、V3．．．電壓

圖1繪示本發明第一實施例的電池電壓量測系統的功能方塊圖。

圖2繪示本發明第一實施例的電池電壓量測系統100的電路示意圖。

圖3繪示本發明第一實施例的量測結果示意圖。

圖4繪示本發明第二實施例的電池電壓量測系統的電路示意圖。

圖5繪示本發明一實施例的電池電壓量測方法的流程圖。

100．．．電池電壓量測系統

101．．．串聯電池組

110．．．校正單元

120．．．量測單元

130．．．控制單元

Claims (13)

1. 一種電池電壓量測系統，適用於量測一電池的一電池電壓，包括：一量測單元，用以量測該電池電壓；一校正單元，耦接於該量測單元與該電池之間，用以提供多個測試電壓至該量測單元；以及一控制單元，耦接於該量測單元與該校正單元，用以控制該校正單元與接收該量測單元的輸出電壓；其中，該電池電壓量測系統具有一校正模式與一量測模式，在該校正模式下，該校正單元輸出該些測試電壓至該量測單元，該控制單元根據該些測試電壓與該量測單元的輸出電壓之間的關係計算一校正值；在該量測模式下，該校正單元傳遞該電池電壓至該量測單元，而該控制單元則根據該校正值校正該量測單元的輸出電壓以取得該電池電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電池電壓量測系統，其中該校正單元包括：一隔離單元，耦接於該量測單元與該電池之間；以及一電壓產生單元，用以產生該些測試電壓至該量測單元；其中，在該校正模式下，該隔離單元隔離該量測單元與該電池；在該量測模式下，該隔離單元傳遞該電池電壓至該量測單元。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電池電壓量測系統，其中該隔離單元包括：一第一隔離電路，耦接於該量測單元的一第一輸入端與該電池的一第一端之間，用以隔離該量測單元與該電池；以及一第二隔離電路，耦接於該量測單元的一第二輸入端與該電池的一第二端之間，用以隔離該量測單元與該電池。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電池電壓量測系統，其中該第一隔離電路包括：一PMOS電晶體，其源極耦接於該量測單元的該第一輸入端，其汲極耦接於該電池的該第一端；一第一電阻，耦接於該PMOS電晶體的源極與閘極之間；一第二電阻，其一端耦接於該PMOS電晶體的閘極；以及一NPN電晶體，其集極耦接該第二電阻的另一端，其射極耦接於一接地端，其基極耦接於該控制單元。
5. 如申請專利範圍第3項所述的電池電壓量測系統，其中該第二隔離電路包括：一PMOS電晶體，其源極耦接於該量測單元的該第二輸入端，其汲極耦接於該電池的該第二端；一第一電阻，耦接於該PMOS電晶體的源極與閘極之間；一第二電阻，其一端耦接於該PMOS電晶體的閘極；以及一NPN電晶體，其集極耦接該第二電阻的另一端，其射極耦接於一接地端，其基極耦接於該控制單元。
6. 如申請專利範圍第3項所述的電池電壓量測系統，其中該第一隔離電路與該第二隔離電路係分別由一開關形成。
7. 如申請專利範圍第2項所述的電池電壓量測系統，其中該電壓產生單元包括：一電壓產生電路，用以產生該些測試電壓；以及一致能電路，耦接於該電壓產生單元與該電池之間，根據一診斷致能信號傳遞電力至該電壓產生單元；以及一輸出隔離電路，耦接於該電壓產生電路與該量測單元之間；其中，該輸出隔離電路係受控於該致能電路的輸出電壓。
8. 如申請專利範圍第7項所述的電池電壓量測系統，其中該電壓產生電路包括：複數個偏壓產生電路，並聯耦接於該致能電路的輸出與一接地端之間，該些偏壓產生電路分別對應於不同的偏壓；以及一分壓電路，耦接於該些偏壓產生電路與該輸出隔離電路之間，用以產生一第一測試電壓與一第二測試電壓至該輸出隔離電路。
9. 如申請專利範圍第8項所述的電池電壓量測系統，其中各該偏壓產生電路包括：一標準電壓元件，其負端耦接於該致能電路的輸出；以及一NPN電晶體，耦接於該標準電壓元件的正端與一接地端之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述的電池電壓量測系統，其中該分壓電路係由多個串聯電阻形成。
11. 如申請專利範圍第7項所述的電池電壓量測系統，其中該致能電路包括：一PNP電晶體，其射極耦接於該電池，其集極耦接於該電壓產生單元；一第一電阻，耦接於該PNP電晶體的射極與基極之間；一第二電阻，其一端耦接於該PNP電晶體的基極；以及一NPN電晶體，其集極耦接該第二電阻的另一端，其射極耦接於一接地端，其基極耦接於該控制單元。
12. 如申請專利範圍第1項所述的電池電壓量測系統，其中該量測單元包括：一運算放大器，其非反相輸入端與反相輸入端耦接於該校正單元；一電阻，耦接於該運算放大器的一輸出端與該第二端之間；以及一類比數位轉換器，耦接於該運算放大器的該輸出端。
13. 一種電池電壓量測方法，包括：依序提供多個測試電壓至一量測單元；根據該些測試電壓與該量測單元的輸出電壓之間的關係計算一校正值；以及傳遞一電池電壓至該量測單元以量測該電池電壓，並根據該校正值校正該量測單元的輸出電壓。