TW201312127A - 一種電池組即時充放電功率值計算積體電路 - Google Patents

Abstract

一種電池組即時充放電功率值計算積體電路，其主要由一個電流量感測元件、一個線性電壓-電流轉換電路、與一個線性電壓-電阻值轉換電路所組成；電路輸出與電池組即時充放電功率值成固定縮小比例之連續電壓訊號，電動車/混合動力車之電池管理系統(BMS)直接用此連續電壓訊號進行電池組充放電總功率累積，可估算電池剩餘電量(SOC)。

Description

一種電池組即時充放電功率值計算積體電路

本發明係關於一種電池組即時充放電功率值計算電路，尤指一種電動車或混合動力車用高功率電池組即時充放電功率值計算之類比IC電路。

鋰電池在一般消費性電子產品上使用都是小容量單電池，其充放電流小且穩定，有些電池電量監控IC使用固定低阻值之精密電阻串聯在電池迴路上，因電阻值(R)為已知固定值，量測精密電阻兩端之電壓差(ΔV)，即可以I=V/R算出電流值(I)，但此方式不能用在大功率之鋰鐵電池組上，因為大電流通過電阻時會消耗很多功率，使電阻溫度上升、阻值變大，依固定電阻值所算出之電流量會有大誤差。

依照鋰鐵電池特性，額定300V之電動車鋰鐵電池組，一般行駛時電壓多維持在290V~320V之間，放電電流大多在20A~60A間；在充電方面，車上之啟動發電機(Integrated Starter Generator,ISG)發電電流，與驅動馬達(Traction Motor)剎車回充電流，一般多在5A~20A範圍。

目前電動車/混合動力車之電池管理系統(Battery Management System,BMS)多是使用庫侖電量累積法(Coulomb-accumulation method)估算電池剩餘電量(State Of Charge,SOC)，因其受電池電化學反應影響小，也不受電池種類影響，有一定之可靠度。感測器將電池充放電之電壓、電流轉換成類比電壓信號，再將類比電壓信號訊號轉換為數位訊號，傳送至電池管理系統之數位信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)，以安培‧小時(Ah)，或瓦‧小時(Wh)，得到充、放電功率值後，以累積方式進行總充放電量加減，進行電池剩餘電量(SOC)估算。

電動車/混合動力車之電池充放電電流量變化差異大且快速，數位系統取樣頻率與A/D轉換位元數將會影響電池組SOC準確度，雖然微電子技術進步使微處理器或DSP執行速度大幅提升，但所產生的熱量與成本也隨之升高，且外部記憶體的速度，會限制了數位系統實際執行速度；因此，若能以類比電路將感測器轉換出之電壓、電流類比電壓信號，直接進行電池即時充放電功率計算後，送出一代表電池即時充放電功率值之電壓訊號，數位系統DSP將可大幅減輕取樣、A/D轉換與數位運算之負擔，且類比電路輸出之連續信號如同高頻取樣，有助於提升電池估算SOC之準確度與降低BMS成本。

本發明提出一種電池組即時充放電功率值計算電路，其輸出一代表電池組即時充放電功率值之連續電壓訊號，結構簡單，用以估算電池組剩餘電量，可降低電池管理系統成本與提升電池組剩餘電量準確度。

電功率(P)=電流(I)＊電壓(V)，類比電路將感測器轉換出之電池組電流信號Vi、電壓信號Vv，分別轉換為線性電流“i”與線性電阻值“r”，並使i通過r，如同電流(i)＊電阻值(r)=電壓(v)，只要電路轉換的線性度夠，則“r”上出現之電壓“v”便像電流信號Vi與電壓信號Vv之乘積，亦如電流(I)乘電壓(V)一樣，電壓值“v”即如同縮小倍率之功率值(P)，若再加入BMS之取樣時間(t)後，P*t即成為瓦‧小時(Wh)。

有關本發明之詳細技術內容，將提出配合圖示之實施例清楚呈現。

請參閱圖1，為本發明電池組即時充放電功率值計算電路完整實施例架構圖，其包含：一個將電池組充放電電流值(I)轉換為電壓訊號(Vi)輸出的電流量感測元件10、一個將電池組高電壓(V)轉換為低電壓(Vv)之降壓電路20、一個將電流量感測元件10輸出之電壓訊號(Vi)轉換成線性小電流“i”的線性電壓-電流轉換電路30、一個將電池組降壓後之電壓值(Vv)轉換成線性電阻值“r”的線性電壓-電阻值轉換電路40、一個電池充放電訊號指示裝置50、一個功率值計算電路60、一個零功率指示裝置70、一個時序電路80。

電流量感測元件10是以霍爾效應將通過電流轉換成等比例之電壓訊號“Vi”輸出，其以不同電壓範圍來區分充電與放電，設定輸出電壓“Vi”之範圍為0V~5V，0V~2.5V為充電電流250A~0A，2.5V為零電流，2.5V~5V為放電電流0~250A；“Vi”每1V代表100A。電池組降壓電路20會將電池組高電壓(V)降低100倍成為“Vv”，以供IC電路使用。

圖2為本發明之線性電壓-電流轉換電路30實施例，為本發明人另一台灣發明案，其有良好之電壓-電流轉換線性度，輸出電流“I_out”大小可由金氧半場效電晶體之長寬改變；電壓-電流轉換電路30接收上述電流量感測元件10輸出之電壓信號“Vi”，“Vi”每1V轉換出“I_out”近似為100uA，等同電池組電流1A在該電壓-電流轉換電路30會轉換出近似1uA電流；在零電流時電壓信號“Vi”為2.5V，“I_out”近似為250uA；在充電100A時電壓信號“Vi”為1.5V，“I_out”近似150uA；在放電100A時電壓信號“Vi”為3.5V，“I_out”近似350uA，如圖3。

參閱圖4，為習知技術之電壓-電阻值轉換電路40，設k _n ^'=μ _n C _ox ，k _p '=μ _p C _ox ，圖4電路中，若R1=R2，則金氧半導體場效電晶體401之

V_GS為：　(1)

將式(1)代入金氧半導體場效電晶體三極區電流公式中，則金氧半導體場效電晶體401之I _D 為：

V=I*R，由式(2)，

式(3)顯示，圖4電路之金氧半導體場效電晶體401在三極區時，其電阻值與輸入電壓V_x呈線性關係。

電池組降壓後之電壓信號“Vv”經由金氧半導體場效電晶體402反向輸出，轉換為存在於金氧半導體場效電晶體401汲極到源極間之電阻值“r”；調整R1與R2之電阻值可改變V_v與該電阻值“r”之轉換比例；另外，加入精密可變電阻“Ra”以修正因製程變異所造成之誤差。

將圖2與圖4電路組合，如圖5，成為本發明電池組即時充放電功率值計算電路實施例，當R1、R2之電阻值為100kΩ等級時，電流I_out幾乎全部通過金氧半導體場效電晶體401，節點100之電壓值“Vp”近似於電流I_out值乘上金氧半導體場效電晶體401汲極到源極間之電阻值“r”，如同代表電流值之電壓信號“Vi”乘上代表電池組電壓信號“Vv”，節點100之電壓值“Vp”如同縮小倍率之功率值(P)。

另外，為兼顧節點100之電壓值“Vp”之線性度與將金氧半導體場效電晶體401維持在三極區，調整金氧半導體場效電晶體304的長寬比，使電流I_out值增加一倍，之後再以電阻分壓或數位處理方式將節點100之電壓值“Vp”降低一倍，得到正確的功率代表電壓值。

因電流量感測元件10設定之電壓信號“Vi”在2.5V是零電流，小於2.5V是充電，大於2.5V是放電；電流量感測元件10輸出電壓信號“Vi”為2.5V時，圖5節點100之電壓值“Vp”是代表零功率，但零電流時電池組電壓卻不一定是多少，因而降壓後之電壓信號“Vv”值在零電流時不是固定值，此現象使節點100電壓值“Vp”即使在在零功率也會隨電壓信號“Vv”值不同而改變，要計算電池組即時功率值，需有一可依電池組電壓信號“Vv”值而變的零功率電壓指示信號“Vp0”，此電壓信號“Vp0”可由類比電路(如圖6)或數位系統產生。

使用HSPICE軟體，以0.25um CMOS製程進行模擬，電池組電壓分別設定為280V、290V、300V、310V、320V，參閱圖7，為本發明之電池組即時放電功率值電壓“Vp”與零功率電壓信號“Vp0”輸出模擬圖，電池組即時放電功率值是依電池電壓、電流產生之功率電壓值Vp減去該電池電壓之零功率電壓值Vp0；但電池組即時充電功率值電壓低於零功率電壓指示信號，進行充電功率計算時，為了不產生負電壓，充電是用零電流功率電壓值Vp0減去充電功率電壓值Vp。以電池組電壓300V為例，放電電流50A時“Vi”為3V，對應到“Vp”為0.653V，“Vp0”為0.501V；“Vp”減“Vp0”為0.152V，0.152*10⁵=15200，而實際放電功率計算值為15000W，此0.152V電壓值乘上10⁵倍後，與計算之放電功率值誤差為：(15200-15000)/15000=0.013=1.3%；因應電流量感測元件輸出電壓“Vi”特性，在不同電池電壓下，各放電功率電壓值Vp減去“Vp0”電壓值即為計算之放電功率值；同樣的，各“Vp0”電壓值減去各充電功率電壓值Vp即為計算之充電功率值。

圖1之充放電訊號指示裝置50，可使用比較放大器類比電路或數位系統，以電流量感測元件10在零電流時輸出之電壓值為基準，判斷電池組充電、靜止、放電狀況，供電池管理系統進行電池剩餘電量估算。

(若電流量感測元件10設定之電壓信號“Vi”在0V是零電流，則直接以0V為零功率電壓與充放電訊號指示，可省略零功率電壓指示信號與充放電訊號指示裝置。)

圖1之功率計算電路60可使用類比電路或數位系統進行；圖8為功率計算電路60之類比電路示意圖，其先以充放電訊號指示裝置50決定充、放電，再將圖5節點100之電壓值“Vp”與圖6電路之零充放電功率電壓信號“Vp0”接到電容601兩端，以時序電路80輸出時序信號控制電容601充放方式，計算功率值，在時序信號將電容601一端接地時，電容601另一端之電壓值即代表電池組即時W值。若依不同電流量來配置電容601之電容量，可提昇電池即時充放電功率計算準度。而數位系統則直接以電壓信號“Vi”區分充放電狀態，再以“Vp”值與“Vp0”值進行電池即時充放電功率計算。

圖9為電池組電壓290V~310V，在電池組放電20A~50A，電路模擬輸出之電壓值與理想值誤差。

圖10為電池組電壓290V~310V，在電池組充電5A~15A，電路模擬輸出之電壓值與理想值誤差。

本發明電池組即時充放電功率值計算電路在電壓源5V，時脈頻率40kHz，電壓即時功率值電路模擬總消耗功率約為100mW，對高能量電池組幾乎沒影響，模擬輸出之代表電池組各充放電流、電壓即時功率電壓值乘上10⁵後，與理論即時功率值比較，在電池組常出現之電壓、電流範圍區，充電即時功率值誤差約在0%~+2.5%間；放電即時功率值誤差約在-1%~+3%間。若使用不同容量之功率值電壓輸出電容，則各電流範圍即時功率值誤差都可再降低。

綜上所述，本發明電路以電功率公式推算或根據模擬結果，均能輸出一與電池組即時充放電功率值成近似固定縮小比例之電壓，具備了產業上的利用性，其電路簡單，可降低製造成本。

以上已將本發明作詳細說明，惟上述僅為本發明之較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明專利申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利涵蓋範圍內。

10．．．電流量感測元件

20．．．降壓電路

30．．．電壓-電流轉換電路

40．．．電壓-電阻值轉換電路

50．．．充放電訊號指示裝置

60．．．功率值計算電路

70．．．零功率指示裝置

80．．．時序電路

90．．．電池管理系統

100．．．代表電池組即時充放電功率之電壓信號輸出節點

301、302、303、304、401、402、403、701、702、703、704、705．．．金氧半導體場效電晶體

601．．．電容

V_DD．．．電壓源

Vi．．．代表電池組電流之電壓信號

Vv．．．降壓後之電池組電壓信號

Vp．．．代表電池組即時充放電功率之電壓信號

Vp0．．．代表電池組零電功率之電壓信號

Vb、Vb1、Vb2、Vx．．．電壓信號

R1、R2、R3、R4．．．電阻

Ra、Rb、Rc．．．可變電阻

Iout．．．電流

圖1：為本發明電路整體架構圖。

圖2：為本發明中之電壓-電流轉換電路實施例。

圖3：為本發明使用之電壓-電流轉換電路輸出電流模擬圖。

圖4：為本發明使用之電壓-電阻值轉換電路實施例。

圖5：為本發明電池組即時充放電功率值計算電路實施例。

圖6：為本發明輸出零功率電壓值之類比電路實施例。

圖7：為本發明電路之放電功率電壓“Vp”與零功率電壓信號“Vp0”輸出模擬圖。

圖8：本發明之電池組即時充放電功率值計算電容類比電路示意圖。

圖9：本發明電路輸出之電池組放電功率值誤差圖。

圖10：本發明電路輸出之電池組充電功率值誤差圖。

100．．．代表電池組即時充放電功率之電壓信號輸出節點

301、302、303、304、401、402、403．．．金氧半導體場效電晶體

V_DD．．．電壓源

Vi．．．代表電池組電流之電壓信號

Vv．．．降壓後之電池組電壓信號

Vp．．．代表電池組即時充放電功率之電壓信號

Vb．．．電壓信號

R1、R2．．．電阻

Ra．．．可變電阻

Iout．．．電流

Claims (10)

1. 一種電池組即時充放電功率值計算電路，包含：一電壓-電流轉換電路，用以將代表電流之電壓信號轉換成電流輸出；以及一電壓-電阻值轉換電路，用以將電壓信號轉換成電阻值，其一端連接到電壓信號，其另一端連接到該電壓-電流轉換電路之該電流輸出端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，更包含一電流感測元件，其可將電流量轉換成電壓信號輸出。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該電壓-電流轉換電路輸出之電流與輸入電壓有線性關係。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該電壓-電阻轉換電路至少包含一金氧半導體場效電晶體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，更包含一零充放電功率指示裝置，其會依電池組電壓改變而輸出不同之信號值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電路，該零充放功率指示裝置是由類比電路輸出信號值。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電路，該零充放功率指示裝置是由數位系統輸出信號值。
8. 一種即時電功率值計算電路，包含：一電壓-電流轉換電路，用以將代表電流之電壓信號轉換成電流輸出；以及一電壓-電阻值轉換電路，用以將電壓信號轉換成電阻值，其一端連接到電壓信號，其另一端連接到該電壓-電流轉換電路之該電流輸出端。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該電壓-電流轉換電路輸出之電流與輸入電壓有線性關係。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該電壓-電阻轉換電路至少包含一金氧半導體場效電晶體。