TWI714467B - 電壓監控裝置以及其電壓偵測電路 - Google Patents

電壓監控裝置以及其電壓偵測電路 Download PDF

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黃啟峰
唐瑩如
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements

Abstract

一種電壓監控裝置以及其電壓偵測電路。電壓偵測電路包括第一部分電路以及第二部分電路。第一部分電路包括第一負載以及第一主動負載。第一主動負載依據一第一偏壓產生第一電流以流通過第一負載。第二部分電路包括第二負載以及第二主動負載。第二主動負載接收流通過該第二負載的第二電流，並產生第二偏壓，且第一電流與第二電流相等。其中，第二部分電路的輸出端提供的偵測電壓與電池芯的正負端間的電壓差相同。

Description

電壓監控裝置以及其電壓偵測電路
本發明是有關於一種電壓監控裝置，且特別是有關於一種具低電路成本的電壓監控裝置。
在電子裝置普及化的現代，提供高效能以及高安全性的電池裝置，是為一個重要的課題。在習知的技術領域中，堆疊式鋰電池電壓監控裝置用以監控多顆電池芯的堆疊電壓，並經過電阻分壓及計算後才能還原各個電池芯的電壓，速度較慢且不夠精準。因應於此，習知的技術領域另提出採用運算放大器來建構的電壓偵測方式。這種方式雖可直接輸出各節電池芯的電壓，但具有相對複雜的電路架構，並造成電路成本較高的缺點。
本發明提供多種電壓監控裝置以及其電壓偵測電路，在提供快速且精準的偵測結果的前提下，還可減低所需要的電路成本。
本發明的電壓偵測電路耦接至電池芯。電壓偵測電路包括第一部分電路以及第二部分電路。第一部分電路耦接至電池芯，包括串聯耦接的第一負載以及第一主動負載，其中第一主動負載依據一第一偏壓產生第一電流以流通過第一負載。第二部分電路耦接在第一部分電路的輸出端與參考接地端間，包括串聯耦接的第二負載以及第二主動負載，第二主動負載接收流通過該第二負載的第二電流，並產生第二偏壓，且第一電流與第二電流相等，第二部分電路的輸出端耦接至參考接地端。其中，第二部分電路的輸出端提供的偵測電壓與電池芯的正負端間的電壓差相同。
本發明的電壓監控裝置耦接至堆疊的多個電池芯。電壓監控裝置包括多個電壓偵測電路。各電壓測電路包括第一部分電路以及第二部分電路。第一部分電路耦接至電池芯，包括串聯耦接的第一負載以及第一主動負載，其中第一主動負載依據一第一偏壓產生第一電流以流通過第一負載。第二部分電路耦接在第一部分電路的輸出端與參考接地端間，包括串聯耦接的第二負載以及第二主動負載，第二主動負載接收流通過該第二負載的第二電流，並產生第二偏壓，且第一電流與第二電流相等，第二部分電路的輸出端耦接至參考接地端。其中，第二部分電路的輸出端提供的偵測電壓與與電池芯的正負端間的電壓差相同。
本發明的另一電壓監控裝置耦接至堆疊的多個電池芯。電壓監控裝置包括開關電路以及電壓偵測電路。開關電路耦接至電池芯，選擇電池芯的其中之一的正端端以及負端端來分別連接至第一選擇輸出端以及第二選擇輸出端。電壓偵測電路耦接至開關電路的第一選擇輸出端以及第二選擇輸出端。電壓測電路包括第一部分電路以及第二部分電路。第一部分電路耦接至電池芯，包括串聯耦接的第一負載以及第一主動負載，其中第一主動負載依據一第一偏壓產生第一電流以流通過第一負載。第二部分電路耦接在第一部分電路的輸出端與參考接地端間，包括串聯耦接的第二負載以及第二主動負載，第二主動負載接收流通過該第二負載的第二電流，並產生第二偏壓，且第一電流與第二電流相等，第二部分電路的輸出端耦接至參考接地端。其中，第二部分電路的輸出端提供的偵測電壓與與電池芯的正負端間的電壓差相同。
基於上述，本發明的電壓監測裝置透過設置串聯耦接的第一負載、第一主動負載、第二負載以及第二主動負載，並使流通第一負載的第一電流與流通第二負載的第二電流相等，再透過第二部分電路的輸出端來獲得與電池芯的輸出電壓相同的偵測電壓。如此一來，本發明的電壓監測裝置不需要設置運算放大器而可減低電路成本，並可快速且精準獲得偵測電壓，提升電壓監測裝置的效能。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電壓偵測電路的示意圖。電壓偵測電路包括第一部分電路110以及第二部分電路120。其中，第一部分電路110耦接至電池芯BC1的正端，第二部分電路120則耦接至第一部分電路110的輸出端OE1。電池芯BC1、第一部分電路110以及第二部分電路120依序串聯耦接。
在另一方面，第一部分電路110包括負載111以及主動負載112。其中，電池芯BC1、負載111以及主動負載112依序串聯耦接。第二部分電路120則包括負載121以及主動負載122。電池芯BC1、負載111、主動負載112、負載121以及主動負載122依序串聯耦接。此外，基於控制信號S1，主動負載112可受控於第一偏壓VB1以對負載111汲取一第一電流。而主動負載122則接收流通負載121的第二電流，並依據第二電流產生第二偏壓VB2。在本實施例中，第一電流以及第二電流的電流值相等。
並且，在本實施例中，負載111以及121的電阻值可以相等，如此一來，負載111的兩端間的跨壓（電壓差）與負載121的兩端間的跨壓可以是相同。
透過使主動負載112以及122為由電晶體架構，並具有相同的電路架構。主動負載112以及122所分別接收的第一電流以及第二電流是相同的。主動負載112透過接收的第一偏壓VB1以產生第一電流。主動負載122則透過接收第二偏壓VB2以產生第二電流。基於主動負載112以及122具有相同的電路架構，第一偏壓VB1可以等於第二偏壓VB2。如此一來，若使第二部分電路120的耦接在輸出端OE1以及參考接地端GND間，第一部分電路110的輸出端OE1上可提供偵測電壓VMn可以等於電池芯BC1正負端間的電壓差。
以下請參照圖2，圖2繪示本發明另一實施例的電壓偵測電路的示意圖。電壓偵測電路200包括第一部分電路210以及第二部分電路220。其中，第一部分電路210耦接至電池芯BC1的正端端，第二部分電路220則耦接至第一部分電路210的輸出端OE1。電池芯BC1、第一部分電路210以及第二部分電路220依序串聯耦接，且第二部分電路220耦接在輸出端OE1以及參考接地端GND間。
在本實施例中，第一部分電路210包括負載211以及由電晶體M1所建構的主動負載212。負載211與電晶體M1依序串接在電池芯BC1以及輸出端OE1間。第二部分電路220包括負載221以及由電晶體M2所建構的主動負載222。負載221與電晶體M2依序串接在輸出端OE1以及參考接地端GND間。另外，電晶體M1、M2分別接收控制信號S1以及S1a，並均工作在飽和區。電晶體M1並由負載211汲取電流I Mn，並使負載211提供電壓降V L1。在控制信號S1由電池芯BC1的負端所提供的前提下，可以計算出電池芯BC1的輸出電壓VBn = V L1+ V SG1。其中，V SG1則為電晶體M1的源極-閘極間的電壓差（即為第一偏壓）。
此外，電晶體M2由負載221汲取電流I Mn，並使負載221提供電壓降V L2。因此，依據第二部分電路220所形成的迴路，且基於電晶體M2的控制信號S1a等於參考接地端GND上的參考接地電壓（例如0伏特），可以計算出的輸出端OE1上的電壓VMn = V L2+ V SG2。在負載211以及221的電阻值相同的前提下，電壓降V L2與電壓降V L1相同。並且，透過使電晶體M1、M2的電氣特性相同，電晶體M1的源極-閘極間的電壓差V SG1（即為第二偏壓）則可以與電晶體M1的源極-閘極間的電壓差V SG2的電壓大小相同。也因此，輸出端OE1上的電壓VMn與電池芯BC1的輸出電壓VBn的電壓大小是相同的。
在本實施例中，電晶體M1以及M2可以是P型電晶體。負載211、221可以是電阻、齊納（Zener）二極體或其他任意型態可依據電流提供固定電壓降的電路元件，沒有特定的限制。
以下請參照圖3，圖3繪示本發明一實施例的電壓監測裝置的示意圖。電壓監測裝置300耦接至堆疊耦接的多個電池芯BC1~BC4。電壓監測裝置300包括對應電池芯BC2~BC4的多個電壓偵測電路310~330。其中，電壓偵測電路310包括串聯耦接的電阻R2a、電晶體M2a、電阻R2b以及電晶體M2b；電壓偵測電路320包括串聯耦接的電阻R3a、電晶體M3a、電阻R3b以及電晶體M3b；電壓偵測電路330則包括串聯耦接的電阻R4a、電晶體M4a、電阻R4b以及電晶體M4b。電晶體M2a的控制端接收控制信號S2；電晶體M2b的控制端接收控制信號S2a；電晶體M3a的控制端接收控制信號S3；電晶體M3b的控制端接收控制信號S3a；電晶體M4a的控制端接收控制信號S4；電晶體M4b的控制端接收控制信號S4a，其中，控制信號S2a~S4a可為參考接地端GND上的參考接地電壓。
關於電壓偵測電路310~330的動作細節，與前述實施例的電壓偵測電路200相類似，在此不重覆贅述。電壓偵測電路310~330可分別依據電池芯BC2~BC4的正端以及負端間的電壓差，來產生偵測電壓VM2~VM4。
值得一提的，在本發明實施例中，以電壓偵測電路310為範例，在當電晶體M2a的控制端（控制信號S2）連接到電池芯BC2的負端時，電池芯BC2的電壓偵測動作被啟動時，並使偵測電壓VM2等於電池芯BC2正端、負端間的電壓差。相對的，當控制信號S2的電壓被拉高（例如將電晶體M2a的控制端連接到電池芯BC2正端）時，電池芯BC2的電壓偵測動作被關閉時。此外，在本實施例中，同樣以電壓偵測電路310為範例，電壓偵測電路310的電壓偵測動作的被啟動或關閉，也可透過在輸出端OE2上串接一開關，並透過導通或切斷這個開關來決定是產生偵測電壓VM2。
附帶一提的，在本實施例中，電池芯BC1的負端直接耦接至參考接地端GND。因此可簡單的透過以依據控制信號S1來導通開關SW1，以使電池芯BC1的正端直接輸出偵測電壓VM1（跨接在電阻R1上）。
以下請參照圖4，圖4繪示本發明另一實施例的電壓監控裝置的示意圖。電壓監控裝置400包括多個電壓偵測電路410~430以及電壓偏移器（level shift）LS1~LS3。電壓偵測電路410~430分別對應電池芯BC2~BC4，電壓偏移器LS1~LS3則分別耦接至電壓偵測電路410~430。電壓偏移器LS1~LS3分別接收控制信號S2~S4，並偏移控制信號S2~S4的電壓值以產生偏移後控制信號S2’~S4’。 電壓偏移器LS1~LS3的電路架構可應用本領域具通常知識者所熟知的任一電壓偏移電路來建構，沒有固定的限制。
在本實施例中，電壓偵測電路410~430的實施細節與前述圖3的電壓偵測電路310~330相類似，在此不多贅述。值得一提的，電壓偵測電路410~430另設置開關SW42~SW44。開關SW42~SW44的多個第一端分別耦接至輸出端OE2~OE4，開關SW42~SW44的多個第二端並共同耦接至共同輸出端OE。本實施例的電壓偵測電路410~430可以分時執行電壓偵測動作。開關SW42~SW44分別受控於控制信號S2~S4以被導通或斷開。以電壓偵測電路410為範例，當電晶體M2a依據偏移後控制信號S2’而工作在飽和區時，開關SW42同步對應控制信號S2被導通，並在共同輸出端OE上產生偵測電壓VM。在此同時，開關S3、S4被斷開，且電壓偵測電路420、430被禁能。
附帶一提的，疊接在最低層的電池芯BC1可透過開關SW411、SW412以及電阻R1來產生偵測電壓VM。當開關SW411、SW412依據控制信號S1被導通時，偵測電壓VM等於電池芯BC1的正、負端間的電壓差。在此時，開關SW42~SW44接被斷開，且電壓偵測電路410~430皆被禁能。
請參照圖5，圖5繪示本發明再一實施例的電壓監控裝置的示意圖。電壓監控裝置500包括開關電路510以及電壓偵測電路520。開關電路510耦接至多個疊接的電池芯BC1~BC4。開關電路510選擇電池芯BC2~BC4的其中之一的正端以及負端來分別連接至第一選擇輸出端SELE1以及第二選擇輸出端SELE2。其中，開關電路510包括多個開關SW12~SW14、開關SW22~SW24以及開關SW31。開關SW12~SW14的多個第一端分別耦接至電池芯BC2~BC4的多個正端，開關SW12~SW14的多個第二端共同耦接至第一選擇輸出端SELE1。開關SW22~SW24的多個第一端分別耦接至電池芯BC2~BC4的多個負端，開關SW22~SW24的多個第二端共同耦接至第二選擇輸出端SELE2。此外，開關SW12、SW22受控於控制信號S52；開關SW13、SW23受控於控制信號S53；開關SW14、SW24受控於控制信號S54。另外，開關SW31、SW32受控於控制信號S51。
在另一方面，電壓偵測電路520包括依序串聯耦接的電阻R2a、電晶體M5a、電阻R2b以及電晶體R5b。電阻R2a、電阻R2b分別建構兩個負載，電晶體M5a以及電晶體R5b則工作在飽和區以分別建構兩個主動負載。值得注意的，電阻R2a耦接至第一選擇輸出端SELE1，電晶體M5a的控制端耦接至第二選擇輸出端SELE2。
在動作細節上，在選擇電池芯BC2~BC4的其中之一以進行電壓偵測時，開關SW12~SW14的其中之一被導通（其餘的被斷開）。以電池芯BC4為被選中電池芯為範例，開關SW14被導通（開關SW12、SW13、SW31被斷開），相對應的，開關SW24也被導通（開關SW21~SW23被斷開）。如此，電池芯BC4的正端直接耦接至第一選擇輸出端SELE1，電池芯BC4的負端直接耦接至第二選擇輸出端SELE2。電壓偵測電路520便可針對電池芯BC4的輸出電壓進行偵測，並產生偵測電壓VM。
附帶一提的，當電池芯BC1被選中以執行電壓偵測時，開關SW12~SW14、SW22~SW24均被斷開，開關SW31被導通。此外，開關SW32也對應開關SW31的導通動作而被導通，並依據電池芯BC1的輸出電壓以產生偵測電壓VM。
在本實施例中，可使多個電池芯BC2~BC4共用一組電壓偵測電路520的方法，來分時執行電壓監測動作。並藉以降低電路成本。
綜上所述，本發明的電壓偵測電路提供簡單的電路架構，可在不大幅增加電路成本的前提下，增加電池芯電壓監測的速度以及精準度，有效提升工作效能以及產品競爭力。
200、310~330、410~430、520:電壓偵測電路
110、210:第一部分電路
120、220:第二部分電路
300、400、500:電壓監測裝置
510:開關電路
OE、OE1~OE4:輸出端
BC1~BC4:電池芯
111、121、211、221:負載
112、122、212、222:主動負載
S1~S4、S1a~S4a:控制信號
GND:參考接地端
VM、VMn、VM1~VM4:偵測電壓
VB1:第一偏壓
VB2:第二偏壓
M1、M2、M2a~M4a、M2b~M4b、M5a、M5b:電晶體
R1、R2a~R4a、R2b~R4b、R5a、R5b:電阻
I Mn:電流
V L1:電壓降
VBn:輸出電壓
V SG1、V SG2:源極-閘極間的電壓差
S1~S4、S1’~S4’、S51~S54:控制信號
LS1~LS3:電壓偏移器
SW12~SW24、SW31、SW42~SW44、SW411、SW412:開關
SELE1:第一選擇輸出端
SELE2:第二選擇輸出端
圖1繪示本發明一實施例的電壓偵測電路的示意圖。 圖2繪示本發明另一實施例的電壓偵測電路的示意圖。 圖3繪示本發明一實施例的電壓監測裝置的示意圖。 圖4繪示本發明另一實施例的電壓監控裝置的示意圖。 圖5繪示本發明再一實施例的電壓監控裝置的示意圖。
110:第一部分電路
120:第二部分電路
OE1:輸出端
BC1:電池芯
111、121:負載
112、122:主動負載
GND:參考接地端
VB1:第一偏壓
VB2:第二偏壓
VMn:偵測電壓

Claims (19)

  1. 一種電壓偵測電路，耦接至一電池芯，包括：一第一部分電路，耦接至該電池芯，包括串聯耦接的一第一負載以及一第一主動負載，其中該第一主動負載依據一第一偏壓產生一第一電流以通過該第一負載；以及一第二部分電路，耦接在該第一部分電路的輸出端與一參考接地端間，包括串聯耦接的一第二負載以及一第二主動負載，該第二主動負載接收流通過該第二負載的一第二電流，並產生一第二偏壓，且該第一電流與該第二電流相等，其中該第二部分電路的輸出端提供的一偵測電壓與該電池芯的正負端間的電壓差相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓偵測電路，其中該第一偏壓與該第二偏壓相等。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓偵測電路，其中該第一負載的兩端間的一第一跨壓與該第二負載兩端間的一第二跨壓相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電壓偵測電路，其中該第一主動負載為一第一電晶體，該第一電晶體與該第一負載串聯，並受控於一第一控制信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電壓偵測電路，其中該第一控制信號等於該電池芯的負端電壓。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的電壓偵測電路，其中該第二主動負載為一第二電晶體，該第二電晶體與該第一負載、該第二負載以及該第一電晶體串聯，並受控於一第二控制信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電壓偵測電路，其中該第二控制信號等於一參考接地電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電壓偵測電路，其中該第一電晶體與該第二電晶體的導電型態相同，並皆工作在飽和區。
  9. 一種電壓監控裝置，耦接至堆疊的多個電池芯，包括：多個電壓偵測電路，耦接至該些電池芯，各該電壓監測電路包括：一第一部分電路，耦接至該電池芯，包括串聯耦接的一第一負載以及一第一主動負載，其中該第一主動負載依據一第一偏壓產生一第一電流以通過該第一負載；以及一第二部分電路，耦接在該第一部分電路的輸出端與一參考接地端間，包括串聯耦接的一第二負載以及一第二主動負載，該第主動負載接收流通過該第二負載的一第二電流，並產生一第二偏壓，且該第一電流與該第二電流相等，其中該第二部分電路的輸出端提供的一偵測電壓與相對應的電池芯正負端間的電壓差相同。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電壓監控裝置，其中該第一偏壓與該第二偏壓相等。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電壓監控裝置，其中該第一負載的兩端間的一第一跨壓與該第二負載兩端間的一第二跨壓相同。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的電壓監控裝置，其中該第一主動負載為一第一電晶體，該第一電晶體與該第一負載串聯，並受控於一第一控制信號，該第二主動負載為一第二電晶體，該第二電晶體與該第一負載、該第二負載以及該第一電晶體串聯，並受控於一第二控制信號，該第一電晶體與該第二電晶體的導電型態相同，並皆工作在飽和區。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的電壓監控裝置，更包括多個電壓偏移器，分別耦接至該些電壓偵測電路，其中各該電壓偏移器用以偏移該第一控制信號的電壓值。
  14. 一種電壓監控裝置，耦接至堆疊的多個電池芯，包括：一開關電路，耦接至該些電池芯，選擇該些電池芯的其中之一的正端端以及負端端來分別連接至一第一選擇輸出端以及一第二選擇輸出端；以及一電壓偵測電路，耦接至該開關電路的該第一選擇輸出端以及該第二選擇輸出端，該電池監控電路包括：一第一部分電路，耦接至該電池芯，包括串聯耦接的一第一負載以及一第一主動負載，其中該第一主動負載依據一第一偏壓產生一第一電流以流通過該第一負載；以及一第二部分電路，耦接在該第一部分電路的輸出端與一 參考接地端間，包括串聯耦接的一第二負載以及一第二主動負載，該第二主動負載接收流通過該第二負載的一第二電流，並產生一第二偏壓，且該第一電流與該第二電流相等，其中該第二部分電路的輸出端提供的一偵測電壓與相對應的電池芯的正負端間的電壓差相同。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的電壓監控裝置，其中該第一偏壓與該第二偏壓相等。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的電壓監控裝置，其中該第一負載的兩端間的一第一跨壓與該第二負載兩端間的一第二跨壓相同。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的電壓監控裝置，其中該第一主動負載為一第一電晶體，該第一電晶體與該第一負載串聯，並受控於一第一控制信號，該第二主動負載為一第二電晶體，該第二電晶體與該第一負載、該第二負載以及該第一電晶體串聯，並受控於一第二控制信號，該第一電晶體與該第二電晶體的導電型態相同，並皆工作在飽和區。
  18. 如申請專利範圍第14項所述的電壓監控裝置，其中該開關電路包括：多個第一開關，分別具有多個第一端以分別耦接至該些電池芯的正端端，該些第一開關的第二端共同耦接至該第一選擇輸出端；以及 多個第二開關，分別具有多個第一端以分別耦接至該些電池芯的負端端，該些第二開關的第二端共同耦接至該第二選擇輸出端。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的電壓監控裝置，其中該些第一選擇開關分別受控於多個選擇信號，該些第二選擇開關分別受控於該些選擇信號。
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