CN103293355B

CN103293355B - 一种电压测量电路

Info

Publication number: CN103293355B
Application number: CN201210044739.3A
Authority: CN
Inventors: 饶华兵
Original assignee: DONGGUAN POWERWISE NEW ENERGY Co Ltd
Current assignee: Dongguan Powerwise Technology Co ltd
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: CN103293355A

Abstract

本发明提供一种电压测量电路，包括：差分器，包括同向输入端、反向输入端以及输出端；第一电阻，第一端连接同向输入端，第二端选择性连接待测电池单元的第一电极；第二电阻，第一端连接反向输入端，第二端选择性连接待测电池单元的第二电极；第三电阻，第一端连接于同向输入端与第一电阻的第一端之间；第四电阻，第一端连接输出端，第二端连接反向输入端；第五电阻，第一端连接于反向输入端与第二电阻的第一端之间，其中，第三电阻的第二端与第五电阻的第二端连接，可选择性连接第一参考电压或第二参考电压。通过上述方式，本发明提供的电压测量电路能够降低成本，并且具有电路结构简单、采集精度高的优点。

Description

一种电压测量电路

【技术领域】

本发明涉及电池技术领域，特别地，涉及一种电压测量电路。

【背景技术】

电池组有区别于单体电池的特性，基于目前的动力电池设计与制造技术水平，单体之间的性能差异在其整个生命周期里是客观存在的，要想避免单体由于过充、过放导致提前失效，使电池组的功能和性能指标达到或者接近单体的平均水平，对电池组中单体之间实现均衡控制和管理是必由之路。电池组均衡管理是电池管理系统中非常重要的一门技术，具有广阔的应用前景。

但是，要实现电池组的均衡管理，单体电压的精确测量是实现的基础，而由于锂离子电池在许多节进行串联以后，总体共模电压会达到较高，要进行精确的每节电池单体的电压测量，在技术实现上有较大的难度，现有技术中实现电池电压测量的方法包括：电阻分压加上低压MUX电池电压测量法、高压光耦隔离开关加上线性模拟光耦电池电压测量法以及单体电池采集加上数字隔离电池电压测量法。

其中，电阻分压加上低压MUX电压测量法利用电阻线性降压到可采集的电压范围，然后通过软件放大和差分的方法得到电压差值，得到最终的单体电池电压。但是，高电压的采集要求电阻的衰减倍率很大，这样会降低采集的精度，而且电阻的精度和温度系数等都会影响到采集到的电压的精度，无法满足高精度采集要求，此外，由于电阻一直接在电池上面，对电池持续放电，加大了自放电，增加了功耗。

而高压光耦隔离开关加上线性模拟光耦电压测量法利用高压隔离开关矩阵控制电池通道，同时利用线性光耦选通相应的单体电池电压，再采集单体电池电压。但是该种方法通过采用隔离提供系统可靠性，开关矩阵控制复杂，隔离器件的耐压要求高，价格昂贵，在成本很小的情况下不能使用。

单体电池采集加上数字隔离电压测量法在每个电池配备一个高精度采集模块，输出对应电压的数字量，再通过光耦隔离采用总线的方式，由主机统一管理。在该种方法中，每个单体电压的采集互不影响，但是单个采集模块的价格要求比较高，从而整体的成本比较高；

因此，针对现有技术方案所存在的种种不足，需要提供一种电压测量电路，以解决以上技术问题。

【发明内容】

本发明解决的技术问题是提供一种电压测量电路。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是：提供一种电压测量电路，用于测量多个串联连接的电池单元中的待测电池单元的电压值，包括：差分器，包括同相输入端、反相输入端以及输出端；第一电阻，第一电阻的第一端连接同相输入端，第一电阻的第二端选择性连接待测电池单元的第一电极；第二电阻，第二电阻的第一端连接反相输入端，第二电阻的第二端选择性连接待测电池单元的第二电极；第三电阻，第三电阻的第一端连接于同相输入端与第一电阻的第一端之间；第四电阻，第四电阻的第一端连接输出端，第四电阻的第二端连接反相输入端；第五电阻，第五电阻的第一端连接于反相输入端与第二电阻的第一端之间，其中，第三电阻的第二端与第五电阻的第二端连接，并可选择性连接第一参考电压或第二参考电压。

根据本发明之一优选实施例，电压测量电路进一步包括：二路选择开关，二路选择开关的第一端连接第三电阻的第二端与第五电阻的第二端，二路选择开关的第二端连接第一参考电压，二路选择开关的第三端连接第二参考电压，二路选择开关的第一端可选择性连接二路选择开关的第二端或第三端。

根据本发明之一优选实施例，第一参考电压为接地电压，第二参考电压高于接地电压。

根据本发明之一优选实施例，当第一电阻的第二端连接待测电池单元的正极，第二电阻的第二端连接待测电池单元的负极时，第三电阻的第二端与第五电阻的第二端连接接地电压。

根据本发明之一优选实施例，当第一电阻的第二端连接待测电池单元的负极，第二电阻的第二端连接待测电池单元的正极时，第三电阻的第二端与第五电阻的第二端连接第二参考电压。

根据本发明之一优选实施例，电压测量电路进一步包括电压输出切换单元，用于选择性切换多个电池单元中的任意一者作为待测电池单元。

根据本发明之一优选实施例，电压输出切换单元包括：第一选通电路，包括多个第一输入端以及一第一输出端，多个第一输入端可选择性连接第一输出端；第二选通电路，包括多个第二输入端以及一第二输出端，多个第二输入端可选择性连接第二输出端；其中，第一选通电路的第一输入端与第二选通电路的第二输入端交替连接于多个电池单元之间，第一输出端连接第一电阻的第二端，第二输出端连接第二电阻的第二端。

根据本发明之一优选实施例，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻以及第五电阻满足：(R2×R3×R5+R2×R3×R4-R1×R4×R5)/R2×R5×(R1+R3)＝0；(R2×R3×R5+R2×R3×R4+R3×R4×R5)/R2×R5×(R1+R3)＝1；其中，R1为第一电阻的电阻值，R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值，R5为第五电阻的电阻值。

根据本发明之一优选实施例，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻以及第五电阻进一步满足：(R1×R2×R5+R1×R4×R5-R2×R3×R4)/(R2×R5×(R1+R3))＝1；电池单元电压采集电路进一步包括一电压值算法模块，当第一电阻的第二端连接待测电池单元的第二电极，且第二电阻的第二端连接待测电池单元的第一电极时，电压值算法模块以差分器的输出端输出的电压值减去第二参考电压值作为待测电池单元的电压值。

根据本发明之一优选实施例，当第二电阻的第二端连接待测电池单元的第一电极，且第一电阻的第二端悬空时，电压值算法模块将差分器的输出端输出的电压值与R5×(R1+R3)/R3×R5+R3×R4)相乘，并作为待测电池单元的电压值。

通过上述方式，本发明提供的电压测量电路能够降低成本，并且具有电路结构简单、采集精度高的优点。

【附图说明】

图1示出了本发明的电压测量电路的基本电路结构图；

图2示出了本发明的电压测量电路中的电压输出切换单元的电路结构图；

图3示出了根据本发明第一优选实施例的电压测量电路的电路结构图；

图4示出了根据本发明第一优选实施例的电压测量电路在第一输入端接电池单元的正极并且第二输入端接电池单元的负极的情况下采集电池单元电压的工作方式；

图5示出了根据本发明第一优选实施例的电压测量电路在第一输入端接电池单元的负极并且第二输入端接电池单元的正极的情况下采集电池单元电压的工作方式；以及

图6示出了根据本发明第一优选实施例的电压测量电路在第二输入端接电池单元的正极的情况下采集第一节电池电压的工作方式。

【具体实施方式】

有关本发明的特征及技术内容，请参考以下的详细说明与附图，附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

首先参见图1，其绘示了本发明的电压测量电路的基本电路结构图。如图1所示，本发明的电压测量电路包括：差分器106，包括同相输入端110、反相输入端111以及输出端112；第一电阻101，第一电阻101的第一端1连接同相输入端110，第一电阻101的第二端2选择性连接待测电池单元(于下文将详细介绍)的第一电极OUTA；第二电阻102，第二电阻102的第一端3连接反相输入端111，第二电阻102的第二端4选择性连接待测电池单元的第二电极OUTB；第三电阻103，第三电阻103的第一端5连接于同相输入端110与第一电阻101的第一端1之间；第四电阻104，第四电阻104的第一端10连接输出端112，第四电阻104的第二端9连接反相输入端111；第五电阻105，第五电阻105的第一端7连接于反相输入端111与第二电阻102的第一端3之间，其中，第三电阻103的第二端6与第五电阻105的第二端8连接，并可选择性连接第一参考电压Vref1或第二参考电压Vref2。

本发明的电压测量电路进一步包括：二路选择开关107，二路选择开关107的第一端11连接第三电阻103的第二端6与第五电阻105的第二端8，二路选择开关107的第二端12连接第一参考电压Vref1，二路选择开关107的第三端13连接第二参考电压Vref2，二路选择开关107的第一端11可选择性连接二路选择开关107的第二端12或第三端13。当然，除使用二路选择开关107外，也可以使用其他可实现从二通路中选择一路的元件来替代二路选择开关107，本发明并不对此作具体限定。

请参见图2，图2是本发明的电压测量电路中的电压输出切换单元的电路结构图。其中，电压输出切换单元包括第一选通电路201和第二选通电路202,第一选通电路201包括多个第一输入端INA以及一第一输出端(该第一输出端可作为待测电池单元的第一电极OUTA)，多个第一输入端INA可选择性连接第一输出端OUTA；第二选通电路202包括多个第二输入端INB以及一第二输出端(该第二输出端可作为待测电池单元的第一电极OUTB)，多个第二输入端INB可选择性连接第二输出端OUTB；第一选通电路201的第一输入端INA与第二选通电路202的第二输入端INB交替连接于多个电池单元(B1-B16)之间，第一输出端OUTA连接第一电阻101的第二端2，第二输出端OUTB连接第二电阻102的第二端4。

其中，第一选通电路201和第二选通电路202可用八路高压选通开关来实现，其选通方式见下表：

表1.1

如表1.1可知，只要控制数字选择位A1、A2、A3以及使能位ENA就可以从第一选通电路中选择输出一路电压，同样地，只要控制数字选择位A4、A5、A6以及使能位ENA就可以从第二选通电路中选择输出一路电压，以上二路电压可分别输入至图1中所绘示的第一输出端OUTA和第二输出端OUTB中。

值得注意的是，以上方案对16个电池的输出电压进行电压选通，故选取2个八路高压选通开关，但也可选取4个四路选择开关来实现，本发明对此并不作出限定。

另外，当对32个或者其他数量的电池的输出电压进行电压选通时，也可选取相应数量的高压选通开关，如当对32个电池的输出电压进行电压选通时，可使用2个十六路高压选通开关来实现。

图3为根据本发明第一优选实施例的电压测量电路的电路结构图。与图1所示电路结构相比，在图3所示的电路结构中，第一参考电压Vref1为0(接地)，第二参考电压Vref2的电压值高于第一参考电压Vref1。

以下将参照图4至图6对本发明第一优选实施例的电压测量电路的工作方式进行详细描述，其中，请先参见图4，图4绘示了根据本发明第一优选实施例的电压测量电路在第一输入端OUTA(亦即第一电阻201的第二端24)接电池单元的正极(亦即电池单元的第一电极)并且第二输入端OUTB(亦即第二电阻26的第二端202)接电池单元的负极(亦即电池单元的第二电极)的情况下采集电池单元电压的工作方式。如图4所示，当第一输入端OUTA接电池单元的正极并且第二输入端OUTB接电池单元的负极时，二路选择开关207的第一端21与第二端22连接，即第一参考电压Vref1等于0，设输入的共模电压为V1，输入的差模电压为V2，其中差模电压V2为第一输出电压OUTA与第二输出电压OUTB的电压差值，共模电压V1为第一输出电压OUTA与第二输出电压OUTB的电压的和值除以2，因此，只需求出差模电压V2，就可得出所要求测量的电池单元电压(即第一输出电压OUTA与第二输出电压OUTB的电压差值)。

设第一电阻的电阻值为R1，第二电阻的电阻值为R2，第三电阻的电阻值为R3，第四电阻的电阻值为R4，第五电阻的电阻值为R5，利用虚短虚断原理，经过公式的推导，可以知道共模电压导致的输出：

VoutCM＝((R2×R3×R5+R2×R3×R4-R1×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3)))×V1

差模电压导致的输出：

VoutDM＝((R2×R3×R5+R2×R3×R4+R3×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3)))×V2

根据电路的叠加原理，运算放大器206总的输出为Vout＝VoutCM+VoutDM因此，当：

(R2×R3×R5+R2×R3×R4-R1×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3))＝0；

(R2×R3×R5+R2×R3×R4+R3×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3))＝1时，Vout_CM＝0，VoutDM＝V2，输出电压Vout为差模电压VoutDM＝V2，即输出电压Vout为所需测量的电池单元的电压值。

以下请参见图5，图5绘示了根据本发明第一优选实施例的电压测量电路在第一输入端OUTA(亦即第一电阻201的第二端24)接电池单元的负极(亦即电池单元的第二电极)并且第二输入端OUTB(亦即第二电阻202的第二端26)接电池单元的正极(亦即电池单元的第一电极)的情况下采集电池单元电压的工作方式。如图5所示，当第一输入端OUTA接电池单元的负极并且第二输入端OUTB接电池单元的正极时，二路选择开关207的第一端21与第三端23连接，此时，与图4的分析方法相同，设第一电阻201的电阻值为R1，第二电阻202的电阻值为R2，第三电阻203的电阻值为R3，第四电阻204的电阻值为R4，第五电阻205的电阻值为R5，共模电压导致的输出：

VoutCM＝((R2×R3×R5+R2×R3×R4-R1×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3)))×V1；

差模电压导致的输出：

VoutDM＝((R2×R3×R5+R2×R3×R4+R3×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3)))×V2；

运算放大器206总的输出为Vout＝VoutCM+VoutDM+Vout_ref；因此，当：

(R2×R3×R5+R2×R3×R4-R1×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3))＝0；

(R2×R3×R5+R2×R3×R4+R3×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3))＝1时，

VoutCM＝0，VoutDM＝V2，输出电压Vout为差模电压VoutDM＝V2+Vout_ref，

而又因为由电路分析可得：

Vout_ref＝Vref2×((R1×R2×R5+R1×R4×R5-R2×R3×R4)/(R2×R5×(R1+R3)))

因此，当各电阻取值满足：

(R1×R2×R5+R1×R4×R5-R2×R3×R4)/(R2×R5×(R1+R3))＝1时，VoutDM＝V2+Vref2，因此V2＝VoutDM-Vref2

即所需测量的电池单元的电压值等于输出电压值减去第二参考电压值。因此，需要利用一电压值算法模块将差分器的输出端输出的电压值VoutDM与第二参考电压值Vref2相减，以将相减结果作为待测电池单元的电压值。

图6绘示了根据本发明第一优选实施例的电压测量电路在第二输入端OUTB接电池单元的正极的情况下采集第一节电池电压的工作方式。如图6所示，在该种情况下，由于第一节电池B1不能选通GND(请参见表1.1)，因此第一电阻201的一端悬空(即第一输出端OUTA悬空)，并且，二路选择开关207的第一端21与第三端23连接，此时，共模电压V1＝0(因为第一电阻201的一端悬空)，从而VoutCM＝0，只要分析差模电压V2的放大的公式就可以得出输出电压Vout，

由于：

VoutDM＝(((R2×R3×R5+R2×R3×R4+R3×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3)))×V2

因为R2悬空，R2＝>无穷大，从而：

VoutDM＝((R3×R5+R3×R4)/R5×(R1+R3))×V2

因此

V2＝(R5×(R1+R3)/R3×R5+R3×R4))×VoutDM

通过以上公式，可以采集到第一节电池B1的电压V2。

值得注意的是，在只测第一节电池B1的电压的情况下，以上所得到的目标电压值还需要作出一些处理，此时，需要利用一电压值算法模块将差分器的输出端输出的电压值VoutDM与(R5×(R1+R3))/(R3×R5+R3×R4)相乘，以将相乘结果作为待测电池单元的电压值。

在本发明的其他优选实施例中，可取第一参考电压Vref1为其他电压值，当第一参考电压Vref1为其它电压值时，第一电阻201的电阻值R1，第二电阻202的电阻值R2，第三电阻203的电阻值R3，第四电阻204的电阻值R4，第五电阻205的电阻值R5需要满足其它关系式，具体关系式的推导可以根据差分器的虚短、虚断原理、基尔霍夫定理以及叠加原理得出。

本发明提供的电压测量电路适用于各种高精度要求的锂电池前端采集的系统或者设备，能够降低成本，并且具有电路结构简单、采集精度高的优点，在相同性能的条件下成本更具优势，适合于在电池管理系统、电池测试仪器等需要高精度检测的场合中使用。

以上参照附图说明了本发明的各种优选实施例，但是只要不背离本发明的实质和范围，本领域的技术人员可以对其进行各种形式上的修改和变更，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种电压测量电路，用于测量多个串联连接的电池单元中的待测电池单元的电压值，其特征在于，包括：

差分器，包括同相输入端、反相输入端以及输出端；

第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述同相输入端，所述第一电阻的第二端选择性连接所述待测电池单元的第一电极；

第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述反相输入端，所述第二电阻的第二端选择性连接所述待测电池单元的第二电极；

第三电阻，所述第三电阻的第一端连接于所述同相输入端与所述第一电阻的第一端之间；

第四电阻，所述第四电阻的第一端连接所述输出端，所述第四电阻的第二端连接所述反相输入端；

第五电阻，所述第五电阻的第一端连接于所述反相输入端与所述第二电阻的第一端之间，

其中，所述第三电阻的第二端与所述第五电阻的第二端连接，并可选择性连接第一参考电压或第二参考电压，所述第一参考电压为接地电压，所述第二参考电压高于所述接地电压；

当所述第一电阻的第二端连接所述待测电池单元的正极且所述第二电阻的第二端连接所述待测电池单元的负极时，所述第三电阻的第二端与所述第五电阻的第二端连接所述接地电压；当所述第一电阻的第二端连接所述待测电池单元的负极且所述第二电阻的第二端连接所述待测电池单元的正极、或当所述第二电阻的第二端连接所述待测电池单元的正极且所述第一电阻的第二端悬空时，所述第三电阻的第二端与所述第五电阻的第二端连接所述第二参考电压；所述电压测量电路进一步包括：

二路选择开关，所述二路选择开关的第一端连接所述第三电阻的第二端与所述第五电阻的第二端，所述二路选择开关的第二端连接所述第一参考电压，所述二路选择开关的第三端连接所述第二参考电压，所述二路选择开关的第一端可选择性连接所述二路选择开关的第二端或第三端；

电压输出切换单元，用于选择性切换所述多个电池单元中的任意一者作为所述待测电池单元。

2.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述电压输出切换单元包括：

第一选通电路，包括多个第一输入端以及一第一输出端，所述多个第一输入端可选择性连接所述第一输出端；

第二选通电路，包括多个第二输入端以及一第二输出端，所述多个第二输入端可选择性连接所述第二输出端；

其中，所述第一选通电路的第一输入端与所述第二选通电路的第二输入端交替连接于所述多个串联连接的电池单元之间，所述第一输出端连接所述第一电阻的第二端，所述第二输出端连接所述第二电阻的第二端。

3.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述电压测量电路进一步包括一电压值算法模块，在所述第一电阻的第二端连接所述待测电池单元的正极且所述第二电阻的第二端连接所述待测电池单元的负极，以及所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻以及所述第五电阻满足：

(R2×R3×R5+R2×R3×R4-R1×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3))＝0；

(R2×R3×R5+R2×R3×R4+R3×R4×R5)/(R2×R5×(R1+R3))＝1时；

其中，R1为所述第一电阻的电阻值，R2为所述第二电阻的电阻值，R3为所述第三电阻的电阻值，R4为所述第四电阻的电阻值，R5为所述第五电阻的电阻值，所述电压值算法模块以所述差分器的输出端输出的电压值作为所述待测电池单元的电压值。

4.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述电压测量电路进一步包括一电压值算法模块，当所述第一电阻的第二端连接所述待测电池单元的负极且所述第二电阻的第二端连接所述待测电池单元的正极，并且所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻以及所述第五电阻满足：

(R1×R2×R5+R1×R4×R5-R2×R3×R4)/(R2×R5×(R1+R3))＝1时；

其中，R1为所述第一电阻的电阻值，R2为所述第二电阻的电阻值，R3为所述第三电阻的电阻值，R4为所述第四电阻的电阻值，R5为所述第五电阻的电阻值，所述电压值算法模块以所述差分器的输出端输出的电压值减去所述第二参考电压值作为所述待测电池单元的电压值。

5.根据权利要求1所述的电压测量电路，其特征在于，所述电压测量电路进一步包括一电压值算法模块，当所述第二电阻的第二端连接所述待测电池单元的正极，且所述第一电阻的第二端悬空时，所述电压值算法模块将所述差分器的输出端输出的电压值与R5×(R1+R3)/R3×R5+R3×R4)相乘，并作为所述待测电池单元的电压值，其中，R1为所述第一电阻的电阻值，R2为所述第二电阻的电阻值，R3为所述第三电阻的电阻值，R4为所述第四电阻的电阻值，R5为所述第五电阻的电阻值。