專利名稱：具有電池級聯(lián)的電路布置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有電池級聯(lián)的電路布置。
技術背景
具有電池級聯(lián)的電路布置通常用來防止電池級聯(lián)中的各個電池的充電差異，并且 因此防止電池的過早劣化。具有電池級聯(lián)的電路布置描述于專利說明書DE 39 40 929 Cl中，其中控制電路 連接串聯(lián)電路對，所述電路對各自連接到電池級聯(lián)中的電池的極連接件，因此將相應的電 池與并聯(lián)連接的電容相連接。取決于電容器和連接到它們上的電池之間的電壓差，能夠發(fā) 生電荷交換和充電均衡。每個電池均連接到比較電路，所述比較電路能夠?qū)嶋H電壓和相 應電池上的目標電壓進行比較，并且用差分電壓來加載控制電路。為了均衡充電，首先閉合 充電較充足的電池的電路對，并且對電容器進行充電，直到它們具有充電較充足的電容器 的電壓。其后，打開該電路對，并且閉合充電不太充足的電池的電路對。然后電荷從電容器 流出并進入到充電不太充足的電池中。所述的電路布置的一個缺點在于，其需要為每個電池配備比較電路以便測量各個 電池的電壓，并且還需要具有若干個電容器的附加電路以便進行電壓均衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電路布置和方法，其中可能在電池級聯(lián)中用簡單的電 路布置來精密地測量電壓，并且不同程度充電的電池之間的電壓均衡還是可能的。該問題能夠通過具有如權利要求1所述特征的電路布置和具有如權利要求10所 述特征的方法來解決。附加實施方案在從屬權利要求中給出。如權利要求1所述的電路布置允許測量電池級聯(lián)中的第二電池上的電壓，因為能 夠存儲第一電池的電壓，并且因此能夠相對于地電位測量整個電池級聯(lián)中的電壓和電容器 上的電壓之間的差值。這使得每個電池沒有必要具有分配的獨立測量電路，并且這也允許 使用不是為電池級聯(lián)中的總電壓設計的測量電路，因為僅需相對于地電位測量差分電壓而 非第二電池兩極處的電壓差值。包括鋰離子電池的電池級聯(lián)的典型電壓值在第一電池的正 極處為約4.0伏(V)，并且在第二電池的正極處為8. 0V。在本電路布置中，不必將第二電池 的電壓測量為相對于地電位的8. OV的差值和相對于地電位的4. 0V，而是能夠直接相對于 地電位測量為4. OV的差分電壓。在電路布置的另一個實施方案中，存在測量電路，該測量電路能夠直接通過第一 輸入端而具有第一電池的電壓，并且該測量電路的第二輸入端能夠具有電容器(處于其充 電狀態(tài))上的電壓和電池級聯(lián)的總電壓之間的電壓差。由于電路布置的特性，能夠?qū)y量 電路例如可商購獲得的且經(jīng)濟型的微控制器(其是為約5. 5V的最大電壓設計的)用于該 目的。在另一個實施方案中，測量電路具有模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和存儲器。利用所述轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑺峁┑哪M電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓值。能夠?qū)?shù)字電壓值保存在存儲器中以便 例如進行彼此比較，或使電壓隨著時間的推移積聚下來以便進行日后分析。該模擬-數(shù)字 轉(zhuǎn)換器能夠同時從測量電路的第一輸入端或第二輸入端接收模擬信號，因此沒有必要提供 兩個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且在僅有一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的情況下每次轉(zhuǎn)換均能夠具有 相同的誤差，使得在計算兩個轉(zhuǎn)換的值之間的差值時，誤差能夠基本上被消除。能夠?qū)⒋鎯?器設計為用于某個數(shù)字值的存儲器或用于若干個數(shù)字值的存儲器。
在一個實施方案中，測量電路具有另一個比較單元，所述比較單元用來比較先前 限定的電壓值和當前電壓值。
在另一個實施方案中，第一電路和第二電路能夠由測量電路來控制。在另一個實施方案中，第二電池的正極能夠通過第三電路與測量電路耦接。以此 方式，能夠通過電池級聯(lián)向測量電路提供能量。在一個實施方案中，測量電路具有內(nèi)部基準電壓。這允許絕對地測量電壓值。具 體地講，這允許確定相應電池上的欠電壓或過電壓。此外，基準電壓還能夠使測量具有更高 的精確度。在另一個實施方案中，將電池級聯(lián)連接到充電電路，使得電池能夠通過充電電路 充電。充電電路能夠由測量電路來控制，使得當發(fā)生欠電壓時能夠自動地對電池充電。具體地講，所述的電路布置能夠用于由電池供電的電氣裝置。具體地講，此類電 氣裝置為移動電話、電動牙刷、剃刀或脫毛器、以無線方式操作的家用裝置諸如手持式攪拌 器、或以無線方式操作的工具諸如無繩螺絲刀。因此，本發(fā)明也涉及其特征在于這種電路布 置的電氣裝置。此外，本發(fā)明還涉及用于測量電池級聯(lián)中的電壓的方法。該方法由以下步驟組 成 將落在地電位上的電容器充電，直到第一電池上的電壓也以所需精度與電容器 上的電壓相同，所述電容器包括落在地電位上的電池級聯(lián)中的第一電容器。 將電容器從地電位退耦，其中具體地講，這發(fā)生在當具有高阻抗(例如，若干兆 歐)的電阻器連接在電容器和地電位之間時。 將電池級聯(lián)的總電壓施加在電容器處，使得能夠相對于地電位測量電容器處的 電壓和總電壓之間的差值。在該方法的另一些實施方案中，將第二電池通過電阻器部分地放電，或當電池充 電時將充電電流通過電阻器部分地提供給第二電池。這允許無論何時當與第一電池上的電 壓相比在第二電池上檢測到高電壓時，第二電池通過電阻器部分地放電或通過充電電流的 放電而緩慢充電(如同第一電池一樣)，直到電壓達到均衡。在該方法的另一個實施方案中，測量電路僅通過第一電池供電。在這種情況下，如 果與第二電池上的電壓相比在第一電池上檢測到了高電壓，則會由于為測量電路供電而使 第一電池比第二電池更快速地放電，使得電壓能夠被均衡。


本發(fā)明通過討論實例實施方案并參照附圖而得到進一步的詳細說明。在這方面，圖1顯示了電路布置，其用于測量電池級聯(lián)中的電壓；
圖2顯示了電路布置，與圖1相比，其用附加組件作了擴展；并且圖3顯示了具有電路布置的電氣裝置的示意圖。
具體實施方式

圖1所述的電路布置具有電池級聯(lián)，所述電池級聯(lián)具有第一電池Al和第二電池 A2。第一電池Al具有電壓VI，并且第二電池A2具有電壓V2。電壓值由電池的相應充電狀 況確定。第一電池Al的負極連接到地電位例如大地電位或另一種地電位。第一電池Al的 正極同時連接到第二電池A2的負極和電阻器R1。電阻器Rl連接到電容器Cl，所述電容器 繼而通過第一開關Sl (在第一開關Sl的閉合狀態(tài)中)連接到地電位。第二電池A2的正極 通過第二開關S2耦接在電容器Cl和電阻器Rl之間。測量電路μ C由虛線指示。類似地， 能夠?qū)⒂糜跍y量第一輸入端ADl和第二輸入端AD2的電壓值提供給測量電路μ C。電池級 聯(lián)能夠以熟知的方式連接到充電電路DC。在具有所述電路的情況下，電池級聯(lián)不能夠通過 充電電路DC放電，但通過所述電路電池級聯(lián)可能可充電。測量電路PC也用來控制第二開 關S2，所述開關由虛線指示。在此處將第一開關Sl設計為測量電路μ C的組件，并且電容 器在地電位側(cè)與測量電路的第二輸入端AD2耦接。然而，第一開關Sl也能夠為由測量電路 μ C控制的外部開關。為了使開關具有高精度，具體地講能夠?qū)⒌诙_關S2設計為具有低 (或幾乎沒有)電壓降的開關，例如設計為FET或M0S-FET。如果電池為鋰離子電池，則電壓Vl和V2在它們的工作狀態(tài)中能夠呈現(xiàn)例如2. 5 至4. 2伏(V)的值，這取決于它們的充電狀況。第一電池Al的正極處的分接頭允許直接測 量第一電池Al上的電壓VI。這種分接頭在此處與測量電路μ C的第一輸入端ADl連接。 測量電路μ C能夠例如通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC將所提供的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓 值，其中10位模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換器允許具有為基準電壓的約千分之一的精度。能夠?qū)?shù)字電 壓值保存在測量電路μ C的存儲器M中以便進一步地使用，例如用于電壓值比較(如下所 述)或提供隨著時間的推移的電壓VI。所示出的電路布置允許下文所述的不同類型的應用。這些應用包括用作a)用于測量電池級聯(lián)的電壓的電路布置；和b)用于找平第一和第二電池的充電狀態(tài)的電路布置。圖1所述的電路布置在應用a)中的功能如下。首先，在第一輸入端ADl處通過第 一電池Al的正極上的分接頭將第一電池Al上的電壓Vl提供給測量電路μ C。將第一輸入 端ADl送至測量電路μ C的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器ACD，所述轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電 壓值，其中所述的實施方案中的模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC具有10位的分辨率以便能夠獲得約 4mV的精度，因為旨在分辨的最大電壓對應于鋰離子電池的最大電壓。在下一個步驟中，將 第一開關Sl閉合，并且將第二開關S2打開。于是，第一電池Al通過電阻器Rl對電容器Cl 充電。通過適當?shù)刂贫娙萜鰿l (電容C)和電阻器Rl (歐姆電阻R)的大小，能夠限定充 電時間常數(shù)T，因為其為電容器Cl的電容C和電阻器Rl的歐姆電阻Rl的乘積(T = RxC), 這樣做的結果是，在精度為約0. 1% (其對應于模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC數(shù)字化電壓值時的精 度大小)的幾毫秒的充電時間內(nèi)，包含在電容器Cl上的電壓對應于包含在第一電池Al上 的電壓VI。能夠用更長或更短的充電時間來獲得更高或更低的電壓值對應精度。如果因此 在電容器Cl上獲得了所需精度的電壓，則打開第一開關Si，使得電容器Cl的放電基本上被禁止(當?shù)谝婚_關Sl打開時，第二輸入端具有在兆歐范圍(ΜΩ)內(nèi)的極高阻抗)，因此僅會 有穿過電容器Cl的漏電阻的低漏電流導致電容器Cl緩慢放電。然后閉合第二開關S2，以 便將電壓值提供給測量電路μ C的第二輸入端AD2，所述電壓值對應于第一電池Al上的電 壓Vl和第二電池Α2上的電壓V2的總和電壓和電容器Cl上的電壓Vl' (Vl' VI)之間 的差值；因此，能夠相對于地電位測量電壓V= (V1+V2)-V1' =TZ'。因此，第二輸入端AD2上的電壓V對應于電壓V2，具有由與第一電池Al上的電壓 Vl相關的電容器Cl上的電壓Vl'的精度所指示的精度。通過增加電容器Cl的充電時間， 能夠增加該電壓的精度。由于實際上當?shù)谝婚_關Si打開時電容器Cl事實上不放電(這能 夠通過選擇適當優(yōu)質(zhì)的電容器來保證)，并且電壓測量能夠基本上在閉合第二開關S2之后 無延時地測量，電容器Cl的自放電對于電壓測量精度的影響也是微不足道的。將第二輸入 端AD2電壓值送至模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC以將模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值。模擬-數(shù)字 轉(zhuǎn)換器ADC在此處是同一個轉(zhuǎn)換器，電壓值也通過第一輸入端ADl送至所述同一個轉(zhuǎn)換器。 然而，測量電路μ C也能夠具有若干個模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在測量電路μ C的供電電壓(其在圖1所述的實施方案中從外部電壓源提供)保持恒定的條件下，能夠進行所存儲的第一數(shù)字電壓值(其對應于第一電池Al上的電壓VI) 與第二數(shù)字電壓值(其對應于第二電池上的電壓V2)之間的相對比較，例如使用測量電路 μ C的比較單元CP來進行。所比較的電壓的差值表明，這兩個電池中的一個比另一個放電 更強烈。因此能夠采取對應的步驟，以便找平第一電池Al的充電狀態(tài)和第二電池Α2的充 電狀態(tài)。如果測量電路μ C提供內(nèi)部恒定的基準電壓Uref (見圖2)，則電壓值也能夠絕對 地彼此比較，并且具體地講能夠確定電壓值是否逼近臨界低電壓值，所述臨界低電壓值對 應于對應電池的幾乎完全放電。因此能夠?qū)氡匾牟襟E以防止完全放電(所述步驟能夠 為對放電警示的顯示和/或以已知方式實現(xiàn)的對裝置的實際載荷的不供電)。當電池在充 電時，也能夠確定電池上的相應電壓是否正接近臨界上限值，并且因此能夠停止電池的充 電。當然，基準電壓也能夠以外部方式來提供。所述的電路布置允許使用測量電路μ C，所述測量電路不是為第一電池Al的電壓 Vl和第二電池Α2的電壓V2的總和電壓V = V1+V2設計的。因此，能夠?qū)榧s5. 5V的最大 電壓設計的微控制器用作測量電路，其中電池充分充電時的總和電壓V = V1+V2為約8. 4V。 電路布置也允許精確(相對地和/或絕對地)測量電池級聯(lián)中的電池上的電壓，并且精確 地比較這兩個電壓Vl和V2。由于在測量期間沒有電流流過電容器Cl，因此第一開關Sl的 轉(zhuǎn)移電阻和第二開關S2的轉(zhuǎn)移電阻是不相關的，因此能夠使用經(jīng)濟型組件?；旧?，較高 的組件質(zhì)量需求僅是電容器Cl所需要的。因此，例如具有高漏電阻的紙或塑料箔電容器能 夠用來保持電容器C1的自放電，其在此處用作一個極低電壓值的存儲器。圖1所述的電路布置在應用b)中的功能如下。如果對電壓的比較已確定第二電 池A2上的電壓V2大于第一電池上的電壓Vl (V2 > VI)，則充電均衡能夠以如下方式發(fā)生 將第二開關S2閉合，因此使第二電池通過電阻器Rl放電。在一個實施方案中，由于測量電 路μ C會定期進行電壓值的測量，因此當?shù)诙姵厣系碾妷篤2與第一電池Al上的電壓Vl 相同時(V2 = VI)，能夠通過打開第二開關來停止第二電池Α2通過電阻器Rl的部分放電。 如果裝置在充電，則閉合第二開關S2會導致電流的一部分流過電阻器Rl并且不流過第二電池A2，使得第一電池Al的充電速度快于第二電池A2，因此能夠均衡第二電池A2上的電 壓值V2和第一電池Al上的VI。測量電路μ C也能夠測量電壓值Vl和V2，并且能夠相應 地在電池充電期間打開或閉合第二開關。如果確定了第一電池Al上的電壓Vl大于第二電 池上的電壓V2 (VI >V2)，則第一電池能夠用來向測量電路μ C供電，使得第一電池Al因向 測量電路μ C供電而以毫安范圍(mA)內(nèi)的電流放電，而不向載荷供電的電池的靜止模式中 的自放電在微安范圍(μΑ)內(nèi)。這參照圖2描述于下文中。
圖2所述的電路布置基本包括與圖1中相同的組件，因此可參考圖1關于這些組 件的描述。然而，與圖1所述的電路布置相比，圖2所述的電路布置是擴展了的。第一電池 的正極通過第一二極管Dl連接到測量電路μ C的供電輸入。此外，第二電池Α2的正極通過 第三開關S3連接到附加電阻器R2。第三開關S3能夠由測量電路PC來控制，所述電路由 虛線指示。附加電阻器R2通過齊納二極管連接到地電位，并且附加電阻器R2通過第二二 極管D2連接到測量電路μ C的供電輸入。該電路布置允許電路布置的第三應用，即，由電 池級聯(lián)為測量電路μ C供電。測量電路μ C還具有內(nèi)部基準電壓Uref，所述內(nèi)部基準電壓 能夠用來_如已結合圖1所述的那樣_絕對地測量所提供的電壓值，以便能夠識別欠電壓 的發(fā)生，并且因此能夠保護電池免受欠電壓的損害，這能夠增加電池的預期使用壽命。在圖2所述的實施方案中，測量電路PC通過電池供電。在第三開關S3閉合的情 況下，測量電路PC由電池級聯(lián)的這兩個電池通過第二二極管D2供電。以如下方式選擇附 加電阻器R2和齊納二極管ZDl 甚至在這兩個電池的總和電壓高于測量電路μ C的工作電 壓(約5.5V)時，測量電路PC也僅具有為測量電路PC所設計的電壓。當由電池級聯(lián)的 這兩個電池供電時，測量電路能夠仍然提供全性能，甚至當電池的電壓各接近約2. 5V的欠 電壓限值時也是如此。此外，測量電路μc在大載荷期間也能夠可靠地得到供電，因為由大 載荷引起的所得電壓降不會導致測量電路μ c的欠電壓，所述大載荷通過加載要供電的裝 置(未示出；具有載荷(通常為馬達)的剃刀或家用裝置)而施加到電池上。如已結合圖1 所述的那樣，測量電路μ C在第一電池Al的電壓Vl大于第二電池Α2的電壓V2(V1 > V2) 的情況下也能夠單獨由第一電池Al供電。為此目的，將第三開關S3打開。此外，在該裝置 的待機運行期間，測量電路yc通過第一二極管Dl供電，其中第三開關S3保持打開。在該 類型的運行中，通過附加電阻器R2和齊納二極管ZDl進行電壓調(diào)節(jié)是不必要的，并且僅使 用幾微安(μΑ)的電流。所述的電路布置允許有幾毫伏的高測量精度，而無需使用成本密集的組件。實際 上能夠?qū)⒔?jīng)濟型、可商購獲得的微控制器用作測量電路μ C。在圖3中，顯示了具有如本發(fā)明所述的電路布置的電氣裝置100。電路布置由第一 電池Al、第二電池Α2和電子組件EL組成。電池為電氣裝置100的載荷L供電。這種載荷 能夠為例如馬達，因此其能夠驅(qū)動應用機構Α。這種應用機構A為例如電動剃刀上的剪切刀 片、脫毛器中的鑷元件、電鉆上的鉆頭、或手持式攪拌器上的刀刃。在移動電話中，載荷能夠 由顯示器以及發(fā)射和接收單元組成。電氣裝置100的電池能夠在充電站LS處以已知方式 通過感應充電或通過直接接觸來充電。為此目的，電氣裝置100包含電子充電器。
權利要求
一種電路布置，所述電路布置適合用于測量在電池級聯(lián)中的電池中的相應電壓，所述電路布置具有ο第一電池(A1)，其負極連接到地電位(GND)；ο第二電池(A2)，其負極與所述第一電池的正極耦接；和ο電容器(C1)，所述電容器在其第一側(cè)通過電阻器(R1)與所述第一電池(A1)的正極耦接并且能夠在第二側(cè)通過第一開關(S1)連接到所述地電位(GND)，其中所述第二電池(A2)的正極能夠通過第二開關(S2)耦接在所述電阻器(R1)和所述電容器(C1)之間。
2.如權利要求1所述的電路布置，所述電路布置還具有用于評測實測電壓的測量電路 (PC)，其中所述第一電池(Al)的正極與所述測量電路(PC)的第一輸入端(ADl)耦接，并 且所述電容器(Cl)的第二側(cè)與所述測量電路(μ C)的第二輸入端(AD2)耦接。
3.如權利要求2所述的電路布置，其中所述測量電路(μC)具有用于數(shù)字化所提供的 模擬電壓值的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和用于存儲至少一個數(shù)字電壓值的存儲器(M)。
4.如權利要求2或權利要求3所述的電路布置，其中所述測量電路(μC)具有用于比 較兩個電壓值的比較單元(CP)。
5.如權利要求2至4中任一項所述的電路布置，其中所述第一開關(Si)和所述第二開 關(S2)由所述測量電路(μ C)控制。
6.如權利要求2至5中任一項所述的電路布置，其中所述第二電池(Α2)的正極能夠通 過第三開關(S 3)與所述測量電路(μ C)耦接。
7.如權利要求2至6中任一項所述的電路布置，其中所述測量電路(μC)具有用于絕 對地確定電壓值的內(nèi)部基準電壓(Uref)。
8.如權利要求1至7中任一項所述的電路布置，其中所述第一電池(Al)的負極和所述 第二電池(Α2)的正極與充電電流(DC)耦接或能夠與充電電流(DC)耦接。
9.一種具有如權利要求1至9中任一項所述的電路布置的電氣裝置(100)，其中所述 電池級聯(lián)用來為所述電氣裝置(100)的載荷(L)供電。
10.一種用于提供電壓的方法，所述電壓為在電池級聯(lián)中的電池的電壓的量度，其中執(zhí) 行以下步驟 對連接到地電位的電容器(Cl)進行充電，直到連接到所述地電位(GND)的電池級聯(lián) 的第一電池(Al)的電壓(Vl)以預定精度接近所述電容器(Cl)的電壓； 將電容器(Cl)從所述地電位(GND)退耦，具體地講通過切換所述電容器(Cl)和地電 位(GND)之間的高阻抗來實現(xiàn)； 將源自所述電池級聯(lián)中的第一電池(Al)的電壓(Vl)和第二電池(A2)的電壓(V2) 的總電壓施加到所述電容器(Cl)上。
11.如權利要求10所述的方法，其中作為附加步驟，通過電阻器(Rl)來進行所述第二 電池(A2)的部分放電。
12.如權利要求10所述的方法，其中作為充電所述電池級聯(lián)過程中的附加步驟，通過 電阻器(Rl)來傳送用于所述第二電池(A2)的充電電流的一部分。
13.如權利要求10至12中任一項所述的方法，其中作為附加步驟，僅通過所述第一電 池(Al)來進行對測量電路(μ C)的供電。
全文摘要
在其中載荷由電池級聯(lián)供電的電氣裝置中，必須高精度地測量電池級聯(lián)中的電池的電壓，以便起動充電均衡并且防止欠電壓或過電壓，其中如有可能，應同時使用有利的組件。該問題由所提議的具有電池級聯(lián)的電路布置而得到解決，所述電路布置包括其負極具有地電位(GND)的第一電池(A1)、其負極耦接到第一電池的正極的第二電池(A2)，并且還包括電容器(C1)，所述電容器在其第一側(cè)經(jīng)由電阻器(R1)耦接到第一電池的正極，并且其第二側(cè)能夠經(jīng)由第一開關(S1)施加到地電位(GND)。此外，第二電池(A2)的正極能夠經(jīng)由第二開關(S2)耦接在電阻器(R1)和電容器(C2)之間。能夠?qū)㈦娙萜?C1)充電至第一電池的電壓(V1)，并且僅需測量整個電池級聯(lián)和電容器(C1)之間的差分電壓。
文檔編號G01R31/36GK101849193SQ200880114961
公開日2010年9月29日 申請日期2008年9月16日 優(yōu)先權日2007年11月7日
發(fā)明者J·里默爾, M·弗蘭克, T·舍德爾 申請人:博朗有限公司