串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路的制作方法
【專利摘要】串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，以便用簡化緊湊的方式實(shí)現(xiàn)逐節(jié)電池電壓測量，包括形成堆疊結(jié)構(gòu)的若干個(gè)電路階，每一個(gè)電路階包括對應(yīng)連接上下抽頭的可充電電池的正負(fù)極，上抽頭連上一級電路階，下抽頭連下一級，上抽頭分別連接第四電阻的一端和第二PMOS管的源極，第二PMOS管的柵極分別連接第四電阻的另一端和電流漏并通過該電流漏接地，第二PMOS管的漏極分別連接第一電阻的一端、第三電阻的一端和放大器的第一控制端，放大器的負(fù)極端分別連接第三電阻的另一端和第一PMOS管的源極，放大器的正極端分別連接第一電阻的另一端和第二電阻的一端，第二電阻的另一端和放大器的第二控制端均連接下抽頭，放大器的輸出端連接第一PMOS管的柵極，第一PMOS管的漏極通過MU接地。
【專利說明】
串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及串聯(lián)電池組中每節(jié)電池的電壓測量技術(shù)，特別是一種串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，通過堆疊電路結(jié)構(gòu)和將高端電壓轉(zhuǎn)移到低電壓端，以便用簡化緊湊的方式實(shí)現(xiàn)逐節(jié)電池電壓測量。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子可充電電池因其儲(chǔ)能能力強(qiáng)等因素越來越多地得到廣泛使用。例如筆記本電腦、手機(jī)等產(chǎn)品已全面采用該種電池，同時(shí)也可以預(yù)期自行機(jī)器人和電動(dòng)工具等等也將廣泛使用此種電池。該種電池的放電平臺(tái)，即主要充放電電壓范圍僅有3.6V?4.0V的400mV的變化(有的在2.5V?4.2V之間)；對該種電池的測量評估要求好于50mV的準(zhǔn)確度。在串聯(lián)電池組中，以10串為例，該測量相當(dāng)于在40V范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測量電壓壓差。其精度要求和電壓范圍決定其電路規(guī)模較大，難以高密度集成。目前的集成方案包括高壓開關(guān)配合電阻分壓器的方案和利用飛電容把高位電池的壓差轉(zhuǎn)移到低電位的方案兩大類型。這些電路存在的主要問題是高壓開關(guān)和高壓電路多，各節(jié)電池的采樣電路因分壓電阻上的電壓跨度大無法保持一致性、或因電容在開關(guān)時(shí)與地的電壓差異大無法保持一致性，不得不按逐節(jié)電池所處電壓范圍提供修正，致使其電路規(guī)模大、制造成本高，限制了集成規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明試圖使用一種新的結(jié)構(gòu)減少高壓開關(guān)和高壓電路數(shù)量，利用一種方式把高端電壓高度一致地轉(zhuǎn)移到低電壓端，減小電路規(guī)模和制造成本，從而促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)、廣泛的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，提供一種串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，通過堆疊電路結(jié)構(gòu)和將高端電壓轉(zhuǎn)移到低電壓端，以便用簡化緊湊的方式實(shí)現(xiàn)逐節(jié)電池電壓測量。
[0004]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0005]串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，包括形成堆疊結(jié)構(gòu)的若干個(gè)電路階，每一個(gè)電路階包括上抽頭和下抽頭，所述上抽頭連接可充電電池的正極，所述下抽頭連接可充電電池的負(fù)極，所述上抽頭連接堆疊的上一級電路階連接處，所述下抽頭連接堆疊的下一級電路階連接處，所述上抽頭分別連接第四電阻的一端和第二 PMOS管的源極，所述第二PMOS管的柵極分別連接所述第四電阻的另一端和電流漏并通過該電流漏連接接地端，所述第二 PMOS管的漏極分別連接第一電阻的一端、第三電阻的一端和放大器的第一控制端，所述放大器的負(fù)極端分別連接所述第三電阻的另一端和第一 PMOS管的源極，所述放大器的正極端分別連接第一電阻的另一端和第二電阻的一端，所述第二電阻的另一端和所述放大器的第二控制端均連接所述下抽頭，所述放大器的輸出端連接所述第一 PMOS管的柵極，所述第一 PMOS管的漏極通過模擬信號多路選擇器單元連接接地端。
[0006]所述電流漏為單個(gè)場效應(yīng)管FET組成的電流漏。
[0007]所述電流漏用于把處于低電壓端的控制信號以電流的形式轉(zhuǎn)移到其所在的電路階中，控制第二PMOS管啟動(dòng)對電壓采樣電路的供電。
[0008]所述放大器和第一 PMOS管組成負(fù)反饋環(huán)路，所述負(fù)反饋環(huán)路使第三電阻上的壓降一致于第一電阻和第二電阻上的分壓。
[0009 ]所述第一 PMOS管隔離對地和其他元件的漏電和/或干擾。
[0010]對電路階內(nèi)元件的襯底進(jìn)行等電位屏蔽，隔離階電路對地電位的影響。
[0011 ] 所述第一 PMOS管和所述第二 PMOS管均為高壓MOSFET。
[0012]所述可充電電池的電池電壓為Vb，第一電阻值為rsl，第二電阻值為rs2，第三電阻值為rt，貝Ij電壓轉(zhuǎn)移到電流的傳輸關(guān)系如下:iv = Vb.rsl/[ (rsl+rs2).rt]，式中iv是用電流表達(dá)的、所測量的電池電壓比例信號。
[0013]本發(fā)明技術(shù)效果如下:本發(fā)明串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，使用一種新的結(jié)構(gòu)能夠減少高壓開關(guān)和高壓電路數(shù)量，利用一種方式把高端電壓高度一致地轉(zhuǎn)移到低電壓端，減小電路規(guī)模和制造成本，從而促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)、廣泛的使用。本發(fā)明電路每階僅需要2個(gè)高壓M0SFET，所需電路規(guī)模遠(yuǎn)小于現(xiàn)有產(chǎn)品的電路。高壓FET對附件電路的漏電低，隔離簡單、不受所處電壓影響。再加上采用低壓電路和襯底等電位屏蔽，階階之間的一致性容易保證，不需要逐節(jié)修正。
[0014]本發(fā)明具有的特點(diǎn):1.采用Ql隔離對地和其它元件的漏電和干擾的方案；2.利用堆疊結(jié)構(gòu)使每階僅使用CS和Q兩個(gè)簡單高壓元件的電路結(jié)構(gòu)；3.對階內(nèi)元件的襯底進(jìn)行等電位屏蔽，隔離階電路對地電位影響的電路結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明能夠以最為簡化的緊湊的方式實(shí)現(xiàn)逐節(jié)電池電壓測量。在一個(gè)串聯(lián)電池組中測量每節(jié)電池的電壓是實(shí)現(xiàn)電池均衡、進(jìn)行SOC評價(jià)和SOH評價(jià)、電池充放電能力評價(jià)和實(shí)現(xiàn)電池重組的必要條件。
【附圖說明】
[0016]圖1是實(shí)施本發(fā)明串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0017]附圖標(biāo)記列示如下:1_可充電電池或鋰離子可充電電池或第η節(jié)電池或第η電路階中電池;2-第η個(gè)抽頭;3-第(η+1)個(gè)電路階的堆疊處或堆疊的上一級電路階連接處;4-第四電阻;5-MU即模擬信號多路選擇器單元，MU單元接收來自多個(gè)電路階的iv信號、選擇一個(gè)iv輸出到公共的測量輸出公外部測量使用;6-接地端;7-第(n-1)個(gè)電路階的堆疊處或堆疊的下一級電路階連接處;8-第(η-1)個(gè)抽頭;9-第一電阻；10-第三電阻；11-第二電阻;CS-電流漏;Vb-電池電壓;Ql-第一PMOS管；Q2-第二PMOS管;ms-測量選擇信號，此ms信號用來啟動(dòng)MOSFET Q2，接通對由A和Ql組成的電壓轉(zhuǎn)移電路的供電，使該電路工作；iv-是用電流表達(dá)的、所測量的電池電壓比例信號;M-選擇一個(gè)電路階的信號，此信號啟動(dòng)電流漏CS，利用電流漏把M的控制信號轉(zhuǎn)移到處于高電壓段的第η階電壓轉(zhuǎn)移電路;A-放大器;rsl-第一電阻值;rs2_第二電阻值;rt-第二電阻值。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖(圖1)對本發(fā)明進(jìn)行說明。
[0019]圖1是實(shí)施本發(fā)明串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路的結(jié)構(gòu)原理示意圖。如圖1所示，串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，包括形成堆疊結(jié)構(gòu)的若干個(gè)電路階(例如，圖1中的第η階，位于上方的第η+1階和位于下方的第n-1階)，每一個(gè)電路階包括上抽頭(例如第η個(gè)抽頭2)和下抽頭(例如第(η-1)個(gè)抽頭8)，所述上抽頭連接可充電電池I的正極，所述下抽頭連接可充電電池I的負(fù)極，所述上抽頭連接堆疊的上一級電路階連接處3，所述下抽頭連接堆疊的下一級電路階連接處7，所述上抽頭分別連接第四電阻4的一端和第二 PMOS管Q2的源極，所述第二PMOS管Q2的柵極分別連接所述第四電阻4的另一端和電流漏CS并通過該電流漏CS連接接地端6，所述第二 PMOS管Q2的漏極分別連接第一電阻9的一端、第三電阻10的一端和放大器A的第一控制端，所述放大器A的負(fù)極端分別連接所述第三電阻10的另一端和第一 PMOS管Ql的源極，所述放大器A的正極端(+ )分別連接第一電阻9的另一端和第二電阻11的一端，所述第二電阻11的另一端和所述放大器A的第二控制端均連接所述下抽頭，所述放大器A的輸出端連接所述第一 PMOS管Ql的柵極，所述第一 PMOS管Ql的漏極通過模擬信號多路選擇器單元MU連接接地端6。所述電流漏CS為單個(gè)場效應(yīng)管FET組成的電流漏。所述電流漏CS用于把處于低電壓端的控制信號以電流的形式轉(zhuǎn)移到其所在的電路階中，控制第二PMOS管Q2啟動(dòng)對電壓采樣電路的供電。所述放大器A和第一 PMOS管Ql組成負(fù)反饋環(huán)路，所述負(fù)反饋環(huán)路使第三電阻10上的壓降一致于第一電阻9和第二電阻11上的分壓。所述第一 PMOS管Ql隔離對地和其他元件的漏電和/或干擾。對電路階內(nèi)元件的襯底進(jìn)行等電位屏蔽，隔離階電路對地電位的影響。所述第一 PMOS管Ql和所述第二 PMOS管Q2均為高壓M0SFET。所述可充電電池的電池電壓為Vb，第一電阻值為rsl，第二電阻值為rs2，第三電阻值為rt，則電壓轉(zhuǎn)移到電流的傳輸關(guān)系如下:iv = Vb.rsl/[ (rsl+rs2).rt]，式中iv是用電流表達(dá)的、所測量的電池電壓比例信號。
[0020]庫倫效率或庫倫損失:使電池的開路電壓變化一致，放出電荷和充入電荷的比;或等效地，充入等量電荷導(dǎo)致的電壓上升和放出等量電荷產(chǎn)生的電壓變化的比。電池在不同電壓時(shí)的充放電能力有差異，庫倫效率需要在同一個(gè)電壓變化范圍內(nèi)測量和評價(jià)。功能良好的鋰電池的放電平坦區(qū)域內(nèi)的庫倫效率一般在95%?97%，或者折合到IC的充放電產(chǎn)生約30mV?50mV的電壓差異。
[0021 ]電池電壓充放電電壓分化，或電壓分化:串聯(lián)電池組中的充電和放電分別受到最先充滿到最高許可電壓的一節(jié)和最先放電到最低許可充電電壓的一節(jié)的限制。在串聯(lián)電池組中，充入各節(jié)的電荷量一致，這個(gè)電荷量由最高電壓一節(jié)的充電電量決定。從庫倫損失現(xiàn)象看，這將導(dǎo)致每IC充放，其余電池的電壓降低約30mV?50mV。這一現(xiàn)象即電池充放電電壓分化。這一現(xiàn)象導(dǎo)致串聯(lián)電池組使用中較低電壓電池的充放電電壓范圍逐漸變低，而最終因?yàn)槠浣咏畹头烹婋妷菏闺姵亟M無法有效使用。相對于單節(jié)電池容量差異，電壓分化對電池組的有效使用有更大影響。
[0022]電池均衡:使串聯(lián)電池組中每節(jié)電池的充滿程度一致，從而保證每節(jié)電池都可以充滿;或者使串聯(lián)電池組中每節(jié)電池得以充分放電。
[0023]電池重組:根據(jù)電池組內(nèi)每節(jié)電池的健康狀況，按節(jié)替換后重新組織成電池組。
[0024]SOC:電池充滿程度，描述電池以其當(dāng)時(shí)的實(shí)際容量計(jì)算的充滿程度。
[0025]S0H:電池健康程度，描述電池相對于其出廠狀態(tài)的老化情況。
[0026]參考圖1，本發(fā)明的電路由多個(gè)相同的這樣的電路階堆疊而成。這樣的電路階的偏置電壓由電池電壓提供，僅CS和Ql與低電位連接。其中CS為單個(gè)FET組成的電流漏，負(fù)責(zé)把處于低電壓端的控制信號以電流的形式轉(zhuǎn)移到第η個(gè)電路階中，控制Q2啟動(dòng)對電壓采樣電路的供電。Ql為受控高壓FET，負(fù)責(zé)把受放大器A控制產(chǎn)生的采樣電流輸送到低電壓端。包括放大器A和受控管Ql組成的負(fù)反饋環(huán)路使rt上的壓降與rsl和rs2的分壓一致，得到如下的電壓—電流的傳輸關(guān)系:iv = Vb.rsl/[ (rsl+rs2).rt]。測量選擇信號即ms信號用來啟動(dòng)MOSFET Q2，接通對由A和Ql組成的電壓轉(zhuǎn)移電路的供電，使該電路工作。模擬信號多路選擇器單元即MU單元接收來自多個(gè)電路階的iv信號、選擇一個(gè)iv輸出到公共的測量輸出供外部測量使用。選擇一個(gè)電路階的信號M，此信號啟動(dòng)電流漏CS、利用電流漏把M的控制信號轉(zhuǎn)移到處于高電壓段的第η階電壓轉(zhuǎn)移電路。
[0027]在此指明，以上敘述有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明創(chuàng)造，但并非限制本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。任何沒有脫離本發(fā)明創(chuàng)造實(shí)質(zhì)內(nèi)容的對以上敘述的等同替換、修飾改進(jìn)和/或刪繁從簡而進(jìn)行的實(shí)施，均落入本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，包括形成堆疊結(jié)構(gòu)的若干個(gè)電路階，每一個(gè)電路階包括上抽頭和下抽頭，所述上抽頭連接可充電電池的正極，所述下抽頭連接可充電電池的負(fù)極，所述上抽頭連接堆疊的上一級電路階連接處，所述下抽頭連接堆疊的下一級電路階連接處，所述上抽頭分別連接第四電阻的一端和第二 PMOS管的源極，所述第二 PMOS管的柵極分別連接所述第四電阻的另一端和電流漏并通過該電流漏連接接地端，所述第二PMOS管的漏極分別連接第一電阻的一端、第三電阻的一端和放大器的第一控制端，所述放大器的負(fù)極端分別連接所述第三電阻的另一端和第一 PMOS管的源極，所述放大器的正極端分別連接第一電阻的另一端和第二電阻的一端，所述第二電阻的另一端和所述放大器的第二控制端均連接所述下抽頭，所述放大器的輸出端連接所述第一 PMOS管的柵極，所述第一PMOS管的漏極通過MU連接接地端，所述MU是模擬信號多路選擇器單元。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，所述電流漏為單個(gè)場效應(yīng)管FET組成的電流漏。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，所述電流漏用于把處于低電壓端的控制信號以電流的形式轉(zhuǎn)移到其所在的電路階中，控制第二PMOS管啟動(dòng)對電壓采樣電路的供電。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，所述放大器和第一PMOS管組成負(fù)反饋環(huán)路，所述負(fù)反饋環(huán)路使第三電阻上的壓降一致于第一電阻和第二電阻上的分壓。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，所述第一PMOS管隔離對地和其他元件的漏電和/或干擾。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，對電路階內(nèi)元件的襯底進(jìn)行等電位屏蔽，隔離階電路對地電位的影響。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，所述第一PMOS管和所述第二 PMOS管均為高壓MOSFET。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組電壓轉(zhuǎn)移電路，其特征在于，所述電池電壓為Vb，第一電阻值為rsl，第二電阻值為rs2，第三電阻值為rt，則電壓轉(zhuǎn)移到電流的傳輸關(guān)系如T: IV = Vb.rsl/[(rsl+rs2).rt]，式中iv是用電流表達(dá)的、所測量的電池電壓比例信號。
【文檔編號】G01R19/00GK105866513SQ201610396831
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】譚磊, 易新敏, 王虎
【申請人】圣邦微電子（北京）股份有限公司