專(zhuān)利名稱：電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)在一端連接到參考電壓的由多于兩個(gè)的串 聯(lián)電池組成的電池布置的電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 其中該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括一分壓器，所述分壓器包括與電池布置的至少 一部分并聯(lián)布置并且在一端連接到參考電壓而在另一端連接到電池 布置中的節(jié)點(diǎn)的第 一 電阻元件和第二電阻元件。
背景技術(shù)：
如果電器配備有例如Li離子電池，則需要或多或少?gòu)?fù)雜的電池管 理系統(tǒng)。在充電期間需要保護(hù)Li離子電池并且也保護(hù)Li聚合物免于 過(guò)電壓(<4.2V)。在使用電器期間將對(duì)一個(gè)或者多個(gè)電池進(jìn)行放電。 如果布置中的任何電池的電池電壓超過(guò)某一下限如2.7伏特，則將主 動(dòng)地關(guān)斷電器以防止電池充電不足。否則這將造成對(duì)電池的永久損 壞。具有其它化學(xué)物質(zhì)(例如NiMH)的電池具有它們自己的其它特 有電壓水平。電池布置在一端連接到參考電壓。對(duì)于單個(gè)電池或者 串行連接到參考電壓的第一電池，可以直接地測(cè)量電池電壓。對(duì)于 由多于兩個(gè)電池組成的串聯(lián)布置則需要更復(fù)雜的方案。已知使用與 電池布置的至少 一部分并聯(lián)布置的分壓器。這允許測(cè)量串聯(lián)電池布 置的一部分之上的電壓、即用于兩個(gè)、三個(gè)或者更多電池的總電壓。
然而使用已知方案，測(cè)量誤差隨著使用的電池越來(lái)越多而增加。 各測(cè)量提供多個(gè)電池之上的電壓。將基于各種測(cè)量來(lái)計(jì)算特定電池 的電池電壓。這導(dǎo)致誤差。這樣的誤差可能造成對(duì)電池的不希望的 損壞或者如果應(yīng)用安全裕度則造成在實(shí)質(zhì)上高于2.7伏特的實(shí)際電 壓處關(guān)斷設(shè)備或者在實(shí)質(zhì)上低于4.2V的電壓處終止對(duì)電池的充電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種增加其中電壓測(cè)量的精確度的改 進(jìn)的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明以精確地監(jiān)測(cè)由串行連接的電池組 成的布置的個(gè)體電池電壓為目標(biāo)。
為此，根據(jù)本發(fā)明的 一 種電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特征在于在第 一 電 阻元件與第二電阻元件之間布置有晶體管，該晶體管的基極經(jīng)由二 極管連接到串聯(lián)電池布置中的又 一 節(jié)點(diǎn)，并且開(kāi)關(guān)電路被提供用以 對(duì)晶體管進(jìn)行尋址。
當(dāng)對(duì)晶體管進(jìn)行尋址時(shí)，跨越第 一 電阻器的電壓變得基本上等于 在電池布置中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓。這允許直接地測(cè)量個(gè)體電池 上的電壓差，因此消除誤差源。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)或者更多個(gè)分壓器具有共用電阻器。 對(duì)共用電阻器的使用減少測(cè)量誤差。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，二極管包含于與分壓器中的晶體管相匹配 的晶體管中。這減少誤差。
晶體管在實(shí)施例中是PNP晶體管、在其它實(shí)施例中是NPN晶體管。
將通過(guò)示例并且參照以下附圖更具體地，說(shuō)明本發(fā)明的這些和其它 方面。


圖1圖示了用于測(cè)量電池系統(tǒng)中的電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)布置；
圖2圖示了使用MOSFET的根據(jù)WO 2005/117232的已知布置；
圖3在與圖1和圖2的標(biāo)準(zhǔn)布置的比較中圖示了本發(fā)明；
圖4圖示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；
圖5圖示了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例；
圖6圖示了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例；
圖7A圖示了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例；
圖7B圖示了圖7A的實(shí)施例的一種變型，其中使用了環(huán)形計(jì)數(shù)器；圖8圖示了圖7中所示設(shè)備的簡(jiǎn)化版本； 圖9圖示了使用NPN晶體管的一個(gè)實(shí)施例。
附圖未按比例繪制。 一般而言，相同部件在圖中由相同標(biāo)號(hào)表示。
具體實(shí)施例方式
在圖1中呈現(xiàn)普通Li離子電池管理系統(tǒng)。它包括低電壓電源插頭 (或者"適配器")、Li離子電池(在本例中為五個(gè)電池)的串行連 接、控制器、接通/關(guān)斷開(kāi)關(guān)和用以測(cè)量電壓的裝置。通過(guò)MosfetM5 可以中斷充電電流。通過(guò)Mosfet M6可以在控制4妻通/關(guān)斷開(kāi)關(guān)時(shí)接 通和關(guān)斷電器。 充電
如果借助控制器在輸入12檢測(cè)到存在電源插頭電壓Uplug，則將 對(duì)電池操作的電器(手持真空清潔器、動(dòng)力工具等)進(jìn)行充電。如 果電池具有低充電狀態(tài)，則控制器將輸出05從低狀態(tài)改變成高狀 態(tài)。這接通晶體管05和PMosfet M5。電阻器R15限制充電電流。 在充電期間，每個(gè)個(gè)體電池的電壓將增加。必須監(jiān)測(cè)每個(gè)個(gè)體電池 (U1至U5)的電壓。如果電池電壓超過(guò)4.2伏特這一限制，則將減 少電池的壽命。為了增加充電/放電循環(huán)的數(shù)目，最大電壓閾值將限 于較低值，如3.8伏特。
由于電池U5以參考電壓線(在本例中為地)為參考，所以控制 器可以用模擬輸入A5直接地監(jiān)測(cè)U5的電池單元電壓。必須借助四 個(gè)分壓器Rl/R5、 R2/R6、 R3/R7和R4/R8間接地監(jiān)測(cè)電池Ul至U4 的電壓。這四個(gè)分壓器連接到參考電壓線(在本例中為地)并且分 別連接到電池布置中的節(jié)點(diǎn)Nl、 N2、 N3、 N4。四個(gè)分壓器根據(jù)每 個(gè)個(gè)體分壓器的尺度設(shè)定將電壓縮放到范圍從2伏特到3伏特的模 擬輸入A1、 A2、 A3和A4。這一 電壓范圍為與電壓參考Uref相同 的數(shù)量級(jí)。
為了例如測(cè)量電池U1的電壓，需要測(cè)量在輸入A1和A2處的電 壓并且將該電壓與電壓參考Uref進(jìn)行比較。從電壓UA1和UA2得到
尺5
^ -——^_. 6'2+ - ,n -乙'2，
對(duì)于電池電壓Ul現(xiàn)在可以寫(xiě)為
這一計(jì)算由控制器進(jìn)行。因此，為了精確地測(cè)量電壓ui,控制器
需要考慮衰減和X2。另外，也必須考慮分壓器電阻器和電壓參 考的容差以確定A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程的所需解析度?？梢杂妙?lèi)似方式測(cè)量 電池U2、 U3和U4的電壓，但是各模擬輸入通道需要考慮不同的衰 減因子。
如果控制器測(cè)量到個(gè)體電池的電池電壓高于3.8伏特，則停止充 電過(guò)程?？刂破鲗⑤敵?5從高改變成低并且關(guān)斷PMosfet M5。插 入二極管D5以阻止電池電流可以流回到電源中。
這一電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的又一弊端在于在充電之后分壓器網(wǎng)絡(luò)保持連 接到電池。通常使用高歐姆電阻器，但是大量電流仍將從電池泄漏 掉。串聯(lián)連接越多的電池，則需要越多分壓器，將出現(xiàn)越多泄漏。 放電
通過(guò)推動(dòng)接通/關(guān)斷開(kāi)關(guān)來(lái)接通電池操作的電器(手持真空清潔 器、動(dòng)力工具)?？刂破鲗⑤敵?6從低狀態(tài)改變成高狀態(tài)。這接通 NMosfet M6并且DC電沖/L開(kāi)始運(yùn)行。在才喿作DC電才幾期間將對(duì)電池 進(jìn)行放電。如果一個(gè)電池的個(gè)體電池電壓超過(guò)2.7伏特的最小閾值， 則必須關(guān)斷DC電機(jī)。這防止Li離子電池的永久損壞?？刂破鳜F(xiàn)在 將輸出06從高狀態(tài)改變成低狀態(tài)并且關(guān)斷NMosfet M6。在放電期 間監(jiān)測(cè)個(gè)體電池電壓的原理與在電池充電期間的完全相同。
在圖2中示出了 Li離子電池布置的現(xiàn)有技術(shù)的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (Milwaukee WO2005/117232A2 )。這一現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)解決在全 充電循環(huán)之后從電池泄漏電流的問(wèn)題。各分壓器配備有NMosfet M1 、
6M2、 M3和M4。選4奪這一 NMosfet的Rds—on使得它并不影響電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確度、通常為R4的0.01。/。。
在充電期間，控制器使輸出01為低，并且在Ql的集電極處的電壓將變成高狀態(tài)。這接通NMosfet的Ml至M4,并且將正常地操作分壓器。電壓監(jiān)測(cè)與已經(jīng)討論的電壓監(jiān)測(cè)類(lèi)似。在全充電循環(huán)之后，通過(guò)關(guān)斷NMosfet Ml至M4 (輸出01 =高)/人電池?cái)嚅_(kāi)分壓器。這一系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于在分壓器中不再需要高歐姆電阻器。這使系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感度更低并且因而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。
雖然這 一 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)由此增加精確度，但是它并未消除間接電池電壓測(cè)量的基本問(wèn)題以及對(duì)于四個(gè)不同衰減因子的需要以及在電池電壓計(jì)算期間的舍入誤差。
圖3在部分A和B中圖示了圖1和圖2中所示的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本部件而在部分C中圖示了用于根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本部件。為求簡(jiǎn)化，在圖3中并未繪出對(duì)于說(shuō)明而言不相關(guān)的控制器的輸入或者輸出(比如A2、 A3等)。
晶體管Qll位于分壓器中的電阻器R1與R2之間，而它的基極經(jīng)
由二極管Dl連接到電池布置的節(jié)點(diǎn)N2。 二極管Dl的功能在于將
Qll的基極從節(jié)點(diǎn)N2斷開(kāi)。如果使在本例中為晶體管Ql的開(kāi)關(guān)元
件變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，則對(duì)晶體管Qll進(jìn)行尋址并且跨越電阻器Rl的
電壓變成
〃(力l) - t/i+t/Mj2i) -歸< 。
如果fKfi〃卩=l"'"wz)/;，則這一方程變成
因此如果晶體管Ql處于導(dǎo)通狀態(tài)，則跨越電阻器Rl的電壓與電
池電壓U1成比例。利用這一原理將電池電壓Ul變換成比例電流Ie(Qll )。電流Ie (Qll )向下流向以地為參考的電阻器R5，從而使^爭(zhēng)越R5的電壓與電池電壓Ul幾乎成比例。這允許對(duì)電壓Ul的直接測(cè)量，因此無(wú)需考慮各種衰減因子并且由此增加個(gè)體電池電壓的測(cè)量精確度。另外，與如圖3的部分A中所示的標(biāo)準(zhǔn)布置比較而言，減少了泄漏電流，而與圖3的部分B的布置比較而言^是供更簡(jiǎn)易而成本更低、又更精確的布置。
圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
分別在電阻器R1、 R2、 R3和R4與各電阻器R5、 R6、 R7和R8之間-提供晶體管Qll至Q14。晶體管Qll至Q14的基極經(jīng)由二極管Dl.至D4連接到電池布置中的節(jié)點(diǎn)。借助晶體管Ql至Q4來(lái)提供用于對(duì)晶體管進(jìn)行尋址的開(kāi)關(guān)元件。
通過(guò)對(duì)晶體管Ql至Q4進(jìn)行尋址，控制器可以借助模擬輸入Al至A5來(lái)讀出每個(gè)個(gè)體電池的電池電壓而無(wú)需衰減因子。因而不會(huì)產(chǎn)生舍入誤差也不引起泄漏電流路徑。
圖5圖示了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
在圖3的部分C的方案中，如果fQ//,不等于"d 60/>則留有誤差。在圖5中，二極管形成與PNP晶體管Qll相匹配的晶體管Tll的部分，由此消除r^7/ y>與C/aA: (7)/ ,的不相等所致的測(cè)量誤差。如果使用精確度為1%的電阻器，則這里總精確度優(yōu)于2.5%。在這一圖3中未繪出對(duì)于說(shuō)明而言不相關(guān)的控制器的輸入和輸出。
圖6圖示了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，各種分壓器共享共用電阻器R5。使用共用電阻器以減少誤差并且簡(jiǎn)化系統(tǒng)(需要更少模擬輸入)。對(duì)晶體管Ql至Q4的依次尋址對(duì)于讀出每個(gè)個(gè)體電池的電池電壓而言現(xiàn)在很有用。由于充電過(guò)程相對(duì)慢，所以依次讀出每個(gè)個(gè)體電池的電池電壓不成問(wèn)題。
圖7A和7B圖示了其中將圖5和圖6的方面進(jìn)行組合的實(shí)施例。圖7A是這兩個(gè)方面的直接組合。在圖7B中示出了晶體管Ql至Q4的簡(jiǎn)化尋址系統(tǒng)。無(wú)需控制器"知道"哪個(gè)個(gè)體電池的哪個(gè)電池電壓超過(guò)較低或者較高電壓保護(hù)水平。因此，對(duì)晶體管Q1至Q4的尋址可以由簡(jiǎn)易而廉價(jià)的環(huán)形計(jì)數(shù)器(類(lèi)似HEF4017)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這尤其在大串電池串行連接時(shí)意味著減少控制器的所需輸出數(shù)目。這實(shí)現(xiàn)使用成本更低的控制器。圖8是圖7A中所示方案的簡(jiǎn)化版本，其中示出了僅三個(gè)電池。 在前圖中已經(jīng)使用PNP晶體管。在實(shí)施例中可以使用NPN晶體 管。在圖9中圖示了這樣的布置。參考電壓變成正電壓線而不是如 在前圖中的地。De控制器也使用加號(hào)線作為參考。本發(fā)明的原理同 樣地適用。
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明可以描述為
一種電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)由多于兩個(gè)串聯(lián)電池(U1, U2, U3， U4, U5)組成的布置的電壓。該系統(tǒng)包括分壓器，所述分壓器包括 與電池布置的至少一部分并聯(lián)布置并且連接到參考電壓線和電池布 置中的節(jié)點(diǎn)(Nl， N2, N3, N4)的第一電阻元件(Rl, R2， R3, R4)和第二電阻元件(R5, R6， R7, R8 )。晶體管(Q11, Q12, Q13, Q14)布置于第一電阻元件(Rl, R2, R3, R4)與第二電阻 元件(R5, R6， R7, R8)之間。晶體管的基極經(jīng)由二極管(Dl, D2， D3， D4)連接到串聯(lián)電池布置中的又一節(jié)點(diǎn)(N2, N3, N4, N5),并且開(kāi)關(guān)元件(Ql, Q2， Q3, Q4)被提供用以對(duì)晶體管(Q11, Q12, Q13, Q14)進(jìn)行尋址。
應(yīng)當(dāng)注意上文提到的實(shí)施例舉例說(shuō)明而不是限制本發(fā)明并且本領(lǐng) 域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)許多替代實(shí)施例而不脫離所附權(quán)利要求的范 圍。例如在例子中利用了 NPN或者PNP晶體管，而在實(shí)施例中可 以同時(shí)利用這兩類(lèi)晶體管。
求。 S 、 ；"、
字眼"包括，，并不排除存在除了權(quán)利要求中列舉的元件或者步驟之 外的元件或者步驟。可以通過(guò)如上所述各種不同優(yōu)選實(shí)施例的任何 組合來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
9
權(quán)利要求
1.一種電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)在一端連接到參考電壓線的由多于兩個(gè)的串聯(lián)電池(U1，U2，U3，U4，U5)組成的電池布置的電池電壓，其中所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括分壓器，所述分壓器包括與所述電池布置的至少一部分并聯(lián)布置并且在一端連接到所述參考電壓線而在另一端連接到所述電池布置中的節(jié)點(diǎn)(N1，N2，N3，N4)的第一電阻元件(R1，R2，R3，R4)和第二電阻元件(R5，R6，R7，R8)，其中在所述第一電阻元件(R1，R2，R3，R4)與第二電阻元件(R5，R6，R7，R8)之間布置晶體管(Q11，Q12，Q13，Q14)，所述晶體管的基極經(jīng)由二極管(D1，D2，D3，D4)連接到串聯(lián)電池布置中的又一節(jié)點(diǎn)(N2，N3，N4，N5)，并且開(kāi)關(guān)元件(Q1，Q2，Q3，Q4)被提供用以對(duì)所述晶體管(Q11，Q12，Q13，Q14)進(jìn)行尋址。
2. 如權(quán)利要求1所述的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述二極管 (D1, D2, D3， D4)包含在與所述分壓器中的所述晶體管(Q11,Q12, Q13, Q14)相匹配的晶體管(Til, T12, T13, T14)中。
3. 如權(quán)利要求1或者2所述的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中兩個(gè)或 者更多分壓器具有共用電阻器(R5)。
4. 如任一前述權(quán)利要求所述的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述分 壓器中的所述晶體管是NPN晶體管。
5. 如任一前述權(quán)利要求所述的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中所述分 壓器中的所述晶體管是PNP晶體管。
6. 如任一前述權(quán)利要求所述的電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括環(huán)形計(jì) 數(shù)器。
7. —種電池可驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，包括如任一前述權(quán)利要求所述的電 池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
全文摘要
一種電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)由多于兩個(gè)的串聯(lián)電池(U1，U2，U3，U4，U5)組成的布置的電壓。該系統(tǒng)包括分壓器，該分壓器包括與電池布置的至少一部分并聯(lián)布置并且連接到參考電壓線和電池布置中的節(jié)點(diǎn)(N1，N2，N3，N4)的第一電阻元件(R1，R2，R3，R4)和第二電阻元件(R5，R6，R7，R8)。晶體管(Q11，Q12，Q13，Q14)布置于第一電阻元件(R1，R2，R3，R4)與第二電阻元件(R5，R6，R7，R8)之間。晶體管的基極經(jīng)由二極管(D1，D2，D3，D4)連接到串聯(lián)電池布置中的又一節(jié)點(diǎn)(N2，N3，N4，N5)，并且開(kāi)關(guān)元件(Q1，Q2，Q3，Q4)被提供用以對(duì)晶體管(Q11，Q12，Q13，Q14)進(jìn)行尋址。
文檔編號(hào)G01R31/36GK101652670SQ200880011047
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者J·J·范德伯格, O·J·比斯喬普, P·霍曼, S·希林加, W·埃特斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司