專利名稱：一種用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池管理系統(tǒng)的領(lǐng)域，特別是一種用來監(jiān)測并保護(hù)串聯(lián)組成的可充電電池模塊的電池狀態(tài)監(jiān)測電路，即一種用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路。
目前用于手提型計算機(jī)的電池模塊其規(guī)格相近，數(shù)量龐大，在市場上已有許多特殊設(shè)計的單芯片微控制器用來提供上述的監(jiān)控功能。惟在車輛系統(tǒng)(如電動車、混合式電動車、電動機(jī)車、電動助力車)尚未有專門設(shè)計的微控制芯片。由于在這方面的應(yīng)用，所使用的電壓設(shè)計種類繁多，且需要的特性也各有不同，若使用單芯片微控制器，在設(shè)計上不容易使用一種芯片同時符合各種應(yīng)用的需求，因而不易達(dá)到其經(jīng)濟(jì)規(guī)模。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，主要以簡潔的電路設(shè)計提供一種具有擴(kuò)充彈性的電池狀態(tài)監(jiān)測電路，同時在成本的考慮上亦較現(xiàn)有技術(shù)具有相對的優(yōu)勢。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，用以監(jiān)測可擴(kuò)充的多個串聯(lián)的電池模塊的各種狀態(tài)訊號，且將該等狀態(tài)訊號輸入至一微控制器，由該微控制器對該電池模塊的充、放電作用提供管理與控制功能，其中該可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路包含有一電壓測量電路，用以產(chǎn)生代表該電池模塊的電壓的電池電壓訊號，其包含一分壓電路、一組合式差動放大電路、及一運(yùn)算放大電路；一溫度測量電路，用以產(chǎn)生代表該電池模塊的溫度的電池溫度訊號；一電流測量電路，用以產(chǎn)生代表該電池模塊的電流的電池電流訊號；一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，用以將該電池電壓訊號、該電池溫度訊號、該電池電流訊號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)字訊號；譯碼電路，用以接受微控制器的控制訊號，而產(chǎn)生時間分割的多任務(wù)切換訊號至電壓測量電路、溫度測量電路、及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。
本發(fā)明的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路可進(jìn)一步包含一總電荷測量電路，用以產(chǎn)生代表該電池模塊的進(jìn)出電荷累積量的電池總電荷量訊號，供微處理器處理。
圖中符號說明1 電壓感測單元10 分壓電路100 第一分壓電阻 102 第二分壓電阻104 第一切換開關(guān) 106 第二切換開關(guān)12 組合式差動放大電路120 第一運(yùn)算放大器121 第一電阻122 第二電阻 123 第三電阻124 第四電阻 125 第五電阻126 第六電阻 127 第七電阻128 第二運(yùn)算放大器129 第三運(yùn)算放大器14 運(yùn)算放大電路140 第四運(yùn)算放大器141 第五運(yùn)算放大器142 第八電阻 143 第九電阻144 第十電阻 145 第十一電阻2溫度測量電路21 第十二電阻 22 第十三電阻23 第十四電阻 24 第六運(yùn)算放大器25 熱敏電阻 26 第一場效晶體管3電流測量電路30 反相放大器 31 第八運(yùn)算放大器32 第九運(yùn)算放大器 33 第一比較器34 電阻式電流傳感器 35 第十八電阻36 第十九電阻 37 第二十電阻38 第二十一電阻 39 第二十二電阻40 第一二極管 41 第二二極管4總電荷測量電路400 第十一運(yùn)算放大器 401 第十二運(yùn)算放大器402 第十三運(yùn)算放大器 403 第二比較器404 第三比較器405 第四比較器406 第五比較器407 第二十三電阻
408 第二十四電阻 409 第二十五電阻410 第二十六電阻 411 第二十七電阻412 第二十八電阻 413 第二十九電阻414 第三十電阻415 第三十一電阻416 第三十二電阻 417 第三十三電阻418 第一JK正反器 419 第二JK正反器420 除法器421 第一與非門422 第二與非門423 第三與非門424 電容器425 第二場效晶體管426 雙極接面晶體管5模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路50 第六比較器 51 第三場效晶體管52 第三十四電阻 54 數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器55 提升電阻6 微控制器7 電池模塊70 電池模塊的待測接點(diǎn)8 譯碼電路81 第一譯碼器 82 第二譯碼器83 第三譯碼器

圖1是本發(fā)明的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路方塊圖。電池狀態(tài)監(jiān)測電路用以監(jiān)測可擴(kuò)充的多個串聯(lián)的電池模塊7的各種狀態(tài)訊號，且將該等狀態(tài)訊號輸入至微控制器6，由微控制器6對電池模塊7的充、放電作用提供管理與控制功能，其中電池狀態(tài)監(jiān)測電路包含有電壓測量電路1，用以產(chǎn)生代表電池模塊7的電壓的電池電壓訊號；溫度測量電路2，用以產(chǎn)生代表電池模塊7的溫度的電池溫度訊號；電流測量電路3，用以產(chǎn)生代表電池模塊7的電流的電池電流訊號；總電荷測量電路4，用以產(chǎn)生代表電池模塊7的進(jìn)出電荷累積量的電池總電荷量訊號；模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路5，用以將該電池電壓訊號、該電池溫度訊號、及該電池電流訊號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)字訊號；譯碼電路8，用以接受微控制器6的控制訊號，而產(chǎn)生時間分割的多任務(wù)切換訊號至電壓測量電路1、溫度測量電路2、及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路5，譯碼電路具有第一譯碼器81(參見圖3)、第二譯碼器82(參見圖6)、及第三譯碼器83(參見圖2)，且第一、二、三譯碼器81、82、83的輸入端皆連接微控制器6。本發(fā)明前述所提及監(jiān)測的電池模塊可以是一單元電池或由一個以上的單元電池所組成的電池模塊。
圖2是本發(fā)明的電壓測量電路的電路圖。電壓測量電路1包含分壓電路10、組合式差動放大電路12、及運(yùn)算放大電路14。其中，分壓電路10具有多個第一分壓電阻100、多個第二分壓電阻102、第一切換開關(guān)104、及第二切換開關(guān)106，每一個第一分壓電阻100的一端分別連接電池模塊7的待測接點(diǎn)70，每一個第一分壓電阻100的另一端分別連接每一個第二分壓電阻102的一端及第一、二切換開關(guān)104、106的輸入端，第一、二切換開關(guān)104、106的選擇輸入端連接第三譯碼器83的輸出端。
串聯(lián)電池的電壓測量要點(diǎn)，在于各電池模塊7的負(fù)端電位不同，因此要量得各電池模塊7的電壓必須由其正、負(fù)端點(diǎn)比較獲得。而當(dāng)電池串聯(lián)數(shù)目多到某一程度時，直接引取各待測接點(diǎn)70電壓進(jìn)入模擬電路處理時很容易碰到電壓過高的情況。因此使用第一、二分壓電阻100、102分壓，將待測接點(diǎn)70的電壓降至適當(dāng)范圍是一種可行的方式。本發(fā)明以兩個N對一模擬多任務(wù)切換開關(guān)測量電池模塊7的電壓，如圖2所示，由第三譯碼器83控制第一、二切換開關(guān)104、106來同步選取兩相鄰待測接點(diǎn)70，以它們的電壓降作為前級差動電壓。其中第一、二切換開關(guān)104、106的導(dǎo)通電阻不需很低，只要遠(yuǎn)低于第一、二分壓電阻100、102與差動放大電路的輸入阻抗即可，因此零件的選用范圍很寬松。
組合式差動放大電路12具有第一運(yùn)算放大器120、第二運(yùn)算放大器128、第三運(yùn)算放大器129、第一電阻121、第二電阻122、第三電阻123、第四電阻124、第五電阻125、第六電阻126、及第七電阻127。其中，第一、二運(yùn)算放大器120、128的正相輸入端分別連接第一、二切換開關(guān)104、106的輸出端，第三運(yùn)算放大器129的輸出端作為組合式差動放大電路12的輸出端，且第一電阻121的一端連接第一運(yùn)算放大器120的反相輸入端及第二電阻122的一端，第一電阻121的另一端連接第二運(yùn)算放大器128的反相輸入端及第三電阻123的一端，第二電阻122的另一端連接第一運(yùn)算放大器120的輸出端及第四電阻124的一端，第三電阻123的另一端連接第二運(yùn)算放大器128的輸出端及第五電阻125的一端，第四電阻124的另一端連接第三運(yùn)算放大器129的反相輸入端及第六電阻126的一端，第五電阻125的另一端連接第三運(yùn)算放大器129的正相輸入端及第七電阻127的一端，第六電阻126的另一端連接第三運(yùn)算放大器129的輸出端。
對于負(fù)載效應(yīng)而言，本發(fā)明使用高阻抗的組合式差動放大電路12，可以防止負(fù)載效應(yīng)所造成的誤差，且將第一、二切換開關(guān)104、106的輸出端引入的差動(differential)電壓信號轉(zhuǎn)換成共地的電壓信號(single-ended signal)。
運(yùn)算放大電路14具有第四運(yùn)算放大器140、第五運(yùn)算放大器141、第八電阻142、第九電阻143、第十電阻144、及第十一電阻145。其中第八電阻142的一端連接組合式差動放大電路12的輸出端，第五運(yùn)算放大器141的輸出端作為電壓測量電路1的輸出端O1，第八電阻142的另一端連接第四運(yùn)算放大器140的反相輸入端及第九電阻143的一端，第九電阻143的另一端連接第四運(yùn)算放大器140的輸出端及第五運(yùn)算放大器141的正相輸入端，第十電阻144的一端連接第五運(yùn)算放大器141的反相輸入端及第十一電阻145的一端，第十電阻144的另一端連接第五運(yùn)算放大器141的輸出端，第四運(yùn)算放大器140的正相輸入端連接一參考電壓Vr。
運(yùn)算放大電路14針對電池的工作電壓作細(xì)部放大測量，以鋰離子二次電池而言，實(shí)用上可設(shè)定2.5伏特到4.5伏特做為電池電壓測量的范圍。超過此一范圍，管理系統(tǒng)的處理方式都可視為極端的過高電壓或過低電壓。運(yùn)算放大電路14的功能即是將電池電壓的最大量取范圍從2.5～4.5伏特線性轉(zhuǎn)換至0～5伏特，以配合模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路5的輸入電壓范圍。其中參考電壓Vr不為零，用以將電壓信號平移一個固定準(zhǔn)位。
圖3是本發(fā)明的溫度測量電路的電路圖。溫度測量電路2具有第十二電阻21、第十三電阻22、第十四電阻23、第六運(yùn)算放大器24、多個靠近電池模塊7的熱敏電阻25及多個第一場效晶體管26。其中，第六運(yùn)算放大器24的輸出端作為溫度測量電路2的輸出端O2，第十四電阻23的一端連接第六運(yùn)算放大器24的輸出端，第十四電阻23的另一端連接第六運(yùn)算放大器24的反相輸入端及每一個熱敏電阻25的一端，每一個熱敏電阻25的另一端連接每一個第一場效晶體管26的汲極，每一個第一場效晶體管26的閘極分別連接第一譯碼器81的多個輸出端，第十二電阻21的一端連接第六運(yùn)算放大器24的正相輸入端及第十三電阻22的一端，第十二電阻21的另一端連接一參考電壓Vr。
本發(fā)明在溫度的測量方面采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻25，以求在低成本下滿足要求。然而，由于NTC熱敏電阻的溫度特性呈現(xiàn)倒數(shù)特性，在室溫下電阻變化比較大，到了有安全疑慮的溫度范圍時，電阻的變化反而很小。因此，若直接測量熱敏電阻的電阻值來估計測量點(diǎn)的溫度，則不容易在需要的溫度范圍都得到足夠的分辨率。因此，我們采用電阻倒數(shù)放大電路，將原與溫度成倒數(shù)關(guān)系的電阻曲線反映到直線的特性。微控制器6控制第一譯碼器81而選取一個溫度測量點(diǎn)時，將與熱敏電阻25串聯(lián)的第一場效晶體管26導(dǎo)通，其余的第一場效晶體管26則維持?jǐn)嗦?，可獲得第六運(yùn)算放大器24的輸出電壓與溫度成正比。
圖4是本發(fā)明的電流測量電路的電路圖。電流測量電路3具有反相放大器30、第八運(yùn)算放大器31、第九運(yùn)算放大器32、第一比較器33、電阻式電流傳感器34、第十八電阻35、第十九電阻36、第二十電阻37、第二十一電阻38、第二十二電阻39、第一二極管40、第二二極管41。其中，反相放大器30具有第七運(yùn)算放大器300、第十六電阻302、及第十七電阻304，第十六電阻302的一端作為反相放大器30的反相輸入端，第七運(yùn)算放大器300的正相輸入端作為反相放大器30的正相輸入端；第二二極管41的n型端作為電流測量電路3的輸出端O3，電阻式電流傳感器34的一端連接反相放大器30的反相輸入端及電池模塊7的陰極，電阻式電流傳感器34的另一端連接反相放大器30的正相輸入端及負(fù)載端，第十八電阻35的一端連接反相放大器30的輸出端及第九運(yùn)算放大器32、第一比較器33的正相輸入端，第十八電阻35的另一端連接第十九電阻36的一端及第八運(yùn)算放大器31的反相輸入端，第十九電阻36的另一端連接第一二極管40的n型端及第二二極管41的n型端及第二十電阻37的一端，第一二極管40的p型端連接第八運(yùn)算放大器31的輸出端，第二二極管41的p型端連接第九運(yùn)算放大器32的輸出端，第二十電阻37的另一端連接第九運(yùn)算放大器32的反相輸入端及第二十一電阻38的一端，第二十二電阻39的一端連接第一比較器33的輸出端。
電流測量電路3用以獲得電池流通的電流方向與幅度訊息，其采用阻抗值如0.5毫歐姆，額定電流如120安培的電阻式電流傳感器34，且以反相放大器30擷取電流經(jīng)過電阻式電流傳感器34所產(chǎn)生的電壓訊號，其滿幅度電壓為±2V，其中正負(fù)號代表放電與充電兩種不同電流方向。本電路利用第一比較器33對零點(diǎn)電壓比較而產(chǎn)生有關(guān)電流方向的訊號供微控制器6處理，而電流幅度則由并聯(lián)的第八、九運(yùn)算放大器31、32針對不同方向的電流訊號放大。當(dāng)電池模塊7充電時，第七運(yùn)算放大器300的輸出為負(fù)電壓，因此第九運(yùn)算放大器32輸出負(fù)飽和電壓，導(dǎo)致第二二極管41關(guān)閉，而第八運(yùn)算放大器31則進(jìn)入線性區(qū)，導(dǎo)致第一二極管40導(dǎo)通，因此輸出端O3的訊號由第八運(yùn)算放大器31決定；當(dāng)電池模塊7放電時，第七運(yùn)算放大器300的輸出為正電壓，因此第八運(yùn)算放大器31輸出負(fù)飽和電壓，導(dǎo)致第一二極管40關(guān)閉，而第九運(yùn)算放大器32則進(jìn)入線性工作區(qū)，導(dǎo)致第二二極管41導(dǎo)通，因此輸出端O3的訊號由第九運(yùn)算放大器32決定。電流測量電路3兼具取絕對值與放大訊號幅度的功能，因此可針對實(shí)際需要采用不同放大倍率。
圖5是本發(fā)明的總電荷測量電路的電路圖?？傠姾蓽y量電路4具有第十一運(yùn)算放大器400、第十二運(yùn)算放大器401、第十三運(yùn)算放大器402、第二比較器403、第三比較器404、第四比較器405、第五比較器406、第二十三電阻407、第二十四電阻408、第二十五電阻409、第二十六電阻410、第二十七電阻411、第二十八電阻412、第二十九電阻413、第三十電阻414、第三十一電阻415、第三十二電阻416、第三十三電阻417、第一JK正反器418、第二JK正反器419、除法器420、第一與非門(NAND)421、第二與非門422、第三與非門423、電容器424、第二場效晶體管425、雙極接面晶體管426。其中，第十一運(yùn)算放大器400的正相輸入端連接電流測量電路3的輸出端及第四、五比較器405、406的正相輸入端，第三與非門423的輸出端連接微控制器6作為總電荷測量電路4的輸出端O4，第二十三電阻407的一端連接第十一運(yùn)算放大器400的輸出端及第二十五電阻409的一端，第二十三電阻407的另一端連接第十一運(yùn)算放大器400的反相輸入端及第二十四電阻408的一端，第二十四電阻408的另一端連接第二場效晶體管425的汲極，第二十五電阻409的另一端連接第十二運(yùn)算放大器401的反相輸入端及第二十六電阻410的一端，第二十六電阻410的另一端連接第十二運(yùn)算放大器401的輸出端及第二十七電阻411的一端，第二十七電阻411的另一端連接第十三運(yùn)算放大器402的反相輸入端及電容器424的一端及雙極接面晶體管426的射極，雙極接面晶體管426的集極連接第十三運(yùn)算放大器402的輸出端及電容器424的另一端及第二、三比較器403、404的正相輸入端，雙極接面晶體管426的基極連接第一JK正反器418的Q輸出端，第一JK正反器418的J輸入端、K輸入端分別連接第二、三比較器403、404的輸出端，第二比較器403的反相輸入端連接第二十八、二十九電阻412、413的一端，第三比較器404的反相輸入端連接第二十九電阻413的另一端及第三十電阻414的一端，第一JK正反器418的Q反相輸出端連接除法器420的輸入端及第一與非門421的一輸入端，除法器420的輸出端連接第二與非門422的一輸入端，第二場效晶體管425的閘極連接第二JK正反器419的Q輸出端及第二與非門422的另一輸入端，第二JK正反器419的Q反相輸出端連接第一與非門421的另一輸入端，第一、二與非門421、422的輸出端分別連接第三與非門423的二輸入端，第二JK正反器419的J輸入端、K輸入端分別連接第四、五比較器405、406的輸出端，第四比較器405的反相輸入端連接第三十一、三十二電阻415、416的一端，第五比較器406的反相輸入端連接第三十二電阻416的另一端及第三十三電阻417的一端。
本發(fā)明測量進(jìn)出電池模塊7的電荷總量，由計算電流的絕對值轉(zhuǎn)換成固定幅度的脈波，而脈波頻率則正比于電流的大小，且經(jīng)由累計脈波數(shù)目即可獲得與進(jìn)出電荷總量成正比的數(shù)目。實(shí)務(wù)上，脈波數(shù)目的累計必須配合電流方向切換成往上數(shù)或往下數(shù)的動作?？傠姾蓽y量電路4的電路架構(gòu)主要特色有二(1)具有兩段式自動增益調(diào)整如圖5所示，電流測量電路3所輸出的電池電流訊號，其絕對值經(jīng)第四、五比較器405、406來設(shè)定本級的第十一運(yùn)算放大器400的兩種增益值(1與N倍率)。后級的第十二、十三運(yùn)算放大器401、402的電壓轉(zhuǎn)成脈波頻率電路在設(shè)計上是搭配增益倍率為1的電壓輸入范圍而設(shè)計。當(dāng)電池電流訊號低于某一默認(rèn)值時，第四比較器405會將第二JK正反器419的內(nèi)容設(shè)定為1，并使第二場效晶體管425導(dǎo)通，造成增益切換成N倍(非反相放大)。若電池電流訊號高于某一默認(rèn)值時，第四比較器405會將第二JK正反器419的內(nèi)容清除為0，并使第二場效晶體管425關(guān)閉，造成增益切換成1倍(電壓追隨)。增益的自動轉(zhuǎn)換可以使后級轉(zhuǎn)脈波頻率的工作點(diǎn)在較佳的特性上，而增益上產(chǎn)生的N倍脈波頻率可以在最后以除法器420還原成應(yīng)有的對應(yīng)頻率。等效上這樣的電路具有擴(kuò)大電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路可用線性范圍的功效。如果電流測量點(diǎn)也由此自動增益后的電壓點(diǎn)取得的話，也可獲得提升動態(tài)范圍的效果。
(2)以低價位泛用型集成電路組成的電壓/頻率轉(zhuǎn)換器如圖5的虛線區(qū)域所示，其功能即具簡易的電壓/頻率轉(zhuǎn)換功能。其中第十二運(yùn)算放大器401產(chǎn)生電壓反相效果，而第十三運(yùn)算放大器402則產(chǎn)生定電流對電容器424進(jìn)行充電動作。第二、三比較器403、404監(jiān)測電容器424的電壓值，當(dāng)電容器424的電壓值到達(dá)一預(yù)設(shè)電壓幅度即對第一JK正反器418進(jìn)行設(shè)定動作。同時第一JK正反器418的輸出控制與雙極接面晶體管426使得電容器424的電荷被雙極接面晶體管426快速放電重置。當(dāng)電容器424的電荷被雙極接面晶體管426放到某一電壓幅度時，第二、三比較器403、404即對第一JK正反器418進(jìn)行重置，并關(guān)閉雙極接面晶體管426的放電作用。
圖6是本發(fā)明的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的電路圖。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路5具有多個第六比較器50、多個第三場效晶體管51、多個第三十四電阻52、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器54、提升電阻55。其中，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器54的多個輸入端連接微控制器6，每一個第六比較器50的反相輸入端各自連接每一個第三場效晶體管51的汲極及每一個第三十四電阻52的一端，每一個第六比較器50的正相輸入端連接數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器54的輸出端，每一個第三場效晶體管51的閘極各自連接第二譯碼器82的多個輸出端，每一個第三十四電阻52的另一端各自連接電壓測量電路1、溫度測量電路2、電流測量電路3的輸出端O1、O2、O3，提升電阻55的一端連接每一個第六比較器50的輸出端及微控制器6的輸入端。
本發(fā)明對于電池的電壓、溫度、電流、電荷量等狀態(tài)訊號的數(shù)字化，利用微控制器6控制數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器54產(chǎn)生一電壓準(zhǔn)位來與各電池狀態(tài)訊號比較，經(jīng)二分逼近方式漸進(jìn)獲得準(zhǔn)確的數(shù)字碼。各狀態(tài)訊號進(jìn)入第六比較器50的前以第三場效晶體管51接地，其中各第六比較器50必須具有開集極型的輸出，而且并接，利用提升電阻55產(chǎn)生與非門的效果。當(dāng)微控制器6要針對某一來源的狀態(tài)訊號進(jìn)行數(shù)字化時，將控制第二譯碼器82使連接該狀態(tài)信號的第三場效晶體管51斷開(使其浮接)，其它則導(dǎo)通(使其接地)。此時第六比較器50的輸出完全由待測的電池狀態(tài)訊號與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器54的比較結(jié)果決定。微控制器6可由此比較結(jié)果配合二分逼近的算法獲得待測的電池狀態(tài)訊號的數(shù)字碼，最后由微控制器6對電池狀態(tài)訊號的數(shù)字碼進(jìn)行分析，進(jìn)而對電池模塊7的充、放電作用提供管理與控制功能。
針對本發(fā)明的整體電路及各個子電路所具有的特色歸納如后一、提供簡潔的電路設(shè)計，以監(jiān)測可彈性擴(kuò)充串聯(lián)電池數(shù)目的電池模塊。在電池數(shù)目擴(kuò)充時，所需增加的組件成本降低到最少。
二、提供穩(wěn)定可靠的電池監(jiān)測與管理功能，本發(fā)明在各監(jiān)測與控制部分的功能與特色如下(a)電壓測量對于受測電池的電流消耗量小，長期而言對于電池容量的影響不會大于其自放電的損耗。在分辨率方面，使用8位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路達(dá)到10毫伏特以下的分辨率；測量電壓范圍在2.5伏特至4.5伏特的間，特別適用于鋰離子二次電池。對于不同種類的電池，可針對其操作電壓，調(diào)整電壓測量范圍至其適合的范圍。
(b)溫度測量采用價格相對低廉，穩(wěn)定可靠的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為溫度感測組件，配合特殊設(shè)計的電路開關(guān)電路選擇測量點(diǎn)，并將其非線性的電阻溫度特性轉(zhuǎn)換成近似線性的電壓溫度特性，便于使用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后，以微處理器查表/內(nèi)差獲得可靠的溫度數(shù)據(jù)。
(c)電流測量使用電阻式電流傳感器，量取進(jìn)出電池模塊的電流大小與方向，其中充電與放電兩種電流方向的電流測量可以設(shè)計成具有不同的分辨率或范圍。
(d)進(jìn)出總電荷量測量由電流大小的信號，對時間作等效上的連續(xù)積分，以獲得進(jìn)出電荷總量的監(jiān)測，其中電流大小的變化及頻率范圍是設(shè)計考量的重點(diǎn)。
(e)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路從不同信號來源的電壓、電流、溫度等信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號，使用同一組由微控制器操作的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成微控制器可取得的數(shù)字資料。利用有限的電路硬件，配合硬件切換開關(guān)以及微控制器的計算時間來達(dá)到多組模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的處理功能。這樣的架構(gòu)，除了測量電池電壓、電流、溫度信號，亦可測量其它電池狀態(tài)的物理量，而且對于未來擴(kuò)充的測量物理量，所需增加的電路成本可以降到最低。
雖然本發(fā)明已以一具體實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，用以監(jiān)測可擴(kuò)充的多個串聯(lián)的電池模塊的各種狀態(tài)訊號，且將該等狀態(tài)訊號輸入至一微控制器，由該微控制器對該每一個電池模塊的充、放電作用提供管理與控制功能，其特征在于，該可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路包含有一電壓測量電路，用以產(chǎn)生代表該電池模塊的電壓的電池電壓訊號，其包含一分壓電路、一組合式差動放大電路、及一運(yùn)算放大電路；一溫度測量電路，用以產(chǎn)生代表該電池模塊的溫度的電池溫度訊號；一電流測量電路，用以產(chǎn)生代表該電池模塊的電流的電池電流訊號；一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，用以將該電池電壓訊號、該電池溫度訊號、及該電池電流訊號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)字訊號；一譯碼電路，用以接受該微控制器的控制訊號，而產(chǎn)生時間分割的多任務(wù)切換訊號至該電壓測量電路、該溫度測量電路、及該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該電池模塊是一單元電池或由一個以上的單元電池所組成的電池模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該譯碼電路具有一第一譯碼器、一第二譯碼器、及一第三譯碼器，且該第一、二、三譯碼器的輸入端連接該微控制器。
4.如權(quán)利要求3所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該分壓電路具有多個第一分壓電阻、多個第二分壓電阻、一第一切換開關(guān)、及一第二切換開關(guān)，該每一個第一分壓電阻的一端分別連接該電池模塊的待測接點(diǎn)，該每一個第一分壓電阻的另一端分別連接該每一個第二分壓電阻的一端及該第一、二切換開關(guān)的輸入端，該第一、二切換開關(guān)的選擇輸入端連接該第三譯碼器的輸出端。
5.如權(quán)利要求4所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該組合式差動放大電路具有一第一運(yùn)算放大器、一第二運(yùn)算放大器、一第三運(yùn)算放大器、一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻、一第四電阻、一第五電阻、一第六電阻、及一第七電阻；其中該第一、二運(yùn)算放大器的正相輸入端分別連接該第一、二切換開關(guān)的輸出端，該第三運(yùn)算放大器的輸出端作為該組合式差動放大電路的輸出端，且該第一電阻的一端連接該第一運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第二電阻的一端，該第一電阻的另一端連接該第二運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第三電阻的一端，該第二電阻的另一端連接該第一運(yùn)算放大器的輸出端及該第四電阻的一端，該第三電阻的另一端連接該第二運(yùn)算放大器的輸出端及該第五電阻的一端，該第四電阻的另一端連接該第三運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第六電阻的一端，該第五電阻的另一端連接該第三運(yùn)算放大器的正相輸入端及該第七電阻的一端，該第六電阻的另一端連接該第三運(yùn)算放大器的輸出端。
6.如權(quán)利要求5所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該運(yùn)算放大電路具有一第四運(yùn)算放大器、一第五運(yùn)算放大器、一第八電阻、一第九電阻、一第十電阻、及一第十一電阻；其中該第八電阻的一端連接該組合式差動放大電路的輸出端，該第五運(yùn)算放大器的輸出端作為該電壓測量電路的輸出端，該第八電阻的另一端連接該第四運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第九電阻的一端，該第九電阻的另一端連接該第四運(yùn)算放大器的輸出端及該第五運(yùn)算放大器的正相輸入端，該第十電阻的一端連接該第五運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第十一電阻的一端，該第十電阻的另一端連接該第五運(yùn)算放大器的輸出端，該第四運(yùn)算放大器的正相輸入端連接一參考電壓。
7.如權(quán)利要求3所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該溫度測量電路具有一第十二電阻、一第十三電阻、一第十四電阻、一第六運(yùn)算放大器、多個靠近該電池模塊的熱敏電阻及多個第一場效晶體管；其中該第六運(yùn)算放大器的輸出端作為該溫度測量電路的輸出端，該第十四電阻的一端連接該第六運(yùn)算放大器的輸出端，該第十四電阻的另一端連接該第六運(yùn)算放大器的反相輸入端及該每一個熱敏電阻的一端，該每一個熱敏電阻的另一端連接該每一個第一場效晶體管的汲極，該每一個第一場效晶體管的閘極分別連接該第一譯碼器的多個輸出端，該第十二電阻的一端連接該第六運(yùn)算放大器的正相輸入端及該第十三電阻的一端，該第十二電阻的另一端連接一參考電壓。
8.如權(quán)利要求7所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該電流測量電路具有一反相放大器、一第八運(yùn)算放大器、一第九運(yùn)算放大器、一第一比較器、一電阻式電流傳感器、一第十八電阻、一第十九電阻、一第二十電阻、一第二十一電阻、一第二十二電阻、一第一二極管、一第二二極管；其中該第二二極管的n型端作為該電流測量電路的輸出端，該電阻式電流傳感器的一端連接該反相放大器的反相輸入端及該電池模塊的陰極，該電阻式電流傳感器的另一端連接該反相放大器的正相輸入端及一負(fù)載端，該第十八電阻的一端連接該反相放大器的輸出端及該第九運(yùn)算放大器、該第一比較器的正相輸入端，該第十八電阻的另一端連接該第十九電阻的一端及該第八運(yùn)算放大器的反相輸入端，該第十九電阻的另一端連接該第一二極管的n型端及該第二二極管的n型端及該第二十電阻的一端，該第一二極管的p型端連接該第八運(yùn)算放大器的輸出端，該第二二極管的p型端連接該第九運(yùn)算放大器的輸出端，該第二十電阻的另一端連接該第九運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第二十一電阻的一端，該第二十二電阻的一端連接該第一比較器的輸出端。
9.如權(quán)利要求8所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該反相放大器具有一第七運(yùn)算放大器、一第十六電阻、及一第十七電阻，該第十六電阻的一端作為該反相放大器的反相輸入端，該第七運(yùn)算放大器的正相輸入端作為該反相放大器的正相輸入端。
10.如權(quán)利要求1所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路進(jìn)一步包含一總電荷測量電路，該總電荷測量電路用以產(chǎn)生代表該電池模塊的進(jìn)出電荷累積量的電池總電荷量訊號。
11.如權(quán)利要求10所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該總電荷測量電路具有一第十一運(yùn)算放大器、一第十二運(yùn)算放大器、一第十三運(yùn)算放大器、一第二比較器、一第三比較器、一第四比較器、一第五比較器、一第二十三電阻、一第二十四電阻、一第二十五電阻、一第二十六電阻、一第二十七電阻、一第二十八電阻、一第二十九電阻、一第三十電阻、一第三十一電阻、一第三十二電阻、一第三十三電阻、一第一JK正反器、一第二JK正反器、一除法器、一第一與非門(NAND)、一第二與非門、一第三與非門、一電容器、一第二場效晶體管、一雙極接面晶體管；其中該第十一運(yùn)算放大器的正相輸入端連接該電流測量電路的輸出端及該第四、五比較器的正相輸入端，該第三與非門的輸出端連接該微控制器，該第二十三電阻的一端連接該第十一運(yùn)算放大器的輸出端及該第二十五電阻的一端，該第二十三電阻的另一端連接該第十一運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第二十四電阻的一端，該第二十四電阻的另一端連接該第二場效晶體管的汲極，該第二十五電阻的另一端連接該第十二運(yùn)算放大器的反相輸入端及該第二十六電阻的一端，該第二十六電阻的另一端連接該第十二運(yùn)算放大器的輸出端及該第二十七電阻的一端，該第二十七電阻的另一端連接該第十三運(yùn)算放大器的反相輸入端及該電容器的一端及該雙極接面晶體管的射極，該雙極接面晶體管的集極連接該第十三運(yùn)算放大器的輸出端及該電容器的另一端及該第二、三比較器的正相輸入端，該雙極接面晶體管的基極連接該第一JK正反器的Q輸出端，該第一JK正反器的J輸入端、K輸入端分別連接該第二、三比較器的輸出端，該第二比較器的反相輸入端連接該第二十八、二十九電阻的一端，該第三比較器的反相輸入端連接該第二十九電阻的另一端及該第三十電阻的一端，該第一JK正反器的Q反相輸出端連接該除法器的輸入端及該第一與非門的一輸入端，該除法器的輸出端連接該第二與非門的一輸入端，該第二場效晶體管的閘極連接該第二JK正反器的Q輸出端及該第二與非門的另一輸入端，該第二JK正反器的Q反相輸出端連接該第一與非門的另一輸入端，該第一、二與非門的輸出端分別連接該第三與非門的二輸入端，該第二JK正反器的J輸入端、K輸入端分別連接該第四、五比較器的輸出端，該第四比較器的反相輸入端連接該第三十一、三十二電阻的一端，該第五比較器的反相輸入端連接該第三十二電阻的另一端及該第三十三電阻的一端。
12.如權(quán)利要求3所述的用于電池管理系統(tǒng)的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路，其特征在于，該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路具有多個第六比較器、多個第三場效晶體管、多個第三十四電阻、一數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、一提升電阻，該數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的多個輸入端連接該微控制器，該每一個第六比較器的反相輸入端各自連接該每一個第三場效晶體管的汲極及該每一個第三十四電阻的一端，該每一個第六比較器的正相輸入端連接該數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的輸出端，該每一個第三場效晶體管的閘極各自連接該第二譯碼器的多個輸出端，該每一個第三十四電阻的另一端各自連接該電壓測量電路、該溫度測量電路、該電流測量電路的輸出端，該提升電阻的一端連接該每一個第六比較器的輸出端及該微控制器的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電池管理方面的可擴(kuò)充式電池狀態(tài)監(jiān)測電路系統(tǒng)，特別用來監(jiān)測并保護(hù)可充電電池串聯(lián)組成的模塊，其中所有零件都可以使用一般泛用型的電子零件，且經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計來整合成具完整的監(jiān)測與保護(hù)功能的電路系統(tǒng)，本發(fā)明對于電壓與溫度的測量皆使用同一組模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，因此如果要增加串聯(lián)電池模塊的數(shù)目，只需擴(kuò)大模擬信號多任務(wù)器的輸入數(shù)目，而不需增加模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)目，對于電壓、溫度、電流以及進(jìn)出電池的累積電荷量的測量，各有其特殊設(shè)計的模擬信號處理電路，以便應(yīng)付在監(jiān)測電池狀態(tài)及操作時所需的特殊條件，而達(dá)到使用低價位組件完成必要的監(jiān)測與控制電路的需求。
文檔編號G01R31/36GK1474493SQ0212761
公開日2004年2月11日 申請日期2002年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月5日
發(fā)明者周裕福, 彭國光, 潘浩然 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院