专利名称：串联电池组中的电池电压检测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及电压检测技术，尤其涉及串联电池组中的电池电压检测装置及其方法，应用于纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车、电动船舶、后备式通信电源等领域所使用串联电池组中单体电池的电压检测。
背景技术：
后备式通信电池、电动车辆和混合电动车辆等通常利用多节电池提供动力，这些电池通常串联在一起以提供更高的电压。由于电池个体之间的差异，以及电池工作的电压平台的限制，这种串联的电池需要电池平衡和电池安全保护来防止电池提前失效和避免出现安全问题。因此，系统需要能够精确检测每个电池的电压。目前市场已经开发了很多相关系统和技术，来满足电池电压的检测要求，具体有以下几种1.电阻分压法，这种方法由于测量器件性能的限制，所检测的高电压必需通过高精密电阻分压器来降压到可接受情况。在这种方案下，电压越高电阻分压比例越大，同时造成的电压误差也越大。因此，在高电压系统中要求采样的A/D分辨率很高，这就极大地提高了产品的成本，并增加了产品的实现难度。2.申请人为矢崎总业株式会社、公开号为2003-240806的日本专利申请公开了一种系统，用于测量串联的多个电池中的单个电池的电压，该系统包括与多个电池连接的多个电子开关，其中在每个电池的每一侧连接一个开关。第一总线被电连接到电子开关的每隔一个的第二侧，第二总线被电连接到每个未与第一总线连接的电子开关的第二侧。在总线之间连接有电容。四个总线开关被电连接到电容和总线一对总线开关允许电容的任一侧与放大器之间的连接，而另一对总线开关允许电容的任一侧与地之间的连接。该专利公开的系统可以不采用使用MOSFET型晶体管作为开关而实现，因为必须从系统抽取一些电流，以使MOSFET开启。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种串联电池组中的电池电压检测装置及其方法，以提高检测精度并降低成本。本发明提供的串联电池组中的电池电压检测装置，包括由多个电池串联连接构成的串联电池组，还包括开关模块，选择性地将任一电池的正极和负极分别与第一总线和第二总线接通；V-I转换模块，连接第一总线和第二总线，其输出端的电流与第一总线和第二总线之间的电压成线性关系；I-V转换模块，与V-I转换模块的输出端连接，用于把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号；模数转换器，与I-V转换模块连接，采集所述电压信号，并将所述电压信号转换为数字信号；
控制器，与开关模块和模数转换器电连接，用于控制开关模块，并对从模数转换器接收到的信息进行处理和显示。本发明还提供了串联电池组中的电池电压检测方法，串联电池组由多个电池串联连接构成，该方法包括控制器对开关模块进行控制，以把串联电池组中的一个电池的正极和负极分别与第一总线和第二总线接通或断开；V-I转换模块把第一总线和第二总线之间的电压转换为成线性关系的输出端电流；I-V转换模块把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号；模数转换器采集所述电压信号，并将所述电压信号转换为数字信号；控制器对从模数转换器接收到的信息进行处理以得到检测电压值，并将所述检测电压值显示。本发明提供提供的串联电池组中的电池电压检测装置及其方法，电路简单，实施成本低，避免了串联电池数量过多电压过高引起精度问题，降低了 A/D采样辨别率，并避免了测量回路过长引起的测量误差问题。


图1为本发明实施例的方框电路图；图2为本发明实施例的电路示意图。下面结合附图对本发明作详细描述。
具体实施例方式参见图1，串联电池组包括5个串联连接的电池，这5个电池在附图中顺序地表示为从CELLl到CELL5。电池优选为锂电池，单体电池充电后的电压为4. 2伏(V)，因此串联电池组提供了 2IV的总电压。当然，本实施例所使用的5个锂电池不应该被视为是限制性的，本发明可以使用任何数量、类型、或容量的电池。本领域技术人员认识到，每个电池实际上可以是并联连接并在相同电压下工作的若干个物理的电池，以提高串联电池组的整体容量。开关模块包括5个顺次表示为SWl至SW5的第一电子开关和5个顺次表示为SKO 至SK4的第二电子开关，每个电池的阳极单独通过其中一个第一电子开关连接第一总线 BUS_A，每个电池的阴极单独通过其中一个第二电子开关连接第二总线BUS_B，具体在本实施例中表示为，电池CELLl的阳极通过第一电子开SWl连接第一总线BUS_A，其阴极通过第二电子开关SKO连接第二总线BUS_B，电池CELL2的阳极通过第一电子开SW2连接第一总线 BUS_A，其阴极通过第二电子开关SKl连接第二总线BUS_B，依次类推。当第一电子开关或第二电子开关闭合时，开关两端电路连通；相反，当第一电子开关或第二电子开关断开时，开关两端电路断开。当连接某一个单体电池阳极的第一电子开关和连接其负极的第二电子开关闭合时，该电池的电压信号就通过第一总线BUS_A和第二总线BUS_B输出。优选地，利用晶体管实现第一电子开关和第二电子开关，从而可以实现由电子开关执行的电切换而无需可移动部件(即“固态”实现)。更优选地，第一电子开关和第二电子开关为金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)，使用MOSFET而不是机械式或继电器式开关，大大降低了系统的实施成本，并提高了测量电池的循环速度。然而，每个电子开关也可以用不同类型的晶体管、 不同类型的场效应晶体管、继电器或其他合适的开关器件来实施。此外，第一电子开关和第二电子开关(和其他开关)的操作在本申请中可以被称为“断开”、“闭合”等，正如用于机械式开关的习惯那样。然而，这样做是为了方便目的，而不应被理解为将第一电子开关和第二电子开关(和其他开关)限定为机械式开关。开关模块还连接至少一个精密电压参考装置，精密电压参考装置提供已知的参考电压，用于误差校正和回路检测，精密电压装置提供了校准系统以确保测量电压的精度，并能够对回路的完整性进行验证。提高系统的错误和故障自检能力。V-I转换模连接第一总线和第二总线，其输出端连接I-V转换模块，V-I转换模块用于采集第一总线和第二总线之间的电压，并使得其输出端的电流与该电压成线性关系， 将该电压信号转换为输出端的电流信号。参见图2，V-I转换模块包括运放AR1、精准电源以及相应的辅助器件，运放ARl的同相输入端通过电阻R2、R8连接第一总线BUS_A，第一总线BUS_A通过第二电阻R4接地，第二总线BUS_B也接地，运放ARl的反相输入端通过电阻 Rl和第一电阻R3连接精准电源，精准电源提供值为Uref的精准电压，在电阻Rl和第一电阻R3之间引出一根线连接MOSFET P的源极，运放ARl的输出端通过电阻R5连接MOSFET P的栅极，MOSFET P的漏极连接I-V转换模块。第一电阻R3为高精密电阻。由于运放ARl 的跟随作用，所检测的单体电池电压(也就是第一总线和第二总线之间的电压)被转换成进入I-V转换模块的线性关系的电流信号。I-V转换模块与V-I转换模块的输出端连接，用于把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号。I-V转换模块可以是电阻或电阻电路，当有电流通过时产生与该电流成线性关系的压力降。I-V转换模块还可以是具有把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号的其它电路或其他元器件。参见图2，在本实施例中， I-V转换模块为高精度、低温漂的采样电阻R6，采样电阻R6的一端连接MOSFET P的漏极， 另一端接地。模数转换器与I-V转换模块连接，用于采集I-V转换模块转换的电压信号，将该电压信号转换为数字信号并发送到控制器中。控制器与模数转换器电连接，对从模数转换器接收到的信息进行处理后，可以得到检测电池的电压值，并把该值显示出来。控制器与开关模块连接，对开关模块实行控制，开关模块中的多个第一开关和第二开关的通断情况由控制器控制，控制器通过控制单体电池正负极两端的第一开关和第二开关的通断来选择测量哪个单体电池的电压。控制器可以是微处理器、微控制器、计算机、专用集成电路(ASIC)或本领域技术人员所知的其他类似的装置。下面结合图2来说明本实施例的工作原理。Uref表示精准电源的电压，使Uref > 2Ubn (max)；UB表示在采样电阻R6上测量到的电压值；
R7表示测量回路的走线内阻和电池内阻总和；第一电阻R3和采样电阻R6的电阻值分别表示为R3和R6，设k = R3/R6，回路正常时使 R3 >> R7、R6 >> R7 ；Ubn表示系统要测量的电池CELL-N的电压；
Ucell表示为串联电池组中单体电池CELL-N下端的所有电池BAT-Z(也就是第一个电池至第N-I个电池)串联总电压；当 Uref-(Uref+Ucell) XR3+ (R3+R7+R6)≤ Ubn 时由于运放ARl的跟随作用，A点电压UA = Ubn---------⑴；通过R3 的电流 Il = (Uref-UA) +R3-------------(2)；由(2)式可知，所检测的单体电池电压转换成与之存在线性关系的电流信号；通过R6的电流等于R3的电流，即Il = UB+ R6--------(3)；由(3)式可知，从V-I转换模块出来的电流信号转换成与之存在比例关系的电压信号；根据(1)、(2)和(3)式可得，Ubn= Uref-UBXk-----(4)；由(4)式可知，装置最后检测到的电池电压与实际电池电压之间误差同测量回路电阻无关，并与被测电池所处的串联位置无关，提高了测量精度。本发明对串联电池组中的单体电压进行检测时，先在控制器中设定电池电压范围和电池电压变化率。然后由控制器通过对开关模块的控制来把串联电池组中的一个电池的正极和负极分别与第一总线和第二总线接通，这样就选择了一个检测电池，例如，当控制器使开关模块的第一电子开关SW3和第二电子开关SK2闭合时，电池CELL3的正负极分别接通了第一总线BUS_A和第二总线BUS_B，就选中了电池CELL3为检测电池。在该步骤中，可通过在控制器中作相应设置，以按顺序选择测量电池，对电池组中的单体电池电压进行顺序检测，控制器也可以偏离这种顺序操作而将重点放在特定的电池上。一旦选择了检测电池，V-I转换模块把第一总线和第二总线之间的电压(也就是检测电池的电压)转换为成线性关系的输出端电流，I-V转换模块把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号，模数转换器采集该电压信号，并将该电压信号转换为数字信号，最后控制器对从模数转换器接收到的信息进行处理，使之变成相应的电池电压值，并把该值显示出来。 测量完该电池电压时，控制器将该电池的正负极分别与第一总线和第二总线断开。控制器检测到电压值后，把该电压值与预先设定值进行比较，若该电压值超出了预先设定值，则发出故障信号，发出故障信号可以包括将故障记录在存储器中或向用户提醒该故障。此外，发出故障信号的步骤可以实现系统的关机、电池的自动切断、或基于电池的其他在线管理。替代地，可以重复几个步骤，而不是在一次检测电压读数超过预定范围时发出故障信号，可以经过多次重复检测后，若每次检测电压读数超过预定的范围，再发出故障信号。
权利要求
1.串联电池组中的电池电压检测装置，包括由多个电池串联连接构成的串联电池组， 其特征在于，所述装置还包括开关模块，选择性地将任一电池的正极和负极分别与第一总线和第二总线接通；V-I转换模块，连接第一总线和第二总线，其输出端的电流与第一总线和第二总线之间的电压成线性关系；I-V转换模块，与V-I转换模块的输出端连接，用于把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号；模数转换器，与I-V转换模块连接，采集所述电压信号，并将所述电压信号转换为数字信号；控制器，与开关模块和模数转换器电连接，用于控制开关模块，并对从模数转换器接收到的信息进行处理和显示。
2.根据权利要求1所述的串联电池组中的电池电压检测装置，其特征在于，所述V-I转换模块包括运放、精准电源和MOSFET P，运放的同相输入端连接第一总线，第一总线通过第二电阻接地，第二总线接地，运放的反相输入端连接MOSFET P的源极并通过第一电阻连接精准电源，运放的输出端连接MOSFET P的栅极，MOSFET P的漏极连接I-V转换模块。
3.根据权利要求2所述的串联电池组中的电池电压检测装置，其特征在于，所述I-V转换模块为采样电阻，采样电阻的一端连接MOSFET P的漏极，另一端接地。
4.根据权利要求1所述的串联电池组中的电池电压检测装置，其特征在于，所述开关模块包括多个第一电子开关和多个第二电子开关，第一电子开关和第二电子开关的数量与串联电池组中的电池数量相等，每个电池的阳极单独通过其中一个第一电子开关连接第一总线，每个电池的阴极单独通过其中一个第二电子开关连接第二总线。
5.根据权利要求4所述的串联电池组中的电池电压检测装置，其特征在于，所述第一电子开关和所述第二电子开关为晶体管或继电器。
6.根据权利要求5所述的串联电池组中的电池电压检测装置，其特征在于，所述第一电子开关和所述第二电子开关为金属氧化物硅场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的串联电池组中的电池电压检测装置，其特征在于，所述控制器为微处理器、微控制器、计算机或专用集成电路。
8.串联电池组中的电池电压检测方法，串联电池组由多个电池串联连接构成，其特征在于，所述方法包括控制器对开关模块进行控制，以把串联电池组中的一个电池的正极和负极分别与第一总线和第二总线接通或断开；V-I转换模块把第一总线和第二总线之间的电压转换为成线性关系的输出端电流；I-V转换模块把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号；模数转换器采集所述电压信号，并将所述电压信号转换为数字信号；控制器对从模数转换器接收到的信息进行处理以得到检测电压值，并将所述检测电压值显示。
9.根据权利要求8所述的串联电池组中的电池电压检测方法，其特征在于，所述控制器将所述检测电压值与预先设定值进行比较，若所述检测电压值超出预先设定值，则发出故障信号。
全文摘要
本发明涉及串联电池组中的电池电压检测装置及其方法，该装置包括选择性地将任一电池的正极和负极分别与第一总线和第二总线接通的开关模块，输出端的电流与第一总线和第二总线之间的电压成线性关系的V-I转换模块，用于把V-I转换模块输出端的电流信号转换为成线性关系的电压信号的I-V转换模块，采集所述电压信号并将所述电压信号转换为数字信号的模数转换器，以及用于控制开关模块并对从模数转换器接收到的信息进行处理和显示的控制器。本发明电路简单，降低了实施成本并提高了检测精度。
文档编号G01R31/36GK102162834SQ20101059783
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者童文贤 申请人:宁波飞驰达电子科技发展有限公司