一種用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路的製作方法

2023-05-10 10:52:26

專利名稱：一種用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池管理系統的領域，特別是一種用來監測並保護串聯組成的可充電電池模塊的電池狀態監測電路，即一種用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路。
目前用於手提型計算機的電池模塊其規格相近，數量龐大，在市場上已有許多特殊設計的單晶片微控制器用來提供上述的監控功能。惟在車輛系統(如電動車、混合式電動車、電動機車、電動助力車)尚未有專門設計的微控制晶片。由於在這方面的應用，所使用的電壓設計種類繁多，且需要的特性也各有不同，若使用單晶片微控制器，在設計上不容易使用一種晶片同時符合各種應用的需求，因而不易達到其經濟規模。
本發明的目的在於克服現有技術的不足與缺陷，主要以簡潔的電路設計提供一種具有擴充彈性的電池狀態監測電路，同時在成本的考慮上亦較現有技術具有相對的優勢。
為達到上述目的，本發明提供一種用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，用以監測可擴充的多個串聯的電池模塊的各種狀態訊號，且將該等狀態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，其中該可擴充式電池狀態監測電路包含有一電壓測量電路，用以產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、及一運算放大電路；一溫度測量電路，用以產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，用以產生代表該電池模塊的電流的電池電流訊號；一模擬/數字轉換電路，用以將該電池電壓訊號、該電池溫度訊號、該電池電流訊號轉換成相對應的數字訊號；解碼電路，用以接受微控制器的控制訊號，而產生時間分割的多任務切換訊號至電壓測量電路、溫度測量電路、及模擬/數字轉換電路。
本發明的可擴充式電池狀態監測電路可進一步包含一總電荷測量電路，用以產生代表該電池模塊的進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 106 第二切換開關12 組合式差動放大電路120 第一運算放大器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 第二運算放大器129 第三運算放大器14 運算放大電路140 第四運算放大器141 第五運算放大器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 第六運算放大器25 熱敏電阻 26 第一場效電晶體3電流測量電路30 反相放大器 31 第八運算放大器32 第九運算放大器 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 第一二極體 41 第二二極體4總電荷測量電路400 第十一運算放大器 401 第十二運算放大器402 第十三運算放大器 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 第二場效電晶體426 雙極接面電晶體5模擬/數字轉換電路50 第六比較器 51 第三場效電晶體52 第三十四電阻 54 數字/模擬轉換器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8 解碼電路81 第一解碼器 82 第二解碼器83 第三解碼器

圖1是本發明的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路方塊圖。電池狀態監測電路用以監測可擴充的多個串聯的電池模塊7的各種狀態訊號，且將該等狀態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，其中電池狀態監測電路包含有電壓測量電路1，用以產生代表電池模塊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，用以產生代表電池模塊7的進出電荷累積量的電池總電荷量訊號；模擬/數字轉換電路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換成相對應的數字訊號；解碼電路8，用以接受微控制器6的控制訊號，而產生時間分割的多任務切換訊號至電壓測量電路1、溫度測量電路2、及模擬/數字轉換電路5，解碼電路具有第一解碼器81(參見圖3)、第二解碼器82(參見圖6)、及第三解碼器83(參見圖2)，且第一、二、三解碼器81、82、83的輸入端皆連接微控制器6。本發明前述所提及監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104、及第二切換開關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104、106的輸入端，第一、二切換開關104、106的選擇輸入端連接第三解碼器83的輸出端。
串聯電池的電壓測量要點，在於各電池模塊7的負端電位不同，因此要量得各電池模塊7的電壓必須由其正、負端點比較獲得。而當電池串聯數目多到某一程度時，直接引取各待測接點70電壓進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70的電壓降至適當範圍是一種可行的方式。本發明以兩個N對一模擬多任務切換開關測量電池模塊7的電壓，如圖2所示，由第三解碼器83控制第一、二切換開關104、106來同步選取兩相鄰待測接點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104、106的導通電阻不需很低，只要遠低於第一、二分壓電阻100、102與差動放大電路的輸入阻抗即可，因此零件的選用範圍很寬鬆。
組合式差動放大電路12具有第一運算放大器120、第二運算放大器128、第三運算放大器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、二運算放大器120、128的正相輸入端分別連接第一、二切換開關104、106的輸出端，第三運算放大器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算放大器129的輸出端。
對於負載效應而言，本發明使用高阻抗的組合式差動放大電路12，可以防止負載效應所造成的誤差，且將第一、二切換開關104、106的輸出端引入的差動(differential)電壓信號轉換成共地的電壓信號(single-ended signal)。
運算放大電路14具有第四運算放大器140、第五運算放大器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算放大器140的輸出端及第五運算放大器141的正相輸入端，第十電阻144的一端連接第五運算放大器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算放大器141的輸出端，第四運算放大器140的正相輸入端連接一參考電壓Vr。
運算放大電路14針對電池的工作電壓作細部放大測量，以鋰離子二次電池而言，實用上可設定2.5伏特到4.5伏特做為電池電壓測量的範圍。超過此一範圍，管理系統的處理方式都可視為極端的過高電壓或過低電壓。運算放大電路14的功能即是將電池電壓的最大量取範圍從2.5～4.5伏特線性轉換至0～5伏特，以配合模擬/數字轉換電路5的輸入電壓範圍。其中參考電壓Vr不為零，用以將電壓信號平移一個固定準位。
圖3是本發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及多個第一場效電晶體26。其中，第六運算放大器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的一端連接第六運算放大器24的輸出端，第十四電阻23的另一端連接第六運算放大器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電晶體26的汲極，每一個第一場效電晶體26的閘極分別連接第一解碼器81的多個輸出端，第十二電阻21的一端連接第六運算放大器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。
本發明在溫度的測量方面採用負溫度係數(NTC)的熱敏電阻25，以求在低成本下滿足要求。然而，由於NTC熱敏電阻的溫度特性呈現倒數特性，在室溫下電阻變化比較大，到了有安全疑慮的溫度範圍時，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的溫度，則不容易在需要的溫度範圍都得到足夠的解析度。因此，我們採用電阻倒數放大電路，將原與溫度成倒數關係的電阻曲線反映到直線的特性。微控制器6控制第一解碼器81而選取一個溫度測量點時，將與熱敏電阻25串聯的第一場效電晶體26導通，其餘的第一場效電晶體26則維持斷路，可獲得第六運算放大器24的輸出電壓與溫度成正比。
圖4是本發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、第八運算放大器31、第九運算放大器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、第一二極體40、第二二極體41。其中，反相放大器30具有第七運算放大器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；第二二極體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體40的n型端及第二二極體41的n型端及第二十電阻37的一端，第一二極體40的p型端連接第八運算放大器31的輸出端，第二二極體41的p型端連接第九運算放大器32的輸出端，第二十電阻37的另一端連接第九運算放大器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，其採用阻抗值如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擷取電流經過電阻式電流傳感器34所產生的電壓訊號，其滿幅度電壓為±2V，其中正負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對零點電壓比較而產生有關電流方向的訊號供微控制器6處理，而電流幅度則由並聯的第八、九運算放大器31、32針對不同方向的電流訊號放大。當電池模塊7充電時，第七運算放大器300的輸出為負電壓，因此第九運算放大器32輸出負飽和電壓，導致第二二極體41關閉，而第八運算放大器31則進入線性區，導致第一二極體40導通，因此輸出端O3的訊號由第八運算放大器31決定；當電池模塊7放電時，第七運算放大器300的輸出為正電壓，因此第八運算放大器31輸出負飽和電壓，導致第一二極體40關閉，而第九運算放大器32則進入線性工作區，導致第二二極體41導通，因此輸出端O3的訊號由第九運算放大器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，因此可針對實際需要採用不同放大倍率。
圖5是本發明的總電荷測量電路的電路圖。總電荷測量電路4具有第十一運算放大器400、第十二運算放大器401、第十三運算放大器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、第二場效電晶體425、雙極接面電晶體426。其中，第十一運算放大器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電晶體425的汲極，第二十五電阻409的另一端連接第十二運算放大器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算放大器402的反相輸入端及電容器424的一端及雙極接面電晶體426的射極，雙極接面電晶體426的集極連接第十三運算放大器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，雙極接面電晶體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，第二場效電晶體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。
本發明測量進出電池模塊7的電荷總量，由計算電流的絕對值轉換成固定幅度的脈波，而脈波頻率則正比於電流的大小，且經由累計脈波數目即可獲得與進出電荷總量成正比的數目。實務上，脈波數目的累計必須配合電流方向切換成往上數或往下數的動作。總電荷測量電路4的電路架構主要特色有二(1)具有兩段式自動增益調整如圖5所示，電流測量電路3所輸出的電池電流訊號，其絕對值經第四、五比較器405、406來設定本級的第十一運算放大器400的兩種增益值(1與N倍率)。後級的第十二、十三運算放大器401、402的電壓轉成脈波頻率電路在設計上是搭配增益倍率為1的電壓輸入範圍而設計。當電池電流訊號低於某一默認值時，第四比較器405會將第二JK正反器419的內容設定為1，並使第二場效電晶體425導通，造成增益切換成N倍(非反相放大)。若電池電流訊號高於某一默認值時，第四比較器405會將第二JK正反器419的內容清除為0，並使第二場效電晶體425關閉，造成增益切換成1倍(電壓追隨)。增益的自動轉換可以使後級轉脈波頻率的工作點在較佳的特性上，而增益上產生的N倍脈波頻率可以在最後以除法器420還原成應有的對應頻率。等效上這樣的電路具有擴大電壓/頻率轉換電路可用線性範圍的功效。如果電流測量點也由此自動增益後的電壓點取得的話，也可獲得提升動態範圍的效果。
(2)以低價位泛用型集成電路組成的電壓/頻率轉換器如圖5的虛線區域所示，其功能即具簡易的電壓/頻率轉換功能。其中第十二運算放大器401產生電壓反相效果，而第十三運算放大器402則產生定電流對電容器424進行充電動作。第二、三比較器403、404監測電容器424的電壓值，當電容器424的電壓值到達一預設電壓幅度即對第一JK正反器418進行設定動作。同時第一JK正反器418的輸出控制與雙極接面電晶體426使得電容器424的電荷被雙極接面電晶體426快速放電重置。當電容器424的電荷被雙極接面電晶體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進行重置，並關閉雙極接面電晶體426的放電作用。
圖6是本發明的模擬/數字轉換電路的電路圖。模擬/數字轉換電路5具有多個第六比較器50、多個第三場效電晶體51、多個第三十四電阻52、數字/模擬轉換器54、提升電阻55。其中，數字/模擬轉換器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電晶體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字/模擬轉換器54的輸出端，每一個第三場效電晶體51的閘極各自連接第二解碼器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。
本發明對於電池的電壓、溫度、電流、電荷量等狀態訊號的數位化，利用微控制器6控制數字/模擬轉換器54產生一電壓準位來與各電池狀態訊號比較，經二分逼近方式漸進獲得準確的數字碼。各狀態訊號進入第六比較器50的前以第三場效電晶體51接地，其中各第六比較器50必須具有開集極型的輸出，而且並接，利用提升電阻55產生與非門的效果。當微控制器6要針對某一來源的狀態訊號進行數位化時，將控制第二解碼器82使連接該狀態信號的第三場效電晶體51斷開(使其浮接)，其它則導通(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訊號與數字/模擬轉換器54的比較結果決定。微控制器6可由此比較結果配合二分逼近的算法獲得待測的電池狀態訊號的數字碼，最後由微控制器6對電池狀態訊號的數字碼進行分析，進而對電池模塊7的充、放電作用提供管理與控制功能。
針對本發明的整體電路及各個子電路所具有的特色歸納如後一、提供簡潔的電路設計，以監測可彈性擴充串聯電池數目的電池模塊。在電池數目擴充時，所需增加的組件成本降低到最少。
二、提供穩定可靠的電池監測與管理功能，本發明在各監測與控制部分的功能與特色如下(a)電壓測量對於受測電池的電流消耗量小，長期而言對於電池容量的影響不會大於其自放電的損耗。在解析度方面，使用8位的模擬/數字轉換電路達到10毫伏特以下的解析度；測量電壓範圍在2.5伏特至4.5伏特的間，特別適用於鋰離子二次電池。對於不同種類的電池，可針對其操作電壓，調整電壓測量範圍至其適合的範圍。
(b)溫度測量採用價格相對低廉，穩定可靠的負溫度係數熱敏電阻作為溫度感測組件，配合特殊設計的電路開關電路選擇測量點，並將其非線性的電阻溫度特性轉換成近似線性的電壓溫度特性，便於使用模擬/數字轉換後，以微處理器查表/內差獲得可靠的溫度數據。
(c)電流測量使用電阻式電流傳感器，量取進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計成具有不同的解析度或範圍。
(d)進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積分，以獲得進出電荷總量的監測，其中電流大小的變化及頻率範圍是設計考量的重點。
(e)模擬/數字轉換電路從不同信號來源的電壓、電流、溫度等信號轉換成的電壓信號，使用同一組由微控制器操作的模擬/數字轉換器轉成微控制器可取得的數字資料。利用有限的電路硬體，配合硬體切換開關以及微控制器的計算時間來達到多組模擬/數字轉換器的處理功能。這樣的架構，除了測量電池電壓、電流、溫度信號，亦可測量其它電池狀態的物理量，而且對於未來擴充的測量物理量，所需增加的電路成本可以降到最低。
雖然本發明已以一具體實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當以權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，用以監測可擴充的多個串聯的電池模塊的各種狀態訊號，且將該等狀態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，其特徵在於，該可擴充式電池狀態監測電路包含有一電壓測量電路，用以產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、及一運算放大電路；一溫度測量電路，用以產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，用以產生代表該電池模塊的電流的電池電流訊號；一模擬/數字轉換電路，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換成相對應的數字訊號；一解碼電路，用以接受該微控制器的控制訊號，而產生時間分割的多任務切換訊號至該電壓測量電路、該溫度測量電路、及該模擬/數字轉換電路。
2.如權利要求1所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，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.如權利要求1所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該解碼電路具有一第一解碼器、一第二解碼器、及一第三解碼器，且該第一、二、三解碼器的輸入端連接該微控制器。
4.如權利要求3所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，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、及一第二切換開關，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，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、二切換開關的輸入端，該第一、二切換開關的選擇輸入端連接該第三解碼器的輸出端。
5.如權利要求4所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該組合式差動放大電路具有一第一運算放大器、一第二運算放大器、一第三運算放大器、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、二運算放大器的正相輸入端分別連接該第一、二切換開關的輸出端，該第三運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算放大器的輸出端。
6.如權利要求5所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該運算放大電路具有一第四運算放大器、一第五運算放大器、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算放大器的輸出端及該第五運算放大器的正相輸入端，該第十電阻的一端連接該第五運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算放大器的輸出端，該第四運算放大器的正相輸入端連接一參考電壓。
7.如權利要求3所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，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電晶體；其中該第六運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算放大器的輸出端，該第十四電阻的另一端連接該第六運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電晶體的汲極，該每一個第一場效電晶體的閘極分別連接該第一解碼器的多個輸出端，該第十二電阻的一端連接該第六運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.如權利要求7所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該電流測量電路具有一反相放大器、一第八運算放大器、一第九運算放大器、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、一第一二極體、一第二二極體；其中該第二二極體的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體的n型端及該第二二極體的n型端及該第二十電阻的一端，該第一二極體的p型端連接該第八運算放大器的輸出端，該第二二極體的p型端連接該第九運算放大器的輸出端，該第二十電阻的另一端連接該第九運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.如權利要求8所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該反相放大器具有一第七運算放大器、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.如權利要求1所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該可擴充式電池狀態監測電路進一步包含一總電荷測量電路，該總電荷測量電路用以產生代表該電池模塊的進出電荷累積量的電池總電荷量訊號。
11.如權利要求10所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該總電荷測量電路具有一第十一運算放大器、一第十二運算放大器、一第十三運算放大器、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、一第二場效電晶體、一雙極接面電晶體；其中該第十一運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電晶體的汲極，該第二十五電阻的另一端連接該第十二運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算放大器的反相輸入端及該電容器的一端及該雙極接面電晶體的射極，該雙極接面電晶體的集極連接該第十三運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，該雙極接面電晶體的基極連接該第一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，該第二場效電晶體的閘極連接該第二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.如權利要求3所述的用於電池管理系統的可擴充式電池狀態監測電路，其特徵在於，該模擬/數字轉換電路具有多個第六比較器、多個第三場效電晶體、多個第三十四電阻、一數字/模擬轉換器、一提升電阻，該數字/模擬轉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電晶體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字/模擬轉換器的輸出端，該每一個第三場效電晶體的閘極各自連接該第二解碼器的多個輸出端，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
本發明涉及一種用於電池管理方面的可擴充式電池狀態監測電路系統，特別用來監測並保護可充電電池串聯組成的模塊，其中所有零件都可以使用一般泛用型的電子零件，且經適當的電路設計來整合成具完整的監測與保護功能的電路系統，本發明對於電壓與溫度的測量皆使用同一組模擬/數字轉換電路，因此如果要增加串聯電池模塊的數目，只需擴大模擬信號多任務器的輸入數目，而不需增加模擬/數字轉換器的數目，對於電壓、溫度、電流以及進出電池的累積電荷量的測量，各有其特殊設計的模擬信號處理電路，以便應付在監測電池狀態及操作時所需的特殊條件，而達到使用低價位組件完成必要的監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 優先權日2002年8月5日
發明者周裕福, 彭國光, 潘浩然 申請人:財團法人工業技術研究院