使用隔离电容器感测电池组单元电池电压的设备和方法

摘要

一种用于测量电池组单元电池电压的设备包括：电池组电池，该电池组电池具有单元电池的组；第一切换单元，该第一切换单元用于将单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至第一和第二导线；第一电压充电单元，该第一电压充电单元被连接在导线之间以主要地充电单元电池电压；第二电压充电单元，该第二电压充电单元用于中继第一电压充电单元中的充电电压以进行次要地充电；单元电池电压感测单元，该单元电池电压感测单元用于感测在第二电压充电单元中充电的电压；以及第二切换单元，该第二切换单元用于在充电电压中继模式下相互连接第一和第二电压充电单元并且在充电电压感测模式下相互隔离电压充电单元。该设备实现了高压电池组电池与电压感测单元之间的隔离，从而允许使用具有低耐受电压的部件进行被包括在高压电池组电池中的每个电池组单元电池的电压感测。

说明书

技术领域

本发明涉及用于感测隔离电容器的电池组单元电池电压的设备和方法，并且更加具体地涉及用于使用隔离电容器感测电池组单元电池电压的设备和方法，其可以通过使用隔离电容器实现甚至具有低耐受电压的装置的电压测量电路。

背景技术

通常，蓄电池组电池包括镍镉电池组电池、镍氢电池组电池、锂离子电池组电池以及锂离子聚合物电池组电池。此种蓄电池组电池被分类为锂基电池组电池和镍氢基电池组电池。锂基电池组电池主要用于诸如数码照相机、PDVD、MP3P、蜂窝电话、PDA、便携式游戏装置、电动工具以及电动自行车的小型产品，并且镍氢基电池组电池主要应用于并且用于需要高输出的诸如电动汽车和混合电动汽车的大型产品。

同时，通过驱动高功率马达来操作电动汽车或者混合动力车，因此使用100V或者更高的高压电池组电池。因此，用于电动汽车或者混合动力车的高压电池组电池具有多个被串联地或者并联地连接的电池组单元电池。具有多个电池组单元电池的高压电池使用电压测量电路以定期地测量每个电池组单元电池的电压并且从而控制电池组电池的充电/放电。

图1是示出传统的电池组单元电池电压测量设备的电路图。

如图1中所示，传统的电压测量设备包括第一切换单元31，该第一切换单元31由多个开关装置组成，所述多个开关装置分别被连接至每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的阳极和阴极端子以感测被包括在被连接至负载10以向其提供电力的电池组电池20的单元电池的组21中的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的两个端子的电压；电压充电单元32，该电压充电单元32借助于第一切换单元31的导通操作被充电有每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压；以及第二切换单元33，该第二切换单元33用于凭借它的导通操作将电压充电单元32的两端的电压施加给电压放大器40。

然而，在上述传统的电池组电池电压测量设备中，电池组电池20被直接连接至负载10接地的接地，同时被电气地连接至负载10。在此连接中，为了测量每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压，通过第一和第二切换单元31、33连接的负载10和电压放大器40被连接至同一接地，因此与电池组电池的整个电压相对应的高压被施加给第一和第二切换单元31、33。因此，被包括在第一和第二切换单元31、33中的开关装置应具有高耐受电压以承受高电势。

然而具有高耐受电压的开关装置是昂贵的，从而引起电压测量设备的生产成本的增加。因此，在本领域中迫切需要的是，开发一种能够通过采用具有低耐受电压的装置测量每个电池组单元电池的电压的电路。

发明内容

技术问题

设计本发明以解决现有技术的问题，并且因此本发明的目的在于提供用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的设备和方法，其通过采用具有低耐受电压的切换装置可以稳定地测量被包括在高电压电池组电池中的每个电池组单元电池的电压。

技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的设备，其包括：电池组电池，该电池组电池具有单元电池的组；第一切换单元，该第一切换单元用于将单元电池的组的每个电池组单元电池的两个端子选择性地连接至第一和第二导线；第一电压充电单元，该第一电压充电单元被连接在第一和第二导线之间以主要地充电单元电池电压；第二电压充电单元，该第二电压充电单元用于中继被存储在第一电压充电单元中的充电电压从而中继的电压被次要地充电到第二电压充电单元；单元电池电压感测单元，该单元电池电压感测单元用于感测在第二电压充电单元中充电的电压；以及第二切换单元，该第二切换单元用于在充电电压中继模式下相互连接第一和第二电压充电单元并且在充电电压感测模式下相互隔离第一和第二电压充电单元。

优选地，单元电池电压感测单元包括电压放大器，该电压放大器用于放大在第二电压充电单元中充电的电压以输出放大的电压作为模拟电压信号；A/D(交流/直流)转换器，该A/D(交流/直流)转换器用于接收输出模拟电压信号以将模拟电压信号转换为数字电压信号并且输出数字电压信号；以及控制器，该控制器用于接收转换的数字电压信号以监测电池组单元电池的电压，并且控制第一和第二切换单元的整个操作。

优选地，根据本发明的用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的设备进一步包括第一放电单元，该第一放电单元被选择性地连接至第一电压充电单元以在被存储在第一电压充电单元中的充电电压被完全地中继到第二电压充电单元之后放电被存储在第一电压充电单元中的充电电压。

在本发明中，第一放电单元可以具有放电电阻，该放电电阻通过导线被连接至第一电压充电单元；和开关，该开关用于控制放电电阻的导通/断开操作。

优选地，根据本发明的用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的设备进一步包括第二放电单元，该第二放电单元被选择性地连接至第二电压充电单元以在充电电压被完全地感测之后放电被存储在第二电压充电单元中的充电电压。

在本发明中，第二放电单元可以具有放电电阻，该放电电阻通过导线被连接至第二电压充电单元；和开关，该开关用于控制放电电阻的导通/断开操作。

优选地，第二电压充电单元包括第一和第二电容器，该第一和第二电容器分别被安装在第一和第二导线上；和第一和第二开关，该第一和第二开关用于导通/断开分别被提供给第一和第二电容器的两个端子的电连接。

在本发明中，第一和第二开关的两端可以分别被连接至第一和第二导线。

在本发明的另一方面，还提供了一种用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的方法，包括(a)将被包括在电池组电池的单元电池的组中的每个单元电池的两个端子选择性地连接至第一和第二导线以将单元电池电压主要地充电给第一电压充电单元；(b)中继被存储在第一电压充电单元中的充电电压以将电压次要地充电到第二电压充电单元；(c)相互电气地隔离第一和第二电压充电单元；以及(d)感测被充电到第二电压充电单元的电压以测量单元电池单元。

优选地，步骤(d)包括将在第二电压充电单元中充电的电压放大成模拟电压信号；并且将模拟电压信号转换为数字电压信号。

在本发明中，在步骤(c)与(d)之间，该方法可以进一步包括放电在第一电压充电单元中充电的电压的步骤。

在本发明中，在步骤(d)之后，该方法可以进一步包括放电在第二电压充电单元中充电的电压的步骤。

有益效果

根据本发明，由于在用于选择性地连接每个电池组单元电池的切换单元和用于感测用于测量高压电池组电池的电压的电压测量电路中的电压的电压感测单元之间插入隔离电容器，所以可以将高压电池组电池与电压感测单元隔离，因此能够通过使用具有低耐受电压的部件感测被包括在高压电池组电池中的每个电池组单元电池的电压。而且，由于使用具有低耐受电压的装置，所以能够大大地减少由具有高耐受电压的装置引起的成本负担。

附图说明

图1是示出用于测量电池组单元电池的传统设备的电路图。

图2是示出根据本发明的优选实施例的用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的设备的电路图。

图3是示出根据本发明的优选实施例的电压感测单元的框图。

图4是示出根据本发明的优选实施例的用于测量电池组单元电池电压的方法的流程图。

<附图中的基本部件的附图标记>

100：负载                     110：Y电容器

200：电池组电池               210：单元电池的组

310：第一切换单元320          320：第一电压充电电压

330：第二电压充电单元         340：第二切换单元

350：第一放电单元             360：第二放电单元

400：单元电池电压感测单元     410：电压放大器

420：A/D变换器                430：控制器

431：MCU                      432：开关控制模块

433：存储器            434：ROM

具体实施方式

在下文中，将会参考附图详细地描述本发明的优选实施例。在描述之前，应理解的是，在说明书和随附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制通用的并且字典的意义，而是应基于与本发明的技术方面对应的意义和概念基于允许发明人最适合地定义术语的原则来解释。因此，在此提出的描述仅仅是只用于说明的优选示例，不意在限制本发明的范围，因此应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行其它的等效和修改。

图2是示出根据本发明的优选实施例的用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的设备的电路图，并且图3是根据本发明的优选实施例的电压感测单元的框图。

如图2中所示，根据本发明的用于使用隔离电容器测量电池组单元电池电压的设备(在下文中，被称为电池组单元电池电压测量设备)被电气地连接至用于将电力提供给负载100的具有单元电池的组210的电池组电池200以感测被包括在单元电池的组210中的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电电压。

负载100是使用从电池组电池200输出的电能的装置。在电动汽车或者混合动力车的情况下，负载100可以由马达、DC到DC转换器等等组成。而且，Y电容器110被提供在负载100处以防止在负载处生成的噪声被施加于电池组电池。Y电容器110由被并行地连接至高压端子和低压端子的两个电容器组成，并且电容器之间的结点被接地。

电池组电池200是具有单元电池的组210的电能存储装置，在单元电池的组210中多个可重复地充电的单元电池被电气地连接。单元电池是诸如锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池以及镍锌电池的蓄电池。

根据本发明的电池组单元电池电压测量设备包括：第一切换单元310，该第一切换单元310被电气地连接至具有单元电池的组210的电池组电池200以将每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4选择性地连接至第一和第二导线1、2；第一电压充电单元320，该第一电压充电单元320被连接在第一和第二导线1，2之间以主要地充电每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电电压；第二电压充电单元330，该第二电压充电单元330用于中继被存储在第一电压充电单元320中的充电电压从而中继的电压被次要地充电给第二电压充电单元330；第二切换单元340，该第二切换单元340被安装在第一和第二电压充电单元320、330之间以在充电电压中继模式下相互连接第一和第二电压充电单元320、330并且在充电电压感测模式下相互隔离第一和第二电压充电单元320、330；第一放电单元350，该第一放电单元350被选择性地连接至第一电压充电单元320以在完成充电电压的中继操作之后放电被存储在第一电压充电单元320中的充电电压；第二放电单元360，该第二放电单元360被选择性地连接至第二电压充电单元330以在完全地感测充电电压之后放电被存储在第二电压充电单元330中的充电电压；以及单元电池电压感测单元400，该单元电池电压感测单元400被连接至第二电压充电单元330以感测被存储在第二电压充电单元330中的充电电压。

在这里，第二电压充电单元330包括第一电容器C1，该第一电容器C1被安装在第一导线1上；第二电容器C2，该第二电容器C2被安装在第二导线2上；第一开关SW1，该第一开关SW1被安装在第一和第二导向1、2之间基于第一和第二电容器C1、C2的第二切换单元340的一侧；以及第二开关SW2，该第二开关SW2被安装在第一和第二导线1、2之间基于第一和第二电容器C1、C2的单元电池电压感测单元400的一侧。

第二电压充电单元330被定位在电池组电池200的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4与单元电池电压感测单元400之间。因此，拦截被接地到公共接地的被连接至电池组电池200的负载100与单元电池电压感测单元400之间的直接的电连接，从而实现电池组电池区域和单元电池电压感测区域之间的隔离。因此，根据本发明的电池组单元电池电压测量设备可以防止电池组电池的高压被直接地施加给第一和第二切换单元310、340，因此即使使用具有低耐受电压也能够测量高压电池组电池的每个单元电池电压。

另外，第一放电单元350包括第一放电电阻Rd1，该第一放电电阻Rd1通过第一和第二导线1、2被连接至第一电压充电单元320；和第一放电开关SWd1，该第一放电开关SWd1用于控制第一放电电阻Rd1的导通/断开操作。而且，第二放电单元360包括两个第二放电电阻Rd2，其分别被连接至第二电压充电单元330的第一和第二电容器C1、C2以及第一和第二导线1、2；和第二放电开关SWd2，该第二放电开关SWd2用于控制第二放电电阻Rd2的导通/断开操作。

如图3中所示，单元电池电压感测单元400包括电压放大器410，该电压放大器410被连接至第二电压充电单元330以感测被存储在第二电压充电单元330中的充电电压并且因此输出模拟电压信号；A/D变换器420，该A/D变换器420用于将从电压放大器410输出的模拟电压信号转换为数字电压信号；以及控制器430，该控制器430用于接收通过A/D变换器420转换的数字电压信号以控制将每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压值存储到存储器所要求的整个操作。

控制器430包括MCU(微控制单元)431，该MCU(微控制单元)431用作用于控制本发明的电池组单元电池电压测量设备的整个操作的处理(process)；开关控制模块432，该开关控制模块432用于控制被提供在第一和第二切换单元310、340处的开关的导通/断开操作；第二电压充电单元330以及第一和第二放电单元350、360；存储器433，该存储器433用于存储每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的感测的电压电平；以及ROM 434，其中记录用于实现通过MCU 431执行的电池组单元电池电压测量操作的程序。在这里，存储器433是有源存储器的示例，并且ROM 434是无源存储器的示例。然而，本发明不限于存储器具体种类。

根据本发明的电池组单元电池电压测量设备的操作模式包括充电电压中继模式，其中每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压被存储在第一电压充电单元320中并且然后被存储在第一电压充电单元320中的充电电压被中继到第二电压充电单元330；和充电电压感测模式，其中被存储在第二电压充电单元330中的充电电压被感测。

在充电电压中继模式下，被包括在电池组电池200的单元电池的组210中的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压被存储在第一电压充电单元320中，并且被存储在第一电压充电单元320中的充电电压被中继到第二电压充电单元330。首先，在单元电池的组210的第一电池组单元电池VB1的充电电压被中继的情况下，控制器430控制开关控制模块432以断开第二切换单元340。而且，控制器430控制第一切换单元310以将第一电池组单元电池VB1的两个端子连接至第一和第二导线1、2。然后，从第一电池组单元电池VB1输出的电压被存储在第一电压充电单元320中。如果第一电池组单元电池VB1的电压被完成地充电到第一电压充电单元320，那么控制器通过开关控制模块432控制第一切换单元310以隔离第一电池组单元电池VB1与第一电压充电单元320。而且，控制器430导通第二电压充电单元330的第二开关SW2并且然后导通第二切换单元340。然后，第一和第二电压充电单元320、330相互连接，因此被存储在第一电压充电单元320中的充电电压被中继到第二电压充电单元330的第一和第二电容器C1、C2。

同时，如果充电电压中继模式完成，那么控制器430控制开关控制模块432以断开第二切换单元340并且导通第一放电单元350的第一放电开关SWd1。然后，通过第一放电单元350的第一放电电阻Rd1放电被存储在第一电压充电单元320中的充电电压，因此重置第一电压充电单元320。

在完成充电电压中继模式的操作之后执行充电电压感测模式。首先，控制器430控制开关控制模块432以断开第二切换单元340。而且，控制器430断开第二电压充电单元330的第二开关SW2并且然后导通第一开关SW1以使第二电压充电单元330的第一和第二电容器C1、C2与单元电池电压感测单元400的电压放大器410相连接。然后，电压放大器410感测被存储在第一和第二电容器C1、C2中的第一电池组单元电池VB1的充电电压。在这里，如果完成充电电压感测模式，那么控制器430控制开关控制模块432以断开第二电压充电单元330的第一开关SW1。

然后，控制器430导通第二放电单元360的第二放电开关SWd2以通过第二放电电阻Rd2放电被存储在第一和第二电容器C1、C2中的充电电压。然后，第二电压充电单元330被重置为每个电池组单元电池的充电电压被中继之前的状态。

接下来，以基本相同的方式为其它的电池组单元电池进行上述充电电压中继模式和充电电压感测模式，从而感测每个电池组单元电池的电压。

借助于充电电压中继模式和充电电压感测模式在单元电池电压感测单元400的电压放大器410处感测的模拟电压信号被输入至A/D变换器420并且被转换为数字电压信号，并且然后数字电压信号被输入至控制器430的MCU 431。MCU 431将每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的输入数字电压信号存储在存储器433中。然后，完成对于每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的电压感测处理。

对本领域的技术人员来说显然的是，以固定的周期重复对于每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4感测电压的处理。

图4是示出根据本发明的优选实施例的用于测量电池组单元电池电压的方法的流程图。

首先，在步骤S10中，控制器430借助于MCU 431执行被记录在ROM 434中的电池组单元电池电压感测程序。

在步骤S20中，控制器将单元电池指数K赋予每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4以顺序地感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电电压，并且将单元电池指数K初始为1。

在步骤S30中，控制器430断开第二切换单元340并且控制第一切换单元310以将第K电池组单元电池(当前K是1)的两个端子连接至第一和第二导线1、2。然后，第K电池组单元电池被电气地连接至第一电压充电单元320，因此第K电池组单元电池的充电电压被存储在第一电压充电单元320中。

在步骤S40中，控制器430导通第二切换单元340以使第一电压充电单元320与第二电压充电单元330相连接，并且还控制第一切换单元310以从第一和第二导线1、2断开第K电池组单元电池的两个端子。另外，控制器430导通第二电压充电单元330的第二开关SW2。然后，第一电压充电单元320与第二电压充电单元330电气地连接，并且被存储在第一电压充电单元320中的充电电压被中继到第二电压充电单元330。

在步骤S50中，控制器430断开第二切换单元340。而且，控制器430断开第二电压充电单元330的第二开关SW2，并且导通第一开关SW1。然后，第二电压充电单元330被电气地连接至电压放大器410，因此借助于电压放大器410放大被存储在第二电压充电单元330中的充电电压并且然后将其输出为模拟电压信号。输出模拟电压信号被输入至A/D变换器420并且被转换为数字电压信号。转换的数字电压信号被输入至MCU 431并且被存储在存储器433中。

同时，当在步骤S40和S50中完成充电电压中继操作并且还断开第二切换单元340时，控制器430导通第一放电单元350的第一放电开关SWd1以通过第一放电电阻Rd1放电被存储在第一电压充电单元320中的充电电压，从而重置第一电压充电单元320。而且，当完成充电电压感测操作时，控制器430断开第二电压充电单元330的第一开关SW1并且然后导通第二放电单元360的第二放电开关SWd2以放电被存储在第二电压充电单元330中的充电电压，从而重置第二电压充电单元330。

在步骤S60中，控制器确定单元电池指数K是否超过被包括在电池组电池200中的总单元电池的数目。

当单元电池指数K没有超过被包括在电池组电池200中的总单元电池的数目时执行步骤S65。在步骤S65中，控制器430将处理返回到步骤S30同时将单元电池指数K增加1。然后，控制器430重复地执行步骤S30至S60直到单元电池指数K超过被包括在电池组电池200中的总单元电池的数目，从而感测每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电电压并且将充电电压存储在存储器433中。

当单元电池指数K超过被包括在电池组电池200中的总单元电池的数目时执行步骤S70。在步骤S70中，控制器430监测被存储在存储器433中的每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电电压并且然后根据要求控制每个电池组单元电池VB1、VB2、VB3、VB4的充电/放电。

在步骤S80中，控制器430确定使用从电池组电池200输出的电能的负载是否停止它的操作。如果在步骤S80中确定负载停止它的操作，那么控制器430结束上述的电池组单元电池电压测量处理。同时，如果在步骤S80中确定负载保持操作，那么控制器430执行步骤S85。

在步骤S85中，控制器430确定单元电池电压感测周期是否到来，并且然后，如果单元电池电压感测周期到来，那么控制器430将处理返回到步骤S20。然后，控制器430为每个电池组单元电池再次重复充电电压感测和监测处理。

对本领域的技术人员来说显然的是，在使用电池组电池时以固定的周期重复地执行上面的步骤S10至S85。

已经详细地描述了本发明。然而，应理解的是，由于根据此详细的描述本发明的精神和范围内的各种不同的变化和修改对本领域的技术人员来说是显然的，所以仅通过例证给出详细的描述和具体示例，同时显示本发明的优选实施例。