CN102957182B - 电池充电***及电池放电*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电池充电***和电池放电***。所述充电***包括:充电控制器,用于控制流向电池组的充电电流,所述充电控制器包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,并检测与所述电池组的温度成比例的电压降,其中,当所述充电控制器与所述电池组相连时,产生寄生电阻;及连接在所述温度感应节点上的充电补偿电路,产生补偿电流,所述充电补偿电路从所述温度感应节点抽取补偿电流,所述被抽取的补偿电流的电流值与充电电流在所述寄生电阻上产生的电压降成比例。本发明实施例能提高对电池组进行充放电的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池***,特别涉及一种电池充电***及电池放电***。
背景技术
图1所示为现有技术中的具有单端点的电池充电***100。电池充电***100通常包括充电器102和电池组104。充电器102可以包括电源106和充电控制器108。充电控制器108用于控制从电源106流向电池组104的充电电流ICH。在现有技术中的充电结构中,出于安全因素,充电控制器108通常设计成用于感应电池的温度,从而使得充电控制器108能够基于检测到的温度调整充电电流ICH,或者,如果温度超过阈值,控制器108执行过温(Over-Temperature,简称为:OT)保护,从而停止对电池充电。为此,电池组104包括热敏电阻RTS,其电阻值随温度而变化。对于现有技术中的负温度系数(Negative Temperature Coefficient,简称为:NTC)或正温度系数(Positive Temperature Coefficient,简称为:PTC)热敏电阻,热敏电阻RTS的电阻值随温度的变化而线性变化。充电控制器108可以包括耦合于热敏电阻RTS的温度感应结点(亦称为:节点、node),用于感应热敏电阻RTS上的电压的变化,以得到电池温度的变化。更具体地说,充电控制器108还可以包括分压电路,该分压电路包括上拉电阻RPU和热敏电阻RTS,充电控制器108的参考电压VREF,可以用来驱动该分压电路。理想情况下,由于参考电压VREF和上拉电阻RPU的阻值是固定的,并且热敏电阻RTS随着电池组104的温度变化而变化,所以温度感应结点上的电压VTS随之而改变。因此,充电控制器108可以检测电池组的温度信息,如果需要,则充电控制器108相应地调整充电电流ICH。
然而,温度检测精度将受到电流通路上的寄生电阻RPAR的影响。产生寄生电阻RPAR的原因包括:印制电路板(PCB)上的电阻、电源线的电阻以及由于电池组104和充电器102之间的连接而产生的触点电阻等。寄生电阻RPAP上的电压降将直接影响到热敏电阻RTS上的感应电压,因此,基于温度控制的充电电流ICH会产生误差。在工作中,流经电池组104的充电电流ICH将控制寄生电阻RPAR上的电压降,这反过来又会影响热敏电阻RTS的感应电压。换言之,VTS=VRTS+VRPAR,所以对于一个给定的热敏电阻RTS值(意味着温度不变),随着充电电流ICH的增加,寄生电阻RPAP的电压降VRPAR将增加,从而VTS也增加,但此时VTS的变化不是因为电池组温度的变化引起的。对于负温度系数的热敏电阻,并考虑到寄生电阻RPAR的影响,热敏电阻RTS由于寄生电阻RPAR的存在将会降得更低,因此过温触发点将低于电池组的实际温度,由此降低了电池组工作的安全系数。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种电池充电***及电池放电***,提高了对电池组进行充放电的安全性能。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种电池充电***,其中,该电池充电***包括:充电控制器,用于控制流向电池组的充电电流,所述充电控制器包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,并检测与所述电池组的温度成比例的电压降;当所述充电控制器与所述电池组相耦接时,产生寄生电阻;及连接在所述温度感应节点上的充电补偿电路,产生补偿电流,所述充电补偿电路从所述温度感应节点抽取补偿电流,所述被抽取的补偿电流的电流值与所述充电电流在所述寄生电阻上产生的电压降成比例。
本发明还提供了一种电池放电***,其中,该电池放电***包括:监测电路,用于控制来自电池组的放电电流,所述监测电路包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,用于监测与所述电池组的温度成比例的电压降;所述监测电路还包括第二电流镜像,所述第二电流镜像基于参考电流为温度感应器提供温度感应电流;其中,当所述监测电路与所述电池组相耦接时,产生寄生电阻;及与所述监测电路相连的放电补偿电路,产生补偿电流流入所述监测电路,所述补偿电流的电流值与所述放电电流在所述寄生电阻上产生的电压降成比例。
本发明还提供了一种电池充电***,该电池充电***包括:充电控制器,用于控制流向电池组的充电电流,所述充电控制器包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,并检测与所述电池组的温度成比例的电压降;当充电控制器与所述电池组相耦接时,产生寄生电阻;感应电阻,所述感应电阻产生与所述充电电流成比例的电压降;及充电补偿电路,产生补偿电流;所述充电补偿电路包括第二放大器、第二晶体管和第二电阻;所述第二放大器的第一输入端与所述感应电阻的第一端相连,所述第二放大器的第二输入端与所述第二晶体管的输出端相连,所述第二放大器的输出端与所述第二晶体管相连以控制所述第二晶体管的导电状态;所述第二晶体管和所述第二电阻串联在温度感应节点和所述感应电阻第二端之间;所述第二放大器的输出控制晶体管的阻值,从而使得所述第二放大器的所述第一输入端和所述第二输入端的电压相匹配。
本发明还提供了一种电池充电***,其中,该电池充电***包括:充电控制器,用于控制流向电池组的充电电流,所述充电控制器包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,并检测与所述电池组的温度成比例的电压降,其中,当充电控制器与所述电池组连接时,产生寄生电阻;感应电阻,所述感应电阻产生与所述充电电流成比例的电压降;充电补偿电路,产生补偿电流,所述充电补偿电路包括第二放大器、第二晶体管和第二电阻;所述第二放大器的第一输入端与所述感应电阻的第一端相连,所述第二放大器的第二输入端与所述第二晶体管的输出端相连,所述第二放大器的输出端与所述第二晶体管相连以控制所述第二晶体管的导电状态;所述第二晶体管和所述第二电阻串联在温度感应节点和所述感应电阻第二端之间;所述第二放大器的输出控制所述第二晶体管的阻值从而使所述第二放大器的第一输入端和第二输入端的电压相匹配;其中,所述充电控制器还包括第一放大器、第一晶体管和第一电流镜像电路,所述第一放大器包括第一输入端和第二输入端,所述第一放大器的第一输入端接收参考电压,所述第一放大器的第二输入端接收与所述充电电流成比例的电压;所述第一晶体管由所述第一放大器的输出端控制;其中,所述第一晶体管耦合于所述第一电流镜像电路和与所述充电电流成比例的电压节点之间,用于产生参考电流;其中,所述第一放大器的输出端控制所述第一晶体管的阻值,从而使得所述第一放大器的第一输入端的电压与第二输入端的电压相匹配;所述第一电流镜像电路还根据参考电流为温度感应器提供温度感应电流,其中,所述参考电流的电流值由所述温度感应电流和所述补偿电流决定。
本发明提供的电池充电***和电池放电***,通过补偿电流调整提供给温度传感器的参考电流,从而使得减小或消除了电流通路上的寄生电阻,提高了测量电池组的温度的精度,进一步提高了对电池组进行充放电的安全性能。
附图说明
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述,以使本发明的特征和优势更为明显。其中:
图1所示为现有技术中的电池充电***的结构示意图;
图2所示为根据本发明一个实施例提供的电池充电***的结构示意图;
图3所示为根据本发明另一个实施例提供的电池充电***的结构示意图;及
图4所示为根据本发明再一个实施例提供的电池放电***的结构示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例结合相应的附图给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明,但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反,本发明涵盖所附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
另外,为了更好的说明本发明,在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解,没有这些具体细节,本发明同样可以实施。在另外一些实例中,对于大家熟知的方法、手续、元件和电路未作详细描述,以便于凸显本发明的主旨。
本发明实施例提供了一种用于电池温度检测和寄生电阻补偿的电池充电***和电池放电***。其中,电池充电***和电池放电***中的补偿电路用于产生补偿电流,该补偿电流与电池充电电流或电池放电电流成比例,以补偿充电器(或监测电路)和电池组之间线路连接的寄生电阻。补偿电流调整提供给温度传感器的参考电流,从而在减小或消除寄生电阻的同时,提高测量电池组的温度的精度,进一步提高对电池组进行充放电的安全性能。补偿电路可以应用到电池充电器中,从而提高电池充电控制,也能应用到电池监测电路结构中,以提高放电控制,进一步提高了对电池组进行充放电的安全性能。
图2所示为根据本发明一个实施例提供的电池充电***200的结构示意图。如图2所示,电池充电***200可以包括充电器202和电池组204;其中,在图2所示实施例中的电池充电***200中,由于充电器202通过电力线201(即PACK+侧)和电力线203(即PACK-侧)为电池组204提供充电电流ICH,因此电池充电***200的结构可以视为单端控制结构。进一步地,充电器202和电池组204可以通过接口205相耦接,接口205例如可以包括:印制电路板(PCB)线、金属线、直接触头等。本领域普通技术人员可以理解的是,电池组204可以包括一个或多个相互串联的电池单元,用于接收充电电能,并为负载提供电能(负载未在图2中示出)。电池组204还可以包括温度感应器(例如热敏电阻RTS),该温度感应器与电池组204的一个或多个电池单元相邻放置,使得热敏电阻RTS能感应到电池组204的温度。温度感应器与充电器202相连,以使充电器202获得电池温度的测量值。本领域普通技术人员可以理解的是,热敏电阻RTS的阻值随着电池组204温度的变化而改变。
充电器202还可以包括电压源206;其中,在一个实施例中,电压源206可以为电池组204提供充电电流ICH;在另一个实施例中,电压源206还也可以为负载(负载在图2未示出)提供电压。充电器202还可以包括充电控制器208,该充电控制器208与电压源206和电池组204分别相耦接,用于控制流向电池组204的充电电流ICH。本领域普通技术人员可以理解的是,本发明实施例中的充电控制器208还可以根据电池温度的反馈信息控制电池组204的充电电流ICH。进一步地,充电器202还可以包括感应电阻RSEN,该感应电阻RSEN具有反馈电阻的功能,充电控制器208可以检测感应电阻RSEN的电压降VRSEN,以检测电池组204的充电电流ICH。
充电器202还可以包括温度感应电路210,用于检测电池组204的温度。在图2所示实施例中,温度感应电路210可以包括上拉电阻RPU(也称为第一电阻),该上拉电阻RPU连接在充电控制器208的参考电压VREF对应的管脚和充电控制器208的温度感应节点211(也可简称为节点211)之间,以产生参考电流IREF。进一步地,上拉电阻RPU和热敏电阻RTS构成一个分压电路,用于为热敏电阻RTS提供温度感应电流IRTS。其中,热敏电阻RTS与接收充电控制器208的温度感应电压VTS对应的管脚相耦接,从而使得充电控制器208的温度感应节点211获取到热敏电阻RTS上的电压降。在操作中,如果忽略接口205处的寄生电阻,随着电池组204的温度变化,热敏电阻RTS的阻值也将改变,从而使得热敏电阻RTS上的电压降和温度感应电压VTS改变。因此,充电控制器208能够获得电池组204的温度反馈信息。为了防止电池组204进入过温状态,充电控制器208可以将温度感应电压VTS和过温阈值(T0)进行比较,其中,温度感应电压VTS与电池组的温度相对应。如果电池组204的温度超过过温阈值(T0),充电控制器208可以减小电池组204的充电电流ICH或通过控制开关断开电池组204的充电电流ICH。
在图2所示的实施例中,充电器202和电池组204的耦接实际上会产生寄生电阻RPAR。在一个实施例中,充电器202还包括补偿电路212(也称为充电补偿电路212),用于补偿寄生电阻RPAR。进一步地,补偿电路212用于补偿寄生电阻RPAR对温度感应节点的电压VTS产生的影响。由于寄生电阻RPAR的影响,温度感应节点211的电压VTS的值由热敏电阻RTS上的电压降VRTS和寄生电阻RPAR上的电压降VRAPA决定,例如:VTS=VRTS+VRPAR。如图2所示,寄生电阻RPAR可以等效为串联连接在电池组204负极的电阻。所以,随着充电电流ICH的变化,寄生电阻RPAR上的电压降VRPAR也随着变化,从而进一步影响到热敏电阻RTS上的电压降VRTS。在本发明实施例中,补偿电路212连接在温度感应节点211上,用于产生与寄生电阻RPAR上的电压降VRAPA成比例的补偿电流ICOMP。换言之,补偿电路212从节点211抽取补偿电流ICOMP,从而减小或消除寄生电阻RPAR对温度感应电压VTS的影响。
在本发明实施例中,补偿电路212可以包括放大器214、N型晶体管216(Q1)和电阻218(RB)。如图2所示,放大器214的正相输入端,该正向输入端经由电力线203连接到感应电阻RSEN,放大器214的反相输入端连接到晶体管216的源极,放大器214的输出端连接到晶体管216的栅极。晶体管216的漏极连接到节点211,晶体管216的源极连接到放大器214和电阻218(RB)。电阻218还通过感应电阻RSEN连接到电力线203。补偿电路212的补偿功能将在下述实施例中进行详细描述。
本领域普通技术人员可以理解的是,放大器214可以具有相对较大的直流增益,并且放大器214具有的反馈功能使得放大器214的正相输入端和反相输入端保持大体上相等。感应电阻RSEN上的电压降VRSEN驱动放大器214的正相输入端,例如,VRSEN=RSEN*ICH。因此,放大器214的反相输入端与正相输入端的电压相匹配,从而使得放大器214的输出基本上保持不变。放大器214的输出控制晶体管216的导电状态,从而控制来自节点211的补偿电流ICOMP的幅值。在一个实施例中,晶体管216可以是小信号N型金属氧化物半导体场效应晶体管(N-typeMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,简称为:NMOSFET)装置,该小信号NMOSFET装置根据放大器214的输出电压范围工作在线性区,从而使得晶体管216的电压-电流特性可以随放大器214提供给栅极的电压而变化。因为感应电阻RSEN和寄生电阻RPAR串联在负极端的电力线203上,可以在感应电阻RSEN和寄生电阻RPAR上产生与充电电流ICH成比例的电压降。节点211从第一电阻RPU接收参考电流IREF,补偿电路212从节点211抽取补偿电流ICOMP,热敏电阻RTS从节点211抽取温度感应电流IRTS。因此,IREF=ICOMP+IRTS。因此,产生的补偿电流ICOMP可以正比于流过感应电阻RSEN的充电电流ICH,并且补偿电流ICOMP可以表示为:
ICOMP=ICH*RSEN/RB (1)
因此,随着充电电流ICH的变化,补偿电流ICOMP也在变化。该补偿电流ICOMP来自温度感应节点211,正比于流过寄生电阻RPAR的电流,补偿的温度感应电压VTS可以表示为:
等式(2)可以写成:
等式(3)右边第二项由寄生电阻RPAR对于充电电流ICH产生的误差得出。当充电电流ICH为0时,由于消除了寄生电阻RPAR的影响,等式(3)可以看成电池组204温度检测的理想情况。因此,在本发明实施例中,可以根据等式(3)选择合适的RB值来补偿寄生电阻RPAR的影响,例如减小或消除寄生电阻。RB的目标值可以基于过温阈值(T0)对应的热敏电阻RTS的阻值和寄生电阻RPAR的阻值来确定,可以表示为:
RB=RSEN*RTS(T0)/RPAR (4)
对于给定的充电控制器/电池组组合,寄生电阻RPAR的阻值保持不变,因此寄生电阻RPAR的阻值可以由电池组/充电***的初始化值或制造商决定。过温阈值(T0)例如可以由电池组制造商提供,对给定的参考电压VREF和上拉电阻RPU值,即对于给定的参考电流IREF,该过温阈值(T0)可以用于确定温度达到阈值点时的热敏电阻RTS的值,即RTS(T0)。一旦得知寄生电阻RPAR和RTS(T0)值,即可设定补偿电路212的RB值。进一步地,充电控制器208可以用于动态地测量寄生电阻RPAR,从而允许不同的电池组连接到充电器202,RB可以包括可调电阻,其电阻值由充电控制器208控制。
在操作中,对于给定的充电电流ICH,放大器214驱使晶体管216工作,使放大器的正相输入端和反相输入端的电压大体上相等。所以,对于给定的充电电流ICH,寄生电阻RPAR上的电压降将固定,因此,补偿电路212产生成比例的补偿电流ICOMP从温度感应节点211流出,从而部分或完全消除寄生电阻RPAR电压的影响。因此,温度感应节点211的电压将很大程度上表示热敏电阻RTS上的电压降VRTS,热敏电阻RTS上的电压降VRTS与电池组204的温度成比例。随着充电电流ICH的增加,寄生电阻RPAR上的电压降VRAPA增加,放大器214的正相输入端的电压增加至高于放大器214的反相输入端的电压,从而导致放大器214的输出增大,进一步提高晶体管216的导电性(通过减小晶体管216的等效电阻提高晶体管216的导电性),由此,从温度感应节点211流出的补偿电流ICOMP增加,直到RB上的电压降与感应电阻RSEN上的电压降成比例变化,换言之,放大器214反相输入端的电压增大到与放大器214正相输入端的电压大体上相等。相似的,当充电电流ICH减小时,寄生电阻RPAR的电压降VRAPA将减小,放大器214的正相输入端电压减小至低于放大器214的反相输入端电压,上述电压减小由感应电阻RSEN上的电压减小导致。这将使放大器214的输出减小,通过增加晶体管216等效电阻降低晶体管216的导电性,从而降低了从温度感应节点211流出的补偿电流ICOMP,直到RB上的电压与感应电阻RSEN上的电压成比例变化,换言之,放大器214的反相输入端电压减小直到与放大器214的正相输入端电压相匹配;进一步地,放大器214的反相输入端电压与放大器214的正相输入端的电压相等。
如上所述,寄生电阻增加了温度感应节点的电压VTS,即VTS=VRTS+VRPAR。对于电池组204的给定温度,随着充电电流ICH的改变,补偿电流ICOMP也成比例的改变,流过热敏电阻RTS的温度感应电流IRTS成反比例的改变,因此,随着充电电流ICH的增加,寄生电阻RPAR上的电压降VRAPA增大,补偿电流ICOMP成比例增加,致使流经热敏电阻RTS的温度感应电流IRTS随寄生电阻RPAR上的电压的增大而减小,从而温度感应电压VTS基本由热敏电阻RTS上的电压降控制,即VTS=VRTS。相似的,随着充电电流ICH的减小,补偿电流ICOMP减小,并且温度感应电流IRTS增大,温度感应电压VTS不变或者较小变化。
随着电池组温度的变化,热敏电阻RTS的阻值改变且温度感应电流IRTS将改变,从而致使温度感应电压VTS改变。因此,假设热敏电阻RTS是负温度系数的热敏电阻,随着电池组204温度的增加(例如,由于充电电流ICH增加导致其温度增加),热敏电阻RTS的阻值将减小,节点211的温度感应电压VTS将增加,致使充电控制器208检测到电池组204的温度增加,从而减小或消除寄生电阻RPAR产生的误差。相似的,仍然假设热敏电阻RTS是一个负温度系数的热敏电阻,随着电池组204温度的降低(比如充电电流ICH减小导致温度降低),热敏电阻RTS的阻值将增大,节点211的温度感应电压VTS将降低,从而使得充电控制器208检测到电池组204的温度降低,并减小或消除寄生电阻RPAR产生的误差。
如果热敏电阻RTS的温度达到了过温(OT)的温度阈值T0,则补偿电路212用于消除或基本消除寄生电阻RPAR引入的误差。参考等式(3)和等式(4),如果温度低于或高于T0(假设热敏电阻RTS是负温度系数的热敏电阻),那么节点211的温度感应电压VTS将包含由寄生电阻产生的误差。例如,如果电池组204的温度低于T0,即T0-ΔT,相应的热敏电阻值为RTS(T0)+ΔRTS,那么由寄生电阻RPAR给VTS产生的误差为这个误差由以上等式(3)和等式(4)推导得出,并将RB=RSEN*RTS(T0)/RPAR和RTS=RTS(T0)+ΔRTS等效带入等式(4)右边第二项。当温度小于T0时,该误差可能会导致一个比期望值低的VTS,与之对应的检测温度就会高于电池组304实际的温度值。当温度接近T0时,该误差趋近于零。有利的是,在过温阈值温度T0时,补偿电路212用于消除或大致消除由寄生电阻RPAR引起的误差,并且,在其它温度时,减小由寄生电阻RPAR引起的误差。
图3所示为本发明另一实施例提供的电池充电***的结构示意图。如图3所示,电池充电***300与图2所示实施例中的电池充电***200相似,不同的是,图3所示实施例中采用充电控制器308中的电流镜像电路320为热敏电阻RTS提供温度感应电流IRTS;此外,在图3所示实施例中,参考电流IREF的多个实例可以用在多个电池组中,另外,本发明实施例可以省略上拉电阻RPU。如图3所示,本发明实施例可以包括充电器302和电池组304,其中,充电器302通过电力线301(即PACK+侧)和电力线303(即PACK-侧)为电池组304提供充电电流ICH。充电器302和电池组304可以通过接口305相耦接,其中,接口305可以包括:印制电路板(PCB)线、金属线、直接触头等。与图2所示实施例相同,电池组304可以包括一个或多个相互串联的电池单元,用于接收充电电能和为负载提供电能;电池组304还可以包括与充电器302耦接的热敏电阻RTS,以使充电器302获得电池温度的测量值;热敏电阻RTS的阻值随电池组304温度的变化而变化。
充电器302还可以包括电压源306,用于为电池组304提供充电电流ICH;在一个实施例中,电压源306也可以为负载提供电压(负载未在图3中示出)。充电器302还可以包括充电控制器308,与电压源306和电池组304相耦接,用于控制流向电池组304的充电电流ICH。进一步地,在本发明实施例中,充电控制器308还可以包括:电流镜像电路320、放大器322和晶体管324,充电控制器308的工作原理下文将详细说明。进一步地,充电器302还可以包括感应电阻RSEN,该感应电阻RSEN具有反馈电阻的功能,充电控制器308能通过检测感应电阻RSEN上的电压降,以检测电池组304的充电电流ICH。本领域普通技术人员可以理解的是,本发明实施例可以根据充电电流ICH和电池温度反馈信息,来控制电池组304的充电电流ICH。
进一步地,充电控制器308还包括电压感应输入端VTS,接收温度感应节点311(也可简称为节点311)的温度感应电压VTS。电流源电路309(也称为充电电流源电路309)包括电流镜像电路320(也称为第一电流镜像电路320)、放大器322(本发明实施例也可以将之称为第一放大器)、晶体管324(本发明实施例也可以将之称为第一晶体管)和参考电阻RREF,用于为节点311提供参考电流IREF。如图3所示,放大器322的正相输入端连接到参考电压VREF节点,放大电路322的反相输入端连接到晶体管324的源极,放大器322的输出端连接到晶体管324的栅极。晶体管324的漏极连接到电流镜像电路320,晶体管324的源极连接到放大器322和参考电阻RREF。参考电阻RREF的一端与晶体管324源极连接,另一端连接到电力线303。
与图2所示实施例中的放大器214类似,放大器322可以有相对大的直流增益,图3所示实施例中的放大器322的反馈回路使放大器322的正相输入端和反相输入端保持大体上相等,从而使得放大器322、晶体管324和参考电阻RREF为电流镜像电路320提供参考电流IREF(该参考电流与参考电压VREF成比例)。特别的,在图3所示实施例中,IREF=VREF/RREF。
通常,电流镜像电路320可以视为电流放大器。电流镜像电路320至少能提供一路与输入电流成比例的输出电流,例如:电流镜像电路320接收一个输入电流,可以提供一路或多路输出电流,并且每一路输出电流都与输入电流相等。电流镜像电路320的每一路输出电流都可以为多个电池组中的热敏电阻提供温度感应电流IRTS。与图2所示实施例相比,本发明实施例中的多路输出电流可以用较少的上拉电阻。
图3所示实施例中的电流源电路309用于为节点311提供一个输出电流(即参考电流IREF)。在没有补偿电路312和寄生电阻RPAR的电路结构中(附图中未示出此电路结构),参考电流IREF将流向与节点311相连的热敏电阻RTS。通过检测热敏电阻RTS的电压就可以得到热敏电阻RTS的电阻值,从而进一步得到如上所述的电池组304的温度。
充电器302还可以包括温度感应电压VTS对应的第一端口,该第一端口从节点311处获得热敏电阻RTS的电压信息。热敏电阻RTS和温度感应电压VTS提供的温度反馈功能与上述图2所示实施例类似,因此不再赘述。另外,补偿电路312(也称为充电补偿电路312)包括放大器314(本发明实施例也可以将之称为第二放大器)、N型晶体管316(本发明实施例也可以将之称为第二晶体管)和电阻318(本发明实施例也可以将之称为第二电阻,或RB),用作补偿寄生电阻RPAR,其连接方式及功能与图2所示实施例中的补偿电路212类似,在此不再赘述。节点311从电流镜像电路320接收参考电流IREF,补偿电路312从节点311抽取补偿电流ICOMP,热敏电阻RTS从节点311抽取温度感应电流IRTS。因此,IREF=ICOMP+IRTS。在图3所示实施例中,补偿电流ICOMP由上述等式(1)给出,IRTS可由VTS=IRTS*RTS+ICH*RPAR得出。补偿后的温度感应电压VTS可表示为:
与上述等式(3)类似,等式(5)右边第二项由充电电流ICH在寄生电阻RPAR上产生的误差推导出。当充电电流ICH为0时,由于消除了寄生电阻RPAR的影响,因此等式(5)可以看成电池组304温度检测的理想情况。与图2所示实施例类似,在本发明实施例中,可以根据等式(5)选择RB值从而补偿寄生电阻RPAR,例如减少或消除寄生电阻。RB的目标值可以根据过温阈值(T0)对应的热敏电阻RTS和寄生电阻RPAR的值来选择,可以由上述等式(4)给出。
在操作时,如上述实施例所述,补偿电路312基于充电电流ICH产生补偿电流ICOMP。补偿电路312根据充电电流ICH的变化调整补偿电流ICOMP。随着充电电流ICH的变化,寄生电阻RPAR上的电压降相应地改变,补偿电路312适当地调整补偿电流ICOMP以补偿寄生电阻RPAR上的电压降对VTS的影响。
随着电池组304温度的变化,热敏电阻RTS的阻值改变,从而使得节点311上的温度感应电压VTS改变。与图2所示实施例不同的是,图3所示实施例中,由于为热敏电阻RTS提供电流的是电流源,即电流镜像电路320,因此随着热敏电阻RTS阻值的改变,热敏电阻RTS上的温度感应电流IRTS不变。在一定程度上,热敏电阻RTS上的温度感应电压VTS将随着热敏电阻RTS的阻值的变化成比例的变化。这样,假设热敏电阻RTS是负温度系数的热敏电阻,随着电池组304温度的升高,热敏电阻RTS的阻值减小,节点311的温度感应电压VTS减小,从而使充电控制器308检测到电池组304温度的增加。
如果电池组304的温度为过温阈值温度T0,那么补偿电路312可用于消除或大体上消除寄生电阻RPAR引入的误差。参考等式(4)和等式(5),如果电池组304的温度低于T0,并且假设热敏电阻RTS为负温度系数的热敏电阻,那么节点311的温度感应电压VTS可能包含了寄生电阻RPAR产生的误差。例如,如果电池组304的温度低于T0,即T0-ΔT,相应的热敏电阻值为RTS(T0)+ΔRTS,那么由寄生电阻RPAR给温度感应电压VTS产生的误差为ICH*RPAR*(-ΔRTS/RTS(T0));该误差由上述等式(4)和等式(5)得到,并将RB=RSEN*RTS(T0)/RPAR和RTS=RTS(T0)+ΔRTS等效带入等式(5)右边第二项。当温度低于T0时,该误差可能会导致VTS低于期望值,相应地,检测温度就会高于电池组304实际的温度值。当电池组304的温度接近T0时,该误差趋近于零。有利的是,补偿电路312在过温阈值温度T0时用于消除或大体上消除由寄生电阻RPAR引起的误差,在其他温度时减小由寄生电阻RPAR引起的误差。
图4所示为根据本发明再一个实施例提供的电池放电***的结构示意图。如图4所示,本发明实施例中的电池放电***400与图3所示实施例中的电池充电***300相似,不同的是,在本发明实施例中,电池组驱动负载407,并且补偿电流ICOMP基于放电电流IDISCH而不是充电电流ICH。具体地,如图4所示,本发明实施例包括:负载电路405和电池组404,该电池组404通过电力线401(即PACK+)和电力线403(即PACK-)将放电电流IDISCH输送到负载电路405。负载电路405和电池组404通过接口415耦接,该接口415可以是印制电路板(PCB)线、金属线或直接触头等。与上述图3所示实施例相同的是,电池组404可以包括一个或多个相互串联的电池单元,用于为负载(例如负载电路405)提供电能。电池组404还可以包括温度感应器,例如热敏电阻RTS,热敏电阻RTS与负载电路405相耦接,以使负载电路405获得电池组404的温度测量值。热敏电阻RTS的阻值可以随着电池组404温度的变化而变化。
负载电路405可以包括负载407,该负载407从电池组404获得放电电流IDISCH。负载电路405还可以包括监测电路409,监测电路409与电池组404和负载407相耦合;该监测电路409控制从电池组404流出的放电电流IDISCH。在本发明实施例中,监测电路409包括:电流镜像电路420、放大器422和晶体管424,监测电路409的工作流程下面详细说明。负载电路405还可以包括感应电阻RSEN,感应电阻RSEN具有反馈电阻的功能,监测电路409通过检测感应电阻RSEN上的电压降,以检测电池组404输出的放电电流IDISCH。
监测电路409还可以包括温度感应电压VTS对应的第一端口。电流源电路419(也称为放电电流源电路419)可以包括:电流镜像电路420(也称为第二电流镜像电路420)、放大器422(本发明实施例也可以将之称为第三放大器)、晶体管424(本发明实施例也可以将之称为第三晶体管)和参考电阻426(RREF)。如图4所示,放大器422的正相输入端连接到参考电压VREF对应的节点411(本发明实施例也可以将之称为温度感应节点)。放大器422的反相输入端连接到晶体管424的源极,放大器422的输出端连接到晶体管424的栅极。晶体管424的漏极连接到电流镜像电路420,晶体管424的源极连接到放大器422和参考电阻RREF(节点411处),参考电阻RREF的另一端连接到电力线403。在不含补偿电路413和寄生电阻RPAR的电路结构中(附图中未示出此电路结构),根据放大器422的工作原理即可得出等式IRTS=VREF/RREF,故通过检测热敏电阻RTS上的电压即可得到热敏电阻RTS的阻值,从而得到电池组404的温度。
负载电路405还可以包括补偿电路413(本发明实施例也可以将之称为放电补偿电路),补偿电路413用于补偿寄生电阻RPAR。补偿电路413通过节点411与电流源电路419耦接。在本发明实施例中,补偿电路413可以包括:放大器414(本发明实施例也可以将之称为第四放大器)、晶体管416(本发明实施例也可以将之称为第四晶体管)和电阻418(本发明实施例也可以将之称为第三电阻,或RB)。如图4所示,放大器414的正相输入端连接到感应电阻RSEN,放大器414的反相输入端连接到晶体管416的源极,放大器414的输出端连接到晶体管416的栅极。晶体管416的漏极连接到节点411和晶体管424的源极,晶体管416的源极连接到放大器414的反相输入端和电阻RB。电阻RB的一端连接晶体管416的源极,另一端与电力线403连接。
在图4所示实施例中,补偿电路413用于将补偿电流ICOMP注入电流源电路419,所以电流镜像电路420提供的温度感应电流IRTS将包括参考电流IREF和补偿电流ICOMP。与放大器214和322类似的,本发明实施例中的放大器414和放大器422具有较大的直流增益,放大器414和放大器422的反馈回路分别使放大器414、放大器422的正相输入端和反相输入端保持大体上相等。对补偿电路413,感应电阻RSEN上的电压降VRSEN驱动放大器414的正相输入端,其中VRSEN=IDISCH*RSEN,通过放大器414和晶体管416的作用,补偿电流ICOMP等于VRSEN/RB,因此ICOMP=IDISCH*RSEN/RB。对于电流源电路419,参考电压VREF驱动放大器422的反相输入端。通过放大器422和晶体管424的作用,节点411的电压为参考电压VREF。因此,通过RREF可得参考电流IREF为VREF/RREF。温度感应电流IREF和补偿电流ICOMP在节点411的叠加后输出电流给电流镜像电路420,随后电流镜像电路420可以给热敏电阻RTS提供温度感应电流IRTS。因此,假设电流镜像电路420的增益不变,图4所示实施例的温度感应电流IRTS为:
监测电路409还可以包括温度感应电压VTS对应的第一端口,该第一端口接收来自热敏电阻RRTS的电压信息。温度反馈功能与上述实施例类似,由热敏电阻RTS和温度感应电压VTS完成。因此,来自热敏电阻RTS的电压信息包括热敏电阻RTS上的电压降(即IRTS*RTS)和寄生电阻RPAR上的电压降,即放电电流IDISCH的函数,可以表示为:
VTS=IRTS*RTS-IDISCH*RPAR (7)
将等式(6)等效到等式(7),VTS 可得:
等式(8)右边第二项由放电电流IDISCH在寄生电阻RPAR上产生的误差得到,当放电电流IDISCH为0时,由于消除了寄生电阻RPAR的影响,等式(8)可以视为电池组404温度检测的理想情况。因此,与图2和图3所示实施例类似,在图4所示实施例中,可以根据等式(8)选择RB的阻值来补偿寄生电阻,即减小或消除寄生电阻。可以根据热敏电阻RTS的阻值和寄生电阻RPAR以及热敏电阻RTS的阻值和寄生电阻RPAR对应的过温阈值温度T0,由上述等式(4)选择RB的目标阻值。
在操作中,补偿电路413用于生成补偿电流ICOMP,该补偿电流ICOMP如上所述为放电电流IDISCH的一部分。补偿电路413用于根据放电电流IDISCH的变化调整补偿电流ICOMP。随着放电电流IDISCH的改变,寄生电阻RPAR上的电压降将相应改变,补偿电路413能成比例的调整补偿电流ICOMP,使之补偿寄生电阻RPAR上的电压降对温度感应电压VTS的影响。
随着电池组404上的温度改变,热敏电阻RTS的阻值改变,从而使温度感应电压VTS改变。与图3所示实施例类似,图4所示实施例中,由于热敏电阻RTS的温度感应电流IRTS由电流源(即电流镜像电路420)提供,热敏电阻RTS上的温度感应电流IRTS将不会随热敏电阻RTS的改变而变化。相反,热敏电阻RTS上的电压降将随热敏电阻RTS的阻值变化成比例改变。因此,假设热敏电阻RTS是负温度系数的热敏电阻,当电池组404的温度增加时,热敏电阻RTS的阻值将减小,并且温度感应电压VTS降低,从而使监测电路409检测到电池组404温度的增加。
如果热敏电阻RTS上的温度在过温阈值温度T0,则补偿电路413将消除或基本上消除由寄生电阻RPAR引起的误差。考虑到上述等式(7)和等式(8),如果电池组404的温度低于或高于T0,并且RTS为负温度系数型热敏电阻,则温度感应电压VTS将包括由寄生电阻产生的误差。比如,如果电池组404的温度低于T0,比如T0-ΔT,相应的热敏电阻值为RTS(T0)+ΔRTS,那么由寄生电阻RPAR给VTS产生的误差为ICH*RPAR*(ΔRTS/RTS(T0))。该误差根据上述等式(7)和等式(8)推导出,并将RB=RSEN*RTS(T0)/RPAR和RTS=RTS(T0)+ΔRTS等效带入等式(8)。当电池组404的温度低于T0时,这个误差会导致温度感应电压VTS高于期望值,与之对应的的检测温度就会低于电池组404实际的温度值。当电池组404的温度接近T0时,误差趋近于零。有利的是,当电池组404的温度处于阈值温度T0时,补偿电路413能消除或最大程度消除由寄生电阻RPAR引起的误差,在其他温度时减小由寄生电阻RPAR引起的误差。
本发明实施例所述的电池充电***和电池放电***能在电池充电或放电时提供电池温度检测和寄生电阻补偿。电池充电***和电池放电***中的补偿电路产生与电池充电或放电电流成比例的补偿电流,使之补偿电池组与充电器/监测电路线路连接带来的寄生电阻。补偿电流调整提供给温度感应器的参考电流的大小,使之精确测量电池组的温度而不受寄生电阻的影响。补偿电路能应用到充电器结构中以加强电池充电控制,或应用到电池监测电路结构中以加强电池放电控制。
此外,本领域普通技术人员可以理解的是,本发明实施例中所述的“电路”例如可以包括:单个或任意组合、硬线电路、可编程电路、状态机电路和/或存储可编程电路执行指令的固件。本领域普通技术人员还可以理解的是,本发明的电路可以应用到电池充电拓扑结构和电池监测拓扑结构中,可以提高电池的充、放电控制。
本文采用的名词和表达是用作说明的而非限制,不意图使用这类名词和表达来排除本发明披露的任何特征(或部分特征)的等同物。公认的,在权利要求允许的范围内的各种修改都是可能的。相应的,权利要求意图包含所有的这种等同物。
Claims (15)
1.一种电池充电***,其特征在于,包括:
充电控制器,用于控制流向电池组的充电电流,所述充电控制器包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,并检测与所述电池组的温度成比例的电压降;当所述充电控制器与所述电池组相耦接时,产生寄生电阻;及
连接在所述温度感应节点上的充电补偿电路,产生补偿电流,所述充电补偿电路从所述温度感应节点抽取补偿电流,所述被抽取的补偿电流的电流值与所述充电电流在所述寄生电阻上产生的电压降成比例;
其中,所述充电控制器还包括第一放大器、第一晶体管和第一电流镜像电路,所述第一放大器包括第一输入端和第二输入端,所述第一放大器的第一输入端接收参考电压,所述第一放大器的第二输入端接收与所述充电电流成比例的电压;所述第一晶体管由所述第一放大器的输出端控制;其中,所述第一晶体管耦合于所述第一电流镜像电路和所述第一放大器的第二输入端之间,用于产生参考电流;其中,所述第一放大器的输出端控制所述第一晶体管的阻值,从而使得所述第一放大器的第一输入端的电压与所述第一放大器的第二输入端的电压相匹配。
2.根据权利要求1所述的电池充电***,其特征在于,所述温度感应器包括与所述电池组相连的热敏电阻,所述热敏电阻的阻值随着所述电池组的温度的变化而改变。
3.根据权利要求1所述的电池充电***,其特征在于,所述电池充电***还包括:
与所述温度感应节点相耦接的温度感应电路,用于为所述温度感应器提供温度感应电流。
4.根据权利要求3所述的电池充电***,其特征在于,所述充电控制器产生参考电压;其中,所述温度感应电路包括连接在所述参考电压对应的管脚和所述温度感应节点之间的第一电阻,以产生所述参考电流;其中,所述参考电流的电流值由所述温度感应电流和所述补偿电流决定。
5.根据权利要求1所述的电池充电***,其特征在于,所述第一电流镜像电路根据所述参考电流为所述温度感应器提供温度感应电流;其中,所述参考电流的电流值由所述温度感应电流和所述补偿电流决定。
6.根据权利要求1所述的电池充电***,其特征在于,
所述电池充电***还包括:感应电阻,所述感应电阻产生与所述充电电流成比例的电压降;
所述充电补偿电路包括:第二放大器、第二晶体管和第二电阻;所述第二放大器包括第一输入端和第二输入端,所述第二放大器的第一输入端与所述感应电阻的第一端相连,所述第二放大器的第二输入端与所述第二晶体管的输出端相连,所述第二放大器的输出端与所述第二晶体管相连,以控制所述第二晶体管的导电状态;所述第二晶体管和所述第二电阻串联在所述温度感应节点和所述感应电阻第二端之间;所述第二放大器的输出控制所述第二晶体管的阻值,从而使所述第二放大器的第一输入端的电压和所述第二放大器的第二输入端的电压相匹配。
7.一种电池放电***,其特征在于,包括:
监测电路,用于控制来自电池组的放电电流,所述监测电路包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,用于监测与所述电池组的温度成比例的电压降;
所述监测电路还包括第二电流镜像电路,所述第二电流镜像电路基于参考电流为温度感应器提供温度感应电流;其中,当所述监测电路与所述电池组相耦接时,产生寄生电阻;及
与所述监测电路相连的放电补偿电路,产生补偿电流流入所述监测电路,所述补偿电流的电流值与所述放电电流在所述寄生电阻上产生的电压降成比例;
其中,所述监测电路还包括第三放大器、第三晶体管和第二电流镜像电路,所述第三放大器包括第一输入端和第二输入端,所述第三放大器的第一输入端接收参考电压,所述第三放大器的第二输入端接收与所述放电电流成比例的电压;所述第三晶体管由所述第三放大器的输出端控制;其中,所述第三晶体管耦合于所述第二电流镜像电路和所述第三放大器的第二输入端之间,用于产生所述参考电流;其中,所述第三放大器的输出端控制所述第三晶体管的阻值,从而使得所述第三放大器的第一输入端的电压与所述第三放大器的第二输入端的电压相匹配。
8.根据权利要求7所述的电池放电***,其特征在于,所述温度感应器包括与电池组相耦接的热敏电阻,所述热敏电阻的阻值随电池组温度的改变而变化。
9.根据权利要求7所述的电池放电***,其特征在于,所述参考电流的电流值由所述温度感应电流和所述补偿电流决定。
10.根据权利要求7所述的电池放电***,其特征在于,所述电池放电***还包括:
感应电阻,所述感应电阻产生与所述放电电流成比例的电压降;
所述放电补偿电路包括第四放大器、第四晶体管和第三电阻;所述第四放大器包括第一输入端和第二输入端,所述第四放大器的第一输入端与所述感应电阻的第一端相连,所述第四放大器的第二输入端与所述第四晶体管的输出端相连,所述第四放大器的输出端与所述第四晶体管相连以控制所述第四晶体管的导电状态;所述第四晶体管和所述第三电阻串联在所述温度感应节点和所述感应电阻的第二端之间;所述第四放大器的输出控制所述第四晶体管的阻值,从而使所述第四放大器的第一输入端和所述第四放大器的第二输入端的电压相等。
11.一种电池充电***,其特征在于,包括:
充电控制器,用于控制流向电池组的充电电流,所述充电控制器包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,并检测与所述电池组的温度成比例的电压降;当所述充电控制器与所述电池组相耦接时,产生寄生电阻;所述温度感应器包括与所述电池组相耦接的热敏电阻,所述热敏电阻的阻值随着所述电池组温度的改变而变化;
感应电阻,所述感应电阻产生与所述充电电流成比例的电压降;
连接在所述温度感应节点上的充电补偿电路,产生补偿电流;所述充电补偿电路包括第二放大器、第二晶体管和第二电阻;所述第二放大器的第一输入端与所述感应电阻的第一端相连,所述第二放大器的第二输入端与所述第二晶体管的输出端相连,所述第二放大器的输出端与所述第二晶体管相连以控制所述第二晶体管的导电状态;所述第二晶体管和所述第二电阻串联在温度感应节点和所述感应电阻第二端之间;所述第二放大器的输出控制晶体管的阻值,从而使得所述第二放大器的所述第一输入端和所述第二输入端的电压相匹配,
其中,所述充电补偿电路从所述温度感应节点抽取补偿电流,被抽取的所述补偿电流的电流值与所述充电电流在所述寄生电阻上产生的电压降成比例。
12.根据权利要求11所述的电池充电***,其特征在于,所述***还包括:
与温度感应节点相耦接的温度感应电路,为所述温度感应器提供温度感应电流。
13.根据权利要求12中的电池充电***,其特征在于,所述充电控制器产生参考电压;其中,所述温度感应电路包括连接在参考电压对应的管脚和所述温度感应节点之间的第一电阻,用以产生参考电流;其中,所述参考电流的电流值由所述温度感应电流和所述补偿电流决定。
14.一种电池充电***,其特征在于,包括:
充电控制器,用于控制流向电池组的充电电流,所述充电控制器包括温度感应节点,所述温度感应节点连接在与所述电池组相耦接的温度感应器上,并检测与所述电池组的温度成比例的电压降,其中,当充电控制器与所述电池组连接时,产生寄生电阻;
感应电阻,所述感应电阻产生与所述充电电流成比例的电压降;
连接在所述温度感应节点上的充电补偿电路,产生补偿电流,所述充电补偿电路包括第二放大器、第二晶体管和第二电阻;所述第二放大器的第一输入端与所述感应电阻的第一端相连,所述第二放大器的第二输入端与所述第二晶体管的输出端相连,所述第二放大器的输出端与所述第二晶体管相连以控制所述第二晶体管的导电状态;所述第二晶体管和所述第二电阻串联在温度感应节点和所述感应电阻第二端之间;所述第二放大器的输出控制所述第二晶体管的阻值从而使所述第二放大器的第一输入端和所述第二放大器的第二输入端的电压相匹配;
其中,所述充电控制器还包括第一放大器、第一晶体管和第一电流镜像电路,所述第一放大器包括第一输入端和第二输入端,所述第一放大器的第一输入端接收参考电压,所述第一放大器的第二输入端接收与所述充电电流成比例的电压;所述第一晶体管由所述第一放大器的输出端控制;其中,所述第一晶体管耦合于所述第一电流镜像电路和所述第一放大器的第二输入端之间,用于产生参考电流;其中,所述第一放大器的输出端控制所述第一晶体管的阻值,从而使得所述第一放大器的第一输入端的电压与所述第一放大器的第二输入端的电压相匹配;
所述第一电流镜像电路还根据所述参考电流为所述温度感应器提供温度感应电流,其中,所述参考电流的电流值由所述温度感应电流和所述补偿电流决定,
其中,所述充电补偿电路从所述温度感应节点抽取补偿电流,被抽取的所述补偿电流的电流值与所述充电电流在所述寄生电阻上产生的电压降成比例。
15.根据权利要求14所述的电池充电***,其特征在于,所述温度感应器包括热敏电阻,所述热敏电阻的阻值随着所述电池组温度的变化而改变。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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