CN113341323B - 电压监控装置以及其电压检测电路 - Google Patents

电压监控装置以及其电压检测电路 Download PDF

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CN113341323B CN202010165393.7A CN202010165393A CN113341323B CN 113341323 B CN113341323 B CN 113341323B CN 202010165393 A CN202010165393 A CN 202010165393A CN 113341323 B CN113341323 B CN 113341323B
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Abstract

本发明提供一种电压监控装置以及其电压检测电路。电压检测电路包括第一部分电路以及第二部分电路。第一部分电路包括第一负载以及第一主动负载。第一主动负载依据一第一偏压产生第一电流以流通过第一负载。第二部分电路包括第二负载以及第二主动负载。第二主动负载接收流通过该第二负载的第二电流，并产生第二偏压，且第一电流与第二电流相等。其中，第二部分电路的输出端提供的检测电压与电池芯的正负端间的电压差相同。

Description

电压监控装置以及其电压检测电路
技术领域
本发明涉及一种电压监控装置，且特别涉及一种具低电路成本的电压监控装置。
背景技术
在电子装置普及化的现代，提供高效能以及高安全性的电池装置，是为一个重要的课题。在现有的技术领域中，堆叠式锂电池电压监控装置用以监控多颗电池芯的堆叠电压，并经过电阻分压及计算后才能还原各个电池芯的电压，速度较慢且不够精准。因应于此，现有的技术领域另提出采用运算放大器来建构的电压检测方式。这种方式虽可直接输出各节电池芯的电压，但具有相对复杂的电路架构，并造成电路成本较高的缺点。
发明内容
本发明提供多种电压监控装置以及其电压检测电路，在提供快速且精准的检测结果的前提下，还可减低所需要的电路成本。
本发明的电压检测电路耦接至电池芯。电压检测电路包括第一部分电路以及第二部分电路。第一部分电路耦接至电池芯，包括串联耦接的第一负载以及第一主动负载，其中第一主动负载依据一第一偏压产生第一电流以流通过第一负载。第二部分电路耦接在第一部分电路的输出端与参考接地端间，包括串联耦接的第二负载以及第二主动负载，第二主动负载接收流通过该第二负载的第二电流，并产生第二偏压，且第一电流与第二电流相等，第二部分电路的输出端耦接至参考接地端。其中，第二部分电路的输出端提供的检测电压与电池芯的正负端间的电压差相同。
本发明的电压监控装置耦接至堆叠的多个电池芯。电压监控装置包括多个电压检测电路。各电压检测电路包括第一部分电路以及第二部分电路。第一部分电路耦接至电池芯，包括串联耦接的第一负载以及第一主动负载，其中第一主动负载依据一第一偏压产生第一电流以流通过第一负载。第二部分电路耦接在第一部分电路的输出端与参考接地端间，包括串联耦接的第二负载以及第二主动负载，第二主动负载接收流通过该第二负载的第二电流，并产生第二偏压，且第一电流与第二电流相等，第二部分电路的输出端耦接至参考接地端。其中，第二部分电路的输出端提供的检测电压与与电池芯的正负端间的电压差相同。
本发明的另一电压监控装置耦接至堆叠的多个电池芯。电压监控装置包括开关电路以及电压检测电路。开关电路耦接至电池芯，选择电池芯的其中之一的正端端以及负端端来分别连接至第一选择输出端以及第二选择输出端。电压检测电路耦接至开关电路的第一选择输出端以及第二选择输出端。电压测电路包括第一部分电路以及第二部分电路。第一部分电路耦接至电池芯，包括串联耦接的第一负载以及第一主动负载，其中第一主动负载依据一第一偏压产生第一电流以流通过第一负载。第二部分电路耦接在第一部分电路的输出端与参考接地端间，包括串联耦接的第二负载以及第二主动负载，第二主动负载接收流通过该第二负载的第二电流，并产生第二偏压，且第一电流与第二电流相等，第二部分电路的输出端耦接至参考接地端。其中，第二部分电路的输出端提供的检测电压与与电池芯的正负端间的电压差相同。
基于上述，本发明的电压监控装置通过设置串联耦接的第一负载、第一主动负载、第二负载以及第二主动负载，并使流通第一负载的第一电流与流通第二负载的第二电流相等，再通过第二部分电路的输出端来获得与电池芯的输出电压相同的检测电压。如此一来，本发明的电压监控装置不需要设置运算放大器而可减低电路成本，并可快速且精准获得检测电压，提升电压监控装置的效能。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的电压检测电路的示意图。
图2绘示本发明另一实施例的电压检测电路的示意图。
图3绘示本发明一实施例的电压监控装置的示意图。
图4绘示本发明另一实施例的电压监控装置的示意图。
图5绘示本发明再一实施例的电压监控装置的示意图。
附图标记说明如下：
200、310～330、410～430、520：电压检测电路
110、210：第一部分电路
120、220：第二部分电路
300、400、500：电压监控装置
510：开关电路
OE、OE1～OE4：输出端
BC1～BC4：电池芯
111、121、211、221：负载
112、122、212、222：主动负载
S1～S4、S1a～S4a：控制信号
GND：参考接地端
VM、VMn、VM1～VM4：检测电压
VB1：第一偏压
VB2：第二偏压
M1、M2、M2a～M4a、M2b～M4b、M5a、M5b：晶体管
R1、R2a～R4a、R2b～R4b、R5a、R5b：电阻
IMn：电流
VL1：电压降
VBn：输出电压
VSG1、VSG2：源极-栅极间的电压差
S1～S4、S1’～S4’、S51～S54：控制信号
LS1～LS3：电压偏移器
SW12～SW24、SW31、SW42～SW44、SW411、SW412：开关
SELE1：第一选择输出端
SELE2：第二选择输出端
具体实施方式
请参照图1，图1绘示本发明一实施例的电压检测电路的示意图。电压检测电路包括第一部分电路110以及第二部分电路120。其中，第一部分电路110耦接至电池芯BC1的正端，第二部分电路120则耦接至第一部分电路110的输出端OE1。电池芯BC1、第一部分电路110以及第二部分电路120依序串联耦接。
在另一方面，第一部分电路110包括负载111以及主动负载112。其中，电池芯BC1、负载111以及主动负载112依序串联耦接。第二部分电路120则包括负载121以及主动负载122。电池芯BC1、负载111、主动负载112、负载121以及主动负载122依序串联耦接。此外，基于控制信号S1，主动负载112可受控于第一偏压VB1以对负载111汲取一第一电流。而主动负载122则接收流通负载121的第二电流，并依据第二电流产生第二偏压VB2。在本实施例中，第一电流以及第二电流的电流值相等。
并且，在本实施例中，负载111以及121的电阻值可以相等，如此一来，负载111的两端间的跨压(电压差)与负载121的两端间的跨压可以是相同。
通过使主动负载112以及122为由晶体管架构，并具有相同的电路架构。主动负载112以及122所分别接收的第一电流以及第二电流是相同的。主动负载112通过接收的第一偏压VB1以产生第一电流。主动负载122则通过接收第二偏压VB2以产生第二电流。基于主动负载112以及122具有相同的电路架构，第一偏压VB1可以等于第二偏压VB2。如此一来，若使第二部分电路120的耦接在输出端OE1以及参考接地端GND间，第一部分电路110的输出端OE1上可提供检测电压VMn可以等于电池芯BC1正负端间的电压差。
以下请参照图2，图2绘示本发明另一实施例的电压检测电路的示意图。电压检测电路200包括第一部分电路210以及第二部分电路220。其中，第一部分电路210耦接至电池芯BC1的正端端，第二部分电路220则耦接至第一部分电路210的输出端OE1。电池芯BC1、第一部分电路210以及第二部分电路220依序串联耦接，且第二部分电路220耦接在输出端OE1以及参考接地端GND间。
在本实施例中，第一部分电路210包括负载211以及由晶体管M1所建构的主动负载212。负载211与晶体管M1依序串接在电池芯BC1以及输出端OE1间。第二部分电路220包括负载221以及由晶体管M2所建构的主动负载222。负载221与晶体管M2依序串接在输出端OE1以及参考接地端GND间。另外，晶体管M1、M2分别接收控制信号S1以及S1a，并均工作在饱和区。晶体管M1并由负载211汲取电流IMn，并使负载211提供电压降VL1。在控制信号S1由电池芯BC1的负端所提供的前提下，可以计算出电池芯BC1的输出电压VBn＝VL1+VSG1。其中，VSG1则为晶体管M1的源极-栅极间的电压差(即为第一偏压)。
此外，晶体管M2由负载221汲取电流IMn，并使负载221提供电压降VL2。因此，依据第二部分电路220所形成的回路，且基于晶体管M2的控制信号S1a等于参考接地端GND上的参考接地电压(例如0伏特)，可以计算出的输出端OE1上的电压VMn＝VL2+VSG2。在负载211以及221的电阻值相同的前提下，电压降VL2与电压降VL1相同。并且，通过使晶体管M1、M2的电气特性相同，晶体管M1的源极-栅极间的电压差VSG1(即为第二偏压)则可以与晶体管M1的源极-栅极间的电压差VSG2的电压大小相同。也因此，输出端OE1上的电压VMn与电池芯BC1的输出电压VBn的电压大小是相同的。
在本实施例中，晶体管M1以及M2可以是P型晶体管。负载211、221可以是电阻、齐纳(Zener)二极体或其他任意型态可依据电流提供固定电压降的电路元件，没有特定的限制。
以下请参照图3，图3绘示本发明一实施例的电压监控装置的示意图。电压监控装置300耦接至堆叠耦接的多个电池芯BC1～BC4。电压监控装置300包括对应电池芯BC2～BC4的多个电压检测电路310～330。其中，电压检测电路310包括串联耦接的电阻R2a、晶体管M2a、电阻R2b以及晶体管M2b；电压检测电路320包括串联耦接的电阻R3a、晶体管M3a、电阻R3b以及晶体管M3b；电压检测电路330则包括串联耦接的电阻R4a、晶体管M4a、电阻R4b以及晶体管M4b。晶体管M2a的控制端接收控制信号S2；晶体管M2b的控制端接收控制信号S2a；晶体管M3a的控制端接收控制信号S3；晶体管M3b的控制端接收控制信号S3a；晶体管M4a的控制端接收控制信号S4；晶体管M4b的控制端接收控制信号S4a，其中，控制信号S2a～S4a可为参考接地端GND上的参考接地电压。
关于电压检测电路310～330的动作细节，与前述实施例的电压检测电路200相类似，在此不重复赘述。电压检测电路310～330可分别依据电池芯BC2～BC4的正端以及负端间的电压差，来产生检测电压VM2～VM4。
值得一提的，在本发明实施例中，以电压检测电路310为范例，在当晶体管M2a的控制端(控制信号S2)连接到电池芯BC2的负端时，电池芯BC2的电压检测动作被启动时，并使检测电压VM2等于电池芯BC2正端、负端间的电压差。相对的，当控制信号S2的电压被拉高(例如将晶体管M2a的控制端连接到电池芯BC2正端)时，电池芯BC2的电压检测动作被关闭时。此外，在本实施例中，同样以电压检测电路310为范例，电压检测电路310的电压检测动作的被启动或关闭，也可通过在输出端OE2上串接一开关，并通过导通或切断这个开关来决定是产生检测电压VM2。
附带一提的，在本实施例中，电池芯BC1的负端直接耦接至参考接地端GND。因此可简单的通过以依据控制信号S1来导通开关SW1，以使电池芯BC1的正端直接输出检测电压VM1(跨接在电阻R1上)。
以下请参照图4，图4绘示本发明另一实施例的电压监控装置的示意图。电压监控装置400包括多个电压检测电路410～430以及电压偏移器(levelshift)LS1～LS3。电压检测电路410～430分别对应电池芯BC2～BC4，电压偏移器LS1～LS3则分别耦接至电压检测电路410～430。电压偏移器LS1～LS3分别接收控制信号S2～S4，并偏移控制信号S2～S4的电压值以产生偏移后控制信号S2’～S4’。电压偏移器LS1～LS3的电路架构可应用本领域具通常知识者所熟知的任一电压偏移电路来建构，没有固定的限制。
在本实施例中，电压检测电路410～430的实施细节与前述图3的电压检测电路310～330相类似，在此不多赘述。值得一提的，电压检测电路410～430另设置开关SW42～SW44。开关SW42～SW44的多个第一端分别耦接至输出端OE2～OE4，开关SW42～SW44的多个第二端并共同耦接至共同输出端OE。本实施例的电压检测电路410～430可以分时执行电压检测动作。开关SW42～SW44分别受控于控制信号S2～S4以被导通或断开。以电压检测电路410为范例，当晶体管M2a依据偏移后控制信号S2’而工作在饱和区时，开关SW42同步对应控制信号S2被导通，并在共同输出端OE上产生检测电压VM。在此同时，开关S3、S4被断开，且电压检测电路420、430被禁能。
附带一提的，叠接在最低层的电池芯BC1可通过开关SW411、SW412以及电阻R1来产生检测电压VM。当开关SW411、SW412依据控制信号S1被导通时，检测电压VM等于电池芯BC1的正、负端间的电压差。在此时，开关SW42～SW44接被断开，且电压检测电路410～430皆被禁能。
请参照图5，图5绘示本发明再一实施例的电压监控装置的示意图。电压监控装置500包括开关电路510以及电压检测电路520。开关电路510耦接至多个叠接的电池芯BC1～BC4。开关电路510选择电池芯BC2～BC4的其中之一的正端以及负端来分别连接至第一选择输出端SELE1以及第二选择输出端SELE2。其中，开关电路510包括多个开关SW12～SW14、开关SW22～SW24以及开关SW31。开关SW12～SW14的多个第一端分别耦接至电池芯BC2～BC4的多个正端，开关SW12～SW14的多个第二端共同耦接至第一选择输出端SELE1。开关SW22～SW24的多个第一端分别耦接至电池芯BC2～BC4的多个负端，开关SW22～SW24的多个第二端共同耦接至第二选择输出端SELE2。此外，开关SW12、SW22受控于控制信号S52；开关SW13、SW23受控于控制信号S53；开关SW14、SW24受控于控制信号S54。另外，开关SW31、SW32受控于控制信号S51。
在另一方面，电压检测电路520包括依序串联耦接的电阻R2a、晶体管M5a、电阻R2b以及晶体管R5b。电阻R2a、电阻R2b分别建构两个负载，晶体管M5a以及晶体管R5b则工作在饱和区以分别建构两个主动负载。值得注意的，电阻R2a耦接至第一选择输出端SELE1，晶体管M5a的控制端耦接至第二选择输出端SELE2。
在动作细节上，在选择电池芯BC2～BC4的其中之一以进行电压检测时，开关SW12～SW14的其中之一被导通(其余的被断开)。以电池芯BC4为被选中电池芯为范例，开关SW14被导通(开关SW12、SW13、SW31被断开)，相对应的，开关SW24也被导通(开关SW21～SW23被断开)。如此，电池芯BC4的正端直接耦接至第一选择输出端SELE1，电池芯BC4的负端直接耦接至第二选择输出端SELE2。电压检测电路520便可针对电池芯BC4的输出电压进行检测，并产生检测电压VM。
附带一提的，当电池芯BC1被选中以执行电压检测时，开关SW12～SW14、SW22～SW24均被断开，开关SW31被导通。此外，开关SW32也对应开关SW31的导通动作而被导通，并依据电池芯BC1的输出电压以产生检测电压VM。
在本实施例中，可使多个电池芯BC2～BC4共用一组电压检测电路520的方法，来分时执行电压监测动作。并藉以降低电路成本。
综上所述，本发明的电压检测电路提供简单的电路架构，可在不大幅增加电路成本的前提下，增加电池芯电压监测的速度以及精准度，有效提升工作效能以及产品竞争力。

Claims (9)

1.一种电压检测电路，耦接至一电池芯，包括：
一第一部分电路，耦接至该电池芯，包括串联耦接的一第一负载以及一第一主动负载，其中该第一主动负载依据一第一偏压产生一第一电流以通过该第一负载；以及
一第二部分电路，耦接在该第一部分电路的输出端与一参考接地端间，包括串联耦接的一第二负载以及一第二主动负载，该第二主动负载接收流通过该第二负载的一第二电流，并产生一第二偏压，且该第一电流与该第二电流相等，
其中该第二部分电路的输出端提供的一检测电压与该电池芯的正负端间的电压差相同；
其中该第一偏压与该第二偏压相等；该第一负载的两端间的一第一跨压与该第二负载两端间的一第二跨压相同；该第一主动负载为一第一晶体管，该第一晶体管与该第一负载串联，并受控于一第一控制信号；该第一控制信号等于该电池芯的负端电压；该第二主动负载为一第二晶体管，该第二晶体管与该第一负载、该第二负载以及该第一晶体管串联，并受控于一第二控制信号；该第二控制信号等于一参考接地电压。
2.如权利要求1所述的电压检测电路，其中该第一晶体管与该第二晶体管的导电型态相同，并皆工作在饱和区。
3.一种电压监控装置，耦接至堆叠的多个电池芯，包括：
多个电压检测电路，耦接至所述多个电池芯，各该电压检测电路包括：
一第一部分电路，耦接至该电池芯，包括串联耦接的一第一负载以及一第一主动负载，其中该第一主动负载依据一第一偏压产生一第一电流以通过该第一负载；以及
一第二部分电路，耦接在该第一部分电路的输出端与一参考接地端间，包括串联耦接的一第二负载以及一第二主动负载，该第二主动负载接收流通过该第二负载的一第二电流，并产生一第二偏压，且该第一电流与该第二电流相等，
其中该第二部分电路的输出端提供的一检测电压与相对应的电池芯正负端间的电压差相同；
其中该第一偏压与该第二偏压相等；该第一负载的两端间的一第一跨压与该第二负载两端间的一第二跨压相同；该第一主动负载为一第一晶体管，该第一晶体管与该第一负载串联，并受控于一第一控制信号；该第一控制信号等于该电池芯的负端电压；该第二主动负载为一第二晶体管，该第二晶体管与该第一负载、该第二负载以及该第一晶体管串联，并受控于一第二控制信号；该第二控制信号等于一参考接地电压。
4.如权利要求3所述的电压监控装置，其中该第一晶体管与该第二晶体管的导电型态相同，并皆工作在饱和区。
5.如权利要求4所述的电压监控装置，更包括多个电压偏移器，分别耦接至所述多个电压检测电路，
其中各该电压偏移器用以偏移该第一控制信号的电压值。
6.一种电压监控装置，耦接至堆叠的多个电池芯，包括：
一开关电路，耦接至所述多个电池芯，选择所述多个电池芯的其中之一的正端端以及负端端来分别连接至一第一选择输出端以及一第二选择输出端；以及
一电压检测电路，耦接至该开关电路的该第一选择输出端以及该第二选择输出端，该电压检测电路包括：
一第一部分电路，耦接至该电池芯，包括串联耦接的一第一负载以及一第一主动负载，其中该第一主动负载依据一第一偏压产生一第一电流以流通过该第一负载；以及
一第二部分电路，耦接在该第一部分电路的输出端与一参考接地端间，包括串联耦接的一第二负载以及一第二主动负载，该第二主动负载接收流通过该第二负载的一第二电流，并产生一第二偏压，且该第一电流与该第二电流相等，
其中该第二部分电路的输出端提供的一检测电压与相对应的电池芯的正负端间的电压差相同；
其中该第一偏压与该第二偏压相等；该第一负载的两端间的一第一跨压与该第二负载两端间的一第二跨压相同；该第一主动负载为一第一晶体管，该第一晶体管与该第一负载串联，并受控于一第一控制信号；该第一控制信号等于该电池芯的负端电压；该第二主动负载为一第二晶体管，该第二晶体管与该第一负载、该第二负载以及该第一晶体管串联，并受控于一第二控制信号；该第二控制信号等于一参考接地电压。
7.如权利要求6所述的电压监控装置，其中该第一晶体管与该第二晶体管的导电型态相同，并皆工作在饱和区。
8.如权利要求6所述的电压监控装置，其中该开关电路包括：
多个第一开关，分别具有多个第一端以分别耦接至所述多个电池芯的正端端，所述多个第一开关的第二端共同耦接至该第一选择输出端；以及
多个第二开关，分别具有多个第一端以分别耦接至所述多个电池芯的负端端，所述多个第二开关的第二端共同耦接至该第二选择输出端。
9.如权利要求8所述的电压监控装置，其中所述多个第一开关分别受控于多个选择信号，所述多个第二开关分别受控于该些选择信号。
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