[發明專利]基于壓控延時鏈的時域逐次逼近數字智能電池電流檢測電路及實現方法

無效

• 申請號: 201210131092.8
• 申請日: 2012-04-28
• 公開（公告）號: CN102636690A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 王永生;喻明艷;宗士新
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01R19/257
• 分類號: G01R19/257
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明屬于電流檢測電路領域，涉及一種應用于微控制器方式的智能電池及電池組保護和計量的智能控制電路中的電流檢測電路。

背景技術

近幾年來，便攜式電子產品的迅猛發展促進了電池技術的更新換代，鎳鉻電池、鎳氫電池以及普通一次性電池在重量、體積、能量比及可循環充放電利用上已經不能滿足日益進步的現代便攜設備的供電要求。尤其是最近，以攜帶電話為代表的電子產品小型輕量化和以筆記本電腦所用的智能電池為代表的可充電電池的高性能化對電池提出了更高的要求。

可充電式電池是可重復使用的電池，其中鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電壓電池、自放電率低、環保無污染等優點，成為了便攜式產品的主要電源，尤其在筆記本電腦供電方面，其優異的高能量優勢得到了充分的體現。但是由于能量密度高及特有的化學特性，鋰離子電池的安全性和穩定性方面也存在隱患，如過充和過高溫可能會燃燒甚至導致爆炸，過放電可能造成電池本身的損壞，或者在不正常的情況下突然斷電對電池造成影響或損壞。所以，在智能電池系統中對充放電電流進行實時的檢測非常重要。因此充放電電流檢測是智能電池管理系統中的不可或缺的關鍵組成部分。

圖1顯示了一種采用微控制器(MCU)的電池組充電保護及計量智能控制電路的基本框架。電池保護及計量智能控制電路連接到電池/電池組上。通常電池智能控制系統通常包含：模擬前端(AFE)采集電池電壓、為微控制器提供電源電壓并接收微控制器的開關的控制命令；MOSFET開關在AFE的控制下完成充放電的控制；微控制器完成電池的智能控制和管理，其中在微控制器中包括電池電流檢測電路。微控制器通過電流檢測電路對電池的充、放電電流進行檢測，測得的電流通過數據總線傳輸到微控制器中的CPU。CPU根據一定算法，進行電量的增減，實現實時檢測。

目前電流檢測電路主要有三種方式：第一種方式如圖2所示，串聯在回路中的敏感電阻將充放電電流轉化成電壓信號，然后經前置放大模塊電平移位并放大，通過模數轉換器(ADC)轉換為相應的數字量，再通過數據總線傳輸到CPU進行計算。智能電池組的充放電電流的變化范圍可能從幾個毫安到幾十個安培，其動態范圍將超過104，這將要求高動態范圍的模數轉換器。同時為了減小電池組的內阻并降低功耗，通常選取的電阻值在毫歐量級。然而當充、放電電流在毫安量級時，轉換成的電壓信號在幾個微伏量級，這樣就需要高精度的ADC來進行電壓的轉換。而且電池檢測要求實時檢測，需要一定的轉換速度要求。這樣模數轉換器的速度、精度和動態范圍都需要折中考慮，這樣大大地增加了電路的實現難度，硬件的復雜性和實現成本。第二種傳統檢測電路如圖3所示，它的工作方式采用電流積分方式。充放電電流通過敏感電阻轉換為電壓值，在控制電路的控制下，通過積分器對轉換的電壓進行積分并與一個電平閾值進行比較，然后通過一個控制計數器計數得到數字信號，在每一次積分結束時，將結果存入結果寄存器中，而后通過數據總線傳輸到CPU。實際上積分的方法是對輸入信號積分后取檢測電流平均值，這樣使模擬輸入的噪聲和交流干擾大大減小。此方法在電池電量的基本值上補償了電池溫度、放電電流、以及電池自放電、電池老化的影響，從而得到相對精確的電池可輸出電量值，而且具有較小的硬件規模。但其精度受積分常數RC的精度和穩定性的影響，同時由于采用計數器完成對積分值的轉換，造成此檢測電路工作速度很低。第三種檢測電路如圖4所示，充放電電流通過敏感電阻轉換為電壓值，斜坡信號發生器的輸出和敏感電阻兩端的電壓連接到充放電比較器的輸入，充放電比較器的輸出連接時間數字轉換器(TDC)轉換成數字信號存入結果寄存器中，也連接到充放電標志判決電路形成充放電標志，也保存到結果寄存器中，兩部分結果交給MCU中的中央處理單元(CPU)進行分析及電池的控制。實質上此方法就是通過斜波信號發生器和比較器把測得的電壓轉換成時間信號，即實現電壓時間轉換，再通過時間數字轉換器轉換成數字輸出。如圖4中虛線所示，此方法實現方式新穎，而且時間數字轉換器可以用數字工藝實現，具有較小的硬件規模。但所測電壓是經過了兩級的轉換，即電壓時間轉換和時間數字轉換，其精度和速度都受到斜波信號發生器和比較器組成的電壓時間轉換和時間數字轉換的測量速度和測量精度的限制，而且也無法實現全數字化實現。

發明內容

本發明是為了解決現有的智能電池和電池組的檢測電路速度低和工藝實現難度大的問題，提出的基于壓控延時鏈的時域逐次逼近數字智能電池電流檢測電路及實現方法。