[发明专利]测量和控制电压差的电路

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及如何管理一组数个串连源组成的电源。这些源串联起来，以便能够提供比单个基本源能够提供的电压高得多的电压。

[0002]本发明的典型应用涉及如何管理电动车辆或混合动力车辆(与电动机和引擎有关的车辆)的电池。

背景技术

[0003]对于这种非常高能耗的应用，需要存储容量大，同时尺寸小，重量轻的电池，例如锂离子电池。这些电池提供的电压只有几伏特，但是人们希望使用工作在数十伏，甚至几百伏的电动机。这就是为什么将数十个基本电池串联起来，例如随着充电状态不同，电压从2.2到5伏变化的60个电池。60个电池能够提供130到300伏的电压。

[0004]这些电池非常脆弱，它们的寿命取决于它们的使用状况。需要让它们工作在清楚地确定的电压范围内，不能太高，也不能太低。还需要让它们按照同样的方式工作和老化。如果做不到这些，最先老化的电池会导致故障，甚至整个电池组损坏。此外，为了降低爆炸风险，有必要防止这些电池过度充电。所有这些都要求严格控制串联电池组中每个基本电池的电压，还可能要求能够对过度充电的电池进行单独放电。

[0005]单个电压的控制必须非常精确。通常电压测量精度必须达到几个毫伏。这一控制通常是在电池管理电子电路的基础之上进行的。这些电路的功能首先是分别测量每个电池的电压，然后对绝对电压(因为爆炸风险)或者相对于其它电池的相对电压(避免各个电池的老化程度不同)有可能太高的所有电池进行放电。

[0006]但是，分别控制串联的数个电池非常困难，主要是因为用于这种控制的集成电路不适合于工作在数十伏。现在，不仅有必要能够控制接近串联电池组低电位的那些电池，还有必要能够控制在中间电位，以及接近高电位的那些电池。低电位和高电位之间的间隔可能达到几百伏。即使将60个电池的一组分成12个电池一组的5个模块，通过给每个模块提供一个集成控制电路，这个集成控制电路与其它控制电路绝缘，高电压问题(例如60伏)仍然非常严重，因为很难以几个毫伏的精度测量共模电压(common-mode voltage)在0和60伏之间变化，有几伏的电压差(differentialvoltage)。即使是优良的共模抑制也会存在几个毫伏的测量误差。另外，无法用支持这些电压的晶体管来制作仪器放大器，因为这些晶体管是特殊元件(所谓的“漂移mos”晶体管)，它们不适合于制作精细测量电路。制作这些电路的困难对于制作放电控制电路也存在：如果有人希望控制电池以恒定电流放电，就需要这样的电子电路，它能够工作于互相之间很不相同的共模电压。最后，同样由于存在高电压，即使将这组电池分成12个电池一组的五个模块，这五个模块仍然需要全局管理电路，这个全局管理电路还必须与每个模块的单个控制电路通信，因此关系到互相之间很不相同的工作电压。

[0007]解决可变共模电压这个问题的一条途径是，在将电压差施加到多路复用器和模数转换器之前，针对各个电池中的每一个，在要测量的电池的端子和公共地之间使用分压桥，将共模电压减小到几伏的程度。于是前两个那些电路元件可以形成标准技术中的低电压因此相对便宜的集成电路的一部分。但是，最终的准确度非常差，因为分压桥只会带来附加的误差，原因是它们必然的不准确性，特别是分压比，测量误差按照分压比放大。另外，分压桥的电流消耗是连续的，在电动车辆应用中，这是不可接受的。此外，对于不同的电池，这种消耗不同，这也是不可接受的。于是，需要额外电路来减少给分压桥的电源，这会使得整个方案更加复杂。

发明内容

[0008]为了克服这些缺点，本发明提出一种电子电路，用于控制串联的一组k*N个电池，k是大于或等于1的整数，N是大于1的整数；包括k个集成控制电路微片，每个都与串联的N个电池构成的一个子组相联系，其特征在于：

[0009]-每个控制微片包括连接到这组N个电池最末端端子的基片，以及所述基片中形成的控制电路；

[00010]-每个微片包括N个电压测量和放电控制单元(cell)，每个单元由相应的电池供电，并提供该电池的数字电压测量结果，每个单元都能够从所述控制电路接收命令对该电池进行部分放电的控制命令，并在收到这个命令时建立与该电池并联的电流放电路径；

[00011]-除了可以选择地N个电池构成的这个子组的第一个单元以外，每个单元都在相应的阱中制作，该阱与微片的基片绝缘，并且与对应于其它单元的阱绝缘，这个阱和与该单元有关的电池端子之一保持相同电位；