一种电芯电压差分采样电路的制作方法

1.本发明涉及差分采样电路，尤其涉及一种电芯电压差分采样电路。


背景技术：

2.差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。差分放大电路的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。当外信号加到两输入端子之间，使两个输入信号vi1、vi2的大小相等、极性相反时，称为差模输入信号。当外信号加到两输入端子与地之间，使vi1、vi2大小相等、极性相同时，称为共模输入信号。
3.实际应用时通常使用集成运算放大器u1和一些外围组成常规的差分放大电路，请参见说明书附图1。由集成运算放大器u1和一些外围电阻组成的负反馈差分放大电路，可以利用“虚断”和“虚短”的概念进行分析。虚短指在理想情况下，集成运算放大器两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起(即un＝u
p
)，但事实上并没有短接称为“虚短”。虚短的必要条件是集成运算放大器引入深度负反馈。虚断指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零(即i

＝i-＝0a)。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路，称为“虚断”。
4.根据图1推导出常规的差分放大电路的输出电压vout1公式，如下：
5.根据“虚短”概念得u
p
＝un(1)；
6.集成运算放大器u1的正向输入端电压利用“电阻分压原理”得：
[0007][0008]
根据“虚断”概念和等效反馈回路得：
[0009]
i2＝if；
[0010][0011]
根据公式(1)、(2)、(3)组合推导出输出电压大小vout1得：
[0012][0013]
一般情况下，取r1＝r2，r3＝r4得：
[0014][0015]
实际应用中：电芯生产后端需要进行化成分容，即对电芯进行充放电，电芯的电压作为衡量充放电截止条件最重要的指标，其采样方式尤为重要，通常都使用四线制方式进行采样，即电芯电压和电流线电压分开采样，电芯的电压范围通常为0-4.3v，电压采样为差分采样电路，为防止电芯反接下位机能够识别出来，差分采样的电压范围通常为-5v～5v。
[0016]
常规的电芯电压采样差分放大电路如说明书附图2所示。根据“叠加原理”得
[0017][0018]
根据“电压跟随器”的特性，得：
[0019]up1
＝vout2
ꢀꢀ
(6)；
[0020]
根据公式(4)、(5)、(6)组合推导出输出电压大小vout2得：
[0021][0022]
要保证adc转换器能采样到电压，一般情况下输入到mcu芯片的值为正值。要采样到电芯电压范围为-5v～5v，必须满足的条件，才能保证采样到正值识别实际采样值的大小。
[0023]
探针电压取样与电源柜系统采样(即电压和电流线电压采样)连接示意图如附图3所示，其中，i 和i-是对电芯进行充放电的电流线，v 和v-是电芯电压的主电压采样，dv 和dv-是电流线的电压采样。在电芯实际生产测试中，因电芯电压和电流线电压采样探针会出现松动的情况造成采样偏离，特别是在负极采样探针接触不良或采样线脱落时原有常规电压差分放大采样电路的特点会导致采样值比电芯的实际电压值偏低，再进行后续充电过程中，会导致电芯过充而引起电芯鼓包爆炸，甚至起火等严重安全事故。
[0024]
具体地，电芯的负极断开正极正常接入情况分析如下：
[0025]
当电芯的负极采样探针接触不良或采样线脱落(即vi1断开)时，电芯的负极会通过电流线的负极(即i-)功率地pgnd通过0r电阻与数字地gnd连接，保证vi2点电位的输入电压还是等于电芯电压(即vi2＝电池电压，vi1＝0v)。而因vi1输入电压断开，原本集成运算放大器u1组成的常规差分放大电路变成电压跟随器(即up＝vout1)。电芯负极vi1断开时电芯采样电路如附图4所示。
[0026]
根据图4推导出电芯负极vi 1断开时电芯采样电路的输出电压vout2公式，如下：
[0027]
根据“电阻分压原理”得：
[0028]
根据“虚短”概念和“电压跟随器”的特性，得：
[0029][0030]
当电芯负极vi1断开正极vi2正常输入时，根据“叠加原理”和“电压跟随器”的特性，输出电压vout2得：
[0031][0032]
当电芯负极vi1断开正极vi2正常输入时，使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试结果如附图5所示。
[0033]
进一步地，电芯的正负极都接入正常情况分析如下：
[0034]
当电芯正负极(vi 1和vi2)都正常接入时，根据“叠加原理”和“电压跟随器”的特
性，参考图1公式的推导过程输出电压vout2得：
[0035][0036]
当电芯正负极(vi 1和vi2)都正常接入时，使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试结果如附图6所示。
[0037]
由于r1＝r2，r3＝r4，vi 1＝0，则所以vout2《vout3。即当电芯负极采样探针接触不良时采样值vout2比电芯的正负极正常接入时采样值偏低。通过multisim仿真进行模拟测试(即上图5和图6所示)，可以直观的观察当电芯负极采样线断时采样值偏低的情况。


技术实现要素：

[0038]
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种有助于快速识别电芯在化成分容时因电压采样接触不良或脱落等故障信号，进而提高设备使用安全性的电芯电压差分采样电路。
[0039]
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
[0040]
一种电芯电压差分采样电路，其包括有前端集成运算放大器、后端集成运算放大器、第一辅助基准电压输入端、第二辅助基准电压输入端、电芯正极和电芯负极，所述第一辅助基准电压输入端用于接入正电压，所述第二辅助基准电压输入端用于接入负电压，所述第一辅助基准电压输入端和所述电芯负极的电压信号均传输至所述前端集成运算放大器的反相端，所述第二辅助基准电压输入端和所述电芯正极的电压信号均传输至所述前端集成运算放大器的同相端，所述前端集成运算放大器输出端的电压信号传输至所述后端集成运算放大器的同相端，所述后端集成运算放大器的反相端与输出端相连接后组成电压跟随器电路，所述后端集成运算放大器的输出端作为所述电芯电压差分采样电路的输出端。
[0041]
优选地，所述电芯负极与所述前端集成运算放大器的反相端之间连接有第一电阻，所述电芯正极与所述前端集成运算放大器的同相端之间连接有第二电阻。
[0042]
优选地，所述第一辅助基准电压输入端与所述电芯负极之间连接有第三电阻，所述第二辅助基准电压输入端与所述电芯正极之间连接有第四电阻。
[0043]
优选地，所述前端集成运算放大器的同相端与地之间连接有第五电阻。
[0044]
优选地，所述前端集成运算放大器的反相端与输出端之间连接有第六电阻。
[0045]
优选地，所述前端集成运算放大器的输出端与所述后端集成运算放大器的同相端之间连接有第七电阻。
[0046]
优选地，包括有第八电阻，所述第八电阻的一端连接于所述后端集成运算放大器的同相端，所述第八电阻的另一端作为参考电压端并用于接入参考电压。
[0047]
本发明公开的电芯电压差分采样电路，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明采用常规差分放大电路未正常工作时输入一定的负压时达到输出负压的效果，配合软件触发电芯反接保护，把风险提前控制住，防止电芯因过充引起电芯鼓包爆炸，甚至起火等严重安全事故。相比现有技术而言，本发明可以快速识别电芯在化成分容时因电压采样接触不良或者采样线脱落等状态，有助于提前将安全隐患进行有效控制。
附图说明
[0048]
图1为常规差分放大电路图；
[0049]
图2常规的电芯电压采样差分放大电路图；
[0050]
图3为探针电压采样与电源柜系统采样的连接示意图；
[0051]
图4为常规电芯负极vi 1断开时电芯采样电路；
[0052]
图5为电芯负极vi1断开时使用multisim仿真对常规电芯电压采样电路进行模拟测试的示意图；
[0053]
图6为电芯正负极都正常接入时使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试的示意图；
[0054]
图7为本发明改进型的电芯电压采样差分放大电路图；
[0055]
图8为本发明改进型的电芯电压采样差分放大电路的电流流向示意图；
[0056]
图9为电芯正负极都正常接入时使用multisim仿真对本发明电芯电压采样电路进行模拟测试示意图；
[0057]
图10为电芯正负极都未接入或者电芯负极断开正极接入时本发明电芯电压采样电路图；
[0058]
图11为电芯正负极都未接入时使用multisim仿真对本发明电芯电压采样电路进行模拟测试示意图；
[0059]
图12为电芯正极断开负极接入时使用multisim仿真对本发明电芯电压采样电路进行模拟测试示意图；
[0060]
图13为电芯负极断开正极正常接入时电芯电压采样电路图；
[0061]
图14为电芯负极断开正极接入时使用multisim仿真对本发明电芯电压采样电路进行模拟测试示意图；
[0062]
图15为电芯负极断开正极接入时使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试示意图。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
[0064]
本发明公开了一种电芯电压差分采样电路，请参见附图7，其包括有前端集成运算放大器u1、后端集成运算放大器u2、第一辅助基准电压输入端vin1_ref、第二辅助基准电压输入端vin2_ref、电芯正极vin2和电芯负极vin1，所述第一辅助基准电压输入端vin1_ref用于接入正电压，所述第二辅助基准电压输入端vin2_ref用于接入负电压，所述第一辅助基准电压输入端vin1_ref和所述电芯负极vin1的电压信号均传输至所述前端集成运算放大器u1的反相端，所述第二辅助基准电压输入端vin2_ref和所述电芯正极vin2的电压信号均传输至所述前端集成运算放大器u1的同相端，所述前端集成运算放大器u1输出端的电压信号传输至所述后端集成运算放大器u2的同相端，所述后端集成运算放大器u2的反相端与输出端相连接后组成电压跟随器电路，所述后端集成运算放大器u2的输出端作为所述电芯电压差分采样电路的输出端。
[0065]
关于上述电路的外围电路结构，在本实施例中，所述电芯负极vin1与所述前端集成运算放大器u1的反相端之间连接有第一电阻r1，所述电芯正极vin2与所述前端集成运算
放大器u1的同相端之间连接有第二电阻r2。所述第一辅助基准电压输入端vin1_ref与所述电芯负极vin1之间连接有第三电阻r7，所述第二辅助基准电压输入端vin2_ref与所述电芯正极vin2之间连接有第四电阻r8。所述前端集成运算放大器u1的同相端与地之间连接有第五电阻r4。所述前端集成运算放大器u1的反相端与输出端之间连接有第六电阻r3。所述前端集成运算放大器u1的输出端与所述后端集成运算放大器u2的同相端之间连接有第七电阻r5。此外，本实施例还包括有第八电阻r6，所述第八电阻r6的一端连接于所述后端集成运算放大器u2的同相端，所述第八电阻r6的另一端作为参考电压端vref并用于接入参考电压。
[0066]
本发明电芯电压差分采样电路的原理请参见附图8，在本实施例中，其中，vin2和vin1两点电位之间接电芯，vin2为电芯正极，vin1为电芯负极；vin2_ref和vin1_ref是为了保证电芯未接入时，输出电压vout1为负值，一般情况下vin2_ref取负压，vin1_ref取正压。
[0067]
工作原理：当vin2和vin1之间未接电芯时，vin2_ref和vin1_ref作为差分放大电路的输入端；当vin2和vin1之间接电芯正极vi2正常负极vi 1断开(其中vi1负极断开会经过电流线的负极pgnd通过0r电阻连接到gnd保证vi2点的电位等于电芯电压大小)时，vin2和vin1_ref作为差分放大电路的输入端；当vin2和vin1之间正常接电芯时，vin2和vin1作为差分放大电路的输入端；后级集成运算放大器u2组成电压跟随器是为了保证adc转换器能够采样到正值。电芯电压采样分三种情况进行分析解释。
[0068]
基于上述原理，本发明采用常规差分放大电路未正常工作时输入一定的负压时达到输出负压的效果，配合软件触发电芯反接保护，把风险提前控制住，防止电芯因过充引起电芯鼓包爆炸，甚至起火等严重安全事故。相比现有技术而言，本发明可以快速识别电芯在化成分容时因电压采样接触不良或者采样线脱落等状态，有助于提前将安全隐患进行有效控制。
[0069]
下面针对具体的电路状态对本发明做进一步解释说明。
[0070]
1、电芯的正负极都接入的正常情况分析：
[0071]
当vin2和vin1之间正常接入电芯时，改进型的电芯电压采样差分放大电路变成跟常规的电芯电压采样电路一样，所以输出电压vout2公式如下：
[0072][0073]
当电芯vin2和vin1都正常接入时，使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试，如附图9所示。根据multisim仿真的结果可知，当电芯电压正常接入时改进型的电芯电压采样差分放大电路的输出电压跟常规的电芯电压采样差分放大电路一样。
[0074]
2、电芯正负极都未接入或者电芯负极断开正极接入时的情况分析：
[0075]
当vin2和vin1之间未接电芯(或者电芯负极正常接入正极断开)时，此时改进型的电芯电压采样电路结构变成如附图10所示，推导此时电芯采样差分放大电路结构的输出电压vout2公式，如下：
[0076]
利用“虚短”概念得u
p
＝un(1)；
[0077]
集成运算放大器u1的正向输入端电压利用“电阻分压原理”得：
[0078]
[0079]
根据“虚断”概念和等效反馈回路得：
[0080]
i2＝if；
[0081]
即
[0082]
根据公式(1)、(2)、(3)组合推导出输出电压大小vout1得：
[0083][0084]
一般情况下，取r1＝r2，r3＝r4，r7＝r8得：
[0085][0086]
根据“叠加原理”得：
[0087][0088]
根据“电压跟随器”的特性，得：u
p1
＝vout2
ꢀꢀꢀ
(6)；
[0089]
根据公式(4)、(5)、(6)组合推导出输出电压大小vout2得：
[0090][0091]
当vin2和vin1之间未接电芯(或者电芯负极正常接入正极断开)时，使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试，结果如附图11所示。
[0092]
当vin2和vin1之间接电芯负极正常接入正极断开时，使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试，如附图12所示。根据multisim仿真的结果可知，当电芯电压未接入时的输出电压跟当电芯电压负极接入正极断开时的输出电压一样。要保证输入电芯电压未接入或电芯电压负极正常接入正极断开时采样到负值，必须满足(vi2_ref-vi1_ref)＜0v条件。一般情况下，vin_ref2和vin_ref1为正负相等的电压值。
[0093]
3、电芯的负极断开正极正常接入情况分析：
[0094]
当vin2和vin1之间接入电芯电压的负极断开正极正常接入时，此时改进型的电芯电压采样电路结构变成如附图13所示。其中，电芯的主电压采样负极断开时会通过探针的电流线负极功率地pgnd通过0r电阻与数字地gnd相连接，此时vi2点的电位等于电芯电压大小。
[0095]
推导此时电芯采样差分放大电路结构的输出电压vout2公式，如下：
[0096]
根据“虚短”概念得u
p
＝unꢀꢀꢀ
(1)；
[0097]
集成运算放大器u1的正向输入端电压利用“电阻分压原理”得：
[0098][0099]
根据“虚断”概念和等效反馈回路得：
[0100]
i2＝if；
[0101]
即
[0102]
根据公式(1)、(2)、(3)组合推导出输出电压大小vout1得：
[0103][0104]
根据“叠加原理”得：
[0105][0106]
根据“电压跟随器”的特性，得：u
p1
＝vout2
ꢀꢀꢀ
(6)；
[0107]
根据公式(4)、(5)、(6)组合推导出输出电压大小vout2得：
[0108][0109]
当vin2和vin1之间电芯电压负极断开正极正常接入时，使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试，结果如附图14所示，要保证adc转换器能采样到电压，必须为正值。要采样到电芯电压范围为-5v～5v，必须满足条件，才能保证采样到正值。
[0110]
根据multisim仿真的结果可知，要保证电芯电压负极断开正极正常接入时采样到负值必须满足vout1《0v条件，电阻r7阻值的必须选择合适参数。要保证vout1《0v时，需满足条件。
[0111]
当改进型的电芯电压采样差分放大电路参数r1＝r2＝100k，r3＝r4＝27k，r7＝r8＝150k，vi2＝5v，vin1_ref＝12v时，则
[0112][0113][0114]
由于1.1778v《1.296v时，vout1为负值。可知电芯电压等于5v负极断开正极正常接入时可以采样到负值，并使用multisim仿真对电芯电压采样电路进行模拟测试，结果如附图15所示。
[0115]
根据附图14和附图15multisim仿真的结果可知，选择合适的r7参数才能保证电芯电压在任何阶段的负极或正极断开时，采样电路都会输出负压，配合软件触发电芯反接保护，把风险提前控制住，防止了电芯因过充而引起电芯鼓包爆炸，甚至起火等严重安全事故。
[0116]
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。