多個電池單元串聯的電池保護電路及系統的製作方法
2023-07-26 05:38:56 3
專利名稱：多個電池單元串聯的電池保護電路及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源管理電路，特別是涉及一種多節電池單元串聯的電池保護電路和系統。
背景技術：
鋰離子電池由於具有能量高、電池電壓高、工作溫度範圍寬、貯存壽命長等優點， 已廣泛應用於軍事和民用小型電器中，如行動電話、可攜式計算機、攝像機、照相機等，部分代替了傳統電池。但是因其物理特性，在使用過程中，鋰電池對充電電流、放電電流、電壓及溫度要求很嚴格，一旦超過將在安全上和壽命上產生嚴重後果。因此，鋰離子電池在充放電工作過程中，需要對其過充電壓、過放電壓、充電限制電流以及放電限制電流等關鍵參數進行監測和控制，以防止電池過度損耗同時保證使用中的安全。目前單體鋰電池的保護電路已經很成熟，但對於多節串聯的鋰電池組來說，組建與其匹配的保護電路有一定的難度。對於其他類型的需要精確保護的電池也需要設置保護電路進行保護。圖1示出了一種現有的多節電池單元串聯的電池保護系統100的電路示意圖。請參考圖1所示，所述電池保護系統100包括串聯的四節電池單元B1、B2、B3和B4、電池保護電路110和連接於電池單元Bl的負極和負極輸出端U-之間的開關組合電路120。所述電池保護電路110包括分別連接在對應電池單元正負極兩端的四個保護單元111和檢測電路 112。所述保護單元111檢測對應的電池單元是否異常，比如過充電或過放電等均為異常， 其餘為正常或非異常，並輸出表示對應的電池單元是否異常的信號。所述檢測電路112檢測各個保護單元111輸出的信號中是否有異常信號，如果有異常信號則控制所述開關組合電路120切斷充電或放電迴路以保護串聯的電池單元不受到破壞。雖然各個保護單元111的輸出均為表示是否異常的信號，比如高電平表示異常、 低電平表示正常，但是各個保護單元111輸出的信號的電位是不同的，比如保護單元1輸出的高電平和保護單元2輸出的高電平的電位是不同的，保護單元3輸出的低電平和保護單元4輸出的低電平的電位是不同的。此外，隨著串聯電池的增多，所述檢測電路112的設計會越來越複雜，而且其需要耐受的電壓也會越來越高。因此，現有的多節電池單元串聯的電池保護電路一般都只能針對4-6節串聯電池進行保護。因此，有必要提出一種改進的技術方案來解決上述問題。
發明內容本發明的目的之一在於提供一種電池保護電路，其可以實現多節電池單元串聯的保護。本發明的目的之二在於提供一種電池保護系統，其可以實現多節電池單元串聯的保護。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，本發明提出一種多節電池單元串聯的電池保護電路，其包括多個保護單元，每個保護單元對應一個電池單元，所述保護單元對對應的電池單元進行檢測以輸出表示該對應的電池單元是否異常的第一信號；多個傳遞單元，每個傳遞單元對應於一個保護單元並對應該保護單元對應的電池單元，所述傳遞單元接收對應的保護單元輸出的第一信號和上一級傳遞單元輸出的第二信號，並在接收的第一信號和第二信號中只要有一個為異常時輸出表示異常的第二信號。進一步的，末級傳遞單元對應的電池單元為串聯的電池單元中具有最高電位的電池單元或具有最低電位的電池單元。更進一步的，一個傳遞單元對應的電池單元位於上一級傳遞單元對應的電池單元和下一級傳遞單元對應的電池單元之間並與它們相鄰。進一步的，所述傳遞單元輸出的第二信號的參考電位為其對應的電池單元的電位，所述保護單元輸出的第一信號的參考電位為其對應的電池單元的電位，所述傳遞單元包括具有一個輸入端和一個輸出端的轉換電路和具有兩個輸入端和一個輸出端的邏輯電路，所述轉換電路的輸入端接收所述上一級傳遞單元輸出的第二信號，並將所述上一級傳遞單元輸出的第二信號的參考電位由上一級傳遞單元對應的電池單元的電位轉換為其所屬的傳遞單元對應的電池單元的電位，並將參考電位轉換之後的第二信號傳遞給所述邏輯電路的一個輸入端，所述邏輯電路的另一個輸入端接收對應的保護電路輸出的第一信號， 其輸出端用作所述傳遞單元的輸出端，在其接收的第一信號和第二信號中有一個為異常時，則輸出異常的第二信號。更進一步的，所述保護單元由其對應的電池單元供電，所述邏輯單元由其所屬的傳遞單元對應的電池單元供電，所述轉換電路由其所屬的傳遞單元對應的電池單元和上一級的傳遞單元對應的電池單元供電。再進一步的，所述轉換電路包括串聯在其所屬的傳遞單元對應的電池單元的負極或正極和上一級的傳遞單元對應的電池單元的正極或負極之間的電流源和開關電路以及由其所屬的傳遞單元對應的電池單元供電的反相器，所述開關電路的控制端用作所述轉換電路的輸入端，所述反相器的輸入端接所述電流源和所述開關電路的中間節點，所述反相器的輸出端用作所述轉換電路的輸出端。再進一步的，所述開關電路為NMOS電晶體或PMOS電晶體。再進一步的，所述開關電路在其接收的第二信號為無異常時，其處於導通狀態，在其接收到的第二信號為有異常時，其處於截至狀態。根據本發明的另一個方面，本發明提出一種電池保護電路系統，其包括多節串聯的電池單元；多個保護單元，每個保護單元對應一個電池單元，所述保護單元對對應的電池單元進行檢測以輸出表示該對應的電池單元是否異常的第一信號；多個傳遞單元，每個傳遞單元對應於一個保護單元並對應該保護單元對應的電池單元，所述傳遞單元接收對應的保護單元輸出的第一信號和上一級傳遞單元輸出的第二信號，並在接收的第一信號和第二信號中只要有一個為異常時輸出表示異常的第二信號。再進一步的，所述電池保護電路系統還包括開關組合電路，其在末級傳遞單元輸出的第二信號為異常時切斷充電或放電迴路。與現有技術相比，本發明提出的電池保護電路，通過對每一節電池單元進行檢測以確定該節電池單元是否異常，當任一節電池單元出現異常時則將該異常信號向上或向下傳遞，這樣可以實現對多節串聯的電池單元進行保護。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。其中圖1為現有技術中多節電池單元串聯的電池保護電路系統的示意圖；圖2為本發明中多節電池單元串聯的電池保護電路系統在一個實施例中的電路示意圖；圖3為圖2中的傳遞單元在一個實施例中的電路示意圖；圖4為本發明中多節電池單元串聯的電池保護電路系統在另一個實施例中的電路示意圖；和圖5為圖4中的傳遞單元在一個實施例中的電路示意圖。
具體實施方式本發明的詳細描述主要通過程序、步驟、邏輯塊、過程或其他象徵性的描述來直接或間接地模擬本發明技術方案的運作。為透徹的理解本發明，在接下來的描述中陳述了很多特定細節。而在沒有這些特定細節時，本發明則可能仍可實現。所屬領域內的技術人員使用此處的這些描述和陳述向所屬領域內的其他技術人員有效的介紹他們的工作本質。換句話說，為避免混淆本發明的目的，由於熟知的方法和程序已經容易理解，因此它們並未被詳細描述。此處所稱的「一個實施例」或「實施例」是指可包含於本發明至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。此外，表示一個或多個實施例的方法、流程圖或功能框圖中的模塊順序並非固定的指代任何特定順序，也不構成對本發明的限制。本文中η可以為大於2的自然數，多個表示兩個或兩個以上。文中的連接、相接等詞均可以理解為間接或直接的連接。圖2為本發明中多節電池單元串聯的電池保護電路系統200在一個實施例中的電路示意圖。所述電池保護電路系統200包括η個串聯的電池單元Β1、Β2、……、Βη，對η個電池單元進行保護的電池保護電路210和連接於電池單元Bl的負極和負極輸出端U-之間的開關組合電路220。所述電池保護電路210在檢測到η個電池單元中任何一個出現異常時則控制所述開關組合電路220切斷充電或放電迴路以保護串聯的電池單元不受到破壞。請參考圖2所示，所述電池保護電路210包括η個保護單元(或稱保護電路)211、η-1個傳遞單元212和控制電路213。η個保護單元211分別為保護單元1、保護單元2、……、保護單元η_1和保護單元n，n-1個傳遞單元212分別為傳遞單元2、……、傳遞單元n_l和傳遞單元n，其中保護單元η對應於電池單元to，傳遞單元η對應於保護單元η和電池單元&1。每個保護單元211對對應的電池單元進行檢測以輸出表示該對應的電池單元是否異常的第一信號，所述異常可以是過充電或過放電。所述傳遞單元212接收對應的保護單元211輸出的第一信號和上一級傳遞單元212輸出的第二信號，並輸出表示是否有異常的第二信號，其中所述傳遞單元212在接收的第一信號和第二信號中只要有一個為異常時，則輸出異常的第二信號。一個傳遞單元212輸出的第二信號可以表示該傳遞單元對應的電池單元以及前面串聯的電池單元是否有異常，比如傳遞單元n-1輸出的第二信號為異常則表示電池單元Bl至&1-1中至少有一個電池單元異常。在本實施例中，第二信號由對應低電位的電池單元的信號傳遞單元向對應高電位的電池單元的信號傳遞單元進行傳遞，因此末級傳遞單元212對應的電池單元為串聯的電池單元中具有最高電位的電池單元，比如傳遞單元η為末級傳遞單元，電池單元為具有最高電位的電池單元，此種信號的傳遞方式可以被簡單的稱謂向上傳遞。一個傳遞單元212 的上一級傳遞單元為輸出給該傳遞單元第二信號的傳遞單元，一個傳遞單元的下一級傳遞單元為接收該傳遞單元輸出的第二信號的傳遞單元，比如傳遞單元n-1的下一級傳遞單元為傳遞單元n，傳遞單元n-1的上一級傳遞單元為傳遞單元n-2。很顯然，一個傳遞單元對應的電池單元位於上一級傳遞單元對應的電池單元和下一級傳遞單元對應的電池單元之間並與它們相鄰。需要說明的是，在本實施例中，對於初級傳遞單元2其接收的上一傳遞單元輸出的第二信號實質上就是保護電路1輸出的第一信號。由於電池單元Bl下面沒有了串聯的電池單元了，因此保護電路1輸出的第一信號是否異常本身就表示電池單元Bl以及之前的電池單元(無)是否有異常，即和第二信號表示的含義相同。因此，這裡的第一節電池單元對應的保護電路輸出的第一信號可以被認為是第二節電池單元對應的傳遞單元2收到的上一級傳遞單元輸出的第二信號。在另一個實施例中，可以在保護電路1和傳遞單元2之間還可以設置一個傳遞單元1，該傳遞單元1接收保護電路1輸出的第一信號和恆為非異常的第二信號(由於電池單元Bl下無串聯的電池單元)，輸出表示是否有異常的第二信號給傳遞單元2。這樣，任何一節電池單元出現異常均會通過其對應的傳遞單元向上傳遞，並最終導致末級傳遞單元η輸出的第二信號表現為異常，僅通過末級傳遞單元η輸出的第二信號直接就能判斷出是否有電池單元出現異常。在有電池單元出現異常時，則通過控制電路213 控制所述開關組合電路220切斷充電或放電迴路以保護串聯的電池單元不受到破壞。隨著電池單元串聯節數的增加，電路只需要增加相應的傳遞單元212即可，因此可以較為輕鬆的實現對多節電池單元進行保護，並且串聯的電池單元的節數可以達到十幾個，甚至幾十。圖3為圖2中的傳遞單元η在一個實施例300中的電路示意圖，其餘傳遞單元也可以參用傳遞單元300這樣的電路結構。所述傳遞單元300包括具有一個輸入端和一個輸出端的轉換電路310和具有兩個輸入端和一個輸出端的邏輯電路320。結合參考圖2和3 所示，每個保護單元211由其對應的電池單元供電，比如保護單元2由其對應的電池單元Β2 提供電源。所述邏輯單元320由其所屬的傳遞單元對應的電池單元供電，比如傳遞單元η 的邏輯單元320由其對應的電池單元提供電源，具體的，邏輯單元320的一端接電池單元的正極&!+，另一端接電池單元的負極&!-。所述轉換電路310由其所屬的傳遞單元對應的電池單元和上一級的傳遞單元對應的電池單元供電，比如傳遞單元η的轉換電路由其對應的電池單元和上一級的傳遞單元對應的電池單元&ι-1共同提供電源，具體的， 轉換電路的電源的一端接電池單元的正極&!+，另一端接電池單元&1-1的負極&1-1-。
所述邏輯單元320的輸出端作為其所屬傳遞單元的輸出端輸出第二信號。這樣， 所述邏輯單元320輸出的第二信號的參考電位為其對應的電池單元的電位，比如傳遞單元 η的邏輯單元輸出的第二信號的電位在電池單元&!的正負極電位之間，即所述邏輯單元 320以電池單元&!的正負極電位為參考電位來生成所述第二信號，具體的，第二信號的高電平可以為電池單元的正極電位，第二信號的低電平可以為電池單元的負極電位。所述保護單元211輸出的第一信號的參考電位為其對應的電池單元的電位，比如保護單元η 輸出的第一信號的高電平可以為電池單元的正極電位，低電平可以為電池單元&!的負極電位。所述轉換電路310的輸入端302接收所述上一級傳遞單元輸出的第二信號，並將所述上一級傳遞單元輸出的第二信號的參考電位由上一級傳遞單元對應的電池單元的電位轉換為其所屬的傳遞單元對應的電池單元的電位，並將參考電位轉換之後的第二信號傳遞給所述邏輯電路320的一個輸入端。舉例來說，傳遞單元η中的轉換電路310將其接收到的以電池單元&1-1為參考電位的第二信號轉換成以電池單元&1為參考電位的第二信號。 所述邏輯電路320的另一個輸入端301接收對應的保護單元輸出的第一信號，並根據參考電位相同的第一信號和第二信號進行邏輯判斷，在第一信號和第二信號中只要有一個為異常時，所述邏輯電路320通過輸出端303輸出異常的第二信號。這樣，由於傳遞單元300接於相鄰的兩節電池單元之間，因此傳遞單元300的耐壓要求也會比較低，而且隨著電池單元串聯的個數的增加，也不需要增加各個傳遞單元的耐壓能力。請繼續參考圖3所示，所述轉換電路310包括串聯在其所屬的傳遞單元對應的電池單元的正極(比如&!+)和上一級的傳遞單元對應的電池單元的負極(比如&1-1-)之間的電流源Is和開關電路311以及由其所屬的傳遞單元對應的電池單元供電的反相器INV， 所述開關電路311的控制端用作所述轉換電路310的輸入端302，所述反相器INV的輸入端接所述電流源Is和所述開關電路311的中間節點，所述反相器INV的輸出端用作所述轉換電路310的輸出端。圖中，電流源Is的一連接端接&!+，開關電路的一連接端接&1-1-。 所述開關電路311可以為開關電晶體，比如NMOS (N-type Metal Oxide kmiconductor)或 PMOS(P-type Metal Oxide Semiconductor)電晶體，電晶體的柵極為所述開關電路311的控制端。在一個優選的實施例中，所述開關電路311在其接收的第二信號為無異常時，其處於導通狀態，在其接收到的第二信號為有異常時，其處於截至狀態。這樣由於電池保護電路210的其他電路的異常也會啟動電池保護，比如開關電路311由於本身的原因壞掉了，同樣也會將異常信號報告上去，這樣使得電池保護更加安全。在一個具體的實施例中，結合參考圖2和3所示，假如所述開關電路311為NMOS電晶體，第一信號低電平時為異常，第二信號低電平為異常，如果各個電池單元均正常，則各個保護電路均輸出高電平，傳遞單元2中的NMOS電晶體導通使得轉換電路輸出高電平，邏輯電路也就會輸出高電平，接下來傳遞單元3、4直至η都會輸出高電平，這表明沒有電池單元出現異常。假如電池單元1出現了異常，保護電路1輸出低電平，傳遞單元2中NMOS電晶體截止使得轉換電路輸出低電平，邏輯電路也就會輸出低電平，接下來傳遞單元3、4直至η 都會輸出低電平，這表明有電池單元出現了異常。其餘電池單元出現異常，也會致使其對應
8的傳遞單元以及下級傳遞單元輸出低電平。這樣就實現了異常信號的向上傳遞。
圖4為本發明中多節電池單元串聯的電池保護電路系統400在一個實施例中的電路示意圖。所述電池保護電路系統400包括η個串聯的電池單元B1、B2、……、Bn，對η個電池單元進行保護的電池保護電路410和連接於電池單元Bl的負極和負極輸出端U-之間的開關組合電路420。所述電池保護電路410包括η個保護單元(或稱保護電路)411、η-1 個傳遞單元412和控制電路413。圖4中的電池保護電路系統400與圖2中的電池保護電路系統200的不同之處在於1)圖4中的末級傳遞單元η對應的電池單元為串聯的電池單元中具有最低電位的電池單元，此種信號的傳遞方式可以被簡單的稱謂向下傳遞；2)圖 4中的最高電位的電池單元為Bi，最低電位的電池單元為Βη。關於保護單元411、傳遞單元 412和控制電路413的工作原理與圖2中所示實施例中的相應模塊的工作原理相同，具體可參閱對應部分。圖5為圖4中的傳遞單元η在一個實施例500中的電路示意圖，其餘傳遞單元也可以參用傳遞單元500這樣的電路結構。所述傳遞單元500包括具有一個輸入端和一個輸出端的轉換電路510和具有兩個輸入端和一個輸出端的邏輯電路520。圖5中的傳遞單元 η與圖3中的傳遞單元η的不同之處在於1)圖5中的轉換電路510的電流源Is和開關電路串聯在其所屬的傳遞單元對應的電池單元的負極和上一級的傳遞單元對應的電池單元的正極之間；2)圖5中的高電位的電池單元為&1-1，低電位的電池單元為Βη。關於轉換電路510和邏輯電路520的工作原理與圖3中所示實施例中的相應模塊的工作原理相同，具體可參閱對應部分。同樣的，在另一個實施例中，也可以在保護電路1和傳遞單元2之間還可以設置一個傳遞單元1，該傳遞單元1接收保護電路1輸出的第一信號和恆為非異常的第二信號(由於電池單元Bl上無串聯的電池單元)，輸出表示是否有異常的第二信號給傳遞單元2。在一個具體的實施例中，結合參考圖4和5所示，假如開關電路為PMOS電晶體，第一信號高電平時為異常，第二信號高電平為異常，如果各個電池單元均正常，則各個保護電路均輸出低電平，傳遞單元2中的轉換電路輸出低電平，邏輯電路也就會輸出低電平，這樣傳遞單元3、4直至η都會輸出低電平，這表明沒有電池單元出現異常。假如電池單元1出現了異常，保護電路1輸出高電平，傳遞單元2中的轉換電路輸出高電平，邏輯電路也就會輸出高電平，這樣傳遞單元3、4直至η都會輸出高電平，這表明有電池單元出現了異常。其餘電池單元出現異常，也會致使其對應的傳遞單元以及下級傳遞單元輸出高電平，這樣就實現了異常信號的向下傳遞。在一個實施例中，也可以將圖2所示的向上傳遞方案和圖4所示的向下傳遞方案應用到同一個應用中，這樣可以對串聯的電池組實現更為安全的保護。上述說明已經充分揭露了本發明的具體實施方式
。需要指出的是，熟悉該領域的技術人員對本發明的具體實施方式
所做的任何改動均不脫離本發明的權利要求書的範圍。 相應地，本發明的權利要求的範圍也並不僅僅局限於前述具體實施方式
。
權利要求
1.一種多節電池單元串聯的電池保護電路，其特徵在於，其包括多個保護單元，每個保護單元對應一個電池單元，所述保護單元對對應的電池單元進行檢測以輸出表示該對應的電池單元是否異常的第一信號；多個傳遞單元，每個傳遞單元對應於一個保護單元並對應該保護單元對應的電池單元，所述傳遞單元接收對應的保護單元輸出的第一信號和上一級傳遞單元輸出的第二信號，並在接收的第一信號和第二信號中只要有一個為異常時輸出表示異常的第二信號。
2.根據權利要求1所述的電池保護電路，其特徵在於末級傳遞單元對應的電池單元為串聯的電池單元中具有最高電位的電池單元或具有最低電位的電池單元。
3.根據權利要求2所述的電池保護電路，其特徵在於一個傳遞單元對應的電池單元位於上一級傳遞單元對應的電池單元和下一級傳遞單元對應的電池單元之間並與它們相鄰。
4.根據權利要求1-3任一所述的電池保護電路，其特徵在於所述傳遞單元輸出的第二信號的參考電位為其對應的電池單元的電位，所述保護單元輸出的第一信號的參考電位為其對應的電池單元的電位，所述傳遞單元包括具有一個輸入端和一個輸出端的轉換電路和具有兩個輸入端和一個輸出端的邏輯電路，所述轉換電路的輸入端接收所述上一級傳遞單元輸出的第二信號，並將所述上一級傳遞單元輸出的第二信號的參考電位由上一級傳遞單元對應的電池單元的電位轉換為其所屬的傳遞單元對應的電池單元的電位，並將參考電位轉換之後的第二信號傳遞給所述邏輯電路的一個輸入端，所述邏輯電路的另一個輸入端接收對應的保護電路輸出的第一信號，其輸出端用作所述傳遞單元的輸出端，在其接收的第一信號和第二信號中有一個為異常時，則輸出異常的第二信號。
5.根據權利要求4所述的電池保護電路，其特徵在於所述保護單元由其對應的電池單元供電，所述邏輯單元由其所屬的傳遞單元對應的電池單元供電，所述轉換電路由其所屬的傳遞單元對應的電池單元和上一級的傳遞單元對應的電池單元供電。
6.根據權利要求5所述的電池保護電路，其特徵在於所述轉換電路包括串聯在其所屬的傳遞單元對應的電池單元的負極或正極和上一級的傳遞單元對應的電池單元的正極或負極之間的電流源和開關電路以及由其所屬的傳遞單元對應的電池單元供電的反相器， 所述開關電路的控制端用作所述轉換電路的輸入端，所述反相器的輸入端接所述電流源和所述開關電路的中間節點，所述反相器的輸出端用作所述轉換電路的輸出端。
7.根據權利要求6所述的電池保護電路，其特徵在於所述開關電路為NMOS電晶體或 PMOS電晶體。
8.根據權利要求6所述的電池保護電路，其特徵在於所述開關電路在其接收的第二信號為無異常時，其處於導通狀態，在其接收到的第二信號為有異常時，其處於截至狀態。
9.一種電池保護電路系統，其特徵在於，其包括多節串聯的電池單元；如權利要求1-8任一所述電池保護電路。
10.根據權利要求9所述的電池保護電路系統，其特徵在於，其還包括開關組合電路，其在末級傳遞單元輸出的第二信號為異常時切斷充電或放電迴路。
全文摘要
本發明提供一種多節電池單元串聯的電池保護電路，其包括多個保護單元，每個保護單元對應一個電池單元，所述保護單元對對應的電池單元進行檢測以輸出表示該對應的電池單元是否異常的第一信號；多個傳遞單元，每個傳遞單元對應於一個保護單元並對應該保護單元對應的電池單元，所述傳遞單元接收對應的保護單元輸出的第一信號和上一級傳遞單元輸出的第二信號，並在接收的第一信號和第二信號中只要有一個為異常時輸出表示異常的第二信號。這樣，通過對每一節電池單元進行檢測以確定該節電池單元是否異常，當任一節電池單元出現異常時則將該異常信號向上或向下傳遞，這樣可以實現對多節串聯的電池單元進行保護。
文檔編號H02H7/18GK102290794SQ201110247918
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年8月26日
發明者李嘉文, 李嘉穗 申請人:無錫聖萊科技有限公司