CN101488671B - 一种多节串联锂离子电池包的管理模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多节串联锂离子电池包的管理模块，包括与锂离子电池一一对应的多个子管理芯片和一个控制子管理芯片及控制充放电的母管理芯片。每个子管理芯片包括下传多个并行数字信号的下传模块和上传多个并行数字信号的上传模块，并行数字信号在多个子管理芯片间依次传递；母管理芯片的上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传模块连接，母管理芯片的下传接口与信号下行传递路径的最后一个子管理芯片的下传模块连接。本发明的管理模块由便宜的5V单阱标准工艺实现，通过标准CMOS工艺即可制作能保护几十伏的锂离子电池包的管理系统，从而大大降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种多节串联锂离子电池包，具体地说是一种多节串联锂离子电池包的管理模块。
背景技术
近年来，随着便携式应用的越来越广泛，各种便携式电子产品也不断问世，这些都促进了电池技术的更新换代。在各种可充电电池中，锂离子电池由于其具有高电压、无记忆效应、高能量密度、低自放电率、无污染等一系列卓越性能，迅速成为市场中的主流电池产品。虽然锂离子电池具有上述诸多优点，但它必须防止过充电、过放电和短路。过充电、过放电或短路状态，都能因电解液分解而导致特性恶化，可能使电池起火甚至爆炸。因此在实际应用中，锂离子电池必须要配合专用的管理保护芯片方能使用。
现有的锂离子电池包管理芯片是对多节锂离子的充放电共同进行管理，由于锂离子电池包整体电压高至几十伏，因此现有的锂离子电池包管理芯片都是用昂贵的高压工艺实现，制作成本较高。
发明内容
本发明提供一种多节串联锂离子电池包的管理模块，通过标准CMOS工艺即可制作能保护几十伏的锂离子电池包的管理系统，从而大大降低了制造成本。
本发明的多节串联锂离子电池包的管理模块，包括与锂离子电池一一对应的多个子管理芯片和一个控制子管理芯片及控制充放电的母管理芯片。每个子管理芯片包括下传多个并行数字信号的下传模块和上传多个并行数字信号的上传模块，并行数字信号在多个子管理芯片间依次传递；母管理芯片的上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传模块连接，母管理芯片的下传接口与信号下行传递路径的最后一个子管理芯片的下传模块连接。
作为上述技术方案的进一步改进，每个子管理芯片还包括一个均流模块，均流模块设有用于衡量所在锂电池电压的多个基准电压，各个基准电压通过选择开关发送到比较器的一输入端，比较器的另一输入端接收锂电池电压，将锂电池电压与基准电压依次比较后输出；RS触发器接收比较器的输出信号与母管理芯片的清旁路信号，向所在锂电池的旁路开关发送控制信号，同时通过下传模块发送该锂电池电压达到基准电压的状态信号。
上述的基准电压有Vref0，Vref1，Vref2和Vref3，初始基准电压为Vref0，比较器正相输入端接收基准电压，比较器负相输入端接收锂电池电压；比较器的输出端连接RS触发器的S端，触发器的输出Q端向旁路开关发送截止或导通的控制信号，在锂电池电压达到基准电压时，旁路开关就导通；旁路开关与一旁路电阻连接锂电池的正极；RS触发器的Q非输出端输出所述的状态信号，该状态信号发送到所在子管理芯片的下传模块的输入端；所述的清旁路信号控制RS触发器向旁路开关发送截止控制信号，然后输入比较器的比较基准上升。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的下传模块由多个下传1位数字信号的下传子模块组成，下传子模块包括一个接收下行传递路径中前一个子管理芯片的下传信号的下传输入端和一个向下行传递路径中下一个子管理芯片发送下传信号的下传输出端；所述的上传模块由多个上传1位数字信号的上传子模块组成，上传子模块包括一个接收上传传递路径中前一个子管理芯片的上传信号的上传输入端和一个向上行传递路径中下一个子管理芯片发送上传信号的上传输出端；下行传递路径中的最后一个子管理芯片将下传输出端连接母管理芯片的下传接口，上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传输入端连接母管理芯片的上传接口。
在上述技术方案中，子管理芯片上还可集成有保护所对应锂电池的充电保护模块。
在上述技术方案中，子管理芯片上还可集成有保护所对应锂电池的放电保护模块。
本发明的优点是：
1、由于采用子管理芯片对对应的锂电池进行管理，避免了现有技术中的管理芯片需要耐几十伏高压的缺点，本发明管理模块中的每块芯片都由便宜的5V单阱标准工艺实现，大大降低了制作成本；
2、本发明可应用于不同电池节数的电池包，电池包中有几节电池，就使用几节子管理芯片，应用范围广，扩展设计性能好；
3、电池包中的每节电池充放电速率都不一致，若不采用特别措施，会导致电池电压差异过大而整个电池包不能再使用。本发明采用了均流的方式，减小充电速率快的电池的充电电流，减小电池间的差异，增长了电池包寿命。
附图说明
图1是多节串联锂离子电池包的管理模块的结构框图；
图2是子管理芯片的结构框图；
图3是下传子模块的电路结构示意图；
图4是上传子模块的电路结构示意图；
图5是均流模块的电路结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的N节串联锂电池的管理芯片组由一个母管理芯片1和若干子管理芯片组成。每节锂电池对应一个子管理芯片，并为其供电。电池包中电池从下至上依次命名为VB1，VB2，...，VBi，...，VBn，对应的子管理芯片也依次命名为SMC1，SMC2，...，SMCi，...，SMCn。每节锂电池的正极都是对应子管理芯片的电源VDD，电池负极是地GND。子管理芯片SMC i监视对应的第i节锂电池VBi，获取其状态信息，并与相邻的子管理芯片SMC(i-1)、SMC(i+1)通讯，传递锂电池的状态信息及获取来自母管理芯片1的命令。母管理芯片1控制子管理芯片的工作并控制充放电回路。
所述的母管理芯片1包括上传接口、下传接口、放电管理模块和充电管理模块。上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片SMC1的上传模块连接，母管理芯片1的下传接口与信号下行传递路径的最后一个子管理芯片SMC1的下传模块连接。放电管理模块通过端口连上或切断负载，控制放电回路。充电管理模块通过端口与充电器通讯，控制充电回路。
锂电池的状态信息包括充电过压、放电欠压、充电过温、放电过温等等；母管理芯片发出的命令包括休眠命令、充放电模式选择命令等等。电池的状态信息通过子管理芯片中的下传模块2，一级一级向下传递，直至传到最下面一节锂电池对应的子管理芯片SMC1，再由SMC1将收集到的锂电池状态信息传递给母管理芯片1。来自母管理芯片1的命令，通过子管理芯片中的上传模块3，经过SMC1，一级一级向上传到各级子管理芯片，直到SMCn。SMC i中的下传模块2，其下传输入端口与上一节电池的子管理芯片SMC(i+1)中的下传模块的下传输出端口相连；SMCi中的下传模块，其下传输出端口与下一节电池的子管理芯片SMC(i-1)中的下传模块的输入端口相连。最上面一节锂电池VBn的子管理芯片SMCn的下传输入端口接在锂电池的正极VDD上。
第i个子管理芯片SMCi的下传输入端口接收的逻辑代表了以上各节电池的状态，子管理芯片SMCi的下传输出端口传递的逻辑代表了以上各节和本节电池VBi的状态。子管理芯片SMCi中的上传模块3，其上传输出端口与上一节锂电池的子管理芯片SMC(i+1)中的上传模块3的上传输入端口相连；子管理芯片SMCi中的上传模块3，其上传输入端口与下一节电池VB(i-1)的子管理芯片SMC(i-1)中的上传模块3的输出端口相连。
锂电池的每个状态信息可通过1位数字信号来表征，有多个状态信息需要传递时，在下传模块2中可使用多个下传子模块。
如图2所示的子管理芯片，由下传信号模块2，上传信号模块3，均流模块4，充电保护模块5和放电保护模块6组成。充电保护模块5和放电保护模块6获得的电池信息分别传给1个下传子模块，由下传子模块的下传输出端口传递下去。每个下传子模块和每个上传子模块均只传递一位数字信号，多个下传子模块或多个上传子模块之间的数字信号都是并行传递。因此，有多少种电池的状态信息需要传递，子管理芯片中就应含有多少个下传子模块；同理，母管理芯片有多少个命令需要传递，子管理芯片中就应含有多少个上传子模块。各个子管理芯片均外接一旁路电阻7，用于在必要时分流该节电池的充电电流。旁路电阻7的一端与该节电池的正端相连，另一端与均流模块4的旁路开关相连。旁路开关由均流模块4控制。
如图3所示的是下传子模块的电路结构。下传输入端口8接收的逻辑信号代表了本节以上(不包括本节)各节锂电池的状态，下传输出端口9发送的逻辑信号代表了以上各节和本节锂电池的状态。
子管理芯片中的下传子模块的输入端口8上的电压，相对于对应电池的负极，亦是相对于该节子管理芯片的地来讲，只可能是VDD+2VD或者是VDD，其中VDD是该节锂电池的电压，VD是二极管的正向导通电压。将VDD+2VD作为逻辑1，VDD作为逻辑0。下传输入端口8的电压被电阻10和电阻11均分，并将均分的电压与(VDD+VD)/2比较。(VDD+VD)/2是由电阻12，电阻13和二极管14串联的支路得到。比较器15的结果显示从上一节传递下来的信号的逻辑。比较器15的输出端和代表本节电池状态的信号输入端16连接一个或非门17，得到的逻辑信号来控制下传输出端9处的NMOS开关管25。电阻18和二极管19，二极管20串联的支路，同NMOS开关管25一起，产生输出信号。电阻18的一端接锂电池正极VDD，另一端接下传输出端9，二极管19的正极接下传输出端9，二极管20的负极接地。NMOS开关管25的漏极连到下传输出端上，源极接地。母管理芯片1中只需要用一个电阻代替普通反相器中的PMOS管的反相器，就可将子管理芯片SMC1传给母管理芯片1的电平转为数字电路能用的逻辑电平。
如图4所示的是上传子模块的电路结构。上传子模块中，锂电池正极VDD和上传输入端21之间接入一个电阻22；上传输入端21和地GND之间接入两个串联的二极管23和二极管24，其中二极管23的正极连接上传输入端21，二极管24的负极接于地GND。该上传输入端口和下面一节锂电池的上传子模块的上传输出端相连。下面一个上传子模块的上传输出端26处的PMOS开关管27控制上传输入端21的电压，使上传输入端21的电压或为2VD，即逻辑1，或电压为0，即逻辑0。用一个电阻代替普通反相器中的PMOS管的反相器，将上传输入端21的信号转换成普通的逻辑信号，后面再通过一普通的反相器28，得到能用于普通数字电路的逻辑信号。该逻辑信号与上传输入端同相，用来控制本节的子管理芯片。反相器28的输入端连接NMOS开关管29的栅极，NMOS开关管29的漏极控制PMOS开关管27的栅极，PMOS开关管27的漏端接锂电池正极VDD，PMOS开关管27的源极和栅极之间接电阻30。PMOS开关管27的体端和源端相连，为上传输出端口26。母管理芯片1只需一个NMOS下拉管，或将子管理芯片SMC1的上传输入端口21短接到地，或者悬空，使上传输入端口21的电压为2VD。
传递逻辑0时，母管理芯片1中与子管理芯片SMC1的上传输入端口21连接的下拉NMOS开关管导通，将上传输入端口的电平置0。用一个电阻代替普通反相器中的PMOS管的反相器，将上传输入端口转换成的普通的逻辑信号logba此时为逻辑1，后面再通过一普通的反相器，得到能用于普通数字电路的逻辑信号logout。Logout与上传输入端21同相，此时也为逻辑0，用来控制本节子管理芯片。Logba控制NMOS开关管29。由于logba为1，因此NMOS开关管29导通，使PMOS开关管27的栅极电压为0，让PMOS开关管27导通。由于上传输出端26与上面一节的上传输入端21相连，因此PMOS开关管27将上面一节的上传输入端21短接到本节的VDD上，也是上一节的地GND上，这就将逻辑0传到了上一节。传递逻辑1时，母管理芯片1中与SMC1的上传输入端21连接的下拉NMOS开关管截止，上传输入端21的电平为2VD。用一个电阻代替普通反相器中的PMOS管的反相器，将上传输入端21转换成的普通的逻辑信号logba此时为逻辑0，后面再通过一普通的反相器，得到能用于普通数字电路的逻辑信号logout。Logout与上传输入端21同相，此时也为逻辑1。Logba控制NMOS开关管29。由于logba为0，因此NMOS开关管29截止，这使PMOS开关管27也截止，上传输出端26和PMOS开关管27的栅压都为VDD+2VD，这就将逻辑1传递给了上一级。由于上传输出端26的电压会比VDD高VDD，因此PMOS开关管27的体端应接到上传输出端26上，以免PMOS开关管27中的寄生二极管导通。
如图5所示的是均流模块电路结构。这个模块的功能是，监测电池电压，一旦达到输入基准电压，就开启旁路，以减小本节电池的充电电流。这个模块以Vref0，Vref1，Vref2和Vref3作为输入基准，轮流与本节的电池电压相比较，初始基准为Vref0。比较器30比较基准电压和电池电压，比较器30的结果输入给RS触发器31的S端，一旦电池电压超过基准，触发器31的输出Q端给出旁路开关32导通的控制信号。由普通反相器级联的驱动器33将这个控制信号的驱动能力放大。驱动器33的输出直接控制旁路开关NMOS管32的栅极，旁路开关32的源极接地，漏极连接旁路电阻7。RS触发器31的Q非输出端输出信号ARV。ARV为逻辑0代表了本节电池的一个状态，即充电电压达到了Vref0的水平。ARV连接到下节下传子模块的或非门输入端16。
若比较器15的输出为逻辑0，则代表上面各节电池都旁路了，上面各节子管理芯片的ARV信号都为逻辑0。若本节电池也旁路了，则本节的ARV也为逻辑0。而ARV连到下传子模块的或非门输入端16，这导致下传模块中或非门的输出为逻辑1，于是下传输出端9处的NMOS开关管25导通，下传输出端9的输出为0，代表本节及以上各节子管理芯片的ARV信号都为逻辑0，本节及以上各节电池都旁路了。若下传输入端8为逻辑1，或者本节的ARV为逻辑1，那么或非门17的输出都为逻辑0，下传输出端9处的NMOS开关管25截止，下传输出端9的输出为2VD，即逻辑1，代表本节或上面的子管理芯片中有某一节或某几节的ARV信号为逻辑1，本节或以上各节电池中有没有旁路的。如此，本节电池的状态由下传子模块逐级传递至最下面一级的子管理芯片SMC1，并由子管理芯片SMC1传给母管理芯片1。母管理芯片在接收到ARV为逻辑0时，发出清旁路信号，由上传子模块逐级传递至各个子管理芯片，并将上传子模块中的输出logout接到RS触发器31的R端，使旁路开关32截止，清掉旁路。然后比较基准升至Vref1，依次类推。
Claims (5)
1.一种多节串联锂离子电池包的管理模块，其特征在于：包括与锂离子电池一一对应的多个子管理芯片和一个控制子管理芯片及控制充放电的母管理芯片；每个子管理芯片包括下传多个并行数字信号的下传模块和上传多个并行数字信号的上传模块，并行数字信号在多个子管理芯片间依次传递；母管理芯片的上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传模块连接，母管理芯片的下传接口与信号下行传递路径的最后一个子管理芯片的下传模块连接；
每个子管理芯片还包括一个均流模块，均流模块设有用于衡量所在锂电池电压的多个基准电压，各个基准电压通过选择开关发送到比较器的一输入端，比较器的另一输入端接收锂电池电压，将锂电池电压与基准电压依次比较后输出；上传模块将母管理芯片的清旁路信号逐级传递给各个子管理芯片，并将之处理成普通的数字逻辑信号，RS触发器接收比较器的输出信号与母管理芯片的清旁路信号，向所在锂电池的旁路开关发送控制信号，同时通过下传模块发送该锂电池电压达到基准电压的状态信号；
所述的下传模块由多个下传1位数字信号的下传子模块组成，下传子模块包括一个接收下行传递路径中前一个子管理芯片的下传信号的下传输入端和一个向下行传递路径中下一个子管理芯片发送下传信号的下传输出端；所述的上传模块由多个上传1位数字信号的上传子模块组成，上传子模块包括一个接收上传传递路径中前一个子管理芯片的上传信号的上传输入端和一个向上行传递路径中下一个子管理芯片发送上传信号的上传输出端；下行传递路径中的最后一个子管理芯片将下传输出端连接母管理芯片的下传接口，上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传输入端连接母管理芯片的上传接口。
2.根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于：所述的母管理芯片包括放电管理模块和充电管理模块。
3.根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于：所述的基准电压有Vref0，Vref1，Vref2和Vref3，初始基准电压为Vref0，比较器正相输入端接收基准电压，比较器负相输入端接收锂电池电压；比较器的输出端连接RS触发器的S端，触发器的输出Q端向旁路开关发送截止或导通的控制信号，在锂电池电压达到基准电压时，旁路开关就导通；旁路开关与一旁路电阻连接锂电池的正极；RS触发器的Q非输出端输出所述的状态信号，该状态信号发送到所在子管理芯片的下传模块的输入端；所述的清旁路信号控制RS触发器向旁路开关发送截止控制信号，然后输入比较器的比较基准上升。
4.根据权利要求1-3任一权利所述的管理模块，其特征在于：所述的子管理芯片上集成有保护所对应锂电池的充电保护模块。
5.根据权利要求1-3任一权利所述的管理模块，其特征在于：所述的子管理芯片上集成有保护所对应锂电池的放电保护模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110112 Termination date: 20170224 |