CN101540512B - 双节串联锂电池的多功能管理模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双节串联锂电池的多功能管理模块，包括分压模块、充电管理模块、放电管理模块、内置基准源、第一双基准迟滞比较器、第二双基准迟滞比较器以及第一迟滞比较器和第二迟滞比较器。该多功能管理模块实现了一块管理芯片对双节锂电池各自独立的充放电保护，同时实现了充电完成计时、充电时间限制、电量显示、报警指示、充电状态显示等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂电池的管理模块，具体地说是一种双节串联锂电池的充放电保护管理模块。
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保护芯片方能使用。
目前，现有的锂电池保护芯片很多都是单节保护，即一节电池配一块芯片。在多节串联应用中，由于同时增加了芯片数量，无疑增加了成本以及降低了PCB板成品率。并且这些芯片大多数也只具备对锂电池的充放电保护功能，并没有充电计时、报警指示、电量显示等额外应用型功能，实际应用中往往还需要与单片机配合使用，成本较高。
发明内容
本发明提供一种双节串联锂电池的多功能管理模块，实现一块管理芯片对双节锂电池各自独立的充放电保护，同时实现了充电完成计时、充电时间限制、电量显示、报警指示、充电状态显示等功能。
本发明的多功能管理模块，包括分压模块、充电管理模块、放电管理模块、内置基准源、第一双基准迟滞比较器、第二双基准迟滞比较器以及第一迟滞比较器和第二迟滞比较器；
分压模块将串联的第一锂电池和第二锂电池的两个正端电压信号采样，得到第一电压信号和第二电压信号并输出；
第一双基准迟滞比较器和第二双基准迟滞比较器的IN输入端分别接收第二电压信号和第一电压信号，HIGH输入端接收内置基准源的充电终止电压信号Vref_cgh，LOW输入端接收内置基准源的充电终止迟滞电压信号Vref_cgl，第一双基准迟滞比较器和第二双基准迟滞比较器根据输入信号判断第一锂电池或第二锂电池的电压是否到达终止电压，并向充电管理模块输出判断后的信号；
第一迟滞比较器和第二迟滞比较器的正输入端分别接收第二电压信号和第一电压信号，负输入端接收内置基准源产生的放电终止电压Vref_dsc，第一迟滞比较器和第二迟滞比较器根据输入信号判断第一锂电池或第二锂电池的电压是否达到放电终止电压，并向放电管理模块输出判断后的信号；
充电管理模块接收第一双基准迟滞比较器和第二双基准迟滞比较器的输出信号，对充电过程中的两节锂电池进行各自的过压保护；
放电管理模块接收第一迟滞比较器、第二迟滞比较器的输出和片外放电支路的电流反馈信号VFB，对放电过程中的两节锂电池进行各自的放电欠压保护以及过流保护。
本发明的多功能管理模块还可集成电量分析电路和计时器与LED控制器。电量分析电路将分压模块输出的第一电压信号与基准电压信号相比，判断电池的剩余电量，并向计时器与LED控制器发送判断后的信号。
所述的计时器与LED控制器接收充电管理模块、放电管理模块和电量分析电路的代表过压、欠压、过流、电量的信号，并在时钟信号输入下，完成计时、控制LED显示电量、报警指示、充电状态显示的功能，并向充电管理模块输出充电计时信号，进行充电时间限制。
充电管理模块接收温度保护电路的输出，在计时器与LED控制器的充电时间信号的控制下，进行充电过程中电池包的温度保护。
放电管理模块接收温度保护电路的输出，完成放电过程中电池包的温度保护。
所述的分压模块包括分压电阻和高精度减法器，分压模块采样输出的第一电压信号为1/3的第一锂电池正端电压信号，分压模块采样输出的第二电压信号为1/3的第二锂电池正端电压信号。
所述的高精度减法器，由两个相同的第一运算放大器和第二运算放大器、四个阻值相同的第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻组成；第一运算放大器的正相端接收分压电阻分压的1/6的第一锂电池正端电压信号，其负相端通过第一电阻接地；第二运算放大器的正相端接收分压电阻分压的1/6的第二锂电池正端电压信号，其负相端通过第三电阻连接第一运算放大器的输出端，其输出端输出1/3的第二锂电池的两端电压值；在第一运算放大器和第二运算放大器的负相端与输出端之间分别接有第二电阻和第四电阻。
所述的双基准迟滞比较器，包括一个比较器、一个反相器、第一可控开关和第二可控开关；双基准迟滞比较器的IN输入端连接比较器的正相输入端，LOW输入端通过第一可控开关连接比较器的负相输入端，HIGH输入端通过第二可控开关连接比较器的负相输入端；第一可控开关接收比较器的输出信号，并根据该信号进行开关控制，第二可控开关接收比较器的反相输出信号，并根据该信号进行开关控制。
本发明的优点是：
1.降低成本：用便宜的低压单阱工艺实现单片集成的双节串联锂电池管理，且片内集成了充放电多种保护功能和充电计时、报警指示、电量显示等功能。
2.增加可靠性：单片集成双节的保护，有利于减少芯片数量与外围连接数，增加成品率与系统可靠性。
附图说明
图1是双节串联锂电池的多功能管理模块的模块示意图；
图2是高精度减法器的电路结构示意图；
图3是双基准迟滞比较器的电路结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的双节串联锂电池的多功能管理电路由分压模块1、充电管理模块2、放电管理模块3、计时器与LED控制器、内置基准源5、内置时钟电路6、温度保护电路7、电量分析电路8、双基准迟滞比较器9a、双基准迟滞比较器9b以及普通迟滞比较器10a、普通迟滞比较器10b等组成。
分压模块1包括分压电阻和高精度减法器13。分压模块1用于将串联电池VB1、锂电池VB2的两个正端电压信号VB1和电压信号(VB1+VB2)转换为1/3VB1与1/3VB2，以便于与各基准作同等比较。
得到的电压信号1/3VB1与电压信号1/3VB2依次输入到双基准迟滞比较器9b双基准迟滞比较器9a的IN端，而由内置基准源5产生的充电终止电压Vref_cgh同时连接到双基准迟滞比较器9a双基准迟滞比较器9b的HIGH输入端，充电终止迟滞电压Vref_cgl同时连接到双基准迟滞比较器9a双基准迟滞比较器9b的LOW输入端，实现充电时判断两节电池中是否有任意一节到达终止电压的功能，并将双基准迟滞比较器9a双基准迟滞比较器9b的输出输入到充电管理模块2中处理。
电压信号1/3VB1与电压信号1/3VB2依次输入到普通迟滞比较器10b普通迟滞比较器10a的正输入端，而由内置基准源5产生的放电终止电压Vref_dsc同时连接到普通迟滞比较器10a普通迟滞比较器10b的负输入端，实现放电时判断两节电池中是否有任意一节达到放电终止电压的功能，并将普通迟滞比较器10a普通迟滞比较器10b的输出输入到放电管理模块3中处理。
电压信号1/3VB1还与片外输入的代表电池当前剩余电量百分比的三个基准Vref70％、Vref40％、Vref10％作为电量分析电路8的输入，实现判断电池包当前剩余电量处在哪个区间的功能，并将该状态信号输出到计时器与LED控制器处理。
片外输入的与电池包温度成比例的电压信号Vtemp和内置基准源5产生的代表三个温度的电压基准组Vref_temp作为温度保护电路7的输入，实现判断电池包当前温度是否异常的功能，并将是否超出0℃～45℃的信号输出给充电管理模块2，代表温度是否超过70℃的信号输出给放电管理模块3。
充电管理模块2接收双基准迟滞比较器9a双基准迟滞比较器9b和温度保护电路7的输出，在计时器与LED控制器4充电时间信号的控制下，完成充电过程中的两节电池各自的过压保护，温度保护以及充电时间限制的功能。
放电管理模块3接收普通迟滞比较器10a普通迟滞比较器10b和温度保护电路7的输出与片外VFB共同作为其输入，完成放电过程中的两节电池各自的放电欠压保护，温度保护以及过流保护的功能，其中VFB为放电支路的电流反馈信号。
计时器与LED控制器4以充电管理模块2、放电管理模块3、电量分析电路8给出的代表过压、欠压、过温、过流、电量等信号为输入，在内置时钟电路6的输出信号作为时钟输入下，完成计时以及控制LED显示电量、报警指示、充电状态显示等功能，并输出时钟控制信号如充电计时信号给充电管理模块2，输出时钟控制信号给放电管理模块2实现其他功能。
充电管理模块2输出一个信号到片外用于控制充电回路的通与断；放电管理模块3输出一个信号到片外用于控制放电回路的通与断；计时器与LED控制器4输出3个信号到片外分别控制三个LED的显示以实现充电状态显示、电量显示以及异常报警的功能。
图2是高精度减法器电路结构示意图，它实现将串联电池电压进行高精度电平转换的功能。它由两个相同的运算放大器11a、运算放大器11b以及四个阻值相同的电阻12a、电阻12b、电阻12c、电阻12d构成，其中电阻12a的一端接地，另一端接电阻12b和运算放大器11a的负输入端，电阻12b另一端接运算放大器11a的输出端和电阻12c，电阻12c的另一端接电阻12d和运算放大器11b的负输入端，电阻12d的另一端接运算放大器11b的输出端并输出Vout。在图1的应用中运算放大器11a的正输入端连接电压信号1/6VB1，运算放大器11b的正输入端连接1/6(VB1+VB2)并输出电压信号1/3VB2。该结构的运算精度由于受运放输入失调电压的影响极小，故而精度很高。
图3是双基准迟滞比较器电路结构，它用于充电过程中是否有任意一节电池电压超过充电终止电压的状态检测。它主要由一个比较器14、一个反相器15、可控开关16和可控开关17组成。它有两个比较基准：HIGH和LOW。默认可控开关16断开可控开关17闭合，输出信号Vout为‘0’，当IN输入端的信号超过HIGH输入端的信号之后，输出信号Vout变为‘1’，可控开关16闭合可控开关17断开，基准变为LOW；当IN输入端的信号低于LOW输入端的信号之后，输出信号Vout又变为‘0’，可控开关16断开可控开关17闭合，且基准重新跳至HIGH。如此循环往复，可以防止电源噪声带来的误判断，且不需要过于频繁地通断充电电流，增加系统的可靠性。
Claims (6)
1.双节串联锂电池的多功能管理模块，其特征在于：包括分压模块(1)、充电管理模块(2)、放电管理模块(3)、内置基准源(5)、第一双基准迟滞比较器(9a)、第二双基准迟滞比较器(9b)、第一迟滞比较器(10a)、第二迟滞比较器(10b)、计时器与LED控制器(4)和温度保护电路(7)；
分压模块(1)将串联的第一锂电池和第二锂电池的两个正端电压信号采样，得到第一电压信号和第二电压信号并输出；
第一双基准迟滞比较器(9a)和第二双基准迟滞比较器(9b)的IN输入端分别接收第二电压信号和第一电压信号，HIGH输入端接收内置基准源(5)的充电终止电压信号Vref_cgh，LOW输入端接收内置基准源(5)的充电终止迟滞电压信号Vref_cgl，第一双基准迟滞比较器(9a)和第二双基准迟滞比较器(9b)根据输入信号判断第一锂电池或第二锂电池的电压是否到达终止电压，并向充电管理模块(2)输出判断后的信号；
第一迟滞比较器(10a)和第二迟滞比较器(10b)的正输入端分别接收第二电压信号和第一电压信号，负输入端接收内置基准源(5)产生的放电终止电压Vref_dsc，第一迟滞比较器(10a)和第二迟滞比较器(10b)根据输入信号判断第一锂电池或第二锂电池的电压是否达到放电终止电压，并向放电管理模块(3)输出判断后的信号；
充电管理模块(2)接收第一双基准迟滞比较器(9a)和第二双基准迟滞比较器(9b)的输出信号，对充电过程中的两节锂电池进行各自的过压保护；
放电管理模块(3)接收第一迟滞比较器(10a)、第二迟滞比较器(10b)的输出和片外放电支路的电流反馈信号VFB，对放电过程中的两节锂电池进行各自的放电欠压保护以及过流保护；
所述的充电管理模块(2)接收温度保护电路(7)的输出，在计时器与LED控制器(4)的充电时间信号的控制下，进行充电过程中的电池包的温度保护；
所述的放电管理模块(3)接收温度保护电路(7)的输出，完成放电过程中的电池包的温度保护。
2.根据权利要求1所述的多功能管理模块，其特征在于：包括电量分析电路(8)，电量分析电路(8)将分压模块(1)输出的第一电压信号与基准电压信号相比，判断电池剩余电量，并向计时器与LED控制器(4)发送判断后的信号。
3.根据权利要求2所述的多功能管理模块，其特征在于：所述的计时器与LED控制器(4)接收充电管理模块(2)、放电管理模块(3)和电量分析电路(8)的代表过压、欠压、过流、电量的信号，并在时钟信号输入下，完成计时、控制LED显示电量、报警指示、充电状态显示的功能，并向充电管理模块(2)输出充电计时信号，进行充电时间限制。
4.根据权利要求1所述的多功能管理模块，其特征在于：所述的分压模块(1)包括分压电阻和高精度减法器(13)，分压模块(1)采样输出的第一电压信号为1/3的第一锂电池的两端电压值，分压模块(1)采样输出的第二电压信号为1/3的第二锂电池的两端电压值。
5.根据权利要求4所述的多功能管理模块，其特征在于：所述的高精度减法器(13)，由两个相同的第一运算放大器(11a)和第二运算放大器(11b)、四个阻值相同的第一电阻(12a)、第二电阻(12b)、第三电阻(12c)、第四电阻(12d)组成；第一运算放大器(11a)的正相端接收分压电阻分压的1/6的第一锂电池正端电压信号，其负相端通过第一电阻(12a)接地；第二运算放大器(11b)的正相端接收分压电阻分压的1/6的第二锂电池正端电压信号，其负相端通过第三电阻(12c)连接第一运算放大器的输出端，其输出端输出1/3的第二锂电池的两端电压值；在第一运算放大器(11a)和第二运算放大器(11b)的负相端与输出端之间分别接有第二电阻(12b)和第四电阻(12d)。
6.根据权利要求1所述的多功能管理模块，其特征在于：所述的双基准迟滞比较器，包括一个比较器(14)、一个反相器(15)、第一可控开关(16)和第二可控开关(17)；双基准迟滞比较器的IN输入端连接比较器(14)的正相输入端，LOW输入端通过第一可控开关(16)连接比较器(14)的负相输入端，HIGH输入端通过第二可控开关(17)连接比较器(14)的负相输入端；第一可控开关(16)接收比较器(14)的输出信号，并根据该信号进行开关控制，第二可控开关(17)接收比较器(14)的反相输出信号，并根据该信号进行开关控制。
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