CN102324587A - 一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路及方法。所述电路包括和锂电池组相连的，用于将锂电池组中较高的节点电压降低至芯片内部低压电路的工作电压范围内的电池组节点电压增益模块；用于将电池组节点电压增益模块输出的多个待检测电压进行选择，并将多个待检测电压分别分时输入电池数目检测模块的电压多路选择器；用于比较各个待检测电压与最高电压的关系，得到电池数目的信息的电池数目检测模块和逻辑产生电路。本发明用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路是一种更加灵活的检测电路，适合集成化，并可以提高电池组管理芯片的灵活度；可以自由地管理不同数目的电池而无需调整系统的配置，从而增加了系统的灵活性。

Description

一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路及方法

技术领域

 本发明涉及一种用于检测电池数目的电路及方法，尤其涉及一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路及方法。

背景技术

基于锂的电池化学材料在大功率工业和交通运输系统中正在迅速取代铅酸和镍氢金属 (NiMH) 材料。锂化学材料在能量和功率密度方面具有很大优势的同时，电池管理电子电路也具有更高的复杂性。

锂电池组是由多节单芯锂离子电池制成，这些锂离子电池的典型电压电流值为 2.4V 至 4.2V 以及 4A-hr 至 40A-hr。在很多系统中，为了满足功率的需要，供电电池组一般由几十至上百节单芯电池串联组成。整个电池组的管理系统中有多颗管理芯片，每颗管理芯片负责控制一定数目的电池。一般来说，对于一个既定的电池组管理系统，每颗管理芯片控制的单芯电池数目是确定的，使得芯片的管理并不灵活，不能根据实际情况进行调整。

发明内容

本发明针对现有锂电池组管理芯片的电池数目是确定的，使得芯片的管理并不灵活，不能根据实际情况进行调整的不足，提供一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路及方法。    

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于检测锂电池组中电池数目的管理芯片包括电池组节点电压增益模块、电压多路选择器、电池数目检测模块和逻辑产生电路；所述电池组节点电压增益模块属于高压电路模块，工作电压范围为0至60V；所述电压多路选择器、电池数目检测模块和逻辑产生电路属于低压电路模块，工作电压范围为0至5V；所述电池组节点电压增益模块和锂电池组相连，用于将锂电池组中电压高于芯片低压电路模块的工作电压的节点电压值降低至芯片低压电路模块的工作电压范围内；所述电压多路选择器用于将电池组节点电压增益模块输出的多个待检测电压进行选择，并将多个待检测电压分别分时输入至电池数目检测模块；所述电池数目检测模块用于比较经过电池组节点电压增益模块降低后各个待检测电压与电池组中最高节点电压的关系，得到电池数目的信息；所述逻辑产生电路用于为电池组节点电压增益模块、电压多路选择器和电池数目检测模块提供时序和控制逻辑。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述锂电池组由4至10节单芯电池组成。

进一步，当所述锂电池组中单芯电池的数目小于10节时，电池从芯片的低端引脚依次与芯片连接，芯片空闲的高端引脚与芯片最高电位检测引脚短接。

进一步，所述电池组节点电压增益模块包括多路相同的电压增益电路，每路电压增益电路具有相同的增益系数，所述增益系数用于使电池组节点电压增益模块的输出电压处于0至5V范围以内。

进一步，所述每路电压增益电路包括第一电阻、第二电阻和开关，所述开关位于第一电阻和第二电阻之间，所述开关和逻辑产生电路相连，用于在逻辑产生电路提供的控制信号下开启或者闭合。

所述开关只有在工作时才相应地闭合，从而可以降低该芯片待机状态下的功耗。

进一步，所述增益系数

，其中，Von为输出电压，VCn为输入电压，Run为第一电阻的阻值，Rdn为第二电阻的阻值，Rswn为开关的阻值，n为大于或等于4且小于或等于10的整数。

进一步，所述电池组节点电压增益模块和电压多路选择器各连接有一个电容，所述电容用于滤除开关状态转换时出现的电压尖峰。

进一步，所述电池数目检测模块包括单位增益缓冲器、减法器、比较器和锁存器，所述减法器的正输入端和负输入端各连接有一个单位增益缓冲器，所述单位增益缓冲器连接在电池组节点电压增益模块的输出端和电压减法器的输入端之间；所述减法器用于将经过电池组节点电压增益模块降低后的最高节点电压与其他节点电压依次相减；所述减法器的正输入端连接有第一参考电压VREF1，用于避免减法器输出电压过低而超出了芯片的工作电压范围；所述比较器的负输入端连接有第二参考电压VREF2，用于将减法器的输出电压和第一参考电压VREF1相加后得到的VAn再和第二参考电压VREF2进行比较，从而得出相应位置是否存在电池的信息，当VAn>VEFF2，所述比较器输出的电平为高电平，当VAn+1<VREF2时，所述比较器输出的电平为低电平，当比较器输出的电平为低电平时，对应的n+1为电池组中电池的数目，其中，n为大于或等于4且小于或等于9的整数；所述第一参考电压的电压范围为100mV至200mV，所述第二参考电压为第一参考电压的两倍；所述比较器的输出端连接有锁存器，所述锁存器和逻辑产生电路相连。

所述单位增益缓冲器把电压减法器的输入端与电池节点电压增益模块的输出端进行了隔离，避免了电压减法器有限输入阻抗对电压增益模块电路的影响。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测方法包括以下步骤：

步骤一：在电池组节点电压增益模块的作用下，将锂电池组中电压高于芯片低压电路的工作电压的节点电压值降低至芯片高压电路的工作电压范围内；

步骤二：在电压多路选择器的作用下，切换从电池组节点电压增益模块输入至电池数目检测模块的电压，使得电池数目检测模块分时复用，完成多个节点电压的比较；

步骤三：在电池数目检测模块的作用下，比较经过电池组节点电压增益模块降低后各个待检测电压与电池组中最高节点电压的关系，得到电池数目的信息。

本发明的有益效果是：本发明用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路是一种更加灵活的检测电路，具有该检测电路的管理芯片可以控制4至10节电池，检测方法通过电池组节点电压增益模块把较高的电池组节点电压按比例降低到较低范围，通过电压多路选择器把不同的节点电压分时送到电池数目检测模块与电池组最高节点电压相比较，根据比较结果确定此芯片检测管脚是否有电池相连接得到电池组电池数目的信息，使得单个减法电路可以实现多路信号处理，降低了电路的复杂度及功耗，提高了电路使用效率，工作所需的时序控制逻辑由逻辑产生电路提供，该方法适合集成化，并可以提高电池组管理芯片的灵活度；本发明使得锂电池组管理系统可以自由的管理不同数目的电池而无需调整系统的配置，从而增加了系统的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例电池组与电池管理芯片连接关系简图；

图2为本发明实施例电池组与电池管理芯片连接关系详图；

图3为本发明实施例电池组与电池管理芯片连接关系对应的电路结构示意图；

图4为本发明实施例电池组节点电压增益模块的结构示意图；

图5为本发明实施例电压多路选择器模块的结构示意图；

图6为本发明实施例电池数目检测模块的结构示意图；

图7为本发明实施例电路工作时序图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1及2是本发明应用中电池组与电池管理芯片连接关系示意图，图中所示的管理芯片可检测一组有4至10节电池的电池组。应用要求电池组至少有4节电池并至多为10节电池，电池与管理芯片的连接方式为从芯片低端检测管脚到高端检测管脚依次无间隔连接，即从C-、C1… 至C9、C+，管理芯片空闲的检测管脚与C+相连接。

图3是本发明用于检测电池组电池数目的电路结构示意图，包括电池组电压增益模块，电压多路选择器，电池数目检测模块。检测电路的电压输入端V+、V9…V4与图1所示的检查芯片管脚相对应；控制信号C+，C9…C4，时钟CLK来自于逻辑产生电路；参考电压VREF1、VREF2为管理芯片片内提供的参考电压；DOUT是检测电路的逻辑输出端。

图4是本发明实施例电压增益模块，包括7路相同的电压增益电路，包括各自的控制开关。每组分压电路具有相同的增益系数1/10，可以把各自的输入电压降低到5V电压以内，从而满足内部减法器电路的输入电压范围。7组分压电路的输入电压分别为V+（当前芯片控制的电池组最高电压输入端），VCn（当前芯片控制的电池组第n节电池正电压输入端，n=4、5、6、7、8、9），对应于这7路分压电路的输出信号分别为Vo+，Von（n=4、5、6、7、8、9）。每一路信号均可由相应的控制开关进行控制，在电路不工作时进行关断以节省功耗。该7路电压增益电路分别对输入电压V+、V9…V4做等比例降低。电压增益An的大小由电阻Run、Rdn及开关电阻Rswn（n=4、5、6、7、8、9、10）的比值来决定。由于每组增益电路对应的输入电压不尽相同，要求开关具有恒定的导通电阻，以保证每组增益电路具有相同的增益。同时要求电阻Rdn与Run具有良好的匹配特性，典型值为1‰，以减小每组增益电路的增益An的差别。

                              （1）

   锂电池在正常状态下的工作电压一般为2.4V至4.2V，那么对于本发明所述的管理芯片而言，输入电压V+、V9…V4的电压范围一般为9.6V至42V；增益An的典型值为1/10；输出电压Vo+、Vo9…Vo4的电压范围为0.96V至4.2V，处在芯片正常的工作电压范围以内。

   开关SWn的导通或关断由逻辑信号C+、C9…C4来控制，典型应用下，开关大部分时间处于关断状态，只有在进行电池数目检测的时候才会打开，这很大程度上节约了电路的功耗。工作时SW7处于导通状态，SW1至SW6分时不交叠导通。

   电容C1、C2用于滤除开关状态转换时出现的电压尖峰，典型值为1pF，电容值很小，方便芯片片内集成。

   图5是本发明实施例电压多路选择器，是一个6选1电压选择器。用于选择所述电压减法器的负输入端电压，该电压多路选择器的输入端为上述电压增益模块的输出信号Von（n=4、5、6、7、8、9），其输出端为经过6路逻辑信号C1至C6进行选择而得到所述6路输入信号中的任何一路。输入电压VIN1、VIN2…VIN6分别对应图4 所示电压增益模块的输出电压Vo4、Vo5…Vo9;控制信号C1、C2…C6分别对应电压增益模块的控制信号C4、C5…C9。

   图6是本发明实施例电压减法器与比较器电路。包括一个减法器和一个比较器，其中减法器的正输入端为Vo+,负输入端为所述电压多路选择器的输出电压。同时，为了避免减法器的输出电压过低而偏离了其输出电压范围，在减法器的正向输入端有一路参考电压VREF1与Vo+相加，从而保证减法器的输入电压最低值为VREF1，一个合适的VREF1电压会保证减法器输出电压始终处于正常的工作范围。VREF1的典型电压为100mV。电路主要包括输入电压单位增益缓冲器，电压减法器，电压比较器及锁存器。

   电压VIN1与VIN2分别是电压减法器的负输入端与正输入端，输入电压VREF1同样是电压减法器的正输入端，其作用是避免减法器的输入信号VIN1、VIN2接近相等时其输出电压（即节点A的电压VA）过低，偏离了电路的电压工作范围。减法器的输出电压公式 （2） 决定。

                          （2）

典型应用下，电阻R1与R2取相等的阻值。那么输出电压VA由公式（3）决定。

                               （3）

电压比较器把减法器输出电压VA与参考电压VREF2做比较，比较结果反映了电池数目的信息。

所述逻辑产生电路用于产生电池数目检测电路工作的时序逻辑，并把检测的结果锁存。逻辑产生电路共有两路输入信号:时钟CLOCK与使能EN。CLOCK的典型情况为1KHz占空比50%方波。EN为高电平时整个检测电路处于工作状态，EN为低电平时电路处于关闭状态。逻辑产生电路的输出信号为检测电路工作的时序信号，包括开关控制信号、比较器时钟及锁存信号等。

对于图1所示的电池连接方式，检测的过程如下：首先假设电压多路选择器选通电池组节点电压增益模块的输出电压Vo7，此时电路处于把电压V+与电压VC7比较的状态。电压减法器的输出电压为

     （4）

式中认为电池节点电压增益模块每路电压增益系数都为A。同样，假设电压多路选择器选通电池组节电压增益模块的输出电压Vo8，此时电路处于把电压V+与电压VC7比较的状态。电压减法器的输出电压为

     （5）

典型情况下，增益系数A=1/10, 单节电池的电压范围为2.4V至4.2V，VREF1的典型电压为0.1V。不难看出VA7的电压范围是0.34V至0.52V,VA8的电压为0.1V。VREF2的典型值为0.2V，此时不难得出VA7>VEFF2与VA8<VREF2，对应比较器输出为1和0，标示出Cell8的位置有电池存在，Cell9的位置没有电池存在，从而得到了电池组电池数目信息。

    减法器的正负输入端各有一个单位增益缓冲器；由于所述电压增益模块是电阻分压产生增益，其输出电压直接驱动阻性负载会引入增益的变化。CMOS工艺下单位增益缓冲器具有极大的输入阻抗，避免了这种情况的发生。

   图7是本发明电路工作时序图。时钟CLK，控制信号C+、C9…C4与图2所示的相应输入信号相对应，由所属逻辑产生电路产生；DOUT是输出信号。其中C+与Cn（n=4、5、6、7、8、9）为高电平时，所述电池数目检测模块电路会把图1所示的V+与VCn的电压做比较，输出Dn+1表示出Celln+1位置处是否有电池连接。在图1所示的连接形式下，输出D5至D10依次为111100，从而检测到共有8节电池与芯片相连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，所述电路包括电池组节点电压增益模块、电压多路选择器、电池数目检测模块和逻辑产生电路；所述电池组节点电压增益模块属于高压电路模块，工作电压范围为0至60V；所述电压多路选择器、电池数目检测模块和逻辑产生电路属于低压电路模块，工作电压范围为0至5V；所述电池组节点电压增益模块和锂电池组相连，用于将锂电池组中电压高于芯片低压电路模块的工作电压的节点电压值降低至芯片低压电路模块的工作电压范围内；所述电压多路选择器用于将电池组节点电压增益模块输出的多个待检测电压进行选择，并将多个待检测电压分别分时输入至电池数目检测模块；所述电池数目检测模块用于比较经过电池组节点电压增益模块降低后各个待检测电压与电池组中最高节点电压的关系，得到电池数目的信息；所述逻辑产生电路用于为电池组节点电压增益模块、电压多路选择器和电池数目检测模块提供时序和控制逻辑。

2.根据权利要求1所述的用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，所述锂电池组由4至10节单芯电池组成。

3.根据权利要求1所述的用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，当所述锂电池组中单芯电池的数目小于10节时，电池从芯片的低端引脚依次与芯片连接，芯片空闲的高端引脚与芯片最高电位检测引脚短接。

4.根据权利要求1所述的用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，所述电池组节点电压增益模块包括多路相同的电压增益电路，每路电压增益电路具有相同的增益系数，所述增益系数用于使电池组节点电压增益模块的输出电压处于0至5V范围以内。

5.根据权利要求4所述的用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，所述每路电压增益电路包括第一电阻、第二电阻和开关，所述开关位于第一电阻和第二电阻之间，所述开关和逻辑产生电路相连，用于在逻辑产生电路提供的控制信号下开启或者闭合。

6.根据权利要求5所述的用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，所述增益系数

，其中，Von为输出电压，VCn为输入电压，Run为第一电阻的阻值，Rdn为第二电阻的阻值，Rswn为开关的阻值，n为大于或等于4且小于或等于10的整数。

7.根据权利要求6所述的用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，所述电池组节点电压增益模块和电压多路选择器各连接有一个电容，所述电容用于滤除开关状态转换时出现的电压尖峰。

8.根据权利要求1所述的用于锂电池组管理芯片的电池数目检测电路，其特征在于，所述电池数目检测模块包括单位增益缓冲器、减法器、比较器和锁存器，所述减法器的正输入端和负输入端各连接有一个单位增益缓冲器，所述单位增益缓冲器连接在电池组节点电压增益模块的输出端和电压减法器的输入端之间；所述减法器用于将经过电池组节点电压增益模块降低后的最高节点电压与其他节点电压依次相减；所述减法器的正输入端连接有第一参考电压VREF1，用于避免减法器输出电压过低而超出了芯片的工作电压范围；所述比较器的负输入端连接有第二参考电压VREF2，用于将减法器的输出电压和第一参考电压VREF1相加后得到的VAn再和第二参考电压VREF2进行比较，从而得出相应位置是否存在电池的信息，当VAn>VEFF2，所述比较器输出的电平为高电平，当VAn+1<VREF2时，所述比较器输出的电平为低电平，当比较器输出的电平为低电平时，对应的n+1为电池组中电池的数目，其中，n为大于或等于4且小于或等于9的整数；所述第一参考电压的电压范围为100mV至200mV，所述第二参考电压为第一参考电压的两倍；所述比较器的输出端连接有锁存器，所述锁存器和逻辑产生电路相连。

9.一种用于锂电池组管理芯片的电池数目检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在电池组节点电压增益模块的作用下，将锂电池组中电压高于芯片低压电路的工作电压的节点电压值降低至芯片高压电路的工作电压范围内；

步骤二：在电压多路选择器的作用下，将电池组节点电压增益模块输出的多个待检测电压进行选择，并将多个待检测电压分时输入至电池数目检测模块；

步骤三：在电池数目检测模块的作用下，比较经过电池组节点电压增益模块降低后各个待检测电压与电池组中最高节点电压的关系，得到电池数目的信息。

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