CN102457086A - 可控制电池充电并保护电池放电的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控制电池充电并保护电池放电的系统以及方法。所述系统用于控制电池充电并在电池放电过程中提供保护。其中，所述系统包括：控制电路，用于检测电池放电电流或电池充电电流；第一晶体管，用于若电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，则使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开；及第二晶体管，用于调节所述电池充电电流以使所述电池充电电流保持充电电流设定值。本发明能够使所述电池充电充电电流保持所述充电电流设定值，并当所述电池放电电流超过所述电池最大放电电流设定值时，至少使所述负载与所述电池及所述DC/DC转换器中的一个断开。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种可控制电池充电并保护电池放电的系统及方法。
背景技术
在一些应用中，如电动汽车中，输入电源系统可为一个或多个电气负载，例如汽车系统提供电压，该电压可能高于或低于期望电源电压。在这些应用中，直流/直流(DC/DC)转换器可用以将输入电源电压转换成期望电源电压。一些应用中包括电池，用于为一个或多个电气负载在一些情形下供电，例如输入电源系统失效时供电，并/或在DC/DC转换器及负载间提供缓冲器。DC/DC转换器可与电池直接相连。在上述应用中，输入电源系统可为电池充电，且电池可为负载，例如一个或多个汽车系统供电。
DC/DC转换器可包括输出电流限制以限制源自DC/DC转换器的输出电流，从而限制供给电池和/或负载的电流。该电流限制通常用以保护DC/DC转换器。相应地，DC/DC转换器电流限制可不提供流向电池的充电电流的控制，且在一些情形下，如负载短路时，不限制电池与负载间的放电电流。
发明内容
本发明提供一种可控制电池充电并保护电池放电的系统及方法，可使电池充电充电电流保持充电电流设定值，并当电池放电电流超过电池最大放电电流设定值时，至少使负载与电池及DC/DC转换器中的一个断开。
本发明提供一种可控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的系统，其中，所述系统包括：控制电路，用于检测电池放电电流或电池充电电流；第一晶体管，用于若电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，则使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开；及第二晶体管，用于调节所述电池充电电流以使所述电池充电电流保持充电电流设定值。
本发明还提供一种控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的方法，所述方法包括：通过控制电路检测电池放电电流或电池充电电流；若所述电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，则通过第一晶体管使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开；及通过第二晶体管调节所述电池充电电流，以使所述充电电流保持充电电流设定值。
本发明提供一种可控制电池充电并保护电池放电的系统及方法，可使电池充电充电电流保持充电电流设定值，并当电池放电电流超过电池最大放电电流设定值时，至少使负载与电池及DC/DC转换器中的一个断开。
附图说明
所要求的主题的实施例的特征和优点将会随着下面的详细描述以及根据对附图的参考而变得明显，并且附图中相同的标号表示相同的部分，其中：
图1为本发明一个实施例提供的可控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的系统的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例提供的可控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的系统的结构示意图；
图3为图2所示实施例中的电池充电器控制电路的结构示意图；
图4为图2所示实施例中的电池放电电流保护电路的结构示意图；
图5为本发明又一个实施例提供的可控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的系统的结构示意图；
图6A-6C为本发明另一个实施例提供的控制电池充电及/或在电池放电过程中提供保护的方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明所揭露的系统及/或方法可提供电池充电控制及放电电流保护功能。该系统接收来自直流/直流(DC/DC)转换器的输入电源，并为电池或负载供电。供给该系统的输入电源，例如来自DC/DC转换器的输入电源，与DC/DC转换器的输出电源相对应。电池可用于一个或多个其他系统，例如负载提供电压，该电压可不同于DC/DC转换器的输入电压。该系统可分别控制电池充电路径及电池放电路径。部分充电路径可与部分放电路径重合。电池充电路径可包括DC/DC转换器，该DC/DC转换器可将输入电源电压转换为电池充电电压。电池放电路径可包括负载。电池放电路径可从电池及/或DC/DC转换器处获得电源，并将电源供给负载。该系统及/或方法可分别实现控制电池充电电流及提供放电电流保护。
该系统可检测电池充电电流并调节电池充电电流，以使电池充电电流等于充电电流设定值，并持续一段时间。但在实际中，充电电流很难被调整到精确地等于充电电流设定值，只能调节至一个范围内，例如+/-5％。因此，本文中的“等于或接近”是表示在实际应用中调整的结果，可视为理想状态下的“等于”。本文中的“保持”是表示在实际应用中的“等于或接近于，且持续一段时间”，可视为理想状态下的“等于且持续一段时间”。该系统可检测电池放电电流并在检测到的放电电流超过一阈值时，例如负载短路时，使负载与电池及/或DC/DC转换器断开。
本文中关于负载与电池的内容中的“连接”，对应于以允许电流流经的方式耦合，“断开”指以不允许电流流经的方式耦合。例如，如电流可在电池与负载间存在，负载与电池“连接”。换言之，如从电池的正端经负载至电池的负端存在一条连续的路径，因此电流可存在，则负载与电池连接。如负载与电池“断开”，电流可能不存在于电池及负载间。断开的负载和电池可仍然耦合，如电池的正端可与负载系在一起，但电池的负端可未与负载系在一起。
在并非关于负载、电池及流经负载及电池的电流的内容中，“耦合”可包括中间元件，“连接”指直接耦合，如没有中间元件。例如，第一元件与第二元件间存在连续路径且连续路径可包括中间元件，则第一元件与第二元件耦合。在另一例中，第一元件与第二元件间存在连续路径且连续路径未包括中间元件，则第一元件与第二元件连接，例如直接耦合。
图1为本发明一个实施例提供的系统100的结构示意图，电源系统100包括可控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的系统102。电源系统100可包括DC/DC转换器104，电池106和负载108。系统102可包括控制电路，如电池充电器及电池放电电流保护电路114、感应电阻Rs、第一晶体管Q11及第二晶体管Q12。系统102可防止过大的电池放电电流从电池106经第一路径(即电池放电路径)110流向负载108，且系统102可控制流经第二路径(即电池充电路径)112的电池充电电流。
DC/DC转换器104可在其输入端VIN+及VIN-接收输入电源，并在其输出端提供电压和电流，其输出端可与端口VDC+及VDC-耦合。输出端VDC+及VDC-的电压可与输入端VIN+及VIN-的电压不同，且输出端VDC+及VDC-的电压可与电池106的标称电压对应。
例如，在电动汽车中，输入电源可由电动汽车的主电池提供，如用于汽车推动的电池。主电池的电压取决于电池技术，例如铅酸、锂离子等，可在大约50V-1000V间。接续此例，DC/DC转换器输出电压可对应于负载108中一个或多个汽车系统的传统电源电压。汽车系统可包括但不仅限于电动座椅、窗户及/或门锁、娱乐系统、导航系统、舒适系统及/或其他由传统汽车电源，如标称电压12V供电的汽车系统。主电池失效或不可用的情况下，电池106可为上述汽车系统供电。相应地，电池106的标称电压可为12V。上述例子用以说明本发明。本发明并不仅限于一特别的电池电压，并可应用于具有更高或更低输出电压的DC/DC转换器。
电池106以其标称电压向负载108供电。电池106可缓冲DC/DC转换器的输出电压。DC/DC转换器断开、不可用及/或失效的情况下，电池106可在预设时间段内向负载108供电。例如，电池106具有的电池容量，可与电池提供电流的时间相对应，在此时间内，电池维持自身输出电压高于一值，例如高于负载的最低工作电压。
系统102可分别控制电池充电路径112及电池放电路径110。系统102可控制流向电池106的充电电流，并保护过大的放电电流流经电池，例如负载短路时。电池放电路径110中的电流，例如放电电流，可由电池106的正极流经端口BATT+，第二晶体管Q12、感应电阻Rs、第一晶体管Q11、端口VOUT、负载108，流向端口VOUT-/BATT-及电池106的负极。电池充电路径112中的电流，例如充电电流，可由DC/DC转换器104的正输出端VDC+流经感应电阻Rs、第二晶体管Q12、电池106、端口VOUT-/BATT-，流向DC/DC转换器104的负输出端VDC-。如此处所述，电源系统100允许DC/DC转换器104向负载108提供电流的同时为电池106充电。如检测到过大的电池放电电流，电源系统100允许负载108与电池106及/或DC/DC转换器104断开。
电池充电器及电池放电电流保护电路114可检测流经感应电阻Rs的电流，例如放电电流或充电电流。例如，电池充电器及电池放电电流保护电路114可检测感应电阻上的电压，该电压代表流经感应电阻的电流。至少部分基于被检测到的电压及/或电流，电池充电器及电池放电电流保护电路114向第一晶体管Q11提供第一信号，例如放电控制信号，及/或向第二晶体管Q12提供第二控制信号，例如充电控制信号。
例如，第一晶体管Q11及第二晶体管Q12可为P沟道金属氧化物半导体场效应(pMOS)晶体管。如本领域技术人员所知，pMOS晶体管可在栅电压为低时开启(即导通)，并在栅电压为高时关断(即不导通)。通过调节栅电压，可控制pMOS晶体管的导通状态为开启或关断。
放电控制信号可控制第一晶体管Q11的状态，如通过调节第一晶体管Q11的栅电压以开启或关断第一晶体管Q11。若检测到流经Rs的电流超过阈值，且该阈值对应于电池最大放电电流设定值，则电池充电器及电池放电电流保护电路114可关断第一晶体管。关断第一晶体管Q11可防止电流从电池106流向负载108，也可防止电流从DC/DC转换器104流向负载108。换言之，当第一晶体管Q11关断(即不导通)时，负载108可与电池106及DC/DC转换器104断开。在一些实施例中，若电池充电器及电池放电电流保护电路114已将第一晶体管Q11关断，则电池充电器及电池放电电流保护电路114可在一段时间后重新开启第一晶体管Q11，例如使负载108和电池106及/或DC/DC转换器重新连接上。若检测到流经Rs的电流仍然超过阈值，则电池充电器及电池放电电流保护电路114可再次关断第一晶体管Q11。以此方式，若故障，如短路已排除，负载108可再次与电池106及/或DC/DC转换器104连接上。
在一些实施例中，若当电池106与负载108连接时，检测到反向电流流经感应电阻Rs，例如电池106以相反的极性连接：电池正端与端口VOUT-/BATT-连接，电池负端与端口BATT+连接，则电池充电器及电池放电电流保护电路114可关断第二晶体管Q12。
充电控制信号可控制第二晶体管Q12的导通状态，例如通过调节第二晶体管Q12的栅电压，以使充电电流保持预设值，例如充电电流设定值。充电控制信号可维持第二晶体管Q12在线性区工作。至少部分基于检测到的流经Rs的电流，电池充电器及电池放电电流保护电路114可调节第二晶体管Q12的导通状态。若检测到的流经Rs的电流为大于充电电流的预设值的第一值，则电池充电器及电池放电电流保护电路114可减小第二晶体管Q12的导通程度，如增加第二晶体管Q12的栅电压，以减小充电电流。若检测到的流经Rs的电流为小于充电电流设定值的第二值，则电池充电器及电池放电电流保护电路114可增加第二晶体管Q12的导通程度，如减小第二晶体管Q12的栅电压，以增大充电电流。以此方式，可通过控制第二晶体管Q12的导通，如通过调节栅电压，调节流经第二路径112的充电电流至等于或接近充电电流设定值。第二路径112包括DC/DC转换器104及电池106。在一些实施例中，上述充电电流设定值的第一值和第二值可相同。
如图1所示电源系统100中，充电电流或放电电流可流经感应电阻Rs。是否有充电电流或放电电流流过可取决于DC/DC转换器104、电池106及/或负载108。DC/DC转换器提供足够的电流为电池106充电并为负载108供电时，充电电流可在DC/DC转换器104及电池106间流动。DC/DC转换器104为负载108提供的电流不充分时，放电电流从电池流出。在此情况下，电池106及DC/DC转换器104可一起为负载108供电，或者若DC/DC转换器不可提供电流，则仅电池为负载供电。
例如，DC/DC转换器104用于提供达到DC/DC转换器104内部极限值的电流。来自DC/DC转换器104的电流分成流经电池106，即充电电流，及流经负载108，即负载电流，的部分，是否有提供给电池106的充电电流至少部分取决于负载电流。若负载电流小于DC/DC转换器104内部电流的极限值与电池充电电流设定值间的差值，则可有充电电流，如此处所述，经电池充电器及电池放电电流保护电路114调节，供给电池106。若负载电流大于DC/DC转换器104内部电流的极限值与电池充电电流设定值间的差值并小于DC/DC转换器104内部电流的极限值，则充电电流可小于电池充电电流设定值。在此情况下，电池充电器及电池放电电流保护电流114可调节第二晶体管Q12的栅电压以最大程度地导通第二晶体管Q12。若负载电流大于DC/DC转换器104内部电流的极限值，则放电电流自电池106流向负载108。在此情况下，来自电池106的放电电流可达到最大放电电流设定值。若放电电流增至超过最大放电电流设定值，则如此处所述，电池充电器及电池放电电流保护电路114可控制第一晶体管Q11以断开负载108与DC/DC转换器104及/或电池106的连接。
当放电电流流经感应电阻Rs时，电流可沿放电路径110自电池106流经第二晶体管Q12，例如流经第二晶体管Q12的内部二极管，感应电阻Rs及第一晶体管Q11，流至负载108。若DC/DC转换器104也提供电流，则来自电池106的电流及来自DC/DC转换器104的电流均可流经第一晶体管Q11。至少部分基于流经感应电阻Rs的电流，电池充电器及电池放电电流保护电流114可控制第一晶体管Q11。若来自电池106的放电电流超过最大放电电流设定值，则电池充电器及电池放电电流保护电路114关断第一晶体管Q11，以断开负载108与电池106及DC/DC转换器104的连接。例如，负载108短路时，放电电流超过最大放电电流设定值。
充电电流流经感应电阻Rs时，此电流，即充电电流，可自DC/DC转换器104流经感应电阻Rs及第二晶体管Q12，流至电池106。如DC/DC转换器104也为负载108提供电流，则此电流，即负载电流，可自DC/DC转换器104流经第一晶体管Q11，流至负载108。电池充电器及电池放电电流保护电路114调节第二晶体管Q12的导通程度以使充电电流保持充电电流设定值。电池106充电时，电池充电器及电池放电电流保护电路114也可保持第一晶体管Q11开启以允许负载电流自DC/DC转换器104流向负载108。
优选地，如图1中电源系统100，感应电阻Rs可用于感测充电电流和放电电流。若充电电流流经感应电阻Rs，因充电电流与放电电流反向，充电电流与负的放电电流相应，电池充电器及电池放电电流保护电路114可保持第一晶体管Q11开启。
在一些实施例中，系统102可防止电池反极性耦合。在此情形，例如反极性耦合下，电池106的负端可与端口BATT+连接，电池106的正极可与端口BATT-连接。
若在反极性情形中，DC/DC转换器104耦合并工作，应用于感应电阻Rs及第二晶体管Q12的串联组合的电压对应于DC/DC转换器104的电压及电池106的电压的总和，例如VDC+VB。感测充电电流时，流经感应电阻Rs的电流可为正向。电池充电器及电池放电电流保护电路114可控制第二晶体管Q12，例如减小第二晶体管Q12的导通程度，以保持电流等于或接近充电电流设定值。在“正常”极性的情形中，应用于串联组合的电压对应于DC/DC转换器104的电压与电池106的电压的差值，例如VDC-VB。因电压总和VDC+VB比差值VDC-VB大，在反极性情形中，电池充电器及电池放电电流保护电路114可调节第二晶体管Q12的栅电压以减小第二晶体管Q12的导通程度并减小电流。
若在反极性情形中，DC/DC转换器104未耦合且/或未工作，例如未提供电流，则无电压向电池充电器及电池放电电流保护电路114及/或第二晶体管Q12供电。第二晶体管Q12可关断(即不导通)。在此情形下，因第二晶体管Q12的内部二极管反向偏置，未有反向电流自电池106流出。
在一些实施例中，可监控电池106的极性，如通过电池充电器及电池放电电流保护电路114。在这些实施例中，如电池106以反极性连接，电池充电器及电池放电电流保护电路114可关断第二晶体管Q12以断开电池106与DC/DC转换器104及负载108的连接。
相应地，图1所示电源系统100提供电池充电路径及电池放电路径，并分别提供电池充电电流及/或电池放电电流保护。通过控制第一晶体管Q11及/或第二晶体管Q12，控制流经上述路径的电流，例如调节流经上述路径的电流。电池充电器及电池放电电流保护电路114可使用感应电阻Rs检测电流，例如电池充电电流或电池放电电流。优选地，可通过控制第二晶体管Q12的导通状态而非基于DC/DC转换器104的电流限制，使充电电流保持充电电流设定值。基于在感应电阻Rs上检测到的放电电流控制第一晶体管Q11(例如开启或关断)，可避免过大放电电流流经电池106，例如负载短路的情形下。例如，检测到放电电流高于阈值，则关断第一晶体管Q11以断开负载108与电池及/或DC/DC转换器的连接。一段时间间隔后，电池充电器及电池放电电流保护电路114可重新连接负载108与电池106及/或DC/DC转换器。
如此处所述，图1所示电源系统100可使用p沟道MOSFET实现。在一些实施例中期望使用n沟道MOSFET。在图1所示电源系统100中，第一晶体管及第二晶体管控制电池106的正极与负载108的正端及/或DC/DC转换器104的正输出端VDC+间的连接。在此第一情形中，电池106及负载108的负端可与DC/DC转换器104的副输出端VDC-连接，例如负端可为共有。如使用n沟道MOSFET，n沟道晶体管可控制电池106的负极与负载108的负端及/或DC/DC转换器104的负输出端VDC-的连接。在此第二情形中，电池106及负载108的正端可与DC/DC转换器的正输出端VDC+连接，例如正端可为共有。如本领域技术人员所知，相对于p沟道MOSFET，n沟道MOSFET成本较低且性能较优。
图2为本发明另一个实施例提供的电源系统200的结构示意图，电源系统200包括可控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的系统202。与电源系统100相似，电源系统200可包括DC/DC转换器104，电池106及负载108。系统202可包括控制器电源214，第一控制电路例如电池充电器控制电路216，第二控制器电路例如电池放电电流保护电路218，感应电阻Rs，第一电阻R1，第二电阻R2及第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3及第四晶体管Q4。系统202可防止过大放电电流自电池106沿第一路径(即放电路径)210流向负载108，并控制电池充电电流自DC/DC转换器104沿第二路径(即充电路径)212流向电池106。
系统202还用于分别控制电池充电路径212及电池放电路径210。系统202控制流向电池106的充电电流并/或防止过大放电电流流经电池106，例如负载108短路时。流经第一路径210的电流，例如放电电流，可自电池106的正极流出，流经负载108、端口VOUT-、第一晶体管Q1、感应电阻Rs、第二晶体管Q2的内部二极管，当第二晶体管Q2导通时，及/或流经第二晶体管Q2，然后经端口BATT-，流向电池106的负极。流经第二路径212的电流，例如充电电流，可自DC/DC转换器104的正输出端VDC+流出，流经端口VOUT/BATT+，流向电池106，并自电池106流经第二晶体管Q2、感应电阻Rs，流向DC/DC转换器104的负输出端VDC-。
控制器电源214可由DC/DC转换器104及/或电池106供电。控制器电源214可与端口VDC+及VDC-耦合。当DC/DC转换器104与系统202耦合且DC/DC转换器104工作时，控制器电源214可通过VDC+及VDC-自DC/DC转换器104接收电能。当DC/DC转换器104未与系统202耦合且DC/DC转换器104未工作时，若电池106与系统202连接，则控制器电源214可接收来自电池106的电能。若电池106与系统202连接，控制器电源214可在端口VDC+及VDC-通过第一晶体管Q1的内部二极管接收来自电池106的电能。
电池充电器控制电路216通过感应电阻Rs检测充电电流。电池放电电流保护电路218通过感应电阻Rs检测放电电流。例如，电池充电器控制电路216及/或电池放电电流保护电路218可检测感应电阻上的电压，该电压代表流经感应电阻的电流。至少部分基于检测到的电压及/或电流，电池放电电流保护电路218向包括第一晶体管Q1及第三晶体管Q3的第一晶体管对，例如放电晶体管对，提供第一信号，例如放电控制信号，且/或电池充电器控制电路216向包括第二晶体管Q2及第四晶体管Q4的第二晶体管对，例如充电晶体管对，提供第二信号，例如充电控制信号。例如，第一晶体管Q1，第二晶体管Q2，第三晶体管Q3及第四晶体管Q4可为n沟道MOSFET。
如本领域技术人员所知，对于n沟道MOSFET，为开启n沟道MOSFET，相对于源极，可以较高电压驱动栅端，如栅电压大于n沟道MOSFET的源极电压。在电源系统200中，若去掉第三晶体管Q3及第四晶体管Q4，第一晶体管Q1及第二晶体管Q2的栅极分别与结点1及结点2耦合。例如，其中，结点1可以为电池放电电流保护电路218的输出，结点2可以为电池充电器控制电路216的输出。若电池充电器控制电路216及/或电池放电电流保护电路218不能工作，例如因控制器电源214失效，第一晶体管Q1及第二晶体管Q2将关断。第一晶体管Q1及第二晶体管Q2关断，DC/DC转换器104及电池106将与负载108断开连接且DC/DC转换器104将与电池106断开连接。
电池充电器控制电路216及/或电池放电电流保护电路218不能工作，例如因控制器电源214失效时，包括第三晶体管Q3及第四晶体管Q4的系统202连接电池106与负载108及DC/DC转换器104。换言之，当第三晶体管Q3及第四晶体管Q4关断时，通过电阻R1及电阻R2，第一晶体管Q1及第二晶体管Q2开启。电阻R1及电阻R2使第一晶体管Q1及第二晶体管Q2的栅极与VDC+及VOUT/BATT+耦合。若电池充电器控制电路216及/或电池放电电流保护电路218不能工作，则第一晶体管Q1及第二晶体管Q2开启，例如导通，DC/DC转换器104可向电池106及/或负载108供电，且/或电池106可向负载108供电。在此模式下，例如控制器电源失效，DC/DC转换器104的电流限制可限制流向电池106的充电电流，且无防止过大放电电流流经电池106，例如因负载208短路的功能。此模式下的功能对应于没有系统202的电源系统。
电池放电电流保护电路218提供放电控制信号以控制第三晶体管Q3的状态，并通过第三晶体管Q3控制第一晶体管Q1的状态，例如驱动第三晶体管Q3及第一晶体管Q1至两状态(即开启或关断)中的某一或某另一状态。若检测到的流经感应电阻Rs的电流超过对应于电池最大放电电流设定值的阈值，电池放电电流保护电路218开启第三晶体管Q3并相应地关断第一晶体管Q1。如此所述，关断第一晶体管Q1以断开负载108与电池106及/或DC/DC转换器104的连接。在一些实施例中，若电池放电电流保护电路218已关断第一晶体管Q1，则电池放电电流保护电路218可在一段时间后开启第一晶体管Q1，例如使负载108与电池106及/或DC/DC转换器104重新连接。若检测到的流经Rs的电流仍然超过阈值，则电池放电电流保护电路218再次关断第一晶体管Q1。以此方式，若故障已排除，例如短路已排除，负载108可再次与电池106及/或DC/DC转换器104耦合。
电池充电器控制电路216可调节第四晶体管Q4的导通状态并通过第四晶体管Q4调节第二晶体管Q2的导通状态，以保持第四晶体管Q4及第二晶体管Q2在线性区工作，从而为电池充电电流提供连续调节。如此处所述，至少部分基于检测到的流经感应电阻Rs的电流，电池充电器控制电路216调节第四晶体管Q4及第二晶体管Q2的导通状态。如此处所述，以此方式，通过控制第四晶体管Q4的导通状态并进而控制第二晶体管Q2的导通状态，流经包括DC/DC转换器104及电池106的第二路径212的充电电流可调节至等于或接近充电电流预设值。
以此方式，系统202提供控制，使电池充电电流大约为设定值，例如充电电流设定值。此外，系统202还用于在检测到的电池放电电流超过最大电池放电电流设定值时断开负载，从而避免产生过大的电池放电电流。
图3为图2所示电源系统中的电池充电器控制电路302的结构示意图。至少部分基于检测到的电池充电电流及充电电流设定值，电池充电器控制电路302提供电池充电电流的闭环控制。本例中的电池充电器控制电路302包括放大器OA31，电容C31及电阻R31、R32，还可能包括电阻R33。电池充电器控制电流302接收充电电流设定值，与感应电阻Rs耦合，并提供输出OUT，如向图2中的系统202的结点2提供输出OUT。
电阻R31与电阻R32耦合且电阻R31及R32与放大器OA31的负输入端耦合。电阻R31与放大器OA31的输入耦合，且电阻R31接收代表充电电流设定值的信号，如电压。在一些实施例中，充电电流设定值可在电池充电器控制电路302中产生。电阻R31及电阻R32为充电电流设定值提供分压功能，并将分压得到的电压提供给放大器OA31的负输入端。
电容C31耦合在放大器OA31的输出与放大器OA31的负输入端间。电容C31为电池充电器控制电路302提供主极点以提高稳定性。如本领域技术人员所知，晶体管，如n沟道MOSFET第二晶体管Q2及第四晶体管Q4，包括内部电容。例如，与第四晶体管Q4的栅极相关的电容及与第四晶体管Q4的漏端相关的寄生电容与R32耦合，可为电池充电器控制电路提供相对高的频率极点。电容C31在电池充电器控制电路302中提供主(即低频)极点及相应较高的稳定性。
电阻R33可与放大器OA31的负输入端耦合。如本领域技术人员所知，电阻R33可补偿放大器OA31的输入的非理想特性。电阻R32及电阻R33与感应电阻Rs耦合。
当电池充电器控制电路302耦合在图2中的系统202中时，感应电阻Rs可连接在电阻R32与R33间，且放大器OA31的输出可与结点2及第四晶体管Q4的栅极耦合。通过适当选择电阻R31及电阻R32，可使放大器OA31正输入端的电压，例如感应电阻Rs上的电压，等于或接近放大器OA31负输入端的电压，例如(R32/(R31+R32))＊充电电流设定值得到的电压时，流经感应电阻Rs的电流与充电电流设定值对应。若流经感应电阻Rs的电流大于充电电流设定值，则电池充电器控制电路302调节第四晶体管Q4的导通状态，从而调节第二晶体管Q2的导通状态，以增加流向电池104的充电电流。换言之，若检测到的充电电流大于充电电流设定值，电池充电器控制电路302增大其输出以增大第四晶体管Q4的栅极电压，并减小第二晶体管Q2的栅极电压。相反地，若检测到的充电电流小于充电电流设定值，电池充电器控制电路302减小其输出以减小第四晶体管Q4的栅极电压，并增大第二晶体管Q2的栅极电压。以此方式，电池充电器控制电路302控制充电电流等于或近于对应于充电电流设定值的电流。
图4为图2所示电源系统中的电池放电电流保护电路402的一实施例的结构示意图。本实施例中的电池放电电流保护电路402包括放大器OA41、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R45、电容C41及二极管D1。在一些实施例中，放大器OA41可作为比较器。放大器OA41可在正输入端的电压大于其负输入端的电压时提供等于或近于其正电源电压的输出，在正输入端的电压小于其负输入端的电压时提供等于或近于其负电源电压的输出。如本领域技术人员所知，负电源电压可为零，如地。
电池放电电流保护电路402用于接收代表电池最大放电电流设定值的信号。电池放电电流保护电路402与感应电阻Rs耦合。电池放电电流保护电路402向图2中的系统202的结点1及第三晶体管Q3的栅极提供输出。该输出开启或关断第三晶体管Q3，同时关断或开启第一晶体管Q1，从而阻止或允许电流在电池106及/或DC/DC转换器104与负载108间流动。
在本例的电池放电电流保护电路402中，电阻R41及电阻R42相互连接，并连接至放大器OA41的负输入端。电阻R43耦合在放大器OA41的输出及正输入端间。电阻R44与电容C41串联耦合，且该串联组合耦合在放大器OA41的输出与正输入端间，并与电阻R43并联。电阻R45与放大器OA41的正输入端耦合。二极管D1的阳极与电阻R45耦合，阴极与电阻R44及电容C41耦合。
电阻R41接收代表电池最大放电电流设定值的信号。R42与感应电阻Rs的第一端耦合。电池放电电流保护电路402耦合在图2的系统202中时，R45及二极管D1的阳极与感应电阻Rs的第二端耦合。
电池放电电流保护电路402可为迟滞比较器。如本领域技术人员所知，根据比较器输入端信号的相对幅度，比较器的输出可为低，例如等于或接近负电源电压，或者，比较器的输出也可为高，例如等于或接近正电源电压。例如，若正输入端的信号大于负输入端的信号，比较器的输出可为高，若负输入端的信号大于正输入端的信号，比较器的输出可为低。典型地，比较器的一输入端与基准耦合，另一输入端与与基准进行比较的输入信号耦合。在此情形中，比较器的输出是输入信号高于或低于基准的指示信号。
在迟滞比较器中，使比较器的输出“翻转”的输入信号值不仅取决于该输入信号值，也取决于比较器的输出，即比较器的状态。例如，输入信号应用于正输入端，基准应用于负输入端，若比较器的输出为低，使比较器翻转的输入信号值可高于当输出为高时使比较器翻转的输入信号值。
若检测到流过感应电阻的电流超过对应于电池最大放电电流设定值的电池最大放电电流，电池放电电流保护电路402在第一时间(即断开时间)段内持续开启第三晶体管Q3并关断第一晶体管Q1。第三晶体管Q3开启且第一晶体管Q1关断时，负载108与电池106及/或DC/DC转换器104断开，从而既无放电电流从电池流出，也无放电电流流过感应电阻Rs。负载108断开时，充电电流可流过感应电阻Rs。这使负载108断开时，DC/DC转换器104可为电池106充电。
在第一时间段后，电池放电电流保护电路402在第二时间(即连接时间)段关断第三晶体管Q3并开启第一晶体管Q1。若检测到流经感应电阻的电流仍然超过电池最大放电电流设定值对应的电池最大放电电流，电池放电电流保护电路402再次在第一时间段内持续开启第三晶体管Q3并关断第一晶体管Q1，之后再在第二时间(即连接时间)段关断第三晶体管Q3并开启第一晶体管Q1，直到检测到流经感应电阻的电流不再超过电池最大放电电流。若检测到流经感应电阻的电流不再超过电池最大放电电流，电池放电电流保护电路402保持关断第三晶体管Q3并开启第一晶体管Q1，以继续监控流经感应电阻Rs的电池放电电流。
第一时间段及第二时间段可不相等。第一时间段的时间长度可至少部分基于与电容C41及电阻R43、电阻R44及电阻R45相关的时间常数。第二时间段的时间长度可至少部分基于与电容C41，电阻R43、电阻R44及电阻R45及二极管D1相关的时间常数。二极管D1可减小与第一时间段相关的第二时间段的时间长度。例如，第一时间段的时间长度可大约为20毫秒，第二时间段的时间长度可大约为1毫秒。其他时间长度均有可能且在本发明所揭露的范围内。
例如，若起初检测到的放电电流小于电池最大放电电流，且放大器OA41的输出为低，如等于或接近负电源电压，电池106可与负载108连接放电电流流经感应电阻Rs，且检测到的代表放电电流的电压Vs，如Vs＝Rs＊放电电流，可小于由电池最大放电电流设定值得到的电压，如(R42/(R41+R42))＊电池最大放电电流设定值。若放电电流增加至大于最大放电电流的值，如因负载短路，Vs可超过由电池最大放电电流设定值得到的电压。放大器OA41正输入端的电压可超过负输入端的电压，致使放大器OA41翻转。因此，放大器OA41的输出可从低变化至高，使第三晶体管Q3开启，第一晶体管Q1关断，使负载108与电池106及/或DC/DC转换器104断开，并使自电池106流出的放电电流中断。如本文所述，翻转指改变状态，低对应于等于或近于负电源电压，高对应于等于或近于正电源电压。放大器OA41输出从低至高的转换可因电阻R43的正反馈作用在相对较短时间段内完成，例如较快完成。
第一时间段可从放大器OA41的输出转换至高开始。在第一时间段内，电容C41充电至放大器OA41的输出电压(即高电压)。电容C41的充电速率可至少部分基于电容C41的电容值及电阻R44的电阻值。C41充电时，放大器OA41正输入端的电压可下降。当放大器OA41正输入端的电压下降至低于放大器OA41负输入端的电压时，放大器OA41可转换。因此，放大器OA41的输出可从高转换至低，使第三晶体管Q3关断，第一晶体管Q1开启，重新连接负载108与电池106及/或DC/DC转换器104，并使放电电流自电池106流向负载，并流经感应电阻Rs。
第二时间段可从放大器OA41的输出转换至低开始。在第二时间段内，C41用于放电至放大器OA41的输出电压(即低电压)。电容C41的放电速率可至少部分基于电容C41的电容值及二极管D1。如上所述，二极管D1为电容C41提供放电路径，从而使与电容放电有关的时间常数相对于与电容充电相关的时间常数变短。C41放电时，负载108可与电池106及/或DC/DC转换器104耦合，DC/DC转换器104允许放电电流流经感应电阻Rs。若放电电流小于电池最大放电电流，放大器OA41的输出可保持为低，从而维持电池106与负载108的连接。若在第二时间段结束时，放电电流增至大于最大放电电流，例如负载持续短路，Vs可超过由电池最大放电电流设定值得到的电压。放大器OA41正输入端的电压可超过负输入端的电压，从而使放大器OA41的输出翻转至高从而将电池106及/或DC/DC转换器104与负载108断开，此循环可重复。换言之，若负载108持续短路，电池放电电流保护电路402可如上所述，再次断开负载108与电池106及/或DC/DC转换器104。
以此方式，若检测到的放电电流超过电池最大放电电流，电池放电电流保护电路402可在第一时间段内将电池106及/或DC/DC转换器104与负载108断开。第一时间段后，电池放电电流保护电路402还再次连接电池106及/或DC/DC转换器104与负载108。若过大放电电流持续存在，在第二时间段后，电池放电电流保护电路402再次断开电池106及/或DC/DC转换器104与负载108，且此循环重复。典型地，第一时间段可长于第二时间段，以使得大于电池最大放电电流值的从电池106流出的放电电流可存在在相对较短时间内。
图5为本发明又一个实施例提供的电源系统500的结构示意图，电源系统500包括可控制电池充电并在电池放电过程中提供保护的系统502。与电源系统100及电源系统200相似，如上所述，电源系统500包括DC/DC转换器104，电池106及负载108。与系统202相似，如上所述，系统502可包括控制器电源214，感应电阻Rs，第一电阻R1，第二电阻R2及第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3及第四晶体管Q4。系统502可包括控制电路，例如控制器510，用于提供电池充电电流控制及/或电池放电电流保护。
如上所述，控制器510提供的功能可与电池充电控制电路216及/或302及/或电池放电保护电路218及/或402等效。控制器510可包括处理器(CPU)512，输入及/或输出(I/O)电路514及/或存储器516。如本领域技术人员所知，控制器510还可包括其他电路。系统502用于防止过大电池放电电流自电池106沿第一路径210流向负载108，并控制流经第二路径212的电池充电电流。
与系统102及202类似，系统502分别提供对电池充电路径，例如电池充电路径212，的控制及电池放电路径，例如电池放电路径201，的控制。与系统202类似，系统502控制流向电池106的充电电流及/或防止过大放电电流自电池106流出，例如负载108短路时。控制器510检测流经感应电阻Rs的电流，例如电池充电电流或电池放电电流，若通过检测代表流经感应电阻Rs的电流的电压。为响应检测到的电流，控制器510还向第三晶体管Q3及/或第四晶体管Q4提供一个或多个输出信号。
控制器510可包括存储在存储器516内的指令。CPU512执行该指令时，使控制器510检测流经感应电阻Rs的电流，并提供响应该检测到的电流的输出。存储器516可包括代表充电电流设定值及/或电池最大放电电流设定值的数据。I/O电路514可包括模数转换器(ADC)，用以将检测到的模拟信号转换成数字信号。模数转换器ADC可检测感应电阻RS上的电压，该电压代表流经感应电阻Rs的充电或放电电流。模数转换器ADC还将检测到的电压转换成代表检测到的电压的数字信号。
控制器510可用于在预设的时间段内检测流经感应电阻Rs的电流。若检测到的电流大于或小于阈值，控制器510可接收中断。
控制器510用于判断检测到的电压代表充电电流或代表放电电流。若检测到的电压代表充电电流，控制器调节与第四晶体管Q4的栅端耦合的输出信号。例如，I/O电路514可包括数模转换器DAC，用以将数字数据转换成相应的模拟输出信号。如本领域技术人员所知，控制器510可采用DAC向第四晶体管Q4的栅极提供模拟输出信号。若检测到的电压代表放电电流，控制器510调节与第三晶体管Q3的栅极耦合的输出信号。
在操作过程中，控制器510调节第四晶体管Q4的栅极电压，从而调节第二晶体管Q2的栅极电压，以使电池充电电流保持对应于充电电流设定值的充电电流。响应于检测到的电池放电电流，控制器510调节第三晶体管Q3栅端的电压，以开启或关断第一晶体管Q1。若检测到的电池放电电流超过对应于电池最大放电电流设定值的电流，控制器510开启第三晶体管Q3并关断第一晶体管Q1，从而使负载108与电池106及/或DC/DC转换器104。控制器510可在第一时间段内断开负载108。控制器510可在第二时间段内重新连接负载108与电池106及/或DC/DC转换器104，如关断第三晶体管Q3并开启第一晶体管Q1。若过大电池放电电流条件仍然存在，控制器510可再次在第一时间段内断开负载108。时间段的长度可由一个或多个计时器提供。如本领域技术人员所知，计时器可包含在控制器510内。
相应地，系统502可使电池充电电流保持充电电流设定值并/或防止大于电池最大放电电流设定值的电池放电电流从电池106流出。
图6A-6C为本发明一个实施例提供的控制电池充电及/或提供电池放电保护的方法的流程示意图600，630及660。如此处所述，该方法中的操作可由包括控制器510的电路执行。
图6A为本发明一实施例提供的控制电池充电电流保持充电电流设定值的方法的流程示意图。
在步骤605中，检测电流，该电流可以是电池放电电流或电池充电电流；
在步骤610中，若电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，断开负载；
在步骤615中，调节充电电流以使该充电电流保持充电电流设定值。
图6B为本发明一实施例提供的控制电池充电电流保持充电电流设定值的方法的流程示意图。
在步骤635中，检测电池充电电流；
在步骤640中，检测到的电池充电电流可与充电电流设定值进行比较；
在步骤645中，调节以使检测到的电池充电电流等于或接近充电电流设定值。
以此方式，可控制电池充电电流保持充电电流设定值。
图6C为本发明一实施例提供的防止过大电池放电电流的方法的流程示意图。
在步骤655，检测电池放电电流；
在步骤670，如检测到的电池放电电流超过阈值，例如电池最大放电电流设定值，在第一时间段内断开负载；
在步骤675，在第二时间段内重新连接负载。
需要说明的是，上述这些步骤可重复。
以此方式，若检测到超过电池最大放电电流设定值的电池放电电流，负载将与电池及/或DC/DC转换器断开连接。调节以使检测到的电池充电电流等于或接近充电电流设定值。以此方式，若检测到的电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，例如负载短路，可控制电池充电电流保持充电电流设定值。可多次重新连接负载与电池及/或DC/DC转换器，且若放电电流小于电池最大放电电流设定值，负载可保持连接。
相应地，此处描述了数个可分别提供电池充电路径的控制及电池放电路径的控制的系统。该数个系统可检测电池充电电流或电池放电电流，并控制充电电流保持充电电流设定值，及/或在检测到的放电电流超过电池最大放电电流设定值，例如负载短路时，断开负载与电池及/或DC/DC转换器。
虽然图6A-6C根据一些实施例描述了步骤的示例，但图6A-6C中描述的步骤在其他实施例中并不是必需的。事实上，在本发明的其他实施例中可能包含图6A-6C中步骤及/或其他步骤的组合。因此，若干简单推演或替换某张图中的特征及/或步骤的权利要求都应当视为属于本发明的保护范围。
存储器516可包含一个或多个下列类型的存储器：半导体固件存储器、可编程存储器、非易失性存储器、只读存储器、电可编程存储器、随机存取存储器、闪存存储器、磁盘存储器、及/或光盘存储器。存储器516还可包含或仅包含其他及/或将来开发出来的计算机可读存储器。
此处描述的方法中的实施例可由处理器及/或其他可编程器件实现。因此，此处描述的方法可在存储有指令的有形计算机可读媒介上实现。处理器及/或其他可编程器件运行时，实现此处描述的方法。存储媒介可包括任何类型的有形媒介，例如，包括软驱、光盘，只读光盘存储器(CD-ROMs)、可重复刻录光盘(CD-RWs)、光学磁盘、半导体器件如只读存储器(ROMs)、随机存取存储器(RAMs)如动态及静态RAMs、可擦可编程只读存储器、闪存存储器、磁卡或光卡、或任何类型的适合存储电子指令的媒介在内的任何磁盘。
除非特别声明，否则正如前述讨论中显而易见地，本说明书中使用的“操作”、“处理”、“计算”、“估算”、“决定”或其他相似词语，指计算机或计算系统或相似的电子计算仪器或器件。该计算机或计算系统或相似的电子计算仪器或器件将计算系统寄存器及/或存储器上代表物理量例如电气量的数据转换成计算系统存储器，寄存器/或其他信息存储，传播或显示器件上的相似地代表物理量的其他数据。
本文任一实施例中的“电路”，可包含，例如，以下电路中的单个或组合：固定电路、可编程电路、状态机电路，及/或存储可编程电路执行的指令的固件中。
在这里已经采用的术语和表述被用作叙述术语，而非限制，并且没有企图在上述术语和表述的使用中排除所示的和所描述的特征(或由此的部分)的任一等价物，而且应该认识到，在权利要求范围内的各种修改都是可能的。相应地，权利要求涵盖所有等价物。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (18)
1.一种可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述系统包括：
控制电路，用于检测电池放电电流或电池充电电流；
第一晶体管，用于若电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，则使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开；及
第二晶体管，用于调节所述电池充电电流以使所述电池充电电流保持充电电流设定值。
2.根据权利要求1所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述第一晶体管至少部分基于第一信号断开负载或连接负载，所述第一信号来自所述控制电路，用以开启或关断所述第一晶体管。
3.根据权利要求1所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述第二晶体管调节所述充电电流以响应于来自所述控制电路的第二信号，所述第二信号使所述第二晶体管工作于线性工作区。
4.根据权利要求1所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述系统还包括感应电阻，所述检测到的电流响应于流经所述感应电阻的电流。
5.根据权利要求1所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述系统还包括第三晶体管和第四晶体管，用于若所述控制电路不能工作，则保持所述负载、所述电池及所述DC/DC转换器间的连接。
6.根据权利要求1所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述控制电路包括电池充电控制器电路，用以比较所述充电电流设定值及所述检测到的电流，并至少部分基于所述比较的结果，以向所述第二晶体管提供第二信号。
7.根据权利要求1所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述控制电路包括电池放电保护电路，用以比较电池最大放电电流设定值与所述检测到的电流，并至少部分基于所述比较的结果，向第一晶体管提供第一信号。
8.根据权利要求1所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述第一晶体管在第一时间段内使负载保持断开，并在所述第一时间段后连接负载。
9.根据权利要求8所述的可控制电池充电并保护电池放电的系统，其特征在于，所述第一晶体管在第二时间段内使负载保持重新连接，且若所述电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，则在所述第二时间段后使负载重新连接。
10.一种可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过控制电路检测电池放电电流或电池充电电流；
若所述电池放电电流超过电池最大放电电流设定值，则通过第一晶体管使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开；及
通过第二晶体管调节所述电池充电电流，以使所述充电电流保持充电电流设定值。
11.根据权利要求10所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过第一晶体管使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开的步骤进一步包括：
至少部分基于第一信号使负载断开，所述第一信号来自所述控制电路，用于开启或关断所述第一晶体管。
12.根据权利要求10所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过第二晶体管调节所述电池充电电流，以使所述充电电流保持充电电流设定值的步骤进一步包括：
调节所述电池充电电流以响应于第二信号，所述第二信号来自所述控制电路，使所述第二晶体管工作于线性工作区。
13.根据权利要求10所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过控制电路检测电池放电电流或电池充电电流的步骤进一步包括：
检测感应电阻上的电压，且检测到的电压对应于流经所述感应电阻的电流。
14.根据权利要求10所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过控制电路检测电池放电电流或电池充电电流的步骤还包括：
若所述控制电路不能工作，则通过第三晶体管及第四晶体管，维持所述负载、所述电池及所述DC/DC转换器间的连接。
15.根据权利要求10所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过第二晶体管调节所述电池充电电流，以使所述充电电流保持充电电流设定值的步骤进一步包括：
比较所述充电电流设定值与所述检测到的电流，并至少部分基于比较的结果向所述第二晶体管提供第二信号，所述负载断开响应于所述第二信号。
16.根据权利要求10所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过第一晶体管使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开的步骤进一步包括：
比较所述电池最大放电电流设定值与所述检测到的电流，并至少部分基于比较的结果向所述第一晶体管提供第一信号，所述调节所述电池充电电流的步骤响应于所述第一信号。
17.根据权利要求10所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过第一晶体管使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开的步骤还包括：
在第一时间段内使所述负载保持断开，并在所述第一时间段后重新连接所述负载。
18.根据权利要求17所述的可控制电池充电并保护电池放电的方法，其特征在于，所述通过第一晶体管使负载至少与电池及DC/DC转换器中的一个断开的步骤还包括：
若所述电池放电电流超过所述电池最大放电电流设定值，在所述第二时间段内使所述负载保持重新连接，并在所述第二时间段后断开所述负载。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 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 |
Granted publication date: 20141112 Termination date: 20201019 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |