CN102692604B - 一种多节串联可充电电池的状态检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可充电电池保护电路领域，具体公开了一种多节串联可充电电池的状态检测电路，包括：控制模块，用于产生分时控制的时序信号；分时采样模块，用于控制模块产生的时序信号对多节串联可充电电池的电压进行分时采样，并得到电池两端的采样电压值；状态判断模块，用于根据电池两端的采样电压值得到该电池的电池状态。利用控制模块提供的时序信号控制分时采样模块进行分时采样，从而分时得到电池两端的采样电压值，这样便仅需要一个状态判断模块即可，从而减小了电路面积，并节约了成本。

Description

一种多节串联可充电电池的状态检测电路

技术领域

本发明涉及可充电电池保护电路领域，具体涉及一种多节串联可充电电池的状态检测电路。

背景技术

锂离子电池在便携式电池电子产品中的应用极为广泛。锂离子电池在过度充电状态下，电池能量将过剩，使电池温度上升，于是电解液分解而产生气体，因内压和温度上升而导致有着火或破裂的危险。反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电芯容量特性劣化及耐久性劣化(即充电次数降低)。要避免上述的过度充电及过度放电的发生，进而防止电池特性的劣化 ，专用于电池保护的集成电路应运而生。针对所保护电池的数目可分为单节电池保护电路与多节电池保护电路。同样针对多节电池保护电路的保护机制基本相同，但其具体实现方法各不相同，主要体现在采样、判断及它们相应的配合处理电路各不相同。

传统的多节电池保护电路的采样通常是这样实现的：每一节电池直接通过一串大电阻连接本节电池的正负极，直接获取各节电池电压，再经过大电阻分压使本节电池电压衰减至一个需要的电压，然后每一节电池衰减后的电压与本节电池电压产生的一个基准电压进行比较，最后判断电池处于某种状态，实现保护功能。以4节电池保护电路为例，其具体电路原理图如图1所示。

四节电池V1、V2、V3、V4串联，电池V1的正负极VA、VB分别连接本节电池的修调模块的高电位端和低电位端，电池V2的正负极VB、VC分别连接本节电池的修调模块的高电位端和低电位端，电池V3的正负极VC、VD分别连接本节电池的修调模块的高电位端和低电位端，电池V4的正负极VD、GND分别连接本节电池的修调模块的高电位端和低电位端。经过修调后，分别得到电池的过压阈值（图2中C点电压）、过压回复阈值（图2中B点电压）、欠压阈值（图2中A点电压）、欠压回复阈值（未示出，可根据实际情况增加）等，并分别与各自的比较器比较，进而判断出电池所处的状态。修调模块具体电路如图2所示，以第一节为例。原理较为简单，即通过需要的阈值点计算所需电阻，然后熔断选择的熔丝，获得所需电阻，通过电阻分压形式使得输入电压衰减，得到一个适合比较的电压，输出至比较器与本身的基准进行比较判断。

假设熔断熔丝F2和熔丝F3，过压、欠压、过压回复的基准都为Vref1，则可得修调输出的过压阈值为：

Vovch=Vref1*(R2+R3+R5+R6+R7+R8)/(R2+R3+R5+R6+R7)    (1)

 过压回复阈值为：

 Vovr1=Vref1*(R2+R3+R5+R6+R7+R8)/(R2+R3+R5+R6)     (2)

 欠压阈值为：

 Vovch=Vref1*(R2+R3+R5+R6+R7+R8)/(R2+R3+R5)      （3）

上述采样及处理方案的缺点在于：每一节电池对应都有一个本身的状态判断模块，包括修调模块、基准电路与比较器电路，这样的结果会使整个电路的结构变得复杂，面积增大，增加投入成本，基准电路与比较器电路的增加也会大大增加功耗；另一方面，各节电池始终连接本身的修调电阻部分，电池会通过电阻自放电，假设每节电池电压为3.7V，即使自放电功耗低至1uA，各节修调电阻至少为3.7M，四节电池则需14.8M电阻。这样不仅浪费面积，增加整个电路的功耗，因为实际电阻制作中要保证各电阻的匹配变得很困难，因此在精确度较高的电池保护电路应用中就并不合适了。

发明内容

本发明为解决现有技术中每节电池均需要一个状态判断模块的问题，从而提供了一种多节电池只需要一个状态判断模块的多节串联可充电电池的状态检测电路。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种多节串联可充电电池的状态检测电路，包括：控制模块，用于产生分时控制的时序信号；分时采样模块，用于根据控制模块产生的时序信号对多节串联可充电电池的电压进行分时采样，并得到电池两端的采样电压值；状态判断模块，用于根据电池两端的采样电压值得到该电池的电池状态。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的一种多节串联可充电电池的状态检测电路，利用控制模块提供的时序信号控制分时采样模块进行分时采样，从而分时得到电池两端的采样电压值，这样便仅需要一个状态判断模块即可，从而减小了电路面积，并节约了成本。

附图说明

图1是现有技术中串联可充电电池的状态检测电路原理框图。

图2是现有技术中修调模块电路的原理图。

图3是本发明第一实施例检测电路原理框图。

图4是本发明实施例中分时采样模块电路原理框图。

图5是本发明图4实施例中分时采样模块电路原理图。

图6是本发明第二实施例检测电路原理框图。

图7是本发明第三实施例检测电路原理框图。

图8是本发明实施例中控制模块输出的时序信号示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3是本发明第一实施例检测电路原理框图；一种多节串联可充电电池的状态检测电路，包括：控制模块2，用于产生分时控制的时序信号；分时采样模块3，用于根据控制模块产生的时序信号对多节串联可充电电池的电压进行分时采样，并得到电池两端的采样电压值；状态判断模块4，用于根据电池两端的采样电压值得到该电池的电池状态。利用控制模块2提供的时序信号控制分时采样模块3进行分时采样，从而分时得到电池两端的采样电压值，这样便仅需要一个状态判断模块即可，从而减小了电路面积，并节约了成本。

图4是是本发明实施例中分时采样模块电路原理框图；该分时采样模块3包括：分别与多节串联可充电电池对应的开关组，开关组根据所述控制模块产生的时序信号分时将电池的电压输出。以四节串联电池为例，与第一电池V1对应的开关组为第一开关组S1，制模块产生的第一控制信号K1控制第一开关组S1的导通和关断。与第二电池V2对应的开关组为第二开关组S1，控制模块产生的第二控制信号K2控制第二开关组S2的导通和关断。两外两节电池与第一电池和第二电池相似，不再赘述。

图5是本发明图4实施例中分时采样模块电路原理图；在图4的基础上，每一开关组均包括至少一对开关管，每一对开关管的控制端均连接所述控制模块2产生的时序信号，控制模块2产生的时序信号个数等于电池的个数，并分时输出电池两端的采样电压值。所述每个开关管的一端分别连接电池的一端，所述开关管的另一端作为电池电压值的输出端。

本实施例中以四节串联电池为例，与第一电池V1对应的是两个开关管，即第三开关管M1和第四开关管M2，第三开关管M1和第四开关管M2的控制端连接在一起，以便与控制模块2输出的第一控制信号K1连接，第三开关管M1的一端连接第一电池V1的正极，另一端作为分时采样模块3的正输出端VBATP；第四开关管M2的一端连接第一电池V1的负极，另一端作为分时采样模块3的负输出端VBATN。同理第二电池V2、第三电池V3和第四电池V4均对应两个开关管，连接关系与第一电池相同。有些实施例中，根据设计中版图的面积，可以将与第二电池V2和第三开关管V3对应的开关管均设置为四个，如图6中所示，与第二电池对应的四个开关管的控制端均连接在一起，以便与控制模块2输出的第二控制信号K2连接，第五开关管M3与第四开关管串联后的一端连接第二电池V2的正端，另一端分时采样模块3的正输出端VBATP；第三电池的连接关系与此相同，不再赘述。

图6是本发明第二实施例检测电路原理框图，本实施例在图3的基础上增加电压处理模块5，用于根据电池的状态得到电池两端的电压差值。图7是本发明第三实施例检测电路原理框图，本实施例中的状态判断模块4包括：内部基准电路42和比较器43，内部基准电路42根据电池两端的采样电压值得到一参考电压，该参考电压连接比较器43的第二输入端，电池的采样电压连接比较器43的第一输入端，比较器43的输出端输出所判断电池的状态。上述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端。并且该电压处理模块5包括：电容C、第一开关管M21、第二开关管M22，所述第一开关管M21的一端连接电池两端采样电压值的负电位，另一端连接电容C的一端、电容C另一端连接第二开关管M22的一端连接，第二开关管M22的另一端连接地信号；所述状态判断模块2的输出端连接电容C的一端，电容C的另一端作为电压处理模块5的输出端，所述控制模块2控制第一开关管M21和第二开关管M22的导通和关断；所述比较器43的电源连接电池采样两端的电压。本实施例中，第一开关管M21和第二开关管M22均为NMOS管。电压处理模块的输出端还包括一反相器51，反相器51的输出连接锁存器52，锁存器52用于将输出的数据锁存。

本实施例中还包括修调电路41，用于将电池电压进行修调，所述状态判断模块4根据修调后的电压得到电池状态。

以下详述本发明串联可充电电池的状态检测电路实施例的原理：

图8是本发明实施例中控制模块输出的时序信号示意图，本实施例中以第一电池V1和第二电池V2对应的开关管为PMOS管，第三电池V3和第四电池V4对应的开关管为NMOS管为例。控制模块2输出的时序信号可以分时将四节电池对应的MOS管导通和关断，这样控制模块2输出的第一控制信号K1和第二控制信号K2为低电平时可将第一电池V1和第二电池V2对应的PMOS管导通，控制模块2输出的第三控制信号K3和第四控制信号K4为高电平时可将第三电池V3和第四电池V4对应的NMOS管导通，并且在每一时刻仅有一节电池对应的MOS管导通，可以保证分时采样模块3在每个时刻只采集到一节电池两端的电压。将某一时刻采样得到的某一节电池两端的电压连接至修调电路41，修调电路41进一步对电压值进行修调，修调后的电压连接至比较器43的正输入端，内部基准电路42根据该电压值得到参考电压并连接至比较器43的负输入端；并且比较器43的电压为分时采样模块3采样得到的电池两端电压值。当修调后得到的电压大于参考电压时，比较器43的输出由低电平转换成高电平，该高电平为采样得到的电池正端电压值。由于第一开关管M21、电容C和第二开关管M22串联，并且串联后的两端分别连接采样得到电压值的负输出端VBATN和地信号VSS；在比较器43输出端没有反转前，控制模块2控制第一开关管M21和第二开关管M22先导通后关断，这样便将电容C两端的电压差值固定在VBATN-VSS；当比较器43的输出由低电平转换成高电平VBATP时，由于电容C两端的电压值不能突变，导致电容C作为电压处理模块5输出端输出的电压值为VBATP-VBATN；这样便得到了电池两端的采样电压值。

控制模块2输出的四个时序控制信号对采样开关的开启作用不能同时发生，也即在同一时刻仅有一个采样开关是开启的，其他三个采样开关关断，它们的有效性是错位的，通过这种分时采样的方法实现四个开关依次轮流开启关断，从而达到把四节电池的电压分别采集输出，所采集到各节电池电位作为状态判断模块4（包括修调电路41、比较器43与内部基准电路42）的电源与地，因此判断模块的输出也即为各节电池两端的采样电压值。

进一步地，电压处理模块的输出端还包括一反相器51，反相器51的输出连接锁存器52，锁存器52用于将输出的数据锁存；由于反相器51和锁存器52的电源均为整个电路模块的电源，故可以根据比较器43的输出结果得到所采样电池处于的状态，即过压、欠压或者过压回复状态；采样电池的这些状态可以根据实际需要选择具体某一种或者几种状态，不同的电池状态对应相应的内部基准电路和放大器。这样便仅需要一个修调电路即可，从而减小了电路面积，并节约了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多节串联可充电电池的状态检测电路，其特征在于，包括：

控制模块，用于产生分时控制的时序信号；

分时采样模块，用于根据控制模块产生的时序信号对多节串联可充电电池的电压进行分时采样，并得到电池两端的采样电压值；

状态判断模块，用于根据电池两端的采样电压值得到该电池的电池状态；

电压处理模块，用于根据电池的状态得到电池两端的电压差值；电压处理模块包括：电容、第一开关管、第二开关管；所述第一开关管的一端连接电池两端采样电压值的负电位，另一端连接电容的一端，电容另一端连接第二开关管的一端，第二开关管的另一端连接地信号；所述状态判断模块的输出端连接电容的一端，电容的另一端作为电压处理模块的输出端，所述控制模块控制第一开关管和第二开关管的导通和关断。

2.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池的状态检测电路，其特征在于，所述分时采样模块包括：分别与多节串联可充电电池对应的开关组，开关组根据所述控制模块产生的时序信号分时将电池的电压输出。

3.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池的状态检测电路，其特征在于，所述状态判断模块包括：内部基准电路和比较器，内部基准电路根据电池两端的采样电压值得到一参考电压，该参考电压连接比较器的第二输入端，电池的采样电压连接比较器的第一输入端，比较器的输出端输出所判断电池的状态。

4.根据权利要求3所述的多节串联可充电电池的状态检测电路，其特征在于，所述第一输入端为正输入端，所述第二输入端为负输入端。

5.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池的状态检测电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为NMOS管。

6.根据权利要求5所述的多节串联可充电电池的状态检测电路，其特征在于，电压处理模块还包括锁存器，用于将输出的数据锁存。

7.根据权利要求1所述的多节串联可充电电池的状态检测电路，其特征在于，还包括修调电路，用于将电池电压进行修调，所述状态判断模块根据修调后的电压得到电池状态。