CN103022981A - 用于多串电池级联的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于多串电池级联的保护电路，包括芯片端口耐压保护电路，其第一电阻接电池包负端和第一二极管负端，第一二极管正端接对地端；第一NMOS管漏端接第一二极管负端，源端和衬底短接并接电池包负端检测端，栅端接电源端；第二NMOS管栅端接充电管控制端，源端和衬底短接并接对地端，漏端接第二电阻，第二电阻另接电源端；PMOS管栅端接第二NMOS管漏端，源端和衬底短接并接电源端，漏端接第二二极管正端；第二二极管负端接充电管栅端；充电管源端和衬底短接并接电池包负端，漏端接放电管漏端；放电管源端与衬底短接并接对地端，栅端接放电管控制端。本发明避免极高正压和极低负压进入电池保护芯片，实现安全可靠的多串电池保护方案。

Description

用于多串电池级联的保护电路

技术领域

本发明涉及电池保护技术领域，具体来说，本发明涉及一种用于多串电池级联的保护电路。

背景技术

锂电池广泛应用于电动工具、电动自行车等领域，总电压较高，通常会超过60V。在应用方案中，电池保护芯片通常耐压在40V以内，为了实现多串锂电池保护，超过5串以上的锂电池的电池保护芯片通常采用多颗芯片（IC）级联产生。如10串锂电池保护板可以采用2个5串锂电池保护芯片级联实现，每颗芯片只需耐5节电池25V左右的电压。其中每颗IC的耐压在40V以内，总电池电压12节最高达到60V。

然而，在实际应用中，如图1所示，12节电池应用采用3颗芯片级联实现，当电池包正端Pack+与电池包负端Pack-之间接负载RL，且发生负载过流时，该保护电路中的充电管NS1和放电管NS2关闭，电池包负端Pack-将为负载RL上拉到12节电池的最高串电源电压VDD3，最高达60V。而电池包负端Pack-端会通过充电管控制端电阻RCHG接到三颗电池保护芯片IC1~IC3中最下面的一颗电池保护芯片IC1的充电管控制端CHG（开漏输出）管脚，而最下面的一颗电池保护芯片IC1的电池包负端检测端VM管脚也会用于检测电池包负端Pack-的电压状态，以确定负载RL或者充电器（Charger）的连接情况。如果不加保护，电池包负端检测端VM和充电管控制端CHG管脚将可能直接接到60V的高压上，这是一般工艺的芯片所不能承受的。

同样地，如图2所示，当电池包正端Pack+与电池包负端Pack-之间接充电器Charger，当发生充电过电流时，充电管NS1和放电管NS2关闭，此时电池包负端Pack-的电压变为VDD3-Vcha。VDD3为12节电池电压，Vcha为充电器开路电压。如果此时12节电池电压均比较低，而充电器开路电压通常较高，电池包负端Pack-则可能产生极低的负压，极端情况可能到-60V，如果不加保护，同样电池包负端检测端VM和充电管控制端CHG也无法承受如此低的负压。

另外，在上述图1和图2中，DSG为最下面的这颗第一电池保护芯片IC1的放电管控制端。而VSS1和VDD1、VSS2和VDD2、VSS3和VDD3分别为第一电池保护芯片IC1的第一对地端和第一电源端、第二电池保护芯片IC2的第二对地端和第二电源端、第三电池保护芯片IC3的第三对地端和第三电源端。

综上所述，在实现多节电池保护方案中，特别是12节以上，总电池电压超过单颗芯片的极限耐压时，芯片端口的保护成为制约点。

发明内容

针对上述提到的多节电池的电池保护芯片级联应用中遇到的端口极高正压和极低负压的情况，本发明提出一种用于多串电池级联的保护电路，能够以简易的方案来避免极高正压和极低负压进入电池保护芯片内，实现安全可靠的多串电池保护方案。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于多串电池级联的保护电路，包括：

N串电池，分为第一电池串、第二电池串…第N电池串，彼此串联连接，每个所述电池串中各包含M节电池，N和M均为大于等于2的自然数；

N个电池保护芯片，分为第一电池保护芯片、第二电池保护芯片…第N电池保护芯片，各个电池保护芯片与每个所述电池串对应连接，每个所述电池保护芯片各包括一对地端和一电源端，所述第N电池保护芯片的第N电源端与所述第N电池串的正端接点抽出成为电池包正端，所述第一电池保护芯片的第一对地端与所述第一电池串的负端接点抽出以最终形成电池包负端；

其中，所述第一电池保护芯片具有一电池包负端检测端、一充电管控制端和一放电管控制端；

所述保护电路还包括芯片端口耐压保护电路，用于所述第一电池保护芯片的端口耐压保护；所述芯片端口耐压保护电路包括：第一二极管、第二二极管、第一NMOS管、第二NMOS管、PMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、充电管、放电管和充电管控制端电阻；

其中，所述第一电阻的一端接所述电池包负端，所述第一电阻的另一端接所述第一二极管的负端，所述第一二极管的正端接所述第一对地端；所述第一NMOS管的漏端接所述第一二极管的负端，其源端和衬底短接并一起连接到所述电池包负端检测端，其栅端接所述第一电源端；所述第二NMOS管的栅端接所述充电管控制端，其源端和衬底短接并一起连接到所述第一对地端，其漏端接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端接所述第一电源端；所述PMOS管的栅端接所述第二NMOS管的漏端，其源端和衬底短接并一起连接到所述第一电源端，其漏端接所述第二二极管的正端；所述第二二极管的负端接所述充电管的栅端；所述充电管的源端和衬底短接并一起连接到所述电池包负端，其漏端接所述放电管的漏端；所述放电管的源端与衬底短接并一起连接到所述第一对地端，其栅端接所述放电管控制端；所述充电管控制端电阻串接于所述充电管的栅端与源端之间；所述第三电阻的一端接所述第二NMOS管的栅端，所述第三电阻的另一端接所述第一对地端。

可选地，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述充电管控制端电阻的阻值为1MEG~3MEG。

可选地，所述N=3，且所述M=4。

可选地，所述第一二极管和所述第二二极管的反偏耐压高于60V。

可选地，所述第一NMOS管和所述PMOS管的漏源电压和栅漏电压均超过60V。

可选地，所述第一电池保护芯片、所述第二电池保护芯片…所述第N电池保护芯片均为相同的芯片，其端口耐压为40V以内。

可选地，所述电池包正端与所述电池包负端之间接有负载或者充电器。

可选地，所述充电管和所述放电管均为功率NMOS管。

可选地，所述电池为电动工具或者电动自行车用锂电池。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种应用于多串电池级联时，对电池保护芯片端口的保护方案。本发明采用隔离和钳位技术，可以比较容易地实现内部芯片端的保护。该应用方案可以广泛应用于电动自行车或电动工具等多节电池级联的领域。

本发明克服了多节电池保护方案中芯片端口的耐压问题，采用简单的方案，避免了外部极正高压和极负低压进入。本发明配合保护芯片，可以实现安全可靠的多串电池保护方案。该方案除了应用于多节电池保护外，其它高压应用领域对芯片端口极正和极负电压的保护也同样适用。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中的一个用于多串锂电池级联的保护电路接有负载的电路示意图；

图2为现有技术中的一个用于多串锂电池级联的保护电路改接充电器的电路示意图；

图3为本发明一个实施例的用于多串电池级联的保护电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图3为本发明一个实施例的用于多串电池级联的保护电路的结构示意图。该电池可以为电动工具用或者电动自行车用锂电池，但是本领域技术人员应该理解到，该电池也可以为其他高压应用领域中的各种电池，上述电池的种类不是对本发明实际要求的保护范围的限制。

如图3所示，用于多串电池级联的该保护电路300可以包括N串电池、N个电池保护芯片以及芯片端口耐压保护电路301，专用于第一电池保护芯片IC1的端口进行耐压保护。

该N串电池分为第一电池串（Battery String，简称BS）BS1、第二电池串BS2…第N电池串BSN，彼此串联连接，每个电池串中各包含M节电池，N和M均为大于等于2的自然数。在图3中，所示的电池数量总共有12节，均分为3串（即N=3），每串4节（即M=4）。

该N个电池保护芯片也分为第一电池保护芯片IC1、第二电池保护芯片IC2…第N电池保护芯片ICN，其均为相同的芯片，端口耐压为40V以内，各个电池保护芯片与每个电池串BS1、BS2…BSN对应连接。每个电池保护芯片IC1、IC2…ICN各包括一对地端VSS1、VSS2…VSSN和一电源端VDD1、VDD2…VDDN。第N电池保护芯片ICN的第N电源端VDDN与第N电池串BSN的正端接点抽出成为一电池包正端Pack+，第一电池保护芯片IC1的第一对地端VSS1与第一电池串BS1的负端接点抽出以最终形成一电池包负端Pack-。

其中，第一电池保护芯片IC1具有一电池包负端检测端VM、一充电管控制端CHG和一放电管控制端DSG。

该芯片端口耐压保护电路301可以包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2（第一NMOS管N1和第二NMOS管N2可以均为功率NMOS管）、PMOS管P1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、充电管NS1、放电管NS2和充电管控制端电阻RCHG。

其中，第一电阻R1的一端接电池包负端Pack-，第一电阻R1的另一端接第一二极管D1的负端，第一二极管D1的正端接第一对地端VSS1。第一NMOS管N1的漏端接第一二极管D1的负端，其源端和衬底短接并一起连接到电池包负端检测端VM，其栅端接第一电源端VDD1。第二NMOS管N2的栅端接充电管控制端CHG，其源端和衬底短接并一起连接到第一对地端VSS1，其漏端接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接第一电源端VDD1。PMOS管P1的栅端接第二NMOS管N2的漏端，其源端和衬底短接并一起连接到第一电源端VDD1，其漏端接第二二极管D2的正端。第二二极管D2的负端接充电管NS1的栅端。充电管NS1的源端和衬底短接并一起连接到电池包负端Pack-，其漏端接放电管NS2的漏端。放电管NS2的源端与衬底短接并一起连接到第一对地端VSS1，其栅端接放电管控制端DSG。充电管控制端电阻RCHG串接于充电管NS1的栅端与源端之间。第三电阻R3的一端接第二NMOS管N2的栅端，第三电阻R3的另一端接第一对地端VSS1。

在本实施例中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和充电管控制端电阻RCHG的阻值取为1MEG~3MEG。

另外，实际应用中的一种常见的情况是：电池数量总共有12节，可均分为3串（即N=3），每串4节（即M=4），则第一二极管D1和第二二极管D2的反偏耐压应高于60V（仅针对3×4=12节电池的情况，若电池节数更多，则第一二极管D1和第二二极管D2的反偏耐压的要求更高）。此外，第一NMOS管N1和PMOS管P1的漏源电压和栅漏电压也应均超过60V。

请继续参考图3所示，在实际应用中，当充电管NS1和放电管NS2关闭时，若电池包正端Pack+与电池包负端Pack-接有负载（未示出），电池包负端Pack-会被负载拉到所有电池最高的第三电源端VDD3，电池包负端Pack-产生极高正压，第一NMOS管N1的栅端接第一电源端VDD1，因此电池包负端检测端VM的端口电压被钳位到VDD1-Vhn（Vthn为第一NMOS管N1的阈值电压），大小在20V以内，可以保证电池包负端检测端VM的端口不会出现极高正压。而第二NMOS管N2和PMOS管P1构成隔离级，隔离电池包负端Pack-的电压进入充电管控制端CHG，可以保证充电管控制端CHG端口不会出现极高电压。

而当充电管NS1和放电管NS2关闭时，若电池包正端Pack+与电池包负端Pack-接有充电器（未示出），电池包负端Pack-电压变为VDD3-Vcha（Vcha为充电器的开路电压）。当第三电源端VDD3电压较低，而充电器的开路电压Vcha较高时，电池包负端Pack-可能为极低负压，第一二极管D1起钳位作用，将第一二极管D1负端电压钳制在-0.7V左右，从而避免了极低负压进入第一电池保护芯片IC1的电池包负端检测端VM管脚。充电管控制端CHG管脚极低负压的保护同样通过第二NMOS管N2和PMOS管P1的隔离级实现隔离。

下面还是结合图3所示电路图来进一步描述本发明的工作过程：

由以上描述可知，图3中最下面的第一电池保护芯片IC1需要保护的端口有电池包负端检测端VM和充电管控制端CHG这两个端口。其中，电池包负端检测端VM用于芯片检测电池包负端Pack-的状态，充电管控制端CHG为开漏输出，控制充电管NS1导通与关断。当正常状态时，充电管控制端CHG为高，将充电管NS1打开；当发生保护时，充电管控制端CHG变为高阻，依靠外接的充电管控制端电阻RCHG下拉到电池包负端Pack-，将充电管NS1关闭。

对电池包负端检测端VM端口的保护：

对于极高正压，主要依靠第一NMOS管N1的钳位保护。第一NMOS管N1的栅端接第一电源端VDD1，其栅端电压最大为20V，当电池包负端Pack-的电压高于第一电源端VDD1时，第一NMOS管N1将电池包负端检测端VM电压钳制在VDD-Vthn（Vthn为第一NMOS管N1的阈值电压，也叫开启电压），电池包负端检测端VM电压在20V以内，避免了极高正压进入电池包负端检测端VM，造成第一电池保护芯片IC1内部与电池包负端检测端VM相关的器件损坏。

对于极低负压，主要依靠第一二极管D1和第一电阻R1实现钳位，第一二极管D1的正端接地（GND），它的负端将被钳制在-0.7V左右的电压。这样，进入电池包负端检测端VM端口的电压为-0.7V，电池包负端Pack-极负电压的压降降在第一电阻R1上。需要注意的是，第一二极管D1应具有较高的反向耐压，以保证电池包负端Pack-在极高正压时的耐压。此外，第一电阻R1的阻值不能太小，以保证第一二极管D1、第一电阻R1形成的额外通路的电流较小。

对充电管控制端CHG端口的保护：

与电池包负端检测端VM钳位保护不同的是，充电管控制端CHG需要输出‘HZ’状态，如果采用类似的二极管钳位，将在充电管控制端电阻RCHG产生电流，使得本来依靠充电管控制端电阻RCHG关闭充电管NS1的功能失效，充电管NS1重新打开。因此，充电管控制端CHG需要别的保护方案。

第二电阻R2、第三电阻R3、第二NMOS管N2、PMOS管P1、第二二极管D2实现充电管控制端CHG的隔离保护。这样，电池包负端Pack-的极高正压和极低负压都不会进入第一电池保护芯片IC1的充电管控制端CHG。极高正压依靠第二二极管D2的高反向耐压承受，极低负压依靠PMOS管P1的漏端耐压承受。隔离后，充电管控制端CHG对充电管NS1的控制如下：充电管控制端CHG为高时，将PMOS管P1的栅端电位拉低，PMOS管P1导通，将充电管NS1的栅端电位拉高，充电管NS1导通。充电管控制端CHG输出高阻时，充电管控制端CHG被第三电阻R3拉到地（GND），第二NMOS管N2关闭，第二电阻R2将PMOS管P1的栅端电位拉至VDD1，PMOS管P1关闭，充电管控制端电阻RCHG将充电管NS1的栅端电位拉至电池包负端Pack-，充电管NS1关闭。

第二NMOS管N2导通时，第二电阻R2上会流过电流，为降低该方案的功耗，第二电阻R2的阻值也应取得较大。

本发明提供了一种应用于多串电池级联时，对电池保护芯片端口的保护方案。本发明采用隔离和钳位技术，可以比较容易地实现内部芯片端的保护。该应用方案可以广泛应用于电动自行车或电动工具等多节电池级联的领域。

本发明克服了多节电池保护方案中芯片端口的耐压问题，采用简单的方案，避免了外部极正高压和极负低压进入。本发明配合保护芯片，可以实现安全可靠的多串电池保护方案。该方案除了应用于多节电池保护外，其它高压应用领域对芯片端口极正和极负电压的保护也同样适用。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于多串电池级联的保护电路（300），包括：

N串电池，分为第一电池串（BS1）、第二电池串（BS2）…第N电池串（BSN），彼此串联连接，每个所述电池串中各包含M节电池，N和M均为大于等于2的自然数；

N个电池保护芯片，分为第一电池保护芯片（IC1）、第二电池保护芯片（IC2）…第N电池保护芯片（ICN），各个电池保护芯片与每个所述电池串对应连接，每个所述电池保护芯片各包括一对地端（VSS1、VSS2…VSSN）和一电源端（VDD1、VDD2…VDDN），所述第N电池保护芯片（ICN）的第N电源端（VDDN）与所述第N电池串（BSN）的正端接点抽出成为电池包正端（Pack+），所述第一电池保护芯片（IC1）的第一对地端（VSS1）与所述第一电池串（BS1）的负端接点抽出以最终形成电池包负端（Pack-）；

其中，所述第一电池保护芯片（IC1）具有一电池包负端检测端（VM）、一充电管控制端（CHG）和一放电管控制端（DSG）；

所述保护电路（300）还包括芯片端口耐压保护电路（301），用于所述第一电池保护芯片（IC1）的端口耐压保护；所述芯片端口耐压保护电路（301）包括：第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第一NMOS管（N1）、第二NMOS管（N2）、PMOS管（P1）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、充电管（NS1）、放电管（NS2）和充电管控制端电阻（RCHG）；

其中，所述第一电阻（R1）的一端接所述电池包负端（Pack-），所述第一电阻（R1）的另一端接所述第一二极管（D1）的负端，所述第一二极管（D1）的正端接所述第一对地端（VSS1）；所述第一NMOS管（N1）的漏端接所述第一二极管（D1）的负端，其源端和衬底短接并一起连接到所述电池包负端检测端（VM），其栅端接所述第一电源端（VDD1）；所述第二NMOS管（N2）的栅端接所述充电管控制端（CHG），其源端和衬底短接并一起连接到所述第一对地端（VSS1），其漏端接所述第二电阻（R2）的一端，所述第二电阻（R2）的另一端接所述第一电源端（VDD1）；所述PMOS管（P1）的栅端接所述第二NMOS管（N2）的漏端，其源端和衬底短接并一起连接到所述第一电源端（VDD1），其漏端接所述第二二极管（D2）的正端；所述第二二极管（D2）的负端接所述充电管（NS1）的栅端；所述充电管（NS1）的源端和衬底短接并一起连接到所述电池包负端（Pack-），其漏端接所述放电管（NS2）的漏端；所述放电管（NS2）的源端与衬底短接并一起连接到所述第一对地端（VSS1），其栅端接所述放电管控制端（DSG）；所述充电管控制端电阻（RCHG）串接于所述充电管（NS1）的栅端与源端之间；所述第三电阻（R3）的一端接所述第二NMOS管（N2）的栅端，所述第三电阻（R3）的另一端接所述第一对地端（VSS1）。

2.根据权利要求1所述的保护电路（300），其特征在于，所述第一电阻（R1）、所述第二电阻（R2）、所述第三电阻（R3）和所述充电管控制端电阻（RCHG）的阻值为1MEG~3MEG。

3.根据权利要求1所述的保护电路（300），其特征在于，所述N=3，且所述M=4。

4.根据权利要求3所述的保护电路（300），其特征在于，所述第一二极管（D1）和所述第二二极管（D2）的反偏耐压高于60V。

5.根据权利要求4所述的保护电路（300），其特征在于，所述第一NMOS管（N1）和所述PMOS管（P1）的漏源电压和栅漏电压均超过60V。

6.根据权利要求5所述的保护电路（300），其特征在于，所述第一电池保护芯片（IC1）、所述第二电池保护芯片（IC2）…所述第N电池保护芯片（ICN）均为相同的芯片，其端口耐压为40V以内。

7.根据权利要求1所述的保护电路（300），其特征在于，所述电池包正端（Pack+）与所述电池包负端（Pack-）之间接有负载或者充电器。

8.根据权利要求1所述的保护电路（300），其特征在于，所述充电管（NS1）和所述放电管（NS2）均为功率NMOS管。

9.根据权利要求1所述的保护电路（300），其特征在于，所述电池为电动工具用或者电动自行车用锂电池。

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