CN103606899B - 具有电芯平衡功能的电池保护电路及电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有电芯平衡功能的电池保护电路及电池系统，所述电池保护电路用于对多节串联的电芯进行保护，其包括：基于各个电芯的电压对各个电芯进行保护的电池保护模块；分别对应多个电芯的多个平衡放电电路，其中每个平衡放电电路包括串联于对应的电芯的两电极端的平衡放电控制开关及平衡放电电阻；电池平衡控制模块，用于基于各个电芯的电压控制各个平衡放电电路的平衡放电控制开关的导通和关断以平衡各个电芯的电压，对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的正极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的负极端。这样提高了集成度，可以在一定程度上降低成本，更利于小型化。

Description

具有电芯平衡功能的电池保护电路及电池系统

【技术领域】

本发明涉及电池保护电路领域，特别涉及一种具有电芯平衡功能的电池保护电路。

【背景技术】

多节电池保护芯片对电池实现各种保护功能：充电过压保护、放电过压保护、放电过流保护、短路保护等。一般这里指的多节电池保护系统为多节电芯串联的系统。高性能的电池保护芯片还集成了对电芯电压进行平衡的功能。原因在于当电池长期使用后，由于每节电芯存在一定的制造差异，经过多次充电和放电后，每节电芯电压之间会产生较大差异，有的电芯电压较高，而有些电芯电压较低。当其中一节电芯电压低于放电过压阈值，而另一节电芯电压高于充电过压阈值时。此时该电池既不能充电也不能放电，处于报废状态。如果对这种电池充电，则导致电芯电压超过充电过压阈值的电芯爆炸；如果对该电池放电，则导致电芯电压低于放电过压阈值的电芯损坏。带电芯平衡功能的电池保护电路有助于减小电芯之间的电压差异，从而延长电池使用寿命。

图1描述了现有技术中对于3节电芯串联的带电芯平衡功能的电池保护电路。如图1所示，电池保护芯片包含电池保护模块(BatProt)和电池平衡控制模块(CelBAL)。另外芯片外部还需要电阻R1～R3来设定平衡功能的放电电流，NMOS(N-Mental-Oxide-Semiconductor)场效应晶体管MN1～MN3构成平衡放电控制开关。BAT1～BAT3为电芯，其连接为串联关系。电阻R31和电容C1构成滤波电路，产生V1用于电池保护模块对电芯BAT1电压进行监测和实现保护功能；电阻R32和电容C2构成滤波电路，产生V2用于电池保护模块对电芯BAT2电压进行监测和实现保护功能；电阻R33和电容C3构成滤波电路，产生V3用于电池保护模块对电芯BAT3电压进行监测和实现保护功能。

然而，所述电池保护芯片的集成度不够，其还需要连接太多的外围器件，这在一定程度上提高了成本，不利于小型化。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种电池保护电路，其具有更高集成度的电池保护芯片，可以在一定程度上降低成本，更利于小型化。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种具有电芯平衡功能的电池保护电路，用于对多节串联的电芯进行保护，其包括：基于各个电芯的电压对各个电芯进行保护的电池保护模块；分别对应多个电芯的多个平衡放电电路，其中每个平衡放电电路包括串联于对应的电芯的两电极端的平衡放电控制开关及平衡放电电阻；电池平衡控制模块，用于基于各个电芯的电压控制各个平衡放电电路的平衡放电控制开关的导通和关断以平衡各个电芯的电压，对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的正极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的负极端。

进一步的，所述电池平衡控制模块、所述电池保护模块和所述平衡放电电路的平衡放电控制开关集成一同一块芯片中，对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电控制开关的一个连接端与对应的平衡放电电阻的一端相连，另一端直接连接于对应的电芯的负极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电控制开关的一个连接端与所述平衡放电电阻的一端相连，另一端直接连接于对应的电芯的正极端，如果相邻的两个平衡放电电路中的两个平衡放电控制开关的两个连接端都直接连接于一个共同的节点，那么这两个平衡放电控制开关的这两个连接端则共用所述芯片中的一个管脚。

进一步的，每个平衡放电电路中的平衡放电控制开关为NMOS场效应晶体管，对于其源极通过对应的平衡放电电阻连接至对应的电芯的负极的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的上级电芯的正极电压，其低电平为对应的电芯的负极电压，对于其源极直接与对应的电芯的负极相连的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的正极电压，其低电平为对应的电芯的负极电压。

进一步的，所述电池保护电路还包括驱动电路，其根据电池平衡控制模块输出的各个平衡放电控制信号产生驱动各个NMOS场效应晶体管的栅极控制信号。

进一步的，所述电池保护电路还包括：分别对应多个电芯的多个滤波电路，每个滤波电路包括依次串联于对应的电芯的正极和接地端之间滤波电阻和滤波电容，滤波电阻和滤波电容的中间节点的电压作为其对应的电芯的电压。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种电池系统，其包括：依次串联的多个电芯以及电池保护电路。所述电池保护电路用于对所述串联的电芯进行保护，其包括：基于各个电芯的电压对各个电芯进行保护的电池保护模块；分别对应多个电芯的多个平衡放电电路，其中每个平衡放电电路包括串联于对应的电芯的两电极端的平衡放电控制开关及平衡放电电阻；电池平衡控制模块，用于基于各个电芯的电压控制各个平衡放电电路的平衡放电控制开关的导通和关断以平衡各个电芯的电压，对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的正极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的负极端。

与现有技术相比，在本发明中的电池保护电路中，将电池保护模块、电池平衡控制模块、所述平衡放电电路的平衡放电控制开关集成一同一块芯片中，这样提高了集成度，可以在一定程度上降低成本，更利于小型化。同时，也是的所述集成芯片的管脚尽可能的少。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有的一种电池保护电路的结构示意图；

图2为本发明的电池保护电路在一个实施例中的结构示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。本发明中的“连接”、“相连”、“相接”等表示电性的直接或间接的连接。

本发明提出了一种具有电芯平衡功能的电池保护电路，用于对N节串联的电芯进行保护，其包括：电池保护模块、N个平衡放电电路、电池平衡控制模块，N为大于等于2的自然数。所述电池保护模块基于各个电芯的电压对各个电芯进行保护。每个平衡放电电路对应一个电芯，每个平衡放电电路包括串联于对应的电芯的两端的平衡放电控制开关及平衡放电电阻。所述电池平衡控制模块用于基于各个电芯的电压控制各个平衡放电电路的平衡放电控制开关的导通和关断以平衡各个电芯的电压。对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的正极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的负极端。

在一个实施例中，所述电池平衡控制模块、所述电池保护模块和所述平衡放电电路的平衡放电控制开关集成一同一块芯片中，对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电控制开关的一个连接端与对应的平衡放电电阻的一端相连，另一端连接于对应的电芯的负极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电控制开关的一个连接端与所述平衡放电电阻的一端相连，另一端连接于对应的电芯的正极端，如果相邻的两个平衡放电电路中的两个平衡放电控制开关的两个连接端都直接连接于一个共同的节点，那么这两个平衡放电控制开关的此两个连接端则共用所述芯片中的一个输出管脚，这样可以在集成时可以节省一个管脚。

具体的，每个平衡放电电路中的平衡放电控制开关为NMOS场效应晶体管，对于其源极通过对应的平衡放电电阻连接至对应的电芯的负极的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的上级电芯的正极电压，其低电平为对应的电芯的负极电压，对于其源极直接与对应的电芯的负极相连的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的正极电压，其低电平为对应的电芯的负极电压。

在一个优选的实施例中，所述电池保护电路还包括驱动电路，其根据电池平衡控制模块输出的各个平衡放电控制信号产生驱动各个NMOS场效应晶体管的栅极控制信号。

请参考图2所示，其为本发明的电池保护电路在一个实施例中的结构示意图，在此图中以N为3为例进行描述，三个电芯BAT1-BAT3依次串联，很显然N还可以是其他大于等于2的自然数，如图2所示，所述电池保护电路200包括电池保护模块210、电池平衡控制模块、平衡放电电路230a、230b和230c。所述电池保护电路200还包括分别对应三个电芯BAT1-BAT3的三个滤波电路，每个滤波电路包括依次串联于对应的电芯的正极和接地端之间滤波电阻(R31，R32或R33)和滤波电容(C31，C32或C33)，滤波电阻和滤波电容的中间节点的电压V1-V3作为其对应的电芯的电压。

所述电池保护模块210基于各个电芯的电压V1-V3对各个电芯BAT1-BAT3进行保护。每个平衡放电电路包括串联于对应的电芯的两端的平衡放电控制开关MN1-MN3及平衡放电电阻R1-R3。所述电池平衡控制模块220用于基于各个电芯的电压控制各个平衡放电电路的平衡放电控制开关以平衡各个电芯的电压。所述电池平衡控制模块220、所述电池保护模块210和所述平衡放电电路的平衡放电控制开关MN1-MN3集成一同一块芯片240中，这样可以提高集成度，可以在一定程度上降低成本，更利于小型化。

一般集成电路工艺中，对于相同导通电阻，NMOS场效应晶体管比PMOS场效应晶体管的面积小很多。这是由于NMOS场效应晶体管工作时，以电子为载流子，而PMOS场效应晶体管工作时，以空穴为载流子。对于一般的集成电路工艺，电子的迁移率为空穴的迁移率的3倍，所以NMOS的导通能力强，因此在本发明中优先希望采用NMOS场效应晶体管作为平衡放电控制开关MN1-MN3。

然而，如图1所示，如果简单的将平衡放电控制开关MN1-MN3集成入芯片中则需要额外增加很多芯片管脚，比如以简单集成MN1-MN3为例，则需要额外增加三个管脚，即共需要6个管脚与平衡放电电阻R1-R3以及电芯BAT1-BAT3相连，这将增加太多芯片成本。因此，在本发明中对平衡放电电路中的平衡放电电阻和平衡放电控制开关的连接方式进行了调整。

在本发明中，对于相邻的两个平衡放电电路，比如230a和230b，或者230b和230c，下面以230b和230c为例进行介绍，其中的一个平衡放电电路230c的平衡放电电阻R3连接于其对应的电芯BAT3的正极端，平衡放电控制开关MN3的一个连接端与对应的平衡放电电阻R3的一端相连，另一端直接连接于对应的电芯BAT3的负极端；其中的另一个平衡放电电路230b的平衡放电电阻R2连接于其对应的电芯BAT2的负极端，其平衡放电控制开关MN2的一个连接端与所述平衡放电电阻R2的一端相连，另一端连接于对应的电芯BAT2的正极端。由于晶体管MN2的漏极和晶体管MN3的源极都直接连接于共同的一个节点O，因此这两个晶体管MN2和MN3的此两个连接端则共用所述芯片中的一个管脚，这样可以节省一个管脚。如图2所示，其仅需要4个管脚对外进行连接，相对于不集成平衡放电控制开关的方式只增加了1个管脚，较简单的集成方式节省了管脚。在电芯数目较多的情况下，可以节省很多管脚，降低很多成本。

如图2所示，所述电池保护电路200还包括驱动电路250，其根据电池平衡控制模块210输出的各个平衡放电控制信号产生驱动各个NMOS场效应晶体管MN1-MN3的栅极控制信号G1-G3。

传统图1设计中，每个平衡放电控制开关的栅极控制信号G1～G3的电源域为每个电芯电压，即G1～G3的高电平为相应电芯的正极，低电平为相应电芯的负极，例如G1的高电平为V1，G1的低电平为GND；G2的高电平为V2，G2的低电平为V1；G3的高电平为V3，G3的低电平为V2。如果按照上述驱动方式，本发明中晶体管MN2无法完全如开关导通方式工作，当晶体管MN2导通时，晶体管MN2的源极电压只能被拉高至V2-Vth的电压，Vth为晶体管MN2的阈值电压，这种效应也被称为阈值损失效应。本发明中为了避免这种问题，改变了对于其源极通过对应的平衡放电电阻连接至对应的电芯的负极的NMOS场效应晶体管的栅极控制信号的驱动电压。晶体管MN2的栅极控制信号G2工作在V3和V1之间。为了实现这种效果，其驱动电路需由电平转换电路实现，将其他电源域的数字信号转换为V3/V1为电源域的驱动信号。

具体的，对于其源极通过对应的平衡放电电阻连接至对应的电芯的负极的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的上级电芯（BAT1的上级电芯为BAT2，BAT2的上级电芯为BAT3）的正极，其低电平为对应的电芯的负极电压。比如晶体管MN2，其栅极控制信号G2的高电平为V3，低电平为V1。对于其源极直接与对应的电芯的负极相连的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的正极电压，其低电平为对应的电芯的负极电压。比如晶体管MN1，其栅极控制信号G2的高电平为V1，低电平为0，晶体管MN3，其栅极控制信号G3的高电平为V3，低电平为V2。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (4)

1.一种具有电芯平衡功能的电池保护电路，用于对N节串联的电芯进行保护，N大于等于3，其特征在于，其包括：

基于各个电芯的电压对各个电芯进行保护的电池保护模块；

分别对应多个电芯的多个平衡放电电路，其中每个平衡放电电路包括串联于对应的电芯的两电极端的平衡放电控制开关及平衡放电电阻；

电池平衡控制模块，用于基于各个电芯的电压控制各个平衡放电电路的平衡放电控制开关的导通和关断以平衡各个电芯的电压，

对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的正极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电电阻连接于其对应的电芯的负极端，

所述电池平衡控制模块、所述电池保护模块和所述平衡放电电路的平衡放电控制开关集成一同一块芯片中，

对于相邻的两个平衡放电电路，其中的一个平衡放电电路的平衡放电控制开关的一个连接端与对应的平衡放电电阻的一端相连，另一端直接连接于对应的电芯的负极端，其中的另一个平衡放电电路的平衡放电控制开关的一个连接端与所述平衡放电电阻的一端相连，另一端直接连接于对应的电芯的正极端，

如果相邻的两个平衡放电电路中的两个平衡放电控制开关的两个连接端都直接连接于一个共同的节点，那么这两个平衡放电控制开关的这两个连接端则共用所述芯片中的一个管脚，

每个平衡放电电路中的平衡放电控制开关为NMOS场效应晶体管，

对于其源极通过对应的平衡放电电阻连接至对应的电芯的负极的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的上级电芯的正极电压，其低电平为对应的电芯的负极电压，

对于其源极直接与对应的电芯的负极相连的NMOS场效应晶体管，其栅极控制信号的高电平为其对应的电芯的正极电压，其低电平为对应的电芯的负极电压。

2.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，其还包括驱动电路，其根据电池平衡控制模块输出的各个平衡放电控制信号产生驱动各个NMOS场效应晶体管的栅极控制信号。

3.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，其还包括：

分别对应多个电芯的多个滤波电路，每个滤波电路包括依次串联于对应的电芯的正极和接地端之间滤波电阻和滤波电容，滤波电阻和滤波电容的中间节点的电压作为其对应的电芯的电压。

4.一种电池系统，其特征在于，其包括：

依次串联的多个电芯；以及

如权利要求1-3任一所述的电池保护电路。