CN103812089A - 一种电池包及其电池状态监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池包及其电池状态监测电路，电池状态检测电路包括电池以及与电池并联的电池保护电路和监测电路，电池保护电路在电池发生过充、过放、或者过流时将电池与外接电路断开，监测电路按照一定的时间间隔分别采样所述电池的电压、电流以及温度，根据采样到的电流值和电流的采样时间间隔计算电流累计值，并存储所述电压值、电流值、电流累计值、以及温度值。能够在电池处于异常时保护电池，还能够实时提供电池的电压、电流、剩余电量以及温度信息。

Description

一种电池包及其电池状态监测电路

技术领域

本发明涉及一种电池包，还涉及该电池包的电池状态监测电路。

背景技术

安全型防爆手电筒里常用的一种电池保护电路如图1所示，具有过充、过放以及短路保护功能。它主要靠检测电池两端的电压来开启过充、过放保护功能，也就是当电池电压高于一定值时就断开电路停止充电，当电池电压低于一定值时就断开电路停止放电；当流过该电路的电流超过一定值时就断开电路，防止过流或短路情况发生。

具体地，该电池保护电路通过监测VDD-VSS间的电池电压以及VM-VSS间的电压差来控制充电和放电，当VDD-VSS间的电池电压在过放电检测电压Vdl以上，且在过充电检测电压Vcu以下，VM端子的电压在过放流检测电压Viol以下时，U2和U4连通整个电路，电池保护电路可以自由地充电或放电，这种状态叫做通常状态。

当VM端子的电压在过流检测电压Viol以上且维持一定的时间以上时，U2和U4将电池与外接电路断开，起到短路或过流保护。当U1或U3检测到电池电压在充电过程中超过过充电检测电压Vcu以上，且持续时间超过过充电检测延迟时间Tcu，U2和U4将电池与外接电路断开，起到过充保护。当U1或U3检测到电池电压在放电过程中低于过放电检测电压Vdl以下，且持续时间超过过放电检测延迟时间Tdl，U2和U4将电池与外接电路断开，起到过放保护。

这种电池保护电路的缺点是功能比较单一，只是在异常情况时断开电路起一个保护作用，而不能实时提供电池的信息如电压，电流，温度，剩余电量这些数值，而掌握这些信息对安全的使用电池非常有帮助的。

发明内容

本发明针对现有的电池保护电路只是在异常情况时断开电池与外接电路，而不能实时提供电池的信息的缺陷，提供一种电池包及其电池状态监测电路，能够在电池发生过充、过放、或者过流时将电池与外接电路断开起到保护作用的同时，还能够实时提供电池的电压、电流、剩余电量以及温度信息。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：提供一种电池状态检测电路，包括电池和电池保护电路；所述电池保护电路并联在所述电池两端，通过检测所述电池两端的电压，在所述电池发生过充、过放、或者过流时将所述电池与外接电路断开；所述电池状态检测电路还包括监测电路，所述监测电路包括：

温度感应单元，用于实时测量所述电池的温度；

测量控制单元，包括连接所述电池正极的电压采样端、连接所述电池负极的电流采样端、连接所述温度感应单元的温度采样端、以及信号输出端，所述测量控制单元用于按照一定的时间间隔分别通过所述电压采样端、电流采样端以及温度采样端采样所述电池的电压值、电流值以及温度值并通过所述信号输出端输出；

模数转换单元，与所述温度测量单元的信号输出端连接，用于将所述测量控制单元输出的电压值、电流值以及温度值转换为数字信号后输出；以及

寄存器，用于接收模数转换单元输出的电压值、电流值以及温度值的数字信号，根据所述电流值的数字信号和电流的采样时间间隔计算电流累计值，并存储电压值、电流值以及温度值的数字信号和所述电流累计值。

优选地，所述监测电路还包括连接于所述电池负极和所述测量控制单元的电流采样端之间的滤波器，所述滤波器用于识别并区分充电电流和放电电流。

优选地，所述充电电流和所述放电电流存储于所述寄存器中不同的存储单元，充电电流累计值和放电电流累计值存储于所述寄存器中不同的存储单元。

优选地，所述监测电路还包括为所述测量控制单元提供采样频率的振荡器。

优选地，所述寄存器包括状态控制单元、用于与外部控制电路进行数据的双向传输的数据输入输出端、以及与所述状态控制单元连接的中断控制端。

优选地，所述电池保护电路包括单片机、充电控制MOS管以及放电控制MOS管；其中，所述单片机包括连接所述电池正极的工作电压输入端VDD、连接所述充电控制MOS管的源极的过电流检测端、连接所述电池负极的接地端、连接所述充电控制MOS管的栅极的充电控制端、以及连接所述放电控制MOS管的栅极的放电控制端；所述充电控制MOS管的源极连接所述监测电路、漏极与所述放电控制MOS管的漏极连接；所述放电控制MOS管的源极连接所述电池的负极。

优选地，所述充电控制MOS管和所述放电控制MOS管均包括寄生二极管。

提供一种电池包，所述电池由电池状态检测电路封装而成，所述电池状态检测电路包括电池和电池保护电路；所述电池保护电路并联在所述电池两端，通过检测所述电池两端的电压，在所述电池发生过充、过放、或者过流时将所述电池与外接电路断开；所述电池状态检测电路还包括监测电路，所述监测电路包括：

温度感应单元，用于实时测量所述电池的温度；

测量控制单元，包括连接所述电池正极的电压采样端、连接所述电池负极的电流采样端、连接所述温度感应单元的温度采样端、以及信号输出端，所述测量控制单元用于按照一定的时间间隔分别通过所述电压采样端、电流采样端以及温度采样端采样所述电池的电压值、电流值以及温度值并通过所述信号输出端输出；

模数转换单元，与所述温度测量单元的信号输出端连接，用于将所述测量控制单元输出的电压值、电流值以及温度值转换为数字信号后输出；以及

寄存器，用于接收模数转换单元输出的电压值、电流值以及温度值的数字信号，根据所述电流值的数字信号和电流的采样时间间隔计算电流累计值，并存储电压值、电流值以及温度值的数字信号和所述电流累计值；

所述寄存器与所述数据输入输出端连接，所述寄存器包括状态控制单元，所述状态控制单元与所述中断控制端连接；

所述电池包还包括分别与所述电池正负极连接的电源正极端、与所述电池负极连接的电源负极端、与所述电池状态检测电路连接的中断控制端和数据输入输出端。

优选地，所述电池保护电路包括单片机、充电控制MOS管以及放电控制MOS管；其中，所述单片机包括连接所述电池正极的工作电压输入端、连接所述充电控制MOS管的源极的过电流检测端、连接所述电池负极的接地端、连接所述充电控制MOS管的栅极的充电控制端、以及连接所述放电控制MOS管的栅极的放电控制端；所述充电控制MOS管的源极连接所述监测电路、漏极与所述放电控制MOS管的漏极连接；所述放电控制MOS管的源极连接所述电池的负极。

优选地，所述监测电路还包括连接于所述电池负极和所述测量控制单元的电流采样端之间的滤波器，所述滤波器用于识别并区分充电电流和放电电流。

本发明的电池包及其电池状态监测电路具有以下有益效果：通过电池保护电路在电池发生过充、过放、或者过流时，将电池与外接电路断开，起到保护作用；并通过监测电路实时地采样并存储电池的电压值、电流值、电流累计值、以及温度值，方便、准确地掌握电池的实时状态信息，保证了电池使用者及电池自身的安全。

附图说明

图1为常用的一种电池保护电路的电路图；

图2为本发明的电池状态监测电路第一实施例的原理图；

图3为本发明中寄存器的结构示意图；

图4为本发明的电池状态监测电路第二实施例的原理图；

图5为本发明的电池状态监测电路第二实施例的电路图；

图6为单片机U5的内部功能框图；

图7为本发明的电池状态监测电路第二实施例的应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。

图2为本发明的电池状态监测电路100第一实施例的原理图，如图2所示，在本实施例中，电池状态监测电路100包括电池110、电池保护电路120、以及监测电路130，电池保护电路120和监测电路130均与电池110并联。

其中，电池保护电路120通过检测电池110两端的电压，在电池110发生过充、过放、或者过流时将电池110与外接电路断开，从而保证了电池110的安全。

监测电路130按照一定的时间间隔分别采样电池110的电压、电流以及温度，例如，检测电路130首先采样电池110的电压，经过时间间隔t1后采样电池110的电流，再经过时间间隔t2后采样电池的温度，接着经过时间间隔t3后再次采样电池110的电压，如此循环采样电池110的电压、电流以及温度，其中，t1-t3可相同也可不同，另外，并不限制电流110的电压、电流以及温度的采样顺序。此外，监测电路130还根据采样到的电流值和电流的采样时间间隔计算电流累计值，并存储所述电压值、电流值、电流累计值、以及温度值。其中，电流的采样时间间隔指的是两次采集电流之间的时间间隔，即前示的t1-t3之和。

在本实施例中，监测电路130包括温度感应单元131、测量控制单元132、模数转换单元133、以及寄存器134。

其中，温度感应单元131用于实时测量电池110的温度，例如温度传感器。

测量控制单元132包括连接电池110正极的电压采样端vin、连接电池110负极的电流采样端sns、连接温度感应单元131的温度采样端tin、以及信号输出端sout，测量控制单元132按照一定的时间间隔分别通过电压采样端vin、电流采样端sns以及温度采样端tin采样电池110的电压、电流以及温度并通过信号输出端sout将采样到的电压值、电流值以及温度值输出。

模数转换单元133与测量控制单元132的信号输出端sout连接，用于将测量控制单元132输出的电压值、电流值以及温度值转换为数字信号后输出。

寄存器134接收模数转换单元133输出的电压值、电流值以及温度值的数字信号，根据电流值的数字信号和电流的采样时间间隔计算电流累计值，并存储电压值、电流值以及温度值的数字信号和电流累计值。如图3所示，在本实施例中，寄存器134包括多个存储单元、状态控制单元1341、用于与外部控制电路进行数据的双向传输的数据输入输出端dq、以及与状态控制单元1341连接的中断控制端int。寄存器134通过数据输入输出端dq与外部控制器连接，可通过外部控制器为其设定一个电池温度上限值Tm，当采样到的电池110的温度值高于电池温度上限值Tm时，状态控制单元1341通过中断控制端int向外部控制器发出中断信号，以便在异常情况下及时切断外部用电电路，保护电池的安全。

图4为本发明的电池状态监测电路100第二实施例的原理图，如图4所示，在本实施例中，监测电路130还包括滤波器135和振荡器136。

其中，滤波器135连接于电池110负极和测量控制单元132的电流采样端sns之间，在实现滤波的同时还用于识别并区分充电电流和放电电流。在本实施例中，电池110的电压值、充电电流值、放电电流值、充电电流累计值、放电流累计值、以及温度值存储在寄存器134不同的存储单元中。外部控制器通过获取寄存器134中存储的充电电流累计值和放电流累计值，即可计算出电池110的剩余电池累计值，即剩余电量。在其他实施例中，监测电路130还可以包括计算单元，计算单元通过计算充电电流累计值和放电电流累计值从而计算出剩余电流累计值，并将剩余电流累计值存储于寄存器134中与前述各种参数不同的存储单元中。

振荡器136为测量控制单元132提供采样频率。

在本实施例中，其余情况与本发明的电池状态监测电路100第一实施例相同，在此不再赘述。

图5为本发明的电池状态监测电路100第二实施例的电路图，如图5所示，监测电路130由单片机U5、第一电阻R1至第三电阻R3、第一和第二电容C1和C2以及稳压二极管Z1实现。其中，单片机U5是一款电池电量计量和信息存储芯片，可采用的型号例如DS2756，单片机U5的第一引脚pio可作为I/0接口或者中断控制端int，第二引脚为用于与外部控制电路（如图7所示，外部控制电路如图7中的μP）进行数据的双向传输的数据输入输出端dq；第三引脚为电流采样端sns经过第三电阻R3（电流采样电阻，通常为几十毫欧）连接电池110的负极；第四和第五引脚is2和is1为电流采样滤波器输入端，第四引脚is2经第一电容C1（滤波器135的一种实施方式）与第五引脚is1连接；第六引脚为接地端vss，连接于第三电阻R3和电池110的负极之间；第七引脚为芯片供电端vcc，经过第二电阻R2（上拉电阻）连接电池110的正极；第八引脚为电压采样端vin，其经过第一电阻R1（上拉电阻）连接电池110的正极。第二电容C2连接于单片机U5第八引脚和电池110负极之间，稳压二极管Z1并联于C2两端。

单片机U5能实时采集电池110的电压、电流、电流累积值、以及温度等信息，图6是单片机U5的内部功能框图，可以看到在U5内部有专用的寄存器来存储电池110的温度值、电压值、电流值、以及电流累计值，这些值会以低功耗振荡器提供的固定的频率更新，更新周期为几十毫秒至几秒。MUX是测量控制单元132，其根据低功耗振荡器提供的固定的频率分别接入vin端口输入的电池电压信号、sns端口输入的电流信号、以及温度传感器输入的温度信号，并将接入的信号输出ADC模数转换单元，从而将电池电压值、电流值、温度值的数字信号存储于寄存器的不同的存储单元中。其中，sns端接入的电流信号经滤波器（设置于is1和is2端之间）输入MUX。dq是一个串行的数据输入输出接口，可实现数据的双向传输，外部控制器可通过此接口访问U5内部的寄存器从而获得电池电压、电流、温度等信息。寄存器还包括比较器和状态控制单元，其中，状态控制单元与pio端口连接，寄存器通过数据输入输出端dq与外部控制器连接，外部控制器为其设定一个电池温度上限值Tm，比较器将采样到的电池110的温度值与电池温度上限值Tm进行比较，当采样到的电池110的温度值高于电池温度上限值Tm时，比较器向状态控制单元发送信号，状态控制单元通过pio端口（此时作为中断控制端int）向外部控制器发出中断信号，以便在异常情况下及时切断外部用电电路，保护电池的安全。

在本实施例中，电池保护电路120由单片机U6、MOS管Q1以及MOS管Q2实现，其中，单片机U6包括连接电池110正极的工作电压输入端vdd、连接充电控制MOS管Q1的源极的过电流检测端vm、连接电池110负极的接地端vss、连接充电控制MOS管Q1的栅极的充电控制端co、以及连接放电控制MOS管Q2的栅极的放电控制端do；充电控制MOS管Q1的源极连接单片机U5的第六引脚、漏极与放电控制MOS管Q2的漏极连接；放电控制MOS管Q2的源极连接电池110的负极。

当vm端的电压在过电流检测电压V iol（Viol=i*2Rds(on)，流过MOS管的电流与两个MOS管的通态电阻之积）以上，且持续一定的时间，则u6的do端会输出低电平关断放电控制MOS管Q2，则电池110与外接电路断开，起到保护作用，此为短路或过流保护。当u6检测到vdd-vss之间的电池电压在充电过程中超过过充电监测电压Vcu以上，且持续时间超过过充电检测延迟时间Tcu，则co端输出低电平关闭充电控制MOS管Q1，此为过充保护；当u6检测到vdd-vss之间的电池电压在放电过程中低于过放电监测电压Vdl以下，且持续时间超过过放电检测延迟时间Tdl，则do端输出低电平关闭充电控制MOS管Q1，此为过放保护。

在实际使用中，图5中的电子元件体积都较小，整个电路可以与电芯封装在一起构成电池包，电池包输出4个端口，Pack+和Pack-分别为电源正极和负极，int是中断控制端口，dq是数据输入输出口；通过dq口外部控制器可以查询电池的实时数据；外部控制器通过查询电流累积寄存器里的值，可以掌握电池剩余电量。

在本发明中，电池110可以是单节电池，也可以是由多节电池串联而成的电池组，例如单节锂电池，由多节锂电池串联而成的电池组。

本发明的一种电池包由本发明的电池状态检测电路100封装而成，电池包还包括分别与电池正负极连接的电源正极端、与电池负极连接的电源负极端、与电池状态检测电路100连接的中断控制端int和数据输入输出端dq。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。另外，本发明各实施例中的技术特征可以单独使用，也可以组合使用。

Claims (10)

1.一种电池状态检测电路，包括电池（110）和电池保护电路（120）；所述电池保护电路（120）并联在所述电池两端，通过检测所述电池（110）两端的电压，在所述电池（110）发生过充、过放、或者过流时将所述电池与外接电路断开；其特征在于，所述电池状态检测电路还包括监测电路（130），所述监测电路（130）包括：

温度感应单元（131），用于实时测量所述电池（110）的温度；

测量控制单元（132），包括连接所述电池（110）正极的电压采样端（vin）、连接所述电池（110）负极的电流采样端（sns）、连接所述温度感应单元（131）的温度采样端（tin）、以及信号输出端（sout），所述测量控制单元（132）用于按照一定的时间间隔分别通过所述电压采样端（vin）、电流采样端（sns）以及温度采样端（tin）采样所述电池（110）的电压、电流以及温度并通过所述信号输出端（sout）输出；

模数转换单元（133），与所述测量控制单元（132）的信号输出端（sout）连接，用于将所述测量控制单元（132）输出的电压值、电流值以及温度值转换为数字信号后输出；以及

寄存器（134），用于接收模数转换单元（133）输出的电压值、电流值以及温度值的数字信号，根据所述电流值的数字信号和电流的采样时间间隔计算电流累计值，并存储电压值、电流值以及温度值的数字信号和所述电流累计值。

2.根据权利要求1所述的电池状态检测电路，其特征在于，所述监测电路（130）还包括连接于所述电池（110）负极和所述测量控制单元（132）的电流采样端（sns）之间的滤波器（135），所述滤波器（135）用于识别并区分充电电流和放电电流。

3.根据权利要求2所述的电池状态检测电路，其特征在于，所述充电电流和所述放电电流存储于所述寄存器（134）中不同的存储单元，充电电流累计值和放电电流累计值存储于所述寄存器（134）中不同的存储单元。

4.根据权利要求1所述的电池状态检测电路，其特征在于，所述监测电路（130）还包括为所述测量控制单元（132）提供采样频率的振荡器（136）。

5.根据权利要求1所述的电池状态检测电路，其特征在于，所述寄存器（134）包括状态控制单元（1341）、用于与外部控制电路进行数据的双向传输的数据输入输出端（dq）、以及与所述状态控制单元（1341）连接的中断控制端（int）。

6.根据权利要求1所述的电池状态检测电路，其特征在于，所述电池保护电路（120）包括单片机（U6）、充电控制MOS管（Q1）以及放电控制MOS管（Q2）；其中，所述单片机（U6）包括连接所述电池（110）正极的工作电压输入端（vdd）、连接所述充电控制MOS管（Q1）的源极的过电流检测端（vm）、连接所述电池（110）负极的接地端（vss）、连接所述充电控制MOS管（Q1）的栅极的充电控制端（co）、以及连接所述放电控制MOS管（Q2）的栅极的放电控制端（do）；所述充电控制MOS管（Q1）的源极连接所述监测电路（130）、漏极与所述放电控制MOS管（Q2）的漏极连接；所述放电控制MOS管（Q2）的源极连接所述电池（110）的负极。

7.根据权利要求6所述的电池状态检测电路，其特征在于，所述充电控制MOS管（Q1）和所述放电控制MOS管（Q2）均包括寄生二极管。

8.一种电池包，其特征在于，所述电池包由权利要求1所述的电池状态检测电路封装而成，所述电池包还包括分别与所述电池正负极连接的电源正极端、与所述电池负极连接的电源负极端、与所述电池状态检测电路连接的中断控制端（int）和数据输入输出端（dq）。

9.根据权利要求8所述的电池包，其特征在于，所述电池保护电路（120）包括单片机（U6）、充电控制MOS管（Q1）以及放电控制MOS管（Q2）；其中，所述单片机（U6）包括连接所述电池（110）正极的工作电压输入端（vdd）、连接所述充电控制MOS管（Q1）的源极的过电流检测端（vm）、连接所述电池（110）负极的接地端（vss）、连接所述充电控制MOS管（Q1）的栅极的充电控制端（co）、以及连接所述放电控制MOS管（Q2）的栅极的放电控制端（do）；所述充电控制MOS管（Q1）的源极连接所述监测电路（130）、漏极与所述放电控制MOS管（Q2）的漏极连接；所述放电控制MOS管（Q2）的源极连接所述电池（110）的负极。

10.根据权利要求8所述的电池包，其特征在于，，所述监测电路（130）还包括连接于所述电池（110）负极和所述测量控制单元（132）的电流采样端（sns）之间的滤波器（135），所述滤波器（135）用于识别并区分充电电流和放电电流。

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