CN103904373B - 一种电池电流管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池电流管理装置，该装置包括电流采样模块，用于采集电池的电流；处理模块，处理模块与电流采样模块相连，处理模块用于根据采集的电流分别生成采样信号、唤醒信号和过流保护信号；以及控制器，控制器与处理模块相连，控制器根据采样信号、唤醒信号和过流保护信号中的一个或多个对控制器是否唤醒或过流保护进行控制。本发明的电池电流管理装置采用一个电路模块实现电池电流管理功能，即采用功能复用的方式实现对电流的控制，简化了电路结构的复杂性，控制简单，具有低成本及低功耗的优点。

Description

一种电池电流管理装置

技术领域

本发明涉及动力电池管理领域，特别涉及一种电池电流管理装置。

背景技术

在动力电池管理中，电流管理是一项重要的管理参数，一般包括：充电过流保护、放电过流保护、充放电电流采样和系统唤醒等。充放电时，要监控电流具体的大小，如果电流过大，就会造成电池和外部系统的损坏，这就需要有充放过流保护功能。而充放电流很小，处于不工作状态时，为了降低功耗，系统需要进入休眠态，而需要再次进入工作状态时，就需要唤醒功能。现有技术的设计方案主要有：

方案1：简易电源管理IC管理。

现在专用电源IC管理是一种应用趋势，随着IC的发展，专用IC应用于各种电池管理系统，这种方案应用简单，能对电池做基本的管理。但是，该方案中IC功能简单，且各个管理参数都是固定的，兼容性差，一般用于较低端的方案。

方案2：高级电源管理IC管理。

如图1所示，这种方案由电源管理IC、控制IC和其他辅助外围电路构成，由控制IC控制电源管理IC，可以对电池做较全面的管理。方案二中使用的IC功能齐全，一般都比较复杂，需要对其做详细了解，也需要通过外围电路才能实现功能，且价格较高，一般用于高端的电源管理系统。

方案3：分离器件管理。

除了专用电源IC管理外，通过外围器件加控制IC的方法也能实现电池管理。如图2所示，这种方案常用单片机等作为控制IC，不同外围电路模块分别完成不同功能，由单片机控制外围电路分别实现电池系统各项参数的管理。但是，该方案用不同的外围电路模块管理不同的参数，外围电路复杂，控制也比较复杂，且成本较高，功耗大。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种电路结构简单、控制简便的电池电流管理装置。

为达到上述目的，本发明提出一种电池电流管理装置，其包括：电流采样模块，用于采集电池的电流；处理模块，所述处理模块与所述电流采样模块相连，所述处理模块用于根据所述采集的电流分别生成采样信号、唤醒信号和过流保护信号；以及控制器，所述控制器与所述处理模块相连，所述控制器根据所述采样信号、唤醒信号和过流保护信号中的一个或多个对所述控制器是否唤醒或过流保护进行控制。

根据本发明实施例的电池电流管理装置采用一个电路模块实现电池电流管理功能，即采用功能复用的方式实现对电流的控制，简化了电路结构的复杂性，控制简单，具有低成本及低功耗的优点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术中的高级电源管理IC管理的应用图；

图2为现有技术中的分离器件管理的应用图；

图3为根据本发明实施例的电池电流管理装置的结构框图；

图4为根据本发明一个实施例的电池电流管理装置的控制器的内部结构图；

图5为根据本发明一个实施例的电池电流管理装置的电路连接图；以及

图6为根据本发明实施例的电池电流管理装置的控制流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照附图对根据本发明实施例提出的电池电流管理装置进行描述。

如图3所示，本发明实施例的电池电流管理装置包括电流采集模块110、处理模块120和控制器130。

其中，电流采样模块110用于采集电池的电流。

处理模块120与电流采样模块110相连，处理模块120用于根据采集的电流分别生成采样信号CS、唤醒信号WAKE和过流保护信号OC_ODC。

控制器130与处理模块120相连，控制器130根据处理模块120生成的采样信号、唤醒信号和过流保护信号中的一个或多个对控制器130是否唤醒或过流保护进行控制。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，处理模块120具有第一输出端至第三输出端，即第一输出端121、第二输出端122及第三输出端123，输出端121、122及123分别输出所述采样信号、唤醒信号和过流保护信号，控制器130具有第一输入端至第三输入端，即分别为第一输入端131、第二输入端132及第三输入端133，第一输入端131、第二输入端132及第三输入端133与第一输出端121、第二输出端122及第三输出端123一一对应相连。

进一步地，如图4所示，控制器130包括第一比较器COMP1和第二比较器COMP2，其中，第一比较器COMP1的正输入端通过第二开关K2与第二输入端132相连，第二比较器COMP2的正输入端通过第一开关K1与第三输入端133相连，第一比较器COMP1的负输入端(Upperthreshold)与第一参考电压Vref1相连，第二比较器COMP2的负输入端(Lowerthreshold)与第二参考电压Vref2相连。其中，第一参考电压Vref1不可调，第二参考电压Vref2可调，具体地，第一参考电压Vref1可以但不限于1.2V，第二参考电压Vref2可编程，可以为Vref1、3Vref1/4、Vref1/2、Vref1/4。

在本发明的一个示例中，控制器130为单片机，例如为STM8L151。其中，单片机STM8L151利用自带的窗口式比较器就能实现唤醒、过流保护功能。它内部具有参考电压可调功能，与外部电路结合就能改变参数，从而应用于不同的场合。具体地，在单片机STM8L151的窗口式比较器中，第一比较器COMP1的负输入端(Upper threshold)接到第一参考电压Vref1，第二比较器COMP2的负输入端(Lower threshold)接到可编程的第二参考电压Vref2，当外部输入电压大于Upper threshold时，产生第一比较器COMP1中断，小于Lowerthreshold时就会产生第二比较器COMP2中断，由此来唤醒单片机或是进行过流保护操作。

进一步地，为了达到电池电流管理装置的低成本与高效率，在本发明的一个示例中，处理模块120采用差分信号放大电路，只用一个运算放大器加一些阻容元器件就能实现电流的采样、充电过流保护、放电过流保护和充放电唤醒等功能，即通过采用功能复用的方式，节省运放等元器件的数量，使处理模块120的电路简单，降低成本，同时降低功耗。

具体地，如图5所示，处理模块120进一步包括：第一电阻R1、放大器200、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第五电阻R5、第二电容C2、第六电阻R6以及第三电容C3。

其中，第一电阻R1的一端与第一参考电压Vref1相连。放大器200的正输入端第一电阻R1的另一端相连，放大器200的输出端作为处理模块120的第一输出端121。第二电阻R2的一端与放大器200的负输入端相连，第二电阻R2的另一端与放大器200的输出端相连。第三电阻R3的一端与放大器200的输出端相连，第三电阻R3的另一端作为处理模块120的第二输出端122。第四电阻R4的一端与放大器200的输出端相连，第四电阻R4的另一端作为处理模块120的第三输出端123。第一电容C1的一端与放大器200的输出端相连，第一电容C1的另一端与模拟地AGND相连。第五电阻R5和第二电容C2相互并联，第五电阻R5和第二电容C2的一端与第三电阻R3的另一端相连，第五电阻R5和第二电容C2的另一端与模拟地AGND相连。第六电阻R6和第三电容C3相互并联，第六电阻和第三电容C3的一端与第四电阻R4的另一端相连，第六电阻R6和第三电容C3的另一端与模拟地AGND相连。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，电池采样模块110进一步包括：第七电阻R7、第四电容C4、第五电容C5、第八电阻R8、第六电容C6、第九电阻R9以及第十电阻R10。

其中，第七电阻R7的一端与电池100的一端相连。第四电容C4和第五电容C5相互串联，第四电容C4和第五电容C5之间的节点与模拟地AGND相连，第四电容C4的一端与第七电阻R7的另一端相连，第四电容C4的另一端与第五电容C5的一端相连。第八电阻R8的一端与电池100的另一端相连，第八电阻R8的另一端与第五电容C5的另一端相连。第六电容C6的一端与第七电阻R7的另一端相连，第六电容C6的另一端与第八电阻R8的另一端相连。第九电阻R9的一端与第七电阻的另一端相连，第九电阻R9的另一端与放大器200的正输入端相连。第十电阻R10的一端与第八电阻R8的另一端相连，第十电阻R10的另一端与放大器200的负输入端相连。

在本发明的一个实施例中，当电池100处于放电状态或充电状态时，控制器130控制第二开关K2闭合，且控制第一开关K1断开；当电池100处于休眠状态时，控制器130控制第一开关K1闭合，且控制第二开关K2断开。

下面结合图5和图6对根据本发明实施例提出的电池电流管理装置的工作过程进行描述。

如图5所示，电流采样模块110采集电池100的电流信号，电流信号经放大器200差分放大进行处理后输出三路信号，分别为电流采样信号CS，唤醒信号WAKE和过流保护信号OC_ODC。处理模块120的第一输出端121输出的CS信号接到控制器130的第一输入端131进行内部ADC采样，计算电流值。处理模块120的第二输出端122输出的WAKE信号接到控制器130的第二输入端132送到内部比较，处理模块120的第三输出端123输出的OC_ODC信号接到控制器130的第三输入端133送到内部比较。

其中，放电时，电流方向为正，CS输出大于Vref1，电压值经ADC采样后就能计算出电流值，若放电过流，则OC_ODC就会输出一个大于内部比较电压的值，产生内部中断，进行过流保护操作。充电时，CS输出一个小于Vref1的值，通过ADC采样后得到电流值，若充电过流，OC_ODC就会输出一个小于内部比较电压的值，产生内部中断，进行保护操作。若电流为零，输出Vref1，这时进入休眠模式，直到有充放电电流，使WAKE的输出大于或小于内部设定的比较值，然后内部比较器唤醒，系统进入正常工作状态。WAKE和OC_ODC不同的比值用来改变保护电流和唤醒电流阈值。

具体工作过程为：

放电：放电时，控制器130控制第二开关K2闭合，且控制第一开关K1断开，此时第三输入端133内部形成通路，第二输入端132断路，电流采样由第一输入端131执行，放电过流时，OC_ODC电压高于内部COMP1参考电压Vref1，产生COMP1中断，进行保护，直到保护解除。

充电：充电时，放电时，控制器130控制第二开关K2闭合，且控制第一开关K1断开，此时第三输入端133内部形成通路，第二输入端132断路，电流采样由第一输入端131执行，充电过流时，OC_ODC电压低于内部COMP2参考电压Vref2，产生COMP2中断，进行保护，直到保护解除。

休眠：此时电流很小，几乎为零，认为系统停止工作时，单片机采样得到电流值很小，这时第一开关K1闭合，且第二开关K2断开，即第二输入端132内部形成通路，系统进入休眠。

唤醒：在休眠状态下，当有放电电流时，WAKE电压大于内部COMP1参考电压，产生COMP1中断，唤醒单片机。在休眠状态下，当有充电电流时，WAKE电压小于内部COMP2参考电压Vref2，产生COMP2中断，唤醒单片机。

如图6所示，具体控制流程为：

步骤S601，开始。

步骤S602，采样电流。根据采样电流进行判断，如果采样电流大于零，则执行步骤S603；如果小于零，则执行步骤S605；如果等于零，则执行步骤S609。

步骤S603,正常放电工作。

步骤S604,判断电流是否正常。如果是，则执行步骤S602；否则执行步骤S607。

步骤S605,正常充电工作。

步骤S606,判断电流是否正常。如果是，则执行步骤S602；否则执行步骤S607。

步骤S607,系统保护。

步骤S608,判断保护是否解除。如果是，则执行步骤S602；否则返回步骤S607。

步骤S609,进入休眠。

步骤S610,充放电唤醒。

执行完步骤S610，系统正常工作，重新执行步骤S601。

根据本发明实施例的电池电流管理装置通过一个电路模块实现电池电流管理功能，即采用功能复用的方式实现对电流的控制，简化了电路结构的复杂性，并且控制简单，具有低成本及低功耗的优点。

另外，根据在本发明实施例的电池电流管理装置可以采用单片机对电池的电流进行控制，并且单片机只用三个端口，剩余端口可用作其他功能，应用面广，只需稍微改变外围电路和单片机程序就能应用于不同的系统。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种电池电流管理装置，其特征在于，包括：

电流采样模块，用于采集电池的电流；

处理模块，所述处理模块与所述电流采样模块相连，所述处理模块用于根据所述采集的电流分别生成采样信号、唤醒信号和过流保护信号，其中，所述处理模块具有第一输出端至第三输出端，第一输出端至第三输出端分别输出所述采样信号、唤醒信号和过流保护信号；以及

控制器，所述控制器与所述处理模块相连，所述控制器根据所述采样信号、唤醒信号和过流保护信号中的一个或多个对所述控制器是否唤醒或过流保护进行控制，其中，所述控制器具有第一输入端至第三输入端，所述第一输入端至第三输入端与所述第一输出端至第三输出端一一对应相连，所述控制器包括第一比较器和第二比较器，其中，所述第一比较器的正输入端通过第二开关与所述第二输入端相连，所述第二比较器的正输入端通过第一开关与所述第三输入端相连，所述第一比较器的正输入端与所述第二比较器的正输入端相连，所述第一比较器的负输入端与第一参考电压相连，所述第二比较器的负输入端与第二参考电压相连，其中，所述第二参考电压可调。

2.如权利要求1所述的电池电流管理装置，其特征在于，

当所述电池处于放电状态或充电状态时，所述控制器控制第一开关闭合，且控制所述第二开关断开；

当所述电池处于休眠状态时，所述控制器控制第一开关断开，且控制所述第二开关闭合。

3.如权利要求1所述的电池电流管理装置，其特征在于，所述处理模块进一步包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一参考电压相连；

放大器，所述放大器的正输入端所述第一电阻的另一端相连，所述放大器的输出端作为所述处理模块的第一输出端；

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述放大器的负输入端相连，所述第二电阻的另一端与所述放大器的输出端相连；

第三电阻，所述第三电阻的一端与所述放大器的输出端相连，所述第三电阻的另一端作为所述处理模块的第二输出端；

第四电阻，所述第四电阻的一端与所述放大器的输出端相连，所述第四电阻的另一端作为所述处理模块的第三输出端。

4.如权利要求3所述的电池电流管理装置，其特征在于，所述处理模块还包括：

第一电容，所述第一电容的一端与所述放大器的输出端相连，所述第一电容的另一端与模拟地相连；

相互并联的第五电阻和第二电容，所述第五电阻和第二电容的一端与所述第三电阻的另一端相连，所述第五电阻和第二电容的另一端与所述模拟地相连；

相互并联的第六电阻和第三电容，所述第六电阻和第三电容的一端与所述第四电阻的另一端相连，所述第六电阻和第三电容的另一端与所述模拟地相连。

5.如权利要求3所述的电池电流管理装置，其特征在于，所述电流采样模块进一步包括：

第七电阻，所述第七电阻的一端与所述电池的一端相连；

相互串联的第四电容和第五电容，所述第四电容和第五电容之间的节点与模拟地相连，所述第四电容的一端与所述第七电阻的另一端相连，所述第四电容的另一端与所述第五电容的一端相连；

第八电阻，所述第八电阻的一端与所述电池的另一端相连，所述第八电阻的另一端与所述第五电容的另一端相连；

第六电容，所述第六电容的一端与所述第七电阻的另一端相连，所述第六电容的另一端与所述第八电阻的另一端相连；

第九电阻，所述第九电阻的一端与所述第七电阻的另一端相连，所述第九电阻的另一端与所述放大器的正输入端相连；

第十电阻，所述第十电阻的一端与所述第八电阻的另一端相连，所述第十电阻的另一端与所述放大器的负输入端相连。