CN104953558B - 一种电池保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池保护系统。所述电池保护系统保护(n+1)×m节电池，所述电池保护系统包括：一主电池保护芯片，与m节电池耦接；n块从电池保护芯片S1‑Sn，各从电池保护芯片与相应的m节电池耦接；其中，所述主电池保护芯片和所述n块从电池保护芯片各自包括通讯模块，所述主电池保护芯片的通讯模块与所述从电池保护芯片的通讯模块之间、以及各从电池保护芯片的通讯模块之间，均由邦定(bonding)线进行内部级联。

Description

一种电池保护系统

技术领域

本发明涉及锂电池保护电路。

背景技术

在电动自行车、UPS、大功率电动工具等高压、高串数应用领域，随锂电池工艺的进步、价格的下降，锂电池得到越来越广泛的应用。更高电压、更大功率的需求意味着锂电池组(PACK)的电池(CELL)数也越来越多。

图1示出现有技术的应用于高串数的锂电池保护方案。如图1所示，该方案主要采用外部IC级联的方式，即采用了n颗独立的锂电池保护芯片互相级联，来保护高串数锂电池。但该方案存在不少缺陷，例如，外围元器件以及锂电池保护芯片数量众多会导致良率低，且PCB板面积大而不具有竞争优势，同时级联IC间的不平衡功耗较大容易导致CELL间不平衡。

图2示出现有技术的单颗电池保护电路方案。如图2所示，高串数电池全部由一颗电池保护芯片来保护。该方案虽然能解决图1所示方案的一部分技术问题，但其自身存在缺点，即对制程的耐压需求较高，且更高耐压导致IC面积更大、成本也更高，失去竞争优势。

发明内容

为了解决传统的高串数锂电池保护方案PCB板面积大、封装成本高以及单颗锂电池保护方案的耐压需求高、制造成本高等技术问题，本发明提出一种新型的电池保护系统。

在一个实施例中，本发明提供了一种电池保护系统。所述电池保护系统保护(n+1)×m节电池，所述电池保护系统包括：

一主电池保护芯片，与m节电池耦接；

n块从电池保护芯片S1-Sn，各从电池保护芯片与相应的m节电池耦接；

其中，所述主电池保护芯片和所述n块从电池保护芯片各自包括通讯模块，所述主电池保护芯片的通讯模块与所述从电池保护芯片的通讯模块之间、以及各从电池保护芯片的通讯模块之间，均由邦定(bonding)线进行内部级联。

在一个实施例中，所述邦定线传递以下信号：

过压信号，所述过压信号通过所述邦定线向下逐级传递至所述主电池保护芯片；

欠压信号，所述欠压信号通过所述邦定线向下逐级传递至所述主电池保护芯片；

退过压迟滞信号，所述退过压迟滞信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

退欠压迟滞信号，所述退欠压迟滞信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

时钟信号，所述时钟信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

时序同步信号，所述时序同步信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

电源信号，所述从电池保护芯片的电源信号通过所述邦定线为所述主电池保护芯片的共用控制模块供电。

在一个实施例中，当任何该从电池保护芯片发现有电池发生过压/欠压时，该发生过压/欠压的从电池保护芯片通过其通讯模块向下逐级传递所述过压信号/欠压信号至所述主电池保护芯片，所述主电池保护芯片的通信模块接收到所述过压信号/欠压信息后开启所述过压计时模块/欠压计时模块进行计时，当计时满足一预设的时间后，即判定为处于过压/欠压状态，并输出过压/欠压状态信号，该过压/欠压状态信号被用于关闭所述电池保护系统的充电/放电功能，同时，所述主电池保护芯片通过其通讯模块向所述从电池保护芯片的通讯模块传递所述退过压迟滞/所述退欠压迟滞信号，以向所有从电池保护芯片表明所述电池保护系统已经正式进入过压/欠压状态。

在一个实施例中，所述主电池保护芯片通过其通讯模块向各所述从电池保护芯片传递所述时钟信号、所述时序同步信号，以保证所有的电池的内部平衡时序同步，所述从电池保护芯片接收到的所述时序同步信号为有效时，则清零时序，当所述时序同步信号变为无效后，则以所述从电池保护芯片接收到的时钟信号为时钟开始启动平衡时序，并最终使得所述从电池保护芯片的平衡时序和所述主电池保护芯片同步。

在一个实施例中，所述主电池保护芯片包括：

共用控制模块，所述n块从电池保护芯片共用所述共用控制模块，所述共用控制模块的电源由最高串的从电池保护芯片的电源信号提供。

在一个实施例中，所述共用控制模块包括：

过压计时模块，被配置成在接收到所述过压信号后对过压时间段进行计时；

欠压计时模块，被配置成在接收到所述欠压信号后对欠压时间段进行计时。

在一个实施例中，所述共用控制模块还包括：

输出模块，被配置成在判定为过压/欠压状态后关闭所述电池保护系统的充电/放电功能，无异常状态时开启充电回路/放电功能；

温度检测模块，被配置成检测所述电池保护系统的温度；

过流检测模块，被配置成检测所述电池保护系统是否有过流产生；

时钟产生模块，被配置成产生时钟信号；

负载检测模块，被配置成检测负载状态；

逻辑控制模块，被配置成对所述温度检测模块、所述过流检测模块、所述时钟产生模块以及所述负载检测模块的输出信号进行逻辑控制。

在一个实施例中，所述主电池保护芯片还包括：

内部平衡模块，被配置成平衡与该主电池保护芯片耦接的各电池之间的容量以使得各电池容量趋于一致，且所述内部平衡模块分时开启内部平衡功能；

过压检测模块，被配置成检测与该主电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有过压产生，若有过压产生，则生成过压信号；

欠压检测模块，被配置成检测与该主电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有欠压产生，若有欠压产生，则生成欠压信号；

所述通讯模块，被配置成接收从电池保护芯片发送的所述过压信号、所述欠压信号以及所述电源信号，以及向所述从电池保护芯片发送所述退过压迟滞信号、所述退欠压迟滞信号、所述时钟信号以及所述时序同步信号。

在一个实施例中，每个从电池保护芯片包括：

内部平衡模块，被配置成平衡与该从电池保护芯片耦接的各电池之间的容量以使得各电池容量趋于一致，且所述内部平衡模块分时开启内部平衡功能；

过压检测模块，被配置成检测与该从电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有过压产生，若有过压产生，则生成过压信号；

欠压检测模块，被配置成检测与该从电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有欠压产生，若有欠压产生，则生成欠压信号；

所述通讯模块，被配置成向所述主电池保护芯片发送所述过压信号、所述欠压信号以及所述电源信号，以及接收来自所述主电池保护芯片的所述退过压迟滞信号、所述退欠压迟滞信号、所述时钟信号以及所述时序同步信号。

本发明的电池保护系统可应用于，但不限于，锂电池保护IC领域。本方案可采用普通的高压工艺生产，在IC间通过封装内部bonding线级联通讯，对所有IC的过压、欠压保护统一计时，保证所有IC的平衡时序同步，并控制级联IC间的不平衡功耗在较小的范围内，整体方案和采用高压制程的单颗保护IC方案一致，但成本更具有竞争优势。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1示出现有技术的采用外部级联的锂电保护IC方案；

图2示出现有技术的单颗高压制程的锂电保护IC方案；以及

图3示出根据本发明一实施例的锂电池保护系统。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

图3示出根据本发明一实施例的电池保护系统。该电池保护系统适用于各种低串数、高串数电池保护方案，针对级联系统或单颗保护IC均适用。该电池保护系统可适用于，但不限于，锂电池。

如图3所示，该电池保护系统对(n+1)×m节电池进行保护。该(n+1)×m节电池被分成(n+1)组m节电池。每组m节电池由一块集成电路或芯片提供保护，即m为单颗集成电路可保护的电池数。由此，本发明的电池保护系统包括n+1块电池保护芯片，该n+1块电池保护芯片包括一块主电池保护芯片M(简称主芯片)和n块从电池保护芯片(S1～Sn)(简称从芯片)，其中该n+1块电池保护芯片内部通过封装内部bonding(邦定)线互相级联。从图3自上而下看，从芯片n可以认为是最高串的芯片，主芯片M可认为是最低串的芯片。在一个例子中，主芯片M与m颗电池(CELL1_M～CELLm_M)耦接。从芯片S1与m颗电池(CELL1_s1～CELLm_s1)耦接。依此类推，从芯片n与m颗电池(CELL1_sn～CELLm_sn)耦接。

需要指出的是，本发明的m取值可根据工艺耐压合理设置。n取值可以根据实际需求及封装限制合理设置。

每块电池保护芯片的管脚包括电池电压检测口(VC1～GND)、电源输入(VDD)、温度检测端口(TS)、电流检测端口(RS1/RS2)、充电管控制端口(CHG)、放电管控制端口DSG、过压检测/欠压检测/过流检测延时调节电容端口(CHD/DSD/CDC)。

每块从芯片包括平衡模块(Balance)、通讯模块(COMMU2/COMMU1)、过压检测模块(OVDET)、欠压检测模块(UVDET)。

其中，平衡模块被配置成平衡各电池之间容量以使得各电池容量趋于一致。在一个实施例中，EN_BAL1～EN_BALm开启对应的内部平衡MOS管。过压检测模块被配置成检测电池CELL1～CELLm的电压是否有过压产生，若有过压产生，则生成过压信号。欠压检测模块被配置成检测电池CELL1～CELLm的电压是否有欠压产生，若有欠压产生，则生成欠压信号。通讯模块被配置成发送或接收过压/欠压信息。例如，当某一块芯片负责保护的电池发生了过压或者欠压，则会通过该块芯片向下一级芯片发送过压或者欠压信息，该下一级芯片接收到该信息后，会再向其下一级芯片发送该信息，直至该过压或者欠压信息被传递至主芯片M。

主芯片M包括内部平衡模块(Balance)、通讯模块(COMMU1)、过压检测模块(OVDET)、欠压检测模块(UVDET)、以及共用控制模块。其中，该共用控制模块包括过压计时模块(DELAY1)(通过CHD外接电容计时)、欠压计时模块(DELAY2)(通过DSD外接电容计时)、温度检测模块(TEMPDET)、过流检测模块(OCUDET)(通过CDC外接电容计时)、时钟产生模块(RC)、负载检测模块(VMDET)、逻辑控制模块(LOGIC)、输出模块(OUTPUT)。

其中，内部平衡模块被配置成平衡各电池之间容量以使得各电池容量趋于一致。在一个实施例中，EN_BAL1～EN_BALm开启对应的内部平衡MOS管。过压检测模块被配置成检测电池CELL1～CELLm的电压是否有过压产生。欠压检测模块被配置成检测电池CELL1～CELLm的电压是否有欠压产生。通讯模块(COMMU1)被配置成接收从芯片发送的过压或欠压信息。当主芯片M的通信模块(COMMU1)接收到该过压/欠压信息后会开启过压计时模块(DELAY1)/欠压计时模块(DELAY2)进行计时，当满足一预设的时间后，即判定为处于过压/欠压状态，此时输出过压/欠压状态信号OCHG/ODSG。该过压/欠压状态信号通过输出模块(OUTPUT)关闭CHG/DSG从而禁止充电/放电。同时，主芯片M通过通讯模块向从芯片S1～Sn传递退过压迟滞/退欠压迟滞信号：OCHO/ODHO，以向所有从芯片表明本系统已经进入过压/欠压状态，这样对于整个系统而言，所有CELL的过/欠压检测同时进行、过/欠压迟滞统一控制，且共用一个主芯片M的过压计时模块(DELAY1)/欠压计时模块(DELAY2)。

对于内部平衡模块，当检测到电池CELL1～CELLm的电池容量不平衡时，内部平衡模块开启内部平衡功能，由于此时会产生一部分平衡电流，因此会影响电池的电压检测。因此，内部平衡都是分时开启的。为了保证所有电池的平衡时序同步，主芯片M还需要通过通讯模块向从芯片S1～Sn传递时钟信号CLKO、时序同步信号RSTO，从芯片S1～Sn接收到RSTO有效则清零时序，当RSTO变为无效后，则以接收到的CLKI为时钟开始走平衡时序，最终所从芯片S1～Sn的平衡时序和主芯片M同步。

如图3所示，各芯片间利用内部bonding线进行了内部级联，在该内部级联中，用做通讯的支路有7条：OCO-OCI向下传递过压信号、ODO-ODI向下传递欠压信号、OCHO-OCHI向上传递退过压迟滞信号、ODHO-ODHI向上传递退欠压迟滞信号、CLKO-CLKI向上传递时钟信号、RSTO-RSTI向上传递时序同步信号、VDDO-VDDI向下传递电流到主芯片M中需要VDDI供电的模块。

针对各从芯片S1～Sn的级间连线：如S1-S2的级间连线包括S1的VDD/VC1、S2的GND连线，需要提供S1的VDD/VC1的流入电流、S2的GND流出电流，相减后的净流入电流即级间不平衡电流，为避免引入CELL间的不平衡，需控制该电流尽量小。本方案的从芯片S1～Sn只需要较少的比较器及通讯模块，则VDD/VC1的流入电流、GND的流出电流均较小，因此S1/S2的级间不平衡电流较小。

针对M～S1的级间连线：主芯片M还需要提供温度检测、过流检测、负载检测、时钟输出、CHG/DSG驱动等模块的电流，这部份电流如果直接由VDD提供，则M和S1的级间不平衡电流会很大，因此M通过VDDI提供这部份电流，并通过COMMU1/COMMU2通讯模块一直将该电流传递到S2的VDD，则这部份电流不会产生级间不平衡电流，最终M和S1的级间不平衡电流也被控制在较小范围内。

本发明的锂电池保护系统相比现有技术具有以下意想不到的有益效果。

首先，本发明的整个锂电池保护系统，通过内部一块主芯片和n块从芯片内部级联的方式，使得整个m*(1+n)节锂电池保护系统的耐压只需要承受m节电池的电压，而不是传统的单颗电池保护芯片的m*(1+n)节电池的电压，大大降低了耐压需求，且从过压检测、欠压检测、平衡检测、温度检测、过流检测等最后能实现的功能来看，和传统的单颗m*(1+n)耐压工艺的IC无任何差别，但成本更低、更具竞争力。

其次，本发明的整个锂电池保护系统相比传统的锂电池保护IC，由于采用bonding线实现内部级联，节省了整个PCB面积以及封装成本。例如，各从芯片可省去图1中的电容101、102，以及众多管脚(CHG、DSG、TS、RS1、RS2)。

再次，对比传统的锂电池保护IC，本发明采用封装内部IC通过bonding线实现级联，通过通讯模块使得从芯片S1～Sn只需要将过欠压检测模块的检测结果通讯到主芯片M，而由主芯片M统一进行过压/欠压计时(即共用过压计时模块和欠压计时模块)。此外，主芯片M通过通讯模块统一控制所有IC的过/欠压迟滞、内部平衡时序。同时M将温度检测、过流检测、负载检测、时钟输出、CHG/DSG驱动等模块的电源单独采用VDDI供电(而不是VDD供电)，并通过通讯模块将该电流传递至最高串IC(即从芯片n)的VDD，通过该方法，整个系统的级间不平衡电流控制在较小的范围内。

综上所述，本方案可采用普通的高压工艺生产，在IC间通过封装内部bonding线级联通讯，对所有IC的过压、欠压保护同时计时，保证所有IC的平衡时序同步，并控制级联IC间的不平衡功耗在较小的范围内，整体方案和采用高压制程的单颗保护IC方案一致，但成本更具有竞争优势。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种电池保护系统，其特征在于，所述电池保护系统保护(n+1)×m节电池，所述电池保护系统包括：

一主电池保护芯片，与m节电池耦接；

n块从电池保护芯片S1-Sn，各从电池保护芯片与相应的m节电池耦接；

其中，所述主电池保护芯片和所述n块从电池保护芯片各自包括通讯模块，所述主电池保护芯片的通讯模块与所述从电池保护芯片的通讯模块之间、以及各相邻从电池保护芯片的通讯模块之间，均由邦定(bonding)线进行内部级联；

其中，所述邦定线传递以下信号：

过压信号，所述过压信号通过所述邦定线向下逐级传递至所述主电池保护芯片；

欠压信号，所述欠压信号通过所述邦定线向下逐级传递至所述主电池保护芯片；

退过压迟滞信号，所述退过压迟滞信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

退欠压迟滞信号，所述退欠压迟滞信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

时钟信号，所述时钟信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

时序同步信号，所述时序同步信号通过所述邦定线自所述主电池保护芯片向上逐级传递至所述从电池保护芯片；

电源信号，所述从电池保护芯片的电源信号通过所述邦定线为所述主电池保护芯片的共用控制模块供电。

2.如权利要求1所述的电池保护系统，其特征在于，当任何该从电池保护芯片发现有电池发生过压/欠压时，该发生过压/欠压的从电池保护芯片通过其通讯模块向下逐级传递所述过压信号/欠压信号至所述主电池保护芯片，所述主电池保护芯片的通信模块接收到所述过压信号/欠压信号后开启过压计时模块/欠压计时模块进行计时，当计时满足一预设的时间后，即判定为处于过压/欠压状态，并输出过压/欠压状态信号，该过压/欠压状态信号被用于关闭所述电池保护系统的充电/放电功能，同时，所述主电池保护芯片通过其通讯模块向所述从电池保护芯片的通讯模块传递所述退过压迟滞/所述退欠压迟滞信号，以向所有从电池保护芯片表明所述电池保护系统已经正式进入过压/欠压状态。

3.如权利要求1所述的电池保护系统，其特征在于，所述主电池保护芯片通过其通讯模块向各所述从电池保护芯片传递所述时钟信号、所述时序同步信号，以保证所有的电池的内部平衡时序同步，所述从电池保护芯片接收到的所述时序同步信号为有效时，则清零时序，当所述时序同步信号变为无效后，则以所述从电池保护芯片接收到的时钟信号为时钟开始启动平衡时序，并最终使得所述从电池保护芯片的平衡时序和所述主电池保护芯片同步。

4.如权利要求1所述的电池保护系统，其特征在于，所述主电池保护芯片包括：

共用控制模块，所述n块从电池保护芯片共用所述共用控制模块，所述共用控制模块的电源由最高串的从电池保护芯片的所述电源信号提供。

5.如权利要求4所述的电池保护系统，其特征在于，所述共用控制模块包括：

过压计时模块，被配置成在接收到所述过压信号后对过压时间段进行计时；

欠压计时模块，被配置成在接收到所述欠压信号后对欠压时间段进行计时。

6.如权利要求5所述的电池保护系统，其特征在于，所述共用控制模块还包括：

输出模块，被配置成在判定为过压/欠压状态后关闭所述电池保护系统的充电/放电功能，无异常状态时开启充电回路/放电功能；

温度检测模块，被配置成检测所述电池保护系统温度；

过流检测模块，被配置成检测所述电池保护系统是否有过流产生；

时钟产生模块，被配置成产生时钟信号；

负载检测模块，被配置成检测负载状态；

逻辑控制模块，被配置成对所述温度检测模块、所述过流检测模块、所述时钟产生模块以及所述负载检测模块的输出信号进行逻辑控制。

7.如权利要求4所述的电池保护系统，其特征在于，所述主电池保护芯片还包括：

内部平衡模块，被配置成平衡与该主电池保护芯片耦接的各电池之间的容量以使得各电池容量趋于一致，且所述内部平衡模块分时开启内部平衡功能；

过压检测模块，被配置成检测与该主电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有过压产生，若有过压产生，则生成过压信号；

欠压检测模块，被配置成检测与该主电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有欠压产生，若有欠压产生，则生成欠压信号；

所述通讯模块，被配置成接收从电池保护芯片发送的所述过压信号、所述欠压信号以及所述电源信号，以及向所述从电池保护芯片发送所述退过压迟滞信号、所述退欠压迟滞信号、所述时钟信号以及所述时序同步信号。

8.如权利要求1所述的电池保护系统，其特征在于，每个从电池保护芯片包括：

内部平衡模块，被配置成平衡与该从电池保护芯片耦接的各电池之间的容量以使得各电池容量趋于一致，且所述内部平衡模块分时开启内部平衡功能；

过压检测模块，被配置成检测与该从电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有过压产生，若有过压产生，则生成过压信号；

欠压检测模块，被配置成检测与该从电池保护芯片耦接的各电池的电压是否有欠压产生，若有欠压产生，则生成欠压信号；

所述通讯模块，被配置成向所述主电池保护芯片发送所述过压信号、所述欠压信号以及所述电源信号，以及接收来自所述主电池保护芯片的所述退过压迟滞信号、所述退欠压迟滞信号、所述时钟信号以及所述时序同步信号。