CN105277902A

CN105277902A - 电池异常状态检测电路以及电池异常状态检测系统

Info

Publication number: CN105277902A
Application number: CN201510849093.XA
Authority: CN
Inventors: 张树晓
Original assignee: SINO WEALTH ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: SINO WEALTH ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-01-27

Abstract

本发明公开了一种电池异常状态检测电路，所述电池异常检测电路用于检测n节电池的异常状态，所述电路包括：n个检测电压VC1～VCn，分别与n节电池中的一节电池的电压相对应；n-1个控制开关SW2～SWn，被配置成控制n-1个断线检测电流的导通时间；逻辑控制模块，被配置成控制所述n-1个控制开关SW2～SWn的开启和闭合；一个下拉电流，该下拉电流用于将VC2电压下拉至GND电压；n-2个上拉电流，该n-2个上拉电流用于将VC3～VCn上拉到VDD电压，其中所述一个下拉电流和所述n-2个上拉电流为所述断线检测电流；n个断线检测模块，各断线检测模块检测n个检测电压VC1～VCn中的一者，当检测出所述检测电压出现负值时，则判断所述检测电压所对应的电池出现断线。

Description

电池异常状态检测电路以及电池异常状态检测系统

技术领域

本发明涉及电池保护IC领域，尤其涉及锂电池异常状态检测电路。

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PACK包的CELL(电池)数也越来越多，锂电池保护IC和锂电池PACK包的连接线也越来越多，在生产或使用中PCB保护板和PACK包的连接线发生断线的概率也随之提高。而一旦断线则可能导致断线处的CELL电压不能被检测到，则发生过压或欠压后依然能被充电或放电，最终损坏Pack包甚至发生安全性问题，因此需要引入断线检测机制，在检测到断线后禁止充放电，修复断线后才允许继续使用。

现有技术中，锂电保护IC检测断线的方式主要有以下几种：在芯片检测管脚间通过短接电阻或导通电流实现断线检测(如图1所示)，第一种方式是通过检测过压的方式判定为断线；第二种方式是通过检测CELL电压小于1V的方式判定为断线。针对第一种方式，其缺点是两节CELL电压总和未达到过压翻转点时检测不到断线，比如有CELL欠压时断线检测功能可能失效。针对第二种方式，实际CELL电压低于1V时导致误报断线而不能充电，这和‘0V允许充电’功能不兼容。针对级联IC的级间断线(图1中n+1点发生断线)，IC2和IC1有可能同时开启断线检测电流IDIS，则级间断线点可能同时存在上拉电流和下拉电流，级间断线可能检测不到，即使不同时开启，但n+1点的滤波电容较大，通常VC1～VCn流入或流出电流IDIS不能取太大，仍然有可能检测不到断线。

发明内容

为解决现有技术中断线检测方案的各种缺陷，以及级间断线难以检测的问题，本发明提供了一种电池异常状态检测方案，用于检测电池PACK包和PCB保护板连接线是否断线。如果合理安排断线检测电流的上拉还是下拉，可以通过检测CELL电压是否为负压判定为断线，则1)即使欠压后也能正常检测到断线，能否检测到断线和当前CELL电压无关；2)在CELL电压接近0V时不会误报断线，和‘0V允许充电功能’兼容。

此外，本发明的电池异常状态检测电路对于级联系统或单颗保护IC均适用。

具体而言，本发明提供了一种电池异常状态检测电路，所述电池异常检测电路用于检测n节电池的异常状态，所述电池异常状态检测电路具有工作电压VCC、地电压GND和工作电流I_IC，所述电路包括：

n个检测电压VC1～VCn，分别与n节电池中的一节电池的电压相对应；

n-1个控制开关SW2～SWn，被配置成控制n-1个断线检测电流的导通时间；

逻辑控制模块，被配置成控制所述n-1个控制开关SW2～SWn的开启和闭合；

一个下拉电流，该下拉电流用于将VC2电压下拉至GND电压；

n-2个上拉电流，该n-2个上拉电流用于将VC3～VCn上拉到VDD电压，其中所述一个下拉电流和所述n-2个上拉电流为所述断线检测电流；

n个断线检测模块，各断线检测模块检测n个检测电压VC1～VCn中的一者，当检测出所述检测电压出现负值时，则判断所述检测电压所对应的电池出现断线。

在一个实施例中，所述断线检测电流值远大于工作电流，且所述断线检测电流与所述工作电流分时开启，所述分时开启的周期是T。在一个较佳的实施例中，所述断线检测电流值一般比工作电流大10倍以上。

在一个实施例中，所述一个下拉电流的导通时间段与所述n-2个上拉电流的导通时间段错开。

在一个实施例中，所述一个下拉电流的导通时间段远小于所述n-2个上拉电流的导通时间段。在一个较佳的实施例中，所述一个下拉电流的导通时间段一般小于所述n-2个上拉电流的导通时间段的1/5。

在一个实施例中，所述n-2个上拉电流的导通时间段远小于所述分时开启的周期T。在一个较佳的实施例中，所述n-2个上拉电流的导通时间段一般小于所述分时开启的周期T的1/100。

本发明提供了一种电池异常状态检测系统，所述系统包括：

电池包，所述电池包包括m个电池组，每个电池组包括n节电池；

m个互相级联的如权利要求1所述的电池异常状态检测电路；

滤波网络，所述m个互相级联的如权利要求1所述的电池异常状态检测电路经所述滤波网络分别耦接至所述m个电池组。

在一个实施例中，所述滤波网络由电阻和与所述电阻耦接的电容组成。

通过本发明公开的实现方式1)即使欠压后也能正常检测断线，能否检测到断线和当前CELL电压无关，同时cell电压为0V时不会误报断线；2)外部IC级联时，能正常检测到级间断线，同时该方案也会降低对断线检测电流的要求。

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示出现有技术的短线检测方案；

图2示出根据本发明一实施例的电池异常状态检测电路；

图3示出根据本发明一实施例的断线检测电流分时开启示意图；

图4示出根据本发明一实施例的相邻两个级联电池异常状态检测电路的时序图；

图5示出根据本发明一实施例的多个电池异常状态检测电路级联时的断线检测方案。

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2示出根据本发明一实施例的电池异常状态检测系统。该电池异常状态检测系统包括电池PACK包和保护电池PACK包的PCB电池保护板。电池PACK包包括第一电池组cell1_1～celln_1和第二电池组cell1～celln。电池Pack包和PCB板的连线为1～2n+1。PCB板上包括两个电池异常状态检测电路(例如，电池保护IC1、电池保护IC2)和与其耦接的滤波网络。滤波网络包括电阻Rvdd～Rvcn和电容Cvdd～Cvcn。电池异常状态检测电路通过滤波网络与电池PACK包耦接。每个电池异常状态检测电路检测检测一组电池组，每组电池组包括n节电池。

每个电池异常状态检测电路检测一电池组，其中一个电池组包括n节电池(cell)。

指的注意的是，虽然图中仅示出两颗电池异常状态检测IC(电池保护IC1、电池保护IC2)，分别检测第一电池组cell1～celln和第二电池组cell1_1～celln_1的异常状态，但在理解了本发明的精神后，本领域技术人员应理解，可采用本发明的技术方案实现更多级IC的电池异常状态检测。本领域技术人员也应理解，本发明的电池异常状态检测电路虽然能较佳地用于检测锂电池的异常状态，但也可应用于除了锂电池之外的其他类型的电池。

如图2所示，每个电池异常状态检测电路包括逻辑控制模块logic、断线检测电流Idis、电压检测点VC1～VCn、n-1个断线检测电流控制开关SW2～SWn、n个断线检测模块disdet1～disdetn，其中n为单个电池异常状态检测电路能检测的电池数。

逻辑控制模块logic被配置成用于控制SW2～SWn的导通和关闭。

控制开关SW2～SWn被配置成用于控制n-1个断线检测电流的导通和关断。

每个断线检测模块被配置成检测相应的一节电池(CELL)是否出现异常状况，例如断线。各断线检测模块连接相邻的电压检测点，其中，各电压检测点与各电池的电压相关联。

电压检测点VC1～VCn与各电池的电压相关联。例如：电池保护IC2的VC1与cell1的电压相关联，VC2与cell2的电压相关联…依此类推。正常情况下，VC1的电压大于VC2的电压，VC2的电压大于VC3的电压，…，依此类推。相邻两个电压检测点的电压差为一节电池两端的电压差。其中，VDD为工作电压，GND为地电压。

当断线检测模块检测到负压，即相邻两个电压检测点的电压差(例如：VC2-VC3)为负压，则判定为断线。举例而言，可通过设置VC2的断线检测电流I_DIS下拉，VC3～VCn的断线检测电流为上拉，则：VC2断线时被I_DIS下拉到VC3以下，disdet2检测到CELL2为负压而判为断线；VC3断线时被I_DIS上拉到VC2以上，同样检测到CELL2为负压而判为断线；VCn断线时被I_DIS上拉到VC_n-1以上，CELL_n-1检测到负压而判为断线；同理VDD/VC1断线时被工作电流I_IC-及I_DIS下拉到VC2以下，检测到CELL1为负压而判为断线；GND断线时被I_IC-及I_DIS上拉到VCn以上，检测到CELLn为负压而判为断线。

考虑到断线检测电流I_DIS会引入CELL间的不平衡，如果实时开启该检测电流，则一般设置I_DIS较小(I_DIS<<I_IC)，则针对级间断线(如图2所示的n+1点断线)，电池保护IC2的I_IC流经GND2，电池保护IC1的I_IC流经VDD1(这是因为电池保护IC2的GND2的电压与电池保护IC1的VDD1等电位)，导致n+1点断线后仍然存在较强的上拉电流和较强的下拉电流，且上下拉电流之差和I_DIS相当，则n+1点断线后总电流是被上拉还是下拉未知，因此IC1或者IC2有可能检测不到n+1点的级间断线。此外由于I_DIS较小，外围器件的漏电大于I_DIS时，同样可能导致断线检测失效。

为解决以上问题，可以采用分时开启大断线检测电流的方式，通过logic模块控制SW2/SW3～SWn分时开启和关闭。图3示出断线检测电流分时开启和关闭的示意图。将断线检测电流分为两类，一类是VC3～VCn的‘拉VDD’电流(即上拉电流)，一类是VC2的‘拉GND’电流(即下拉电流)。如图3所示，SW2的开启时间段t1(与拉GND电流相关联)与SW3～SWn的开启时间t2(与拉VDD电流相关联)错开。

图4示出相邻两个级联电池异常状态检测电路的时序图。

如图4所示，前t1时间内开启‘拉GND’电流(即图2中的SW2导通)，后t2时刻开启‘拉VDD’电流(即图2中的SW3～SWn导通)，其他时间不开启断线检测电流(即图2中的SW2/SW3～SWn均断开)，开启周期为T。同时设置断线检测电流I_DIS>>I_IC,则IC1/IC2的芯片功耗I_IC差异相比I_DIS可忽略。如果保证T足够长(实际应用可允许较长的断线检测周期，即t2远小于T)，则I_DIS分时开启后的平均电流和实时开启小断线检测电流的方案相当，也不会引入CELL间的不平衡。

如果IC1和IC2的时序完全同步(比如IC1-IC2间增加通讯Pin以同步时序)，则为图4中第(1)种时序。IC1下拉VDD时，IC2也开始下拉VDD，此时IC2无上拉GND，则I_DIS只需要满足(n-2)·I_DIS·t2＞C_n+1·2·V_CELL即可检测到n+1点的级间断线，可见，n越大则对I_DIS的需求就越小。其中Cn+1为连接n+1点所有滤波电容总和(通常Cn+1≈2Cvdd)，VCELL为当前电池CELL电压。

如果不增加时序同步Pin，在图4中第(4)种时序不同步的情况下IC1下拉VDD的同时IC2也在上拉GND，此时IC1最难检测到n+1点级间断线。此时I_DIS需要满足(n-2)·I_DIS·t2-I_DIS·t1＞C_n+1·2·V_CELL,但‘拉GND’电流只用于检测VC2断线，‘拉VDD’电流不仅用于检测VC3～VCn电流，还需要检测级间断线，通常连接n+1点的电容相比Cvc2滤波电容大很多，故一般设置t1<<t2，则t1相比t2可忽略，则(n-2)·I_DIS·t2-I_DIS·t1≈(n-2)·I_DIS·t2＞C_n+1·2·V_CELL，同样n越大则对I_DIS的需求就越小。即使在第(4)种时序不同步的情况下该方案也可成功检测到级间断线。

从上述时序图可以看出，只要同一个IC的t1和t2错开，及时IC1和IC2互相之间不同步，也能够检测到n+1的断线情况。

同样，本方案支持两颗IC以上的级联方案，并检测所有的级间断线。例如，图5示出根据本发明的一实施例的采用三个电池异常状态检测电路级联时的断线检测方案。本领域技术人员应理解，可采用本发明的技术方案实现更多级IC的电池异常状态检测。

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

1.一种电池异常状态检测电路，其特征在于，所述电池异常检测电路用于检测n节电池的异常状态，所述电池异常状态检测电路具有工作电压VCC、地电压GND和工作电流I_IC，所述电池异常状态检测电路包括：

一个下拉电流，该下拉电流用于将VC2电压下拉至GND电压；

2.如权利要求1所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述断线检测电流与所述工作电流分时开启，所述分时开启的周期是T，其中，所述断线检测电流值远大于工作电流。

3.如权利要求2所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述断线检测电流值比工作电流大10倍以上。

4.如权利要求2所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述一个下拉电流的导通时间段与所述n-2个上拉电流的导通时间段错开。

5.如权利要求4所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述一个下拉电流的导通时间段远小于所述n-2个上拉电流的导通时间段。

6.如权利要求5所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述一个下拉电流的导通时间段小于所述n-2个上拉电流的导通时间段的1/5。

7.如权利要求5所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述n-2个上拉电流的导通时间段远小于所述分时开启的周期T。

8.如权利要求7所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述n-2个上拉电流的导通时间段小于所述分时开启的周期T的1/100。

9.一种电池异常状态检测系统，其特征在于，所述系统包括：

m个互相级联的如权利要求1所述的电池异常状态检测电路；

10.如权利要求9所述的电池异常状态检测系统，其特征在于，所述滤波网络由电阻和与所述电阻耦接的电容组成。

11.如权利要求9所述的电池异常状态检测系统，其特征在于，所述断线检测电流值远大于工作电流，且所述断线检测电流与所述工作电流分时开启，所述分时开启的周期是T。

12.如权利要求11所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述断线检测电流值比工作电流大10倍以上。

13.如权利要求11所述的电池异常状态检测系统，其特征在于，所述一个下拉电流的导通时间段与所述n-2个上拉电流的导通时间段错开。

14.如权利要求13所述的电池异常状态检测系统，其特征在于，所述一个下拉电流的导通时间段远小于所述n-2个上拉电流的导通时间段。

15.如权利要求14所述的电池异常状态检测电路，其特征在于，所述一个下拉电流的导通时间段小于所述n-2个上拉电流的导通时间段的1/5。

16.如权利要求14所述的电池异常状态检测系统，其特征在于，所述n-2个上拉电流的导通时间段远小于所述分时开启的周期T。

17.如权利要求16所述的电池异常状态检测系统，其特征在于，所述n-2个上拉电流的导通时间段小于所述分时开启的周期T的1/100。