CN106501585B - 一种过充电检测电路和电池保护系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例中提供了一种过充电检测电路，该电路包括：电流检测电路、第一比较模块和计时输出单元。本申请进一步公开了一种电池保护电路。本发明所述技术方案通过对供电回路中放电电流的下降情况进行实时检测，在放电电流速降时，及时延长过充电保护延时时间，以使电动车由于系统故障或异常高压所导致的电机向电池反向充电的能量能够完全被电池吸收，以减小瞬间短时高电压对电路的冲击，降低电压过冲导致的电路击毁的风险，提高用户的行车安全。

Description

一种过充电检测电路和电池保护系统

技术领域

本申请涉及微电子技术，具体地，涉及一种过充电检测电路和电池保护系统。

背景技术

随着人们对环境问题的关注，清洁能源的应用逐渐成为环境保护中的主流话题。电动车作为节能减排的先驱，越来越受到人们的接受和欢迎。

现如今，市面上常见的电动车例如电动扭扭车、电动平衡车等，主要是采用锂电池进行供电。在电动车使用时，如出现刹车操作，刹车操作会导致电机中的能量反向对电芯充电。如果反向充电时，电芯本身处于充满状态，即电芯电压接近或等于过充电保护阈值，可能导致短时间内电芯电压超过过充电保护阈值，然而，现有技术中的电池保护芯片会及时切断充电回路，这时电机中的能量会继续反向充电，产生短时间超高电压，此超高电压如果超过系统中电路的最大耐压，可能导致电路被击坏。

因此，现有技术的电池保护系统容易存在电路被高压击坏的风险，不利于用户的行车安全。

发明内容

本申请实施例中提供了一种过充电检测电路和电池保护系统，以解决现有技术中的电池保护系统由于系统故障或异常高压导致电路被高压击坏的风险，不利于用户的行车安全的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种过充电检测电路，该电路包括：

电流检测电路，检测放电电流的变化是否大于预定变化阈值，在所述放电电流的变化大于所述预定变化阈值时，输出第一逻辑电平的触发信号，在所述放电电流的变化小于所述预定变化阈值时，输出第二逻辑电平的触发信号；

第一比较模块，对电源电压是否大于过充电阈值进行比较，若是，则产生有效的过充电报警信号，否则，产生无效的过充电报警信号；

计时输出单元，在所述触发信号为第二逻辑电平时，在所述过充电报警信号有效且持续第一预定延迟时间后输出有效的过充电保护信号，否则，输出无效的过充电保护信号；在所述触发信号为第一逻辑电平时，在所述过充电报警信号有效且持续第二预定延迟时间后输出有效的过充电保护信号，否则，输出无效的过充电保护信号；其中，第二预定延迟时间大于第一预定延迟时间。

一种电池保护系统，该系统包括：

如上所述的过充电检测电路；

控制电路，基于有效的过充电保护信号，产生第一充电控制信号；

充电控制开关，基于所述第一充电控制信号，切断充电。

本发明的有益效果如下：

本申请所述技术方案通过对供电回路中放电电流的下降情况进行实时检测，在放电电流速降时，及时延长过充电保护延迟时间，以使电动车由于系统故障或异常高压所导致的电机向电池反向充电的能量能够完全被电池吸收，以减小瞬间短时高电压对电路的冲击，降低电压过冲导致的电路击毁的风险，提高用户的行车安全。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述电流检测电路的示意图；

图2为本发明所述开关之间的相对时序关系的示意图；

图3为本发明所述过充电检测电路的示意图；

图4为本发明所述电池保护系统的示意图。

1、第一采样单元，2、第二采样单元，3、电流检测电路，4、过充电检测电路，5、充电过流检测电路，6、过放电检测电路，7、放电过流检测电路，8、控制电路。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的核心思路是对电池保护系统中放电电流的下降率进行实时检测，在检测到放电电流速降时，及时延长电池保护系统中过充电保护的延迟时间，以减小由于系统故障或异常高压所导致的电机向电池反向充电时，瞬间高电压对电路的冲击，降低电压过冲导致的电路击毁的风险。进而，本发明实例中提供一种过充电检测电路和电池保护系统，在下面进行详细说明。

本发明提供了一种过充电检测电路4，该电路包括电流检测电路3、第一比较模块和计时输出单元；具体的，

如图1所示，所述电流检测电路3检测放电电流的变化是否大于预定变化阈值，在所述放电电流的变化大于所述预定变化阈值时，输出第一逻辑电平的触发信号，在所述放电电流的变化小于所述预定变化阈值时，输出第二逻辑电平的触发信号。该电流检测电路3包括：第一采样单元1、第二采样单元2、加法器和第二比较模块。所述第一采样单元1基于第一时钟控制信号周期性的采样检测端的电压得到第一采样信号，其中所述检测端的电压的大小能够反映所述放电电流的大小。所述第二采样单元2基于第二时钟控制信号周期性的采样所述检测端的电压得到第二采样信号。所述加法器将第二采样信号与预定电压值相加得到参考信号。本方案中，所述第一采样单元1包括：依次与采样检测端串联连接的第一开关K1和第一电容C1；所述第一开关K1和第一电容C1的连接点作为第一采样单元1的输出端，输出第一采样信号。所述第二采样单元2包括：依次与采样检测端串联连接的第二开关K2和第二电容C2；所述第二开关K2和第二电容C2的连接点作为第二采样单元2的输出端，输出第二采样信号；与此同时，所述第二开关K2和第二电容C2的连接点与加法器的第一输入端连接，所述加法器的第二输入端与外部参考电压源VR连接；所述加法器的输出端，输出参考信号。其中，分别用于控制第一开关K1和第二开关K2的第一时钟控制信号CK1和第二时钟控制信号CK2是两个相互存在时间间隔Ta的脉冲信号，该时间间隔Ta可以通过经验或者实际情况设定。如图2所示，CK2比CK1延迟一段时间。

所述第二比较模块采用比较器com，将第一采样信号与所述参考信号进行比较，若第一采样信号大于参考信号，则表示所述放电电流的变化大于所述预定变化阈值，输出第一逻辑电平的触发信号，若第一采样信号小于第二采样信号，则表示所述放电电流的变化小于所述预定变化阈值，输出第二逻辑电平的触发信号。其中，基于所述预定电压值确定所述预定变化阈值。

本方案中，所述电流检测电路进一步包括：锁存模块，基于第三时钟控制信号周期性的锁存所述第二比较模块输出的触发信号。即，周期性的将电流检测电路3的输出信号锁存为高电平的TD信号或低电平的TD信号。本方案中，所述第一时钟控制信号、第二时钟控制信号和第三时钟控制信号的周期是相同的。

如图1所示，当CK1为高电平时，第一开关K1导通，将电压信号输入端的输入信号VI的电压采样到第一电容C1上，此时，第一电容C1的电压信号VC1作为第一采样信号；当CK2为高电平时，第二开关K2导通，将电压信号输入端的输入信号VI的电压采样到第二电容C2上，第二电容C2的电压信号VC2作为第二采样信号，第二采样信号通过加法器将其与一个参考电压信号VR相加，产生参考信号VCR；比较器com比较第一采样信号VC1与参考信号VCR的电压大小。比较器com的输出结果compo由上升沿触发的D触发器锁存到输出信号TD。CK1、CK2、CK3的相对时序关系如图4所示。CK3的高电平脉冲相对CK2的高电平脉冲存在一定延迟，CK2的高电平脉冲相对CK1的高电平脉冲存在一定延迟。假设CK2的高电平脉冲相对CK1的高电平脉冲延迟为Ta，则比较器com中对于输入信号VI的下降率阈值为VR/Ta。即当输入电压信号VI的下降斜率超过VR/Ta时，compo信号为高电平，被锁存到的TD信号为高电平。反之，即当输入电压信号VI的下降斜率低于VR/Ta时，compo信号为低电平，被锁存到的TD信号为低电平。

本方案中，对于电流检测电路3的工作原理如下：

如图4所示，本方案中，电流检测电路3通过采样检测端输入的信号VI是图4中A点的电压，即图中电阻Ri的右端A点，该电流检测电路3的地端连接到图4中的GND，即图中电阻Ri的左端。电路分析中，一般情况下，地电位被认为等于0伏，则VI的电压应该为电阻Ri上的电压降。当电池外接负载放电时，电流流向VM，电流经过开关MC和开关MD流向节点A，再经过电阻Ri流向地(GND)。因此，当电池外接负载放电时，节点A的电压(即VI的电压)大于地节点(GND)电压。根据欧姆定律，VI的电压等于I*Ri，其中，I为负载放电电流，Ri为电阻Ri的电阻值，因此，VI的电压反映了负载放电电流的大小。因此，通过判断电压VI的下降斜率大小，即可判断负载放电电流下降斜率的大小。进一步的，如图1所示，假设当前为T1时刻，此时CK1信号为高电平，第一开关K1导通，将输入电压VI在T1时刻的电压值VI(t＝T1)采样至电容C1上；假设T1时刻已过，当前到达T2时刻，此时CK2信号为高电平，第二开关K2导通，将输入电压VI在T2时刻的电压值VI(t＝T2)采样至电容C2上。由此可知，采样信号VC1(电容C1的电压)＝VI(t＝T1)，VC2(电容C2的电压)＝VI(t＝T2)。参考信号VCR的电压＝VI(t＝T2)+VR，其中，VR为参考电压(即图1中VR节点的电压)。比较器比较参考信号VCR的电压和采样信号VC1的大小，即实际上比较的是：VI(t＝T2)+VR和VI(t＝T1)的电压值大小；通过等效变换，上述比较也可以等效比较的是：

VI(t＝T2)+VR-VI(t＝T2)和VI(t＝T1)-VI(t＝T2)，

通过进一步等效变换，上述比较等效于比较的是：

VR和VI(t＝T1)-VI(t＝T2)的大小关系。

对所述VR和VI(t＝T1)-VI(t＝T2)同时除以时间(T2-T1)，即上述比较等效比较的是：

VR/(T2-T1)和[VI(t＝T1)-VI(t＝T2)]/(T2-T1)。

到此，可以得知VR/(T2-T1)即为本发明中的所述的下降斜率阈值，其中，CK1和CK2间的脉冲间隔Ta就等于(T2-T1)；而[VI(t＝T1)-VI(t＝T2)]/(T2-T1)的则指的是VI信号在T1～T2时间段的电压下降斜率。

所以，上述参考信号和采样信号的比较，实际上等效于在比较T1～T2时间段的电压下降斜率与下降斜率阈值VR/(T2-T1)之间的关系。而对于下降斜率阈值VR/(T2-T1)，则可以是根据实际设计的需要进行调整的常数。

实际电路设计中，CK3的延迟时间要求并不高，由于采样过程需要一定时间使得采样电压比较稳定后，再进行比较，因此，如图2所示，可以将CK3设计为相对CK2存在一点延迟时间。更加优选的方案，CK3相对于CK2的延迟时间可以接近于0。

如图3所示，所述第一比较模块采用预设有过充电阈值的比较器，该比较器对电源电压是否大于过充电阈值进行比较，若是，则产生有效的过充电报警信号，否则，产生无效的过充电报警信号。

所述计时输出单元采用计时器，该计时器在所述触发信号为第二逻辑电平时，在所述过充电报警信号有效且持续第一预定延迟时间后输出有效的过充电保护信号，否则，输出无效的过充电保护信号；在所述触发信号为第一逻辑电平时，在所述过充电报警信号有效且持续第二预定延迟时间后输出有效的过充电保护信号，否则，输出无效的过充电保护信号；其中，第二预定延迟时间大于第一预定延迟时间。其中，所述第一逻辑电平的触发信号通过锁存模块将电流检测电路3的输出锁存到低电平的TD信号；所述第二逻辑电平的触发信号通过锁存模块将电流检测电路3的输出锁存到高电平的TD信号。

如图3所示，所述过充电检测电路4中的计时器基于电流检测电路3输出的高电平TD信号或低电平TD信号，判断充电回路中充电电流变化是否大于预定变化阈值；若电流检测电路3输出的是高电平TD信号，则当前供电回路中电流下降率大于预定变化阈值，此时为陡变的情况，并延长预先设定的过充电保护延迟时间，延长后的过充电保护延迟时间即为第二预定延迟时间；若电流检测电路3输出的是低电平TD信号，则当前供电回路中的电流下降率小于所述预定变化阈值，此时为正常波动范围，并保持或恢复预先设定过充电保护的延迟时间，预先设定过充电保护的延迟时间即为第一预订延迟时间。与此同时，预设有过充电阈值的比较器比较输入电压VDD与过充电阈值的关系，产生输出信号Comp。本方案中，预设的过充电阈值是由一个内置的参考电压实现。当VDD电压大于过充电阈值电压时，Comp为高电平的过充电报警信号；当VDD电压小于过充电阈值电压时，Comp为低电平信号。当Comp为高电平的过充电报警信号时，则触发计时器，并在充电报警信号的有效状态达到计时器延迟时间时，输出有效的过充电保护信号；当Comp为低电平信号时，即产生无效的过充电报警信号时，则不触发计时器输出过充电报警信号。

本方案中，第二预定延迟时间＝第一预定延迟时间+延长的时间量；所述第二预定延迟时间>系统故障或异常高压所产生的高压持续时间。其中，所述系统故障情况包括：异常低温、异常高温或者其他能够产生短时间超高电压的故障情况。所述异常高压包括：急刹车等状态突变状况所产生的短时间超高电压的异常情况。

本方案中，对于计时器的控制，可以通过本领域公知的技术手段，通过TD信号控制减小用于产生计时时钟的振荡器的充电电流来实现。

如图4所示，本发明进一步提供了一种电池保护系统，该系统包括由上述过充电检测电路4、控制电路8和充电控制开关MC组成的充电控制回路。

过充电检测电路4检测电池电压是否超过过充电检测阈值，若是，则产生有效的过充电报警信号，否则，产生无效的过充电报警信号；与此同时，根据当前供电回路中的电流变化情况，延长或保持预先设定的过充电保护延迟时间，并根据延长或保持的充电保护延迟时间，输出有效的过充电保护信号；控制电路8根据有效的过充电保护信号，产生充电控制信号C01，最后充电控制开关MC基于充电控制信号C01，切断充电，实现禁止充电的功能。

本方案中，所述电池保护系统进一步包括：充电过流检测电路5、过放电检测电路6和放电过流检测电路7。

所述充电过流检测电路5用于判断连接在电池供电回路中的上的电压是否小于充电过流检测阈值，若小于充电过流检测阈值，则产生第三触发信号；所述控制电路8，进一步根据所述第三触发信号，产生充电控制信号C01；所述充电控制开关MC基于充电控制信号C01，切断充电。

所述过放电检测电路6用于判断电池电压是否低于过放电检测阈值，若低于过放电检测阈值，则产生第四触发信号；所述放电过流检测电路7用于判断连接在电池供电回路中的上的电压是否大于放电过流检测阈值，若大于放电过流检测阈值，则产生第五触发信号；

所述控制电路8，进一步根据所述过放电检测电路6产生的第四触发信号，或，根据所述放电过流检测电路7产生的第五触发信号，产生放电控制信号D01；

放电控制开关MD，基于所述放电控制信号D01，切断放电。

如图4所示，过放电检测电路6检测电池电芯电压(即VDD和G之间的电压)是否低于过放电检测阈值，如果低于，通过控制电路8输出低电平的控制信号DO1，切断充电控制开关MD，从而实现禁止放电的功能。充电过流检测电路5通过检测电阻Ri上的电压降(即A点和G点的电压差)，当小于充电过流检测阈值时，通过控制电路8输出低电平的控制信号CO1，切断充电控制开关MC，从而实现禁止充电的功能。放电过流检测电路7通过检测电阻Ri上的电压降(即A点和G点的电压差)，当大于放电过流检测阈值时，通过控制电路8输出低电平的控制信号DO1，切断放电控制开关MD，从而实现禁止放电的功能。当放电电流下降率检测电路3检测到放电电流下降斜率超过一定阈值，则控制过充电检测电路4延长过充电保护延迟时间；过充电检测电路4检测电池电芯电压(即VDD和G之间的电压)是否超过过充电检测阈值，如果超过过充电保护延迟时间，通过控制电路8输出低电平的控制信号CO1，切断充电控制开关MC，从而实现禁止充电的功能。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种过充电检测电路，其特征在于，该电路包括：

电流检测电路，检测放电电流的变化是否大于预定变化阈值，在所述放电电流的变化大于所述预定变化阈值时，输出第一逻辑电平的触发信号，在所述放电电流的变化小于所述预定变化阈值时，输出第二逻辑电平的触发信号；

第一比较模块，对电源电压是否大于过充电阈值进行比较，若是，则产生有效的过充电报警信号，否则，产生无效的过充电报警信号；

计时输出单元，在所述触发信号为第二逻辑电平时，在所述过充电报警信号有效且持续第一预定延迟时间后输出有效的过充电保护信号，否则，输出无效的过充电保护信号；在所述触发信号为第一逻辑电平时，在所述过充电报警信号有效且持续第二预定延迟时间后输出有效的过充电保护信号，否则，输出无效的过充电保护信号；其中，第二预定延迟时间大于第一预定延迟时间，且所述第二预定延迟时间大于系统故障或异常高压所产生的高压持续时间。

2.根据权利要求1所述的过充电检测电路，其特征在于，所述电流检测电路包括：

第一采样单元，基于第一时钟控制信号周期性的采样检测端的电压得到第一采样信号，其中所述检测端的电压的大小能够反映所述放电电流的大小；

第二采样单元，基于第二时钟控制信号周期性的采样所述检测端的电压得到第二采样信号；

加法器，将第二采样信号与预定电压值相加得到参考信号；

第二比较模块，将第一采样信号与所述参考信号进行比较，若第一采样信号大于参考信号，则表示所述放电电流的变化大于所述预定变化阈值，输出第一逻辑电平的触发信号，若第一采样信号小于第二采样信号，则表示所述放电电流的变化小于所述预定变化阈值，输出第二逻辑电平的触发信号；

其中，基于所述预定电压值确定所述预定变化阈值。

3.根据权利要求2所述的过充电检测电路，其特征在于，

所述第一采样单元包括：依次与采样检测端串联连接的第一开关和第一电容；所述第一开关和第一电容的连接点作为第一采样单元的输出端，输出第一采样信号；

所述第二采样单元包括：依次与采样检测端串联连接的第二开关和第二电容；所述第二开关和第二电容的连接点作为第二采样单元的输出端，输出第二采样信号。

4.根据权利要求2所述的过充电检测电路，其特征在于，所述第一时钟控制信号的有效时段与第二时钟控制信号的有效时段相隔预定时差。

5.根据权利要求2所述的过充电检测电路，其特征在于，所述电流检测电路还包括：锁存模块，基于第三时钟控制信号周期性的锁存所述第二比较模块输出的触发信号。

6.根据权利要求5所述的过充电检测电路，其特征在于，所述第一时钟控制信号、第二时钟控制信号和第三时钟控制信号的周期相同。

7.一种电池保护系统，其特征在于，该系统包括：

如权利要求1所述的过充电检测电路；

控制电路，基于有效的过充电保护信号，产生第一充电控制信号；

充电控制开关，基于所述第一充电控制信号，切断充电。

8.根据权利要求7所述的电池保护系统，其特征在于，该系统进一步包括：

充电过流检测电路，用于判断连接在电池供电回路中的检测电阻上的电压是否小于充电过流检测阈值，若小于充电过流检测阈值，则产生第三触发信号；

所述控制电路，进一步根据所述第三触发信号，产生第二充电控制信号；

所述充电控制开关，基于所述第二充电控制信号，切断充电。

9.根据权利要求7所述的电池保护系统，其特征在于，该系统进一步包括：

过放电检测电路，用于判断电池电压是否低于过放电检测阈值，若低于过放电检测阈值，则产生第四触发信号；

放电过流检测电路，用于判断连接在电池供电回路中的检测电阻上的电压是否大于放电过流检测阈值，若大于放电过流检测阈值，则产生第五触发信号；

所述控制电路，进一步根据所述第四触发信号，产生第一放电控制信号；或，根据所述第五触发信号，产生第二放电控制信号；

放电控制开关，基于第一放电控制信号或第二放电控制信号，切断放电。

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