CN107276136B - 充电器电路和功率系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种充电器电路，用于控制电池组的充电，其包括充电控制开关、放电电路和控制单元。充电器电路至少具有一功率输出端和一连接端，用于耦接所述电池组。充电控制开关用于将来自电源的功率通过所述功率输出端选择性地提供至电池组。放电电路选择性地耦接于所述功率输出端，以及，当所述放电电路耦接于所述功率输出端时用于给电池组的电池芯放电。控制单元耦接于所述充电控制开关和所述放电电路，用于根据基于所述连接端上的信号的至少一过压侦测确定是否断开所述充电控制开关以及确定是否控制所述放电电路耦接于所述功率输出端。此外，本发明还提供了一种功率系统。采用本发明，能够提供一种电池保护机制，保证电池使用的安全性。

Description

充电器电路和功率系统
技术领域
本发明涉及电池保护方案，以及更特别地，涉及一种对电池组(battery pack)具有过压和过温保护机制的充电器电路和功率系统。
背景技术
当由电池组(如锂离子电池组和锂聚合物电池组)供电的电子设备对该电池组执行充/放电操作时，该电池组可能会出现过温、过流或过压情况。为了防止此类情况造成损坏，该电池组通常具有内置保护电路，该内置保护电路能够侦测以上提及的情况，以及，一旦电池组的温度、给电池组的电池芯的充电电流或来自电池组的电池芯的放电电流、和/或电池芯的电压电平超出安全界限(limit)则切断充/放电电流。然而，这样的保护机制仅存在于电池侧，而不存在于系统侧(即，用于控制电池组的充电的充电器电路)。因此，当在充电期间出现过温、过流或过压情况而电池组中的保护电路出现故障时，由充电器电路供给的功率会继续电池芯的充电，最终导致不可恢复且严重的损坏，以致电池组毁坏或者甚至爆炸。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种充电器电路和功率系统，以解决上述问题。
第一方面，本发明提供一种充电器电路，用于控制电池组的充电。充电器电路至少具有一功率输出端和一连接端，用于耦接所述电池组。以及，充电器电路包括充电控制开关和控制单元。充电控制开关用于将来自电源的功率通过所述功率输出端选择性地提供至电池组。控制单元耦接于所述充电控制开关和所述连接端，用于根据所述连接端上的信号确定是否断开所述充电控制开关，其中，所述连接端上的信号用于指示所述电池组的过压情况和过温情况中的至少一种情况。
第二方面，本发明提供一种功率系统，包括如上所述的充电器电路和具有电池芯的电池组。
在上述技术方案中，提供了一种具有电池保护机制的充电器电路和功率系统。控制单元根据连接端上的信号确定是否断开充电控制开关，以将来自电源的功率通过功率输出端选择性地提供至电池组，从而，当过压情况和过温情况中的至少一种情况出现时，停止电池组的充电，保证电池使用的安全性。由于该电池保护机制存在于充电器电路和功率系统侧，因此，即便电池组中的保护电路出现故障，该电池保护机制仍然有效。
本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。
附图说明
图1根据本发明一实施例示出了一种具有保护机制的充电器电路和电池组的示意图。
具体实施方式
以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。
图1根据本发明一实施例示出了一种具有保护机制的充电器电路和电池组的示意图。如图1所示，充电器电路100具有功率输入端(power input terminal)110、电池识别端(battery identification terminal)112、电池温度端(battery temperature terminal)114、功率输出端(power output terminal)116以及电池检测端(battery sensingterminal)118，这些端子通常是物理引脚。充电器电路100通过这些端子与电池组200连接。电池识别端112通过至少一个电导体(electrical conductor)耦接于电池组200的电池识别接点(contact)212。电池温度端114通过至少一个电导体耦接于电池组200的电池温度接点214。功率输出端116和电池检测端118通过至少一个电导体耦接于电池组200的电池功率接点216。此外，充电器电路100也可以通过移动行业处理器接口(Mobile IndustryProcessor Interface，MIPI)电池接口(battery interface，BIF)与电池组200通信，以监测电池组200中的电池芯(battery cell)210的电气特性(electrical characteristic)，其中，该电池接口由电池识别端112和电池温度端114之一形成。例如，将充电器电路110的电池识别端112与电池组的电池识别接点212之间的信号通道作为移动行业处理器接口电池接口的通信线，或者，将充电器电路110的电池温度端114与电池组的电池温度接点214之间的信号通道作为移动行业处理器接口电池接口的通信线。具体实现中可根据实际需求设置，本发明对此不做任何限制。
充电器电路100提供的保护机制旨在基于过压侦测和/或过温侦测停止电池芯210的充电，以在充电过程中出现过压和/或过温情况时保护电池。此外，充电器电路100提供的保护机制还可以基于过压侦测和/或过温侦测提供放电路径以进行电池芯210的放电，从而，进一步更好地保护电池。例如，当出现过压情况时，充电器电路100停止对电池芯210的充电且提供放电路径给电池芯210放电，从而，能够较快地将电池芯210的电压电平调整为在预设电平范围内，防止电池遭受损坏。通常，过温情况可能是过压情况导致的，从而，通过提供放电路径给电池芯210放电，还能够较快地将电池芯210的温度降低至预设温度范围内。本发明实施例中，充电器电路100在侦测到过压和/或过温情况时提供放电路径是可选的，但为便于描述，以下实施例中，当侦测到过压和/或过温情况时，以停止电池芯210的充电并提供放电路径给电池芯210放电为例进行说明，但本发明并限于此。通常，充电器电路100利用充电控制开关140(如图1所示，优选为功率金属氧化物场效应管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)，以选择性地将来自电源300的电功率(如电流IBAT)通过功率输出端116和电池功率接点216提供至电池芯210，使得电池芯210在恒流或恒压模式中能够被充电。在本发明中，一旦控制单元120侦测到电池芯210处于过压情况，或者，电池芯210(或电池组200)处于过温情况，则控制单元120将断开充电控制开关140，以停止电池组200的充电或不启动电池组200的充电(若电池组200当前正被放电)，以及，还可以将放电电路150耦接到功率输出端116，以提供用于给电池芯210放电的放电路径。
在本发明的实施例中，有几种方法执行过压侦测。控制单元120可以监测电池识别端112上的电压电平。若电池识别端112上的电压电平与预定的电平转变模式(例如，从较低电平转变为较高电平，或者，从较高电平转变为较低电平)匹配，则控制单元120确定出电池芯210处于过压情况。在该情形中，电池组200包括侦测电路220。侦测电路220包括比较装置222和电阻性电路224。比较装置222具有两个输入端，其中一个输入端连接电池芯210的正极，而另一个输入端连接参考电压电平VREF。若比较装置222侦测出该正极上的电压电平V_POS高于参考电压电平VREF，则比较装置222可以输出一个流经电阻性电路224的驱动电流，从而将电池识别端112和电池识别接点212上的电压电平下拉或上拉至一特定电平，以产生过压侦测信号。因此，控制单元120能够知道过压情况，并相应地控制充电控制开关140断开，以及，还可以控制放电电路150耦接到功率输出端116，从而给电池芯210放电。优选地，电阻性电路224可以利用电池组200的识别电阻RID来实现，其中，识别电阻RID通常用于促进电池组200的类型和电气特性的识别。为了使控制单元120区分识别信号(用于在非过压情况下表示电池组200的类型和电气特性的信号)和过压侦测信号，比较装置222可以被设计为提供用以实现预定的电平转变模式的驱动电流，其中，该预定的电平转变模式不同于识别信号的模式。举例来说，若识别信号的电压电平为1V，则过压侦测信号的电压电平可以为2V。
可替代地，比较装置222和电阻性电路226也可以产生过压侦测信号。类似地，当比较装置222侦测到电池芯210的正极上的电压电平V_POS高于参考电压电平VREF时，比较装置222输出一个流经电阻性电路226的驱动电流，从而将电池温度端114和电池温度接点214上的电压电平下拉或上拉，因此产生过压侦测信号。电阻性电路226可以是电池组200的负温度系数(negative temperature coefficient，NTC)热敏电阻RNTC，其中，热敏电阻RNTC通常用于检测电池组200内部的温度。通常，在充电器电路100内，电池温度端114通过一电阻耦接于电压源(图中未示出)，电池温度端114连接至电池组的电池温度接点214，从而，充电器电路100内的该电阻与位于电池组200内的负温度系数热敏电阻RNTC对该电压源所提供的供给电压进行分压，以在电池温度接点214上产生过压侦测信号。当电池组200内部的温度超过安全界限(如温度上限制值)时，电阻性电路226能够下拉电池温度端114和电池温度接点214上的电压电平，从而在电池温度接点214上产生过温侦测信号。此外，在另一示例中，电池组200内可设有侦测电路，用于通过侦测电池组200中的温度是否高于预定温度值，而在电池温度接点214上产生过温侦测信号，其中，若电池组200中的温度高于预定温度值，则过温侦测信号指示过温情况。若所述过温侦测信号指示过温情况，则控制单元120断开充电控制开关140，以及，还可以控制放电电路150耦接于功率输出端116。在本发明实施例中，充电器电路100读取到电阻性电路226的电阻值具有在预定范围内的数值时，电池芯210的充电才被允许。因此，通过电池温度端114上的信号，当过压情况和过温情况之一发生时，控制电路120可以停止充电，并相应地提供放电路径给电池芯210(或电池组200)。
若电池组200为智能(smart)电池，且支持数字数据通信协议，如移动行业处理器接口电池接口(MIPI BIF)协议。那么，电池识别端112和电池温度端114之一可以被用作移动行业处理器接口电池接口(MIPI BIF)的电池通信线(battery communication line，BCL)。在该情形中，充电器电路100的电池接口(BIF)模块170可以通过电池通信线与电池组200的电池接口(BIF)模块230通信，以获取电池组200的电池接口(BIF)模块230的相关信息。其中，位于电池组200内的电池接口(BIF)模块230可以获取电池组200的电气特性，如电池芯210的正极的电压电平和/或温度。从而，控制单元120可以通过电池接口(BIF)模块170获得关于电池芯210的电压电平和/或温度的信息，以及，确定是否断开充电控制开关140，以停止电池组200的充电，以及确定是否控制放电电路150耦接到功率输出端116，以给电池组200放电。
此外，充电器电路100还可以包括电压检测电路160，耦接于电池检测端118的电压检测电路160也可以侦测过压情况。由于电池检测端118耦接于电池组200的电池功率接点216，以及，电池功率接点216还通过电阻RPACK耦接于电池芯210的正极，因此，通过测量电池功率接点216上的电压电平能够侦测出过压情况。一旦控制单元120获知电池功率接点216上所测量得到的电压电平高于预定阈值(如参考电压电平VREF)，控制单元120断开充电控制开关120并控制放电电路150耦接到功率输出端116，以给电池组200放电。
在一实施例中，充电器电路100可以包括放电电路150，放电电路150选择性地耦接于功率输出端116，当放电电路150耦接于功率输出端116时，用于给电池组200的电池芯210放电。如图1所示，放电电路150可以包括开关151和电流源152，以往低电压电平(如接地电平)的方向提供汲电流，从而给电池组200的电池芯210放电。在图1所示的实施例中，电流源152的一端连接至接地电平，而另一端通过受控制单元120控制的开关151耦接于功率输出端116。然而，图示实施例并不旨在限制本发明的范围。根据本发明的各实施例，可以利用不同的架构来实现放电电路150。
总之，本发明提供了一种存在于充电器电路内或系统侧的电池保护机制，用于防止电池组的过压和/或过温情况造成损坏，能够在侦测到过压和/或过温情况时停止电池组的充电，此外，还可以给电池组的电池芯提供放电路径，以给电池芯放电。本发明的一个重要优点是，即使电池组中的保护电路出现故障，该电池保护机制是仍然有效的。因此，电池使用的安全性完全能够得到保证。
在说明书中引用“一实施例”或“实施例”意指结合被包括在至少一种实现中的实施例所描述的特定特征、结构，或特性。于说明书各地方中出现的短语“在一实施例中”不一定全部指的是同一实施例。因此，尽管实施例已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言进行了描述，但是应该理解的是，要求保护的主题不限于所描述的具体特征或动作。相反，这些具体特征和动作作为实现所要求保护的主题的示例形式被公开。
在不脱离本发明的精神以及范围内，本发明可以其它特定格式呈现。所描述的实施例在所有方面仅用于说明的目的而并非用于限制本发明。本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。本领域技术人员皆在不脱离本发明之精神以及范围内做些许更动与润饰。

Claims (10)

1.一种充电器电路，用于控制电池组的充电，其特征在于，所述充电器电路包括：
至少一功率输出端和至少一连接端，用于耦接所述电池组；
充电控制开关，用于将来自电源的功率通过所述功率输出端选择性地提供至所述电池组；
放电电路，选择性地耦接于所述功率输出端，以及，当所述放电电路耦接于所述功率输出端时用于给所述电池组的电池芯放电；以及
控制单元，耦接于所述充电控制开关、所述至少一连接端和所述放电电路，用于根据所述至少一连接端上的信号确定是否断开所述充电控制开关以及确定是否控制所述放电电路耦接于所述功率输出端；
其中，所述至少一连接端包括第一连接端，所述第一连接端上的信号用于指示所述电池组的过压情况和过温情况，所述第一连接端耦接于所述电池组的电池温度接点，以及，所述电池组具有侦测电路，所述侦测电路包括：比较装置，用于比较所述电池芯的正极的电压电平和预定的参考电压电平，以及，当所述电池芯正极上的电压电平高于所述参考电压电平时产生驱动电流；以及
电阻性电路，耦接于所述比较装置的输出端，用于在所述驱动电流流经所述电阻性电路时产生过压侦测信号在所述电池温度接点上，使得所述控制单元断开所述充电控制开关，并控制所述放电电路耦接于所述功率输出端；
其中，所述电阻性电路为负温度系数热敏电阻，所述负温度系数热敏电阻耦接所述比较装置的输出端和所述电池温度接点，当所述电池组中的温度超过预定温度值时，过温侦测信号被产生在所述电池温度接点上，使得所述控制单元断开所述充电控制开关，并控制所述放电电路耦接于所述功率输出端。
2.如权利要求1所述的充电器电路，其特征在于，所述至少一连接端还包括第二连接端，所述第二连接端耦接于所述电池组的电池功率接点，以及，所述充电器电路还包括：
电压检测电路，用于测量所述电池功率接点上的电压电平，以产生过压侦测信号；以及
若所述过压侦测信号指示过压情况，则所述控制单元断开所述充电控制开关，并控制所述放电电路耦接于所述功率输出端。
3.如权利要求1所述的充电器电路，其特征在于，所述至少一连接端还包括第三连接端，所述第三连接端耦接于所述电池组的电池识别接点，以及，所述电池组具有侦测电路，用于通过侦测所述电池芯的正极的电压电平是否高于预定的参考电压电平来产生过压侦测信号在所述电池识别接点上；以及
若所述过压侦测信号指示过压情况，则所述控制单元断开所述充电控制开关，并控制所述放电电路耦接于所述功率输出端。
4.如权利要求1所述的充电器电路，其特征在于，所述电池组还具有另一侦测电路，用于通过侦测所述电池组中的温度是否高于预定温度值来产生过温侦测信号在所述电池温度接点上；以及
若所述过温侦测信号指示过温情况，则所述控制单元断开所述充电控制开关，并控制所述放电电路耦接于所述功率输出端。
5.如权利要求1所述的充电器电路，其特征在于，所述充电器电路还包括电阻和电压源，其中，所述电压源通过所述电阻连接至所述电池温度接点，所述电阻和所述电池组内的热敏电阻对所述电压源提供的供给电压进行分压，以在所述电池组内部的温度超过安全界限时产生过温侦测信号在所述电池温度接点上，使得所述控制单元断开所述充电控制开关，并控制所述放电电路耦接于所述功率输出端。
6.如权利要求1所述的充电器电路，其特征在于，所述至少一连接端被用作移动行业处理器接口电池接口的电池通信线，以及，所述充电器电路还包括：
电池接口模块；
所述控制单元从所述电池接口模块获得关于所述电池芯的电压电平或温度的信息，其中，所述充电器电路的所述电池接口模块通过所述电池通信线连接至所述电池组的电池接口模块；以及
若从所述电池接口模块获得的所述信息指示过压或过温情况，则所述控制单元断开所述充电控制开关，并控制所述放电电路耦接于所述功率输出端。
7.如权利要求1所述的充电器电路，其特征在于，所述放电电路包括受所述控制单元控制的开关和连接至参考电平的电流源；以及，当所述放电电路通过所述开关耦接于所述功率输出端时，所述放电电路提供从所述电池芯经由所述功率输出端至所述参考电平的电流路径。
8.一种功率系统，具有电池保护机制，所述功率系统包括如权利要求1-5任一项所述的充电器电路和具有电池芯的电池组其中，所述电池组还包括侦测电路，所述侦测电路包括：
比较装置，具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端耦接于所述电池芯的正极，所述第二输入端耦接于参考电压电平，所述比较装置用于比较所述电池芯正极上的电压电平和所述参考电压电平，以及，当所述电池芯正极上的电压电平高于所述参考电压电平时产生驱动电流；以及
电阻性电路，耦接于所述比较装置的输出端，用于在所述驱动电流流经所述电阻性电路时产生过压侦测信号。
9.如权利要求8所述的功率系统，其特征在于，所述充电器电路的其中一个连接端耦接于所述电池组的电池识别接点，以及，所述电阻性电路包括识别电阻。
10.如权利要求8所述的功率系统，其特征在于，所述充电器电路的其中一个连接端耦接于所述电池组的电池温度接点，以及，所述电阻性电路包括负温度系数热敏电阻。
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