CN1205127A - 电池保护电路 - Google Patents

Abstract

一种电池保护电路,所说保护电路设有过量充电检测电路,用于检测电池的过量充电,所说保护电路还设有充电禁止电路,用于通过使用一个电容元件对一过量充电检测信号给出规定的延迟时间后禁止电池的充电。充电禁止电路可检测用于给出延迟时间的电容元件的短路,并且能在检测电容元件短路时在没有提供延迟时间的情况下禁止电池的充电。因此,因为即使在电容元件短路时也能禁止电池的充电,所以改善了电源单元的安全性。

Description

说    明    书 电池保护电路

本发明涉及具有保护可充电电池(如锂离子电池)不会过量充电的功能的一种电池保护电路。

使用锂离子电池作为电源的锂离子电源单元(这样一种电源单元也称之为“锂离子电池组”)通常包含一个锂离子电池保护电路，用来保护锂离子电池不致于有过量电流。过量放电、和过量充电。组成一个常规的锂离子电源单元，它包含例如两个串联连接的锂离子电池和一个锂离子电池保护电路，这种电源单元按以下所述操作。

图4是具有两个串联连接的锂离子电池的一种常规的锂离子电源单元的方块图。数字101和102代表锂离子电池。数字103代表一个充电控制FET(n沟道场效应晶体管)，用于在对锂离子电池101和102进行充电的状态和不对它们进行充电的状态之间转接该电源单元的状态。具体来说，当FET 103导通时锂离子电池101和102充电，当FET 103截止时它们不充电。数字104代表充电控制FET控制电路，用于使充电控制FET导通和截止。数字105和106分别代表该电源单元的正和负输出端。数字107和108代表电阻器。数字109代表作为电容元件提供的一个片式电容器。数字200代表锂离子电池保护电路，用于保护每一个锂离子电池101和102不致于过量充电。T1、T2、T3、T4、和T5代表该锂离子电池保护电路200的各个端点。

串联的两个锂离子电池101和102的高电位端连到正端105，并且还通过电阻器107连到端点T1。两个锂离子电池101和102之间节点A通过电阻器108连到端点T2。串联的两个锂离子电池101和102的低电位端通过FET 103连到负端106，并且还连到端点T3。注意，端点T3在锂离子电池保护电路200的内部是接地的，因此串联的两个锂离子电池101和102的低电位端电压等于地电位。充电控制FET控制电路104的输入端连到端点T4，其输出端连到电荷控制FET 103的栅极。片式电容器109的一端连到端点T5，其另一端接地。

锂离子保护电路200由过量充电检测电路1和延迟设定电路7组成。过量充电检测电路1由两个比较器11和12、两个恒压源13和14(其输出电压分别是Vref1和Vref2)、和或门电路15组成。比较器11的同相输入端(+)连到端点T1，其反相输入端(-)连到恒压源13的高电位端，恒压源13的低电位端连到端点T2。比较器12的同相输入端(+)连到端点T2，其反相输入端(-)连到恒压源14的高电位端，恒压源14的低电位端接地。或门电路15接收比较器11和12的输出，以此作为它的输入，并且使用或门电路15的输出作为该过量充电检测电路1的输出。

作为上述相互连接的结果，过量充电检测电路1按以下所述操作。当锂离子电池101和102中的任何一个的两端电压超过一个预定的电压(该预定电压对锂离子电池101是Vref1，对锂离子电池102是Vref2)，即，当过量充电开始时，过量充电检测电路1输出一个高电平(下面，称此高电平输出为“过量充电检测信号”)。

另一方面，延迟设定电路7由比较器71、恒流源72和76、npn型晶体管73、反相器74、和恒压源75(其输出电压为V₀)组成。恒流源72连到或门电路15，恒流源72的结构应使它在接收到过量充电检测信号时变为导通。恒流源72的输出连到端点T5，并且还连到晶体管73的集电极。反相器74的输入端连到过量充电检测电路1(即，或门电路15)的输出端，它的输出端连到晶体管73的基极。晶体管73的发射极接地。比较器71的同相输入端(+)连接到在恒流源72、端点T5、和晶体管73的集电极之间的节点B，它的反相端(-)连到恒压源75的高电位端，恒压源75的低电位端接地。恒流源76的结构应使它在收到比较器71的高电位输出时变为导通，恒流源76的输出连到端点T4。

作为上述相互连接的结果，延迟设定电路7按以下所述操作。当延迟设定电路7从过量充电检测电路1收到过量充电检测信号时，npn型晶体管73截止。这使恒流源72开始向端点T5提供电流，因此开始给片式电容器109充电。随着时间的过去，片式电容器109的两端电压上升，当这个电压超过了电压V₀时，比较器71输出高电平，使恒流源76可向端点T4提供一个预定的电流(下面，称该预定电流为“充电禁止信号”)。这就是说，延迟设定电路7响应于来自过量充电检测电路1的过量充电检测信号输出具有预定延迟t(t=CV₀／I)的充电禁止信号，所说延迟t取决于恒流源72提供的电流I₀、片式电容器109的电容C、以及恒压源75的输出电压V₀。

进而，充电控制FET控制电路104连到端点T4，因此当充电控制FET控制电路104从延迟设定电路107收到充电禁止信号时，所说控制电路104输出低电平，因而使充电控制FET 103变为截止。结果，锂离子电池101和102从连在正、负端105和106之间的一个充电单元上断开、从而停止了锂离子电池101和102的充电。按此方式对锂离子电池101和102进行保护，使之不致于过量充电。

在锂离子电池的过量充电的检测和充电的禁止之间确保一个如以上所述的延迟的目的在于消除过量充电检测电路1由外部噪声引起的误激励。

如图5所示，上述锂离子电源单元是作为混合式IC(集成电路)形成的，它具有的如图4所示的组成元件，例如片式电容器109和锂离子电池保护电路200，都安装在单个基片300上。因此，这种锂离子电源单元有可能遭受片式电容器109短路，其原因是片式电容器109断裂、基片300上布线图案有缺陷、或者某种其它原因。

上述的常规锂离子电池保护电路200的一个缺点是，当在片式电容器109中发生短路时，延迟设定电路7的比较器71的同相输入端(+)的电压被固定在地电平，因此即使过量充电检测电路1输出过量充电检测信号，比较器71也决不会输出高电平。这意味着，延迟设定电路7决不会输出充电禁止信号，因此即使在过量充电的情况下，也要继续进行对锂离子电池101和102的充电过程，直到这些电池损伤、开始冒烟、甚至烧毁时为止。

按照本发明，进一步为使用电容元件在检测锂离子电池过量充电之后并在禁止充电之前产生一个延迟的锂离子电池保护电路提供一个在电容元件中检测短路的装置，因此当发现电容元件短路时可禁止锂离子电池的充电。

图1是包含实施本发明的锂离子保护电路的锂离子电源单元的电路图；

图2是延迟设定电路实例的电路图，该电路具有在如图1所示的锂离子电池保护电路中使用的电容元件中检测短路的功能；

图3是设有机械开关或电流方向检测电路以控制实现本发明的锂离子电池保护电路的操作的一个锂离子电源单元的方块图；

图4是包含常规的锂离子电池保护电路的锂离子电源单元的电路图；以及

图5表示作为混合式集成电路形成的锂离子电源单元的结构。

下面，参照附图描述本发明的一个实施例。图1是包含两个串联连接的锂离子电池和一个本发明锂离子电池保护电路110的一个锂离子电源单元的电路图。在图1中，数字2代表一个延迟设定电路，它具有在电容元件中检测短路的功能。注意，在图1和下面的描述中，用相同的标号代表在图4所示的常规实例中也出现的这样一些元件，并且不重复重叠的说明。

具有在电容元件中检测短路功能的延迟设定电路2由以下元件组成：第一比较器21、第二比较器22、恒流源23和30、开关电路24、28、和31、恒压源25、26和27(它们的输出电压分别是V₁、V₂和V₃，其中V₁＞V₂＞V₃)、以及或门电路29。

这些元件的相互连接关系如下。恒流源23的输出通过开关电路24连到端点T5。开关电路24的配置应使它在收到过量充电检测信号时变为导通。端点T5通过开关电路28连到恒压源26的高电位端，恒压源26的低电位端接地。开关电路28的配置应使它在收到过量充电检测信号时变为截止。

第一比较器21的同相输入端(+)连到端点T5。第一比较器21的反相输入端(-)连到恒压源25的高电位端，恒压源25的低电位端接地。第二比较器22的同相输入端(+)连到恒压电源27的高电位端，恒压源27的低电位端接地。第二比较器22的反相输入端(-)连到端点T5。

或门电路29接收第一和第二比较器21和22的输出，以此作为它的输入，并且当或门电路29接收来自这些比较器中的任何一个的高电平时，它就输出一个高电平。恒流源30的输出通过开关电路31连到端点T4。开关电路31的配置应使它在或门电路29输出高电平时变为导通。

作为上述相互连接的结果，具有在电容元件中检测短路的功能的延迟设定电路2按以下所述操作。当延迟设定电路2没从过量充电检测电路1接到过量充电检测信号时，开关电路24保持截止，开关电路28保持导通。因此，如果片式电容器109没有短路，则第一比较器21的同相输入端(+)的电压等于V₂，其反相输入端(-)的电压等于V₁，而第二比较器22的同相输入端(+)的电压等于V₂，其反相输入端(-)的电压等于V₃。这里，由于V₁＞V₂＞V₃，所以第一和第二比较器21、22这两者都保持它们的输出为低，因此或门电路29保持它的输出为低。因此，开关电路32仍旧截止，因此恒流源30不向端点T4提供预定的电流。即，当延迟设定电路2没从过量充电检测电路1接到过量充电检测信号时，如果片式电容器109没有短路，则所说电路2决不会输出充电禁止信号。

当延迟设定电路2从过量充电检测电路1接收到过量充电检测信号时，开关电路24导通，开关电路28截止。因此，第一比较器21的同相输入端(+)的电压以及第二比较器22的反相输入端(-)的电压都变为等于片式电容器109上的电压。

如果片式电容器109没有短路，即，它处在正常状态，则开始用恒流源23提供的电流给片式电容器109充电，并且随着时间的过去，片式电容器109两端的电压在升高。当这个电压超过了电压V₁时，第一比较器21输出高电平，由此使或门电路29输出高电平。结果，开关电路31变为导通，并输出充电禁止信号。即，如果片式电容器109没短路，则延迟设定电路2响应于过量充电检测信号输出具有预定延迟t₁(t₁=C(V₁-V₂)／I₁)的充电禁止信号，所说延迟t₁取决于恒流源23提供的电流I₁、片式电容器109的电容C、以及恒压源25和26的输出电压V₁和V₂。注意，由于在这种情况下片式电容器109的电压预先移到V₂，所以第二比较器22一直保持它的输出为低。

相比之下，当片式电容器109短路时，片式电容器109的电压固定在地电位，因此第二比较器22输出高电平。这引起的结果是，刚好在第一比较器21输出高电平时，输出充电禁止信号。即，当片式电容器109短路时，延迟设定电路2响应于过量充电检测信号立即输出充电禁止信号，没有延迟。注意，在这种情况下，第一比较器21一直保持它的输出为低。

图2是具有在电容元件中检测短路的功能的延迟设定电路2的一个实例的一个特定的电路图。在图2中，数字41、42、46、47、60、62、和67代表pnp型晶体管，数字43、44、48、49、58、63、64和68代表npn型晶体管，数字45、50、51、53、55、59、和61代表恒流源，数字52和56代表开关电路，数字54、57、和65代表电阻器，数字66代表恒压源。

这些元件按以下所述相互连接。晶体管41和42形成一个差分对，它们的发射极连到恒流源45。晶体管41和42的集电极分别连到由晶体管43和44组成的电流镜象电路的输入端和输出端。晶体管41的基极连到端点T5，T5通过开关电路52连到恒流源51。电阻器54的一端连到恒流源53，它的另一端连到按二极管方式连接的并且发射极接地的晶体管68的集电极。晶体管42的基极连接到电阻器54的恒流源53相连的那一端。恒流源45提供的电流流入晶体管68的集电极。开关电路52的配置应使它在接收过量充电检测信号时变为导通。

晶体管46和47形成一个差分对，它们的发射极连到恒流源50。晶体管46和47的集电极分别连到由晶体管48和49组成的电流镜象电路的输入端和输出端。晶体管46和47的基极分别连到晶体管60和62的发射极。恒流源50提供的电流流入晶体管68的集电极。晶体管46和47的配置应使对它加上相同的基极电压时晶体管46可流过的电流大于流过晶体管47的电流的N倍(N＞1)。

晶体管60是按二极管方式连接的，它的发射极连到恒流源59，它的集电极连到晶体管68的集电极。晶体管62的发射极连到恒流源61，它的集电极连到晶体管68的集电极，它的基极连到端点T5。

电阻器57的一端通过开关电路56连到恒流源55，它的另一端连到晶体管68的集电极。晶体管58的基极连到电阻器57的通过开关电路56连到恒流源55的那一端。晶体管58的发射极连到电阻器57的与晶体管68的集电极相连的那一端。晶体管58的集电极连到端点T5。开关电路56的配置应使它在收到过量充电检测信号变为截止。

晶体管63的基极到在晶体管42和44的集电极之间的节点，晶体管64的基极连到在晶体管47和49的集电极之间的节点。晶体管63和64的两个集电极都通过电阻器65(用作两个晶体管共用的负载)连到恒压源66。晶体管63和64的发射极连到晶体管68的集电极。晶体管67的发射极连到恒压源66，它的集电极连到端点T4，它的基极连到在电阻器65和晶体管63及64的集电极之间的节点。

作为以上所述相互连接的结果，具有在电容元件中检测短路的功能的延迟设定电路2按以下所述操作。假定：按二极管方式连接的晶体管68的电压为V_D，电阻器54的电压为V_R。当延迟设定电路2没有收到过量充电检测信号时，开关电路52仍旧截止，开关电路56仍旧导通。因此，若片式电容器109没短路，则晶体管41的基极电压近似等于V_D，晶体管42的基极电压等于V_R+V_D。于是，晶体管63仍然截止。另一方面，晶体管60和62的两个基极电压都等于V_D，晶体管46和47的基极电压相等，然而，由于流过电阻器46的电流比流过晶体管47的电流大，所以晶体管64仍然截止，因此，由于晶体管63和64保持截止，晶体管67保持截止，从而不会输出充电禁止信号(即，不向端点T4提供任何电流)。即，当延迟设定电路2没有收到过量充电检测信号时，如果片式电容器109没有短路，所说电路2决不会输出充电禁止信号。

当延迟设定电路2收到过量充电检测信号时，开关电路52变为导通，开关电路56变为截止。因此，晶体管58截止，因此晶体管41和62的两个基极电压都变为等于片式电容器109的电压。

如果片式电容器109没短路，即如果它处在正常状态，则开始用恒流源51提供的电流给片式电容器109充电，并且随着时间的过去，片式电容器109两端的电压上升。当这个电压超过电压V_R+V_D并且晶体管41的基极电压超过了晶体管42的基极电压时，晶体管63变为导通，于是晶体管67导通并且输出充电禁止信号。即，延迟设定电路2响应该过量充电检测信号输出具有预定延迟t₂(t₂=CV_R／I₂，其中I₂代表恒流源51提供的电流)的充电禁止信号。注意，在这种情况下，由于片式电容器109的电压移到V_D，所以晶体管64一直保持截止。

相比而言，如果片式电容器109短路，则晶体管60的基极电压等于V_D，但晶体管62的基极电压，即片式电容器109的电压，却被固定在地电位。因此，晶体管64变为导通，于是晶体管67也变为导通并输出充电禁止信号。即，延迟设定电路2响应该过量充电检测信号立即输出充电禁止信号，没有任何延迟。注意，在这种情况下，晶体管63一直保持截止。还要注意，可以对这个电路进行配置，以使即使流过晶体管46的电流多于流过晶体管47的电流，当晶体管60的基极电压等于V_D并且晶体管62的基极电压接近地电位时，晶体管64也能变为导通。

在图2中，表示的是具有在电容元件中检测短路的功能的延迟设定电路2，所说电路2只有一个按二极管方式连接的晶体管68。然而，为延迟设定电路2提供的按二极管方式连接的晶体管的数目可以多于一个，或者可用一个二极管或一个电阻器来代替按二极管方式连接的晶体管。然而，不仅在保护锂离子电池不致于过量充电的这种类型的锂离子电池保护电路中，而且在保护锂离子电池不致于电流过大或过量放电的这种类型的锂离子电池保护电路中，都可以使用该延迟设定电路2。

充电控制FET控制电路104由以下元件组成：npn型晶体管81、电阻器82、83、和84、以及恒压源85。这些元件按以下所述相互连接。晶体管81的基极连到在串联连接的电阻器82和83之间的节点，它的集电极通过电阻器84连到恒压源85上。电阻器82的另一端连到端点T4。电阻器83的另一端和晶体管81的发射极连到在充电控制FET 103和负端106之间的节点。在晶体管81的集电极和电阻器84之间的节点连到充电控制FET 103的栅极。使用恒流源30作为延迟设定电路2的输出的目的是防止在异常条件下异常高的电流通过充电控制FET控制电路104流入负端106。因此，如果向充电控制FET 103的栅极直接提供(即，简单地通过一个反相器或类似电路提供)延迟设定电路2的或门电路29的输出，则可省去充电控制FET控制电路104。

在上述实施例中，当在片式电容器109中发生短路时，第二比较器22的反相输入端(-)的电压(在图1的情况下)、或者晶体管62的基极电压(在图2的情况下)变为等于地电位。因此，在这种情形之下，即使没有过量充电检测信号，也要无条件地出现充电禁止信号。即，片式电容器109一旦短路，即使锂离子电池101和102还没有达到过量充电状态，也决不可能给所说电池101和102充电，也不可能再向负载提供能量。因此，这样一种结构一方面有助于实现对异常状态(在此情况下，异常状态是片式电容器109的短路)的有效警报，但在另一方面却伤害了该电源单元作为一个整体的可操作性。但是，通过按以下所述来构成锂离子电池保护电路，就可能免除这种不便之处。

例如，如图3所示，有可能额外再提供锂离子电池保护电路110；所说保护电路110配有一个机械开关11，用于检测充电器400是否连接在正端105和负端106之间；所说保护电路110或者配有一个电流方向检测电路112，用于检测在正端105和负端106之间流动的电流的方向。这使锂离子电池保护电路110有可能识别出所说锂离子电池101和102是否在充电或放电的过程之中，因此有可能只有锂离子电池101和102处在充电过程中时激励锂离子电池保护电路110的过量充电检测电路1和延迟设定电路2。结果，只要锂离子电池101和102处在放电过程中，即使片式电容器109短路，充电禁止信号也决不会出现，因此有可能向负载提供能量。

按另一种方式，可对锂离子电池保护电路110进行配置，使得在图1的情况下的第二比较器22可由从过量充电检测电路1的或门电路15的输出引出的电压驱动，或者在图2的情况下通过过量充电检测信号(即，或门电路15的高电平输出)使恒流源50变为导通。只要或门电路15不输出高电平，就有可能保持第二比较器22不被激励。即，只要不存在过量充电检测信号，第二比较器22就决不会输出高电平，晶体管64就决不会导通。因此，即使片式电容器短路，如果锂离子电池101和102不处在放电状态，就有可能给锂离子电池101和102充电，或者让它们放电。

如以上所述，不仅在片式电容器109(它用作电容元件，用于在产生过量充电检测信号之前确定一个延迟)没有短路时，即处在正常状态时，而且在片式电容器109由于某种原因发生短路时，本实施例的锂离子电池保护电路在检测过量充电时都能够停止锂离子电池的充电过程，因此可保护它们不致于过量充电。因此，本实施例的锂离子电池保护电路有助于使该电源单元的使用更加安全。

如前所述，按照本发明，尽管使用电容元件在检测电池过量充电之后并在禁止充电之前产生一个延迟，即使电容元件短路，电池保护电路也能在检测过量充电时禁止充电。因此，该电池保护电路可以用作保护电池不致于过量充电的一种电池保护电路，特别是，该电路适合于用作需要消除因外界噪声引起的误检测的电池保护电路。

Claims (6)

1．一种电池保护电路，它在检测电池过量充电时通过使用电容元件在禁止电池充电之前确保一个延迟，所说电池保护电路包括：

用于检测电容元件中的短路的装置；

其中，当在电容元件中检测短路时禁止电池充电。

2．如权利要求1的电池保护电路，其特征在于它进一步还包括：

用于向该电容元件施加一预定电压的装置；

用于检测电容元件电压的装置；以及

用于当电容元件电压降低到低于预定电压时禁止电池充电的装置。

3．如权利权利要求1的电池保护电路，其特征在于它进一步还包括：

一个偏置设定电路，用于当没有检测到过量充电时向电容元件施加一预定电压V₂；

一个电容元件充电电路，用于当检测到过量充电时给电容元件提供预定电流；

第一和第二比较器，当它们的第一输入端电压超过了它们的第二输入端电压时，所说第一和第二比较器输出高电平；以及

一个或门电路，当第一和第二比较器中的任何一个输出高电平时，所说或门电路输出高电平，

其中，第一比较器在其第一输入端接收电容元件的电压，在其第二输入端接收预定电压V₁；第二比较器在其第一输入端接收预定电压V₃，在其第二输入端接收电容元件的电压；所说预定电压具有如下关系：V₁＞V₂＞V₃，并且

其中，由所说或门电路输出的高电平来禁止电池的充电。

4．如权利要求3的电池保护电路，其特征在于所说偏置设定电路是通过把电容元件连接到在一恒流源和一二极管之间的节点来实现的。

5．如权利要求3的电池保护电路，其特征在于所说偏置设定电路是通过把电容元件连接到在一恒流源和一二极管之间的节点来实现的。

6．一种电池保护电路，用于保护可充电电池不致于过量充电，包括：

与一充电器相连的第一和第二端；

开关装置，它的一端连到电池的一端，它的另一端连到所说第二端，电池的另一端连到所说第一端；

一个检测电路，它监测电池两端的电压，当检测到过量充电时输出过量充电检测信号；

一个延迟电路，它具有一个电容元件，用于延迟过量充电检测信号的输出；

电压施加装置，用于当没有过量充电检测信号时向电容元件施加第一预定电压；

电流供给装置，用于当存在过量充电检测信号时向电容元件供给预定电流；

第一装置，用于当电容元件的电压大于第二预定电压、第二预定电压大于第一预定电压时使所说开关装置断开；以及

第二装置，用于当过量充电检测信号存在、并且电容元件的电压小于第三预定电压、第三预定电压小于第一预定电压时使所说开关装置断开。

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