CN202178567U - 多个电池单元串联的电池保护电路及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多个电池单元串联的电池保护电路，其包括：多个保护单元，每个保护单元对应一个电池单元，所述保护单元对对应的电池单元进行检测以输出表示该对应的电池单元是否异常的第一信号；多个传递单元，每个传递单元对应于一个保护单元并对应该保护单元对应的电池单元，所述传递单元接收对应的保护单元输出的第一信号和上一级传递单元输出的第二信号，并在接收的第一信号和第二信号中只要有一个为异常时输出表示异常的第二信号。这样，通过对每一节电池单元进行检测以确定该节电池单元是否异常，当任一节电池单元出现异常时则将该异常信号向上或向下传递，这样可以实现对多节串联的电池单元进行保护。

Description

多个电池单元串联的电池保护电路及系统

【技术领域】

本实用新型涉及一种电源管理电路，特别是涉及一种多节电池单元串联的电池保护电路和系统。

【背景技术】

锂离子电池由于具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等，部分代替了传统电池。但是因其物理特性，在使用过程中，锂电池对充电电流、放电电流、电压及温度要求很严格，一旦超过将在安全上和寿命上产生严重后果。因此，锂离子电池在充放电工作过程中，需要对其过充电压、过放电压、充电限制电流以及放电限制电流等关键参数进行监测和控制，以防止电池过度损耗同时保证使用中的安全。目前单体锂电池的保护电路已经很成熟，但对于多节串联的锂电池组来说，组建与其匹配的保护电路有一定的难度。对于其他类型的需要精确保护的电池也需要设置保护电路进行保护。

图1示出了一种现有的多节电池单元串联的电池保护系统100的电路示意图。请参考图1所示，所述电池保护系统100包括串联的四节电池单元B1、B2、B3和B4、电池保护电路110和连接于电池单元B1的负极和负极输出端U-之间的开关组合电路120。所述电池保护电路110包括分别连接在对应电池单元正负极两端的四个保护单元111和检测电路112。所述保护单元111检测对应的电池单元是否异常，比如过充电或过放电等均为异常，其余为正常或非异常，并输出表示对应的电池单元是否异常的信号。所述检测电路112检测各个保护单元111输出的信号中是否有异常信号，如果有异常信号则控制所述开关组合电路120切断充电或放电回路以保护串联的电池单元不受到破坏。

虽然各个保护单元111的输出均为表示是否异常的信号，比如高电平表示异常、低电平表示正常，但是各个保护单元111输出的信号的电位是不同的，比如保护单元1输出的高电平和保护单元2输出的高电平的电位是不同的，保护单元3输出的低电平和保护单元4输出的低电平的电位是不同的。此外，随着串联电池的增多，所述检测电路112的设计会越来越复杂，而且其需要耐受的电压也会越来越高。因此，现有的多节电池单元串联的电池保护电路一般都只能针对4-6节串联电池进行保护。

因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的之一在于提供一种电池保护电路，其可以实现多节电池单元串联的保护。

本实用新型的目的之二在于提供一种电池保护系统，其可以实现多节电池单元串联的保护。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出一种多节电池单元串联的电池保护电路，其包括：多个保护单元，每个保护单元对应一个电池单元，所述保护单元对对应的电池单元进行检测以输出表示该对应的电池单元是否异常的第一信号；多个传递单元，每个传递单元对应于一个保护单元并对应该保护单元对应的电池单元，所述传递单元接收对应的保护单元输出的第一信号和上一级传递单元输出的第二信号，并在接收的第一信号和第二信号中只要有一个为异常时输出表示异常的第二信号。

进一步的，末级传递单元对应的电池单元为串联的电池单元中具有最高电位的电池单元或具有最低电位的电池单元。

更进一步的，一个传递单元对应的电池单元位于上一级传递单元对应的电池单元和下一级传递单元对应的电池单元之间并与它们相邻。

进一步的，所述传递单元输出的第二信号的参考电位为其对应的电池单元的电位，所述保护单元输出的第一信号的参考电位为其对应的电池单元的电位，所述传递单元包括具有一个输入端和一个输出端的转换电路和具有两个输入端和一个输出端的逻辑电路，所述转换电路的输入端接收所述上一级传递单元输出的第二信号，并将所述上一级传递单元输出的第二信号的参考电位由上一级传递单元对应的电池单元的电位转换为其所属的传递单元对应的电池单元的电位，并将参考电位转换之后的第二信号传递给所述逻辑电路的一个输入端，所述逻辑电路的另一个输入端接收对应的保护电路输出的第一信号，其输出端用作所述传递单元的输出端，在其接收的第一信号和第二信号中有一个为异常时，则输出异常的第二信号。

更进一步的，所述保护单元由其对应的电池单元供电，所述逻辑单元由其所属的传递单元对应的电池单元供电，所述转换电路由其所属的传递单元对应的电池单元和上一级的传递单元对应的电池单元供电。

再进一步的，所述转换电路包括串联在其所属的传递单元对应的电池单元的负极或正极和上一级的传递单元对应的电池单元的正极或负极之间的电流源和开关电路以及由其所属的传递单元对应的电池单元供电的反相器，所述开关电路的控制端用作所述转换电路的输入端，所述反相器的输入端接所述电流源和所述开关电路的中间节点，所述反相器的输出端用作所述转换电路的输出端。

再进一步的，所述开关电路为NMOS晶体管或PMOS晶体管。

再进一步的，所述开关电路在其接收的第二信号为无异常时，其处于导通状态，在其接收到的第二信号为有异常时，其处于截至状态。

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提出一种电池保护电路系统，其包括：多节串联的电池单元；多个保护单元，每个保护单元对应一个电池单元，所述保护单元对对应的电池单元进行检测以输出表示该对应的电池单元是否异常的第一信号；多个传递单元，每个传递单元对应于一个保护单元并对应该保护单元对应的电池单元，所述传递单元接收对应的保护单元输出的第一信号和上一级传递单元输出的第二信号，并在接收的第一信号和第二信号中只要有一个为异常时输出表示异常的第二信号。

再进一步的，所述电池保护电路系统还包括：开关组合电路，其在末级传递单元输出的第二信号为异常时切断充电或放电回路。

与现有技术相比，本实用新型提出的电池保护电路，通过对每一节电池单元进行检测以确定该节电池单元是否异常，当任一节电池单元出现异常时则将该异常信号向上或向下传递，这样可以实现对多节串联的电池单元进行保护。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术中多节电池单元串联的电池保护电路系统的示意图；

图2为本实用新型中多节电池单元串联的电池保护电路系统在一个实施例中的电路示意图；

图3为图2中的传递单元在一个实施例中的电路示意图；

图4为本实用新型中多节电池单元串联的电池保护电路系统在另一个实施例中的电路示意图；和

图5为图4中的传递单元在一个实施例中的电路示意图。

【具体实施方式】

本实用新型的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本实用新型技术方案的运作。为透彻的理解本实用新型，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本实用新型则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本实用新型的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本实用新型的限制。本文中n可以为大于2的自然数，多个表示两个或两个以上。文中的连接、相接等词均可以理解为间接或直接的连接。

图2为本实用新型中多节电池单元串联的电池保护电路系统200在一个实施例中的电路示意图。所述电池保护电路系统200包括n个串联的电池单元B1、B2、......、Bn，对n个电池单元进行保护的电池保护电路210和连接于电池单元B1的负极和负极输出端U-之间的开关组合电路220。

所述电池保护电路210在检测到n个电池单元中任何一个出现异常时则控制所述开关组合电路220切断充电或放电回路以保护串联的电池单元不受到破坏。请参考图2所示，所述电池保护电路210包括n个保护单元(或称保护电路)211、n-1个传递单元212和控制电路213。n个保护单元211分别为保护单元1、保护单元2、......、保护单元n-1和保护单元n，n-1个传递单元212分别为传递单元2、......、传递单元n-1和传递单元n，其中保护单元n对应于电池单元Bn，传递单元n对应于保护单元n和电池单元Bn。

每个保护单元211对对应的电池单元进行检测以输出表示该对应的电池单元是否异常的第一信号，所述异常可以是过充电或过放电。所述传递单元212接收对应的保护单元211输出的第一信号和上一级传递单元212输出的第二信号，并输出表示是否有异常的第二信号，其中所述传递单元212在接收的第一信号和第二信号中只要有一个为异常时，则输出异常的第二信号。一个传递单元212输出的第二信号可以表示该传递单元对应的电池单元以及前面串联的电池单元是否有异常，比如传递单元n-1输出的第二信号为异常则表示电池单元B1至Bn-1中至少有一个电池单元异常。

在本实施例中，第二信号由对应低电位的电池单元的信号传递单元向对应高电位的电池单元的信号传递单元进行传递，因此末级传递单元212对应的电池单元为串联的电池单元中具有最高电位的电池单元，比如传递单元n为末级传递单元，电池单元Bn为具有最高电位的电池单元，此种信号的传递方式可以被简单的称谓向上传递。一个传递单元212的上一级传递单元为输出给该传递单元第二信号的传递单元，一个传递单元的下一级传递单元为接收该传递单元输出的第二信号的传递单元，比如传递单元n-1的下一级传递单元为传递单元n，传递单元n-1的上一级传递单元为传递单元n-2。很显然，一个传递单元对应的电池单元位于上一级传递单元对应的电池单元和下一级传递单元对应的电池单元之间并与它们相邻。

需要说明的是，在本实施例中，对于初级传递单元2其接收的上一传递单元输出的第二信号实质上就是保护电路1输出的第一信号。由于电池单元B1下面没有了串联的电池单元了，因此保护电路1输出的第一信号是否异常本身就表示电池单元B1以及之前的电池单元(无)是否有异常，即和第二信号表示的含义相同。因此，这里的第一节电池单元对应的保护电路输出的第一信号可以被认为是第二节电池单元对应的传递单元2收到的上一级传递单元输出的第二信号。

在另一个实施例中，可以在保护电路1和传递单元2之间还可以设置一个传递单元1，该传递单元1接收保护电路1输出的第一信号和恒为非异常的第二信号(由于电池单元B1下无串联的电池单元)，输出表示是否有异常的第二信号给传递单元2。

这样，任何一节电池单元出现异常均会通过其对应的传递单元向上传递，并最终导致末级传递单元n输出的第二信号表现为异常，仅通过末级传递单元n输出的第二信号直接就能判断出是否有电池单元出现异常。在有电池单元出现异常时，则通过控制电路213控制所述开关组合电路220切断充电或放电回路以保护串联的电池单元不受到破坏。随着电池单元串联节数的增加，电路只需要增加相应的传递单元212即可，因此可以较为轻松的实现对多节电池单元进行保护，并且串联的电池单元的节数可以达到十几个，甚至几十。

图3为图2中的传递单元n在一个实施例300中的电路示意图，其余传递单元也可以参用传递单元300这样的电路结构。所述传递单元300包括具有一个输入端和一个输出端的转换电路310和具有两个输入端和一个输出端的逻辑电路320。结合参考图2和3所示，每个保护单元211由其对应的电池单元供电，比如保护单元2由其对应的电池单元B2提供电源。所述逻辑单元320由其所属的传递单元对应的电池单元供电，比如传递单元n的逻辑单元320由其对应的电池单元Bn提供电源，具体的，逻辑单元320的一端接电池单元Bn的正极Bn+，另一端接电池单元Bn的负极Bn-。所述转换电路310由其所属的传递单元对应的电池单元和上一级的传递单元对应的电池单元供电，比如传递单元n的转换电路由其对应的电池单元Bn和上一级的传递单元对应的电池单元Bn-1共同提供电源，具体的，转换电路的电源的一端接电池单元Bn的正极Bn+，另一端接电池单元Bn-1的负极Bn-1-。

所述逻辑单元320的输出端作为其所属传递单元的输出端输出第二信号。这样，所述逻辑单元320输出的第二信号的参考电位为其对应的电池单元的电位，比如传递单元n的逻辑单元输出的第二信号的电位在电池单元Bn的正负极电位之间，即所述逻辑单元320以电池单元Bn的正负极电位为参考电位来生成所述第二信号，具体的，第二信号的高电平可以为电池单元Bn的正极电位，第二信号的低电平可以为电池单元Bn的负极电位。所述保护单元211输出的第一信号的参考电位为其对应的电池单元的电位，比如保护单元n输出的第一信号的高电平可以为电池单元Bn的正极电位，低电平可以为电池单元Bn的负极电位。

所述转换电路310的输入端302接收所述上一级传递单元输出的第二信号，并将所述上一级传递单元输出的第二信号的参考电位由上一级传递单元对应的电池单元的电位转换为其所属的传递单元对应的电池单元的电位，并将参考电位转换之后的第二信号传递给所述逻辑电路320的一个输入端。举例来说，传递单元n中的转换电路310将其接收到的以电池单元Bn-1为参考电位的第二信号转换成以电池单元Bn为参考电位的第二信号。所述逻辑电路320的另一个输入端301接收对应的保护单元输出的第一信号，并根据参考电位相同的第一信号和第二信号进行逻辑判断，在第一信号和第二信号中只要有一个为异常时，所述逻辑电路320通过输出端303输出异常的第二信号。

这样，由于传递单元300接于相邻的两节电池单元之间，因此传递单元300的耐压要求也会比较低，而且随着电池单元串联的个数的增加，也不需要增加各个传递单元的耐压能力。

请继续参考图3所示，所述转换电路310包括串联在其所属的传递单元对应的电池单元的正极(比如Bn+)和上一级的传递单元对应的电池单元的负极(比如Bn-1-)之间的电流源Is和开关电路311以及由其所属的传递单元对应的电池单元供电的反相器INV，所述开关电路311的控制端用作所述转换电路310的输入端302，所述反相器INV的输入端接所述电流源Is和所述开关电路311的中间节点，所述反相器INV的输出端用作所述转换电路310的输出端。图中，电流源Is的一连接端接Bn+，开关电路的一连接端接Bn-1-。所述开关电路311可以为开关晶体管，比如NMOS(N-type Metal Oxide Semiconductor)或PMOS(P-type Metal Oxide Semiconductor)晶体管，晶体管的栅极为所述开关电路311的控制端。

在一个优选的实施例中，所述开关电路311在其接收的第二信号为无异常时，其处于导通状态，在其接收到的第二信号为有异常时，其处于截至状态。这样由于电池保护电路210的其他电路的异常也会启动电池保护，比如开关电路311由于本身的原因坏掉了，同样也会将异常信号报告上去，这样使得电池保护更加安全。

在一个具体的实施例中，结合参考图2和3所示，假如所述开关电路311为NMOS晶体管，第一信号低电平时为异常，第二信号低电平为异常，如果各个电池单元均正常，则各个保护电路均输出高电平，传递单元2中的NMOS晶体管导通使得转换电路输出高电平，逻辑电路也就会输出高电平，接下来传递单元3、4直至n都会输出高电平，这表明没有电池单元出现异常。假如电池单元1出现了异常，保护电路1输出低电平，传递单元2中NMOS晶体管截止使得转换电路输出低电平，逻辑电路也就会输出低电平，接下来传递单元3、4直至n都会输出低电平，这表明有电池单元出现了异常。其余电池单元出现异常，也会致使其对应的传递单元以及下级传递单元输出低电平。这样就实现了异常信号的向上传递。

图4为本实用新型中多节电池单元串联的电池保护电路系统400在一个实施例中的电路示意图。所述电池保护电路系统400包括n个串联的电池单元B1、B2、......、Bn，对n个电池单元进行保护的电池保护电路410和连接于电池单元B1的负极和负极输出端U-之间的开关组合电路420。所述电池保护电路410包括n个保护单元(或称保护电路)411、n-1个传递单元412和控制电路413。图4中的电池保护电路系统400与图2中的电池保护电路系统200的不同之处在于：1)图4中的末级传递单元n对应的电池单元Bn为串联的电池单元中具有最低电位的电池单元，此种信号的传递方式可以被简单的称谓向下传递；2)图4中的最高电位的电池单元为B1，最低电位的电池单元为Bn。关于保护单元411、传递单元412和控制电路413的工作原理与图2中所示实施例中的相应模块的工作原理相同，具体可参阅对应部分。

图5为图4中的传递单元n在一个实施例500中的电路示意图，其余传递单元也可以参用传递单元500这样的电路结构。所述传递单元500包括具有一个输入端和一个输出端的转换电路510和具有两个输入端和一个输出端的逻辑电路520。图5中的传递单元n与图3中的传递单元n的不同之处在于：1)图5中的转换电路510的电流源Is和开关电路串联在其所属的传递单元对应的电池单元的负极和上一级的传递单元对应的电池单元的正极之间；2)图5中的高电位的电池单元为Bn-1，低电位的电池单元为Bn。关于转换电路510和逻辑电路520的工作原理与图3中所示实施例中的相应模块的工作原理相同，具体可参阅对应部分。

同样的，在另一个实施例中，也可以在保护电路1和传递单元2之间还可以设置一个传递单元1，该传递单元1接收保护电路1输出的第一信号和恒为非异常的第二信号(由于电池单元B1上无串联的电池单元)，输出表示是否有异常的第二信号给传递单元2。

在一个具体的实施例中，结合参考图4和5所示，假如开关电路为PMOS晶体管，第一信号高电平时为异常，第二信号高电平为异常，如果各个电池单元均正常，则各个保护电路均输出低电平，传递单元2中的转换电路输出低电平，逻辑电路也就会输出低电平，这样传递单元3、4直至n都会输出低电平，这表明没有电池单元出现异常。假如电池单元1出现了异常，保护电路1输出高电平，传递单元2中的转换电路输出高电平，逻辑电路也就会输出高电平，这样传递单元3、4直至n都会输出高电平，这表明有电池单元出现了异常。其余电池单元出现异常，也会致使其对应的传递单元以及下级传递单元输出高电平，这样就实现了异常信号的向下传递。

在一个实施例中，也可以将图2所示的向上传递方案和图4所示的向下传递方案应用到同一个应用中，这样可以对串联的电池组实现更为安全的保护。

上述说明已经充分揭露了本实用新型的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种多节电池单元串联的电池保护电路，其特征在于，其包括：

多个保护单元，每个保护单元对应一个电池单元，所述保护单元对对应的电池单元进行检测以输出表示该对应的电池单元是否异常的第一信号；

多个传递单元，每个传递单元对应于一个保护单元并对应该保护单元对应的电池单元，所述传递单元接收对应的保护单元输出的第一信号和上一级传递单元输出的第二信号，并在接收的第一信号和第二信号中只要有一个为异常时输出表示异常的第二信号。

2.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于：末级传递单元对应的电池单元为串联的电池单元中具有最高电位的电池单元或具有最低电位的电池单元。

3.根据权利要求2所述的电池保护电路，其特征在于：一个传递单元对应的电池单元位于上一级传递单元对应的电池单元和下一级传递单元对应的电池单元之间并与它们相邻。

4.根据权利要求1-3任一所述的电池保护电路，其特征在于：所述传递单元输出的第二信号的参考电位为其对应的电池单元的电位，所述保护单元输出的第一信号的参考电位为其对应的电池单元的电位，

所述传递单元包括具有一个输入端和一个输出端的转换电路和具有两个输入端和一个输出端的逻辑电路，

所述转换电路的输入端接收所述上一级传递单元输出的第二信号，并将所述上一级传递单元输出的第二信号的参考电位由上一级传递单元对应的电池单元的电位转换为其所属的传递单元对应的电池单元的电位，并将参考电位转换之后的第二信号传递给所述逻辑电路的一个输入端，

所述逻辑电路的另一个输入端接收对应的保护电路输出的第一信号，其输出端用作所述传递单元的输出端，在其接收的第一信号和第二信号中有一个为异常时，则输出异常的第二信号。

5.根据权利要求4所述的电池保护电路，其特征在于：所述保护单元由其对应的电池单元供电，所述逻辑单元由其所属的传递单元对应的电池单元供电，所述转换电路由其所属的传递单元对应的电池单元和上一级的传递单元对应的电池单元供电。

6.根据权利要求5所述的电池保护电路，其特征在于：所述转换电路包括串联在其所属的传递单元对应的电池单元的负极或正极和上一级的传递单元对应的电池单元的正极或负极之间的电流源和开关电路以及由其所属的传递单元对应的电池单元供电的反相器，所述开关电路的控制端用作所述转换电路的输入端，所述反相器的输入端接所述电流源和所述开关电路的中间节点，所述反相器的输出端用作所述转换电路的输出端。

7.根据权利要求6所述的电池保护电路，其特征在于：所述开关电路为NMOS晶体管或PMOS晶体管。

8.根据权利要求6所述的电池保护电路，其特征在于：所述开关电路在其接收的第二信号为无异常时，其处于导通状态，在其接收到的第二信号为有异常时，其处于截至状态。

9.一种电池保护电路系统，其特征在于，其包括：

多节串联的电池单元；

如权利要求1-8任一所述电池保护电路。

10.根据权利要求9所述的电池保护电路系统，其特征在于，其还包括：

开关组合电路，其在末级传递单元输出的第二信号为异常时切断充电或放电回路。

Images