CN202309039U - 一种锂离子/锂聚合物电池组保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种锂离子/锂聚合物电池组保护电路：采用多片2节锂离子电池保护芯片来搭建电池组保护电路，用以保护任意偶数个电芯串联形成的锂离子电池组；或是采用多片2节锂离子电池保护芯片加一片1节锂离子电池保护芯片的方式来搭建电池组保护电路，用以保护任意奇数个电芯串联形成的锂离子电池组。本实用新型还利用一片2节电池保护芯片(或1节电池保护芯片)来实现复合了电流保护和电压保护功能的模块。当任意一节电池电压出现过充或过放，或者放电回路中出现了过电流时，该电池组保护电路能自动切断回路实施保护。一定条件下，保护可以自动解除。本实用新型与现有技术相比，实现了电路集成度、拓展性和成本的较好折衷。

Description

一种锂离子/锂聚合物电池组保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种锂离子/锂聚合物电池组保护电路。 

背景技术

现阶段，越来越多的锂离子电池组被应用在电动工具、电动自行车、电动摩托车、储能设备等领域。由于锂离子电池存在安全性问题，锂离子电池组保护电路成为该类电池组中必不可少的部件：它用于保护锂离子电池组中任何一节电芯不会因过充电或过放电而损坏，以及保护整个电池组不会因为过电流而损坏，从而消除了安全隐患。 

图1是现有的一种锂离子电池组保护电路。这类方案采用多片3/4节锂离子电池保护芯片搭建保护电路。优点是集成度高。缺点是：由于3/4节锂离子电池保护芯片的价格较高，故方案整体的成本较高。另外对于诸如串联数目是10这样的电池组来说，需要3片3/4节锂离子电池保护芯片，其中有2片3/4节锂离子电池保护芯片被设定为只保护3节电芯，只有1片芯片被设定为保护4节电芯，从而造成了芯片功能上的浪费，这实际上也无形中增加了方案的成本。 

图2是现有的另一种锂离子电池组保护电路。这类方案采用多片1节锂离子电池保护芯片搭建保护电路。优点是总体成本较低(1节锂离子电池保护芯片的价格便宜)，单元模块拓展性好(可用于任意串数的电池组)。缺点是：由于1片单节锂离子电池保护芯片只能保护1节电芯，所以对于串联数目较多的电池组来说，需要同样数目的单节电池保护芯片；另外，为了实现电流保护功能，还需要额外增加很多稳压芯片、电池保护芯片、开关管和无源器件以构成电流保护模块(图中左下方所示)：这些都造成了系统集成度很低，系统稳定性变差。 

发明人基于上述现有技术的不足，开发出一种兼顾电路集成度、拓展性和成本的锂离子/锂聚合物电池组保护电路。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，实现电路集成度、拓展性和成本的较好的统一。 

本实用新型采用以下解决方案： 

采用多片2节锂离子电池保护芯片来搭建电池组保护电路，用以保护任意偶数个电芯串联形成的锂离子电池组；或是采用多片2节锂离子电池保护芯片加一片单节锂离子电池保护芯片的方式来搭建电池组保护电路，用以保护任意奇数个电芯串联形成的锂离子电池组。当电池组中任意一节电池电压发生过充或过放时，该电路能自动切断回路，停止充电或放电。当电池电压恢复到一定阈值时，可以自动解除电压过充或过放保护。 

本解决方案的特征还在于利用用于保护电池组最底部电芯的2节电池保护芯片(或1节电池保护芯片)以及少量的外部元器件构成复合了电流保护和电压保护的模块(该模块产生的过电流保护和过放电保护控制信号的输出及传递路径是共用的)。当回路中有过大的放电电流或短路电流时，该模块能检测到过电流并通过控制信号切断回路，从而实施过电流保护并锁定过电流保护。通过移除负载或者连接充电器，可以自动解除过电流保护。 

本解决方案的特征还在于当电池组进入过放电保护模式后，通过关闭与电池保护芯片的电流检测引脚(VM引脚)相连接的下拉晶体管，各片保护芯片的消费电流可以降到最低，整个方案的功耗因此可以得到进一步的降低。 

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，实现了电路集成度、拓展性和成本的较好的折衷。 

根据本实用新型的一个方面，一种电池组保护电路，包括：a)电池组，其包括多个串联电芯；b)一个或多个第一保护模块，其包含锂电池保护芯片IC1，每个第一保护模块用于为电池组中的两节串联电芯提供电压保护；c)一个第二保护模块，其包含锂电池保护芯片IC2，第二保护模块用于为电池组中电位最低的单节电芯或两节串联电芯提供电压保护，并为整个电池组提供电流保护；d)电平转换器模块，用于将第一保护模块和第二保护模块输出的充电保护信号Cout和放电保护信号Dout进行电平转换；e)充电及放电控制信号生成模块，用于根据Cout和Dout的逻辑翻转生成控制充电或放电回路通断的 逻辑信号；以及f)充电及放电开关管模块，用于根据控充电及放电控制信号生成模块的逻辑信号控制充电回路和放电回路的通断。 

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述。 

附图说明

图1是第一种现有的锂离子/锂聚合物电池组保护电路图； 

图2是第二种现有的锂离子/锂聚合物电池组保护电路图； 

图3是本实用新型的实施方式一的结构示意图； 

图4是本实用新型的实施方式一的具体电路图； 

图5是本实用新型的实施方式二的结构示意图； 

图6是本实用新型的实施方式二的具体电路图； 

图7是本实用新型的实施方式三的结构示意图； 

图8是本实用新型的实施方式三的具体电路图； 

图9是本实用新型与充电器连接的结构示意图； 

图10是本实用新型与负载连接的结构示意图。 

具体实施方式

本实用新型的实施方式一用于保护偶数节电芯串联而成的锂离子/锂聚合物电池组。 

图3是本实用新型的实施方式一的结构示意图；图4是本实用新型的实施方式一的具体电路图。 

实施方式一 

如图3所示，该电池组保护电路包括：由2n节电芯串联而成的锂离子/锂聚合物电池组模块10；n-1个相同结构的电压保护模块20；1个复合了电流保护和两节电池电压保护功能的模块30；1个电平转换器模块40；1个充放电控制信号生成模块50；1个充放电开关管模块60(注：n＝2，3，4，......)。 

如图4所示，电池组模块10可以看成是由n个相同结构的子模块100串联而成。每个100子模块都是由2节电芯串联而成。 

如图4所示，编号从1至n-1的子模块100分别对应编号从1至n-1的模 块20。以编号为1的子模块100-1和编号为1的模块20-1为例来说明这两种模块的具体结构。 

子模块100-1由两节串联的锂离子/锂聚合物电池B1和B2构成。电池B1的正极连接到电池包负载端口P+；电池B1的负极连接到电池B2的正极；电池B2的负极连接到下方相邻电池的正极。 

模块20-1的核心是一个2节锂离子电池保护芯片IC1。IC1通常有6个引脚：Vdd、Vss、Vc、Cout、Dout和VM。其中Vdd和Vc用于采样电池B1的电压，Vc和Vss用于采样电池B2的电压，VM是电流检测引脚(在某些实施方式中，VM在模块20中可不使用)，Cout和Dout分别是充电保护信号和放电保护信号的输出端。在芯片的输入端(Vdd和Vc)，电阻R1和电容C1以及电阻R2和电容C2分别构成了两个低通滤波器，用于滤去电池输入信号的噪声(应指出，RC低通滤波器是可选结构，例如，其对于某些内置低通滤波的芯片是不需要的)。芯片输出端的Cout信号和Dout信号被传送到后一级模块中用于控制整个回路的导通与否，在电池过压充电和欠压放电时这两个信号会分别发生翻转。当不使用VM引脚时，该引脚通常会通过一个限流元件接局部地(这里指电池B2的负极)，限流元件可以是电阻，或晶体管；在某些情况下，VM也可以直接接地(例如，芯片内部含有对应的限流元件时)或悬空(例如，芯片内部含有对应的限流下拉通路时)或被上拉(例如，芯片采用高端电流检测方式时)。在一些优选的实施例中，VM连接一个下拉NMOS晶体管N1，N1由Dout信号控制：当Dout输出翻转为低电平信号时，N1会关闭，从而降低功耗。 

其余编号的子模块100和模块20有着相同的结构和功能。 

如图4所示，编号为n的子模块100对应唯一的电压和电流复合保护模块30。 

子模块100-n的结构和子模块100-1的相同，也是由两节串联的锂离子/锂聚合物电池Bn1和Bn2构成。 

模块30和模块20有着相似的结构：其核心也是一个2节锂离子电池保护芯片IC2，IC2和模块20中的IC1可以是完全相同的。芯片输入端和电池之间的连接方式也是一样的：Bn1的正极通过由R3和C3构成的低通滤波器连接到 Vdd，Bn2的正极通过由R4和C4构成的低通滤波器连接到Vc(应指出，RC低通滤波器是可选结构，例如，其对于某些内置低通滤波的芯片是不需要的)。Cout和Dout的输出连接方式也与模块20类似。不同之处在于，模块30具有电流检测功能，所以和IC2的VM引脚相关的电路结构和模块20的不相同：本例中，电流采样电阻Rsense用于检测回路电流并将其转换成电压信号；在所例示的实施例中，下拉限流NMOS晶体管N3例如可由来自后端的Dg信号控制。N3在通常状态时是导通的，从而VM可以检测到Rsense上的压降；一旦发生欠压放电或者过电流保护，Dg信号使N3关闭。在所例示的实施例中，电阻R5，R6，R7，上拉NMOS晶体管N2以及二极管D1共同构成了过电流保护的锁定和释放电路，该电路用于：当引起过流保护的不正常负载仍然连接在电池包上时，锁定过流保护；当移除该不正常负载时，自动释放过流保护。然而，应该理解，本实施例中电流保护的锁定和释放电路的具体电路结构仅是其多种实现方式中示例性的一种。 

如图4所示，电平转换器模块40用于将前级所有20模块及30模块的Cout和Dout输出信号进行电平转换。根据本实用新型的一方面，电平转换器模块40可采用任何适当的实现方式，例如，使用分立器件或者是集成电路实现。图4所示例的实施例中，模块40采用电阻及NMOS晶体管搭建出2n个结构相似的电平转换器。这些电平转换器的输入(NMOS晶体管的栅极)与前级模块20或30的Cout或Dout输出相连；它们的输出则连接到后级的充放电控制信号生成模块50。 

如图4所示，模块50是一个用于控制充放电开关管的逻辑电路。模块60则包含了一个充电开关晶体管FETC和一个放电开关晶体管FETD。 

根据本实用新型的一方面，模块60可采用任何适当的实现方式。图4所示例的实施例中，模块60中的FETC和FETD是用于控制充电或放电回路通断的开关晶体管。FETC用于控制充电回路，FETD用于控制放电回路。FETC和FETD可以串联在同一回路内(充放电路径通用)；也可以不串联在同一回路内(充放电路径分离)。本例中采用了前者。 

模块50用于控制FETC和FETD通断。根据本实用新型的一方面，模块50可采用任何适当的实现方式。图4所示例的实施例中，使用分立PMOS晶体 管和电阻构造出两个独立的逻辑门。一个逻辑门电路将参考电平一致化了的各Cout引脚信号合成为一个逻辑信号，用于控制FETC的通断；另一个逻辑门电路将参考电平一致化了的各Dout引脚信号合成为一个逻辑信号，用于控制FETD的通断。逻辑门的各个输入端与相对应的电平转换器的输出端相连；逻辑门的输出节点Cg或Dg与FETC或FETD晶体管的栅极相连。 

本实用新型的工作原理如下： 

当电池组中任意一节电池电压发生过充或过放时，相对应的锂离子电池保护芯片能检测到过充电电压或过放电电压，在一定延时之后，该电池保护芯片的Cout引脚信号或Dout引脚信号发生逻辑翻转，翻转的逻辑信号通过电平转换模块的转换后，被传送到后续的逻辑门电路，引发逻辑门输出信号翻转，从而关闭充电控制用开关晶体管或放电控制用开关晶体管，达到切断充电或放电回路实施保护的目的。当电池电压恢复到一定阈值时，保护芯片检测到这种变化，Cout或Dout输出信号再次发生翻转，经过一系列中间模块，最终使充电控制用开关晶体管或放电控制用开关晶体管重新被打开，从而解除电压过充或过放保护。 

在检测到过放电电压之后，电压保护模块中连接在保护芯片VM引脚上的NMOS晶体管被关闭，保护芯片的消费电流降到最低，从而减少了不必要的功耗。 

当回路中有过大的放电电流或短路电流时，电流检测电阻Rsense上会产生过大的电压降，电压和电流复合保护模块中的锂离子电池保护芯片通过VM引脚检测到这个电压降，在一定延时之后，该电池保护芯片的Dout引脚信号发生逻辑翻转，最终使放电回路被切断，从而实现过电流保护。在实施了过电流保护之后，电压和电流复合保护模块中的上拉晶体管N2导通，下拉晶体管N3则关闭，使得该保护芯片的VM引脚被上拉，VM引脚电压保持为一个高电平，过电流保护被锁定。通过移除负载或者连接充电器，上拉晶体管N2被关闭，VM引脚电压下降，保护芯片检测到这种变化，使Dout引脚信号再次发生逻辑翻转，从而自动解除过电流保护。 

实施方式二 

本实用新型的实施方式二用于保护奇数节电芯串联而成的锂离子/锂聚合 物电池组。 

图5是本实用新型的实施方式二的结构示意图；图6是本实用新型的实施方式二的具体电路图。 

如图5所示，该电池组保护电路包括：由2n+1节电芯串联而成的锂离子/锂聚合物电池组模块11；n个相同结构的电压保护模块20；1个复合了电流保护和单节电池电压保护功能的模块70；1个电平转换器模块40；1个充放电控制信号生成模块50；1个充放电开关管模块60(注：n＝2，3，4，......)。这些模块中，模块20，模块40，模块50和模块60的内部结构，连接方式及功能与实施方式一中相同编号的模块的内部结构，连接方式及功能是完全相同的。模块11和模块70的内部结构，连接方式及功能有所变化。下面结合图6予以说明。 

如图6所示，电池组模块11可以看成是由n个相同结构的子模块100和1个独立的子模块110串联而成。每个100子模块都是由2节电芯串联而成；子模块110则只包含了1节电芯B0，且位于电池组拓扑结构的最底部(电池B0的负极和系统地GND相连)。 

如图6所示，模块70用于保护子模块110内的单节电池B0，以及用于监控回路电流，实施过流保护。模块70和实施方式一中的模块30的最大不同点在于：其核心是一个1节锂离子电池保护芯片IC2。1节锂离子电池保护芯片IC2通常有5个有效引脚：Vdd、Vss、Cout、Dout和VM(6引脚的封装，会有1个无效引脚NC，可悬空)。本例中，电池B0的正极通过一个由R3和C3组成的低通滤波器(可选结构)连接到IC2的Vdd输入端；IC2由于没有Vc引脚，故在模块30中和Vc引脚相关联的另一个低通滤波器，在模块70中不存在。IC2的其他引脚(Cout、Dout、VM)的连接方式则和模块30类似；模块70中和过流检测、锁定、释放相关的外部器件及其连接方式也和模块30类似，此处不再详述。 

实施方式三 

本实用新型的实施方式三是另一种用于保护奇数节电芯串联而成的锂离子/锂聚合物电池组的电路结构。 

图7是本实用新型的实施方式三的结构示意图；图8是本实用新型的实施 方式三的具体电路图。 

如图7所示，该电池组保护电路包括：由2n+1节电芯串联而成的锂离子/锂聚合物电池组模块12；1个只有单节电芯电压保护功能的模块80；n-1个相同结构的电压保护模块20；1个复合了电流保护和两节电池电压保护功能的模块30；1个电平转换器模块40；1个充放电控制信号生成模块50；1个充放电开关管模块60(注：n＝2，3，4，......)。这些模块中，模块20，模块30，模块40，模块50和模块60的内部结构，连接方式及功能与实施方式一中相同编号的模块的内部结构，连接方式及功能是完全相同的。模块12和模块80的内部结构，连接方式及功能有所变化。下面结合图8予以说明。 

如图8所示，电池组模块12可以看成是由1个独立的子模块110和n个相同结构的子模块100串联而成。子模块110只包含了1节电芯B0，且位于电池组拓扑结构的最顶部；每个100子模块则都是由2节电芯串联而成。 

如图8所示，模块80用于保护子模块110内的单节电池B0。模块80的核心也是一片1节锂离子电池保护芯片IC0。模块80的器件连接方式和实施方式一中的模块20的器件连接方式基本一样，不同点在于输入信号的路径：电池B0的正极仍然通过一个由R1和C1组成的低通滤波器(可选结构)再连接到IC0的Vdd引脚上；但是，由于IC0没有Vc引脚，所以和Vc引脚相关联的另一个低通滤波器，在模块80中不存在。 

实施方式二和实施方式三的工作原理和实施方式一的工作原理一致。不再详述。 

如图9所示，充电时，充电器被连接在本实用新型电路的负载P+和P-端。 

如图10所示，放电时，负载被连接在本实用新型电路的负载P+和P-端。 

以上所述仅以实施例来详细说明本实用新型的技术内容，并非因此限制本实用新型的专利范围。任何依据本实用新型所作的等效结构，技术延伸，再创造，或是直接或间接地运用在其他相关的技术领域的技术方案，而不脱离本实用新型的精神及范围，均受本实用新型专利的保护。 

Claims (12)

1.一种电池组保护电路，其包括：

a)电池组，其包括多个串联电芯；

b)一个或多个第一保护模块，其包含锂电池保护芯片IC1，每个第一保护模块用于为电池组中的两节串联电芯提供电压保护；

c)一个第二保护模块，其包含锂电池保护芯片IC2，第二保护模块用于为电池组中电位最低的单节电芯或两节串联电芯提供电压保护，并为整个电池组提供电流保护；

d)电平转换器模块，用于将第一保护模块和第二保护模块输出的充电保护信号Cout和放电保护信号Dout进行电平转换；

e)充电及放电控制信号生成模块，用于根据Cout和Dout的逻辑翻转生成控制充电或放电回路通断的逻辑信号；以及

f)充电及放电开关管模块，用于根据控充电及放电控制信号生成模块的逻辑信号控制充电回路和放电回路的通断。

2.如权利要求1所述的电池组保护电路，其特征在于，当所述第二保护模块其用于保护两节串联电芯时，其锂电池保护芯片IC2为锂电池保护芯片IC2a，其中：

锂电池保护芯片IC2a用于保护串联电芯Bn1和Bn2，电芯Bn1负极接电芯Bn2正极；

锂电池保护芯片IC2a的Vdd引脚和Vc引脚采样电芯Bn1的电压，Vc引脚和Vss引脚采样电芯Bn2的电压，Cout引脚在电池过压充电时输出信号翻转，Dout引脚在电池欠压放电时输出信号翻转。

3.如权利要求1所述的电池组保护电路，其特征在于，当所述第二保护模块其用于保护单节电芯时，其锂电池保护芯片IC2为锂电池保护芯片IC2b，其中：

锂电池保护芯片IC2b用于保护单节电芯B0；

锂电池保护芯片IC2b的Vdd引脚和Vss引脚采样电芯B0的电压，Cout引脚在电池过压充电时输出信号翻转，Dout引脚在电池欠压放电时输出信号翻转。

4.如权利要求2所述的电池组保护电路，其特征在于，所述第二模块包括： 

采样电阻Rsense；

连接芯片IC2的VM针脚的上拉限流晶体管N2；以及

连接芯片IC2的VM针脚的下拉限流晶体管N3；

其中，

在通常状态下，下拉限流晶体管N3导通，上拉限流晶体管N2关闭，VM针脚采样电阻Rsense上的压降，在回路中电流过大的情况下VM针脚在电阻Rsense上采样到过大压降，芯片IC2的Dout引脚信号翻转，切断放电回路，致使下拉限流晶体管N3关闭，上拉限流晶体管N2导通，上拉VM针脚以锁定过流保护；

在过流释放状态下，上拉限流晶体管N2关闭，VM针脚电压下降，释放过流保护。

5.如权利要求3所述的电池组保护电路，其特征在于，所述第二模块包括：

采样电阻Rsense；

连接芯片IC2的VM针脚的上拉限流晶体管N2；以及

连接芯片IC2的VM针脚的下拉限流晶体管N3；

其中，

在通常状态下，下拉限流晶体管N3导通，上拉限流晶体管N2关闭，VM针脚采样电阻Rsense上的压降，在回路中电流过大的情况下VM针脚在电阻Rsense上采样到过大压降，芯片IC2的Dout引脚信号翻转，切断放电回路，致使下拉限流晶体管N3关闭，上拉限流晶体管N2导通，上拉VM针脚以锁定过流保护；

在过流释放状态下，上拉限流晶体管N2关闭，VM针脚电压下降，释放过流保护。

6.如权利要求4或5所述的电池组保护电路，其特征在于，下拉限流晶体管N3的状态由充电及放电控制信号生成模块来控制。

7.如权利要求1至5中任一项所述的电池组保护电路，其特征在于，芯片IC1的VM针脚被配置为：悬空、接地、上拉、或接高阻元件。

8.如权利要求1至5中任一项所述的电池组保护电路，其特征在于，芯片IC1的VM针脚连接下拉限流晶体管N1，其中，下拉限流晶体管N1由Dout控制，在Dout翻转为低电平时，下拉限流晶体管N1关闭以降低功耗。

9.如权利要求1至5中任一项所述的电池组保护电路，其特征在于，还包括： 

第三保护模块，用于为电池组中的单节电芯提供电压保护，

其中所述第三保护模块包括锂电池保护芯片ICO，用于保护单节电芯，芯片ICO的Vdd引脚和Vss引脚采样该单节电芯的电压，Cout引脚在电池过压充电时输出信号翻转，Dout引脚在电池欠压放电时输出信号翻转。

10.如权利要求9所述的电池组保护电路，其特征在于，芯片ICO的VM针脚配置为和芯片IC1一致。

11.如权利要求1所述的电池组保护电路，其特征在于，所述电池组保护电路用于保护锂离子电池组或锂聚合物电池组。

12.如权利要求2所述的电池组保护电路，其特征在于：

锂电池保护芯片IC1用于保护串联的第一电芯和第二电芯，第一电芯负极接第二电芯正极；

锂电池保护芯片IC1的Vdd引脚和Vc引脚采样第一电芯的电压，Vc引脚和Vss引脚采样第二电芯的电压，Cout引脚在电池过压充电时输出信号翻转，Dout引脚在电池欠压放电时输出信号翻转。 

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