CN219329631U - 一种锂电池保护平衡控制芯片电路及芯片 - Google Patents

一种锂电池保护平衡控制芯片电路及芯片 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种锂电池保护平衡控制芯片电路及芯片，芯片电路包括：电压侦测模块、电池保护模块、电池平衡模块、MOS驱动模块、芯片供电模块、MOS驱动供电模块及外部接口；电压侦测模块输出端分别与电池保护模块的及电池平衡模块的输入端连接，电池保护模块的电源端通过芯片供电模块与外部供电接口连接，电池保护模块的输出端与MOS驱动模块连接，电池平衡模块的输出端连接所述MOS驱动模块，MOS驱动模块通过所述MOS驱动供电模块外部供电接口连接，输出端连接所述外部接口的输出控制接口。功能模块集中于一个芯片，使得锂电池组保护板的设计更加小型化，大大精简外围配置，有效提高锂电池组保护板的设计效率，节约设计成本。

Description

一种锂电池保护平衡控制芯片电路及芯片
技术领域
本实用新型属于电池管理技术领域，特别涉及一种锂电池保护平衡控制芯片电路及芯片。
背景技术
锂电池因其能量密度高、自放电低、对环境友好以及循环寿命长等特性，广泛应用在移动便携设备、电动车辆中。由于锂电池化学性质活泼，在电池的使用过程中如果出现过充电、过放电、放电过流或者过热，会引起电池爆炸等危险。由于单体电池容量小、负载能力低，为满足实际需求，人们通过一定的连接方式将单体电池组成锂电池组。在锂电池组中，影响系统寿命的一个重要因素就是单体电池的一致性，由于单体电池间的工作温度、电池容量、内阻以及自放电的差异，随着锂电池组充放电循环次数增加，单体电池间的差异逐渐分化，进而导致锂电池组的性能降低与寿命缩短。
现有的锂电池保护平衡电路芯片多为独立的电池保护芯片和均衡芯片，保护功能和均衡功能分别由两个不同的芯片实现，两个系统构成元件多，电路设计复杂，成本高。因此，需要提出一种整合了锂电保护单元、锂电平衡单元及周边的信号采集电路的芯片电路构造。
实用新型内容
本实用新型提供一种锂电池保护平衡控制芯片电路及芯片，旨在解决现有技术存在电路设计复杂及成本较高的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提出一种锂电池保护平衡控制芯片电路，包括：电压侦测模块、电池保护模块、电池平衡模块、MOS驱动模块、芯片供电模块、MOS驱动供电模块及外部接口；
所述外部接口包括输入控制接口、电压侦测接口、输出控制接口、芯片供电接口及MOS驱动供电接口；
所述电压侦测模块的输入端与电压侦测接口连接，接收所述电压侦测接口的电压值，所述电压侦测模块的输出端分别与所述电池保护模块的输入端及电池平衡模块的输入端连接，将电池保护信号传输至所述电池保护模块，以及将电池平衡信号传输至所述电池平衡模块；
所述电池保护模块的电源端通过所述芯片供电模块与芯片供电接口连接，所述电池保护模块的输入端还分别连接输入控制接口的电池数量控制接口、过流保护时间控制接口、温度检测接口、电流侦测接口及负载状态接口，接收外部控制信号，所述电池保护模块的输出端与所述MOS驱动模块连接，将电池保护信号传输至所述MOS驱动模块；
所述电池平衡模块的输入端还分别连接输入控制接口的电池数量控制接口及电流侦测接口，接收电池数量信号及充放电的电流值，所述电池平衡模块的输出端将平衡信号传输至MOS驱动模块；
所述MOS驱动模块与所述MOS驱动供电模块电源连接，所述MOS驱动供电模块与芯片供电接口及MOS驱动供电接口电源连接，所述MOS驱动模块的输出端将保护控制信号及平衡控制信号传输至输出控制接口。
所述电压侦测模块接收每个电压侦测接口的电压值，与设定的阈值进行比较，若任一电压侦测接口的电压值高于最大阈值或者低于最小阈值，则向所述电池保护模块发送启动保护信号，由所述电池保护模块将保护信号发送至MOS驱动模块，通过所述输出控制接口驱动外部MOS管通断以进行电池保护；电池保护模块还根据接收的充放电电流值，若超过设定的阈值，则将保护信号发送至MOS驱动模块，通过所述输出控制接口驱动外部MOS管通断以进行电池保护；所述电池平衡模块根据电压侦测模块发送的电压值，计算任意两个电压值的电压差，若电压差超过设定的阈值，则向所述MOS驱动模块发送平衡信号，由所述MOS驱动模块驱动外部平衡电路进行电池平衡。
优选地，所述外部接口的电压侦测接口为V1接口、V2接口、V3接口、V4接口及V5接口，用于连接外部锂电池组中单体电池的正极，将每节单体电池的电压值传输至所述电压侦测模块。
优选地，所述外部接口的输入控制接口为：
SBN接口，所述SBN接口用于设置外部锂电池组中串联的单体电池数量，将电池数量信号传输至所述电池保护模块及电池平衡模块；
SBT接口，所述SBT接口用于设置外部锂电池组的待机平衡关断时间，将待机平衡关断时间信号传输至所述电池平衡模块；
NTC接口，所述NTC接口用于接入热敏电阻进行锂电池组温度检测，传输温度信号至所述电池保护模块；
TFI接口，所述TFI接口用于设置过流保护时间的调节电容，传输调节电容的电容量信号至所述电池保护模块；
VM接口，所述VM接口用于感应外部负载状态，传输负载状态至所述电池保护模块；
BEN接口，所述BEN接口用于接收平衡功能使能信号，传输平衡使能信号至所述电池平衡模块；
FRQ接口，所述FRQ接口用于接收平衡基准频率，传输平衡基准频率信号至所述电池平衡模块。
优选地，所述外部接口的输出控制接口为：
DO接口，所述DO接口为放电MOS控制接口，用于接收所述MOS驱动模块输出的放电控制信号；
CO接口，所述CO接口为充电MOS控制接口，用于接收所述MOS驱动模块输出的充电控制信号；
DRN接口，所述DRN接口平衡PWM输出B相接口，用于接收所述MOS驱动模块输出的PWM信号；
DRP接口，所述DRP接口平衡PWM输出A相接口，用于接收所述MOS驱动模块输出的PWM信号。
优选地，所述SBN接口与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池保护模块及电池平衡模块的输入端。
优选地，所述TFI接口及NTC接口分别与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池保护模块的输入端。
优选地，所述BEN接口及FRQ接口分别与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池平衡模块的输入端。
相应的，本实用新型还提出一种锂电池保护平衡控制芯片，所述芯片使用上述的芯片电路。
与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：
1.本实用新型所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路在一个芯片中集成了电池电压侦测模块、电池电流侦测模块、电池保护模块、电池平衡模块及MOS驱动电路，使得锂电池组保护板的设计更加小型化，大大精简外围配置，有效提高锂电池组保护板的设计效率，节约设计成本。
2.本实用新型所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路设计了包括SBN接口、SBT接口、NTC接口、TFI接口、VM接口、BEN接口、FRQ接口的多个输入控制接口，可动态调节各项控制参数，比如过流保护时间、串联的单体电池数量、电池待机平衡关断时间、平衡基准频率，使得采用本实用新型所述芯片的锂电池组保护板的使用更加灵活，适用范围更广。
附图说明
图1是本实用新型所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路的电路原理图；
图2是本实用新型所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路的典型应用电路原理图；
图3是本实用新型所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路的电池过充过放电压保护波形示意图；
图4是本实用新型所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路的电池充放电流保护波形示意图。
图中：1、电压侦测模块；2、电池保护模块；3、电池平衡模块；4、MOS驱动模块；5、芯片供电模块；6、MOS驱动供电模块；7、外部接口。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例，并参照附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1，本实用新型提出一种锂电池保护平衡控制芯片电路，包括：电压侦测模块1、电池保护模块2、电池平衡模块3、MOS驱动模块4、芯片供电模块5、MOS驱动供电模块6及外部接口7；
所述外部接口7包括输入控制接口、电压侦测接口、输出控制接口、芯片供电接口及MOS驱动供电接口；
所述电压侦测模块1的输入端与电压侦测接口连接，接收所述电压侦测接口的电压值，所述电压侦测模块1的输出端分别与所述电池保护模块2的输入端及电池平衡模块3的输入端连接，将电池保护信号传输至所述电池保护模块2，以及将电池平衡信号传输至所述电池平衡模块3；
所述电池保护模块2的电源端通过所述芯片供电模块5与芯片供电接口连接，所述电池保护模块2的输入端还分别连接输入控制接口的电池数量控制接口、过流保护时间控制接口、温度检测接口、电流侦测接口及负载状态接口，接收外部控制信号，所述电池保护模块2的输出端与所述MOS驱动模块4连接，将电池保护信号传输至所述MOS驱动模块4；
所述电池平衡模块3的输入端还分别连接输入控制接口的电池数量控制接口及电流侦测接口，接收电池数量信号及充放电的电流值，所述电池平衡模块3的输出端将平衡信号传输至MOS驱动模块4；
所述MOS驱动模块4与所述MOS驱动供电模块6电源连接，所述MOS驱动供电模块6与芯片供电接口及MOS驱动供电接口电源连接，所述MOS驱动模块4的输出端将保护控制信号及平衡控制信号传输至输出控制接口。
芯片电路在一个芯片中集成了电池电压侦测模块、电池电流侦测模块、电池保护模块、电池平衡模块及MOS驱动电路，使得锂电池组保护板的设计更加小型化，大大精简外围配置，有效提高锂电池组保护板的设计效率，节约设计成本。
所述电压侦测模块1接收每个电压侦测接口的电压值，与设定的阈值进行比较，若任一电压侦测接口的电压值高于最大阈值或者低于最小阈值，则向所述电池保护模块2发送启动保护信号，由所述电池保护模块2将保护信号发送至MOS驱动模块4，通过所述输出控制接口驱动外部MOS管通断以进行电池保护；电池保护模块2还根据接收的充放电电流值，若超过设定的阈值，则将保护信号发送至MOS驱动模块4，通过所述输出控制接口驱动外部MOS管通断以进行电池保护；所述电池平衡模块3根据电压侦测模块1发送的电压值，计算任意两个电压值的电压差，若电压差超过设定的阈值，则向所述MOS驱动模块4发送平衡信号，由所述MOS驱动模块4驱动外部平衡电路进行电池平衡。
所述外部接口7的配置如表1所示：
PIN编号 PIN定义 功能简介
1 V1 第一节电池电压侦测引脚
2 VCC 芯片工作电源输入引脚
3 V2 第二节电池电压侦测引脚
4 V3 第三节电池电压侦测引脚
5 V4 第四节电池电压侦测引脚
6 V5 第五节电池电压侦测引脚
7 VSS 电源地
8 SBN 选择串联的电池数量，最多5节
9 SBT 选择电池待机平衡关断时间，1～8小时四段可选
10 NTC 负温度系数电阻接入脚。阻值10K，B值为3435
11 TFI 过流保护时间调节电容，0.1uF时候过流延时1s
12 VM 异常状态下，负载状态感应引脚
13 CS 充放电电流检测引脚
14 VCCP 平衡驱动电流电源
15 DO 放电MOS控制引脚
16 CO 充电MOS控制引脚
17 DRN 平衡PWM输出B相
18 DRP 平衡PWM输出A相
19 BEN 平衡功能使能端
20 FRQ 平衡基准频率选择引脚，20～150K
表1
所述外部接口7的电压侦测接口为V1接口、V2接口、V3接口、V4接口及V5接口，用于连接外部锂电池组中单体电池的正极，将每节单体电池的电压值传输至所述电压侦测模块1。
所述外部接口7的输入控制接口为：
SBN接口，所述SBN接口用于设置外部锂电池组中串联的单体电池数量，将电池数量信号传输至所述电池保护模块2及电池平衡模块3；
SBT接口，所述SBT接口用于设置外部锂电池组的待机平衡关断时间，将待机平衡关断时间信号传输至所述电池平衡模块3；
NTC接口，所述NTC接口用于接入热敏电阻进行锂电池组温度检测，传输温度信号至所述电池保护模块2；
TFI接口，所述TFI接口用于设置过流保护时间的调节电容，传输调节电容的电容量信号至所述电池保护模块2；
VM接口，所述VM接口用于感应外部负载状态，传输负载状态至所述电池保护模块2；
BEN接口，所述BEN接口用于接收平衡功能使能信号，传输平衡使能信号至所述电池平衡模块3；
FRQ接口，所述FRQ接口用于接收平衡基准频率，传输平衡基准频率信号至所述电池平衡模块3。
所述外部接口7的输出控制接口为：
DO接口，所述DO接口为放电MOS控制接口，用于接收所述MOS驱动模块4输出的放电控制信号；
CO接口，所述CO接口为充电MOS控制接口，用于接收所述MOS驱动模块4输出的充电控制信号；
DRN接口，所述DRN接口平衡PWM输出B相接口，用于接收所述MOS驱动模块4输出的PWM信号；
DRP接口，所述DRP接口平衡PWM输出A相接口，用于接收所述MOS驱动模块4输出的PWM信号。
所述SBN接口与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池保护模块2及电池平衡模块3的输入端。
所述TFI接口及NTC接口分别与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池保护模块2的输入端。
所述BEN接口及FRQ接口分别与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池平衡模块3的输入端。
相应的，本实用新型还提出一种锂电池保护平衡控制芯片，所述芯片使用上述的芯片电路。
请参阅图2，为本实用新型提出的锂电池保护平衡控制芯片典型应用电路原理图。芯片内部整合了电池保护模块、电池平衡模块以及周边的信号采集电路。其中电池保护模块用于对锂电池组的使用情况做实时监测，确保锂电池在各种异常情况下可以关断保护。电池平衡模块集成了数字处理模块，用于对电池平衡数据进行计算，输出PWM驱动波形驱动MOS驱动模块，动态调节平衡功率。
请参阅图3，为本实用新型提出的锂电池保护平衡控制芯片用于电池过充过放电压保护的波形示意图。在芯片对外部锂电池组进行过充电保护时，当任意一节单体电池电压超过设定的充电截至电压VCH并且持续时间超过设定的充电截至时间TCHP，芯片的CO引脚关闭输出，充电环路关闭。当所有电池电压降到设定的充电激活电压VCL以下并且持续时间超过设定的充电激活时间TCHPR，芯片的CO引脚恢复高电平，充电环路打开。过充以后芯片的VM引脚进行负载检测，如果此时负载接入，则当所有电池电压降到VCH以下并且持续时间超过TCHPR，过充保护恢复，CO恢复为高电平。
在芯片对外部锂电池组进行过放电保护时，当任意一节电池电压低于设定的放电截至电压VDL并且持续时间超过设定的放电截至时间TDLP,芯片DO引脚输出低电平,放电环路关闭。此时有两种情况可以恢复放电环路：一种情况是所有电池电压恢复到设定的放电激活电压VDH以上并且持续时间超过设定的放电激活时间TDLPR，DO恢复高电平；另一种情况是当芯片的VM引脚检测到有充电器插入并且所有电池恢复到VDL以上并且持续时间超过TDLPR，DO恢复高电平。
请参阅图4，为本实用新型提出的锂电池保护平衡控制芯片用于电池充放电流保护的波形示意图。芯片用于锂电池组放电过流保护的情况下，电池处于放电状态时，电流保护有快慢两档，当芯片的CS引脚电压大于VDCS1并且持续时间超过TDCS1,DO关闭,当芯片的CS引脚处电压大于VDCS2并且持续时间超过TDCS2,DO关闭。TDCS2的值可以通过TFI引脚的电容来配置。其计算公式如下：
TDCS2＝10000×CTFI
TDCS1＝10×TDCS2
当电池处于放电过流状态时，VM引脚会负责检测故障负载是否离线，此时客户可通过拔去负载清除故障状态，故障恢复延时为TDCSR。芯片在使用过程中，如果任意一节电池未能可靠接入，此时芯片处于关闭状态，CO及DO引脚关闭，待清除故障后，芯片恢复正常。
本实用新型提出的锂电池保护平衡控制芯片用于锂电池组平衡的情况下，BEN引脚可控制平衡功能是否启动，为了确保芯片低功耗，BEN引脚使用了500nA上拉电源，当该引脚不接电阻(1MΩ)时，该引脚为高电平，平衡模块启动。当各节电池电压相差较大时，DRP或DRN引脚输出PWM驱动信号，各节电池开始平衡，若各节电池电压接近，则关闭平衡驱动波的输出。由于芯片的驱动平衡电流较大，电池在平衡过程中，如果任意一节电池低于VLOW,此时DRP或DRN引脚关闭，避免对低压电池进行大电流充电而导致降低电池的使用寿命的情况，提高电池使用的安全性。电池在平衡过程中，高容量电池会向低容量电池充电，当电池各节之间电压接近，并且每节电池电量均较低时候，此时互相平衡效率降低，故而关闭电池平衡功能。此功能在电池平均电压差小于VAVG时启动，可降低电池组内部损耗，维持电池电量。对于芯片平衡时的PWM驱动信号输出频率，可以通过配置FRQ引脚的阻值来调整，相应地配置如表2所示：
Figure BDA0004129078640000111
表2
芯片的SBN引脚用于连接不同阻值的电阻，以配置锂电池组中的单体电池数量；SBT引脚用于连接不同阻值的电阻，以配置对锂电池组进行平衡的时长。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种锂电池保护平衡控制芯片电路，其特征在于，包括：电压侦测模块(1)、电池保护模块(2)、电池平衡模块(3)、MOS驱动模块(4)、芯片供电模块(5)、MOS驱动供电模块(6)及外部接口(7)；
所述外部接口(7)包括输入控制接口、电压侦测接口、输出控制接口、芯片供电接口及MOS驱动供电接口；
所述电压侦测模块(1)的输入端与电压侦测接口连接，接收所述电压侦测接口的电压值，所述电压侦测模块(1)的输出端分别与所述电池保护模块(2)的输入端及电池平衡模块(3)的输入端连接，将电池保护信号传输至所述电池保护模块(2)，以及将电池平衡信号传输至所述电池平衡模块(3)；
所述电池保护模块(2)的电源端通过所述芯片供电模块(5)与芯片供电接口连接，所述电池保护模块(2)的输入端还分别连接输入控制接口的电池数量控制接口、过流保护时间控制接口、温度检测接口、电流侦测接口及负载状态接口，接收外部控制信号，所述电池保护模块(2)的输出端与所述MOS驱动模块(4)连接，将电池保护信号传输至所述MOS驱动模块(4)；
所述电池平衡模块(3)的输入端还分别连接输入控制接口的电池数量控制接口及电流侦测接口，接收电池数量信号及充放电的电流值，所述电池平衡模块(3)的输出端将平衡信号传输至MOS驱动模块(4)；
所述MOS驱动模块(4)与所述MOS驱动供电模块(6)电源连接，所述MOS驱动供电模块(6)与芯片供电接口及MOS驱动供电接口电源连接，所述MOS驱动模块(4)的输出端将保护控制信号及平衡控制信号传输至输出控制接口；
所述电压侦测模块(1)接收每个电压侦测接口的电压值，与设定的阈值进行比较，若任一电压侦测接口的电压值高于最大阈值或者低于最小阈值，则向所述电池保护模块(2)发送启动保护信号，由所述电池保护模块(2)将保护信号发送至MOS驱动模块(4)，通过所述输出控制接口驱动外部MOS管通断以进行电池保护；电池保护模块(2)还根据接收的充放电电流值，若超过设定的阈值，则将保护信号发送至MOS驱动模块(4)，通过所述输出控制接口驱动外部MOS管通断以进行电池保护；所述电池平衡模块(3)根据电压侦测模块(1)发送的电压值，计算任意两个电压值的电压差，若电压差超过设定的阈值，则向所述MOS驱动模块(4)发送平衡信号，由所述MOS驱动模块(4)驱动外部平衡电路进行电池平衡。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路，其特征在于，所述外部接口(7)的电压侦测接口为V1接口、V2接口、V3接口、V4接口及V5接口，用于连接外部锂电池组中单体电池的正极，将每节单体电池的电压值传输至所述电压侦测模块(1)。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路，其特征在于，所述外部接口(7)的输入控制接口为：
SBN接口，所述SBN接口用于设置外部锂电池组中串联的单体电池数量，将电池数量信号传输至所述电池保护模块(2)及电池平衡模块(3)；
SBT接口，所述SBT接口用于设置外部锂电池组的待机平衡关断时间，将待机平衡关断时间信号传输至所述电池平衡模块(3)；
NTC接口，所述NTC接口用于接入热敏电阻进行锂电池组温度检测，传输温度信号至所述电池保护模块(2)；
TFI接口，所述TFI接口用于设置过流保护时间的调节电容，传输调节电容的电容量信号至所述电池保护模块(2)；
VM接口，所述VM接口用于感应外部负载状态，传输负载状态至所述电池保护模块(2)；
BEN接口，所述BEN接口用于接收平衡功能使能信号，传输平衡使能信号至所述电池平衡模块(3)；
FRQ接口，所述FRQ接口用于接收平衡基准频率，传输平衡基准频率信号至所述电池平衡模块(3)。
4.根据权利要求2所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路，其特征在于，所述外部接口(7)的输出控制接口为：
DO接口，所述DO接口为放电MOS控制接口，用于接收所述MOS驱动模块(4)输出的放电控制信号；
CO接口，所述CO接口为充电MOS控制接口，用于接收所述MOS驱动模块(4)输出的充电控制信号；
DRN接口，所述DRN接口平衡PWM输出B相接口，用于接收所述MOS驱动模块(4)输出的PWM信号；
DRP接口，所述DRP接口平衡PWM输出A相接口，用于接收所述MOS驱动模块(4)输出的PWM信号。
5.根据权利要求3所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路，其特征在于，所述SBN接口与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池保护模块(2)及电池平衡模块(3)的输入端。
6.根据权利要求3所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路，其特征在于，所述TFI接口及NTC接口分别与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池保护模块(2)的输入端。
7.根据权利要求3所述的一种锂电池保护平衡控制芯片电路，其特征在于，所述BEN接口及FRQ接口分别与串联一路电流控制电路的电源VDD并联后，经过一个运放连接至所述电池平衡模块(3)的输入端。
8.一种锂电池保护平衡控制芯片，其特征在于，所述芯片包括如权利要求1-7任一项所述的芯片电路。
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