一种单节电芯输出耐高压保护系统及电池管理方法与流程

1.本发明属于电池保护技术领域，涉及一种单节电芯输出耐高压保护系统及电池管理方法。


背景技术：

2.随着锂电池的发展，电芯容量越来越大，同时引导快充方案的出现，解决充电速度慢的问题。
3.现在的快充方案一般都是提高充电电压的方式，增加充电功率，该种充电方式会使充电器出现高压的情况。传统单节电芯保护芯片是采用低压设计，无法保证在充电器高压下持续工作，从而导致芯片损坏。所以要求单节电芯保护芯片输出端需要持续耐高压，同时保证芯片不会损坏。
4.如图1所示，传统单节电芯低压保护方案系统框图，包括采样电路101、基准电路102、过充过放比较器103、逻辑处理电路104、驱动电路105、充放电电流检测电路106以及负载检测电路107。传统单节电芯低压保护方案只能在充电器为5v以内的场合使用，不能用于更高电压的充电器场合。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种单节电芯输出耐高压保护系统及电池管理方法，以解决传统单节电芯保护电路输出不耐高压方面的问题。
7.技术方案
8.一种单节电芯输出耐高压保护系统，包括采样电路、基准电路、过充过放比较器、逻辑处理电路和驱动电路；其特征在于还包括耐高压充放电电流检测电路、充电器过压检测电路和耐高压负载检测电路；耐高压充放电电流检测电路、充电器过压检测电路和耐高压负载检测电路的输入端均与vm引脚连接，输出端连接逻辑处理电路；所述耐高压充放电电流检测电路的输入端还连接基准电路，vm引脚的电压与产生的基准电压进行比较，输出放电过流信号和充电过流信号输出至逻辑处理电路；所述耐高压负载检测电路将vm引脚的电压进行判断输出负载移除信号至逻辑处理电路；所述充电器过压检测电路通过检测vm引脚电压产生充电器高压信号输出至逻辑处理电路；逻辑处理电路放电管使能信号和充电管使能信号来连接至驱动电路分别控制放电管开启和关闭以及充电管开启和关闭。
9.所述耐高压充放电电流检测电路包括充放电电流检测电路和隔离开关；vm引脚通过隔离开关209产生低压采样信号lvvm，低压采样信号lvvm和基准电路102产生的基准电压vref送入到充放电电流检测电路106产生放电过流信号docp以及充电过流信号cocp。隔离开关209由充电器过压检测电路208产生充电器高压信号chaov控制断开和闭合。
10.所述耐高压负载检测电路包括负载检测电路和隔离开关；vm引脚通过隔离开关209产生低压采样信号lvvm，低压采样信号lvvm送入到负载检测电路107产生负载移除信号
ldop。隔离开关209由充电器过压检测电路208产生充电器高压信号chaov控制断开和闭合。
11.所述充电器过压检测电路包括多个低压管和多个高压管；连接关系为：低压管pm
301
、pm
302
、pm
303
、pm
304
、pm
305
的源极都连接在vcc，低压管pm
301
、pm
302
、pm
303
、pm
304
的栅极连接一起，低压管pm
301
的漏极和栅极相连同时串联电流源i
301
到地，低压管pm
301
、pm
302
、pm
303
、pm
304
构成电流镜。低压管nm
301
、nm
302
的栅极连接一起，低压管nm
301
、nm
302
构成电流镜，低压管nm
301
的漏极、栅极和低压管pm
302
的漏极相连，低压管nm
302
的漏极、低压管pm
303
的漏极和低压管pm
305
的栅极相连。高压管pm
306
的源极和低压管nm
301
的源极相连，高压管pm
305
的源极和低压管nm
302
的源极相连，高压管pm
306
的漏极、栅极和高压管pm
307
的栅极与地相连，高压管pm
307
的源极和高压管nm
305
的漏极、栅极相连，高压管nm
305
的源极和vm相连。低压管nm
303
的漏极、栅极、低压管pm
304
的漏极和低压管nm
304
的栅极连接在一起，低压管nm
303
、nm
304
的源极与地相连。低压管pm
305
的漏极、低压管nm
304
的漏极和施密特s
301
的输入相连，施密特s
301
的输出和反相器s
302
的输入相连，反相器s
302
的输出充电器高压信号chaov。
12.所述高压管nm
305
的尺寸和电流源i
301
的电流调整充电器电压检测点。
13.所述电阻r
401
的阻值和电流源i
401
的电流调整充电器电压检测点。
14.所述电阻r
503
的阻值和电流源i
501
的电流以及电阻r
501
和r
502
的分压比调整充电器电压检测点。
15.一种采用所述单节电芯输出耐高压保护系统的电池管理方法，其特征在于：采样电路连接电芯用于产生采样信号；基准电路用于产生基准电压；过充过放比较器用于产生过充信号或过放信号；耐高压充放电电流检测电路用于产生放电过流信号或充电过流信号；耐高压负载检测电路用于产生负载移除信号；充电器过压检测电路用于产生充电器高压信号；逻辑处理电路根据上述信号产生放电管使能信号和充电管使能信号，驱动电路在放电管使能信号和充电管使能信号驱动下控制放电管开启或关闭以及充电管开启或关闭；逻辑关系为：
16.当过放信号和放电过流信号为低电平时，放电管使能信号为高电平，放电管开启；
17.当过放信号或放电过流信号为高电平时，放电管使能信号为低电平，放电管关闭；同时当过放信号和放电过流信号变为低电平时检测负载移除信号，如果负载移除信号为高电平时，将放电管使能信号变为高电平，放电管开启；如果负载移除信号为低电平时，维持放电管使能信号为低电平，放电管关闭；
18.过充信号和充电过流信号为低电平时，充电管使能信号为高电平，充电管开启；
19.过充信号或充电过流信号为高电平时，充电管使能信号为低电平，充电管关闭；
20.充电器高压信号为高电平时，将充电管使能信号变为低电平，充电管关闭；
21.当放电管开启后，电池处于可放电状态；
22.当放电管关闭后，电池处于不可放电状态；
23.当充电管开启后，电池处于可充电状态；
24.当充电管关闭后，电池处于不可充电状态。
25.有益效果
26.本发明提出的一种单节电芯输出耐高压保护系统及电池管理方法，系统包括采样电路、基准电路、过充过放比较器、逻辑处理电路、驱动电路、耐高压充放电电流检测电路、耐高压负载检测电路和充电器过压检测电路。通过充电器过压检测电路判断充电器电压是
否超过一定值，当检测到充电器电压过高，充电器过压检测电路产生充电器高压信号，将vm的隔离开关通路断开保护负载检测电路、充放电电流检测电路不会因为充电器高压而损坏。同时产生的充电器高压信号经过逻辑处理电路产生的充电管使能信号用于驱动电路使外部的充电管关闭，切断充电通路。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.1、兼容传统的负载检测电路、充放电电流检测电路的低压设计，增加隔离开关，简化设计方案，芯片增加很小面积，可以大大提高负载检测电路、充放电电流检测电路的工作电压范围；
29.2、增加充电器过压控制充电管功能，防止电芯继续充电，提高安全性和可靠性。
附图说明
30.图1是传统单节电芯低压保护方案系统框图；
31.图2是本发明单节电芯保护输出耐高压方案系统框图；
32.图3是本发明中耐高压充放电电流检测电路框图；
33.图4是本发明中耐高压负载检测电路框图；
34.图5是本发明中充电器过压检测电路的具体实施例1；
35.图6是本发明中充电器过压检测电路的具体实施例2；
36.图7是本发明中充电器过压检测电路的具体实施例3；
37.图8是本发明中隔离开关的具体实施例；
38.图9是本发明的一个实施例的单节电芯保护输出耐高压方案的示例性方法流程图。
39.其中：101-采样电路；102-基准电路；103-过充过放比较器；104-逻辑处理电路；105-驱动电路；106-充放电电流检测电路；107-负载检测电路。
具体实施方式
40.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
41.本发明如图2所示，公开了一种单节电芯输出高压保护系统，包括采样电路101、基准电路102、过充过放比较器103、逻辑处理电路104、驱动电路105、耐高压充放电电流检测电路206、耐高压负载检测电路207以及充电器过压检测电路208。
42.采样电路101连接电芯bat用于产生采样信号；基准电路102用于产生基准电压vref；过充过放比较器103用于产生过充信号ovp和过放信号uvp；逻辑处理电路104用于产生放电管使能信号dfet和充电管使能信号cfet；驱动电路105用于控制放电管nm1开启和关闭以及充电管nm2的开启和关闭；充放电电流检测电路106用于产生放电过流信号docp和充电过流信号cocp；负载检测电路107用于产生负载移除信号ldop。
43.采样电路101通过从电芯bat进行采样，产生采样信号vb，采样信号vb输入至过充过放比较器103。基准电路102产生基准电压vref，传递至过充过放比较器103；过充过放比较器产生过充信号ovp或过放信号uvp传递至逻辑处理电路104。
44.采样电路101连接电芯bat产生采样信号vb，采样信号vb与基准电路102产生的基准电压vref通过过充过放比较器103输出对应的过充信号ovp和过放信号uvp；过充信号ovp
和过放信号uvp通过逻辑处理电路104输出充电管使能信号cfet和放电管使能信号dfet；放电管使能信号dfet和充电管使能信号cfet经过驱动电路105分别控制放电管nm1开启和关闭以及充电管nm2开启和关闭。
45.充放电电流检测电路106将vm引脚的电压与基准电路102产生的基准电压vref进行比较，输出放电过流信号docp和充电过流信号cocp，负载检测电路107将vm引脚的电压进行判断输出负载移除信号ldop，放电过流信号docp、充电过流信号cocp和负载移除信号ldop通过逻辑处理电路104输出放电管使能信号dfet和充电管使能信号cfet；放电管使能信号dfet和充电管使能信号cfet经过驱动电路105分别控制放电管nm1开启和关闭以及充电管nm2开启和关闭。
46.充放电电流检测电路106通过vm引脚外接的r1将放电管nm1和充电管nm2的对gnd的压降采集，通过采集的压降和放电管nm1以及充电管nm2的阻抗关系，可以计算此时的充放电电流大小。充放电电流检测电路106通过判断放电管nm1和充电管nm2对gnd的压降可以判断出此时的电流是否超过设定的放电过流或充电过流阈值。
47.相比于传统单节电芯低压保护方案，增加了充电器过压检测电路208，提高了传统方案的充放电电流检测电路106和负载检测电路107工作电压范围，改为耐高压充放电电流检测电路206和耐高压负载检测电路207，同时兼容传统方案的采样电路101、基准电路102、过充过放比较器103、逻辑处理电路104和驱动电路105。兼容传统设计方案同时提高输出耐压能力。
48.具体的，充电器过压检测电路208通过检测vm引脚电压，当充电器为高压时，充电器过压检测电路208产生充电器高压信号chaov送入耐高压充放电电流检测电路206和耐高压负载检测电路207进行vm通路隔离，保护耐高压充放电电流检测电路206和耐高压负载检测电路207不会因为充电器高压而损坏。同时产生的充电器高压信号chaov经过逻辑处理电路104产生的充电管使能信号cfet用于驱动电路105使外部的充电管nm2关闭，切断充电通路，防止电芯继续充电，提高安全性和可靠性。
49.具体的，当充电器恢复为正常电压时，充电器过压检测电路208产生充电器高压信号chaov送入耐高压充放电电流检测电路206和耐高压负载检测电路207重新打开vm通路，耐高压充放电电流检测电路206和耐高压负载检测电路207恢复正常工作。同时产生的充电器高压信号chaov经过逻辑处理电路104产生的充电管使能信号cfet用于驱动电路105使外部的充电管nm2重新打开，即重新打开充电通路。
50.如图3所示，本发明提出的耐高压充放电电流检测电路206框图，包括充放电电流检测电路106和隔离开关209。
51.具体的，vm引脚通过隔离开关209产生低压采样信号lvvm，低压采样信号lvvm和基准电路102产生的基准电压vref送入到充放电电流检测电路106产生放电过流信号docp以及充电过流信号cocp。隔离开关209由充电器过压检测电路208产生充电器高压信号chaov控制断开和闭合。
52.如图4所示，本发明的提出的耐高压负载检测电路207框图，包括负载检测电路107和隔离开关209。
53.具体的，vm引脚通过隔离开关209产生低压采样信号lvvm，低压采样信号lvvm送入到负载检测电路107产生负载移除信号ldop。隔离开关209由充电器过压检测电路208产生
充电器高压信号chaov控制断开和闭合。
54.如图5所示，本发明中充电器过压检测电路208的具体实施例1，低压管pm
301
、pm
302
、pm
303
、pm
304
、pm
305
的源极都连接在vcc，低压管pm
301
、pm
302
、pm
303
、pm
304
的栅极连接一起，低压管pm
301
的漏极和栅极相连同时串联电流源i
301
到地，低压管pm
301
、pm
302
、pm
303
、pm
304
构成电流镜。低压管nm
301
、nm
302
的栅极连接一起，低压管nm
301
、nm
302
构成电流镜，低压管nm
301
的漏极、栅极和低压管pm
302
的漏极相连，低压管nm
302
的漏极、低压管pm
303
的漏极和低压管pm
305
的栅极相连。高压管pm
306
的源极和低压管nm
301
的源极相连，高压管pm
305
的源极和低压管nm
302
的源极相连，高压管pm
306
的漏极、栅极和高压管pm
307
的栅极与地相连，高压管pm
307
的源极和高压管nm
305
的漏极、栅极相连，高压管nm
305
的源极和vm相连。低压管nm
303
的漏极、栅极、低压管pm
304
的漏极和低压管nm
304
的栅极连接在一起，低压管nm
303
、nm
304
的源极与地相连。低压管pm
305
的漏极、低压管nm
304
的漏极和施密特s
301
的输入相连，施密特s
301
的输出和反相器s
302
的输入相连，反相器s
302
的输出充电器高压信号chaov。
55.充电器过压检测电路208的具体实施例1的工作原理为：
56.当高压充电器接入时，充电器的正极和vcc电压基本相等，由于充电器电压很高，所以vm引脚会出现负压，当vm引脚比地低一个高压管的vgs时，充电器高压信号chaov会变为高电平。
57.当正常充电器接入正常充电时，vm引脚电压和地基本相等，这时充电器高压信号chaov会变为低电平。
58.通过设置高压管nm
305
的尺寸和电流源i
301
的电流，可以调整充电器电压检测点。
59.如图6所示，本发明中充电器过压检测电路208的具体实施例2，低压管pm
401
、pm
402
、pm
403
、pm
404
、pm
405
的源极都连接在vcc，低压管pm
401
、pm
402
、pm
403
、pm
404
的栅极连接一起，低压管pm
401
的漏极和栅极相连同时串联电流源i
401
到地，低压管pm
401
、pm
402
、pm
403
、pm
404
构成电流镜。低压管pm
402
的漏极、低压管nm
401
的栅极和电阻r
401
的一端连接，电阻r
401
的另一端和低压管nm
401
的漏极、低压管nm
402
的栅极连接，低压管nm
401
的源极和地相连，低压管nm
402
的源极和vm相连，低压管nm
402
的漏极和高压管pm
406
的漏极相连，高压管pm
406
的栅极和地相连，高压管pm
406
的源极、低压管pm
403
的漏极和低压管pm
405
的栅极相连。低压管nm
403
的漏极、栅极、低压管pm
404
的漏极和低压管nm
404
的栅极连接在一起，低压管nm
403
、nm
404
的源极与地相连。低压管pm
405
的漏极、低压管nm
404
的漏极和施密特s
401
的输入相连，施密特s
401
的输出和反相器s
402
的输入相连，反相器s
402
的输出充电器高压信号chaov。
60.充电器过压检测电路208的具体实施例2的工作原理为：
61.当高压充电器接入时，充电器的正极和vcc电压基本相等，由于充电器电压很高，所以vm引脚会出现负压，当vm引脚比地低一个电阻r
401
上的压降时，充电器高压信号chaov会变为高电平。
62.当正常充电器接入正常充电时，vm引脚电压和地基本相等，这时充电器高压信号chaov会变为低电平。
63.通过设置电阻r
401
的阻值和电流源i
401
的电流，可以调整充电器电压检测点。
64.如图7所示，本发明中充电器过压检测电路208的具体实施例3，电阻r
501
和r
502
串联在vcc和vm之间，电阻r
501
和r
502
的公共端连接低压管nm
501
的栅极。低压管pm
501
、pm
502
、pm
503
的源极都连接在vcc，低压管pm
501
的栅极、漏极、低压管pm
502
的栅极和低压管nm
501
的漏极相连，
低压管pm
502
的漏极、低压管pm
503
的栅极和低压管nm
502
的漏极相连，低压管nm
502
的栅极和电阻r
503
、低压管nm
505
的漏极相连，电阻r
503
另一端连接vcc。低压管nm
503
、nm
504
、nm
505
、nm
506
的源极都和地相连，低压管nm
503
、nm
504
、nm
505
、nm
506
的栅极相连，低压管nm
503
的漏极和栅极相连同时串联电流源i
501
到vcc，低压管nm
503
、nm
504
、nm
505
、nm
506
构成电流镜。低压管nm
504
的漏极和低压管nm
501
、nm
502
的源极相连。低压管pm
503
的漏极、低压管nm
506
的漏极和施密特s
501
的输入相连，施密特s
501
的输出和反相器s
502
的输入相连，反相器s
502
的输出充电器高压信号chaov。
65.充电器过压检测电路208的具体实施例3的工作原理为：
66.当高压充电器接入时，充电器的正极和vcc电压基本相等，由于充电器电压很高，所以vm引脚会出现负压，当vm和vcc之间的分压点低于设定值，充电器高压信号chaov会变为高电平。
67.当正常充电器接入正常充电时，vm引脚电压和地基本相等，这时充电器高压信号chaov会变为低电平。
68.通过设置电阻r
503
的阻值和电流源i
501
的电流以及电阻r
501
和r
502
的分压比，可以调整充电器电压检测点。
69.如图8所示，本发明中隔离开关的具体实施例，高压管pm
601
的源极串联电流源i
601
到vcc，高压管pm
601
的栅极和低压管nm
603
的栅极连接充电器高压信号chaov，高压管pm
601
的漏极、高压管nm
601
、nm
602
的栅极和电阻r
601
连接，电阻r
601
另一端和高压管nm
601
、nm
602
的源极连接，高压管nm
601
的漏极连接vm，高压管nm
602
的漏极和低压管nm
603
的漏极连接lvvm。
70.隔离开关209的具体实施例的工作原理为：
71.充电器高压信号chaov会变为高电平时，高压管pm
601
关断使高压管nm
601
、nm
602
关断，同时低压管nm
603
打开将lvvm和地短路。将vm的负压断开同时让lvvm变为0v，保护后级电路不会损坏的同时保证后级逻辑不会出错。
72.充电器高压信号chaov会变为低电平，高压管pm
601
导通，低压管nm
603
关断，这时高压管nm
601
、nm
602
导通，将vm电压送入lvvm。
73.如图9所示，本发明的一个实施例的单节电芯保护输出耐高压方案的示例性方法流程图，检测到充电器电压异常变高，关闭充电管，即关断充放电通路功能，同时切断vm通路，保护后级负载不会损坏。
74.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。