專利名稱：一種用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路及方法
技術領域：
本發明涉及一種用于檢測電池數目的電路及方法，尤其涉及一種用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路及方法。
背景技術：
基于鋰的電池化學材料在大功率工業和交通運輸系統中正在迅速取代鉛酸和鎳氫金屬(NiMH)材料。鋰化學材料在能量和功率密度方面具有很大優勢的同時，電池管理電子電路也具有更高的復雜性。鋰電池組是由多節單芯鋰離子電池制成，這些鋰離子電池的典型電壓電流值為 2.4V至4. 2V以及4A-hr至40A_hr。在很多系統中，為了滿足功率的需要，供電電池組一般由幾十至上百節單芯電池串聯組成。整個電池組的管理系統中有多顆管理芯片，每顆管理芯片負責控制一定數目的電池。一般來說，對于一個既定的電池組管理系統，每顆管理芯片控制的單芯電池數目是確定的，使得芯片的管理并不靈活，不能根據實際情況進行調離
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發明內容
本發明針對現有鋰電池組管理芯片的電池數目是確定的，使得芯片的管理并不靈活，不能根據實際情況進行調整的不足，提供一種用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路及方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案如下一種用于檢測鋰電池組中電池數目的管理芯片包括電池組節點電壓增益模塊、電壓多路選擇器、電池數目檢測模塊和邏輯產生電路； 所述電池組節點電壓增益模塊屬于高壓電路模塊，工作電壓范圍為0至60V ；所述電壓多路選擇器、電池數目檢測模塊和邏輯產生電路屬于低壓電路模塊，工作電壓范圍為0至5V ； 所述電池組節點電壓增益模塊和鋰電池組相連，用于將鋰電池組中電壓高于芯片低壓電路模塊的工作電壓的節點電壓值降低至芯片低壓電路模塊的工作電壓范圍內；所述電壓多路選擇器用于將電池組節點電壓增益模塊輸出的多個待檢測電壓進行選擇，并將多個待檢測電壓分別分時輸入至電池數目檢測模塊；所述電池數目檢測模塊用于比較經過電池組節點電壓增益模塊降低后各個待檢測電壓與電池組中最高節點電壓的關系，得到電池數目的信息；所述邏輯產生電路用于為電池組節點電壓增益模塊、電壓多路選擇器和電池數目檢測模塊提供時序和控制邏輯。在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。進一步，所述鋰電池組由4至10節單芯電池組成。進一步，當所述鋰電池組中單芯電池的數目小于10節時，電池從芯片的低端引腳依次與芯片連接，芯片空閑的高端引腳與芯片最高電位檢測引腳短接。進一步，所述電池組節點電壓增益模塊包括多路相同的電壓增益電路，每路電壓增益電路具有相同的增益系數，所述增益系數用于使電池組節點電壓增益模塊的輸出電壓處于0至5V范圍以內。進一步，所述每路電壓增益電路包括第一電阻、第二電阻和開關，所述開關位于第一電阻和第二電阻之間，所述開關和邏輯產生電路相連，用于在邏輯產生電路提供的控制信號下開啟或者閉合。所述開關只有在工作時才相應地閉合，從而可以降低該芯片待機狀態下的功耗。進一步，所述增益系數
VonRcki
Au =-—=-———-^^其中，Von為輸出電壓，VCn為輸入電壓，Run為第一電 V Ln Run + Kdn + K swn
阻的阻值，Rdn為第二電阻的阻值，Rswn為開關的阻值，η為大于或等于4且小于或等于10 的整數。進一步，所述電池組節點電壓增益模塊和電壓多路選擇器各連接有一個電容，所述電容用于濾除開關狀態轉換時出現的電壓尖峰。進一步，所述電池數目檢測模塊包括單位增益緩沖器、減法器、比較器和鎖存器， 所述減法器的正輸入端和負輸入端各連接有一個單位增益緩沖器，所述單位增益緩沖器連接在電池組節點電壓增益模塊的輸出端和電壓減法器的輸入端之間；所述減法器用于將經過電池組節點電壓增益模塊降低后的最高節點電壓與其他節點電壓依次相減；所述減法器的正輸入端連接有第一參考電壓VREF1，用于避免減法器輸出電壓過低而超出了芯片的工作電壓范圍；所述比較器的負輸入端連接有第二參考電壓VREF2，用于將減法器的輸出電壓和第一參考電壓VREFl相加后得到的VAn再和第二參考電壓VREF2進行比較，從而得出相應位置是否存在電池的信息，當VAn>VEFF2，所述比較器輸出的電平為高電平，當 VAn+l<VREF2時，所述比較器輸出的電平為低電平，當比較器輸出的電平為低電平時，對應的n+1為電池組中電池的數目，其中，η為大于或等于4且小于或等于9的整數；所述第一參考電壓的電壓范圍為IOOmV至200mV，所述第二參考電壓為第一參考電壓的兩倍；所述比較器的輸出端連接有鎖存器，所述鎖存器和邏輯產生電路相連。所述單位增益緩沖器把電壓減法器的輸入端與電池節點電壓增益模塊的輸出端進行了隔離，避免了電壓減法器有限輸入阻抗對電壓增益模塊電路的影響。本發明還提供一種解決上述技術問題的技術方案如下一種用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測方法包括以下步驟
步驟一在電池組節點電壓增益模塊的作用下，將鋰電池組中電壓高于芯片低壓電路的工作電壓的節點電壓值降低至芯片高壓電路的工作電壓范圍內；
步驟二 在電壓多路選擇器的作用下，切換從電池組節點電壓增益模塊輸入至電池數目檢測模塊的電壓，使得電池數目檢測模塊分時復用，完成多個節點電壓的比較；
步驟三在電池數目檢測模塊的作用下，比較經過電池組節點電壓增益模塊降低后各個待檢測電壓與電池組中最高節點電壓的關系，得到電池數目的信息。本發明的有益效果是本發明用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路是一種更加靈活的檢測電路，具有該檢測電路的管理芯片可以控制4至10節電池，檢測方法通過電池組節點電壓增益模塊把較高的電池組節點電壓按比例降低到較低范圍，通過電壓多路選擇器把不同的節點電壓分時送到電池數目檢測模塊與電池組最高節點電壓相比較，根據比較結果確定此芯片檢測管腳是否有電池相連接得到電池組電池數目的信息，使得單個減法電路可以實現多路信號處理，降低了電路的復雜度及功耗，提高了電路使用效率，工作所需的時序控制邏輯由邏輯產生電路提供，該方法適合集成化，并可以提高電池組管理芯片的靈活度；本發明使得鋰電池組管理系統可以自由的管理不同數目的電池而無需調整系統的配置，從而增加了系統的靈活性。
圖1為本發明實施例電池組與電池管理芯片連接關系簡圖； 圖2為本發明實施例電池組與電池管理芯片連接關系詳圖3為本發明實施例電池組與電池管理芯片連接關系對應的電路結構示意圖； 圖4為本發明實施例電池組節點電壓增益模塊的結構示意圖； 圖5為本發明實施例電壓多路選擇器模塊的結構示意圖； 圖6為本發明實施例電池數目檢測模塊的結構示意圖； 圖7為本發明實施例電路工作時序圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。圖1及2是本發明應用中電池組與電池管理芯片連接關系示意圖，圖中所示的管理芯片可檢測一組有4至10節電池的電池組。應用要求電池組至少有4節電池并至多為 10節電池，電池與管理芯片的連接方式為從芯片低端檢測管腳到高端檢測管腳依次無間隔連接，即從C-、CL···至C9、C+,管理芯片空閑的檢測管腳與C+相連接。圖3是本發明用于檢測電池組電池數目的電路結構示意圖，包括電池組電壓增益模塊，電壓多路選擇器，電池數目檢測模塊。檢測電路的電壓輸入端V+、V9…V4與圖1所示的檢查芯片管腳相對應；控制信號C+，C9…C4，時鐘CLK來自于邏輯產生電路；參考電壓 VREF1、VREF2為管理芯片片內提供的參考電壓；DOUT是檢測電路的邏輯輸出端。 圖4是本發明實施例電壓增益模塊，包括7路相同的電壓增益電路，包括各自的控制開關。每組分壓電路具有相同的增益系數1/10，可以把各自的輸入電壓降低到5V電壓以內，從而滿足內部減法器電路的輸入電壓范圍。7組分壓電路的輸入電壓分別為V+ (當前芯片控制的電池組最高電壓輸入端)，VCn (當前芯片控制的電池組第η節電池正電壓輸入端，η=4、5、6、7、8、9)，對應于這7路分壓電路的輸出信號分別為Vo+, Von (η=4、5、6、7、8、 9)。每一路信號均可由相應的控制開關進行控制，在電路不工作時進行關斷以節省功耗。該 7路電壓增益電路分別對輸入電壓V+、V9…V4做等比例降低。電壓增益An的大小由電阻 RuruRdn及開關電阻Rswn (η=4、5、6、7、8、9、10)的比值來決定。由于每組增益電路對應的輸入電壓不盡相同，要求開關具有恒定的導通電阻，以保證每組增益電路具有相同的增益。 同時要求電阻Rdn與Rim具有良好的匹配特性，典型值為1%。，以減小每組增益電路的增益 An的差別。
r ， , VonRdn,、 An =-=---(1)
VCn Run + Rdn 十 Rswn
鋰電池在正常狀態下的工作電壓一般為2. 4V至4. 2V，那么對于本發明所述的管理芯片而言，輸入電壓V+、V9··· V4的電壓范圍一般為9. 6V至42V ；增益An的典型值為1/10 ； 輸出電壓νο+、νο9···νο4的電壓范圍為0. 96V至4. 2V，處在芯片正常的工作電壓范圍以內。開關SWn的導通或關斷由邏輯信號C+、C9…C4來控制，典型應用下，開關大部分時間處于關斷狀態，只有在進行電池數目檢測的時候才會打開，這很大程度上節約了電路的功耗。工作時SW7處于導通狀態，Sffl至SW6分時不交疊導通。電容Cl、C2用于濾除開關狀態轉換時出現的電壓尖峰，典型值為lpF，電容值很小，方便芯片片內集成。圖5是本發明實施例電壓多路選擇器，是一個6選1電壓選擇器。用于選擇所述電壓減法器的負輸入端電壓，該電壓多路選擇器的輸入端為上述電壓增益模塊的輸出信號 Von (n=4、5、6、7、8、9)，其輸出端為經過6路邏輯信號Cl至C6進行選擇而得到所述6路輸入信號中的任何一路。輸入電壓VIN1、VIN2…VIN6分別對應圖4所示電壓增益模塊的輸出電壓Vo4、Vo5…Vo9;控制信號Cl、C2…C6分別對應電壓增益模塊的控制信號C4、C5… C9。圖6是本發明實施例電壓減法器與比較器電路。包括一個減法器和一個比較器， 其中減法器的正輸入端為Vo+，負輸入端為所述電壓多路選擇器的輸出電壓。同時，為了避免減法器的輸出電壓過低而偏離了其輸出電壓范圍，在減法器的正向輸入端有一路參考電壓VREFl與Vo+相加，從而保證減法器的輸入電壓最低值為VREF1，一個合適的VREFl電壓會保證減法器輸出電壓始終處于正常的工作范圍。VREFl的典型電壓為lOOmV。電路主要包括輸入電壓單位增益緩沖器，電壓減法器，電壓比較器及鎖存器。電壓Vim與VIN2分別是電壓減法器的負輸入端與正輸入端，輸入電壓VREFl 同樣是電壓減法器的正輸入端，其作用是避免減法器的輸入信號VIN1、VIN2接近相等時其輸出電壓(即節點A的電壓VA)過低，偏離了電路的電壓工作范圍。減法器的輸出電壓公式 (2)決定。VA = —· (TOT2 - VMl) + VREFl(2)
Rl
典型應用下，電阻Rl與R2取相等的阻值。那么輸出電壓VA由公式(3)決定。VA = VM 2— VTNl+VREFl(3)
電壓比較器把減法器輸出電壓VA與參考電壓VREF2做比較，比較結果反映了電池數目的信息。所述邏輯產生電路用于產生電池數目檢測電路工作的時序邏輯，并把檢測的結果鎖存。邏輯產生電路共有兩路輸入信號時鐘CLOCK與使能EN。CLOCK的典型情況為IKHz 占空比50%方波。EN為高電平時整個檢測電路處于工作狀態，EN為低電平時電路處于關閉狀態。邏輯產生電路的輸出信號為檢測電路工作的時序信號，包括開關控制信號、比較器時鐘及鎖存信號等。對于圖1所示的電池連接方式，檢測的過程如下首先假設電壓多路選擇器選通電池組節點電壓增益模塊的輸出電壓Vo7，此時電路處于把電壓V+與電壓VC7比較的狀態。 電壓減法器的輸出電壓為
權利要求
1.一種用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于，所述電路包括電池組節點電壓增益模塊、電壓多路選擇器、電池數目檢測模塊和邏輯產生電路；所述電池組節點電壓增益模塊屬于高壓電路模塊，工作電壓范圍為O至60V ；所述電壓多路選擇器、電池數目檢測模塊和邏輯產生電路屬于低壓電路模塊，工作電壓范圍為0至5V ；所述電池組節點電壓增益模塊和鋰電池組相連，用于將鋰電池組中電壓高于芯片低壓電路模塊的工作電壓的節點電壓值降低至芯片低壓電路模塊的工作電壓范圍內；所述電壓多路選擇器用于將電池組節點電壓增益模塊輸出的多個待檢測電壓進行選擇，并將多個待檢測電壓分別分時輸入至電池數目檢測模塊；所述電池數目檢測模塊用于比較經過電池組節點電壓增益模塊降低后各個待檢測電壓與電池組中最高節點電壓的關系，得到電池數目的信息；所述邏輯產生電路用于為電池組節點電壓增益模塊、電壓多路選擇器和電池數目檢測模塊提供時序和控制邏輯。
2.根據權利要求1所述的用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于， 所述鋰電池組由4至10節單芯電池組成。
3.根據權利要求1所述的用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于， 當所述鋰電池組中單芯電池的數目小于10節時，電池從芯片的低端引腳依次與芯片連接， 芯片空閑的高端引腳與芯片最高電位檢測引腳短接。
4.根據權利要求1所述的用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于， 所述電池組節點電壓增益模塊包括多路相同的電壓增益電路，每路電壓增益電路具有相同的增益系數，所述增益系數用于使電池組節點電壓增益模塊的輸出電壓處于0至5V范圍以內。
5.根據權利要求4所述的用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于， 所述每路電壓增益電路包括第一電阻、第二電阻和開關，所述開關位于第一電阻和第二電阻之間，所述開關和邏輯產生電路相連，用于在邏輯產生電路提供的控制信號下開啟或者閉合。
6.根據權利要求5所述的用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于， 所述增益系數An = I^ = -——^，其中，Von為輸出電壓，VCn為輸入電壓，Run為第一電 V Cn Run + Kdn +K swn阻的阻值，Rdn為第二電阻的阻值，Rswn為開關的阻值，η為大于或等于4且小于或等于10 的整數。
7.根據權利要求6所述的用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于， 所述電池組節點電壓增益模塊和電壓多路選擇器各連接有一個電容，所述電容用于濾除開關狀態轉換時出現的電壓尖峰。
8.根據權利要求1所述的用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路，其特征在于， 所述電池數目檢測模塊包括單位增益緩沖器、減法器、比較器和鎖存器，所述減法器的正輸入端和負輸入端各連接有一個單位增益緩沖器，所述單位增益緩沖器連接在電池組節點電壓增益模塊的輸出端和電壓減法器的輸入端之間；所述減法器用于將經過電池組節點電壓增益模塊降低后的最高節點電壓與其他節點電壓依次相減；所述減法器的正輸入端連接有第一參考電壓VREF1，用于避免減法器輸出電壓過低而超出了芯片的工作電壓范圍；所述比較器的負輸入端連接有第二參考電壓VREF2，用于將減法器的輸出電壓和第一參考電壓 VREFl相加后得到的VAn再和第二參考電壓VREF2進行比較，從而得出相應位置是否存在電池的信息，當VAn>VEFF2，所述比較器輸出的電平為高電平，當VAn+l<VREF2時，所述比較器輸出的電平為低電平，當比較器輸出的電平為低電平時，對應的n+1為電池組中電池的數目，其中，η為大于或等于4且小于或等于9的整數；所述第一參考電壓的電壓范圍為IOOmV 至200mV，所述第二參考電壓為第一參考電壓的兩倍；所述比較器的輸出端連接有鎖存器， 所述鎖存器和邏輯產生電路相連。
9. 一種用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟步驟一在電池組節點電壓增益模塊的作用下，將鋰電池組中電壓高于芯片低壓電路的工作電壓的節點電壓值降低至芯片高壓電路的工作電壓范圍內；步驟二 在電壓多路選擇器的作用下，將電池組節點電壓增益模塊輸出的多個待檢測電壓進行選擇，并將多個待檢測電壓分時輸入至電池數目檢測模塊；步驟三在電池數目檢測模塊的作用下，比較經過電池組節點電壓增益模塊降低后各個待檢測電壓與電池組中最高節點電壓的關系，得到電池數目的信息。
全文摘要
本發明涉及一種用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路及方法。所述電路包括和鋰電池組相連的，用于將鋰電池組中較高的節點電壓降低至芯片內部低壓電路的工作電壓范圍內的電池組節點電壓增益模塊；用于將電池組節點電壓增益模塊輸出的多個待檢測電壓進行選擇，并將多個待檢測電壓分別分時輸入電池數目檢測模塊的電壓多路選擇器；用于比較各個待檢測電壓與最高電壓的關系，得到電池數目的信息的電池數目檢測模塊和邏輯產生電路。本發明用于鋰電池組管理芯片的電池數目檢測電路是一種更加靈活的檢測電路，適合集成化，并可以提高電池組管理芯片的靈活度；可以自由地管理不同數目的電池而無需調整系統的配置，從而增加了系統的靈活性。
文檔編號H01M10/48GK102324587SQ20111013003
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月19日 優先權日2011年5月19日
發明者李振海, 楊衛麗, 趙野 申請人:中國科學院微電子研究所