一種電池包及其電池狀態監測電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電池包及其電池狀態監測電路，電池狀態檢測電路包括電池以及與電池并聯的電池保護電路和監測電路，電池保護電路在電池發生過充、過放、或者過流時將電池與外接電路斷開，監測電路按照一定的時間間隔分別采樣所述電池的電壓、電流以及溫度，根據采樣到的電流值和電流的采樣時間間隔計算電流累計值，并存儲所述電壓值、電流值、電流累計值、以及溫度值。能夠在電池處于異常時保護電池，還能夠實時提供電池的電壓、電流、剩余電量以及溫度信息。
【專利說明】一種電池包及其電池狀態監測電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電池包，還涉及該電池包的電池狀態監測電路。
【背景技術】
[0002]安全型防爆手電筒里常用的一種電池保護電路如圖1所示，具有過充、過放以及短路保護功能。它主要靠檢測電池兩端的電壓來開啟過充、過放保護功能，也就是當電池電壓高于一定值時就斷開電路停止充電，當電池電壓低于一定值時就斷開電路停止放電；當流過該電路的電流超過一定值時就斷開電路，防止過流或短路情況發生。
[0003]具體地，該電池保護電路通過監測VDD-VSS間的電池電壓以及VM-VSS間的電壓差來控制充電和放電，當VDD-VSS間的電池電壓在過放電檢測電壓Vdl以上，且在過充電檢測電壓Vcu以下，VM端子的電壓在過放流檢測電壓Viol以下時，U2和U4連通整個電路，電池保護電路可以自由地充電或放電，這種狀態叫做通常狀態。
[0004]當VM端子的電壓在過流檢測電壓Viol以上且維持一定的時間以上時，U2和U4將電池與外接電路斷開，起到短路或過流保護。當Ul或U3檢測到電池電壓在充電過程中超過過充電檢測電壓Vcu以上，且持續時間超過過充電檢測延遲時間Tcu，U2和U4將電池與外接電路斷開，起到過充保護。當Ul或U3檢測到電池電壓在放電過程中低于過放電檢測電壓Vdl以下，且持續時間超過過放電檢測延遲時間Tdl，U2和U4將電池與外接電路斷開，起到過放保護。
[0005]這種電池保護電路的缺點是功能比較單一，只是在異常情況時斷開電路起一個保護作用，而不能實時提供電池的信息如電壓，電流，溫度，剩余電量這些數值，而掌握這些信息對安全的使用電池非常有幫助的。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有的電池保護電路只是在異常情況時斷開電池與外接電路，而不能實時提供電池的信息的缺陷，提供一種電池包及其電池狀態監測電路，能夠在電池發生過充、過放、或者過流時將電池與外接電路斷開起到保護作用的同時，還能夠實時提供電池的電壓、電流、剩余電量以及溫度信息。
[0007]本發明解決其技術問題采用的技術方案是:提供一種電池狀態檢測電路，包括電池和電池保護電路；所述電池保護電路并聯在所述電池兩端，通過檢測所述電池兩端的電壓，在所述電池發生過充、過放、或者過流時將所述電池與外接電路斷開；所述電池狀態檢測電路還包括監測電路，所述監測電路包括:
[0008]溫度感應單元，用于實時測量所述電池的溫度；
[0009]測量控制單元，包括連接所述電池正極的電壓采樣端、連接所述電池負極的電流采樣端、連接所述溫度感應單元的溫度采樣端、以及信號輸出端，所述測量控制單元用于按照一定的時間間隔分別通過所述電壓采樣端、電流采樣端以及溫度采樣端采樣所述電池的電壓值、電流值以及溫度值并通過所述信號輸出端輸出；[0010]模數轉換單元，與所述溫度測量單元的信號輸出端連接，用于將所述測量控制單元輸出的電壓值、電流值以及溫度值轉換為數字信號后輸出；以及
[0011]寄存器，用于接收模數轉換單元輸出的電壓值、電流值以及溫度值的數字信號，根據所述電流值的數字信號和電流的采樣時間間隔計算電流累計值，并存儲電壓值、電流值以及溫度值的數字信號和所述電流累計值。
[0012]優選地，所述監測電路還包括連接于所述電池負極和所述測量控制單元的電流采樣端之間的濾波器，所述濾波器用于識別并區分充電電流和放電電流。
[0013]優選地，所述充電電流和所述放電電流存儲于所述寄存器中不同的存儲單元，充電電流累計值和放電電流累計值存儲于所述寄存器中不同的存儲單元。
[0014]優選地，所述監測電路還包括為所述測量控制單元提供采樣頻率的振蕩器。
[0015]優選地，所述寄存器包括狀態控制單元、用于與外部控制電路進行數據的雙向傳輸的數據輸入輸出端、以及與所述狀態控制單元連接的中斷控制端。
[0016]優選地，所述電池保護電路包括單片機、充電控制MOS管以及放電控制MOS管；其中，所述單片機包括連接所述電池正極的工作電壓輸入端VDD、連接所述充電控制MOS管的源極的過電流檢測端、連接所述電池負極的接地端、連接所述充電控制MOS管的柵極的充電控制端、以及連接所述放電控制MOS管的柵極的放電控制端；所述充電控制MOS管的源極連接所述監測電路、漏極與所述放電控制MOS管的漏極連接；所述放電控制MOS管的源極連接所述電池的負極。
[0017]優選地，所述充電控制MOS管和所述放電控制MOS管均包括寄生二極管。
[0018]提供一種電池包，所述電池由電池狀態檢測電路封裝而成，所述電池狀態檢測電路包括電池和電池保護電路；所述電池保護電路并聯在所述電池兩端，通過檢測所述電池兩端的電壓，在所述電池發生過充、過放、或者過流時將所述電池與外接電路斷開；所述電池狀態檢測電路還包括監測電路，所述監測電路包括:
[0019]溫度感應單元，用于實時測量所述電池的溫度；
[0020]測量控制單元，包括連接所述電池正極的電壓采樣端、連接所述電池負極的電流采樣端、連接所述溫度感應單元的溫度采樣端、以及信號輸出端，所述測量控制單元用于按照一定的時間間隔分別通過所述電壓采樣端、電流采樣端以及溫度采樣端采樣所述電池的電壓值、電流值以及溫度值并通過所述信號輸出端輸出；
[0021]模數轉換單元，與所述溫度測量單元的信號輸出端連接，用于將所述測量控制單元輸出的電壓值、電流值以及溫度值轉換為數字信號后輸出；以及
[0022]寄存器，用于接收模數轉換單元輸出的電壓值、電流值以及溫度值的數字信號，根據所述電流值的數字信號和電流的采樣時間間隔計算電流累計值，并存儲電壓值、電流值以及溫度值的數字信號和所述電流累計值；
[0023]所述寄存器與所述數據輸入輸出端連接，所述寄存器包括狀態控制單元，所述狀態控制單兀與所述中斷控制端連接；
[0024]所述電池包還包括分別與所述電池正負極連接的電源正極端、與所述電池負極連接的電源負極端、與所述電池狀態檢測電路連接的中斷控制端和數據輸入輸出端。
[0025]優選地，所述電池保護電路包括單片機、充電控制MOS管以及放電控制MOS管；其中，所述單片機包括連接所述電池正極的工作電壓輸入端、連接所述充電控制MOS管的源極的過電流檢測端、連接所述電池負極的接地端、連接所述充電控制MOS管的柵極的充電控制端、以及連接所述放電控制MOS管的柵極的放電控制端；所述充電控制MOS管的源極連接所述監測電路、漏極與所述放電控制MOS管的漏極連接；所述放電控制MOS管的源極連接所述電池的負極。
[0026]優選地，所述監測電路還包括連接于所述電池負極和所述測量控制單元的電流采樣端之間的濾波器，所述濾波器用于識別并區分充電電流和放電電流。
[0027]本發明的電池包及其電池狀態監測電路具有以下有益效果:通過電池保護電路在電池發生過充、過放、或者過流時，將電池與外接電路斷開，起到保護作用；并通過監測電路實時地采樣并存儲電池的電壓值、電流值、電流累計值、以及溫度值，方便、準確地掌握電池的實時狀態信息，保證了電池使用者及電池自身的安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為常用的一種電池保護電路的電路圖；
[0029]圖2為本發明的電池狀態監測電路第一實施例的原理圖；
[0030]圖3為本發明中寄存器的結構示意圖；
[0031]圖4為本發明的電池狀態監測電路第二實施例的原理圖；
[0032]圖5為本發明的電池狀態監測電路第二實施例的電路圖；
[0033]圖6為單片機U5的內部功能框圖；
[0034]圖7為本發明的電池狀態監測電路第二實施例的應用示意圖。
【具體實施方式】
[0035]以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的解釋說明。
[0036]圖2為本發明的電池狀態監測電路100第一實施例的原理圖，如圖2所示，在本實施例中，電池狀態監測電路100包括電池110、電池保護電路120、以及監測電路130，電池保護電路120和監測電路130均與電池110并聯。
[0037]其中，電池保護電路120通過檢測電池110兩端的電壓，在電池110發生過充、過放、或者過流時將電池110與外接電路斷開，從而保證了電池110的安全。
[0038]監測電路130按照一定的時間間隔分別采樣電池110的電壓、電流以及溫度，例如，檢測電路130首先采樣電池110的電壓，經過時間間隔tl后采樣電池110的電流，再經過時間間隔t2后采樣電池的溫度，接著經過時間間隔t3后再次采樣電池110的電壓，如此循環采樣電池110的電壓、電流以及溫度，其中，tl-t3可相同也可不同，另外，并不限制電流110的電壓、電流以及溫度的采樣順序。此外，監測電路130還根據采樣到的電流值和電流的采樣時間間隔計算電流累計值，并存儲所述電壓值、電流值、電流累計值、以及溫度值。其中，電流的采樣時間間隔指的是兩次采集電流之間的時間間隔，即前示的tl-t3之和。
[0039]在本實施例中，監測電路130包括溫度感應單元131、測量控制單元132、模數轉換單元133、以及寄存器134。
[0040]其中，溫度感應單元131用于實時測量電池110的溫度，例如溫度傳感器。
[0041]測量控制單元132包括連接電池110正極的電壓采樣端vin、連接電池110負極的電流采樣端sns、連接溫度感應單元131的溫度采樣端tin、以及信號輸出端sout，測量控制單元132按照一定的時間間隔分別通過電壓采樣端vin、電流采樣端sns以及溫度采樣端tin采樣電池110的電壓、電流以及溫度并通過信號輸出端sout將采樣到的電壓值、電流值以及溫度值輸出。
[0042]模數轉換單元133與測量控制單元132的信號輸出端sout連接，用于將測量控制單元132輸出的電壓值、電流值以及溫度值轉換為數字信號后輸出。
[0043]寄存器134接收模數轉換單元133輸出的電壓值、電流值以及溫度值的數字信號，根據電流值的數字信號和電流的采樣時間間隔計算電流累計值，并存儲電壓值、電流值以及溫度值的數字信號和電流累計值。如圖3所示，在本實施例中，寄存器134包括多個存儲單元、狀態控制單元1341、用于與外部控制電路進行數據的雙向傳輸的數據輸入輸出端dq、以及與狀態控制單元1341連接的中斷控制端int。寄存器134通過數據輸入輸出端dq與外部控制器連接，可通過外部控制器為其設定一個電池溫度上限值Tm，當采樣到的電池110的溫度值高于電池溫度上限值Tm時，狀態控制單元1341通過中斷控制端int向外部控制器發出中斷信號，以便在異常情況下及時切斷外部用電電路，保護電池的安全。
[0044]圖4為本發明的電池狀態監測電路100第二實施例的原理圖，如圖4所示，在本實施例中，監測電路130還包括濾波器135和振蕩器136。
[0045]其中，濾波器135連接于電池110負極和測量控制單元132的電流采樣端sns之間，在實現濾波的同時還用于識別并區分充電電流和放電電流。在本實施例中，電池110的電壓值、充電電流值、放電電流值、充電電流累計值、放電流累計值、以及溫度值存儲在寄存器134不同的存儲單元中。外部控制器通過獲取寄存器134中存儲的充電電流累計值和放電流累計值，即可計算出電池110的剩余電池累計值，即剩余電量。在其他實施例中，監測電路130還可以包括計算單元，計算單元通過計算充電電流累計值和放電電流累計值從而計算出剩余電流累計值，并將剩余電流累計值存儲于寄存器134中與前述各種參數不同的存儲單元中。
[0046]振蕩器136為測量控制單元132提供采樣頻率。
[0047]在本實施例中，其余情況與本發明的電池狀態監測電路100第一實施例相同，在此不再贅述。
[0048]圖5為本發明的電池狀態監測電路100第二實施例的電路圖，如圖5所示，監測電路130由單片機U5、第一電阻Rl至第三電阻R3、第一和第二電容Cl和C2以及穩壓二極管Zl實現。其中，單片機U5是一款電池電量計量和信息存儲芯片，可采用的型號例如DS2756，單片機U5的第一引腳pio可作為I/O接口或者中斷控制端int，第二引腳為用于與外部控制電路(如圖7所示，外部控制電路如圖7中的μ P)進行數據的雙向傳輸的數據輸入輸出端dq ;第三引腳為電流采樣端sns經過第三電阻R3 (電流采樣電阻，通常為幾十毫歐)連接電池110的負極；第四和第五引腳is2和isl為電流采樣濾波器輸入端，第四引腳is2經第一電容Cl (濾波器135的一種實施方式)與第五引腳isl連接；第六引腳為接地端vss,連接于第三電阻R3和電池110的負極之間；第七引腳為芯片供電端vcc，經過第二電阻R2(上拉電阻)連接電池110的正極；第八引腳為電壓采樣端vin，其經過第一電阻Rl (上拉電阻)連接電池110的正極。第二電容C2連接于單片機U5第八引腳和電池110負極之間，穩壓二極管Zl并聯于C2兩端。
[0049]單片機U5能實時采集電池110的電壓、電流、電流累積值、以及溫度等信息，圖6是單片機U5的內部功能框圖，可以看到在U5內部有專用的寄存器來存儲電池110的溫度值、電壓值、電流值、以及電流累計值，這些值會以低功耗振蕩器提供的固定的頻率更新，更新周期為幾十毫秒至幾秒。MUX是測量控制單元132，其根據低功耗振蕩器提供的固定的頻率分別接入vin端口輸入的電池電壓信號、sns端口輸入的電流信號、以及溫度傳感器輸入的溫度信號，并將接入的信號輸出ADC模數轉換單元，從而將電池電壓值、電流值、溫度值的數字信號存儲于寄存器的不同的存儲單元中。其中，sns端接入的電流信號經濾波器(設置于isl和is2端之間)輸入MUX。dq是一個串行的數據輸入輸出接口，可實現數據的雙向傳輸，外部控制器可通過此接口訪問U5內部的寄存器從而獲得電池電壓、電流、溫度等信息。寄存器還包括比較器和狀態控制單元，其中，狀態控制單元與Pio端口連接，寄存器通過數據輸入輸出端dq與外部控制器連接，外部控制器為其設定一個電池溫度上限值Tm，比較器將采樣到的電池110的溫度值與電池溫度上限值Tm進行比較，當采樣到的電池110的溫度值高于電池溫度上限值Tm時，比較器向狀態控制單元發送信號，狀態控制單元通過Pio端口(此時作為中斷控制端int)向外部控制器發出中斷信號，以便在異常情況下及時切斷外部用電電路，保護電池的安全。
[0050]在本實施例中，電池保護電路120由單片機U6、MOS管Ql以及MOS管Q2實現，其中，單片機U6包括連接電池110正極的工作電壓輸入端vdd、連接充電控制MOS管Ql的源極的過電流檢測端vm、連接電池110負極的接地端vss、連接充電控制MOS管Ql的柵極的充電控制端Co、以及連接放電控制MOS管Q2的柵極的放電控制端do ;充電控制MOS管Ql的源極連接單片機U5的第六引腳、漏極與放電控制MOS管Q2的漏極連接；放電控制MOS管Q2的源極連接電池110的負極。
[0051]當vm端的電壓在過電流檢測電壓V iol (Viol=i*2Rds (on),流過MOS管的電流與兩個MOS管的通態電阻之積)以上，且持續一定的時間，則u6的do端會輸出低電平關斷放電控制MOS管Q2，則電池110與外接電路斷開，起到保護作用，此為短路或過流保護。當u6檢測到vdd-vss之間的電池電壓在充電過程中超過過充電監測電壓Vcu以上，且持續時間超過過充電檢測延遲時間TcuJU Co端輸出低電平關閉充電控制MOS管Q1，此為過充保護；當116檢測到vdd-vss之間的電池電壓在放電過程中低于過放電監測電壓Vdl以下，且持續時間超過過放電檢測延遲時間TdUU do端輸出低電平關閉充電控制MOS管Q1，此為過放保護。
[0052]在實際使用中，圖5中的電子元件體積都較小，整個電路可以與電芯封裝在一起構成電池包，電池包輸出4個端口，Pack+和Pack-分別為電源正極和負極，int是中斷控制端口，dq是數據輸入輸出口 ；通過dq 口外部控制器可以查詢電池的實時數據；外部控制器通過查詢電流累積寄存器里的值，可以掌握電池剩余電量。
[0053]在本發明中，電池110可以是單節電池，也可以是由多節電池串聯而成的電池組，例如單節鋰電池，由多節鋰電池串聯而成的電池組。
[0054]本發明的一種電池包由本發明的電池狀態檢測電路100封裝而成，電池包還包括分別與電池正負極連接的電源正極端、與電池負極連接的電源負極端、與電池狀態檢測電路100連接的中斷控制端int和數據輸入輸出端dq。
[0055]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求范圍之內。另外，本發明各實施例中的技術特征可以單獨使用，也可以組合使用。
【權利要求】
1.一種電池狀態檢測電路,包括電池(I 10)和電池保護電路(120);所述電池保護電路(120)并聯在所述電池兩端，通過檢測所述電池(110)兩端的電壓，在所述電池(110)發生過充、過放、或者過流時將所述電池與外接電路斷開；其特征在于，所述電池狀態檢測電路還包括監測電路(130 )，所述監測電路(130 )包括: 溫度感應單元(131)，用于實時測量所述電池(110)的溫度； 測量控制單元(132)，包括連接所述電池(110)正極的電壓采樣端(vin)、連接所述電池(110)負極的電流采樣端(sns)、連接所述溫度感應單元(131)的溫度采樣端(tin)、以及信號輸出端(sout)，所述測量控制單元(132)用于按照一定的時間間隔分別通過所述電壓采樣端(vin)、電流采樣端(sns)以及溫度采樣端(tin)采樣所述電池(110)的電壓、電流以及溫度并通過所述信號輸出端(sout)輸出； 模數轉換單元(133)，與所述測量控制單元(132)的信號輸出端(sout)連接，用于將所述測量控制單元(132)輸出的電壓值、電流值以及溫度值轉換為數字信號后輸出；以及 寄存器(134)，用于接收模數轉換單元(133)輸出的電壓值、電流值以及溫度值的數字信號，根據所述電流值的數字信號和電流的采樣時間間隔計算電流累計值，并存儲電壓值、電流值以及溫度值的數字信號和所述電流累計值。
2.根據權利要求1所述的電池狀態檢測電路，其特征在于，所述監測電路(130)還包括連接于所述電池(110)負極和所述測量控制單元(132)的電流采樣端(sns)之間的濾波器(135)，所述濾波器(135)用于識別并區分充電電流和放電電流。
3.根據權利要求2所述的電池狀態檢測電路，其特征在于，所述充電電流和所述放電電流存儲于所述寄存器(134) 中不同的存儲單元，充電電流累計值和放電電流累計值存儲于所述寄存器(134)中不同的存儲單元。
4.根據權利要求1所述的電池狀態檢測電路，其特征在于，所述監測電路(130)還包括為所述測量控制單元(132)提供采樣頻率的振蕩器(136)。
5.根據權利要求1所述的電池狀態檢測電路，其特征在于，所述寄存器(134)包括狀態控制單元(1341)、用于與外部控制電路進行數據的雙向傳輸的數據輸入輸出端(dq)、以及與所述狀態控制單元(1341)連接的中斷控制端(int)。
6.根據權利要求1所述的電池狀態檢測電路，其特征在于，所述電池保護電路(120)包括單片機(U6)、充電控制MOS管(Ql)以及放電控制MOS管(Q2);其中，所述單片機(U6)包括連接所述電池(110)正極的工作電壓輸入端(vdd)、連接所述充電控制MOS管(Ql)的源極的過電流檢測端(vm)、連接所述電池(110)負極的接地端(vss)、連接所述充電控制MOS管(Ql)的柵極的充電控制端(Co)、以及連接所述放電控制MOS管(Q2)的柵極的放電控制端(do);所述充電控制MOS管(Ql)的源極連接所述監測電路(130)、漏極與所述放電控制MOS管(Q2)的漏極連接；所述放電控制MOS管(Q2)的源極連接所述電池(110)的負極。
7.根據權利要求6所述的電池狀態檢測電路，其特征在于，所述充電控制MOS管(Ql)和所述放電控制MOS管(Q2)均包括寄生二極管。
8.一種電池包，其特征在于，所述電池包由權利要求1所述的電池狀態檢測電路封裝而成，所述電池包還包括分別與所述電池正負極連接的電源正極端、與所述電池負極連接的電源負極端、與所述電池狀態檢測電路連接的中斷控制端(int)和數據輸入輸出端(dq)。
9.根據權利要求8所述的電池包，其特征在于，所述電池保護電路(120)包括單片機(U6)、充電控制MOS管(Ql)以及放電控制MOS管(Q2);其中，所述單片機(U6)包括連接所述電池(110)正極的工作電壓輸入端(vdd)、連接所述充電控制MOS管(Ql)的源極的過電流檢測端(vm)、連接所述電池(110)負極的接地端(vss )、連接所述充電控制MOS管(Ql)的柵極的充電控制端(Co)、以及連接所述放電控制MOS管(Q2)的柵極的放電控制端(do);所述充電控制MOS管(Ql)的源極連接所述監測電路(130)、漏極與所述放電控制MOS管(Q2)的漏極連接；所述放電控制MOS管(Q2)的源極連接所述電池(110)的負極。
10.根據權利要求8所述的電池包，其特征在于，，所述監測電路(130)還包括連接于所述電池(110)負極和所述測量控制單元(132)的電流采樣端(sns)之間的濾波器(135)，所述濾波器(135 )用于 識別并區分充電電流和放電電流。
【文檔編號】H01M10/48GK103812089SQ201210457191
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月14日 優先權日:2012年11月14日
【發明者】周明杰, 邵賢輝 申請人:深圳市海洋王照明工程有限公司, 海洋王照明科技股份有限公司