CN109449512A - 一种多节锂电池电压检测及保护电路 - Google Patents

一种多节锂电池电压检测及保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多节锂电池电压检测及保护电路，包括锂电池组、电压检测电路、保护电路，锂电池组由m（m≥2）节锂电池串联而成，电压检测电路包括m条电压检测支路，锂电池和电压检测支路分为n（1≤n≤m）级，第n级锂电池的负极端连接第n‑1级锂电池的正极端，第一级锂电池的负极端接地，第一级电压检测支路的输入端连接在第一级锂电池的正极端，第k（2≤k≤m）级电压检测支路的输入端分别连接在第k（2≤k≤m）级锂电池的正极端和负极端，每一级电压检测支路的输出端连接保护电路的输入端，保护电路的输出端引出作为锂电池组的保护输出端。本发明的电路结构简单，可对锂电池组中的每节锂电池进行绝对电压检测及欠压和过压保护。

Description

一种多节锂电池电压检测及保护电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种多节锂电池的电压检测和保护电路。
背景技术
目前采用锂电池供电的设备越来越多，相比于插电式设备，锂电池供电的设备极大地提高了设备的便携性。但锂电池也有一个缺点，通常单节锂电池的电压小于4.3V，如果用电设备需要更高的电源电压时，就必须将多节锂电池串联起来使用，此时如何准确地检测和保护这一串锂电池是需要解决的难题。
附图1中给出了多节锂电池串联的电路（以4节锂电池串联为例），串联电池组的最终输出电压为所有单节电池（Battery1~Battery4）的电压之和，即：V_OUT=Vbat1+Vbat2+Vbat3+Vbat4，其中，Vbat1~Vbat4分别是锂电池Battery1~Battery4的电池电压。该电路中，第1节电池Batttery1正负极两端的电压分别为Vbat1和0V，第2节电池Batttery2正负极两端的电压分别为Vbat1+Vbat2和Vbat1，第3节电池Batttery3正负极两端的电压分别为Vbat1+Vbat2+Vbat3和Vbat1+Vbat2，第4节电池Batttery2正负极两端的电压分别为Vbat1+Vbat2+Vbat3+Vbat4和Vbat1+Vbat2+Vbat3。
针对上述的4节锂电池组的欠压和过压保护电路分别如图2和3所示，在图2的欠压保护电路中，VREF_UV为固定基准电压，连接到比较器COMP的同相输入端；UV_detect为锂电池检测电压，连接到比较器COMP的反相输入端；UV_protect为欠压保护电路的输出信号，当锂电池的检测电压UV_detect低于固定基准电压VREF_UV时，UV_protect输出高电平并用来关断电池组的放电通路，以保护锂电池的安全。在图3的过压保护电路中，VREF_OV为固定基准电压，连接到比较器COMP的反相输入端；OV_detect为锂电池检测电压，连接到比较器COMP的同相输入端；OV_protect为过压保护电路的输出信号，当锂电池的检测电压OV_detect高于固定基准电压VREF_OV时，OV_protect输出高电平并用来关断电池组的充电通路，以保护锂电池的安全。
然而，上述的欠压检测电压UV_detect和过压检测电压OV_detect电压都是检测每一节锂电池的绝对电压，而图1的串联电池组中只能得到各级锂电池串联电压的累加值。如何将累加的电池电压转换成每一节锂电池的绝对电压是亟需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多节锂电池电压检测及保护电路，用于对锂电池组中的每节锂电池进行绝对电压检测及欠压和过压保护。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种多节锂电池电压检测及保护电路，包括锂电池组、电压检测电路、保护电路，锂电池组由m（m≥2）节锂电池串联而成，电压检测电路包括m条电压检测支路，电压检测支路的数量与锂电池的节数保持一致，锂电池和电压检测支路分为n（1≤n≤m）级，第n级锂电池的负极端连接第n-1级锂电池的正极端，第一级锂电池的负极端接地，第一级电压检测支路的输入端连接在第一级锂电池的正极端，第k（2≤k≤m）级电压检测支路的输入端分别连接在第k（2≤k≤m）级锂电池的正极端和负极端，每一级电压检测支路的输出端连接保护电路的输入端，保护电路的输出端引出作为锂电池组的保护输出端。
作为本发明的一种改进，所述保护电路包括过压保护电路和欠压保护电路，每一级电压检测支路的输出端包括第一检测电压输出端和第二检测电压输出端，第一检测电压输出端连接过压保护电路的输入端，第二检测电压输出端连接欠压保护电路的输入端，过压保护电路和欠压保护电路的输出端分别引出作为锂电池组的过压保护输出端和欠压保护输出端。
作为本发明的一种改进， 第一级电压检测支路包括第一比较器、第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻，第一比较器的反相输入端连接第一级锂电池的正极端，同相输入端连接第一MOS管的源极，第一比较器的输出端连接第一MOS管的栅极，第一MOS管的漏极连接电源，第一电阻、第二电阻和第三电阻依次串联连接，第一电阻的一端接地，第三电阻的一端连接第一MOS管的源极，在第二电阻和第三电阻的连接点引出支路作为第一检测电压输出端，在第一电阻和第二电阻的连接点引出支路作为第二检测电压输出端，第二至第m级电压检测支路均包括第二比较器、第二 MOS管、第四电阻、第五电阻、第六电阻，第二比较器的同相输入端连接第k级锂电池的负极端，反相输入端连接第二MOS管的源极，第二比较器的输出端连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的漏极连接第五电阻的一端，第四电阻与第五电阻串联连接，第四电阻的一端接地，第六电阻的一端连接第二MOS管的源极，第六电阻的另一端连接第k级锂电池的正极端，在第二MOS管的漏极和第五电阻的连接点引出支路作为第一检测电压输出端，在第四电阻和第五电阻的连接点引出支路作为第二检测电压输出端。
作为本发明的一种改进， 所述过压保护电路包括第一多输入比较器，第一检测电压输出端连接第一多输入比较器的同相输入端，同相输入端的个数与锂电池组中的锂电池节数相对应，即同相输入端的个数为m，第一多输入比较器的反相输入端连接过压基准电压，第一多输入比较器的输出端引出作为过压保护输出端。
作为本发明的一种改进，所述欠压保护电路包括第二多输入比较器，第二检测电压输出端连接第二多输入比较器的反相输入端，反相输入端的个数与锂电池组中的锂电池节数相对应，即反相输入端的个数为m，第二多输入比较器的同相输入端连接欠压基准电压，第二多输入比较器的输出端引出作为欠压保护输出端。
作为本发明的一种改进，所述第一MOS管采用N型MOS管，所述第二MOS管采用P型MOS管。
作为本发明的一种改进， 所述第一电阻、第二电阻、第四电阻、第五电阻采用相同阻值的电阻，第三电阻的阻值是第一电阻阻值的0.5倍，第六电阻的阻值是第四电阻阻值的2.5倍。
作为本发明的一种改进，所述第一电阻取值范围为100KΩ~10MΩ。
作为本发明的一种改进， 所述第一MOS管和第二MOS管均采用CMOS晶体管。
作为本发明的一种改进，当任意一个或多个第一多输入比较器的同相输入端输入电压比其反相输入端的过压基准电压低时，第一多输入比较器输出高电平，当任意一个或多个第二多输入比较器的同相输入端输入电压比其反相输入端的欠压基准电压低时，第二多输入比较器输出高电平。
相对于现有技术，本发明所提出的多节锂电池电压检测及保护电路的电路结构简单，器件少，制作成本低，电压检测支路与锂电池的节数一一对应，可对每节锂电池的绝对电压进行检测并实施精确地过压和欠压保护，且电压检测计算电路所采用的算法简单，计算准确且一致性好，由于在保护电路中采用多输入级比较器，多输入端到输出端响应速度快。
附图说明
图1为多节锂电池串联的电路图。
图2为现有多节锂电池组所采用的欠压保护电路图。
图3为现有多节锂电池组所采用的过压保护电路图。
图4为本发明所提出的多节锂电池电压检测及保护电路的结构框图。
图5为本发明较佳实施例的多节锂电池组的电池电压检测电路图。
图6为本发明较佳实施例的多节锂电池组的过压保护电路图。
图7为本发明较佳实施例的多节锂电池组的欠压保护电路图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
如图4所示，一种多节锂电池电压检测及保护电路，包括锂电池组、电压检测电路、保护电路，锂电池组由m（m≥2）节锂电池串联而成，电压检测电路包括m条电压检测支路，电压检测支路的数量与锂电池的节数保持一致，这样每条电压检测支路将对每节锂电池的绝对电压进行检测并实施过压和欠压保护，锂电池和电压检测支路分为n（1≤n≤m）级，第n级锂电池的负极端连接第n-1级锂电池的正极端，第一级锂电池的负极端接地，第一级电压检测支路的输入端连接在第一级锂电池的正极端，第k（2≤k≤m）级电压检测支路的输入端分别连接在第k（2≤k≤m）级锂电池的正极端和负极端，每一级电压检测支路的输出端连接保护电路的输入端，保护电路的输出端引出作为锂电池组的保护输出端，所述保护电路包括过压保护电路和欠压保护电路，过压保护电路的保护输出端可控制充电MOS管的栅极，关断充电电流通路，以保护锂电池组，欠压保护电路的保护输出端可控制放电MOS管的栅极，关断放电电流通路，以保护锂电池组。
其中，每一级电压检测支路的输出端包括第一检测电压输出端和第二检测电压输出端，由第一检测电压输出端产生过压检测电压信号，由第二检测电压输出端产生欠压检测电压信号，第一检测电压输出端连接过压保护电路的输入端，第二检测电压输出端连接欠压保护电路的输入端，过压保护电路和欠压保护电路的输出端分别引出作为锂电池组的过压保护输出端和欠压保护输出端。
具体的，第一级电压检测支路包括第一比较器、第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻，第一比较器的反相输入端作为第一级电压检测支路的输入端连接第一级锂电池的正极端，同相输入端连接第一MOS管的源极，第一比较器的输出端连接第一MOS管的栅极，第一MOS管的漏极连接电源，第一电阻、第二电阻和第三电阻依次串联连接，第一电阻的一端接地，第三电阻的一端连接第一MOS管的源极，在第二电阻和第三电阻的连接点引出支路作为第一检测电压输出端，在第一电阻和第二电阻的连接点引出支路作为第二检测电压输出端，第二至第m级电压检测支路（即第k级电压检测支路）的结构相同，即第k级电压检测支路均包括第二比较器、第二 MOS管、第四电阻、第五电阻、第六电阻，第二比较器的同相输入端引出作为第k级电压检测支路的输入端并连接第k级锂电池的负极端，反相输入端连接第二MOS管的源极，第二比较器的输出端连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的漏极连接第五电阻的一端，第四电阻与第五电阻串联连接，第四电阻的一端接地，第六电阻的一端连接第二MOS管的源极，第六电阻的另一端引出作为第k级电压检测支路的输入端并连接第k级锂电池的正极端，第m级锂电池的正极端连接电源，在第二MOS管的漏极和第五电阻的连接点引出支路作为第一检测电压输出端，在第四电阻和第五电阻的连接点引出支路作为第二检测电压输出端。
进一步地，所述过压保护电路包括第一多输入比较器，第一检测电压输出端连接第一多输入比较器的同相输入端，同相输入端的个数与锂电池组中的锂电池节数相对应，即同相输入端的个数为m，第一多输入比较器的反相输入端连接过压基准电压，第一多输入比较器的输出端引出作为过压保护输出端。
所述欠压保护电路包括第二多输入比较器，第二检测电压输出端连接第二多输入比较器的反相输入端，反相输入端的个数与锂电池组中的锂电池节数相对应，即反相输入端的个数为m，第二多输入比较器的同相输入端连接欠压基准电压，第二多输入比较器的输出端引出作为欠压保护输出端。
所述第一MOS管采用N型MOS管，所述第二MOS管采用P型MOS管。优选地，所述第一MOS管和第二MOS管均采用CMOS晶体管。
所述第一电阻、第二电阻、第四电阻、第五电阻为相同阻值的电阻，第三电阻的阻值是第一电阻阻值的0.5倍，第六电阻的阻值是第四电阻阻值的2.5倍。优选地，所述第一电阻取值范围为100KΩ~10MΩ。
当任意一个或多个第一多输入比较器的同相输入端输入电压比其反相输入端的过压基准电压低时，第一多输入比较器输出高电平，并关断锂电池组的充电通路，当任意一个或多个第二多输入比较器的同相输入端输入电压比其反相输入端的欠压基准电压低时，第二多输入比较器输出高电平，并关断锂电池组的放电通路。
如图5-7给出了本发明的较佳实施例，在本实施例中，锂电池组是由4节锂电池串联而成，第一级电压检测支路包括第一比较器COMP1、第一MOS管nmos1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，第二至第四级电压检测支路包括第二比较器（COMP2~COMP4）、第二 MOS管（pmos1~pmos3）、第四电阻（R4、R7、R10）、第五电阻（R5、R8、R11）、第六电阻（R6、R9、R12），第一至第四级电压检测支路的第一检测电压输出端包括OV_detect1~ OV_detect4，第一至第四级电压检测支路的第二检测电压输出端包括UV_detect1~ UV_detect4，过压保护电路的第一多输入比较器COMP5具有4路同相输入端，分别接入OV_detect1~ OV_detect4，过压基准电压为固定基准电压VREF_OV，过压保护输出端输出欠压保护电平OV_protect。欠压保护电路的第二多输入比较器COMP6也具有4路同相输入端，分别接入UV_detect1~ UV_detect4，欠压基准电压为固定基准电压VREF_UV，欠压保护输出端输出欠压保护电平UV_protect。
假设电阻R1=R2=R4=R5=R7=R8=R10=R11=R，则电阻R3=0.5R，电阻R6=R9=R12=2.5R。第一比较器COMP1连接成跟随的形式，正反相输入电压相等，所以第一MOS管nmos1的源极电压等于Vbat1，根据R1~R3的阻值情况计算得：
OV_detect1=Vbat1*=Vbat1*=0.8Vbat1
UV_detect1=Vbat1*=Vbat1*=0.4Vbat1
第二比较器COMP2也连接成了跟随的形式，正反相输入电压相等，所以第二 MOS管pmos1的源极电压等于Vbat1，电阻R6两端的电压差为：
VR6=（Vbat1+Vbat2）-Vbat1=Vbat2
根据第二 MOS管pmos1源极和漏极的电流相等，计算得：
将R4~R6的电阻值代入上式，计算得：
OV_detect2=Vbat2* =0.8Vbat2
UV_detect2= Vbat2* =0.4Vbat2
同理，可得：
OV_detect3=0.8Vbat3
UV_detect3=0.4Vbat3
OV_detect4=0.8Vbat4
UV_detect4=0.4Vbat4
在过压保护比较电路中，当任意一个或多个第一多输入比较器COMP5的同相输入端输入电压比其反相输入端的过压基准电压VREF_OV低时，第一多输入比较器COMP5输出高电平；比较点的阈值为：OV_detectn=0.8Vbatn=VREF_OV，即，当Vbatn>VREF_OV/0.8时，OV_protect变为高电平，并关断电池组的充电通路，以保护锂电池的安全。
当任意一个或多个第二多输入比较器COMP6的同相输入端输入电压比其反相输入端的欠压基准电压VREF_UV低时，第二多输入比较器COMP6输出高电平；比较点的阈值为：UV_detectn=0.4Vbatn=VREF_UV，即，当Vbatn< VREF_UV/0.4时，UV_protect变为高电平，并关断电池组的放电通路，以保护锂电池的安全。
本发明所提出的多节锂电池电压检测及保护电路的电路结构简单，器件少，制作成本低，且电压检测计算电路所采用的算法简单，计算准确且一致性好，由于在保护电路中采用多输入级比较器，多输入端到输出端响应速度快。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于：包括锂电池组、电压检测电路、保护电路，锂电池组由m（m≥2）节锂电池串联而成，电压检测电路包括m条电压检测支路，电压检测支路的数量与锂电池的节数保持一致，锂电池和电压检测支路分为n（1≤n≤m）级，第n级锂电池的负极端连接第n-1级锂电池的正极端，第一级锂电池的负极端接地，第一级电压检测支路的输入端连接在第一级锂电池的正极端，第k（2≤k≤m）级电压检测支路的输入端分别连接在第k（2≤k≤m）级锂电池的正极端和负极端，每一级电压检测支路的输出端连接保护电路的输入端，保护电路的输出端引出作为锂电池组的保护输出端。
2.如权利要求1所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，所述保护电路包括过压保护电路和欠压保护电路，每一级电压检测支路的输出端包括第一检测电压输出端和第二检测电压输出端，第一检测电压输出端连接过压保护电路的输入端，第二检测电压输出端连接欠压保护电路的输入端，过压保护电路和欠压保护电路的输出端分别引出作为锂电池组的过压保护输出端和欠压保护输出端。
3.如权利要求2所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，第一级电压检测支路包括第一比较器、第一MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻，第一比较器的反相输入端连接第一级锂电池的正极端，同相输入端连接第一MOS管的源极，第一比较器的输出端连接第一MOS管的栅极，第一MOS管的漏极连接电源，第一电阻、第二电阻和第三电阻依次串联连接，第一电阻的一端接地，第三电阻的一端连接第一MOS管的源极，在第二电阻和第三电阻的连接点引出支路作为第一检测电压输出端，在第一电阻和第二电阻的连接点引出支路作为第二检测电压输出端，第二至第m级电压检测支路均包括第二比较器、第二 MOS管、第四电阻、第五电阻、第六电阻，第二比较器的同相输入端连接第k级锂电池的负极端，反相输入端连接第二MOS管的源极，第二比较器的输出端连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的漏极连接第五电阻的一端，第四电阻与第五电阻串联连接，第四电阻的一端接地，第六电阻的一端连接第二MOS管的源极，第六电阻的另一端连接第k级锂电池的正极端，在第二MOS管的漏极和第五电阻的连接点引出支路作为第一检测电压输出端，在第四电阻和第五电阻的连接点引出支路作为第二检测电压输出端。
4.如权利要求3所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，所述过压保护电路包括第一多输入比较器，第一检测电压输出端连接第一多输入比较器的同相输入端，第一多输入比较器的反相输入端连接过压基准电压，第一多输入比较器的输出端引出作为过压保护输出端。
5.如权利要求4所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，所述欠压保护电路包括第二多输入比较器，第二检测电压输出端连接第二多输入比较器的反相输入端，第二多输入比较器的同相输入端连接欠压基准电压，第二多输入比较器的输出端引出作为欠压保护输出端。
6.如权利要求3-5任一项所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，所述第一MOS管采用N型MOS管，所述第二MOS管采用P型MOS管。
7.如权利要求6所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，所述第一MOS管和第二MOS管均采用CMOS晶体管。
8.如权利要求5所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第四电阻、第五电阻采用相同阻值的电阻，第三电阻的阻值是第一电阻阻值的0.5倍，第六电阻的阻值是第四电阻阻值的2.5倍。
9.如权利要求8所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，所述第一电阻取值范围为100KΩ~10MΩ。
10.如权利要求7所述的一种多节锂电池电压检测及保护电路，其特征在于，当任意一个或多个第一多输入比较器的同相输入端输入电压比其反相输入端的过压基准电压低时，第一多输入比较器输出高电平，当任意一个或多个第二多输入比较器的同相输入端输入电压比其反相输入端的欠压基准电压低时，第二多输入比较器输出高电平。
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