基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电路

1.一种基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电路，由充放电控制开关连接被保护的电池/电池组的一极，被保护的电池/电池组的另一极连接电池充放电电流检测电路，被保护的电池/电池组串联的电池之间分别连接电池电压检测电路，电池电压检测电路和电池充放电电流检测电路连接微控制器；微控制器中由中央处理器CPU连接模数转换器ADC和电压模检测电路，中央处理器CPU和模数转换器ADC分别连接电池电压检测电路，充放电电流检测电路(240)由敏感电阻(241)、电压模检测电路(242)和分段电流模检测电路(243)构成，其特征在于：在微控制器中设有分段电流模检测电路(243)，电池充放电电流检测电路连接分段电流模检测电路(243)。
2.根据权利要求1所述的基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电路，其特征在于：(1)电压模检测电路连接敏感电阻(241)的两端，充电电流Icharge或放电电流Idischarge流经敏感电阻(241)形成电压差，电压模检测电路将此电压差转换为数字信号，并送与CPU；(2)分段电流模检测电路有多基准电流电路CR，多基准电流电路中的每个基准电流电路连接一个比较电路CC输入的一端，充电电流Icharge或放电电流Idischarge的分流电流Isense流经分段电流模检测电路(243)，分段电流模检测电路(243)与电压模检测电路的敏感电阻(241)并联，比较电路的输出连接比较寄存器，比较寄存器连接计算机总线。

基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电\n路\n技术领域\n[0001] 本发明属于充电式电池或电池组的电流计量及保护，特别涉及一种基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电路。\n背景技术\n[0002] 可充电式电池是可重复使用的电池，通常有铅酸、镍镉、镍氢、锂离子、燃料电池等种类。近年来，随着便携式产品的广泛应用，越来越多的产品采用锂电池做它的主要电源，锂电池具有：体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池、自放电率低环保无污染等优点，尤其在笔记本计算机供电方面，其优异的高能量优势更是发挥得淋漓尽致。\n但是由于能量密度高及特有的化学特性，锂离子电池的安全性和稳定性方面亦存在隐患，如过充和过高温可能会燃烧甚至导致爆炸，过放电可能造成电池本身的损坏。所以，对锂离子电池精密的监测、保护和电量计算非常重要。\n[0003] 图1显示了一种现有的电池组充电保护电路的基本框架。保护电路连接到被保护的电池/电池组100上，例如锂电池组上。现有的电池组保护电路通常包含：电池电压检测电路110、充放电控制开关120、微控制器130、电池充放电电流检测电路140。\n[0004] 电池电压检测电路110采集电池的电压量送与微控制器130，微控制器分析电池电压状态，若发现异常，如过压或低压，则控制充放电控制开关，进而控制充放电过程。同时，微控制器通过电流检测电路140对电池的充放电电流进行计量和监测，当发现异常情况，如过流或短路，则微控制器控制充放电开关，实现对充电或放电的控制。\n[0005] 传统对充放电电流的检测，通常需要在回路中串联一个敏感电阻141，电流由敏感电阻转化成的电压信号，然后经电压模检测电路142进行测量，并将结果送与微控制器。\n[0006] 在电池充放电过程中，充放电电流的变化范围可能从几个毫安到几十个安培。因此，采用敏感电阻将电流转换电压时，为了减小电池组的内阻，降低功耗，通常选取的电阻值在毫欧量级。然而当充放电电流在毫安时，转换成的电压信号在几个微伏量级，这是一个非常微弱的信号，电路中的噪声将导致对这样的电流检测的不准确。同时，对于锂电池组的充放电电流最高可能达到几个安培、几十个安培甚至更高，比如电动汽车等应用上，这样，\n4 5\n其动态范围将达到10 ～10，这将要求高于14位的模数转换精度，大大地增加了硬件的复杂性，以及电路的实现成本。\n[0007] 对充放电电流的测量必须精确，否则，将不能正确地计算电池的容量状态：在放电时，可能导致过度放电，会引起电池失效；在充电时，可能导致过度充电，将引起电池高温，可能导致电池失效，甚至引起燃烧和爆炸。\n发明内容\n[0008] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电路。提供了一种电流分段检测的技术，采用电流模及电压模组合的方式，以提高锂电池/电池组200充放电电流的检测动态范围和检测精度。\n[0009] 本发明的主要目的是解决上述传统技术中电压信号检测的不精确性，在检测小电流信号时采用电流模方式，提高检测精度。\n[0010] 本发明的另一主要目的是解决上述传统技术中检测信号的大动态范围要求，采用分段检测方式，这样就降低的对检测电路动态范围要求，同时也提高了检测精度以及系统的可靠性。\n[0011] 本发明的技术方案是：\n[0012] 一种基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电路，由充放电控制开关220连接被保护的电池/电池组200的一极，被保护的电池/电池组的另一极连接电池充放电电流检测电路240，被保护的电池/电池组串联的电池之间分别连接电池电压检测电路210，电池电压检测电路210和电池充放电电流检测电路240连接微控制器230；微控制器中由中央处理器CPU连接模数转换器ADC和电压模检测电路242及电流模检测电路\n243，中央处理器CPU和模数转换器ADC分别连接电池电压检测电路210，电池充放电电流检测电路240由敏感电阻241、电压模检测电路242和分段电流模检测电路243构成，其特征在于：在微控制器230中设有分段电流检测电路243，电池充放电电流检测电路240包含分段电流检测电路243和电压模检测电路242。\n[0013] 分段电流检测电路有多基准电流电路CR，多基准电流电路中的每个基准电流电路连接一个比较电路CC输入的一端，充电电流Icharge或放电电流Idischarge的分流电流Isense流经分段电流模检测电路，分段电流模检测电路243与电压模检测电路的敏感电阻\n241并联，比较电路的输出连接比较寄存器，比较寄存器连接计算机总线。\n[0014] 本发明效果是：\n[0015] 本锂电池及锂电池组保护的智能控制技术及其实现技术，用以实现对电池的电量检测、充电放电控制、过流/过压保护、短路保护等智能控制。可适用于含有锂电池组的应用，比如通讯手持终端(手机、掌上电脑、PDA等)、笔记本电脑、电台、带备用可充电电池的设备(如基站)、电动自行车、电动汽车等，，可对锂电池/电池组的充放电电流进行计量和监控，并且检测锂电池/电池组的电压/电流，实现过流/过压、短路保护。\n[0016] 采用微控制(MCU)方式，实现精度测量、精度控制和智能化管理。MCU对电池采样的电压及电流数据传送给模数转换器(ADC)进行量化分析，将量化的数据与预先存储在MCU的最优化数据进行比对，再将这微小的信息反馈给模拟前端模块(AFE)控制的开关，从而实现对充放电电流、电压等参数的精准控制。其中，MCU对电池的充放电电流的检测方式采用分段电流检测的技术：微小电流采用电流采样、电流分档比较的技术进行检测；对于大电流，首先将电流转换为电压信号，然后由ADC将其转换为数字信号，这两部分结果交给MCU中的中央处理单元(CPU)进行分析及电池的控制。这样既能提高测量精度，又能降低芯片设计及生产成本，并降低芯片功耗。\n附图说明\n[0017] 图1是传统的锂电池/电池组计量及保护的电路结构。\n[0018] 图中：100 电池/电池组\n[0019] 110 完成电池电压检测及开关控制的模拟前端电路\n[0020] 120 充放电控制开关\n[0021] 130 微控制器(MCU)\n[0022] 140 电池充放电电流检测电路\n[0023] 141 电流检测电路中将电流转换为电压信号的敏感电阻\n[0024] 142 电流检测电路中的电压模检测电路\n[0025] 图2是本发明的基于电流分段检测的锂电池/电池组计量及保护的电路结构。\n[0026] 200 电池/电池组\n[0027] 210 完成电池电压检测及开关控制的模拟前端电路\n[0028] 220 充放电控制开关\n[0029] 230 微控制器(MCU)\n[0030] 240 电池充放电电流检测电路\n[0031] 241 电流检测电路中将电流转换为电压信号的敏感电阻\n[0032] 242 电流检测电路中的电压模检测电路\n[0033] 243 电流检测电路中的电流模检测电路\n[0034] 图3是本发明的基于电流分段检测的锂电池/电池组计量及保护的电路中电路分段检测的实例结构。\n[0035] 200 电池/电池组\n[0036] 241 电流检测电路中将电流转换为电压信号的敏感电阻\n[0037] 242 电流检测电路中的电压模检测电路\n[0038] 243 电流检测电路中的电流模检测电路\n具体实施方式\n[0039] 一种基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护的电路，由充放电控制开关220连接被保护的电池/电池组200的一极，被保护的电池/电池组的另一极连接电池充放电电流检测电路240，被保护的电池/电池组串联的电池之间分别连接电池电压检测电路210，电池电压检测电路210和电池充放电电流检测电路240连接微控制器230；微控制器中由中央处理器CPU连接模数转换器ADC和电压模检测电路242及电流模检测电路\n243，中央处理器CPU和模数转换器ADC分别连接电池电压检测电路210，电池充放电电流检测电路240由敏感电阻241、电压模检测电路242和分段电流模检测电路243构成，其特征在于：在微控制器230中设有分段电流检测电路243，电池充放电电流检测电路240包含分段电流检测电路243和电压模检测电路242。\n[0040] 分段电流检测电路有多基准电流电路CR，多基准电流电路中的每个基准电流电路连接一个比较电路CC输入的一端，充电电流Icharge或放电电流Idischarge的分流电流Isense流经分段电流模检测电路，分段电流模检测电路与电压模检测电路的敏感电阻241并联，比较电路的输出连接比较寄存器，比较寄存器连接计算机总线。\n[0041] 为了实现上述目的，微弱电流采用电流分段检测的方式，同时采用电流比较的方式得出测量结果，见图2中243；而对于大电流，采用模数转换器将电流转换到电压进行模数转换得到数据量，见图2中242。由上述两部分得到的数据作为电池电流采集数据一同送与微控制器。\n[0042] 电池组200是本发明所计量和保护的对象。其可由单节或多节串联或并联组成。\n[0043] 基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护方法电路，可对锂电池/电池组的充放电电流进行计量和监控，并且检测锂电池/电池组的电压/电流，实现过流/过压、短路保护的保护及计量智能控制电路包括：\n[0044] 模拟前端模块：采集电池的电压信号送与微控制器进行计量，并且在微控制器的指令控制下，对充放电开关进行打开或闭合的控制，以完成充放电电流的控制。同时，模拟前端模块为微控制器提供电源；\n[0045] 微控制器：完成对电池计量和保护的智能控制。对采集的电流及电压信号进行分析，通过微控制器内的软件完成对电流的计量，反映当前电池容量状态；并根据采集的电池电压及电流，控制模拟前端模块实现对电池的充放电控制，以实现过流/过压、短路保护；\n[0046] 电流分段检测电路：完成对电池充放电电流的信号采集。\n[0047] 其中的电流分段检测电路，结合电流模和电压模的工作方式，微弱电流采用电流模的采集方式，大电流采用电压模的采集方式工作。\n[0048] 电流分段检测电路，微弱电流采用电流分段检测的方式工作；而对于大电流，采用模数转换器将电流转换到电压进行模数转换得到数据量。\n[0049] 电流分段检测电路，微弱电流采用电流比较器完成分段电流的数据采集。\n[0050] 电流分段检测电路，电流分段检测得到的数据与模数转换得到的数据作为电池电流采集数据一同送与微控制器。\n[0051] 基于电流分段检测技术的锂电池/电池组计量和保护方法电路，可适用于含有锂电池组的笔记本计算机，可对锂电池/电池组的充放电电流进行计量和监控，并且检测锂电池/电池组的电压/电流，实现过流/过压、短路保护。\n[0052] 本发明针对上述情况，提供了一种电流分段检测的技术，采用电流模及电压模组合的方式，以提高锂电池/电池组200充放电电流的检测动态范围和检测精度。基于电流分段检测的锂电池/电池组计量及保护的电路结构见图2。\n[0053] 本发明的主要目的是解决上述传统技术中电压信号检测的不精确性，在检测小电流信号时采用电流模方式，提高检测精度。\n[0054] 本发明的另一主要目的是解决上述传统技术中检测信号的大动态范围要求，采用分段检测方式，这样就降低的对检测电路动态范围要求，同时也提高了检测精度以及系统的可靠性。\n[0055] 为了实现上述目的，微弱电流采用电流分段检测的方式，同时采用电流比较的方式得出测量结果，见图2中243；而对于大电流，采用模数转换器将电流转换到电压进行模数转换得到数据量，见图2中242。由上述两部分得到的数据作为电池电流采集数据一同送与微控制器。\n[0056] 电池组200是本发明所计量和保护的对象。其可由单节或多节串联或并联组成。\n[0057] 图3显示的是这种电流分段检测技术的实例结构。对于毫安(mA)量级的电流采用电流模的工作方式，由电流比较器分别进行电流比较，例如±100mA、±50mA、±25mA、±10mA、±5mA及±1mA分段，见图3中243，结果保存到电流比较寄存器中。而对于mA量级以上的电流，电流流经灵敏电阻时，使端电压发生变化，而这个电压进行电平移位并被放大，并由模数转换器(ADC)转换为相应的数字量，保存到ADC的结果寄存器中，见图3中\n242。电流分段电路工作在两种工作模式下：\n[0058] ●电流比较器探测模式\n[0059] 对于毫安(mA)量级的电流探测采用分段电流比较器的形式完成。例如±100mA、±50mA、±25mA、±10mA、±5mA及±1mA分段。从以上各分段电流中采用电流镜电路，分出\n1％的电流(甚至可以更小，比如0.1％)，然后采用电流模比较器进行比较得出结果，然后存入结果寄存器中。可见，采用电流模的方式，可以提高测量精度，因为0.01mA(1mA的1％)的量值对于电流量来说不是一个很小的量。为了避免电流比较器的工作对ADC探测所带来的不准确性，当电流大于100mA时，电流比较器模块停止工作，同时，启动ADC工作。\n[0060] ●ADC电流探测模式\n[0061] 敏感电阻上的电压降经ADC转换得到的数字量表征当前流的电流值。通过判断数字量的大小(或电阻上的电压极性)可以得知当前是充电状态还是放电状态，然后将ADC输出的数字量保存到结果寄存器中，并产生中断，由中央处理单元(CPU)响应。在一段的电流探测积分期间，进行n次采样，然后完成电流的累加及平均值的计算。电流的累加及平均值的计算可由硬件完成，也可由软件完成。当电流小于100mA时，由软件或硬件关闭ADC，使ADC处于停止模式，以便降低功耗。\n[0062] 这样，通过以上技术，在这个实例中，最小可检测的电流为为1mA。假如用的灵敏电阻为10mΩ，需要监测的最大电流为10A，则电压模需要检测范围为1mV～100mV，需要检测的电压值最小也有1mV，动态范围也仅为100倍，8位(7位有效精度)ADC便已足够。\n[0063] 图2及图3中的各电路模块均可芯片内部实现或外部实现。\n[0064] 虽然以上已经结合实例对本发明进行了描述，但是并非用以限定本发明，本发明的保护范围以权力要求所限定的范围为准。任何他人所完成的技术实体或方法，若是与权力要求书所界定的范围相同、或为一种等效变更，均将被视为涵盖于本专利的保护范围中。