CN112838651A - 一种放电管安全保护系统、方法以及电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放电管安全保护系统、方法以及电池管理系统，应用于电池管理芯片，该管理系统相比于传统管理系统增加了充电器检测电路以及电流采样电路，确保电池组过放后，充电器接入并产生充电电流时立即打开放电管NM1，让充电电流通过完全导通的充电管NM2和放电管NM1，防止放电管NM1烧坏的情况发生。

Description

一种放电管安全保护系统、方法以及电池管理系统

技术领域

本发明属于电池保护技术领域，具体涉及一种放电管安全保护系统、方法以及电池管理系统。

背景技术

随着各种智能设备以及新能源动力车辆的发展，锂动力电池得到了非常成熟的发展与应用，多节锂电池通过串联构成不同电压、不同容量的电池组可以为大功耗用电设备供电。

同时随着电池容量加大，充电技术也在升级，大电流充电早已普及，尤其是应用于储备设备中，充电电流大于放电电流，这时需要更加安全的电池管理系统。

目前，在电池组正常放电时，当电池组其中一节电池放电或者多节电池到过放阈值以后放电管NM1会关闭，触发过放保护，使整个电池组停止放电，防止电池组的电量过度消耗。这时需要接入充电器给电池组充电，重新给电池组补充电量，充电电流从P+即充电器正极开始经过电池组VCn～VC1，再经过采样电阻RCS，再由放电管NM1的体二极管以及完全导通的充电管NM2流回到P-即充电器的负极。但此时放电管NM1已经关闭，只能通过放电管NM1的体二极管进行充电，此刻放电管NM1的阻抗很大，当充电电流较大时，放电管NM1会严重发热导致温度急剧上升，很容易造成放电管NM1烧坏的情况发生，对电池组和充电器造成严重损伤。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种放电管安全保护系统、方法以及电池管理系统，以解决现有技术中过放后接入充电器后放电管发热严重，最终放电管烧毁的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种放电管安全保护系统，包括充电器检测电路、电流采样电路和逻辑处理电路，所述充电器检测电路用于产生充电器接入信号，当接入充电器时，充电器检测电路检测充电器接入时产生充电器接入信号；电流采样电路用于检测充电器接入出现充电电流时产生充电电流接入信号；所述逻辑处理电路用于接收充电器接入信号以及充电电流接入信号，使所述的放电管使能信号使能用于控制放电管NM1开启。

进一步的，还包括充电管驱动和放电管驱动，所述放电管驱动用于接收放电管使能信号并控制放电管NM1开启和关闭，所述充电管驱动用于接收充电管使能信号并控制充电管NM2开启和关闭。

进一步的，所述逻辑处理电路14用于接收电池组的过放信号，并根据过放信号产生放电管使能信号以及充电管使能信号。

进一步的，还包括电池电压采样电路、过放比较器和基准电路，其中：

所述电池电压采样电路连接有电池，所述电池电压采样电路用于采集电池的信号并将采样信号连接至过放比较器的输入端；所述基准电路用于为过放比较器和电流采样电路提供基准信号；所述过放比较器用于将接收到的采样信号和基准电压比较，并输出对应的过放信号连接至逻辑处理电路的输入端。

进一步的，所述电池组为多个串联的电池，电池组过放为电池组中至少一节电池存在过放。

进一步的，所述放电管驱动包括反相器U101和电平转换模块LV2HV，所述反相器U101的输入端用于连接逻辑处理电路输出的放电管使能信号DFEN和所述电平转换模块LV2HV的输入端；所述电平转换模块LV2HV的输出端连接PMOS管PM101的栅极，所述反相器U101的输出端连接NMOS管NM101的栅极，所述PMOS管PM101漏极与NMOS管NM101的漏极对接且连接DHC引脚，所述NMOS管NM101的源极接地。

进一步的，当电池组存在过放时，充电器接入信号以及充电电流接入信号均为是则放电管NM1打开，否则放电管NM1关闭。

作为本发明的另一目的，本发明提出了一种放电管安全保护方法，包括以下步骤，首先进行电池组电压采样，判断电池组一节或者多节是否存在过放；

当电池组一节或者多节存在过放情况时，判断充电器是否接入以及是否有充电电流，当充电器没有接入或者没有充电电流，则放电管NM1关闭，然后继续进行电池组电压采样；当充电器有接入并且有充电电流，则放电管NM1打开，然后继续进行电池组电压采样；

当电池组一节或者多节不存在过放情况时，放电管NM1打开，然后继续进行电池组电压采样。

进一步的，通过电池电压采样电路进行电池组电压采样产生多个采样信号；采样信号与基准电路产生的基准连接至过放比较器，通过采样信号和基准电压的比较输出对应的过放信号；所述的过放信号连接至逻辑处理电路输出放电管使能信号以及充电管使能信号；所述的放电管使能信号连接放电管驱动用于控制放电管开启和关闭；所述的充电管使能信号连接充电管驱动用于控制充电管开启和关闭；

当电池组发生过放保护后，所述的过放信号经过逻辑处理电路使所述的放电管使能信号不使能，所述的放电管使能信号连接放电管驱动用于控制放电管NM1关闭；

当电池组发生过放保护后，接入充电器，充电器检测电路检测充电器接入时产生充电器接入信号，电流采样电路检测充电器接入出现充电电流时产生充电电流接入信号；所述的充电器接入信号以及充电电流接入信号连接至逻辑处理电路使所述的放电管使能信号使能；所述的放电管使能信号连接放电管驱动用于控制放电管开启。

进一步的，当电池组发生过放保护接入充电器后，又拔掉充电器时，充电器检测电路使输出的充电器接入信号不使能，电流采样电路使输出的充电电流接入信号不使能；所述的充电器接入信号以及充电电流接入信号连接至逻辑处理电路使所述的放电管使能信号状态由所述的过放信号控制；所述的过放信号经过逻辑处理电路使所述的放电管使能信号不使能；所述的放电管使能信号连接放电管驱动用于控制放电管NM1关闭。

作为本发明的又一目的，本发明提出了上述放电管安全保护系统在电池管理系统中的应用。

本发明提供的电池管理系统，在放电管关闭后接入充电器，充电器检测电路检测到充电器接入输出充电器接入信号送入逻辑处理电路，同时电流采样电路与基准产生的基准电压比较输出充电电流接入信号也送入逻辑处理电路改变所述的放电管使能信号状态，用于放电管驱动强制拉高放电管栅极使其再次打开，降低充电路径阻抗；当充电器断开后，所述的充电器接入信号以及充电电流接入信号状态改变；其中所述的充电器接入信号以及充电电流接入信号经过逻辑处理电路输出所述的放电管使能信号，用于放电管驱动取消强制拉高放电管栅极；与现有技术相比，本发明提出的电池管理系统，在电池组过放后，充电器接入并产生充电电流时立即打开放电管NM1，让充电电流通过完全导通的充电管NM2和放电管NM1，防止放电管NM1烧坏的情况发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，并非意指本发明限定于这些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，都属于本发明精神和范围所定义的各种可选项、可修改项和等同项。

图1是本发明放电管安全保护电路系统框图以及完整实施例；

图2是本发明中电池过放保护原理的示意图；

图3是本发明中放电管驱动的具体实施例；

图4是本发明中充电管驱动的具体实施例；

图5是本发明中充电器检测电路以及电流采样电路的具体实施例；

图6是本发明中逻辑处理电路有关放电管使能信号处理的具体实施例；

图7是本发明的一个实施例的放电管安全保护电路系统的示例性方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，在以下对本发明的详细描述中，提供本发明的大量具体细节，对于本领域普通技术人员来讲，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。另外，对于大家熟知的方案、流程、元件以及电路未作详细描述，旨在于突出本发明的思想。

如图7所示，图7是本发明的一个实施例的放电管安全保护电路系统的示例性方法流程图，放电管安全保护电路系统工作后，首先进行电池组电压采样，判断电池组一节或者多节是否存在过放，若存在过放，再判断充电器是否接入同时是否有充电电流，若充电器没有接入，放电管NM1关闭，然后返回继续进行电池组电压采样；若充电器有接入同时有充电电流，放电管NM1打开，然后返回继续进行电池组电压采样；若不存在过放，放电管NM1打开，然后返回继续进行电池组电压采样。以此往复，实现在电池组过放后，接入充电器大电流充电情况下，打开放电管NM1，让充电电流通过完全导通的充电管NM2和放电管NM1，防止放电管NM1烧坏的情况发生。

本发明提供了一个放电管安全保护电路系统，如图1所示，包括电池电压采样电路11、过放比较器12、基准电路13、逻辑处理电路14、充电器检测电路15、充电管驱动16、放电管驱动17以及电流采样电路18。

电池电压采样电路11连接多个串联电池VC1～VCn产生多个采样信号与基准电路13产生的基准电压同时送入过放比较器12比较输出过放信号UVP，过放信号UVP为高电平时经过逻辑处理电路14使放电管使能信号DFEN变为低电平，通过使放电管驱动17输出低电平拉低放电管NM1栅极使放电管NM1关闭，切断放电通路；放电管NM1关闭后P+与P-之间接入充电器，充电器检测电路15检测到充电器接入输出充电器接入信号CHAIN送入逻辑处理电路14中，同时电流采样电路18与基准电路13产生的基准电压比较输出充电电流接入信号ICHA也送入逻辑处理电路14使放电管使能信号DFEN重新变为高电平，通过放电管驱动17强制拉高放电管NM1栅极使放电管NM1再次打开，降低充电路径阻抗；当连接在P+与P-之间的充电器断开后，充电器接入信号CHAIN以及充电电流接入信号ICHA变为低电平，经过逻辑处理电路14输出放电管使能信号DFEN，放电管驱动17取消强制拉高放电管NM1栅极。

图2是本发明的一个电池过放保护原理的示意图，电池电压采样电路11连接多个串联电池VC1～VCn实时产生多个采样信号，与基准电路13产生的基准电压同时送入过放比较器12比较输出过放信号UVP。当串联电池VC1～VCn中其中一节或者多节电池电压低于所设置的过放保护阈值时，过放信号UVP将变为高电平，经过逻辑处理电路14后产生放电管使能信号DFEN，最终通过放电管驱动17的输出DHC变为低电平，根据图1可知，放电管NM1栅极被拉低，从而关闭放电管NM1，进一步放电通路断开，电池组停止放电。

图3是本发明中放电管驱动的具体实施例，放电管驱动(17)包括反相器U101和电平转换模块LV2HV，反相器U101的输入端用于连接逻辑处理电路(14)输出的放电管使能信号DFEN和电平转换模块LV2HV的输入端；电平转换模块LV2HV的输出端连接PMOS管PM101的栅极，反相器U101的输出端连接NMOS管NM101的栅极，PMOS管PM101漏极与NMOS管NM101的漏极对接且连接DHC引脚，NMOS管NM101的源极接地。

图3中，逻辑处理电路14输出的放电管使能信号DFEN连接着放电管驱动17的一个反相器U101和电平转换模块LV2HV。当放电管使能信号DFEN为高电平时，NM101的栅极变为低电平，使NM101关闭，此时PM101的栅极被拉低，使PM101打开，这时DHC引脚变为高电平VDD1，根据图1可知，此时放电管NM1打开；当放电管使能信号DFEN为低电平时，NM101的栅极变为高电平，使NM101打开，此时PM101的栅极被拉高，使PM101关闭，这时DHC引脚变为低电平，根据图1可知，此时使放电管NM1关闭。

图4是本发明中充电管驱动的具体实施例，逻辑处理电路14输出的充电管使能信号CFEN连接着充电管驱动16的NM201的栅极。当充电管使能信号CFEN为高电平时，NM201打开，此时电流I201通过PM201和PM202组成的电流镜，在PM202上产生于电流I201成正比关系K₁倍的电流I202从CHC引脚流出，根据图1可知，此时在充电管NM2的栅源之间的电阻RCHC会产生压降，使充电管NM2打开；当充电管使能信号CFEN为低电平时，NM201关断，此时PM202的电流I202变为0，根据图1可知，这时电阻RCHC压降变为0，进而使充电管NM2的栅源电压变为0，最终使充电管NM2关闭。电流I201和I202的关系如下：

根据图1可知当发生过放后，放电管NM1关闭，充电管NM2一直打开，CHC引脚流出电流无法通过放电管NM1流回到地，所以P-电压会慢慢上升接近P+，此时当在P+和P-之间接入充电器，由于充电器电压大于过放的电池组总电压，且充电器的正极与电池组的正极都连接在P+上，所以P-电压在接入后出现负压。同时充电电流从P+即充电器正极开始经过电池组VCn～VC1，再经过采样电阻RCS，再由放电管NM1的体二极管以及完全导通的充电管NM2流回到P-即充电器的负极，所以在采样电阻RCS产生电压，此时VCS引脚电压比地的电压低为一个负电压。

图5是本发明中充电器检测电路以及电流采样电路的具体实施例，根据上述发生过放后接入充电器分析可知，过放后充电器接入时，VMON引脚和VCS引脚会出现负压。充电器检测电路15用于检测过放后充电器接入时VMON引脚出现的负压。充电器检测电路15中PM301、PM302和PM303组成电流镜结构，PM301、PM302和PM303流过的电流I301、I302和I303成正比关系K₂，具体关系如下：

I₃₀₃＝I₃₀₂ (3)

NM302的栅极接在A301上，比NM301的栅极电压低I302×R301，NM302的源极连接VMON引脚，根据电路原理，当VMON引脚电压比地低于I302×R301时，NM302的漏极A302被拉低，经过反相器U301输出充电器接入信号CHAIN变为高电平；当VMON引脚电压比-I302×R301高时，NM302的漏极A302被PM303拉高，经过反相器U301输出充电器接入信号CHAIN变为低电平。通过调节电流I302和电阻R301可以设定VMON的检测电压点。

电流采样电路18用于检测过放后充电器接入时充电电流在VCS引脚出现的负压。基准电路13输出基准电压VR_CHA连接到电流采样电路18中运放OP301的正向端，运放OP301和NM303构成电压跟随器，使得NM303的源极A303电压与VR_CHA相等。电阻R302和R303在A303与VCS之间构成分压电压，其中A304连接到运放OP302的反向输入端，正向输入端接地，当A304电压比地低时，运放OP302输出充电电流接入信号ICHA变为高电平。A304电压公式如下：

当A304≤0时，根据上面公式可得

时，即此时充电电流大于

充电电流接入信号ICHA变为高电平。通过调节电阻R302、电阻R303以及基准电压VR_CHA可以设定VCS的检测电压点。

图6是本发明中逻辑处理电路有关放电管使能信号处理的具体实施例，过放比较器12输出过放信号UVP、充电器检测电路15输出充电器接入信号CHAIN以及电流采样电路18输出的充电电流接入信号ICHA送入到逻辑处理电路14输出放电管使能信号DFEN，再送入放电管驱动17中。当没有发生过放时，过放信号UVP、充电器接入信号CHAIN以及充电电流接入信号ICHA为低电平，此时D触发器U401的清零端R被过放信号UVP控制，D触发器U401清零有效，屏蔽充电器接入信号CHAIN，D触发器U401输出Q为低电平，经过与门U402输出A401为低电平，而过放信号UVP通过反相器U403和或门U404使输出的放电管使能信号DFEN变为高电平，根据图3和图1可知，此时放电管使能信号DFEN控制放电管驱动17输出DHC引脚为高电平VDD1，放电管NM1打开；当发生过放没有充电器接入时，过放信号UVP为高电平，充电器接入信号CHAIN以及充电电流接入信号ICHA为低电平，此时与门U402输出A401为低电平，过放信号UVP通过反相器U403和或门U404使输出的放电管使能信号DFEN变为低电平，根据图3和图1可知，此时放电管使能信号DFEN控制放电管驱动17输出DHC引脚为低电平，放电管NM1关闭；当发生过放接入充电器接入时，过放信号UVP为高电平，充电器接入信号CHAIN出现高脉冲，经过D触发器U401输出Q为高电平，同时充电电流接入信号ICHA为高电平，通过与门U402和或门U404使输出得放电管使能信号DFEN变为高电平，根据图3和图1可知，此时放电管使能信号DFEN控制放电管驱动17输出DHC引脚为高电平VDD1，放电管NM1打开；当发生过放接入充电器接入又拔掉后时，过放信号UVP为高电平，充电器接入信号CHAIN变为低电平，同时充电电流接入信号ICHA变为低电平，通过与门U402输出A401变为低电平，过放信号UVP通过反相器U403和或门U404使输出的放电管使能信号DFEN变为低电平，根据图3和图1可知，此时放电管使能信号DFEN控制放电管驱动17输出DHC引脚为低电平，放电管NM1关闭。

以上仅是本发明的最佳实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (10)

1.一种放电管安全保护系统，其特征在于，包括充电器检测电路(15)、电流采样电路(18)和逻辑处理电路(14)，所述充电器检测电路(15)用于产生充电器接入信号，当接入充电器时，充电器检测电路(15)检测充电器接入时产生充电器接入信号；电流采样电路(18)用于检测充电器接入出现充电电流时产生充电电流接入信号；所述逻辑处理电路(14)用于接收充电器接入信号以及充电电流接入信号，使所述的放电管使能信号使能用于控制放电管NM1开启。

2.根据权利要求1所述的一种放电管安全保护系统，其特征在于，还包括充电管驱动(16)和放电管驱动(17)，所述放电管驱动(17)用于接收放电管使能信号并控制放电管NM1开启和关闭，所述充电管驱动(16)用于接收充电管使能信号并控制充电管NM2开启和关闭。

3.根据权利要求2所述的一种放电管安全保护系统，其特征在于，所述逻辑处理电路14用于接收电池组的过放信号，并根据过放信号产生放电管使能信号以及充电管使能信号。

4.根据权利要求3所述的一种放电管安全保护系统，其特征在于，还包括电池电压采样电路(11)、过放比较器(12)和基准电路(13)，其中：

所述电池电压采样电路(11)连接有电池，所述电池电压采样电路(11)用于采集电池的信号并将采样信号连接至过放比较器(12)；所述基准电路(13)用于为过放比较器(12)和电流采样电路(18)提供基准信号；所述过放比较器(12)用于将接收到的采样信号和基准电压比较，并输出对应的过放信号连接至逻辑处理电路(14)的输入端。

5.根据权利要求4所述的一种放电管安全保护系统，其特征在于，所述电池组为多个串联的电池，电池组过放为电池组中至少一节电池存在过放。

6.根据权利要求3所述的一种放电管安全保护系统，其特征在于，当电池组存在过放时，充电器接入信号以及充电电流接入信号均为是则放电管NM1打开，否则放电管NM1关闭。

7.一种放电管安全保护方法，其特征在于，包括以下步骤，首先进行电池组电压采样，判断电池组一节或者多节是否存在过放；

当电池组一节或者多节存在过放情况时，判断充电器是否接入以及是否有充电电流，当充电器没有接入或者没有充电电流，则放电管NM1关闭，然后继续进行电池组电压采样；当充电器有接入并且有充电电流，则放电管NM1打开，然后继续进行电池组电压采样；

当电池组一节或者多节不存在过放情况时，放电管NM1打开，然后继续进行电池组电压采样。

8.根据权利要求7所述的一种放电管安全保护方法，其特征在于，通过电池电压采样电路(11)进行电池组电压采样产生多个采样信号；采样信号与基准电路(13)产生的基准连接至过放比较器(12)，通过采样信号和基准电压的比较输出对应的过放信号；所述的过放信号连接至逻辑处理电路(14输出放电管使能信号以及充电管使能信号；所述的放电管使能信号连接放电管驱动(17)用于控制放电管开启和关闭；所述的充电管使能信号连接充电管驱动(16)用于控制充电管开启和关闭；

当电池组发生过放保护后，所述的过放信号经过逻辑处理电路(14)使所述的放电管使能信号不使能，所述的放电管使能信号连接放电管驱动(17)用于控制放电管NM1关闭；

当电池组发生过放保护后，接入充电器，充电器检测电路(15)检测充电器接入时产生充电器接入信号，电流采样电路(18)检测充电器接入出现充电电流时产生充电电流接入信号；所述的充电器接入信号以及充电电流接入信号连接至逻辑处理电路(14)使所述的放电管使能信号使能；所述的放电管使能信号连接放电管驱动(17)用于控制放电管开启。

9.根据权利要求8所述的一种放电管安全保护方法，其特征在于，当电池组发生过放保护接入充电器后，又拔掉充电器时，充电器检测电路使输出的充电器接入信号不使能，电流采样电路(18)使输出的充电电流接入信号不使能；所述的充电器接入信号以及充电电流接入信号连接至逻辑处理电路(14)使所述的放电管使能信号状态由所述的过放信号控制；所述的过放信号经过逻辑处理电路(14)使所述的放电管使能信号不使能；所述的放电管使能信号连接放电管驱动(17)用于控制放电管NM1关闭。

10.如权利要求1-6任一项所述的放电管安全保护系统在电池管理系统中的应用。

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