一种电池保护电路的制作方法

1.本专利设计电池保护技术，特别是用于手机、无人机、机器人等消费电子产品中的两串一并电池(2s1p)电池的充电架构以及电池保护方案。


背景技术：

2.限功率电源(lps，limited power source)是iec60950-1等安全标准中，对于电源安全的一个要求，符合lps标准的电源的设计应当符合最大允许输出电压、输出电流和输出功率的标准。业内公认，能作为合格lps的电源都不会引起触电或火灾，因为它们向负载输送的输出电流和电压均有限制。
3.目前电池串联(2s1p)方案中，市场上还没有可满足lps(limited power source)方案的设计，因此电池无法通过相关电池验证。当电池一次保护失效时，电池无法过流保护，带来相关电池安全隐患。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中二级电池保护电路不能很好保护电池安全的技术问题，本发明提出了一种能够满足lps全方面要求的一种电池保护电路。
5.在一个方案中，电池保护电路包括二级保护电路，其中，二级保护电路一端与电芯连接；二级保护电路包括二级保护集成电路、以及二级检流元件，所述二级保护集成电路利用所述二级检流元件对流经电芯的电流进行监测，并根据监测结果控制二级保护元件启动电路保护。
6.在进一步的方案中，电芯为第一电芯与第二电芯串联构成的电芯。
7.在进一步的方案中，还包括电池保护逻辑电路，用于在电压或电流超标时，启动电路保护。在进一步的方案中，所述二级检流元件为电阻元件，二级保护集成电路中的检流电阻正极端口、以及检流电阻负极端口分别连接二级检流元件的两端，以检测二级检流元件两端的电压差；二级保护集成电路包括过流比较电路，用于在所述电压差信号大于阈值时输出过流保护信号。
8.在进一步的方案中，所述二级保护集成电路包括公共端端口、第一电芯电压检测端口、第二电芯电压检测端口；所述二级保护集成电路通过公共端端口连接第一电芯的第一端，并通过第一电芯电压检测端口连接第一电芯的第二端，第二电芯电压检测端口连接第二电芯的第二端；二级保护集成电路通过第一电芯电压检测端口以及第二电芯电压检测端口获取第一电芯电压以及第二电芯电压的最大值信号，二级保护集成电路还包括过压比较电路，用于在所述最大值大于过压阈值时输出过压保护信号。
9.在进一步的方案中，二级保护集成电路获取第一电芯的电压以及第二电芯的电压的最小值信号，二级保护集成电路还包括欠压比较电路，用于在该最小值低于欠压阈值时，输出欠压保护信号。
10.在进一步的方案中，二级保护集成电路包括充放电状态判断器、充电过流比较器
及放电过流比较器，充放电状态判断器接收检流电阻两端的电压信号，并根据所述检流电阻两端的电压差的正负极性来判断充电、放电状态，并输出电压极性信号，在所述充放电状态判断器根据所述电压差信号判断为充电状态时，充电过流比较器将检流电阻两端的电压差与充电过流保护阈值进行比较，以输出充电过流保护信号，启动电路保护；在所述充放电状态判断器根据所述电压差信号判断为放电状态时，放电过流比较器将检流电阻两端的电压差分别与放电过流保护阈值进行比较，以放电过流保护输出信号，启动电路保护。
11.在进一步的方案中，二级保护集成电路中包括短路保护电路，短路保护电路用于在检流电阻两端的电压差大于短路保护阈值时，输出短路保护信号启动电路保护。
12.在进一步的方案中，该电池保护电路还包括一级保护电路，一级保护电路一端与二级保护电路连接，另一端与电能输入输出端连接，一级保护电路包括电量计集成电路、一级检流电阻、与电芯串联的一级保护元件，一级保护电路具有过压保护功能和/或过流保护功能。
13.在进一步的方案中，一级保护元件包括充电开关和放电开关，电量计集成电路通过其检流负极端口及检流正极端口分别连接一级检流电阻的两侧，以检测该电阻两侧的电压差，电量计集成电路包括过流判断电路，该判断电路根据电压差来判断是否发生了过流，并在发生过流情况下，输出控制信号以关断充电开关以及放电开关。
14.有益效果：本发明通过在二级保护电路中增加电流保护功能，使得在一级保护电路失效的情况下，二级保护电路仍然能够实现过压、过流保护功能，保证了电路的安全性。
附图说明
15.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
16.图1为现有2s1p电池的充电架构以及电池保护电路的电路原理图。
17.图2为本发明的一种电池保护电路原理图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
19.本技术中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
20.图1为2s1p电池的充电架构以及电池保护电路的电路原理图。
21.图1所示的电池保护电路中，电池为2s1p两串一并电池，包括串联的两个电芯：第一、二电芯cell1、cell2(22、23)，电池保护电路包括一级保护电路(10)以及二级保护电路(20)三部分。
22.二级保护电路(20)主要由过压保护芯片(21)实现过压保护功能，过压保护芯片
(21)的公共端vss(212)连接第一电芯(23)的负极，端口vc1和vc2分别连接cell1的正极以及cell2的正极，以测量两个电芯cell1、cell2的电压，过压保护芯片(21)的熔断信号输出端out(211))通过控制mos开关(24)的通断来控制保险丝(25)的熔断。从而，在充放电过程中，当电芯cell1、cell2所承受的电压超过阈值时，二级保护电路(20)对电路进行熔断，从而启动电路保护功能，实现对电芯的保护。
23.一级保护电路10主要包括电量计(gauge)芯片(11)，电量计(gauge)芯片(11)通过充电控制端口(115)、放电控制端口(116)来控制充放电mos开关(16)，以实现充电、放电电路的单向导通控制。电量计芯片(11)中检流电阻正极端口(114)以及检流电阻负极端口(113)根据电阻(17)两端的电压来检测电路电流，并可采用二级保护电路(20)类似的方式实现电压的采集，当电量计(gauge)芯片(11)检测到过流和/或过压的情况时，控制充放电mos开关(16)关闭，以保护充电电路。
24.可见，图1中的二级保护电路(20)仅有过压保护功能，不具备过流保护功能。当一级保护电路(10)失效时，二级保护电路不能很好的保护电池安全。无法满足lps对于电压、电流、功率的全方面要求，无法通过电池ul2054中的lps认证。
25.如图2所示，为本发明所涉及的一种满足lps要求的2s1p电池保护电路原理图。其中电池例如可以是两串一并(2s1p)的电池电路，由第一电芯43和第二电芯42串联构成，第一电芯43的一端与电能输入输出端负极p-(33)连接，第一电芯43的另一端与第二电芯42的一端串联连接，第二电芯42的另一端连接至电能输入输出端正极(p )32。电能输入输出端负极(p-)33与输出端正极(p )32分别与负载或充电电路(未示出负载或充电电路)连接，用于在放电状态下向负载输出电能，或者在充电状态下从充电电路获取电能以使得第一电芯43、第二电芯42充电。在一种可选的实施方式中，电池也可以为单电芯或者其他类型的电池电路。
26.图2中，保护电路包括一级保护电路30和二级保护电路40，二级保护电路40一端与第一、第二电芯42、43连接、另一端与一级保护电路30连接，一级保护电路30一端与二级保护电路40连接，另一端与电能输入输出端32、33连接，整个设计实现充电过流、放电过流，过压，欠压，短路等安全保护，并可以满足lps设计。
27.一级保护电路30主要包括电量计(gauge)电路31，二级保护电路40主要包括二级保护集成电路41。
28.一级保护电路30中，电量计集成电路31通过其检流负极端口(crn)313及检流正极端口(crp)314分别连接精密电阻37的两端来感测精密电阻37两侧的电压差，并且进一步根据电压差与精密电阻37的电阻值的比值来计算流过精密电路37的电流。电量计集成电路31还通过电压差的正负极性来检测电路的充电、放电状态。电量计集成电路31通过电量计软件算法实现前述电池一级保护的充电过流保护以及放电过流保护、充放电状态监测功能。另外，电量计集成电路31还可以具有第一、第二电芯电压检测端口(vc1、vc2)317、318，用于实现过压、欠压保护。
29.电量计集成电路31的控制端口311为i2c总线协议的控制总线端口(scl)，电量计集成电路31的端口312为i2c总线协议的数据总线端口(sda)，电量计集成电路31的控制总线端口311连接其他处理器(例如：手机主处理器)的控制总线端口(scl)34，电量计集成电路31的数据总线端口312连接其他处理器(例如：手机主处理器)的数据总线端口(sda)35，
用于与其他处理器进行通信。以实现向主处理器的数据反馈、接受控制、数据显示等功能。
30.一级保护电路通过mos开关36中的充电mos和放电mos实现充电、放电状态的控制，以及并在出现过压、欠压、过流的情况下，通过关断二者来实现一级电池保护功能。
31.一级保护电路对于电池电路的安全保护是临时性的，mos开关的通断受到栅极电压的控制，开关状态是可变化的，并非永久性的断开；另外mos开关属于半导体原件，存在被击穿的可能。因此，一级保护电路会发生失效的情况。
32.二级保护电路30包括二级保护集成电路41、二级保护元件44、45、以及二级检流元件46。二级保护集成电路41利用二级检流元件46对流经电芯42、43的电流进行监测，并根据监测结果控制保护元件44、45启动保护，从而在一级保护电路40失效的情况下，仍然能够实现电芯电路的保护，防止火灾的发生，从而满足lps的安全要求。
33.二级保护集成电路41包括电池保护逻辑电路，用于在电压或电流超标时，启动电路保护；电池保护逻辑电路可以包括过压保护比较电路、欠压比较电路、充放电状态判断器、充电过流比较器、放电过流比较器等的一种或多种的组合。
34.二级保护电路40中，二级保护集成电路41通过公共端(vss)端口412连接第一电芯43的第一端(例如负极)，并通过第一电芯电压检测(vc1)端口413连接第一电芯43的第二端，通过第二电芯电压检测(vc2)端口414连接第二电芯43的第二端。通过第一电芯电压检测(vc1)端口413、第二电芯电压检测vc2端口414，来检测电芯cell1、cell2电压，并根据电芯的cell1、cell2的电压实现过压、欠压保护功能。具体地，在图2实施例中，vc1端口413检测得到的电压为第一电芯43两端的电压，vc2端口检测出的电压为第一电芯43和第二电芯42的串联总电压，通过总电压减去第一电芯43两端的电压，能够得到第二电芯42两端的电压。
35.以下对过压保护进行说明。二级保护第一集成电路包含过压比较电路，二级保护集成电路41在获得第一电芯43、第二电芯42的电压之后，二级保护集成电路41进一步获取第一电芯43电压以及第二电芯42电压的最大值，过压比较电路将该最大值与过压阈值进行比较，以保证任何一个电池没有过压风险。当该最大值超过过压阈值时，过压比较电路输出过压保护信号，通过二级保护集成电路41的熔断信号输出端411控制熔断mos开关44导通，以使得二级保护元件45(例如：保险丝)起作用。一次电路保护失效后，二次采用保险丝(fuse)保护，电池永久失效，保证电池安全。
36.以下对欠压保护进行说明。二级保护第一集成电路61包含第一欠压比较电路，二级保护集成电路41在获得第一电芯43、第二电芯42的电压之后，进一步获取第一电芯43电压以及第二电芯42电压的最小值，第一欠压比较电路将该最小值与欠压阈值进行比较，保证任何一个电池没有欠压的风险。当当该最小值低于欠压阈值而判断欠压发生时，第一欠压比较电路输出欠压保护信号，通过二级保护集成电路41的通信端口(未示出)向设备发出关机指令等欠压保护信号，防止电池进一步耗电，导致电池发生永久性损坏。
37.二级保护电路40中的二级检流元件46优选为精密的检流电阻，二级保护集成电路41中的检流电阻正极端口(crp)415、以及检流电阻负极端口(crn)416分别连接检流电阻46的两端，以检测检流电阻46两端的电压差。
38.以下对过流保护进行说明。二级保护集成电路41利用比较器比较检流电阻46两端的电压差，检测是否超过设置的过流阈值，进而判断是否发生保护，同时，二级保护第一集
成电路61包括充放电状态判断器，能够通过压差的正负极性以判断充电、放电状态，并输出电压极性信号，从而实现电池二级保护充电过流保护、放电过流保护以及短路保护。
39.具体地，二级保护集成电路41中包括存储器，存储有充电过流保护阈值vth1、放电过流保护阈值vth2以及短路保护阈值vth3，在充放电状态判断器判断充电、放电状态之后，通过将检流电阻46两端的电压差分别与充电过流保护、放电过流保护以及短路保护的阈值vth1、vth2、vth3比较，以判断是否发生充电过流、放电过流或短路，并相应地输出充电过流保护信号、放电过流保护信号或者短路保护信号以启动电路保护。由于分别为充电、放电状态单独设置了过流阈值，使得充电、放电的过流阈值可以设置为不同、并且可被独立地设置，实现电池的充电过流保护、放电过流保护的独立保护。在上面的实施例中，阈值为电压值阈值，在另一个实施例中，过流、短路保护阈值可以采用电流值阈值。
40.由于在二级保护电路中设置了充电过流、放电过流保护、以及短路保护，从而使得二级保护中具有了充电过流、放电过流，过压，欠压，短路等多重电池安全保护，能够全方位提高电路安全性，从而能够通过电池ul2054标准中的lps认证。
41.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如在上述保护电路中设置其他的辅助功能电路，例如滤波电路、偏置电路、数据通信电路等。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案，例如本发明中的电池不限于两串一并电池，本领域技术人员可以基于该方案，对多个电芯串联的电池进行保护电路设计。本发明中的各集成电路可采用fpga、dsp、定制芯片等方式来实现。