专利名称：一种多节串联锂离子电池包的管理模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多节串联锂离子电池包，具体地说是一种多节串联锂 离子电池包的管理模块。
背景技术：
近年来，随着便携式应用的越来越广泛，各种便携式电子产品也不断 问世，这些都促进了电池技术的更新换代。在各种可充电电池中，锂离子 电池由于其具有高电压、无记忆效应、高能量密度、低自放电率、无污染 等一系列卓越性能，迅速成为市场中的主流电池产品。虽然锂离子电池具 有上述诸多优点，但它必须防止过充电、过放电和短路。过充电、过放电 或短路状态，都能因电解液分解而导致特性恶化，可能使电池起火甚至爆 炸。因此在实际应用中，锂离子电池必须要配合专用的管理保护芯片方能 使用。
现有的锂离子电池包管理芯片是对多节锂离子的充放电共同进行管 理，由于锂离子电池包整体电压高至几十伏，因此现有的锂离子电池包管 理芯片都是用昂贵的高压工艺实现，制作成本较高。
发明内容
本发明提供一种多节串联锂离子电池包的管理模块，通过标准CMOS 工艺即可制作能保护几十伏的锂离子电池包的管理系统，从而大大降低了 制造成本。
本发明的多节串联锂离子电池包的管理模块，包括与锂离子电池一 一 对应的多个子管理芯片和一个控制子管理芯片及控制充放电的母管理芯 片。每个子管理芯片包括下传多个并行数字信号的下传模块和上传多个并 行数字信号的上传模块，并行数字信号在多个子管理芯片间依次传递；母管理芯片的上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传 模块连接，母管理芯片的下传接口与信号下行传递路径的最后一个子管理 芯片的下传模块连接。
作为上述技术方案的进一步改进，每个子管理芯片还包括一个均流模 块，均流模块设有用于衡量所在锂电池电压的多个基准电压，各个基准电 压通过选择开关发送到比较器的 一输入端，比较器的另 一输入端接收锂电
池电压，将锂电池电压与基准电压依次比较后输出；RS触发器接收比较器 的输出信号与母管理芯片的清旁路信号，向所在锂电池的旁路开关发送控 制信号，同时通过下传模块发送该锂电池电压达到基准电压的状态信号。
上述的基准电压有VrefO, Vrefl， Vref2和Vref3,初始基准电压为 VrefO,比较器正相输入端接收基准电压，比较器负相输入端接收锂电池 电压；比较器的输出端连接RS触发器的S端，触发器的输出Q端向旁路 开关发送截止或导通的控制信号，在锂电池电压达到基准电压时，旁路开 关就导通；旁路开关与一旁路电阻连接锂电池的正极；RS触发器的Q非输 出端输出所述的状态信号，该状态信号发送到所在子管理芯片的下传模块 的输入端；所述的清旁路信号控制RS触发器向旁路开关发送截止控制信 号，然后输入比较器的比较基准上升。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的下传模块由多个下传1位数 字信号的下传子模块组成，下传子模块包括一个接收下行传递路径中前一 个子管理芯片的下传信号的下传输入端和一个向下行传递路径中下一个 子管理芯片发送下传信号的下传输出端；所述的上传^t块由多个上传l位 数字信号的上传子模块组成，上传子模块包括一个接收上传传递路径中前 一个子管理芯片的上传信号的上传输入端和一个向上行传递路径中下一 个子管理芯片发送上传信号的上传输出端；下行传递路径中的最后一个子 管理芯片将下传输出端连接母管理芯片的下传接口 ，上行传递路径中的第 一个子管理芯片的上传输入端连接母管理芯片的上传"l妄口 。
在上述技术方案中，子管理芯片上还可集成有保护所对应锂电池的充 电保护模块。在上述技术方案中，子管理芯片上还可集成有保护所对应锂电池的放 电保护模块。
本发明的优点是
1、 由于采用子管理芯片对对应的锂电池进行管理，避免了现有技术 中的管理芯片需要耐几十伏高压的缺点，本发明管理模块中的每块芯片都 由便宜的5V单阱标准工艺实现，大大降低了制作成本；
2、 本发明可应用于不同电池节数的电池包，电池包中有几节电池， 就使用几节子管理芯片，应用范围广，扩展设计性能好；
3、 电池包中的每节电池充放电速率都不一致，若不采用特别措施， 会导致电池电压差异过大而整个电池包不能再使用。本发明采用了均流的 方式，减小充电速率快的电池的充电电流，减小电池间的差异，增长了电 池包寿命。
图l是多节串联锂离子电池包的管理模块的结构框图2是子管理芯片的结构框图3是下传子模块的电路结构示意图4是上传子模块的电路结构示意图5是均流模块的电路结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本实施例的N节串耳关锂电池的管理芯片组由一个母管理 芯片l和若干子管理芯片组成。每节锂电池对应一个子管理芯片，并为其 供电。电池包中电池从下至上依次命名为VB1, VB2，…，VBi，…，VBn, 对应的子管理芯片也依次命名为SMC1， SMC2，…，SMCi，…，SMCn。每节 锂电池的正极都是对应子管理芯片的电源VDD,电池负极是地GND。子管 理芯片SMCi监视对应的第i节锂电池VBi，获取其状态信息，并与相邻的 子管理芯片SMC ( i-1 ) 、 SMC ( i+l)通讯，传递锂电池的状态信息及获取
6来自母管理芯片1的命令。母管理芯片l控制子管理芯片的工作并控制充
;改电回路。
所述的母管理芯片1包括上传接口、下传接口、放电管理模块和充电 管理模块。上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片SMC1的 上传模块连接，母管理芯片1的下传接口与信号下行传递路径的最后一个 子管理芯片SMC1的下传模块连接。放电管理模块通过端口连上或切断负 载，控制放电回路。充电管理模块通过端口与充电器通讯，控制充电回路。
锂电池的状态信息包括充电过压、放电欠压、充电过温、；改电过温等 等；母管理芯片发出的命令包括休眠命令、充放电模式选择命令等等。电 池的状态信息通过子管理芯片中的下传模块2， 一级一级向下传递，直至 传到最下面一节锂电池对应的子管理芯片SMC1，再由SMC1将收集到的锂 电池状态信息传递给母管理芯片1。来自母管理芯片l的命令，通过子管 理芯片中的上传模块3，经过SMC1， 一级一级向上传到各级子管理芯片， 直到SMCn。 SMCi中的下传模块2，其下传输入端口与上一节电池的子管理 芯片SMC (i+l)中的下传模块的下传输出端口相连；SMCi中的下传模块， 其下传输出端口与下一节电池的子管理芯片SMC( i-l )中的下传模块的输 入端口相连。最上面一节锂电池VBn的子管理芯片SMCn的下传输入端口 接在锂电池的正极VDD上。
第i个子管理芯片SMCi的下传输入端口接收的逻辑代表了以上各节 电池的状态，子管理芯片SMCi的下传输出端口传递的逻辑代表了以上各 节和本节电池VBi的状态。子管理芯片SMCi中的上传模块3,其上传输出 端口与上一节锂电池的子管理芯片SMC( i+l )中的上传模块3的上传输入 端口相连；子管理芯片SMCi中的上传模块3，其上传输入端口与下一节电 池VB (i-l)的子管理芯片SMC (i-l)中的上传模块3的输出端口相连。
锂电池的每个状态信息可通过1位数字信号来表征，有多个状态信息 需要传递时，在下传模块2中可使用多个下传子模块。
如图2所示的子管理芯片，由下传信号模块2，上传信号模块3，均 流模块4，充电保护模块5和放电保护模块6组成。充电保护模块5和放 电保护模块6获得的电池信息分别传给1个下传子模块，由下传子模块的下传输出端口传递下去。每个下传子模块和每个上传子模块均只传递一位 数字信号，多个下传子模块或多个上传子模块之间的数字信号都是并行传 递。因此，有多少种电池的状态信息需要传递，子管理芯片中就应含有多
少个下传子模块；同理，母管理芯片有多少个命令需要传递，子管理芯片 中就应含有多少个上传子模块。各个子管理芯片均外接一旁路电阻7，用 于在必要时分流该节电池的充电电流。旁路电阻7的一端与该节电池的正 端相连，另一端与均流模块4的旁路开关相连。旁路开关由均流模块4控 制。
如图3所示的是下传子模块的电路结构。下传输入端口 8接收的逻辑 信号代表了本节以上(不包括本节)各节锂电池的状态，下传输出端口 9 发送的逻辑信号代表了以上各节和本节锂电池的状态。
子管理芯片中的下传子模块的输入端口 8上的电压，相对于对应电池 的负极，亦是相对于该节子管理芯片的地来讲，只可能是VDD+2VD或者是 VDD，其中VDD是该节锂电池的电压，VD是二极管的正向导通电压。将 VDD+2VD作为逻辑1， VDD作为逻辑O。下传输入端口 8的电压被电阻10 和电阻ll均分，并将均分的电压与(VDD+VD)/2比4交。(VDD+VD)/2是由电 阻12,电阻13和二极管14串联的支路得到。比较器15的结果显示从上 一节传递下来的信号的逻辑。比较器15的输出端和代表本节电池状态的 信号输入端16连接一个或非门17，得到的逻辑信号来控制下传输出端9 处的NM0S开关管25。电阻18和二极管19， 二极管20串联的支路，同NM0S 开关管25—起，产生输出信号。电阻18的一端接锂电池正极VDD,另一 端接下传输出端9， 二极管19的正极接下传输出端9， 二极管20的负极 接地。NMOS开关管25的漏极连到下传输出端上，源极接地。母管理芯片 1中只需要用一个电阻代替普通反相器中的PMOS管的反相器，就可将子管 理芯片SMC1传给母管理芯片1的电平转为数字电路能用的逻辑电平。
如图4所示的是上传子模块的电路结构。上传子模块中，锂电池正极 VDD和上传输入端21之间接入一个电阻22; 上传输入端21和地GND之 间接入两个串联的二极管23和二极管24,其中二极管23的正极连接上传 输入端21, 二极管24的负极接于地GND。该上传输入端口和下面一节锂
8电池的上传子模块的上传输出端相连。下面一个上传子模块的上传输出端
26处的PM0S开关管27控制上传输入端21的电压，使上传输入端21的电 压或为2VD，即逻辑l,或电压为0,即逻辑0。用一个电阻代替普通反相 器中的PMOS管的反相器，将上传输入端21的信号转换成普通的逻辑信号， 后面再通过一普通的反相器28,得到能用于普通数字电路的逻辑信号。该 逻辑信号与上传输入端同相，用来控制本节的子管理芯片。反相器28的 输入端连接NMOS开关管29的栅极，NM0S开关管29的漏极控制PM0S开关 管27的栅极，PM0S开关管27的漏端接锂电池正极VDD, PMOS开关管27 的源极和栅极之间接电阻30。 PMOS开关管27的体端和源端相连，为上传 输出端口 26。母管理芯片1只需一个NMOS下拉管，或将子管理芯片SMC1 的上传输入端口 21短接到地，或者悬空，使上传输入端口 21的电压为2VD。 传递逻辑0时，母管理芯片1中与子管理芯片SMC1的上传输入端口 21连接的下拉NM0S开关管导通，将上传输入端口的电平置0。用一个电 阻代替普通反相器中的PM0S管的反相器，将上传输入端口转换成的普通 的逻辑信号logba此时为逻辑l,后面再通过一普通的反相器，得到能用 于普通数字电路的逻辑信号logout。 Logout与上传输入端21同相，此时 也为逻辑0，用来控制本节子管理芯片。Logba控制NM0S开关管29。由于 logba为l，因此NMOS开关管29导通，使PM0S开关管27的栅极电压为0， 让PM0S开关管27导通。由于上传输出端26与上面一节的上传输入端21 相连，因此PM0S开关管27将上面一节的上传输入端21短接到本节的VDD 上，也是上一节的地GND上，这就将逻辑0传到了上一节。传递逻辑1时， 母管理芯片1中与SMC1的上传输入端21连接的下拉NM0S开关管截止，上 传输入端21的电平为2VD。用一个电阻代替普通反相器中的PM0S管的反 相器，将上传输入端21转换成的普通的逻辑信号logba此时为逻辑0,后 面再通过一普通的反相器，得到能用于普通数字电路的逻辑信号logout。 Logout与上传输入端21同相，此时也为逻辑1。 Logba控制NM0S开关管 29。由于logba为0，因此NM0S开关管29截止，这使PMOS开关管27也 截止，上传输出端26和PM0S开关管27的栅压都为VDD+2VD，这就将逻辑 l传递给了上一级。由于上传输出端26的电压会比VDD高VDD,因此PM0S开关管27的体端应接到上传输出端26上，以免PM0S开关管27中的寄生 二极管导通。
如图5所示的是均流模块电路结构。这个模块的功能是，监测电池电 压， 一旦达到输入基准电压，就开启旁路，以减小本节电池的充电电流。 这个模块以VrefO, Vrefl， Vref2和Vref3作为输入基准，轮流与本节的 电池电压相比丰文，初始基准为VrefO。比较器30比4交基准电压和电池电压， 比较器30的结果输入给RS触发器31的S端， 一旦电池电压超过基准， 触发器31的输出Q端给出旁路开关32导通的控制信号。由普通反相器级 联的驱动器33将这个控制信号的驱动能力放大。驱动器33的输出直接控 制旁路开关NMOS管32的栅极，旁路开关32的源极接地，漏极连接旁路 电阻7。 RS触发器31的Q非输出端输出信号ARV。 ARV为逻辑O代表了本 节电池的一个状态，即充电电压达到了 VrefO的水平。ARV连接到下节下 传子模块的或非门输入端16。
若比较器15的输出为逻辑0,则代表上面各节电池都旁路了，上面各 节子管理芯片的ARV信号都为逻辑0。若本节电池也旁路了 ，则本节的ARV 也为逻辑0。而ARV连到下传子模块的或非门输入端16,这导致下传模块 中或非门的输出为逻辑1，于是下传输出端9处的NMOS开关管25导通， 下传输出端9的输出为0，代表本节及以上各节子管理芯片的ARV信号都 为逻辑O,本节及以上各节电池都旁路了。若下传输入端8为逻辑1，或 者本节的ARV为逻辑1，那么或非门17的输出都为逻辑0，下传输出端9 处的NMOS开关管25截止，下传输出端9的输出为2VD,即逻辑l，代表 本节或上面的子管理芯片中有某一节或某几节的ARV信号为逻辑1,本节 或以上各节电池中有没有旁路的。如此，本节电池的状态由下传子模块逐 级传递至最下面一级的子管理芯片SMC1，并由子管理芯片SMC1传给母管 理芯片1。母管理芯片在接收到ARV为逻辑O时，发出清旁路信号，由上 传子模块逐级传递至各个子管理芯片，并将上传子^f莫块中的输出logout 接到RS触发器31的R端，使旁路开关32截止，清掉旁路。然后比较基 准升至Vrefl,依次类推。
权利要求
1、一种多节串联锂离子电池包的管理模块，其特征在于包括与锂离子电池一一对应的多个子管理芯片和一个控制子管理芯片及控制充放电的母管理芯片；每个子管理芯片包括下传多个并行数字信号的下传模块和上传多个并行数字信号的上传模块，并行数字信号在多个子管理芯片间依次传递；母管理芯片的上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传模块连接，母管理芯片的下传接口与信号下行传递路径的最后一个子管理芯片的下传模块连接。
2、 根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于所述的母管理芯 片包括放电管理模块和充电管理模块。
3、 根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于每个子管理芯片 还包括一个均流模块，均流模块设有用于衡量所在锂电池电压的多个基准 电压，各个基准电压通过选择开关发送到比较器的一输入端，比较器的另 一输入端接收锂电池电压，将锂电池电压与基准电压依次比较后输出；上 传模块将母管理芯片的清旁路信号逐级传递给各个子管理芯片，并将之处 理成普通的数字逻辑信号，RS触发器接收比较器的输出信号与母管理芯 片的清旁路信号，向所在锂电池的旁路开关发送控制信号，同时通过下传 模块发送该锂电池电压达到基准电压的状态信号。
4、 根据权利要求3所述的管理模块，其特征在于所述的基准电压 有VrefO， Vrefl， Vref2和Vref3，初始基准电压为VrefO，比较器正相 输入端接收基准电压，比较器负相输入端接收锂电池电压；比较器的输出 端连接RS触发器的S端，触发器的输出Q端向旁路开关发送截止或导通 的控制信号，在锂电池电压达到基准电压时，旁路开关就导通；旁路开关 与一旁路电阻连接锂电池的正极；RS触发器的Q非输出端输出所述的状态 信号，该状态信号发送到所在子管理芯片的下传模块的输入端；所述的清 旁路信号控制RS触发器向旁路开关发送截止控制信号，然后输入比较器 的比较基准上升。
5、 根据权利要求1所述的管理模块，其特征在于所述的下传模块 由多个下传1位数字信号的下传子模块组成，下传子模块包括一个接收下 行传递路径中前一个子管理芯片的下传信号的下传输入端和一个向下行 传递路径中下一个子管理芯片发送下传信号的下传输出端；所述的上传模 块由多个上传1位数字信号的上传子模块组成，上传子模块包括一个接收 上传传递路径中前一个子管理芯片的上传信号的上传输入端和一个向上 行传递路径中下一个子管理芯片发送上传信号的上传输出端；下行传递路 径中的最后一个子管理芯片将下传输出端连接母管理芯片的下传接口 ，上 行传递路径中的第 一个子管理芯片的上传输入端连接母管理芯片的上传 接口。
6、 根据权利要求l-5任一权利所述的管理芯片，其特征在于所述 的子管理芯片上集成有保护所对应锂电池的充电保护模块。
7、 根据权利要求1-5任一权利所述的管理芯片，其特征在于所述 的子管理芯片上集成有保护所对应锂电池的放电保护;f莫块。
全文摘要
本发明公开了一种多节串联锂离子电池包的管理模块，包括与锂离子电池一一对应的多个子管理芯片和一个控制子管理芯片及控制充放电的母管理芯片。每个子管理芯片包括下传多个并行数字信号的下传模块和上传多个并行数字信号的上传模块，并行数字信号在多个子管理芯片间依次传递；母管理芯片的上传接口与信号上行传递路径中的第一个子管理芯片的上传模块连接，母管理芯片的下传接口与信号下行传递路径的最后一个子管理芯片的下传模块连接。本发明的管理模块由便宜的5V单阱标准工艺实现，通过标准CMOS工艺即可制作能保护几十伏的锂离子电池包的管理系统，从而大大降低了制造成本。
文档编号H02J7/00GK101488671SQ200910095948
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者何乐年, 卢圣凯, 叶益迭, 柯徐刚, 津 金, 琛 陈 申请人:浙江大学