电池模块、电池辅助保护电路及其控制方法与流程

本发明与电池保护有关，特别是关于一种电池模块、电池辅助保护电路及其控制方法。

背景技术：

一般而言，电池保护电路都会包含感测电路，可根据实际需求提供各种不同的保护机制，例如过电压保护(Over-voltage protection)机制、过电流保护(Over-current protection)机制等。

举例而言，如图1所示，提供过电压保护机制的电池过电压保护电路1通常是利用一组电阻R1～R4对能隙(Bandgap)电压VCN进行分压以提供参考电压VREF，并由比较器10通过其正输入端+与负输入端－分别接收电池电压VBG与参考电压VREF并比较电池电压VBG与参考电压VREF，以输出一过电压感测信号OV。若是提供过电流保护机制的电池过电流保护电路，则会在比较器10的正输入端+再加上一个电阻，将电池充电电流转换成电压信号以进行比较。

为了要降低系统的耗电量，能隙电压VCN通常会搭配较大电阻来降低系统电流，由以使得电池保护电路能够长时间持续感测电池状态。然而，使用较大电阻将会导致芯片面积增大及电阻匹配难度增加等问题，并且较小的系统电流亦较容易受到外界干扰而造成非预期的误动作。

另一方面，通常电池只使用一个保护集成电路进行充放电保护，若保护集成电路故障，电池就暴露在损坏的危险中。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种电池模块、电池辅助保护电路及其控制方法，以解决现有技术所述及的问题。

本发明的一较佳具体实施例为一种电池辅助保护电路。于此实施例中，电池辅助保护电路包括时脉信号产生器、感测单元及控制单元。时脉信号产生器具有省电模式与正常模式。在省电模式时，时脉信号产生器提供周期性脉冲信号。在正常模式时，时脉信号产生器提供连续性时脉信号。感测单元耦接时脉信号产生器，且感测电池充电电流，以产生感测信号。控制单元耦接感测单元与时脉信号产生器，且依据感测信号控制时脉信号产生器提供周期性脉冲信号或连续性时脉信号至感测单元。

在本发明的一实施例中，感测单元包括感测电路、感测开关及驱动电路，驱动电路与感测电路耦接时脉信号产生器，感测电路耦接控制单元，感测开关分别耦接感测电路与驱动电路。

在本发明的一实施例中，当时脉信号产生器处于正常模式时，控制单元控制感测开关进行脉冲充电(Pulse charge)。

在本发明的一实施例中，电池辅助保护电路还包括内部放电开关。当时脉信号产生器处于正常模式时，控制单元通过控制感测开关与内部放电开关进行反射充电(Reflex charge)。

在本发明的一实施例中，感测单元包括驱动电路与感测开关，驱动电路耦接时脉信号产生器，当周期性脉冲信号或连续性时脉信号位于第一位准时，驱动电路提供第一驱动电位至感测开关，当周期性脉冲信号位于第二位准时，驱动电路提供第二驱动电位至感测开关。

在本发明的一实施例中，当连续性时脉信号位于第一位准时，感测单元感测电池充电电流，当连续性时脉信号位于第二位准时，感测单元停止感测。

在本发明的一实施例中，感测单元包括感测电路与感测开关，感测电路耦接时脉信号产生器、控制单元及感测开关，感测电路根据流经感测开关的电池充电电流产生感测值，感测电路并比较感测值与第一预设值，当感测值大于第一预设值至少两次时，控制单元控制时脉信号产生器提供连续性时脉信号至感测单元。

在本发明的一实施例中，当感测值仅大于第一预设值一次或感测值小于第一预设值时，控制单元控制时脉信号产生器提供周期性脉冲信号至感测单元。

在本发明的一实施例中，感测单元包括驱动电路与感测开关，驱动电路包括电压随耦单元与预设电压源，电压随耦单元耦接感测开关与时脉信号产生器，预设电压源耦接电压随耦单元与感测开关，电压随耦单元提供第一驱动电位至感测开关，预设电压源提供第二驱动电位至感测开关。

根据本发明的另一较佳具体实施例为一种电池辅助保护电路的控制方法。于此实施例中，该控制方法包括下列步骤：(a)在一省电模式下，利用周期性脉冲信号感测电池充电电流，以产生感测值；(b)判断感测值是否满足第一预设条件；以及(c)若步骤(b)的判断结果为是，则切换为正常模式，利用连续性时脉信号侦测电池充电电流，以产生感测值。

于一实施例中，还包括下列步骤：(d)在该正常模式下，感测该电池充电电流并产生该感测值；(e)判断该感测值是否满足一第二预设条件；以及(f)若步骤(e)的判断结果为是，则切换为该省电模式。

于一实施例中，步骤(b)中的该第一预设条件为该感测值至少两次大于一第一预设值。

于一实施例中，步骤(e)中的该第二预设条件为该感测值小于一第二预设值且持续达一预设时间。

根据本发明的又一较佳具体实施例为一种电池模块。于此实施例中，电池模块包括第一端子、第二端子、第一保护开关、第二保护开关、电池单元、电池主要保护集成电路及电池辅助保护集成电路。电池单元耦接第一端子与第二端子。电池主要保护集成电路耦接第一保护开关、第二保护开关及电池单元。电池辅助保护集成电路耦接于第二端子与第一保护开关之间。电池辅助保护集成电路包括时脉信号产生器、感测单元及控制单元。感测单元耦接时脉信号产生器，且感测电池充电电流，以产生感测信号。控制单元依据感测信号控制时脉信号产生器提供周期性脉冲信号或连续性时脉信号至感测单元。

于一实施例中，该感测单元包括一感测电路、一感测开关及一驱动电路，该驱动电路与该感测电路耦接该时脉信号产生器，该感测电路耦接该控制单元，该感测开关分别耦接该感测电路与该驱动电路。

于一实施例中，当该时脉信号产生器处于该正常模式时，该控制单元控制该感测开关进行一脉冲充电。

于一实施例中，该电池辅助保护电路还包括一内部放电开关，当该时脉信号产生器处于该正常模式时，该控制单元通过控制该感测开关与该内部放电开关进行一反射充电。

于一实施例中，该感测单元包括一驱动电路与一感测开关，该驱动电路耦接该时脉信号产生器，其中当该周期性脉冲信号或该连续性时脉信号位于一第一位准时，该驱动电路提供一第一驱动电位至该感测开关，当该周期性脉冲信号位于一第二位准时，该驱动电路提供一第二驱动电位至该感测开关。

于一实施例中，当该连续性时脉信号位于该第一位准时，该感测单元感测该电池充电电流，当该连续性时脉信号位于该第二位准时，该感测单元停止感测。

于一实施例中，该感测单元包括一感测电路与一感测开关，该感测电路耦接该时脉信号产生器、该控制单元及该感测开关，并根据流经该感测开关的该电池充电电流产生一感测值，其中该感测电路比较该感测值与一第一预设值，当该感测值大于该第一预设值至少两次时，该控制单元控制该时脉信号产生器提供该连续性时脉信号至该感测单元。

相较于现有技术，本发明的电池辅助保护电路及其控制方法能够在不增加芯片面积的前提下达到微小电流感测保护的功效，进而维持电阻匹配性并保持电池充放电的效率，还可有效节省系统耗电并提升抵抗环境干扰的能力。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。

附图说明

图1为常见的电池过电压保护电路的示意图。

图2为根据本发明的一具体实施例的电池模块架构图。

图3为根据本发明的一具体实施例的电池辅助保护电路的示意图。

图4为电池辅助保护电路中的感测单元的一实施例。

图5为充电电流与时脉信号的时序图。

图6为根据本发明的另一具体实施例的电池辅助保护电路的控制方法的流程图。

图7为根据本发明的又一具体实施例的电池辅助保护电路的控制方法的流程图。

主要元件符号说明：

1 电池过电压保护电路

R1～R4 电阻

VCN 能隙电压

VREF 参考电压

10 比较器

+ 正输入端

－ 负输入端

VBG 电池电压

OV 过电压感测信号

2 电池模块

PB+ 第一端子

PB－ 第二端子

BA 电池单元

M1 第一保护开关

M2 第二保护开关

20 主要保护电路

22 电池辅助保护电路

CHA 充电器

VSS 接地接脚

DO 放电开关控制接脚

CO 充电开关控制接脚

CS 感测接脚

VCC 供电电压接脚

C1、C_VCC 电容

RVCC1、RCS、RVCC、RLO、R_SET、R_{ON_SET}、R_{OFF_SET} 电阻

I、321～322 电流源

3 电池辅助保护电路

30 时脉信号产生器

32 感测单元

34 控制单元

35 内部放电开关

36 驱动单元

37 负载控制单元

38 设定单元

39 过电压感测单元

VCCA 过电压感测接脚

SEN+、SEN－ 充电电流感测接脚

LO 放电接脚

I_SET 电流设定接脚

ON_SET 开启时间设定接脚

OFF_SET 关闭时间设定接脚

GND 接地端

PP 周期性脉冲信号

CP 连续性时脉信号

I_CHA 充电电流感测值

OC 感测信号

CON 控制信号

32A 感测电路

32B 感测开关

32C 驱动电路

VDD 工作电压

323 比较器

324 电压随耦单元

326 预设电压源

Vgs 感测开关的闸极-源极电压

Vds 感测开关的汲极-源极电压

I1 第一预设值

I2 第二预设值

t_{TR_DIS} 预设时间

TP 省电模式期间

TC 正常模式期间

S10～S19、S20～S29 步骤

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

根据本发明的一较佳具体实施例为一种电池辅助保护电路。于此实施例中，电池辅助保护电路可应用于电池模块中，但不以此为限。如图2所示，电池模块2可包括第一端子PB+、第二端子PB－、电池单元BA、第一保护开关M1、第二保护开关M2、主要保护电路20及电池辅助保护电路22。第一端子PB+与第二端子PB－之间耦接充电器CHA；第一端子PB+耦接电池辅助保护电路22及电池单元BA；第二端子PB－耦接电池辅助保护电路22；主要保护电路20耦接第一保护开关M1、第二保护开关M2及电池单元BA；电池辅助保护电路22、第一保护开关M1、第二保护开关M2及电池单元BA彼此串联耦接。

主要保护电路20包括供电电压接脚VCC、接地接脚VSS、放电开关控制接脚DO、充电开关控制接脚CO及感测接脚CS。供电电压接脚VCC通过电阻RVCC1耦接电池单元BA的正极；接地接脚VSS耦接电池单元BA的负极并接地；放电开关控制接脚DO耦接第二保护开关M2的闸极；充电开关控制接脚CO耦接第一保护开关M1的闸极；感测接脚CS通过电阻RCS耦接至第一保护开关M1与电池辅助保护电路22之间。此外，第一保护开关M1、第二保护开关M2及电池单元BA串联耦接；电容C1的一端耦接至供电电压接脚VCC与电阻RVCC1之间且其另一端耦接至接地端GND。

电池辅助保护电路22可用以强化对电池BA的保护，在主要保护电路20故障时提供额外的保护，并且在不增加芯片面积的前提下节省系统耗电并提升抵抗环境干扰的能力。

请参照图3，图3为根据本发明的一具体实施例的电池辅助保护电路的示意图。如图3所示，电池辅助保护电路3可包括时脉信号产生器30、感测单元32、控制单元34、内部放电开关35、驱动单元36、负载控制单元37、设定单元38、过电压感测单元39、过电压感测接脚VCCA、供电电压接脚VCC、充电电流感测接脚SEN+及SEN－、放电接脚LO、电流设定接脚I_SET、开启时间设定接脚ON_SET及关闭时间设定接脚OFF_SET。

时脉信号产生器30分别耦接感测单元32及控制单元34；感测单元32分别耦接时脉信号产生器30、控制单元34、内部放电开关35、驱动单元36、充电电流感测接脚SEN+及SEN－；控制单元34分别耦接时脉信号产生器30、感测单元32、驱动单元36、设定单元38、过电压感测单元39及供电电压接脚VCC；内部放电开关35分别耦接感测单元32、负载控制单元37、放电接脚LO及接地端；驱动单元36分别耦接感测单元32、控制单元34及负载控制单元37；负载控制单元37分别耦接内部放电开关35及驱动单元36；设定单元38分别耦接控制单元34、电流设定接脚I_SET、开启时间设定接脚ON_SET及关闭时间设定接脚OFF_SET；过电压感测单元39分别耦接过电压感测接脚VCCA及控制单元34。

此实施例中的时脉信号产生器30可具有两种操作模式：省电模式与正常模式。当时脉信号产生器30操作于省电模式时，时脉信号产生器30会提供一周期性脉冲信号PP，周期性脉冲信号PP的周期例如为3秒，脉冲宽度小于1毫秒，较佳为100微秒到720微秒之间；当时脉信号产生器30操作于正常模式时，时脉信号产生器30会提供一连续性时脉信号CP。

感测单元32通过充电电流感测接脚SEN+及SEN－感测电池充电电流，以产生感测信号OC。于实际应用中，感测单元32所感测的电池充电电流可以是充电器对电池进行充电的电流。

当控制单元34接收到感测单元32所输出的感测信号OC时，控制单元34依据感测信号OC输出控制信号CON至时脉信号产生器30，由以控制时脉信号产生器30选择性地提供周期性脉冲信号PP或连续性时脉信号CP至感测单元32。

接着，请参照图4，图4为电池辅助保护电路3中的感测单元32的一实施例。如图4所示，感测单元32可包括感测电路32A、感测开关32B及驱动电路32C。感测电路32A与驱动电路32C耦接时脉信号产生器30；感测电路32A耦接控制单元34；感测开关32B分别耦接感测电路32A与驱动电路32C。

于此实施例中，感测电路32A可包括电流源321～322、电阻R1～R2及比较器323。电流源321分别耦接工作电压VDD、时脉信号产生器30、电阻R1及比较器323的正输入端+；电流源322分别耦接工作电压VDD、时脉信号产生器30、电阻R2及比较器323的负输入端－；电阻R1耦接于电流源321与接地端之间；电阻R2耦接于电流源322与感测开关32B之间；比较器323耦接时脉信号产生器30且比较器323的输出端耦接控制单元34。

驱动电路32C则可包括电压随耦单元324与预设电压源326。电压随耦单元324耦接感测开关32B与时脉信号产生器30；预设电压源326耦接电压随耦单元324与感测开关32B。

需说明的是，感测电路32A中的电流源321～322、比较器323及驱动电路32C中的电压随耦单元324均耦接时脉信号产生器30并且其操作均受到时脉信号产生器30所提供的脉冲性时脉信号PP或连续性时脉信号CP的控制。

于实际应用中，当时脉信号产生器30处于正常模式时，控制单元34可通过控制感测开关32B与内部放电开关35的交互开启/关闭对电池进行反射充电(Reflex charge)，或是仅控制感测开关32B的开启/关闭对电池进行脉冲充电(Pulse charge)。

亦请同时参照图4与图5，当感测开关32B通过充电电流感测接脚SEN+与SEN－感测到电池充电电流时，感测电路32A通过感测开关32B所感测的电池充电电流产生充电电流感测值I_CHA并比较充电电流感测值I_CHA与第一预设值I1。

在电池尚未充电的状态下，充电电流感测值I_CHA小于第一预设值I1，此时，控制单元34控制时脉信号产生器30操作于省电模式下并提供周期性脉冲信号PP至感测单元32，使感测单元32操作于脉冲感测模式下，亦即图4中的省电模式期间TP。

当充电电流感测值I_CHA大于第一预设值I1时，感测单元32输出感测信号OC至控制单元34。当控制单元34仅接收到一次感测信号OC时，控制单元34仍持续控制时脉信号产生器30提供周期性脉冲信号PP至感测单元32，亦即仍维持于省电模式不变。

在本发明的一实施例中，当控制单元34连续两次接收到感测单元32所输出的感测信号OC时，亦即充电电流感测值I_CHA大于第一预设值I1至少两次，控制单元34即会控制时脉信号产生器30切换至正常模式并开始提供连续性时脉信号CP至感测单元32，使感测单元32切换为恒定感测模式，亦即进入图4中的正常模式期间TC。

于正常模式期间TC内，控制单元34会将感测单元32所输出的感测信号OC当作脉冲充电的控制信号。当感测信号OC持续一段时间，控制单元34会控制驱动电路32C将感测开关32B关闭(禁能)一小段时间后再开启(致能)，并依此持续反复进行开启(致能)与关闭(禁能)的动作，直到电池充电电流I_CHA小于第二预设值I2(此时，即使感测开关32B导通亦无感测信号OC)。

当电池充电电流I_CHA小于第二预设值I2但并未持续达一预设时间t_{TR_DIS}时，控制单元34仍持续控制时脉信号产生器30提供连续性脉冲信号CP至感测单元32，使感测单元32仍维持于恒定感测模式不变；当电池充电电流I_CHA小于第二预设值I2且持续达预设时间t_{TR_DIS}时，控制单元34即会控制时脉信号产生器30提供周期性脉冲信号PP至感测单元32，使感测单元32从恒定感测模式切换为脉冲感测模式，亦即开始进入省电模式期间TP。

接下来，将就驱动电路32C提供至感测开关32B的闸极的驱动电位以及感测单元32A的互动进行探讨。

当时脉信号产生器30所产生的周期性脉冲信号PP或连续性时脉信号CP位于第一位准(于此例中为高位准)时，感测单元32A被致能，驱动电路32C中的电压随耦单元324会提供稳定的第一驱动电位(于此例中为参考电压VREF)至感测开关32B的闸极以使感测开关32B导通。此时感测单元32A会进行电池充电电流I_CHA的感测。

当周期性脉冲信号PP位于第二位准(于此例中为低位准)时，感测单元32A被禁能，驱动电路32C中的预设电压源提供第二驱动电位(于此例中为工作电压VDD)至感测开关32B的闸极维持感测开关32B导通，以使充电电流I_CHA的通路保持导通。此时感测开关32B停止进行电池充电电流I_CHA的感测。

上述第一驱动电位(参考电压VREF)与第二驱动电位(工作电压VDD)均会使得感测开关32B导通，其差别仅在于：当感测开关32B的闸极接收到第一驱动电位(参考电压VREF)时，感测开关32B的闸极-源极电压Vgs会被电压随耦单元324锁住，以利感测开关32B进行电池充电电流I_CHA的感测。

根据本发明的另一较佳具体实施例为电池辅助保护电路的控制方法。请参照图6，图6为此实施例中的电池辅助保护电路的控制方法的流程图。如图6所示，该控制方法可包括下列步骤：

步骤S10：在省电模式下，利用周期性脉冲信号反复感测电池充电电流，以产生感测值；

步骤S12：判断感测值是否满足第一预设条件；

步骤S14：若步骤S12的判断结果为是，则切换为正常模式，利用连续性时脉信号持续侦测电池充电电流，以产生感测值；

步骤S16：在正常模式下，感测电池充电电流并产生感测值；

步骤S18：判断感测值是否满足第二预设条件；以及

步骤S19：若步骤S18的判断结果为是，则切换为省电模式。

于实际应用中，步骤S12中的第一预设条件可以是感测值至少两次大于第一预设值，但不以此为限；步骤S18中的第二预设条件可以是感测值小于一第二预设值且持续达一预设时间，但不以此为限。

根据本发明的又一较佳具体实施例亦为电池辅助保护电路的控制方法。电池辅助保护电路包括时脉信号产生器、感测单元及控制单元。时脉信号产生器耦接感测单元；感测单元耦接控制单元；控制单元耦接时脉信号产生器。

请参照图7，图7为此实施例中的电池辅助保护电路的控制方法的流程图。如图7所示，该控制方法包括下列步骤：

步骤S20：时脉信号产生器在一省电模式下，利用周期性脉冲信号反复致能/禁能感测单元，以对电池充电电流进行感测并取得一感测值；

步骤S22：控制单元判断感测值是否满足一第一预设条件；

步骤S24：若步骤S22的判断结果为是，则时脉信号产生器切换为一正常模式，利用一连续性时脉信号持续致能感测单元，以持续侦测电池充电电流；

步骤S26：在感测单元被持续致能时，持续侦测电池充电电流并产生感测值；

步骤S28：控制单元判断感测值是否满足一第二预设条件；以及

步骤S29：若步骤S28的判断结果为是，则时脉信号产生器切换为省电模式。

于实际应用中，步骤S22中的第一预设条件为感测值至少两次大于一第一预设值，但不以此为限；步骤S28中的第二预设条件为感测值小于一第二预设值且持续达一预设时间，但不以此为限。

于一实施例中，感测单元可包括一驱动单元与一感测开关。当周期性脉冲信号或连续性脉冲信号位于一第一位准(例如高位准)时，驱动单元会提供一第一驱动电位(例如参考电压)至感测开关，以取得感测值；当周期性脉冲信号位于一第二位准(例如低位准)时，驱动单元提供一第二驱动电位(例如工作电压)至感测开关，以维持充电电流。

相较于现有技术，本发明的电池辅助保护电路及其控制方法能够在不增加芯片面积的前提下达到微小电流感测保护的功效，进而维持电阻匹配性并保持电池充放电的效率，还可有效节省系统耗电并提升抵抗环境干扰的能力。

通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。