一种可扩展电池保护方法与流程

本发明涉及锂电池级联控制技术，属于锂电池领域。

背景技术：

信息电子时代的快速发展，锂电池因其良好特性广泛的应用在手机、轻型电动车辆中，但是锂电池化学特性活泼，在电池使用过程中如果出现过充电、过放电或者过流，会引起电池爆炸等危险，因此在工作时需要配套的电池管理芯片来进行保护。单体锂电池的额定电压为3.6v，不能满足高电压供电场合的需要，因此需要多节锂电池串联使用。但是市场上的锂电池保护芯片一般最多支持5节电池串联，那么对于电动工具等需要远超5节电池电压工作的场合，单块锂电池芯片就不能满足保护需求。一种解决方案是扩展单块芯片来支持更多节电池串联使用，但是这样单块芯片的设计复杂度增高，对工艺的耐压要求也更高，大大增加了芯片的成本；同时在更常见的小于5节电池中的运用中，就会浪费大量的面积，对于芯片制造厂商来说，成本急剧增大。更常见的处理是使用多个锂电池保护芯片进行级联，每个芯片通过级联的连接方式，便可实现多节锂电池的串联，节省面积同时能够满足市场的不同需求。

电池管理系统中涉及到每个电池保护芯片的通信，以及保护芯片与主控制器之间数据的交互。传统的级联方案存在以下几个问题：(1)级联时利用主机的片选信号来给每个电池保护芯片分配地址，进而控制不同的芯片，进行数据的传递，随着芯片数量的增加，会增加硬件的开销。(2)由于每个芯片的设计是完全一致的，每个芯片都会进行电流检测，但是实际电流检测只是在最下层进行，这样级联通信时，级联上层的芯片会浪费大量的功耗在不需要进行的检测功能上。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有锂电池级联硬件开销大、功耗大的问题，提供了一种可扩展电池保护方法。

本发明所述可扩展电池保护方法，由n个保护芯片控制至多5n个级联锂电池；该方法为：

将n个保护芯片串联，第1个保护芯片为最上层芯片，第n个保护芯片为最下层芯片，其余为中间层芯片，且任意相邻的两个保护芯片为主从设备；主控制器的配置信号从第n个保护芯片逐级传递至第1个保护芯片，以控制任意一个保护芯片充放电回路的开关状态，第1个保护芯片至第n-1个保护芯片的电池参数数据逐级传输至第n个保护芯片中；

最下层芯片：用于接收主控制器发送的配置信号及回传的所有电池参数数据，作为级联通信的主设备，将配置信号传递给隶属于中间层芯片的第n-1个保护芯片；同时接收第n-1个保护芯片回传的所有电池参数数据，返回给主控制器用于更新配置信号；

中间层芯片：用于负责数据传递，既作为级联通信的主设备也作为从设备，接收下层芯片的控制命令，向上层芯片发送控制命令；将本层芯片的电池参数数据及从上层芯片返回的电池参数数据一并传输给下层芯片；

最上层芯片：作为级联通信的从设备，接收隶属于中间层芯片的第2个保护芯片传递的命令后，将本层芯片的电池参数数据传输给第2个保护芯片。

优选地，最上层芯片和中间层芯片关闭电流检测模块。

优选地，最下层芯片关闭级联通信的从设备，最上层芯片关闭级联通信的主设备。

优选地，保护芯片内置存储器，内含两位控制位，通过两位控制位对保护芯片进行分类，控制位为01表示当前芯片为最下层芯片，控制位为10表示当前芯片为中间层芯片，控制位为11表示当前芯片为最上层芯片，控制位为00表示当前芯片不支持级联。

优选地，相邻的两个保护芯片通信过程为：

步骤一、级联通信链接建立过程：每个保护芯片中负责级联通信的主设备按照固定间隔向上层芯片的从设备发送命令来启动数据传输，每一次数据传输作为一个完整的事务，包括起始位、地址位、数据位和校验位，通信数据默认是低电平，检测到足够数量的高电平认为采样到起始位；

步骤二、数据传输，首先主设备需要发送地址和读写控制位，如果是写命令，则还需发送写入的数据，也就是来自主控制器的配置信号，包括均衡控制、工作模式配置、模块工作使能控制以及检测参数控制；如果是读命令，则等待从设备返回芯片的电压和温度等电池参数数据；

步骤三、级联通信的诊断，在级联通信过程中，每次通信均要判断通信数据格式、地址、循环冗余校验码是否正确，若出现故障则认定为通信失败，芯片开始通信之后，每2n次通信中，如果出现n次通信失败，其中n大于2，那么认为通信建立不成功，关闭充放电回路；

步骤四、级联通信搭建完毕之后，所有电池的特性参数便可通过级联端口传输至最下层芯片，进而主控制器仅和最下层芯片通信，便可进行电池管理系统的控制。

本发明的优点：本发明针对锂电池保护芯片级联，使用内置控制位的方式屏蔽了芯片中实际不需要工作的模块，不同芯片产生的数据通过通信接口，逐级传递到最下层芯片，减少了和主控制器的通信接口，从而在保证主控制器能够准确获得每节电池特性基础上，实现了电池管理系统对锂电池充放电的保护，减小了硬件开销的同时降低了系统工作时的功耗。

附图说明

图1是本发明所述一种可扩展电池保护方法的原理图；

图2是芯片通信流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种可扩展电池保护方法，参见图1为电池管理系统工作时的级联示意图，包括一个主控制器和若干个电池保护芯片，其中每个芯片都可完成电池电压特性数据的收集和数据的传输。由n个保护芯片控制至多5n个级联锂电池；该方法为：

将n个保护芯片串联，每个保护芯片控制5个锂电池，第1个保护芯片为最上层芯片(位于级联锂电池正极侧)，第n个保护芯片为最下层芯片(位于级联锂电池负极侧)，其余为中间层芯片，且任意相邻的两个保护芯片为主从设备；主控制器的配置信号从第n个保护芯片逐级传递至第1个保护芯片，以控制任意一个保护芯片充放电回路的开关状态，第1个保护芯片至第n-1个保护芯片的电池参数数据逐级传输至第n个保护芯片中；

最下层芯片：用于接收主控制器发送的配置信号及回传的所有电池参数数据，作为级联通信的主设备，将配置信号传递给隶属于中间层芯片的第n-1个保护芯片；同时接收第n-1个保护芯片回传的所有电池参数数据，返回给主控制器用于更新配置信号；

中间层芯片：用于负责数据传递，既作为级联通信的主设备也作为从设备，接收下层芯片的控制命令，向上层芯片发送控制命令；将本层芯片的电池参数数据及从上层芯片返回的电池参数数据一并传输给下层芯片；

最上层芯片：作为级联通信的从设备，接收隶属于中间层芯片的第2个保护芯片传递的命令后，将本层芯片的电池参数数据传输给第2个保护芯片。

主控制器只与最下层芯片进行数据间的通信，每个芯片内部设有和其他芯片通信的接口，下层芯片作为主设备，上层芯片作为从设备，主控制器向最下层芯片发送配置信号，存放在下层芯片的寄存器中，下层芯片启动级联通信，向上层芯片发送命令，先发送起始位，接着是地址和数据位，数据位包括主控制器对各个芯片的配置信号，以及上层芯片传递给下层的电池参数，最后是校验位，逐级传递到上层芯片，上层芯片解析命令后，返回相应的数据再逐级传递给下层芯片，这样所有电池的数据都保存在最下层芯片，进而主控制器读取最下层芯片的数据获得每节电池的特性数据。芯片首次工作时，下层芯片先启动级联通道和中间层芯片进行通信，接着中间芯片启动和最上层芯片通信。

保护芯片内置存储器，内含两位控制位，通过两位控制位对保护芯片进行分类，控制位为01表示当前芯片为最下层芯片，控制位为10表示当前芯片为中间层芯片，控制位为11表示当前芯片为最上层芯片，控制位为00表示当前芯片不支持级联。

通过这两位控制位来决定当前芯片的工作方式，屏蔽了芯片中实际不需要工作的模块，进而降低功耗，具体为：最上层芯片和中间层芯片关闭电流检测模块。最下层芯片关闭级联通信的从设备，最上层芯片关闭级联通信的主设备。

每个芯片内部设有和其他芯片通信的专用接口，按照固定间隔进行级联数据的通信，芯片复位之后，先进行4次通信，检测级联通道是否能够正确传输，之后才开始正常的级联数据传输，并且通信接口中设有检错机制，保证通信数据的稳定可靠，。

参见图2，相邻的两个保护芯片通信过程为：

步骤一、级联通信链接建立过程：每个保护芯片中负责级联通信的主设备按照固定间隔向上层芯片的从设备发送命令来启动数据传输，每一次数据传输作为一个完整的事务，包括起始位、地址位、数据位和校验位，通信数据默认是低电平，检测到足够数量的高电平认为采样到起始位；

步骤二、数据传输，首先主设备需要发送地址和读写控制位，如果是写命令，则还需发送写入的数据，也就是来自主控制器的配置信号，包括均衡控制、工作模式配置、模块工作使能控制以及检测参数控制；如果是读命令，则等待从设备返回芯片的电压和温度等电池参数数据；

步骤三、级联通信的诊断，在级联通信过程中，每次通信均要判断通信数据格式、地址、循环冗余校验码是否正确，若出现故障则认定为通信失败，芯片开始通信之后，每2n次通信中，如果出现n次通信失败，其中n大于2，那么认为通信建立不成功，关闭充放电回路；建立通信保障机制，这里采用的是冗余的方法。

步骤四、级联通信搭建完毕之后，所有电池的特性参数便可通过级联端口传输至最下层芯片，进而主控制器仅和最下层芯片通信，便可进行电池管理系统的控制。