CN101399440B - 一种多节电池的保护电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电池保护领域，提供了一种多节电池保护电路及方法，多节电池保护电路包括一个或多个多节电池保护芯片，以及由多节电池保护芯片控制的充电控制开关和放电控制开关，该多节电池保护芯片包括多节电池组串联应用保护集成电路模块和扩展连接模块，其输入端与相应单体电池的正负极连接，其输出端分别与扩展连接模块的内部信号输入端连接，扩展连接模块的扩展信号输入端同与其相邻的多节电池保护芯片的扩展连接模块的扩展信号输出端连接，其输出端分别与充电控制开关和放电控制开关连接。本发明技术方案提供的多节电池保护电路可以实现任意节电池的保护，同时无需外围电路，降低了成本、减少了电路复杂度，提高了电路的可测试性和可扩展性。

Description

一种多节电池的保护电路及方法

技术领域

本发明属于电池保护领域，尤其涉及一种多节电池的保护电路及方法。

背景技术

在对电池进行充电时，如果电池的充电电压超过电池的上限值时，将造成电池过充电；当电池的放电电压下降到低于电池下限值时，将造成电池过放电。以锂离子电池为例，如果锂离子电池过充电，将导致电池内压升高，电池变形、漏液等不良现象，严重时可能导致电池爆炸或者着火；如果锂离子电池过放电，将导致电池内压升高，电解液分解使电芯容量特性劣化及耐久性劣化，从而导致锂离子电池的可供电时间越来越短。其它电池，如铁离子电池，过充电或者过放电同样会使电池特性劣化，缩短电池寿命。电池的保护电路就是为了避免上述电池的过充电或过放电的发生，进而防止电池特性的劣化。随着电子设备趋向于小型化，专用于电池保护的集成电路应运而生。目前单个电池保护集成电路只做到4节或4节以下的电池串联应用保护。在4节以上电池串联应用时，将多个电池保护集成电路通过复杂的外围电路连接起来实现电池的保护。这种方法的不足之处在于：成本高；外围电路过于复杂，在实际应用中可扩展性及可测试性都较差；扩展元件过多，面积大，影响系统的集成；容易造成串联电池间的耗电不均等。

如图1所示，为一种典型的将7个单节电池保护集成电路通过外围电路的扩展连接，实现对7节电池组串联使用时进行保护的电路连接。

单个单节电池保护集成电路的工作原理如下：单个单节电池保护集成电路的Co端是控制充电用的NMOSFET栅极连接端子，Do端是控制放电用的NMOSFET栅极连接端子。正常状态时，Do端和Co端均为高电平，外接充放电控制NMOSFET均导通，电池处在可充电和可放电状态。当电池的充电电压达到电池的上限值，并经过一定的延时时间时，Co端输出电平由高电平变为低电平，从而关断外接充电用NMOSFET，即关断充电回路；当电池的放电电压降至电池的下限值，并经过一定的延时时间时，Do端输出电平由高电平变为低电平，从而关断外接放电用NMOSFET，即关断放电回路。

通过此外围电路连接后，电池的过充电和过放电分开各自独立处理，实现电池过充电和过放电的原理如下：

正常态时，各个单节电池保护集成电路输出端Co和Do都是高电平，控制放电用的NMOS管V5、V6和V7和充电用的NMOS管V8均导通，整个电池组处在可充电和可放电状态。

放电时，任一个单节电池保护集成电路检测到相应电池过放电状态，经过一定的延时后，其Do端变为低电平，从而使外接PMOS管V2导通，传送一个相对地为高电平的电位到NMOS管V4，使V4导通，传送地电位到最终外接并联控制放电回路的NMOS管V5、V6和V7，使其从导通态变为关断态，将放电回路切断，实现过放电保护

充电时，任一个单节电池保护集成电路检测到相应电池过充电状态，经过一定的延时后，其Co端变为低电平，从而使外接PMOS管V1导通，传送一个相对充电器负端为高电平的电位到NMOS管V3，V3导通，传送充电器负端电位到最终外接控制放电回路的NMOS管V8，使其从导通态变为关断态，将充电回路切断，实现放电过充电保护。

过流保护功能由最下面一个单节电池保护集成电路实现。

以上电路在功能上已实现7节电池串联保护的目的。其不足之处在于，外围电路复杂，元器件多，对电平移位采用两级处理，增加了电路成本，也增加了测试的难度；充电和放电回路的分开增加了应用的复杂性；在过充电或过放电保护之后，电路功耗反而比正常工作时的功耗要大，此部分功耗增大是由外围扩展电路引起的；特别是外围电路MOSFET元件需选择耐高压元件，在更多节扩展连接应用时，由于需考虑元器件耐压问题，从而电路更为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多节电池的保护电路，旨在解决现有技术中存在的实现四节以上电池的保护电路成本高、外围电路复杂、外部元件过多，影响系统集成、可扩展性和可测试性差的问题。

本发明技术方案是这样实现的，一种多节电池的保护电路，包括一个或多个多节电池保护芯片，以及由所述一个或多个多节电池保护芯片控制的充电控制开关和放电控制开关，第一多节电池保护芯片包括多节电池组串联应用保护集成电路模块和第一扩展连接模块，所述多节电池组串联应用保护集成电路模块的输入端与相应单体电池的正负极连接，其输出端分别与所述第一扩展连接模块的内部信号输入端连接，所述第一扩展连接模块的扩展信号输入端与扩展信号输出端连接，所述扩展信号输出端是与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的第二扩展连接模块的扩展信号输出端，所述第一扩展连接模块的扩展信号输出端分别与所述充电控制开关和放电控制开关连接，所述第一多节电池保护芯片通过扩展选择控制信号处理模块处理输入所述第一多节电池保护芯片的扩展选择控制信号。

本发明的另一目的在于提供一种多节串联电池组保护方法，所述方法包括下述步骤：

每个多节电池保护芯片根据其监测的电池的状态产生标志电池状态的内部输出信号；

每个多节电池保护芯片根据其内部输出信号、其扩展选择控制信号以及与其相邻的多节电池保护保护芯片的扩展输出信号进行逻辑判断；

根据最后一个多节电池保护芯片的逻辑判断结果控制电池充放电回路的通断。

本发明提供的技术方案，通过为每个多节电池保护芯片的多节电池组串联应用保护集成电路模块配接一扩展连接模块，实现多节电池保护芯片的扩展。每个多节电池保护芯片只对其监测的电池的状态以及与其相邻的多节电池保护芯片的扩展输出状态进行逻辑运算，逐级进行，由最后一个多节电池保护芯片的逻辑运算结果控制电池充放电回路的通断，实现任意节电池过充电、过放电和过电流的保护。且该电池保护电路可采用多个不同的电池保护芯片实现电池组的保护，降低了成本，增加了系统可靠性；无需外围器件，减少了外围电路成本，同时避免了因外围电路布局复杂导致的可测试性和可扩展性差的问题；由于每个电池保护芯片只对其监测的电压状态和相邻电池保护芯片监测的电压状态进行逻辑处理，使其处理的电位范围缩小，解决了耐高压的问题。

附图说明

图1是现有技术提供的7节串联电池的保护电路的连接图；

图2是本发明实施例提供的扩展连接模块的结构图；

图3a是本发明第一实施例提供的信号传递方向为上传方式的扩展连接模块的最佳实现电路连接图；

图3b是本发明第一实施例提供的信号传递方向为下传方式的扩展连接模块的最佳实现电路连接图；

图4a是本发明第二实施例提供的信号传递方向为上传方式的扩展连接模块的具体实现电路连接图；

图4b是本发明第二实施例提供的信号传递方向为下传方式的扩展连接模块的具体实现电路连接图；

图5a是本发明第三实施例提供的信号传递方向为上传方式的扩展连接模块的具体实现电路连接图；

图5b是本发明第三实施例提供的信号传递方向为下传方式的扩展连接模块的具体实现电路连接图；

图6a是本发明实施例提供的信号传递方向为上传方式的电池保护集成电路的电路连接图；

图6b是本发明实施例提供的信号传递方向为下传方式的电池保护集成电路的电路连接图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，通过为每一个多节电池组串联应用保护集成电路模块配接一扩展连接模块，构成一多节电池保护芯片，采用多个该多节电池保护芯片通过其扩展连接模块连接后构成电池保护集成电路。每个多节电池保护芯片将其相邻的多节电池保护芯片的扩展输出信号以及自身的内部输入信号进行逻辑运算，判断是否发生过充电或过放电，由最上面一个电池保护芯片或者最下面一个电池保护芯片输出逻辑判断结果，通过控制外接的MOS管的通断来控制电池充放电回路，从而实现多节电池的过充电、过放电以及过电流的保护。

在本发明实施例中，采用MOS管作为电池保护集成电路的充电控制开关和放电控制开关，当然也可以采用其它器件作为充电控制开关和放电控制开关。多节电池保护集成电路根据信号传递方向分为上传方式和下传方式，从而扩展连接模块的具体实现电路分为上传方式和下传方式，信号传递为上传方式的扩展连接模块适合外接PMOS管来控制电池充放电回路，信号传递为下传方式的扩展连接模块适合外接NMOS管来控制电池充放电回路。

图2示出了本发明实施例提供的扩展连接模块的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该扩展连接模块可以与多节电池组串联应用保护集成电路模块集成到一个电池保护芯片(IC)中，其中该IC的引脚个数只示意功能，不代表该IC的实际引脚个数。

扩展充电信号处理模块11(也称为扩展Co信号处理模块)和扩展放电信号处理模块12(也称为扩展Do信号处理模块)构成的扩展信号处理模块，对扩展输入信号进行处理，将扩展输入信号转换为本IC可以识别的扩展输入信号。由于扩展输入信号即为与本IC相邻的IC的扩展输出信号，从而对扩展输入信号进行处理，即对与本IC相邻的IC的扩展输出信号进行处理，将与本IC相邻的IC的扩展输出信号转换为本IC可以识别的扩展输入信号。其中扩展输入信号包括扩展充电输入信号和扩展放电输入信号。扩展Co信号处理模块11对扩展充电输入信号进行处理，即对其相邻IC的扩展充电输出信号(也称为扩展Co输出信号)进行处理，其对应端子为exterior_co，在本发明实施例中，将exterior_co端子称为扩展充电信号输入端子；扩展Do处理模块12对扩展放电输入信号进行处理，即对其相邻IC的扩展放电输出信号(也称为扩展Do输出信号)进行处理，其对应端子为exterior_do，在本发明实施例中，将exterior_do端子称为扩展放电信号输入端子。扩展Co信号处理模块11和扩展Do信号处理模块12的电路原理以及处理方式相同，其将相邻IC的扩展输出信号转换为本IC可以识别的扩展输入信号的过程如下所述：

通过上拉电阻将相邻IC的扩展输出信号的高阻态转换为高电平，或者通过下拉电阻将相邻IC的扩展输出信号的高阻态转换为低电平；通过电平移位将相邻IC的扩展输出信号的低电平转换为本IC的低电平，或者通过电平移位将相邻IC的扩展输出信号的高电平转换为本IC的高电平，从而将相邻IC的扩展输出信号转换为该IC能够识别的扩展输入信号。在本发明实施例中，高电平用逻辑1代替，低电平用逻辑0代替。

K信号处理模块13对扩展选择控制信号进行处理，其对应端子为k，在本发明实施例中，将k端子称为扩展选择控制端子。K信号处理模块13根据电路设计需要，可以通过下拉电阻将扩展选择控制信号的悬浮高阻态转换为低电平，或者通过上拉电阻将扩展选择控制信号的悬浮高阻态转换为高电平，从而将多节电池保护芯片的扩展选择控制信号转换为多节电池保护芯片可以识别的扩展选择控制信号。其中扩展选择控制信号包括高电平、低电平以及悬浮高阻态三种状态。在本发明实施例中根据扩展选择控制信号将IC分为扩展和不扩展两种状态，并预先定义，当K信号处理模块13的输出为1时，IC处于扩展状态；当K信号处理模块13的输出为0时，IC处于不扩展状态。

逻辑处理模块14对扩展输入信号(即经扩展输入信号处理模块处理后的扩展输入信号)、内部输入信号以及扩展选择控制信号(即经K信号处理模块13处理后的扩展选择控制信号)进行逻辑判断，通过输出级模块15将该判断结果输出，以控制外接的MOS管的导通与截止，从而控制充放电回路的通断，实现电池的过充电、过放电和过电流的保护。其中内部Co输入信号对应端子为Dco，内部Do输入信号对应端子为Ddo，扩展Co输出信号对应端子为Co’，扩展Do输出信号对应端子为Do’。

在本发明实施例中，当信号传递方向为上传方式时，该IC外接PMOS管，以控制充放电回路的通断。在过放电保护控制过程中，定义IC处于正常态时，输入信号exterior_do端子接高阻态，Ddo端子接高电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Do’为高阻态，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平时，输出信号Do’为低电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_do端子接低电平，或者Ddo端子接低电平，或者exterior_do端子接低电平，同时Ddo端子接低电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Do’为低电平，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平或者悬浮时，输出信号Do’为高电平。根据上述输入信号的预先定义，扩展连接模块根据扩展输入信号、内部输入信号以及扩展选择控制信号进行逻辑判断，得到输出信号的对照表如下：

在过充电保护控制过程中，定义IC处于正常态时，输入信号exterior_co端子接高阻态，Dco端子接高电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Co’为高阻态，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平时，输出信号Co’为低电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_co端子接低电平，或者Dco端子接低电平，或者exterior_co端子接低电平，同时Dco端子接低电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Co’为低电平，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平或者悬浮时，输出信号Co’为高阻态。扩展连接模块根据输入信号，得到输出信号的逻辑处理对照表如下，为了保证该IC在不扩展状态，且该IC进入保护态时，根据Co’的输出信号可以关断外接的PMOS管，将该IC的Co’端子高阻态通过一电平转换装置，如上拉电阻等，转换为高电平：

当信号传递方向为下传方式时，该IC外接NMOS管，以控制充放电回路的通断。此时定义，当IC处于正常态时，输入信号exterior_do端子接高阻态，Ddo端子接高电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Do’为高阻态，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平时，输出信号Do’为高电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_do端子接高电平，或者Ddo端子接低电平，或者exterior_do端子接高电平，同时Ddo端子接低电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Do’为高电平，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平或者悬浮时，输出信号Do’为低电平。根据上述输入信号的预先定义，在过放电保护控制过程中，扩展连接模块根据扩展输入信号、内部输入信号以及扩展选择控制信号进行逻辑判断，得到输出信号的对照表如下：

在过充电保护控制过程中，定义IC处于正常态时，输入信号exterior_co端子接高阻态，Dco端子接高电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Co’为高阻态，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平时，输出信号Co’为高电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_co端子接高电平，或者Dco端子接低电平，或者exterior_co端子接高电平，同时Dco端子接低电平，当该IC处于扩展状态，即k端子接高电平时，输出信号Co’为高电平，当该IC处于不扩展状态，即k端子接低电平或者悬浮时，输出信号Co’为高阻态。扩展连接模块根据输入信号，得到输出信号的逻辑处理对照表如下，为了保证该IC在不扩展状态，且该IC进入保护态时，根据Co’的输出信号可以关断外接的NMOS管，将该IC的Co’端子的高阻态通过一电平转换装置，如下拉电阻等，转换为低电平：

图3a示出了本发明第一实施例提供的信号传递方向为上传方式的扩展连接模块的最佳实现电路，由于过充电和过放电的电路相似，信号逻辑处理方式一致，在此以过放电保护电路为例，对本发明第一实施例提供的扩展连接模块的最佳实现电路的工作原理进行说明。

其逻辑处理采用与非门或者与门，其路径选择采用传输门构成的2选1的路径选择器。

当IC处于正常态时，根据扩展连接模块对各输入端的预先定义，扩展放电信号输入端子exterior_do输入为高阻态，其经过上拉电阻R1被上拉为高电平，经由PMOS管、NMOS管以及反相器构成的电平移位装置完成电平移位后，输出高电平。当IC处于扩展状态，即扩展选择控制端子k为高电平时，Do’输出端子的两个MOS管中的PMOS管M5始终不导通，逻辑运算选择为与非运算，即exterior_do端子的高电平与电池保护芯片的内部Do信号输入端子Ddo(正常态为高电平)进行逻辑与非运算后输出低电平，使其控制的NMOS管M3不导通，从而使Do’输出端子输出为高阻态；当IC处于不扩展状态，即扩展选择控制端子k为低电平或悬空时，逻辑运算选择与运算，Do’输出端子的两个MOS管中的PMOS管M5的栅极不被钳制，exterior_do端子的高电平与电池保护芯片的内部Do信号输入端子Ddo(正常态为高电平)进行逻辑与非运算后输出低电平，经反相器反相后，输出高电平，使其控制的NMOS管M3导通，从而使Do’输出端子输出为低电平。

当IC处于保护态，即当IC的内部Do信号输入端子Ddo，或者IC扩展放电信号输入端子exterior_do其中任意一个为低电平时，电池保护集成电路进入过放电保护态。由于因内部Do信号输入端子Ddo为低电平，或者扩展放电信号输入端子exterior_do为低电平而使电池保护集成电路进入过放电保护态的原理相同，在此以扩展放电信号输入端子exterior_do为低电平，使电池保护集成电路进入过放电保护态为例，说明IC处于保护态的原理。

扩展放电信号输入端子exterior_do输入为低电平，经由PMOS管、NMOS管和反相器构成的电平移位装置完成电平移位后，输出低电平。当IC处于扩展状态，即扩展选择控制端子k为高电平时，逻辑运算选择与非运算，即exterior_do端子的低电平与IC的内部Do信号输入端子Ddo进行逻辑与非运算后输出高电平，使其控制的NMOS管M3导通，从而使Do’输出端子输出为低电平；当该电池保护芯片处于不扩展状态，即扩展选择控制端子k为低电平或悬浮时，Do’输出为COMS输出，逻辑运算选择与运算，即exterior_do端子的低电平与IC的内部Do信号输入端子Ddo进行逻辑与非运算后输出高电平，经反相器反相后，输出低电平，使其控制的PMOS管M5导通，从而使Do’输出端子输出为高电平。

图3b示出了本发明第一实施例提供的信号传递方向为下传方式的扩展连接模块的最佳实现电路，其与图3a所示的信号传递方向为上传方式的电路实现的不同之处在于，对扩展输入信号的电平移位和对扩展输出信号的电位选择。在下传方式中，对扩展输入信号的高阻态采用下拉电阻R1下拉为低电平。由于下传方式时，该扩展连接模块外接NMOS管控制电池充放电回路的通断，因此对扩展输出信号的电位选择时，在IC处于扩展状态时，选择与运算，将其正常态输出调整为高阻态输出；在IC处于不扩展状态时，选择与非运算，将其正常态输出调整为高电平输出，达到电池过充电、过放电以及过电流保护。

由于其电路原理与上传方式相同，在此不再赘述。

图4a示出了本发明第二实施例提供的信号传递方向为上传方式的扩展连接模块的具体实现电路，该电路与图3a所示的电路的不同之处在于，对扩展输入信号的高阻态采用上拉电阻R1将其上拉为高电平后，经PMOS管和NMOS管构成的电平移位装置进行电平移位后，输出低电平；逻辑处理采用或非门或者或门，其路径选择采用单个MOS管，由于电路原理与图3a所示的电路原理类似，在此只对其电路原理进行简单说明。

IC处于正常态时，扩展放电信号输入端子exterior_do的输入为高阻态，经上拉电阻R1将其高阻态上拉为高电平，经由PMOS管、NMOS管构成的电平移位装置完成电平移位后，输出低电平。当IC处于扩展状态，即扩展选择控制端子k为高电平时，逻辑运算选择或运算，PMOS管M5始终不导通，即exterior_do端子的低电平与IC内部Do信号输入端子Ddo(正常态为高电平)反相后的低电平进行或逻辑运算后，输出低电平，从而使其控制的NMOS管M3不导通，使Do’输出端子输出为高阻态；当IC处于不扩展状态，即扩展选择控制端子k为低电平或悬浮时，逻辑运算选择或非运算，即exterior_do端子的低电平与IC内部Do信号输入端子Ddo(正常态为高电平)反相后的低电平进行或非逻辑运算后，输出高电平使NMOS管M3导通，从而使Do’输出端子输出低电平。

IC处于保护态时，即当IC的内部Do信号输入端子Ddo，或者IC扩展放电信号输入端子exterior_do其中任意一个为低电平时，电池保护集成电路进入过放电保护态。由于因内部Do信号输入端子Ddo为低电平或者扩展放电信号输入端子exterior_do为低电平而使电池保护集成电路进入过放电保护态的原理相同，在此以扩展放电信号输入端子exterior_do为低电平，使电池保护集成电路进入过放电保护态为例，说明IC处于保护态的原理。

扩展放电信号输入端子exterior_do输入为低电平，经由PMOS管、NMOS管以及反相器构成的电平移位装置完成电平移位后，输出高电平。当IC处于扩展状态，即扩展选择控制端子k为高电平时，逻辑运算选择或运算，PMOS管M5始终不导通，即exterior_do端子的高电平与内部Do信号输入端子Ddo经反相器反相后进行或逻辑运算，输出高电平，使其控制的NMOS管M3导通，从而使Do’输出端子输出为低电平；当IC处于不扩展状态，即扩展选择控制端子k为低电平或悬浮时，逻辑运算选择或非运算，即exterior_do端子的高电平与内部Do信号输入端子Ddo进行或非逻辑运算后，输出低电平，使PMOS管M5导通，NMOS管M3不导通，从而使Do’输出端子输出高电平。

图4b示出了本发明第二实施例提供的信号传递方向为下传方式的扩展连接模块的具体实现电路，其与图4a所示的信号传递方向为上传方式的电路实现的不同之处在于，对扩展输入信号的电平移位和对扩展输出信号的电位选择。在下传方式中，对扩展输入信号的高阻态采用下拉电阻R1下拉为低电平。由于下传方式时，该扩展连接模块外接NMOS管控制电池充放电回路的通断，因此对扩展输出信号的电位选择时，在IC处于扩展状态时，选择或运算，将其正常态输出调整为高阻态输出；在IC处于不扩展状态时，选择或非运算，将其正常态输出调整为高电平输出，达到电池过充电、过放电以及过电流保护。

由于其电路原理与图3a所示的信号传递方向为上传方式的电路原理相同，在此不再赘述。

图5a示出了本发明第三实施例提供的信号传递方向为上传方向的扩展连接模块的具体实现电路，由于过充电和过放电的电路相似，信号逻辑处理方式一致，在此以过放电保护为例进行说明。

当扩展连接模块的四个输入端子exterior_co、k1、k2和exterior_do全部悬空，即输入均为高阻态时，即在电池保护集成电路只有单个IC进行电池充放电保护时，通过内部电路的各上拉电阻将四个输入端子全部拉为高电平，此时由于k1端子经过反相器反相后，输出低电平，使逻辑门1和2的输出始终为高电平，从而使Co’输出端子和Do’输出端子的输出只受内部输入信号Dco和Ddo控制，从而保证了在不改变单个IC应用情况下，对电池过充电、过放电和过电流进行保护。

在多个IC串连连接使用时，由k1和k2相互配合控制IC处于扩展状态或者处于不扩展状态。如果信号传递方向为上传方式，则最下面一个IC的k1接高电平或悬浮，其余IC的k1接低电平，最上面一个IC的k2接高电平或悬浮，其余IC的k2接低电平，此时，最上面一个IC处于不扩展状态，其余IC处于扩展状态；如果信号传递方向为下传方式，则最上面一个IC的k1接高电平或悬浮，其余IC的k1接低电平，最下面一个IC的k2接高电平或悬浮，其余IC的k2接低电平，此时，最下面一个IC处于不扩展状态，其余IC处于扩展状态。

在信号传递方向为上传时，位于最上面的IC外接PMOS管，以控制充放电回路的通断。在过放电逻辑处理时，定义当IC处于正常态时，输入信号exterior_do端子接低电平，Ddo端子接高电平，当该IC处于扩展状态时，Do’输出低电平，当该IC处于不扩展状态时，Do’输出低电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_do端子接高阻态，或者Ddo端子接低电平，或者exterior_do端子接高阻态，同时Ddo端子接低电平，当该IC处于扩展状态时，Do’输出高阻态，当该IC处于不扩展状态时，Do’输出高电平。根据上述定义，IC正常态和保护态时的输入信号与输出信号的对照表如下：

在过充电逻辑处理时，定义当IC处于正常态时，输入信号exterior_co端子接低电平，Dco端子接高电平，当该IC处于扩展状态时，Co’输出低电平，当该IC处于不扩展状态时，Co’输出低电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_co端子接高阻态，或者Dco端子接低电平，或者exterior_co端子接高阻态，同时Dco端子接低电平，当该IC处于扩展状态时，Co’输出高阻态，当该IC处于不扩展状态时，Co’输出高阻态。根据上述定义，IC正常态和保护态时的输入信号与输出信号的对照表如下，为了保证该IC在不扩展状态，且该IC进入保护态时，根据Co’的输出信号可以关断外接的PMOS管，将该IC的Co’端子的高阻态通过一电平转换装置，如上拉电阻等，转换为高电平：

IC正常态时，扩展放电信号输入端子exterior_do的输入为低电平，经由PMOS管、NMOS管以及反相器构成的电平移位装置完成电平移位后，输出低电平。同时当IC处于扩展状态时，k1端子接低电平，当该IC处于电池保护集成电路的最上面时，其k2端子悬浮或者接高电平，否则其k2端子接低电平。k1端子的低电平经反相器反相后，输出高电平，该高电平与exterior_do端子转化的低电平进行与非逻辑运算后，输出高电平，同内部Do信号输入端子Ddo(正常态为高电平)进行逻辑与非运算后，输出低电平，再通过反相器输出高电平，使其控制的NMOS管M3导通，从而使Do’输出端子输出低电平。同理，Co’输出端子输出为低电平。当IC处于不扩展状态时，k1端子悬浮或者接高电平，k2端子悬浮或接高电平。通过k2端子控制该IC的输出为CMOS输出，即k2端子的低电平使PMOS管M5不导通，同时k1端子的高电平经反相器反相后，输出低电平，该低电平与exterior_do端子转化的低电平进行与非逻辑运算后，输出高电平，同内部Do信号输入端子Ddo(正常态为高电平)进行逻辑与非运算后，输出低电平，再通过反相器输出高电平，使其控制的NMOS管M3导通，从而使Do’输出端子输出低电平。

IC处于保护态时，即当IC的内部Do信号输入端子Ddo为低电平，或者IC扩展放电信号输入端子exterior_do为高阻态时，电池保护集成电路进入过放电保护态；IC的内部Co信号输入端子Dco为低电平，或者IC扩展充电信号输入端子exterior_co高阻态时，电池保护集成电路进入过充电保护态。由于电路进入过充电保护态和电路进入过放电保护态的原理相同，且当由于因内部Do信号输入端子Ddo为低电平或者扩展放电信号输入端子exterior_do为高阻态而使电池保护集成电路进入保护态的原理相同，在此以扩展放电信号输入端子exterior_do为高阻态，使电池保护集成电路进入过放电保护态为例，说明IC处于保护态的原理。

扩展放电信号输入端子exterior_do的输入为高阻态，经上拉电阻R1转变为高电平，再经由PMOS管、NMOS管以及反相器构成的电平移位装置完成电平移位后，输出高电平。当IC处于扩展状态时，k1端子接低电平，当该IC处于电池保护集成电路的最上面时，其k2端子悬浮或者接高电平，否则其k2端子接低电平。k1端子的低电平经反相器反相后，输出高电平，将该高电平与exterior_do端子转换的高电平进行与非逻辑运算后，输出低电平，同内部Do信号输入端子Ddo进行逻辑与非运算后，输出高电平，再通过反相器输出低电平，使其控制的NMOS管M3关断，从而使Do’输出端子输出高阻态。同理，Co’输出端子输出为高阻态。当该IC处于不扩展状态时，k1端子悬浮或者接高电平，k2端子悬浮或接高电平，其原理如上，在此不再赘述。

图5b示出了本发明第二实施例提供的信号为下传方向的扩展连接模块的具体实现电路。

在信号传递方向为下传方式时，外接NMOS管的通断由最下面一个IC的输出控制，定义当IC处于正常态时，输入信号exterior_do端子接高电平，Ddo端子接高电平，当该IC处于扩展状态时，Do’输出高电平，当该IC处于不扩展状态时，Do’输出高电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_do端子接高阻态，或者Ddo端子接低电平，或者exterior_do端子接高阻态，同时Ddo端子接低电平，当该IC处于扩展状态时，Do’输出高阻态，当该IC处于不扩展状态时，Do’输出低电平。根据上述定义，在过放电逻辑处理时，IC正常态和保护态时的输入信号与输出信号的对照表如下：

在过充电逻辑处理时，定义当IC处于正常态时，输入信号exterior_co端子接高电平，Dco端子接高电平，当该IC处于扩展状态时，Co’输出高电平，当该IC处于不扩展状态时，Co’输出高电平；当IC处于保护态时，输入信号exterior_co端子接高阻态，或者Dco端子接低电平，或者exterior_co端子接高阻态，同时Dco端子接低电平，当该IC处于扩展状态时，Co’输出高阻态，当该IC处于不扩展状态时，Co’输出低电平。根据上述定义，IC正常态和保护态时的输入信号与输出信号的对照表如下，为了保证该IC在不扩展状态时，当该IC进入保护态时，根据Co’的输出信号可以关断外接的NMOS管，将该IC的Co’端子的高阻态通过一电平转换装置，如下拉电阻，转换为低电平：

IC正常态时，扩展放电信号输入端子exterior_do的输入为高电平，经由PMOS管、NMOS管构成的电平移位装置完成电平移位后输出低电平。当该IC处于扩展状态时，k1端子接低电平，当该IC处于电池保护集成电路的最上面时，其k2端子悬浮或者接高电平，否则其k2端子接低电平。k1端子的低电平经反相器反相后，输出高电平，该高电平与exterior_do端子转换后的低电平进行与非逻辑运算后，输出高电平，同内部Do信号输入端子Ddo(正常态为高电平)进行逻辑与非运算后，输出低电平，使其控制的PMOS管M5导通，从而使Do’输出端子输出高电平。同理，Co’输出端子输出为高电平。当该IC处于不扩展状态时，k1端子悬浮或者接高电平，k2端子悬浮或接高电平，其原理同上，在此不再赘述。

IC处于保护态时，即当IC的内部Do信号输入端子Ddo为低电平，或者IC扩展放电信号输入端子exterior_do为高阻态时，电池保护集成电路进入过放电保护态；IC的内部Co信号输入端子Dco为低电平，或者IC扩展充电信号输入端子exterior_co高阻态时，电池保护集成电路进入过充电保护态。由于电路进入过充电保护态和电路进入过放电保护态的原理相同，且当由于因内部Do信号输入端子Ddo为低电平，或者扩展放电信号输入端子exterior_do为高阻态，而使电池保护集成电路进入保护态的原理相同，在此以扩展放电信号输入端子exterior_do为高阻态，而使电路进入过放电保护态为例，说明IC处于保护态的原理。

扩展放电信号输入端子exterior_do的输入为高阻态，经下拉电阻R1转变为低电平，再经由PMOS管、NMOS管构成的电平移位装置完成电平移位后输出高电平。当该IC处于扩展状态时，k1端子接低电平，当该IC处于电池保护集成电路的最上面时，其k2端子悬浮或者接高电平，否则其k2端子接低电平。k1端子的低电平经反相器反相后，输出高电平，该高电平与exterior_do端子转换后的高电平进行与非逻辑运算后，输出低电平，同内部Do信号输入端子Ddo进行逻辑与非运算后，输出高电平，使其控制的PMOS管M5不导通，从而使Do’输出端子输出高阻态。同理，Co’输出端子输出为高阻态。当该IC处于不扩展状态时，k1端子悬浮或者接高电平，k2端子悬浮或接高电平，其原理同上，在此不再赘述。

图6a示出了本发明实施例提供的信号传递方向为上传方式的电池保护集成电路的扩展连接原理，以一个四节电池组串联应用保护集成电路配接一扩展连接模块的IC和一个三节电池组串联应用保护集成电路配接一扩展电路的IC为例进行详细说明。

三节电池组串联应用保护电路模块的co端、do端分别与其配接的扩展连接模块的Dco端、Ddo端连接，使三节电池组串联应用保护电路模块与其配接的扩展连接模块构成一个三节电池保护IC。该三节电池保护IC的VC1引脚、VC2引脚、VC3引脚分别与电池1、电池2、电池3的正极连接，用于采集各电池的充电电压或放电电压。Co1引脚和Do1引脚分别外接控制充放电回路的MOS管，通过Co1引脚和Do1引脚的输出控制充放电回路的通断，实现电池过充电和过放电保护。信号传递方向为上传方式时，Co1引脚和Do1引脚通过外接PMOS管控制充放电回路。同时Co1引脚通过电阻与电源正极连接，将Co1端子的高阻态上拉为高电平。K1引脚为该三节电池保护IC的上面一个多节电池保护IC的扩展选择控制端子，在此例中，由于该三节电池保护IC的上面没有其它电池保护IC，表示该三节电池保护IC处于不扩展状态，相当于K1引脚接低电平或者悬浮。VM1引脚为三节电池保护IC的过流检测端子，其与正电源连接。VCC1引脚为三节电池保护IC的正电源输入端子，其与正电源连接。

四节电池组串联应用保护电路模块的co端、do端分别与其配接的扩展连接模块的Dco端、Ddo端连接，使四节电池组串联应用保护电路模块与其配接的扩展连接模块构成一个四节电池保护IC。该四节电池保护IC的VC1引脚、VC2引脚、VC3引脚、VC4引脚分别与电池4、电池5、电池6、电池7的正极连接，用于采集各电池的充电电压或放电电压。VCC引脚为该四节电池保护IC的正电源输入端子。K引脚为该四节电池保护IC的上面一个多节电池保护IC(在此例中为上述三节电池保护IC)的扩展选择控制端子，即该四节电池保护IC处于扩展状态，相当于K引脚接高电平。VM引脚为该四节电池保护IC的过流检测端子。Exterior_Do引脚和Exterior_Co引脚分别为四节电池保护IC的下面一个多节电池保护IC的过放电扩展应用输入端子和过充电扩展应用输入端子，在此例中，由于该四节电池保护IC下面不存在其它电池保护IC，该Exterior_Do引脚和Exterior_Co引脚悬浮，即该Exterior_Do引脚和Exterior_Co引脚悬浮的输入都为高阻态。四节电池保护IC的扩展应用放电控制输出端子Do和扩展应用充电控制输出端子Co分别与三节电池保护IC的扩展应用输入端子Exterior_Do1引脚和扩展应用输入端子Exterior_Co1引脚连接，以将该四节电池保护IC的状态传输到三节电池保护IC，三节电池保护IC的扩展连接模块根据扩展信号输入端子Exterior_Co1引脚和Exterior_Do1引脚的状态、内部信号输入端子Dco端子和Ddo端子的状态以及K1输入端子的状态进行逻辑判断，通过该逻辑判断结果控制外接的PMOS管的通断，从而控制充放电回路通断，实现电池的过充电、过放电以及过电流的保护。

在本例中，三节电池保护IC和四节电池保护IC通过各自配接的扩展连接模块连接后，在过放电保护时，根据各输入端子的状态，经过逻辑判断的输出状态对照表如下所示：

其中Ddo是四节电池保护IC的扩展连接模块的Ddo端子，Ddo1是三节电池保护IC的扩展连接模块的Ddo端子。

同理，在过充电保护时，根据各输入端子的状态，经过逻辑判断的输出状态对照表如下所示，当Co1的输出为高阻态时，通过Co1端子与电源正极之间的上拉电阻，将Co1端子输出的高阻态转换为高电平，以关断外接的PMOS管：

其中Dco是四节电池保护IC的扩展连接模块的Dco端子，Dco1是三节电池保护IC的扩展连接模块的Dco端子。

由于过充电保护与过放电保护的电路原理相同，在此以过放电的电路原理对本发明实施例提供的电池保护电路的进行说明。

当任何一节电池电压都未达到过放电检测电压额定值时，则该电池保护电路处于正常态。此时K输入端子为1，Exterior_Do端子悬浮，为高阻态，Ddo端子为1，四节电池保护IC根据上述输入进行逻辑判断，使扩展输出端子Do为高阻态，从而扩展输入端子Exterior_Do1为高阻态，K1端子为0，Ddo1端子为1，三节电池保护IC对上述输入进行逻辑判断，使扩展输出端子Do1为低电平，从而使其外接的PMOS管导通，进行正常的电池放电。

当四节电池保护IC监控的任何一节电池的电压达到过放电检测电压的额定值时，该电池保护电路处于保护态。此时K输入端子为1，Exterior_Do端子悬浮，为高阻态，Ddo端子为0，四节电池保护IC根据上述输入进行逻辑判断，使扩展输出端子Do为0，从而扩展输入端子Exterior_Do1为0。同时当三节电池保护IC监控的任何一节电池的电压都未达到过放电检测电压的额定值时，K1端子为0，Ddo1端子为1，三节电池保护IC对扩展输入端子Exterior_Do1、KI端子以及Ddo1端子的输入进行逻辑判断，使扩展输出端子Do1为高电平，关断其外接的PMOS管，从而关断该电池保护电路的放电回路，达到电池过放电保护。

当四节电池保护IC监控的任何一节电池的电压都未达到过放电检测电压的额定值，而三节电池保护IC监控的任何一节电池的电压达到过放电检测电压的额定值时，或者当四节电池保护IC监控的任何一节电池的电压达到过放电检测电压的额定值，且三节电池保护IC监控的任何一节电池的电压达到过放电检测电压的额定值时，根据上述逻辑判断原理，扩展输入端子Do1为高电平，关断其外接的PMOS管，从而关断该电池保护电路的放电回路，达到电池过放电保护。

图6b示出了本发明实施例提供的信号传递方向为下传方式的一个四节电池组串联应用保护集成电路配接一扩展连接模块的IC和一个三节电池组串联应用保护集成电路配接一扩展电路的IC组成的电池保护集成电路的扩展连接原理。

由于信号传递方向为下传方式，则三节电池保护IC处于扩展状态，其扩展选择控制端子K1接高电平，其扩展应用输入端子Exterior_Do1和Exterior_Co1悬浮，为高阻态，其扩展输出端子Do1和Co1分别与四节电池保护IC的扩展应用输入端子Exterior_Do和Exterior_Co连接，其余引脚的连接同信号传递方向为上传方式。四节电池保护IC处于不扩展状态，其扩展选择控制端子K接低电平，其扩展输出端子Do和Co分别外接一控制充放电回路的NMOS管。同时Co引脚通过电阻与电源负极连接，将Co端子的高阻态下拉为低电平。其工作原理与信号传递方向为上传方式相同，在此不再赘述。

可以理解，在实际应用时，可以根据需要选取不同类型的带上述扩展连接模块的IC进行连接，以实现任意节电池串联组的保护。

在本发明实施例中，通过为每一个多节电池组串联应用保护集成电路模块配接一扩展连接模块构成一个多节电池保护IC，以将多个这样的多节电池保护IC连接构成电池保护集成电路，每个电池保护IC对其内部输入信号、扩展输入信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算，依次进行，最后根据该电池保护集成电路的最上面一个多节电池保护IC或者最下面一个多节电池保护IC的扩展输出控制外接的MOS管的通断，以控制电池充放电回路的通断，从而实现任意节电池的保护

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种多节串联电池组保护电路，包括一个或多个多节电池保护芯片，以及由所述一个或多个多节电池保护芯片控制的充电控制开关和放电控制开关，其特征在于，第一多节电池保护芯片包括多节电池组串联应用保护集成电路模块和第一扩展连接模块，所述多节电池组串联应用保护集成电路模块的输入端与相应单体电池的正负极连接，其输出端分别与所述第一扩展连接模块的内部信号输入端连接，所述第一扩展连接模块的扩展信号输入端与扩展信号输出端连接，所述扩展信号输出端是与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的第二扩展连接模块的扩展信号输出端，所述第一扩展连接模块的扩展信号输出端分别与所述充电控制开关和放电控制开关连接，所述第一多节电池保护芯片通过扩展选择控制信号处理模块处理输入所述第一多节电池保护芯片的扩展选择控制信号。

2.如权利要求1所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，所述第一扩展连接模块包括：

扩展信号处理模块，用于将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展输出信号处理为所述第一多节电池保护芯片可以识别的扩展输入信号；

扩展选择控制信号处理模块，用于将所述第一多节电池保护芯片的扩展选择控制信号处理为所述第一多节电池保护芯片可以识别的扩展选择控制信号；

逻辑处理模块，用于对所述内部输入信号、扩展输入信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算；

输出级模块，用于根据所述逻辑处理模块的逻辑运算结果输出扩展输出信号。

3.如权利要求2所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，所述扩展信号处理模块包括：

扩展充电信号处理模块，用于将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展充电输出信号处理为所述第一多节电池保护芯片可以识别的扩展充电输入信号；

扩展放电信号处理模块，用于将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展放电输出信号处理为所述第一多节电池保护芯片可以识别的扩展放电输入信号。

4.如权利要求2所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，所述多个多节电池保护芯片通过各自的扩展连接模块连接时采用信号上传方式或者信号下传方式连接，采用信号上传方式连接时，所述充电控制开关和放电控制开关采用PMOS管，采用信号下传方式连接时，所述充电控制开关和放电控制开关采用NMOS管。

5.如权利要求4所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，当所述多个多节电池保护芯片通过各自的扩展连接模块采用信号上传方式连接时，

所述扩展信号处理模块通过上拉电阻和电平移位装置，将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展输出信号的高阻态，上拉为高电平；

逻辑处理模块通过由传输门构成的路径选择器选择路径，由与非门或与门对所述内部输入信号、扩展输出信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算。

6.如权利要求4所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，当所述多个多节电池保护芯片通过各自的扩展连接模块采用信号下传方式连接时，

所述扩展信号处理模块通过下拉电阻和电平移位装置，将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展输出信号的高阻态，下拉为低电平；

逻辑处理模块通过由传输门构成的路径选择器选择路径，由与非门或与门对所述内部输入信号、扩展输出信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算。

7.如权利要求4所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，当所述多个多节电池保护芯片通过各自的扩展连接模块采用信号上传方式连接时，

所述扩展信号处理模块通过上拉电阻和电平移位装置，将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展输出信号的高阻态，上拉为高电平；

逻辑处理模块通过由MOS管选择路径，由或非门或者或门对所述内部输入信号、扩展输出信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算。

8.如权利要求4所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，当所述多个多节电池保护芯片通过各自的扩展连接模块采用信号下传方式连接时，

所述扩展信号处理模块通过下拉电阻和电平移位装置，将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展输出信号的高阻态，下拉为低电平；

逻辑处理模块通过MOS管选择路径，由或非门或者或门对所述内部输入信号、扩展输出信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算。

9.如权利要求4所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，当所述多个多节电池保护芯片通过各自的扩展连接模块采用信号上传方式连接时，

所述扩展选择控制信号处理模块包括第一输入端和第二输入端，所述最下面的多节电池保护芯片的第一输入端接高电平或者悬浮，其余多节电池保护芯片的第一输入端接低电平，所述最上面的多节电池保护芯片的第二输入端接高电平或者悬浮，其余多节电池保护芯片的第二输入端接低电平；

所述扩展信号处理模块通过上拉电阻和电平移位装置，将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展输出信号的高阻态，上拉为高电平；

所述逻辑处理模块通过与非门或者与门对所述内部输入信号、扩展输出信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算。

10.如权利要求4所述的多节串联电池组保护电路，其特征在于，当所述多个多节电池保护芯片通过各自的扩展连接模块采用信号下传方式连接时，

所述扩展选择控制信号处理模块包括第一输入端和第二输入端，所述最上面的多节电池保护芯片的第一输入端接高电平或者悬浮，其余多节电池保护芯片的第一输入端接低电平，所述最下面的多节电池保护芯片的第二输入端接高电平或者悬浮，其余多节电池保护芯片的第二输入端接低电平；

所述扩展信号处理模块通过下拉电阻和电平移位装置，将与所述第一多节电池保护芯片连接的第二多节电池保护芯片的扩展输出信号的高阻态，下拉为低电平；

所述逻辑处理模块通过与非门或者与门对所述内部输入信号、扩展输出信号以及扩展选择控制信号进行逻辑运算。

11.一种多节串联电池组保护方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

每个多节电池保护芯片根据其监测的电池的状态产生标志电池状态的内部输出信号；

每个多节电池保护芯片根据其内部输出信号、其扩展选择控制信号以及与其相邻的多节电池保护保护芯片的扩展输出信号进行逻辑判断；

根据最后一个多节电池保护芯片的逻辑判断结果控制电池充放电回路的通断。

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