專利名稱：電池控制保護集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電池保護電路，特別是含智能復(fù)合脈沖充、放電控制技術(shù)的電池控制保護集成電路。
背景技術(shù)：
目前，具有代表性的鋰離子電池，具有高能量密度、重量輕、高內(nèi)阻、高電池電壓、循環(huán)次數(shù)長、自放電率低等優(yōu)點。離子電池已成為筆記本電腦和手持系統(tǒng)產(chǎn)品能量來源(電源)的首選。但是，鋰離子電池在制造技術(shù)和使用上存在如下問題1、國外具有代表性鋰離子電池控制保護集成電路，均采用直流充電；充、放電控制方式，均采用直流控制，使檢測控制精度低(±45-60mv)；保護功能不全。
2、鋰離子電池充電時，充電電壓過高；充電電流過大(造成鋰電鍍效應(yīng)，從而引起發(fā)熱)；在過高或過低的溫度下充電；不能及時地終止充電過程；過度放電等五種途徑直接危害鋰離子電池的使用壽命和使用安全。
3、鋰離子電池充電方式，大多數(shù)采用直流充電方式，充電效率低、充電時間長、電池溫升快、充不到額定容量、產(chǎn)品待機時間短，直接影響電池的使用壽命或損壞電池。
4、鋰離子電池對充、放電時的控制保護措施要求高，如果用分立元件設(shè)計保護器，電路將十分復(fù)雜，只有用專用集成電路才能勝任。目前，國內(nèi)筆記本電腦和手持系統(tǒng)產(chǎn)品鋰離子電池控制保護集成電路，依賴進口國外鋰電池保護集成塊。
實用新型內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有電池保護技術(shù)的不足，集二十多年研制生產(chǎn)各類充電器的經(jīng)驗，集國內(nèi)外相關(guān)集成電路的優(yōu)點，新近研制成功電池控制保護集成電路，具有獨特的復(fù)合脈沖充、放電控制技術(shù)，復(fù)合脈沖涓流充電控制技術(shù)，零電壓充電檢測控制技術(shù)，窗口溫度控制技術(shù)，較好地解決了上述問題，可以消除電池的記憶效應(yīng)和極化效應(yīng)，使電池充、放電控制精度高、充電效率高、溫升低、排氣少，提高充電效率30％以上，延長電池待機時間和使用壽命，保護功能齊全，使用范圍廣泛。具有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補國內(nèi)空白，超過國外同類產(chǎn)品先進水平。
電池控制保護集成電路，包括電壓檢測器A1～A4；充電電流檢測控制器A5；放電電流檢測控制器A6；窗口溫度檢測控制器A7；充電控制器A8；放電控制器A9；低溫充電控制器A10；零電壓檢測控制器A11；溫度檢測控制器A12；復(fù)合脈沖發(fā)生器A13；中心處理控制器A14，其特征在于電壓檢測器A1～A4分別與中心處理控制器A14連接；充電電流檢測控制器A5與中心處理控制器A14連接；放電電流檢測控制器A6與中心處理控制器A14連接；窗口溫度檢測控制器A7與中心處理控制器A14連接；充電控制器A8與中心處理控制器A14連接，并受控于復(fù)合脈沖發(fā)生器A13；放電控制器A9分別受中心處理控制器A14和復(fù)合脈沖發(fā)生器A13的控制；低溫充電控制器A10分別受中心處理控制器A14和復(fù)合脈沖發(fā)生器A13的控制；零電壓檢測控制器A11分別受中心處理控制器A14和復(fù)合脈沖發(fā)生器A13的控制；溫度檢測控制器A12與中心處理控制器A14連接；復(fù)合脈沖發(fā)生器A13受中心處理控制器A14的控制，復(fù)合脈沖發(fā)生器A13分別控制充電控制器A8、放電控制器A9、低溫充電控制器A10、零電壓檢測控制器A11；中心處理控制器A14分別接受電壓檢測器A1～A4、充電電流檢測控制器A5、放電電流檢測控制器A6、窗口溫度檢測控制器A7、溫度檢測控制器A12的電壓信號，中心處理控制器A14分別控制充電控制器A8、放電控制器A9、低溫充電控制器A10、零電壓檢測控制器A11、復(fù)合脈沖發(fā)生器A13。
復(fù)合脈沖充電技術(shù)，本技術(shù)的核心是在充電器直流電壓加入時，智能控制產(chǎn)生充電復(fù)合脈沖群。即充電器的直流充電電壓經(jīng)端子VDD和端子AGND加入時，同時經(jīng)電阻R52加給三極管Q4、電阻R50、電容C3、與非門IC5B、與非門IC5A、與非門IC5C、與非門IC5D、三極管Q3、二極管D18組成的復(fù)合脈沖發(fā)生器A13，智能控制產(chǎn)生不同種類、不同幅度、不同頻率的充電復(fù)合脈沖群，經(jīng)電阻R57加給三極管Q6、經(jīng)電阻R58、場效應(yīng)管Q9充電控制器A8對電池進行復(fù)合脈沖充電。
復(fù)合脈沖充、放電控制技術(shù)，本技術(shù)的核心為根據(jù)充、放電過程中電流、電壓、溫度的動態(tài)參數(shù)變化，實時調(diào)整充電復(fù)合脈沖的組合方式，自動調(diào)整充電復(fù)合脈沖的頻率、幅度和周期(充電電壓、電流的有效值)。即電池(組)電壓信號通過電阻R1、電阻R2、電阻R3加給運放IC1A(其它三個通道相同)，經(jīng)二極管D1、電阻R37加給運放IC3A鑒別確認(rèn)后，經(jīng)電阻R44、電阻R46和二極管D8、二極管D11及電阻R40、二極管D12、二極管D14、電阻R41分別控制三極管Q3、與非門IC5A、與非門IC5B、與非門IC5C、與非門IC5D、三極管Q4、二極管D18組成的復(fù)合脈沖發(fā)生器A13；控制三極管Q6、場效應(yīng)管Q9進行大電流或三極管Q7復(fù)合脈沖涓流充電。三極管Q2電池溫度電壓信號通過電阻R28、電阻R29、電阻R26加給運放IC4A分別控制三極管Q6、場效應(yīng)管Q9充電和三極管Q5、場效應(yīng)管Q8放電的主通道，或接通三極管Q7涓流充電的通道。
復(fù)合脈沖涓流充電控制技術(shù)，本技術(shù)的核心為在電池正常充電初始或過程結(jié)束時，采用復(fù)合脈沖涓流充電方式。即電池(組)電壓信號通過電阻R1、電阻R2、電阻R3加給運放IC1A(其它三個通道相同)，經(jīng)二極管D1、電阻R37加給運放IC3A鑒別確認(rèn)單只鋰電池電壓低于2.4V，經(jīng)二極管D12、三極管Q6、電阻R43控制場效應(yīng)管Q9斷開大電流充電通道；接通三極管Q7復(fù)合脈沖涓流充電通道。當(dāng)電阻R19的電流信號經(jīng)電阻R18、電阻R20加給運放IC2A檢測確認(rèn)充電電流小到1/10以下時，控制信號通過運放IC2A、二極管D5、電阻R37、運放IC3A、三極管Q6、電阻R43控制場效應(yīng)管Q9斷開大電流充電通道；接通三極管Q7復(fù)合脈沖涓流充電通道。
電池控制保護集成電路工作原理在圖-2所示的筆記本電腦用智能鋰電池電原理圖中，當(dāng)鋰電池組的電壓經(jīng)1.2.3.4角接入并經(jīng)運放IC1A～IC4A檢測到鋰電池組大于9.6V或單只鋰電池電壓大于2.4V時，智能鋰電池處于正常工作狀態(tài)(可以放電工作，也可以被充電)1.放電工作，則放電電流最大值被放電電流檢測控制器A6限制在設(shè)定的最大值以下；當(dāng)智能鋰電池放電電壓經(jīng)運放IC1A～IC4A高精確度檢測達到放電下限電壓值(鋰電池組電壓等于、小于10.8V，或任何一只鋰電池電壓等于、小于2.4V)時，集成電路FLB-ZB0010A將通過場效應(yīng)管Q8放電控制器關(guān)斷鋰電池組的輸出，以保護鋰電池組不會因過放電而永久性損壞；當(dāng)放電工作時，若三極管Q3、三極管Q4溫度檢測控制器檢測到鋰電池溫度超過45℃，集成電路FLB-ZB0010A將通過中心處理控制器A14、復(fù)合脈沖發(fā)生器A13把放電電流變成間歇的脈沖電流，以保護鋰電池不會因高溫而損壞；2.充電工作，則首先由窗口溫度檢測控制器A7檢測鋰電池的溫度運放IC1A～IC4A檢測鋰電池的單只電壓(1)、若溫度在2.5℃～45℃之間、單只電壓大于2.4V，則充電電流最大值被充電電流檢測控制器A5限制在設(shè)定的最大值以下，鋰電池組進入正?？焖俪潆姞顟B(tài)；(2)、若溫度在小于2.5℃或大于45℃的區(qū)間、單只鋰電池電壓低于2.4V，則集成電路FLB-ZB0010A通過中心處理控制器A14、復(fù)合脈沖發(fā)生器A13將充電電流限制在復(fù)合脈沖涓流充電狀態(tài)，直到鋰電池的溫度上升到大于2.5℃、單只鋰電池電壓大于2.4V，集成電路FLB-ZB0010A將控制鋰電池組的充電進入正常復(fù)合脈沖恒流快速充電狀態(tài)；(3)、若鋰電池組的電壓接近零伏，則集成電路FLB-ZB0010A將通過零電壓檢測控制器A11使鋰電池組的充電進入復(fù)合脈沖涓流充電狀態(tài)，直到每只單只電池的電壓都高于2.4V，再進入正常復(fù)合脈沖快速充電狀態(tài)；(4)、當(dāng)鋰電池組中單只電池電壓經(jīng)運放ICA1～ICA4高精度檢測，達到4.1V(4.2V)時，轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)，此時中心處理控制器A14會根據(jù)運放IC1A～IC4A高精度檢測單只鋰電池實時電壓，通過3復(fù)合脈沖發(fā)生器A1和充電控制器A8控制復(fù)合脈沖充電電流的組成及有效值，使單只鋰電池的電壓精確地控制在4.1V(或4.2V)±20mV，既保證了鋰電池充電的安全，又能使鋰電池充到最大的容量，解決了鋰電池在安全充電的前題下很難充滿的難題；(5)、如上所述的充電過程中，集成電路FLB-ZB0010A采用了四階段快速充電算法，第一階段為復(fù)合脈沖涓流充電，此階段一般可充進鋰電池容量的3％～5％；第二階段為復(fù)合脈沖快速充電，此階段可充進鋰電池的容量一般控制在85％左右；第三階段為復(fù)合脈沖恒壓充電，此階段應(yīng)完成鋰電池的完全充電；第四階段為復(fù)合脈沖涓流浮充電，補充電池的自放電；(6)、零電壓檢測控制器A11，不但解決了電池組極低電壓下不能充電，或者一但充電，因壓降大、使功耗增大而損壞調(diào)整管和充電器的問題；可以使有的極低電壓下的電池組，經(jīng)過復(fù)合脈沖涓流充電后，電壓升高從而進入正常的復(fù)合脈沖快速充電狀態(tài)，而獲得新生，具有修復(fù)電池作用。
電池控制保護集成電路，集國內(nèi)外相關(guān)集成電路的優(yōu)點，并有獨特的智能復(fù)合脈沖充、放電電壓、電流控制技術(shù)，復(fù)合脈沖涓流充電控制技術(shù)，零電壓充電檢測控制技術(shù)，窗口溫度控制技術(shù)。具有充電效率高、溫升低、排氣少，可以消除電池的記憶效應(yīng)和極化效應(yīng)，延長電池待機時間和使用壽命，保護功能齊全，使用范圍廣泛，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補國內(nèi)空白，超過國外同類產(chǎn)品先進水平。主要表現(xiàn)在1.采用智能復(fù)合脈沖技術(shù)控制充電電流和充電電壓；2.精確的充、放電電壓和電池溫度檢測、控制；3.精確的窗口溫度控制；4.連續(xù)地監(jiān)測電池過壓、欠壓、過流、過熱、過充電、過放電故障；5.靈敏而穩(wěn)定的充、放電最高電壓、最低電壓、最大電流、最小電流、最高溫度、最低溫度的調(diào)整、設(shè)定；6.可靠的過熱保護、低溫保護、過充電保護、過放電保護、過流保護、短路保護等多重保護；7.實用的零電壓充電檢測；8.集成度高、外圍元件少、體積小、多功能、高可靠；9.4只顯示電池LED充、放電的實時容量；10.適用于作1-4只(可根據(jù)需要增加控制接口)鋰離子電池(組)、鎳氫電池(組)、鎘鎳電池(組)及鉛酸蓄電池(組)等的智能保護。
主要技術(shù)指標(biāo)(以鋰電池為例)1.充電電壓≥直流電壓DC3V(任意設(shè)定，連續(xù)可調(diào))；2.充電上限電壓4.1V±20mV(4.2V±20mV)(任意設(shè)定，連續(xù)可調(diào))；
3.放電電壓≥直流電壓DC2.4V(任意設(shè)定，連續(xù)可調(diào))；4.單只鋰電池放電下限電壓2.4V；5.充電電流10mA-幾十安培(任意設(shè)定，連續(xù)可調(diào))；6.放電電流10mA-幾十安培(任意設(shè)定，連續(xù)可調(diào))；7.工作溫度-10℃-55℃；8.涓流充電溫度≤2.5℃或≥45℃；9.保護溫度≥45℃；10.電壓調(diào)節(jié)精度≤5‰；11.電流調(diào)節(jié)精度≤5‰；12.溫度調(diào)節(jié)精度≤0.1℃；
圖1所示電池控制保護集成電路原理方框圖；圖2所示筆記本電腦用智能鋰電池電原理圖；圖3所示集成電路FLB-ZB0010A鋰離子電池控制保護集成電路原理圖。
具體實施方式
集成電路FLB-ZB0010A鋰離子電池控制保護集成電路舉例在圖3所示的原理電路中，運放IC1A、運放IC1B、運放IC1C、運放IC1D為高精度差動放大器，用以檢測鋰電池組中每一只鋰電池的實時電壓(充電、放電、靜止?fàn)顟B(tài))。當(dāng)檢測到一只鋰電池的實時電壓低于2.4V時，經(jīng)運放IC3A鑒別確認(rèn)后，關(guān)斷電池組放電通路控制器場效應(yīng)管Q8，接通涓流充電通路控制器Q7，此時只準(zhǔn)對鋰電池組涓流充電，而不能放電，從而保護了鋰電池組不致于因過放電而損壞；當(dāng)運放IC1A、運放IC1B、運放IC1C、運放IC1D檢測到每只鋰電池的電壓均在大于2.4V、小于4.1V(或4.2V)時，則通過運放IC3A鑒別確認(rèn)后，接通主通道中的充、放電控制器場效應(yīng)管Q9、場效應(yīng)管Q8，鋰電池組處于正常的充、放電狀態(tài)；運放IC2A為充電電流檢測控制器，當(dāng)充電電流流經(jīng)電阻R19時產(chǎn)生的壓降大于預(yù)先設(shè)定的電壓(由電阻R20設(shè)定)，則運放IC2A通過與非門IC5A、與非門IC5B、與非門IC5C、與非門IC5D、IC3B等復(fù)合脈沖發(fā)生控制器，使充電電流的組成發(fā)生變化，并控制充電電流不得超過預(yù)先設(shè)定的最大值；運放IC2B為放電電流檢測控制器，同樣，當(dāng)鋰電池組的放電電流大于預(yù)先設(shè)定的值(由電阻R17設(shè)定)，則運放IC2B通過運放IC3A的鑒別確定后，關(guān)斷放電通路中的控制器場效應(yīng)管Q8，以保護鋰電池組的放電安全；運放IC4A及外圍電路組成橋式窗口溫度檢測控制器，利用靠近電池安裝的硅三極管(接成二極管狀態(tài))的溫度特性改變電橋的平衡，從而達到高、低溫控制的目的。當(dāng)溫度高于45℃或低于2.5℃時，運放IC4A控制場效應(yīng)管Q9、場效應(yīng)管Q8切斷充、放電的主通道，接通三極管Q7涓流充電的的通道。運放IC4B為45℃高溫保護器，其工作原理與運放IC4A相似，主要用于鋰電池的高溫保護，確保鋰電池在危害最大的超高溫區(qū)(大于45℃)，關(guān)斷充、放電通道，以避免發(fā)生鋰電池過充電、過放電而導(dǎo)致高溫爆炸的危險；運放IC3A為控制總線下的放電控制，運放IC3B為控制總線上的充電控制，均接收控制總線上的電壓、電流、溫度等信息，經(jīng)檢測鑒別，控制充、放電通道中的充、放電控制器場效應(yīng)管Q9、場效應(yīng)管Q8的通、斷，確保鋰電池組安全、可靠地進行充、放電；與非門IC5A、與非門IC5B、與非門IC5C、與非門IC5D組成受控復(fù)合脈沖發(fā)生器，在控制總線、三極管Q3、運放IC3B、二極管D18等的控制下，產(chǎn)生不同的復(fù)合脈沖。
在鋰電池組的正負(fù)極接上充電器進行充電時，若運放IC1A、運放IC1B、運放IC1C、運放IC1D和運放IC4A、運放IC4B檢測電池電壓高于每只2.4V、溫度高于2.5℃、低于45℃時，控制充、放電控制器場效應(yīng)管Q9、場效應(yīng)管Q8的接通，在運放IC2A所限定的最大電流下復(fù)合脈沖恒流充電，直到單只鋰電池的電壓達到4.1V(或4.2V，)時。與非門IC5A、與非門IC5B、與非門IC5C、與非門IC5D在運放IC3B和三極管Q3根據(jù)控制總線的信息的控制下，產(chǎn)生不同的充電復(fù)合脈沖，準(zhǔn)確的將單只鋰電池電壓控制在4.1V(或4.2V)，復(fù)合脈沖充電電流越來越小，直到小于正常充電電流的1/10以下，三極管Q7將會產(chǎn)生涓流充電電流進行浮充電。
若單只鋰電池電壓低于2.4V、溫度低于2.5℃時，則充、放電控制器場效應(yīng)管Q9、場效應(yīng)管Q8的斷開，鋰電池組在涓流安全充電下，電壓逐漸升高，溫度逐漸升高，直到鋰電池電壓和溫度達到正常充電的數(shù)值后，鋰電池組進入上述正常的復(fù)合脈沖快速充電狀態(tài)。
鋰電池組放電時，在預(yù)先設(shè)定的最大電流值以下正常放電，直到單只鋰電池放電電壓達到2.4V時，自動斷開放電控制器場效應(yīng)管Q8，使放電停止，以保護鋰電池組不因過放電而損壞。
圖-3元器件清單

圖-3元器件清單
權(quán)利要求1.電池控制保護集成電路，包括電壓檢測器A1～A4；充電電流檢測控制器A5；放電電流檢測控制器A6；窗口溫度檢測控制器A7；充電控制器A8；放電控制器A9；低溫充電控制器A10；零電壓檢測控制器A11；溫度檢測控制器A12；復(fù)合脈沖發(fā)生器A13；中心處理控制器A14，其特征在于電壓檢測器A1～A4分別與中心處理控制器A14連接；充電電流檢測控制器A5與中心處理控制器A14連接；放電電流檢測控制器A6與中心處理控制器A14連接；窗口溫度檢測控制器A7與中心處理控制器A14連接；充電控制器A8與中心處理控制器A14連接，并受控于復(fù)合脈沖發(fā)生器A13；放電控制器A9分別受中心處理控制器A14和復(fù)合脈沖發(fā)生器A13的控制；低溫充電控制器A10分別受中心處理控制器A14和復(fù)合脈沖發(fā)生器A13的控制；零電壓檢測控制器A11分別受中心處理控制器A14和復(fù)合脈沖發(fā)生器A13的控制；溫度檢測控制器A12與中心處理控制器A14連接；復(fù)合脈沖發(fā)生器A13受中心處理控制器A14的控制，復(fù)合脈沖發(fā)生器A13分別控制充電控制器A8、放電控制器A9、低溫充電控制器A10、零電壓檢測控制器A11；中心處理控制器A14分別接受電壓檢測器A1～A4、充電電流檢測控制器A5、放電電流檢測控制器A6、窗口溫度檢測控制器A7、溫度檢測控制器A12的電壓信號，中心處理控制器A14分別控制充電控制器A8、放電控制器A9、低溫充電控制器A10、零電壓檢測控制器A11、復(fù)合脈沖發(fā)生器A13。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電池控制保護集成電路，其特征在于復(fù)合脈沖充電充電器的直流充電電壓經(jīng)端子VDD和端子AGND加入時，同時經(jīng)電阻R52加給三極管Q4、電阻R50、電容C3、與非門IC5B、與非門IC5A、與非門IC5C、與非門IC5D、三極管Q3、二極管D18組成的復(fù)合脈沖發(fā)生器A13，經(jīng)電阻R57加給三極管Q6、經(jīng)電阻R58、場效應(yīng)管Q9充電控制器A8對電池進行復(fù)合脈沖充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電池控制保護集成電路，其特征在于復(fù)合脈沖充、放電電池電壓信號通過電阻R1、電阻R2、電阻R3加給運放IC1A(其它三個通道相同)，經(jīng)二極管D1、電阻R37加給運放IC3A鑒別確認(rèn)后，經(jīng)電阻R44、電阻R46和二極管D8、二極管D11及電阻R40、二極管D12、二極管D14、電阻R41分別控制三極管Q3、與非門IC5A、與非門IC5B、與非門IC5C、與非門IC5D、三極管Q4、二極管D18組成的復(fù)合脈沖發(fā)生器A13；控制三極管Q6、場效應(yīng)管Q9進行大電流或三極管Q7復(fù)合脈沖涓流充電，三極管Q2電池溫度電壓信號通過電阻R28、電阻R29、電阻R26加給溫度檢測控制器A12的運放IC4A分別控制三極管Q6、場效應(yīng)管Q9充電和三極管Q5、場效應(yīng)管Q8放電的主通道，或接通三極管Q7涓流充電的通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電池控制保護集成電路，其特征在于復(fù)合脈沖涓流充電電池電壓信號通過電阻R1、電阻R2、電阻R3加給運放IC1A，經(jīng)二極管D1、電阻R37加給運放IC3A鑒別確認(rèn)單只鋰電池電壓低于2.4V，經(jīng)二極管D12、三極管Q6、電阻R43控制場效應(yīng)管Q9斷開大電流充電通道；接通三極管Q7復(fù)合脈沖涓流充電通道；當(dāng)電阻R19的電流信號經(jīng)電阻R18、電阻R20加給運放IC2A檢測確認(rèn)充電電流小到1/10以下時，控制信號通過運放IC2A、二極管D5、電阻R37、運放IC3A、三極管Q6、電阻R43控制場效應(yīng)管Q9斷開大電流充電通道；接通三極管Q7復(fù)合脈沖涓流充電通道。
專利摘要電池控制保護集成電路，包括電壓檢測器A1～A4；充電電流檢測控制器A5；放電電流檢測控制器A6；窗口溫度檢測控制器A7；充電控制器A8；放電控制器A9；低溫充電控制器A10；零電壓檢測控制器A11；溫度檢測控制器A12；復(fù)合脈沖發(fā)生器A13；中心處理控制器A14，集國內(nèi)外相關(guān)集成電路的優(yōu)點，并有獨特的智能復(fù)合脈沖充、放電電壓、電流控制技術(shù)，復(fù)合脈沖涓流充電控制技術(shù)，零電壓充電檢測控制技術(shù)，窗口溫度控制技術(shù)。具有控制精度高，保護功能齊全，可以消除電池的記憶效應(yīng)和電阻極化、濃差極化和電化學(xué)極化效應(yīng)，使電池在充電時，溫升低、排氣少，縮短充電時間，提高充電效率30％以上，延長電池待機時間和使用壽命。
文檔編號H02H7/18GK2694587SQ03238140
公開日2005年4月20日 申請日期2003年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月9日
發(fā)明者李知非, 景恩寶 申請人:李知非, 景恩寶