CN107994653A - 锂电池充放电平衡保护装置 - Google Patents
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Abstract
锂电池充放电平衡保护装置，包括第一输入出端子、第二输入出端子、P沟道场效应管、第一电阻、第二电阻、可编程精密电压检测器、第一取样电阻、第二取样电阻、电容及稳压分流器。第一输入出端子与P沟道场效应管源极S及第一电阻一端连接，第一电阻另一端与第二电阻一端、P沟道场效应管栅极G连接，第二电阻另一端与电容一端及可编程精密电压检测器输出端OUT连接，第二输入出端子与电容另一端、可编程精密电压检测器接地端GND、第二取样电阻一端及稳压分流器负极连接，第二取样电阻另一端与可编程精密电压检测器输入端VDD及第一取样电阻一端连接，第一取样电阻另一端与P沟道场效应管漏极D及稳压分流器正极连接。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池充电技术领域，特别是一种在锂电池充放电过程中的平衡保护装置。
背景技术
目前，采用新能源成为当前人类面临的迫切课题。在采用新能源用于动力和照明时，往往需要配置锂电池***供电。在使用锂电池***时，需要对锂电池***不断地进行充放电操作。由于锂电池***都是由单体锂电池串并联组成，而单体锂电池的容量存在差异，因此在充电的过程中，会出现有些单体锂电池电量已经充满，有些单体锂电池电量还没有充满的情况；在放电的过程中，会出现有些单体锂电池电量已经放完，有些单体锂电池电量还没有放完的情况。无论那一节单体锂电池出现过充电或者过放电，都会带来该节单体锂电池损坏的后果，使得整个锂电池***损坏。因此，在锂电池***的充放电过程中需要锂电池平衡保护装置对组成锂电池***的每节单体锂电池的电容量进行监测，当某节单体锂电池的电容量充满或放完时，启动锂电池平衡保护装置保护这节单体锂电池不会过充电或者过放电。
为了使单体锂电池不会过充电或者过放电，解决方法是对每节单体锂电池中都采用一个锂电池平衡保护装置，目前广泛采用的锂电池平衡保护装置，电路复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种锂电池充放电平衡保护装置。
本发明的技术方案是：锂电池充放电平衡保护装置，包括第一输入出端子、第二输入出端子、P沟道场效应管、第一电阻、第二电阻、可编程精密电压检测器、第一取样电阻、第二取样电阻、电容及稳压分流器。
第一输入出端子分别与P沟道场效应管的源极S及第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端、P沟道场效应管的栅极G连接，第二电阻的另一端分别与电容的一端及可编程精密电压检测器的输出端OUT连接，第二输入出端子分别与电容的另一端、可编程精密电压检测器的接地端GND及第二取样电阻的一端连接，第二取样电阻的另一端分别与可编程精密电压检测器的输入端VDD及第一取样电阻的一端连接，第一取样电阻的另一端与P沟道场效应管的漏极D连接，稳压分流器的正极与P沟道场效应管的漏极D连接，稳压分流器的负极与第二输入出端子连接。
可编程精密电压检测器内设置放电时的下限电压，下限电压为锂电池组两端最低放电电压的1.1～1.2倍。
所述的稳压分流器由复数个精密稳压分流单元串联组成，第一个精密稳压分流单元的A端连接稳压分流器的正极端，其B端连接第二个精密稳压分流单元的A端，从第二个精密稳压分流单元开始，每个精密稳压分流单元的B端均连接下一个精密稳压分流单元的A端，最末一个精密稳压分流单元的B端连接稳压分流器的负极端。
所述的精密稳压分流单元包括单元第一端子A、单元第二端子B、单元第一取样电阻、单元第二取样电阻、单元可编程精密电压检测器、单元第一电阻、单元P沟道场效应管、单元第二电阻、发光二极管及单元第三电阻。
在单元可编程精密电压检测器内设置单体锂电池E的最高充电电压，最高充电电压为充电时的上限电压。
单元第一端子A分别与单元第一电阻的一端、单元第一取样电阻的一端及单元P沟道场效应管的源极S连接，单元第一电阻的另一端分别与单元P沟道场效应管的栅极G及单元可编程精密电压检测器的输出端OUT连接，单元第一取样电阻的另一端分别与单元可编程精密电压检测器的输入端VDD及单元第二取样电阻的一端连接，单元第二端子B分别与单元第三电阻的一端、单元第二电阻的一端、单元可编程精密电压检测器的接地端GND及单元第二取样电阻的另一端连接，单元P沟道场效应管的漏极D分别与单元第二电阻的另一端及发光二极管的正极连接，发光二极管的负极与单元第三电阻的另一端连接。
本发明提供的锂电池充放电平衡保护装置对锂电池组充电时的工作过程如下：
稳压分流器中的每个精密稳压分流单元分别并联接入一个单体锂电池E, 精密稳压分流单元的单元第一端子A接锂电池E的正极，单元第二端子B接锂电池E的负极，由串联在一起的单体锂电池E组成锂电池组。
正常充电情况下，充电电源正极与锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子连接，充电电源负极与锂电池充放电平衡保护装置的第二输入出端子连接，充电电流通过P沟道场效应管内部的二极管向锂电池组充电。
当锂电池组中某一节单体锂电池E充到与其连接的精密稳压分流单元中单元可编程精密电压检测器设置的上限电压时，单元第一取样电阻和单元第二取样电阻将采集的电压送入单元可编程精密电压检测器的输入端VDD，如果采样电压高于单元可编程精密电压检测器设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器的输出端OUT输出低电平，单元P沟道场效应管导通，通过单元第二电阻对充电电流分流，以降低对这节单体锂电池E的充电电流，并使这节单体锂电池E的端电压稳定在单元可编程精密电压检测器设置的上限电压。
如果采样电压低于单元可编程精密电压检测器设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器的输出端OUT输出高电平，单元P沟道场效应管截止，减少充电电流分流，以增加对这节单体锂电池E的充电电流，继续对对这节单体锂电池E充电。
通过以上调整，使得这节单体锂电池E两端的电压稳定在单体锂电池E的充电上限电压，保证这节单体锂电池E不会过充电。
当这节单体锂电池E充满电时，与其所对应的发光二极管点亮，指示这节单体锂电池E已经充满电。
当串联在一起的每节单体锂电池E所对应的发光二极管均点亮，提示锂电池组充电结束。
正常放电情况下，通过锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子及第二输入出端子放电，可编程精密电压检测器不断检测串联锂电池组的端电压。当串联电池组的端电压低于可编程精密电压检测器内设置的下限电压时，可编程精密电压检测器的输出端OUT输出高电平，P沟道场效应管截止，中断串联锂电池组放电，以保证放电结束时串联锂电池组中的每节单体锂电池均不会过放电。
本发明进一步的技术方案是：在精密稳压分流单元中，用单元PNP晶体三极管取代单元P沟道场效应管，单元PNP晶体三极管的发射极E分别与单元第一电阻的一端、单元第一取样电阻的一端及单元第一端子A连接，单元PNP晶体三极管的基极B分别与单元第一电阻的另一端及单元可编程精密电压检测器的输出端OUT连接，单元PNP晶体三极管的集电极C分别与单元第二电阻的一端及发光二极管的正极连接。
采用单元PNP晶体三极管取代单元P沟道场效应管的锂电池充放电平衡保护装置对锂电池组充电时的工作过程如下：
稳压分流器中的每个精密稳压分流单元分别并联接入一个单体锂电池E, 精密稳压分流单元的单元第一端子A接锂电池E的正极，单元第二端子B接锂电池E的负极，由串联在一起的单体锂电池E组成锂电池组。
正常充电情况下，充电电源正极与锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子连接，充电电源负极与锂电池充放电平衡保护装置的第二输入出端子连接，充电电流通过P沟道场效应管内部的二极管向锂电池组充电。
当锂电池组中某一节单体锂电池E充到与其连接的精密稳压分流单元中单元可编程精密电压检测器设置的上限电压时，单元第一取样电阻和单元第二取样电阻将采集的电压送入单元可编程精密电压检测器的输入端VDD，如果采样电压高于单元可编程精密电压检测器设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器的输出端OUT输出低电平，单元PNP晶体三极管导通，通过单元第二电阻对充电电流分流，以降低对这节单体锂电池E的充电电流，并使这节单体锂电池E的端电压稳定在单元可编程精密电压检测器设置的上限电压。
如果采样电压低于单元可编程精密电压检测器设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器的输出端OUT输出高电平，单元PNP晶体三极管截止，减少充电电流分流，以增加对这节单体锂电池E的充电电流，继续对对这节单体锂电池E充电。
通过以上调整，使得这节单体锂电池E两端的电压稳定在单体锂电池E的充电上限电压，保证这节单体锂电池E不会过充电。
当这节单体锂电池E充满电时，与其所对应的发光二极管点亮，指示这节单体锂电池E已经充满电。
当串联在一起的每节单体锂电池E所对应的发光二极管均点亮，提示锂电池组充电结束。
正常放电情况下，通过锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子及第二输入出端子放电，可编程精密电压检测器不断检测串联锂电池组的端电压。当串联电池组的端电压低于可编程精密电压检测器内设定的下限电压时，可编程精密电压检测器的输出端OUT输出高电平，P沟道场效应管截止，中断串联锂电池组放电，以保证放电结束时串联锂电池组中的每节单体锂电池均不会过放电。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、本发明提供的锂电池充放电平衡保护装置采用可编程精密电压检测器检测控制串联锂电池组中的每节单体锂电池的充放电电压，其精度可以达到0.01V，有效地避免了锂电池的过度充放电，延长了锂电池的工作寿命，提高了锂电池供电***的可靠性。
2、本发明提供的锂电池充放电平衡保护装置体积小、重量轻，可以直接装入锂电池组内，因此在锂电池组充电时只要连接充电线而不用连接平衡线，避免了因平衡线接触不良引起的单节锂电池过充电损坏而造成锂电池组的报废。
3、本发明提供的锂电池充放电平衡保护装置可使充电设备和锂电池得到有效的保护，大大提高了锂电池***的可靠性，减少了因使用不当引起的意外损失。
4、本发明提供的锂电池充放电平衡保护装置，其不仅能够解决锂电池***在充电中对每节单体锂电池的平衡充电，又能够解决锂电池***在放电时的放电保护，同时降低了成本。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
附图1为本发明的电路示意图；
附图2采用单元P沟道场效应管的精密稳压分流单元电路示意图；
附图3为采用单元PNP晶体三极管的精密稳压分流单元电路示意图。
具体实施方式
实施例一、锂电池充放电平衡保护装置，包括第一输入出端子1、第二输入出端子2、P沟道场效应管3、第一电阻4、第二电阻5、可编程精密电压检测器6、第一取样电阻7、第二取样电阻8、电容9及稳压分流器10。
第一输入出端子1分别与P沟道场效应管3的源极S及第一电阻4的一端连接，第一电阻4的另一端与第二电阻5的一端、P沟道场效应管3的栅极G连接，第二电阻5的另一端分别与电容9的一端及可编程精密电压检测器6的输出端OUT连接，第二输入出端子2分别与电容9的另一端、可编程精密电压检测器6的接地端GND及第二取样电阻8的一端连接，第二取样电阻8的另一端分别与可编程精密电压检测器6的输入端VDD及第一取样电阻7的一端连接，第一取样电阻7的另一端与P沟道场效应管3的漏极D连接，稳压分流器10的正极与P沟道场效应管3的漏极D连接，稳压分流器10的负极与第二输入出端子2连接。
可编程精密电压检测器6内设置放电时的下限电压，下限电压为锂电池组两端最低放电电压的1.1～1.2倍。
所述的稳压分流器10由复数个精密稳压分流单元10-1串联组成，第一个精密稳压分流单元10-1的A端连接稳压分流器10的正极端，其B端连接第二个精密稳压分流单元10-1的A端，从第二个精密稳压分流单元10-1开始，每个精密稳压分流单元10-1的B端均连接下一个精密稳压分流单元10-1的A端，最末一个精密稳压分流单元10-1的B端连接稳压分流器10的负极端。
所述的精密稳压分流单元10-1包括单元第一端子A、单元第二端子B、单元第一取样电阻10-1-1、单元第二取样电阻10-1-2、单元可编程精密电压检测器10-1-3、单元第一电阻10-1-4、单元P沟道场效应管10-1-5、单元第二电阻10-1-6、发光二极管10-1-7及单元第三电阻10-1-8。
在单元可编程精密电压检测器10-1-3内设置单体锂电池E的最高充电电压，最高充电电压为充电时的上限电压。
单元第一端子A分别与单元第一电阻10-1-4的一端、单元第一取样电阻10-1-1的一端及单元P沟道场效应管10-1-5的源极S连接，单元第一电阻10-1-4的另一端分别与单元P沟道场效应管10-1-5的栅极G及单元可编程精密电压检测器10-1-3的输出端OUT连接，单元第一取样电阻10-1-1的另一端分别与单元可编程精密电压检测器10-1-3的输入端VDD及单元第二取样电阻10-1-2的一端连接，单元第二端子B分别与单元第三电阻10-1-8的一端、单元第二电阻10-1-6的一端、单元可编程精密电压检测器10-1-3的接地端GND及单元第二取样电阻10-1-2的另一端连接，单元P沟道场效应管10-1-5的漏极D分别与单元第二电阻10-1-6的另一端及发光二极管10-1-7的正极连接，发光二极管10-1-7的负极与单元第三电阻10-1-8的另一端连接。
本实施例提供的锂电池充放电平衡保护装置对锂电池组充电时的工作过程如下：
稳压分流器10中的每个精密稳压分流单元10-1分别并联接入一个单体锂电池E, 精密稳压分流单元10-1的单元第一端子A接锂电池E的正极，单元第二端子B接锂电池E的负极，由串联在一起的单体锂电池E组成锂电池组。
正常充电情况下，充电电源正极与锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子1连接，充电电源负极与锂电池充放电平衡保护装置的第二输入出端子2连接，充电电流通过P沟道场效应管3内部的二极管向锂电池组充电。
当锂电池组中某一节单体锂电池E充到与其连接的精密稳压分流单元10-1中单元可编程精密电压检测器10-1-3设置的上限电压时，单元第一取样电阻10-1-1和单元第二取样电阻10-1-2将采集的电压送入单元可编程精密电压检测器10-1-3的输入端VDD，如果采样电压高于单元可编程精密电压检测器10-1-3设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器10-1-3的输出端OUT输出低电平，单元P沟道场效应管10-1-5导通，通过单元第二电阻10-1-6对充电电流分流，以降低对这节单体锂电池E的充电电流，并使这节单体锂电池E的端电压稳定在单元可编程精密电压检测器10-1-3设置的上限电压。
如果采样电压低于单元可编程精密电压检测器10-1-3设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器10-1-3的输出端OUT输出高电平，单元P沟道场效应管10-1-5截止，减少充电电流分流，以增加对这节单体锂电池E的充电电流，继续对对这节单体锂电池E充电。
通过以上调整，使得这节单体锂电池E两端的电压稳定在单体锂电池E的充电上限电压，保证这节单体锂电池E不会过充电。
当这节单体锂电池E充满电时，与其所对应的发光二极管10-1-7点亮，指示这节单体锂电池E已经充满电。
当串联在一起的每节单体锂电池E所对应的发光二极管10-1-7均点亮，提示锂电池组充电结束。
正常放电情况下，通过锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子1及第二输入出端子2放电，可编程精密电压检测器6不断检测串联锂电池组的端电压。当串联电池组的端电压低于可编程精密电压检测器6内设置的下限电压时，可编程精密电压检测器6的输出端OUT输出高电平，P沟道场效应管3截止，中断串联锂电池组放电，以保证放电结束时串联锂电池组中的每节单体锂电池均不会过放电。
实施例二、本实施例与实施例一相比，在精密稳压分流单元10-1中，用单元PNP晶体三极管10-1-9取代单元P沟道场效应管10-1-5，单元PNP晶体三极管10-1-9的发射极E分别与单元第一电阻10-1-4的一端、单元第一取样电阻10-1-1的一端及单元第一端子A连接，单元PNP晶体三极管10-1-9的基极B分别与单元第一电阻10-1-4的另一端及单元可编程精密电压检测器10-1-3的输出端OUT连接，单元PNP晶体三极管10-1-9的集电极C分别与单元第二电阻10-1-6的一端及发光二极管10-1-7的正极连接。
采用单元PNP晶体三极管10-1-9取代单元P沟道场效应管10-1-5的锂电池充放电平衡保护装置对锂电池组充电时的工作过程如下：
稳压分流器10中的每个精密稳压分流单元10-1分别并联接入一个单体锂电池E, 精密稳压分流单元10-1的单元第一端子A接锂电池E的正极，单元第二端子B接锂电池E的负极，由串联在一起的单体锂电池E组成锂电池组。
正常充电情况下，充电电源正极与锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子1连接，充电电源负极与锂电池充放电平衡保护装置的第二输入出端子2连接，充电电流通过P沟道场效应管3内部的二极管向锂电池组充电。
当锂电池组中某一节单体锂电池E充到与其连接的精密稳压分流单元10-1中单元可编程精密电压检测器10-1-3设置的上限电压时，单元第一取样电阻10-1-1和单元第二取样电阻10-1-2将采集的电压送入单元可编程精密电压检测器10-1-3的输入端VDD，如果采样电压高于单元可编程精密电压检测器10-1-3设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器10-1-3的输出端OUT输出低电平，单元PNP晶体三极管10-1-9导通，通过单元第二电阻10-1-6对充电电流分流，以降低对这节单体锂电池E的充电电流，并使这节单体锂电池E的端电压稳定在单元可编程精密电压检测器设置的上限电压。
如果采样电压低于单元可编程精密电压检测器10-1-3设置的上限电压，单元可编程精密电压检测器10-1-3的输出端OUT输出高电平，单元PNP晶体三极管10-1-9截止，减少充电电流分流，以增加对这节单体锂电池E的充电电流，继续对对这节单体锂电池E充电。
通过以上调整，使得这节单体锂电池E两端的电压稳定在单体锂电池E的充电上限电压，保证这节单体锂电池E不会过充电。
当这节单体锂电池E充满电时，与其所对应的发光二极管10-1-7点亮，指示这节单体锂电池E已经充满电。
当串联在一起的每节单体锂电池E所对应的发光二极管10-1-7均点亮，提示锂电池组充电结束。
正常放电情况下，通过锂电池充放电平衡保护装置的第一输入出端子1及第二输入出端子2放电，可编程精密电压检测器6不断检测串联锂电池组的端电压。当串联电池组的端电压低于可编程精密电压检测器6内设定的下限电压时，可编程精密电压检测器6的输出端OUT输出高电平，P沟道场效应管3截止，中断串联锂电池组放电，以保证放电结束时串联锂电池组中的每节单体锂电池均不会过放电。
Claims (4)
1.锂电池充放电平衡保护装置，其特征是：包括第一输入出端子、第二输入出端子、P沟道场效应管、第一电阻、第二电阻、可编程精密电压检测器、第一取样电阻、第二取样电阻、电容及稳压分流器；
第一输入出端子分别与P沟道场效应管的源极S及第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端与第二电阻的一端、P沟道场效应管的栅极G连接，第二电阻的另一端分别与电容的一端及可编程精密电压检测器的输出端OUT连接，第二输入出端子分别与电容的另一端、可编程精密电压检测器的接地端GND及第二取样电阻的一端连接，第二取样电阻的另一端分别与可编程精密电压检测器的输入端VDD及第一取样电阻的一端连接，第一取样电阻的另一端与P沟道场效应管的漏极D连接，稳压分流器的正极与P沟道场效应管的漏极D连接，稳压分流器的负极与第二输入出端子连接。
2.如权利要求1所述的锂电池充放电平衡保护装置，其特征是：可编程精密电压检测器内设置放电时的下限电压，下限电压为锂电池组两端最低放电电压的1.1～1.2倍。
3.如权利要求1或2所述的锂电池充放电平衡保护装置，其特征是：所述的稳压分流器由复数个精密稳压分流单元串联组成，第一个精密稳压分流单元的A端连接稳压分流器的正极端，其B端连接第二个精密稳压分流单元的A端，从第二个精密稳压分流单元开始，每个精密稳压分流单元的B端均连接下一个精密稳压分流单元的A端，最末一个精密稳压分流单元的B端连接稳压分流器的负极端；
所述的精密稳压分流单元包括单元第一端子A、单元第二端子B、单元第一取样电阻、单元第二取样电阻、单元可编程精密电压检测器、单元第一电阻、单元P沟道场效应管、单元第二电阻、发光二极管及单元第三电阻；
在单元可编程精密电压检测器内设置单体锂电池E的最高充电电压，最高充电电压为充电时的上限电压；
单元第一端子A分别与单元第一电阻的一端、单元第一取样电阻的一端及单元P沟道场效应管的源极S连接，单元第一电阻的另一端分别与单元P沟道场效应管的栅极G及单元可编程精密电压检测器的输出端OUT连接，单元第一取样电阻的另一端分别与单元可编程精密电压检测器的输入端VDD及单元第二取样电阻的一端连接，单元第二端子B分别与单元第三电阻的一端、单元第二电阻的一端、单元可编程精密电压检测器的接地端GND及单元第二取样电阻的另一端连接，单元P沟道场效应管的漏极D分别与单元第二电阻的另一端及发光二极管的正极连接，发光二极管的负极与单元第三电阻的另一端连接。
4.如权利要求3所述的锂电池充放电平衡保护装置，其特征是：在精密稳压分流单元中，用单元PNP晶体三极管取代单元P沟道场效应管，单元PNP晶体三极管的发射极E分别与单元第一电阻的一端、单元第一取样电阻的一端及单元第一端子A连接，单元PNP晶体三极管的基极B分别与单元第一电阻的另一端及单元可编程精密电压检测器的输出端OUT连接，单元PNP晶体三极管的集电极C分别与单元第二电阻的一端及发光二极管的正极连接。
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