CN201210622Y

CN201210622Y - 一种锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路

Info

Publication number: CN201210622Y
Application number: CNU2008200483026U
Authority: CN
Inventors: 柯志强; 杨宇帮
Original assignee: Huizhou Blueway Electronic Co Ltd
Current assignee: Huizhou Blueway Electronic Co Ltd
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2018-05-21

Abstract

本实用新型公开了一种锂离子或聚合物电池的电芯控制管理电路，包括二节以上的电芯，与电芯连接的保护电路、充电电路和单片机控制电路，电芯还与充放电管理切换电路联接，所述的充放电管理切换电路还与保护电路和单片机控制电路联接，充放电管理切换电路可实现多节电芯的串联放电和并联充电的工作模式。本实用新型利用单片机结合简单的硬件电路就可实现的多节电芯串联放电和多节电芯并联充电相切换控制管理，能够大幅度地降低了多节电芯充电的充电电压，节省了其他低压充电的连线资源，扩展了应用范围且具有充电管理功能的特点。本实用新型具有功能齐全、结构简单、自耗电低、可靠性高、成本低的优点。

Description

一种锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路

技术领域

本实用新型涉及锂离子或聚合物电池，具体涉及到一种锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路。

背景技术

随着各种移动电子设备的逐步增加，一些需多串锂离子/聚合物串联供电的相关电子设备也逐步增多，特别是锂电/聚合物电池的普及加速了这一个发展过程。但是随着串联的电芯节数的增加，面临着一些充电适配器的充电电压需要不断提高，使一些充电器适用的范围变窄了，甚至无法适从，还有利用车载电源低压供电***来充电的移动设备同样会面临这个问题。如何实现用低电压的电源给多节串联形成的高电压锂电/聚合物电池进行可靠的充电？目前的常规做法是同时在充电电源和电池包上增加充电端子，独立对电芯充电。这样的做法增加了端子，在很多只有两个供电端口的***里面是不允许的，同时也给保护电路和充电电源设计增添了困难，整体上耗废的资源比较多，而且给产品日趋小型化带来不利。

中国专利号是ZL03243156.2公开了一种连接状态可控的可充电电池单元及组合电池和中国专利号是ZL03243159.7所公开的一种连接状态可控的可充电电池单元及电池，都是为解决多节电芯的充电出现问题的技术方案。

中国专利号是ZL 03146990.6公开了一种锂电池充电保护电路电池中每个电芯的充电保护电路包括主控芯片IC1及其周边电路，IC1芯片周边电路包括起开关作用的MOS管Q2、Q3，电阻R3、R4及电容C1，起平衡作用的电容C1并联于芯片IC1VSS端、VDD端上，平衡MOS管Q1连接在IC1芯片CO端及MOS管Q3上，且串联电阻R1后与电池电芯并联接于电源回路中，单元回路中电源一极与下一单元回路中电源另一反极相接，如此类推。该技术方案只是解决了多个单节电池充电保护电路的串联工作的技术问题。

实用新型内容

本实用新型需解决的技术问题是提供一种共用充放电端口、可自动切换所有电芯串联放电、每两节电芯并联充电的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路。

根据上述目的设计了一种锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，包括二节以上的电芯，与电芯连接的保护电路、充电电路和单片机控制电路，保护电路分别与一个电芯或二个以上的电芯组联接，其特征是：所述的电芯或电芯组还与充放电管理切换电路联接，所述的充放电管理切换电路还与保护电路和单片机控制电路联接。所述的充放电管理切换电路包括实现串联放电的串联开关电路和实现并联充电的并联开关电路，以及与串联开关电路和并联开关电路联接的延时电路。

作为本实用新型优选方案是：所述的串联开关电路包括MOS管N3、MOS管N5、上拉电阻R7、电阻R8、R9、开关延时电容C5和电容C6，上拉电阻R7、开关延时电容C5和电阻R9、电容C6组成二组RC延时电路，MOS管N3的源极与电芯保护电路联接，N3的漏极与另一电芯组的电芯的正极端联接，N3的栅极与上拉电阻R7、开关延时电容C5和MOS管N5的漏极联接，N5的源极与另一组电芯保护电路联接，N5的栅极联接电阻R9和电容C6并通过电阻R8与单片机控制电路的S—SWITCH控制端联接。

所述的并联开关电路包括MOS管N4、电阻R10、R11和电容C7，N4的漏极与一组电芯的保护电路联接，N4的源极与另一组电芯的保护电路联接，N4的栅极和源极之间联接有电阻R10和电容C7，N4的栅极通过电阻R11与单片机控制电路的P—SWITCH控制端联接。

所述的单片机控制电路包括单片机U3，U3的3、5脚通过S—SWITCH控制端和P—SWITCH控制端分别与串联开关电路和并联开关电路联接，U3的6脚通过PWM端与充电电路联接，U3的9、10脚与环境温度检测电路联接，U3的11脚通过DC_AD端与充电输入电压检测电路联接，U3的12脚通过BV_AD端与电芯电压检测电路联接。

所述的充电输入电压检测电路包括三极管Q4、Q6、Q7和场效应管N7、电阻R32～R37，Q4的集电极和发射极串接于充电主回路中，Q4的集电极与环境温度检测电路联接，Q4的发射极与充电端P+联接，Q4的基极经电阻R33与场效应管N7的漏极联接，N7的源极接地，N7的栅极通过电阻R34与三极管Q6的集电极联接，Q6的发射极经电阻R36与充电端P+联接，Q6的基极与三极管Q7的基极联接，Q7的发射极与B3+端联接。

所述的环境温度检测电路包括三极管Q1、可控硅U4、热敏电阻NTC1、电阻R21～R25，Q1的集电极与Q4的集电极联接，Q1的发射极与热敏电阻NTC1的一端和单片机U3联接，Q1的基极与可控硅联接后接地，可控硅的触发极与单片机U3的9脚联接，热敏电阻NTC1的另一端与单片机U3的10脚联接。

所述的充电电路包括PWM降压充电电路和PWM脉冲宽度调节电路，PWM降压充电电路由场效应管N8、N9、二极管D1、电感L1组成，PWM脉冲宽度调节电路包括三极管Q2、Q3、Q5，PWM降压充电电路和PWM脉冲宽度调节电路为现有成熟电路，PWM降压充电电路还与电芯电压检测电路联接。

所述的电芯电压检测电路包括场效应管N6、电阻R16、电容C10，N6的源极经BV_AD端与单片机U3的12脚联接，电阻R16和电容C10组成RC延时电路，该RC延时电路与N6的源极联接，N6的漏极联接于充电电路上，N6的栅极经电阻R17与DC1端联接。

作为本实用新型进一步改进是：所述的保护电路包括保护芯片U1、U2、双MOS管N1、N2，保护芯片U1与电芯CELL1、CELL2联接，电芯CELL1、CELL2串接，保护芯片U2与电芯CELL3、CELL4联接，双MOS管N1与保护芯片U1和电芯CELL2的负极联接，双MOS管N2与保护芯片U2和电芯CELL4负极联接。

本实用新型与现有技术相比具有以下显著效果：

1、本实用新型的电芯各自联接有相对独立的保护电路，保护电路中的保护芯片和起开关作用的双MOS管配合，保护电芯的过充电、过放电等；

2、本实用新型的串并关系切换电路由串联开关电路和并联开关电路组成，因此串联放电和并联充电，切换灵活可靠；

3、本实用新型在保证所有电芯能够安全的充放电等条件要求的前提下，在电路中利用单片机结合简单的硬件电路(MOS管)就可实现的多节电芯串联放电和多节电芯并联充电相切换控制管理，能够大幅度地降低了多节电芯充电的充电电压，节省了其他低压充电的连线资源，扩展了应用范围且具有充电管理功能的特点。

4、本实用新型具有功能齐全、结构简单、自耗电低、可靠性高、成本低的优点。

附图说明

图1是本实用新型的原理方框图；

图2是本实用新型的实施例一电路图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本实用新型结构原理作进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型锂离子或聚合物电池电芯管理电路原理方框图，该电池由二节以上的电芯组成，保护电路与一节或一组电芯联接，用于保护每节电芯的过充过放电等。该电池和保护电路，还与实现所有电芯串联放电的串联开关电路联接和实现每二节电芯并联充电的并联开关电路，串联开关电路和并联开关电路还与延时电路联接。电池通过充电电路中的充放端实现共用充放电端口，充电电路受单片机控制电路控制，充电电路与单片机控制电路之间，还联接有充电输入电压检测电路和环境温度检测电路。在电池和单片机控制电路之前还联接有电芯电压检测电路。

附图2为本实用新型实施例一，本实施例为4节电芯的充放电管理电路，可以实现4节电芯串联放电和每两节电芯并联充电。

如图2所示，一种新型充放电方式的锂电池电芯控制管理电路，包括由单片机U3组成的单片机控制电路，单片机U3的3、5脚通过S—SWITCH控制端和P—SWITCH控制端分别与串联开关电路和并联开关电路联接，U3的6脚通过PWM端与充电电路联接，U3的9、10脚与环境温度检测电路联接，U3的11脚通过DC_AD端与充电输入电压检测电路联接，U3的12脚通过BV_AD端与电芯电压检测电路联接。

电池的电芯保护电路包括保护芯片U1、U2、双MOS管N1、N2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1、C2、C3、C4，保护芯片U1的5脚(VDD)经电阻R1与电芯CELL1的正极联接，电芯CELL1、CELL2串接，在电芯CELL1、CELL2连接点与电阻R2、电容C2和U1的4脚(VC)联接，U1的1(DO)、2(CO)脚分别与双MOS管N1的4、5脚联接，电芯CELL2的负极与N1的2、3脚联接，N1的6、7脚和U1的3脚与串联开关电路联接；保护芯片U2的5脚(VDD)经电阻R3与电芯CELL3的正极联接，电芯CELL3的正极还与串联开关电路联接，电芯CELL3、CELL4串接，在电芯CELL3、CELL4连接点与电阻R4、电容C4和U2的4脚(VC)联接，U2的1(DO)、2(CO)脚分别与双MOS管N2的4、5脚联接，电芯CELL4的负极与N2的2、3脚联接，N2的6、7脚和U2的3脚与串联开关电路、并联开关电路和延时电路联接。

所述的串联开关电路包括MOS管N3、MOS管N5、上拉电阻R7、电阻R8、R9、开关延时电容C5和电容C6，上拉电阻R7、开关延时电容C5和电阻R9、电容C6组成二组RC延时电路，MOS管N3的源极与U1的3脚(VM)、双MOS管N1的6、7脚联接，N3的漏极与电芯CELL3的正极端联接，N3的栅极与上拉电阻R7、开关延时电容C5和MOS管N5的漏极联接，N5的源极与双MOS管N2的6、7脚联接，N5的栅极联接电阻R9和电容C6并通过电阻R8与单片机控制电路的S—SWITCH控制端联接。

所述的并联开关电路包括MOS管N4、电阻R10、R11和电容C7，N4的漏极与双MOS管N1的6、7脚联接，N4的源极与双MOS管N2的6、7脚联接，N4的栅极和源极之间联接有电阻R10和电容C7，N4的栅极通过电阻R11与单片机控制电路的P—SWITCH控制端联接。

本实用新型工作原理是：当电路在非充电状态下，电芯CELL1、CELL2通过MOS管N1、N3和电芯CELL3、CELL4联通，可以对外电路进行4节电芯串联放电。在电路充电状态下，电芯CELL1、CELL2通过MOS管N1、N4切换到与电芯CELL3、CELL4每两节具有独立保护电路的并联模式并进行充电。其串并联关系相切换是通过MOS管N3的关断和MOS管N4的开通来实现电芯CELL1、CELL2与电芯CELL3、CELL4经相关独立保护电路后的串联；通过MOS管N3的开通和MOS管N4的关断来实现电芯CELL1、CELL2与电芯CELL3、CELL4经相关独立保护电路后的并联。电芯CELL1、CELL2和电芯CELL3、CELL4分别直接串联。电芯CELL1、CELL2经过电芯CELL2的负极端联接N型双MOS管N1中一个管子的源极端，再经过N1中另一个管子的源极端联接到N型MOS管N3的源极端，然后通过N3的漏极端两节到电芯CELL3的正极端。这样形成的4个电芯的中间有控制MOS管N1、N3隔离的串联方式。电芯CELL1、CELL2经过电芯CELL1的正极端联接到二极管D2的极端，电芯CELL3的正极端联接到二极管D3的负端，电芯CELL1、CELL2经过电芯2的负极端联接N型双MOS管N3中一个管子的源极端，再经过另一个管子的源极端联接到N型MOS管N4的漏极端，N4的漏极端经过N2联接到电芯4的负极端。这样形成的每每两个电芯中间有控制MOS管N1、N2、N4(负极端)和二极管D2、D3(正极端)相隔离的并联方式。

电路自动切换电芯的串并关系的相关延时方式是分别通过三个延时开关电路所实现的，上拉电阻R7与开关延时电容C5、电阻R9与电容C6、电阻R10与电容C7组成三个相对独立的RC延时电路，并通过上拉电阻R7联接到MOS管N5，使N5与电阻R10和电容C7的延时电路关联起开，三个延时电路的配合实现了可靠的自动切换电芯的串并关系。

在本实用新型的正常的纯放电过程，单片机U3停止工作，其控制4节电芯的串并联切换控制端口P—SWITCH和S—SWITCH的电平保持为低电平。在这种条件下，MOS管N4、N5的VGS电压都为低电平，使这两个MOS管处于关闭状态。此时MOS管N3的VGS电压通过电阻R7被上拉为高电平，使MOS管N3开通，N3通过MOS管N1和MOS管将电芯2的负极耦合到了电芯3的正极端，这在放电回路上形成了电芯1～4的串联联接的方式。这样这样串联起来的电芯就可通过P+、P—实现对外***进行正常放电。在放电过程中，只要保护IC：U1或U2检测到有任何一节电芯达到过放保护电压，相应的保护IC就会在DO端发出低电平，控制与此DO端相关联的开关MOS关断，实现电芯的过放保护功能。同样，此电路也可以实现过电流和短路保护等功能，保证了对锂离子/聚合物电芯的保护。

正常充电时的控制管理过程，P+、P—接入充电电源。单片机U3首先通过控制端口P—SWITCH和S—SWITCH将4节电芯的串联模式切换到并联模式，并在整个充电过程中保持这种并联方式。具体的切换方式如下：接入充电电源后，单片机开始工作，先通过S—SWITCH输出高电平，经电阻R8耦合到MOS管N5的栅极，MOS管N5在VGS电压为高电平的条件下开通，将MOS管N3的VGS电压下拉为低电平，MOS管N3由开通状态转为关断状态，从而切断了电芯1、2通过MOS管N3与电芯3、4所形成串联关系。其间经历了双重MOS的切换和电阻R9与电容C6所形成的RC延时。切断了4节电芯的串联关系，然后单片机通过P—SWITCH控制端口输出高电平，经电阻R11耦合到MOS管N4的栅极，MOS管N4在VGS电压为高电平的条件下开通，电芯2的负极端，通过MOS管N1和MOS管N3的导通，联接到了MOS管N2的充电MOS管的源极。实现了电芯1、2为一组和电芯3、4为一组的两组电芯通过保护电路后的并联。而后，单片机分别通过DC_AD、TH_AD、BV_AD端口完成对充电输入电压、环境温度、两组电芯电压的检测。如果允许充电条件完备，单片机通过PWM端口经过晶体管Q1的缓冲，控制由晶体管Q2、Q3所组成的图腾柱驱动电路去驱动开关MOS管N8。经过MOS管N8与电感L1，二极管D4等形成的降压式输出，从电感L1经过二极管D2、D3分别对由电芯1、2组成的电芯组和由电芯3、4组成的电芯组进行恒流和恒压的充电。

本实用新型从整体上看，保护部分主要由两个保护IC：U1、U2，U1、U2分别负责保护电芯1、电芯2和电芯3、电芯4的过充电、过放电、过电流和短路保护。MOS管N1、N2起到主回路开关控制作用。在保证所有电芯能够安全的充放电等条件要求的前提下，再在其外部电路增加少量的元器件就可以实现了四节电芯串联放电，两节电芯充电的自动切换功能。这种联接方式简易可靠，成本低。

任何根据本实用新型的构思，无论是包含充电管理功能或不包含充电管功能或增加电芯的节数，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1、一种锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，包括二节以上的电芯，与电芯连接的保护电路、充电电路和单片机控制电路，保护电路分别与一个电芯或二个以上的电芯组联接，其特征是：所述的电芯或电芯组还与充放电管理切换电路联接，所述的充放电管理切换电路还与保护电路和单片机控制电路联接。

2、根据权利要求1所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的充放电管理切换电路包括实现串联放电的串联开关电路和实现并联充电的并联开关电路，以及与串联开关电路和并联开关电路联接的延时电路。

3、根据权利要求2所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的串联开关电路包括MOS管N3、MOS管N5、上拉电阻R7、电阻R8、R9、开关延时电容C5和电容C6，上拉电阻R7、开关延时电容C5和电阻R9、电容C6组成二组RC延时电路，MOS管N3的源极与电芯保护电路联接，N3的漏极与另一电芯组的电芯的正极端联接，N3的栅极与上拉电阻R7、开关延时电容C5和MOS管N5的漏极联接，N5的源极与另一组电芯保护电路联接，N5的栅极联接电阻R9和电容C6并通过电阻R8与单片机控制电路的S—SWITCH控制端联接。

4、根据权利要求2或3所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的并联开关电路包括MOS管N4、电阻R10、R11和电容C7，N4的漏极与一组电芯的保护电路联接，N4的源极与另一组电芯的保护电路联接，N4的栅极和源极之间联接有电阻R10和电容C7，N4的栅极通过电阻R11与单片机控制电路的P—SWITCH控制端联接。

5、根据权利要求4所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的单片机控制电路包括单片机U3，U3的3、5脚通过S—SWITCH控制端和P—SWITCH控制端分别与串联开关电路和并联开关电路联接，U3的6脚通过PWM端与充电电路联接，U3的9、10脚与环境温度检测电路联接，U3的11脚通过DC_AD端与充电输入电压检测电路联接，U3的12脚通过BV_AD端与电芯电压检测电路联接。

6、根据权利要求5所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的充电输入电压检测电路包括三极管Q4、Q6、Q7和场效应管N7、电阻R32～R37，Q4的集电极和发射极串接于充电主回路中，Q4的集电极与环境温度检测电路联接，Q4的发射极与充电端P+联接，Q4的基极经电阻R33与场效应管N7的漏极联接，N7的源极接地，N7的栅极通过电阻R34与三极管Q6的集电极联接，Q6的发射极经电阻R36与充电端P+联接，Q6的基极与三极管Q7的基极联接，Q7的发射极与B3+端联接。

7、根据权利要求6所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的环境温度检测电路包括三极管Q1、可控硅U4、热敏电阻NTC1、电阻R21～R25，Q1的集电极与Q4的集电极联接，Q1的发射极与热敏电阻NTC1的一端和单片机U3联接，Q1的基极与可控硅联接后接地，可控硅的触发极与单片机U3的9脚联接，热敏电阻NTC1的另一端与单片机U3的10脚联接。

8、根据权利要求5所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的充电电路包括PWM降压充电电路和PWM脉冲宽度调节电路，PWM降压充电电路由场效应管N8、N9、二极管D1、电感L1组成，PWM脉冲宽度调节电路包括三极管Q2、Q3、Q5，PWM降压充电电路和PWM脉冲宽度调节电路为现有成熟电路，PWM降压充电电路还与电芯电压检测电路联接。

9、根据权利要求8所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的电芯电压检测电路包括场效应管N6、电阻R16、电容C10，N6的源极经BV_AD端与单片机U3的12脚联接，电阻R16和电容C10组成RC延时电路，该RC延时电路与N6的源极联接，N6的漏极联接于充电电路上，N6的栅极经电阻R17与DC1端联接。

10、根据权利要求4所述的锂离子或聚合物电池的电芯充放电控制管理电路，其特征是：所述的保护电路包括保护芯片U1、U2、双MOS管N1、N2，保护芯片U1与电芯CELL1、CELL2联接，电芯CELL1、CELL2串接，保护芯片U2与电芯CELL3、CELL4联接，双MOS管N1与保护芯片U1和电芯CELL2的负极联接，双MOS管N2与保护芯片U2和电芯CELL4负极联接。