CN201623470U - 动力锂离子电池的保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力锂离子电池的保护电路，其主要技术要点是，它包括可对由多节锂离子电池串联而成的电池组实施过充电和过放电保护的保护电路，可对电池组各个单体进行均衡的均衡电路，可对电池组因温度保护的温度保护电路，本实用新型解决了多节锂离子电池串联使用时，由于各电池单体间的性能差异造成过充电或过放电损坏、影响电池组的荷电保持能力、降低电池组整体性能的问题以及电池组因温度过高而损坏的问题，且采用IC微处理器，大大降低了生产成本，而且各项参数可设定、可读取，提高了生产效率。

Description

动力锂离子电池的保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种动力锂离子电池的保护电路。

背景技术

锂离子充电电池自20世纪90年代初正式实用化以来，在不到20年的时间里，容量快速增加，市场迅速增长。现在正从便携产品用途扩展到电动车辆及环保蓄电等领域。锂离子电池作为动力电池使用时，例如用其作为电动自行车的驱动电池使用时，往往需要将5节以上锂离子电池串联使用，以达到电动机所需要的电压。在用充电器对其充电时，由于每节电池的品质不可能完全一样，一旦有一节电池处于过充电状态，就可能造成锂离子从正极过度脱嵌，从而使电极间发生短路，不仅影响电池容量、寿命，而且容易造成电池爆裂、起火危险事故发生。将其连接于负载时，由于每节电池的品质不可能完全一样，一旦有一节电池处于过放电状态，就可能造成锂离子从负极过度脱嵌，从而使电极间发生短路，影响电池容量、寿命。由于锂离子电池各单体在性能指标上不可能完全一致，在使用过程中由于各单体间的容量、自放电等的差异，日积月累，在使用一段时间后，电池组的荷电保持能力明显降低，影响了锂离子电池在更大范围内的推广应用。因此，多节电池串联使用时，其性能的好坏不仅取决于电池单体质量的好坏，更重要的取决于其整体质量的高低。当电池组处于充电或放电状态时，由于电池组的整体电压较高，流过单体电池的电流较大，而由于每节电池的品质不可能完全一样，容易造成整体电池组因单节电池温度过高而损坏。

另外，对于5节以上的锂离子电池组的保护电路都是采用分立元件或者由多个电池保护IC芯片串联而成。分立元件构成保护电路通过电压的采样、比较，判断是否过充电、过放电，进而控制电池组的充放电。这种方式的电路原理简单，但是每节电池都需要一套检测判断电路，静态功耗很大，并且随着电池串联数增多而功耗增大，不利于电池的荷电保持。采样多个电池保护IC芯片串联而成的保护电路，虽然功耗的指标不高，但是成本较高，并且可靠性差，由于其芯片的耐压特性，在某些感性负载的情况下，极易损坏，这样给锂离子电池组的使用带来了安全隐患。对于上述的保护电路，电池的各项参数在生产时一次性设定完成，不能被更改，只能适用于特定规格型号的电池组，因此使用范围太窄，且生产厂家在进行最后的质量检验时，需要工人使用万用表等检查工具对各个分立元器件进行逐个检测，费工费时，生产效率比较低。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种动力锂离子电池的保护电路，以解决多节锂离子电池串联使用时，由于各电池单体间的性能差异造成过充电或过放电损坏、影响电池组的荷电保持能力、降低电池组整体性能的问题以及电池组因温度过高而损坏的问题，且大大降低了生产成本，提高了生产效率。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：动力锂离子电池的保护电路，包括由输入输出端口和连接于所述输入输出端口之间的串联电池组组成的主电路，所述保护电路包括电池检测控制单元，所述电池检测控制单元的输入端口与串联电池组中的各单节电池的正负极连接；运算控制单元，所述运算控制单元与所述电池检测控制单元双向连接；对电池参数进行设定和读取的通讯单元，所述通讯单元与所述运算控制单元双向连接；串接于所述主电路中的过充电控制开关和过放电控制开关；连接于所述过充电控制开关与所述运算控制单元之间的第一开关驱动电路，连接于所述过放电控制开关与所述运算控制单元之间的第二开关驱动电路。

作为一种优选的技术方案，所述输入输出端口包括一个共用输入输出端口、一个充电输入端口和一个放电输出端口，所述共用输入输出端口与所述串联电池组的一个电极连接形成所述主电路的充放电共用电路部分，所述充电输入端口和所述放电输出端口分别与所述串联电池组的另一个电极连接形成所述主电路的充电支路和放电支路；所述过充电控制开关串接于所述充电支路中，所述过放电控制开关串接于所述放电支路中。所述过充电控制开关为一个第一MOS管，所述过放电控制开关为一个第二MOS管。

作为一种优选的技术方案，所述保护电路还包括一个均衡电路，所述均衡电路包括设置于所述串联电池组的各单节电池正负极两端的自放电支路，所述每个自放电支路包括一个自放电控制开关和一个均衡电阻，所述自放电控制开关的控制端与所述电池检测控制单元的平衡控制端子连接。所述自放电控制开关为一个第三MOS管。

作为一种优选的技术方案，所述保护电路还包括一个温度检测电路，所述温度检测电路的输出端与所述运算控制单元连接，所述温度检测电路的输入端与热电阻连接。所述温度检测电路包括内部温度检测电路和外部温度检测电路。

作为一种优选的技术方案，所述电池检测控制单元、所述温度检测电路、所述运算控制单元、所述通讯单元、所述第一开关驱动电路和所述第二开关驱动电路集成在一个IC微处理器的内部。

作为一种优选的技术方案，所述通讯单元包括与所述运算控制单元双向连接的存储器单元、和与所述存储器单元双向连接的通讯接口，所述存储器单元由EPROM组成。

采用了上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的保护电路，由于将电池检测控制单元、温度检测电路、运算控制单元、通讯单元、第一开关驱动电路和第二开关驱动电路集成在一个IC微处理器的内部，可以通过编写程序进行控制，简化了硬件电路设计，减少了元件数目，缩小了体积，一个IC微处理器能够对5-13节锂离子电池组成的电池组进行保护，大大降低了生产成本。

2.由于本实用新型的保护电路包括一个通讯单元，可以针对不同型号规格的锂离子电池组设定不同的电池参数，大大拓宽了保护电路的使用范围，且由于各项参数可设定、可读取，能够快速进行质量检测，大大方便了工厂的操作，提高了流水作业能力，进而提高了生产效率。

3.该保护电路在任一节单体电池出现过充电和过放电时能够及时有效地切断电路，保证了任一节单体电池都不会因过充电或过放电而损坏，均衡电路有效的保证了电池组各单体电池电压的一致性，提高了电池组整体荷电保持能力，温度检测电路在电池组温度或保护电路内部的温度超过设定值时，能够及时有效地切断电路，有效的保证了电池组各单体的内部温度，解决了单体电池因温度过高而损坏的问题，适合于五节以上锂离子电池串联而成的电池组使用。

附图说明

附图是本实用新型的电路原理图。

具体实施方式

如附图所示，一种动力锂离子电池的保护电路。它包括由输入输出端口和连接于输入输出端口之间的串联电池组组成的主电路，该输入输出端口包括一个共用输入输出端口PACK+、一个充电输入端口CHG-和一个放电输出端口PACK-。其中，共用输入输出端口PACK+与串联电池组的正极连接形成主电路的充放电共用电路部分；充电输入端口CHG-和放电输出端口PACK-分别与串联电池组的负极连接形成主电路的充电支路和放电支路。

该保护电路还包括电池检测控制单元，该电池检测控制单元的输入端口与串联电池组中的各单节电池的正负极连接；运算控制单元，该运算控制单元与电池检测控制单元双向连接；对电池参数进行设定和读取的通讯单元，该通讯单元与运算控制单元双向连接，它包括与运算控制单元双向连接的存储器单元、和与存储器单元双向连接的通讯接口，存储器单元由EPROM组成；串接于主电路中的过充电控制开关和过放电控制开关，其中，过充电控制开关串接于上述充电支路中，过放电控制开关串接于上述放电支路中；还包括连接于过充电控制开关与运算控制单元之间的第一开关驱动电路，连接于过放电控制开关与运算控制单元之间的第二开关驱动电路；该保护电路还包括一个均衡电路，它包括设置于串联电池组的各单节电池正负极两端的自放电支路，每个自放电支路包括一个自放电控制开关和一个均衡电阻Rd，自放电控制开关的控制端与电池检测控制单元的平衡控制端子CB连接；该保护电路还包括一个温度检测电路，它与运算控制单元连接，包括内部温度检测电路和外部温度检测电路，其中，外部温度检测电路的输入端与热电阻连接。

上述的电池检测控制单元、温度检测电路、运算控制单元、通讯单元、第一开关驱动电路和第二开关驱动电路集成在一个IC微处理器的内部。

上述的过充电控制开关采用一个第一MOS管N1，过放电控制开关采用一个第二MOS管N2，自放电控制开关采用一个第三MOS管N3。

该保护电路实现以下几个保护功能：

1.过充电保护，工作过程为：首先，根据采用的电池组的规格型号，通过通讯单元对电池参数进行设定，存储到EPROM中。当锂离子电池组处于充电状态时，第一开关驱动电路输出高电平，第一MOS管N1处于导通状态，IC微处理器内部的电池检测控制单元对各单体电池电压进行不间断检测，运算控制单元将检测到的数据与EPROM中的数据进行比较，任一节单体电池电压超过设定电压时，运算控制单元发出控制信号给第一开关驱动电路，最终第一开关驱动电路的输出信号由高电平转换为低电平，第一MOS管N1断开，停止给电池组充电，保证了任一节单体电池都不会因过充电而损坏。

2.过放电保护，工作过程：首先，根据采用的电池组的规格型号，通过通讯单元对电池参数进行设定，存储到EPROM中。当锂离子电池组处于放电状态时，第二开关驱动电路输出高电平，第二MOS管N2处于导通状态，IC微处理器内部的电池检测控制单元对各单体电池电压进行不间断检测，运算控制单元将检测到的数据与EPROM中的数据进行比较，任一节单体电池电压低于设定电压时，运算控制单元发出控制信号给第二开关驱动电路，最终第二开关驱动电路的输出信号由高电平转换为低电平，第二MOS管N2断开，停止对负载放电，保证了任一节单体电池都不会因过放电而损坏。

3.电量均衡，工作过程：首先，根据采用的电池组的规格型号，通过通讯单元对电池参数进行设定，存储到EPROM中。当电池组处于充电状态和搁置状态时，IC微处理器内部的电池检测控制单元对各单体电池进行不间断检测，并把检测数据传输给运算控制单元，运算控制单元把数据与EPROM中的数据进行比较，当各单体电池电压差超出设定电压差时，运算控制单元输出控制信号使电池检测控制单元的平衡控制端子CB输出高电平，与之连接的自放电控制开关第三MOS管N3导通，单体电池通过均衡电阻Rd放电，当电压差跌落至设定范围内时，平衡控制端子CB由高电平变为低电平，第三MOS管N3断开，单体电池停止放电，使该单体电池的电压与其它电池电压保持一致，此均衡电路有效的保证了电池组各单体电池电压的一致性，提高了电池组整体荷电保持能力。

4.温度保护，工作过程：首先，根据采用的电池组的规格型号，通过通讯单元对电池参数进行设定，存储到EPROM中。当电池组处于充电或放电状态时，IC微处理器内部的内部温度检测电路与外部温度检测电路对电池组的工作环境温度进行不间断检测，并把检测数据传给运算控制单元，运算控制单元把数据与EPROM中的数据进行比较，当外部的环境温度或IC微处理器内部的温度超出设定范围时，运算控制单元输出控制信号控制第一开关驱动电路或第二开关驱动电路的输出由高电平转换为低电平，第一MOS管N1或第二MOS管N2由导通变为截止，电池组整体停止工作。此温度保护电路有效的保证了电池组各单体的内部温度，避免了单体电池因温度过高而损坏的问题。

Claims (9)

1.动力锂离子电池的保护电路，包括由输入输出端口和连接于所述输入输出端口之间的串联电池组组成的主电路，其特征在于：所述保护电路包括

电池检测控制单元，所述电池检测控制单元的输入端口与串联电池组中的各单节电池的正负极连接；

运算控制单元，所述运算控制单元与所述电池检测控制单元双向连接；

对电池参数进行设定和读取的通讯单元，所述通讯单元与所述运算控制单元双向连接；

串接于所述主电路中的过充电控制开关和过放电控制开关；

连接于所述过充电控制开关与所述运算控制单元之间的第一开关驱动电路，连接于所述过放电控制开关与所述运算控制单元之间的第二开关驱动电路。

2.如权利要求1所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述输入输出端口包括一个共用输入输出端口、一个充电输入端口和一个放电输出端口，所述共用输入输出端口与所述串联电池组的一个电极连接形成所述主电路的充放电共用电路部分，所述充电输入端口和所述放电输出端口分别与所述串联电池组的另一个电极连接形成所述主电路的充电支路和放电支路；

所述过充电控制开关串接于所述充电支路中，所述过放电控制开关串接于所述放电支路中。

3.如权利要求2所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述过充电控制开关为一个第一MOS管，所述过放电控制开关为一个第二MOS管。

4.如权利要求3所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述保护电路还包括一个均衡电路，所述均衡电路包括设置于所述串联电池组的各单节电池正负极两端的自放电支路，所述每个自放电支路包括一个自放电控制开关和一个均衡电阻，所述自放电控制开关的控制端与所述电池检测控制单元的平衡控制端子连接。

5.如权利要求4所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述自放电控制开关为一个第三MOS管。

6.如权利要求5所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述保护电路还包括一个温度检测电路，所述温度检测电路的输出端与所述运算控制单元连接，所述温度检测电路的输入端与热电阻连接。

7.如权利要求6所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述温度检测电路包括内部温度检测电路和外部温度检测电路。

8.如权利要求7所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述电池检测控制单元、所述温度检测电路、所述运算控制单元、所述通讯单元、所述第一开关驱动电路和所述第二开关驱动电路集成在一个IC微处理器的内部。

9.如权利要求8所述的动力锂离子电池的保护电路，其特征在于：所述通讯单元包括与所述运算控制单元双向连接的存储器单元、和与所述存储器单元双向连接的通讯接口，所述存储器单元由EPROM组成。

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