CN218415890U - 一种锂离子电池充放电安全保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锂离子电池充放电安全保护电路，属于动力电池技术领域；它包括若干个单体电池充电电路、主控模块、电压采集多路模拟开关、电流采集多路模拟开关和控制信号多路模拟开关；在单体电池充电电路上分别引出有电压采集线Vx、电流采集线Ix和控制信号线Cx；各个单体电池充电电路上的电压采集线Vx、电流采集线Ix分和控制信号线Cx分别通过连接至对应多路模拟开关上，再分别由A/D转换器和D/A转换器连接至主控模块上；其能够有效解决当前缺少对于锂例子电池组进行充放电时难以对异常状况的单体电池做出调节，无法保证充电过程的安全性、均衡性和可靠性的问题。

Description

一种锂离子电池充放电安全保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种充放电安全保护电路，具体涉及一种锂离子电池充放电安全保护电路，属于动力电池技术领域。

背景技术

锂离子电池能量密度高，难以确保电池的安全性，在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，降低可充电次数。因此锂电池的过度充电、过度放电及过电流保护很重要，所以需要设计保护电路，用以保护锂电池。

单节锂电池需要相应的保护电路，锂电池组更需要应用保护电路，因为单节锂电池循环使用次数可达2000次，而电池组循环使用次数却通常不到1000次，即电池组使用一段时间，就会产生这样或那样的差异。一致性会变差，所谓一致性就是对一组锂电池的容量、内阻、电压、放电曲线等的参数要求尽量相同。使用一段时间产生差异后，采用整体电压保护控制的方式是难以适用于锂动力电池的，如一个36V 的电池组，必须用10只电池串联。整体的充电控制电压是42V，而放电控制电压是26V。用整体电压控制方式，初始使用阶段由于电池一致性特别好，也许不会出现什么问题。在使用一段时间以后电池内阻和电压产生波动，形成不一致的状态，这种时候仍然使用整体电压控制是不能达到其目地的。例如10只电池放电时其中两只电池的电压在2.8V，四只电池的电压是3.2V，还有四只电池的电压是3.4V，现在的整体电压是32V，我们让它继续放电一直工作到26V。这样，那两只2.8V的电池就低于2.6V处于了过放状态。锂电池几次过放就等于报废。由于锂电池的特殊结构决定了它不能过充电（超过4.2V），过放电（低于2.5v），一旦出现过充电或者是过放电就会造成严重损坏或者是***。电池组有区别于单体电池的额外特性，基于目前的动力电池设计与制造技术水平，单体之间的性能差异在其整个生命周期里客观存在，要想避免单体由于过充、过放导致提前失效，使电池组的功能和性能指标达到或者接近单体的平均水平，对电池组中单体之间控制和管理保护是必由之路。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种锂离子电池充放电安全保护电路，以解决当前缺少对于锂例子电池组进行充放电时难以对异常状况的单体电池做出调节，无法保证充电过程的安全性、均衡性和可靠性的问题。

为解决上述问题，本实用新型提供了如下技术方案：

一种锂离子电池充放电安全保护电路；它包括若干个单体电池充电电路、主控模块、电压采集多路模拟开关、电流采集多路模拟开关和控制信号多路模拟开关；

单体电池充电电路包括接地电容、跟随器、场效应管、放大器、50 毫欧采样电阻、放大器和电池正负电压；其中从电池正负电压处引出电压采集线Vx和电流采集线Ix，在电流采集线Ix上并联有50 毫欧采样电阻；场效应管并联在电压采集线Vx上；跟随器的一端接至场效应管的栅极，另一端则引出控制信号线Cx；接地电容并联在控制信号线Cx上；

各个单体电池充电电路上的电压采集线Vx分别连接至电压采集多路模拟开关上，电流采集线Ix分别连接至电流采集多路模拟开关上，控制信号线Cx分别连接至控制信号多路模拟开关；

电压采集多路模拟开关和电流采集多路模拟开关分别对应通过A/D转换器连接至主控模块上；控制信号多路模拟开关通过D/A转换器连接至主控模块上。

优选的，主控模块选择LPC768型单片机；电压采集多路模拟开关、电流采集多路模拟开关和控制信号多路模拟开关均采用CD4067型多路模拟开关。

进一步的，LPC768型单片机采集1路2.1V基准电压，经内部换算，提供4.2V的基准电压，且该单片机通过四位选通控制位来依次选通各个CD4067型多路模拟开关上的引脚，以实现对充电单电池的持续检测和控制。

优选的，作用在单体电池充电电路上的场效应管上的电流不超过 2A，管耗不超过7VA。

优选的，单体电池充电电路的个数为不超过14个；且各路对应的电压采集线Ix共享一路 A/D转换器；各路对应的电流采集线Ix共享一路 A/D转换器；各路对应的控制信号线Cx共享一路D/A转换器。

本实用新型有益效果：

本实用新型通过单片机实现对充电的十个锂离子电池进行监测和控制。单片机不停的扫描，并将采集到的电压与电流信息与基准电压与电流进行比较，通过控制相应的模拟开关的开断程度来保证充电过程在恒流恒压模式下进行。其能够保证电池组充放电过程的安全性。同时由于电路结构非常简单，则从电路结构的角度来说比较容易实现高可靠性，经济性也很高。

附图说明

图1是本实施例中单体电池充电电路的示意图；

图2是本实施例中锂电池组充电***框图；

图3是本实施例中锂电池放电保护过程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍：

实施例：

参照图1，本实施例提供一种锂离子电池充放电安全保护电路；它包括若干个单体电池充电电路、主控模块、电压采集多路模拟开关、电流采集多路模拟开关和控制信号多路模拟开关；

单体电池充电电路包括接地电容、跟随器、场效应管、放大器、50 毫欧采样电阻、放大器和电池正负电压；其中从电池正负电压处引出电压采集线Vx和电流采集线Ix，在电流采集线Ix上并联有50 毫欧采样电阻；场效应管并联在电压采集线Vx上；跟随器的一端接至场效应管的栅极，另一端则引出控制信号线Cx；接地电容并联在控制信号线Cx上；

本实施例中的的保护电路可以等效于对CD4067引脚数目的10~14 节电池进行单体单独充电，这里只介绍画出一组单体电池充电电路。其电路如附图1所示。以 10 路单体电池为例，CPU通过模拟多路器（CD4067）从Vx（x=0~9）采集电池两端电压，包括 50mΩ 采样电阻压降，线路（图中虚线部分）损耗压降。从Ix 采集流过电池的电流。向Cx 发送控制信号，控制MOS场效应管的导通程度，从而实现对该单体电池的恒流恒压充电。当电池两端电压低于4.2V时，控制场效应管，保持以2A电流恒流充电。当电池两端电压接近4.2V时，控制场效应管，保持恒压充电。单片机控制10路单体充电电路，轮流采样、调整。

各个单体电池充电电路上的电压采集线Vx分别连接至电压采集多路模拟开关上，电流采集线Ix分别连接至电流采集多路模拟开关上，控制信号线Cx分别连接至控制信号多路模拟开关；

电压采集多路模拟开关和电流采集多路模拟开关分别对应通过A/D转换器连接至主控模块上；控制信号多路模拟开关通过D/A转换器连接至主控模块上。

主控模块选择LPC768型单片机；电压采集多路模拟开关、电流采集多路模拟开关和控制信号多路模拟开关均采用CD4067型多路模拟开关。单片机内部 8bit A/D 转换器采样精度可以达到±20mV。

LPC768型单片机采集1路2.1V基准电压，经内部换算，提供4.2V的基准电压，且该单片机通过四位选通控制位来依次选通各个CD4067型多路模拟开关上的引脚，以实现对充电单电池的持续检测和控制。

作用在单体电池充电电路上的场效应管上的电流不超过 2A，管耗不超过7VA。

单体电池充电电路的个数为不超过14个；且各路对应的电压采集线Ix共享一路A/D转换器；各路对应的电流采集线Ix共享一路 A/D转换器；各路对应的控制信号线Cx共享一路D/A转换器。

串放并充式充电器在充电过程中需要采集10路单体电路的电压与电流，还需要控制10路场效应管实现恒流恒压充电。一片4067多路模拟开关分别采集10~14路电池电压；一片4067多路模拟开关分别采集10~14路充电电流；一片4067多路模拟开关分别提供10~14路模拟控制信号，实现恒流恒压充电要求，能够充分利用单片机资源。

本申请中电路设计的原理在于：串联电池组恒流放电时，电压有一陡然跌落，主要由欧姆电阻造成压降，这电阻包括连接单体电极的导线电阻和触点电阻，电压继续下降，经过一段时间以后，到达新的电化学平衡，进入放电平台期，电压变化不明显，放热反应加电阻释热使电池温升较高。放电电压曲线近似单体放电曲线，持续放电，电压曲线进入马尾下降阶段，极化阻抗增大，输出效率降低，热耗增大，接近终止电压时停止放电。

考虑组内单体电池，必有相对的过放电情况。在放电后期，电压接近马尾曲线，组中单体容量正态分布，电压分布很复杂，容量最小的单体电压跌落得也就最早、最快，若这时其它电池电压降低不是很明显，小容量单体电压跌落情况被掩盖，已经被过度放电。

观察单体电池的过放电情况，进入马尾曲线以后，若电流持续较大，电压迅速降低，并很快反向，这时电池被反方向充电，或称被动放电，活性物质结构被破坏，另一种副反应很快发生，过一段时间，电池活性材料接近全部丧失，等效为一个无源电阻，电压为负值，数值上等于反充电流在等效电阻上产生的压降，停止放电后，原电池电动势消失，电压不能恢复，因此，一次反充电足以使电池报废 。

在接上负载后为了防止锂电池组中任何一节锂电池过度放电，用相应的电器元件对锂电池组的每一节锂电池进行实时监测，当锂电池组中每一节电池电压高于 3V 时锂电池组正常放电 ，当锂电池组中有一节电池电压低于其过放电电压检测点（设定为 3V）的时候，激活过放电保护，切断放电电路，进而截止放电，达成保护以避免电池过放电现象发生。

对于本实施例中锂电池的过放电保护主要采用分立器件的形式，电路主要分监测和切断保护两部分，具体可参考图3，电压监测电路实现在锂电池组放电时，实时监测单节锂电池的电压，当锂电池组中任一节电池电压高于过压门限后，向断开电路发送一个断开信号，从而断开放电电路。过流监测电路实现对锂电池组放电电路的电流实时监测，当电流值超过过流门限时，向断开电路发送一个断开信号，从而断开放电电路。过温监测电路实现对锂电池组放电电路的温度进行实时监测，当温度上升到一定值时，向断开电路发送一个断开信号，从而断开放电电路。这样就可以对10节锂电池组成的锂电池组的放电过程进行保护。

按照上述实施例，便可很好地实现本实用新型。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本实用新型上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本实用新型一样，故其也应当在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池充放电安全保护电路，其特征在于：它包括若干个单体电池充电电路、主控模块、电压采集多路模拟开关、电流采集多路模拟开关和控制信号多路模拟开关；

单体电池充电电路包括接地电容、跟随器、场效应管、放大器、50 毫欧采样电阻、放大器和电池正负电压；其中从电池正负电压处引出电压采集线Vx和电流采集线Ix，在电流采集线Ix上并联有50 毫欧采样电阻；场效应管并联在电压采集线Vx上；跟随器的一端接至场效应管的栅极，另一端则引出控制信号线Cx；接地电容并联在控制信号线Cx上；

各个单体电池充电电路上的电压采集线Vx分别连接至电压采集多路模拟开关上，电流采集线Ix分别连接至电流采集多路模拟开关上，控制信号线Cx分别连接至控制信号多路模拟开关；

电压采集多路模拟开关和电流采集多路模拟开关分别对应通过A/D转换器连接至主控模块上；控制信号多路模拟开关通过D/A转换器连接至主控模块上。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充放电安全保护电路，其特征在于：主控模块选择LPC768型单片机；电压采集多路模拟开关、电流采集多路模拟开关和控制信号多路模拟开关均采用CD4067型多路模拟开关。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池充放电安全保护电路，其特征在于：LPC768型单片机采集1路2.1V基准电压，经内部换算，提供4.2V的基准电压，且该单片机通过四位选通控制位来依次选通各个CD4067型多路模拟开关上的引脚，以实现对充电单电池的持续检测和控制。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充放电安全保护电路，其特征在于：作用在单体电池充电电路上的场效应管上的电流不超过 2A，管耗不超过7VA。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充放电安全保护电路，其特征在于：单体电池充电电路的个数为不超过14个；且各路对应的电压采集线Ix共享一路 A/D转换器；各路对应的电流采集线Ix共享一路 A/D转换器；各路对应的控制信号线Cx共享一路D/A转换器。

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