CN101075667A - 锂电池保护装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种锂电池保护装置及其方法，用以控制外接电路对充电电池充电或放电，以防止该充电电池过充或过放，该锂电池保护装置包括：异常检测电路、光耦合电路、平衡电路及识别电路。该电池异常检测电路对充电电池的电压作检查，并输出一检测信号，若是信号正常，则持续充电或放电动作，若是信号异常，则切断充电或放电动作。另外，平衡电路根据检测信号判断是否为过充信号，在判断为过充信号时，平衡电路对充电电池放电。光耦合电路根据检测信号调整光耦合电路的阻抗，用以断开充电电池与外接电路的连接及识别电路提供电池的位置信号。

Description

锂电池保护装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种串联电池组保护装置及其方法，特别涉及一种锂电池保护装置及其方法。

背景技术、

充电电池分为镍镉(Ni-Cd)与镍氢(Ni-MH)两种，镍镉电池是前一代的产品，现在市场上不多见了，其致命的缺点在于电池有记忆效应、寿命短，且镉是一种重金属，容易造成环境污染，镍氢电池就是针对镍镉电池的缺点而开发的，减少了镍镉电池的记忆效应，电容量也高出许多，耐过充或是过度放电，增加循环使用寿命，充电时间也比较短，最重要的是不再使用有毒重金属，环境污染问题大幅减低。当然镍氢电池也不是十全十美，它的环境适应力较差，高于45℃或低于0℃的环境几乎无法使用，因此在极热或极冷的地方无法供应电力给电子器材。另外，充满电后，放置一段时间不用，会发现电力明显丧失，要再次充电。

因为锂电池在充电时，如果充电电压过高时，会使电池有产生爆炸的危险；反之，当锂电池在放电时，如果放电电压过低，而使得锂电池低于一个基本电压时，将会影响到锂电池的使用寿命。因此，锂电池在使用上(充电或放电时)会加上如图1的保护装置。

在图1中以串联的四个锂电池为例作出说明。此保护装置100包括四个串联电池专用保护IC 101与电路开关103。在实际设计时，会根据锂电池102串联数目的多少，选择适当的保护IC 101。该保护IC101在充电或放电时，将会侦测每串联的锂电池102的电压。当侦测到锂电池102的电压异常时，该保护IC 101会送出信号至电路开关103，使电路开关103断开，以切断充电或放电电流。因此只要串联的锂电池102数目不同，就需要重新制作新的保护装置100。而且目前厂商能提供的保护IC 101最多只有到四个锂电池102串联，且由于只要锂电池102越多，其保护IC 101的电路设计就越复杂，加上其线路的复杂性及未解决电池间因老化衰退不均而可能产生不平衡的问题，因此五个以上串联的锂电池保护电路在制作上非常困难。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决上述传统缺陷，避免缺陷存在，本发明将充电电池保护装置重新设计，不需要考虑锂电池串联的个数，每个串联的锂电池都与相同的电路板并联，该电路板具有接口彼此连接，当任何一个串联的电池发生异常时，会产生信号通知系统及该串电池的位置。或是，把电路开关断开来切断充电或放电电流。

本发明的另一主要目的，在于任何一个串联电池发生异常时，与其并联的电路板会判断是否为过充，在判断为过充时，对充电电池放电，进行各串联电池平衡的微调。

本发明的另一主要目的，在于作为多个串联的锂电池使用时，能轻易地增加或减少锂电池串联的数目，不需要重新制作电路板，只需要外部做简单的接线即可。

为达到上述目的，本发明的锂电池保护装置，用以控制外接电路对充电电池充电或放电，以防止该充电电池过充或过放，该锂电池保护装置包括有：异常检测电路、光耦合电路、平衡电路及识别电路。此异常检测电路对充电电池的电压作检查，并输出检测信号，如果信号正常，则持续充电或放电动作，如果信号异常，则切断充电或放电动作。另外，平衡电路根据检测信号判断是否为过充信号，在判断为过充信号时，平衡电路对充电电池放电。同时，光耦合电路根据检测信号调整光耦合电路的阻抗，用以使充电电池与外接电路断开连接以及使识别电路提供电池的位置信号。

为达到上述的目的，本发明的锂电池保护方法，用以控制外接电路对充电电池充电或放电，以防止该充电电池过充或过放，该锂电池保护方法包括：

首先进行判断电池是充电或放电，当判断电池是充电时，则检查电池平均电压是否大于或小于单个电池的最高充电电压，若是平均电压大于单个电池的最高充电电压，充电电路断开，不充电；若是判断平均电压小于单个电池的最高充电电压，则检查锂电池保护装置的输出信号是否正常，若是信号异常，以低电流对电池充电，若是信号正常，保持正常充电。

在判断电池是放电时，检查电池平均电压，若平均电压是小于单个电池的最低放电电压时，放电电路断开，不放电；若判断平均电压是大于单个电池的最低放电电压时，先放电数秒后，再检查锂电池保护装置输出信号是否正常或异常，若是判断信号正常，继续放电；若是信号异常，则切断放电动作。

附图说明

图1为现有的锂电池保护装置的电路示意图；

图2为本发明的锂电池保护装置的并联模块的电路示意图；

图3为本发明的锂电池保护装置的并联模块与电池并联的电路示意图；

图4为本发明的锂电池保护装置的多个锂电池串联的电路示意图；

图5为本发明的另一锂电池保护装置的多个锂电池串联的电路示意图；

图6为本发明的锂电池保护装置的多个锂电池串联与外接电路的电路示意图；

图7为本发明的锂电池保护装置的另一实施例的示意图；

图8为本发明的锂电池保护装置的再一实施例的示意图；

图9为本发明的锂电池充放电保护方法的流程示意图。

在附图中，各标号所代表的部件列表如下：

4、102：电池             2：异常检测电路

3：光耦合电路            31：发光二极管

32：晶体管               5、103：电路开关

6：开关控制电路          7：外接电路

1、100：保护装置        101：保护IC

8：识别电路             9：平衡电路

具体实施方式

关于本发明的技术内容及详细说明，现参照附图说明如下：

图2与图3分别为本发明的锂电池保护装置的并联模块的电路，以及锂电池保护装置的并联模块与电池并联的电路示意图。在本发明中，保护装置1包括异常检测电路2与光耦合电路3。

异常检测电路2对充电电池4的电压作检查，并输出检测信号至光耦合电路3。

光耦合电路3根据该检测信号调整光耦合电路3的阻抗，用以断开保护装置1与外接电路的连接或使充电电池4放电或充电。

其中，光耦合电路3包括发光二极管31与晶体管32。发光二极管31电性耦接至异常检测电路2，用以根据充电电池4的电压决定是否发光。而晶体管32电性耦接至外接电路，并根据发光二极管31的发光与否决定晶体管32的阻抗，以连接或断开外接电路。

在本实施例中，当电池4正常时，异常检测电路2会送出充电电池4的电压的检测信号给光耦合电路3的发光二极管31，该发光二极管31在接到检测信号后开始发光，照射另一侧的晶体管32，使得晶体管32的两端阻抗很低。

如果电池4异常，异常检测电路2会停止送给发光二极管31的信号，使得发光二极管31停止发光，让另一侧的晶体管32没有光的照射，晶体管32的两端阻抗变得很高，几乎为断路的状态。

因为光耦合电路3的两侧使用光的照射来沟通，不需要有任何电性上的接触，因此两侧之间具有很高的绝缘强度，利用这个特性，我们可以如图4所示，串联多个并联这个模块的锂电池4，每个模块的晶体管32的两端也彼此串联，而且整个串联晶体管32的两端与整个串联锂电池4之间为完全的电性隔离。

在图4中，如果有任何一个串联锂电池4发生异常时，如上面所述，该锂电池的异常检测电路2会发出使发光二极管32停止发光的检测信号，让该锂电池另一侧的晶体管32没有光的照射，而使得晶体管32的两端阻抗变得很大，几乎为断路。由于晶体管32之间彼此串联，也就使得整个串联晶体管32的两端阻抗变得很大，几乎为断路。

相反地，如果所有锂电池4都处于正常状态时，整个串联的晶体管32的两端阻抗，也就是A、B两端的阻抗很小，当有任何一个串联锂电池4发生异常时，A、B两端的阻抗变得很大，几乎为断路。

接着，利用A、B端间的晶体管32的阻抗变化，可以设计出如图5所示的另一锂电池保护装置的多个锂电池串联的电路示意图。

在本实施例中，进一步在保护装置中设计电路开关5与开关控制电路6。其中，开关控制电路6电性耦接至最后一级的光耦合电路3，以根据光耦合电路3的阻抗输出控制信号。而电路开关5电性耦接至开关控制电路6，并根据控制信号决定是否切断充电电流或放电电流。

因此，当A、B两端的阻抗很小时，将导通电路开关5；反之，当A、B两端的阻抗很大时，则切断电路开关5，以切断充电或放电电流。

图6为本发明的锂电池保护装置的多个锂电池串联与外接电路的电路示意图。其中，A、B两端电性耦接至外接电路7。其中，外接电路7可以例如是系统或充电器，但并不限于此。

在图6中，异常检测电路2利用A、B两端阻抗的变化来通知外接电路7。因此，当外接电路7测得A、B两端的阻抗很小时，外接电路7则正常工作。但当外接电路7测得A、B两端的阻抗很大时，外接电路7则停止工作，以切断充电或放电电流。

图7为本发明的锂电池保护装置的另一实施例示意图。本实施例是在保护装置1的光耦合电路3上电性连接识别电路8，该识别电路8为电阻，其电阻值为R_X，在光耦合电路3根据检测信号调整光耦合电路的阻抗用以断开充电电池4与外接电路的连接时，同时识别电路8输出信号(电阻值)告知外接电路，让外接电路得知哪一电池4有异常现象。例如，以图4为例进行说明，在每一个保护装置1的光耦合电路3均电性连接识别电路8，并将每一个识别电路8设定为一个电阻值，如5K、10K、15K、20K等时，当第二个保护装置1的光耦合电路3呈断路状态时，该外接电路可以接受到10K的电阻值，即可得知是第二个电池发生异常现象。

图8为本发明的锂电池保护装置的再一实施例示意图。本实施例除了在保护装置1的光耦合电路3电性连接识别电路8外，该异常检测电路2也电性连接平衡电路9，在电池4过充时，该异常检测电路2输出检测信号至平衡电路9，让平衡电路电9可以控制电池4进行放电动作，以避免电池过充而损坏。

图9为本发明的锂电池充放电保护方法的流程示意图。在电池4进行充电过程中，首先进行判断电池4是充电或放电(如流程10)，当判断电池4是充电时，则进入流程10a检查电池4平均电压是否大于V_high(单个电池的最高充电电压，如4.2V)或是小于V_high，若是大于V_high，则进入流程10b，充电电路断开，不充电。若是小于V_high，则进入到流程10c，检查锂电池保护装置的输出信号是否正常，若是信号异常，则进入到流程10d以低电流(i_low)充电，若是信号正常，则进入到流程10e正常充电。

若是判断电池4是放电时，则进入到流程10f检查电池4平均电压，若是小于V_low(单个电池的最低放电电压)时，则进入流程10g，放电电路断开，不放电；若是大于V_low，则进入流程10h，先放电数秒后，再进入流程10i检查锂电池保护装置输出信号是否正常或异常，若是判断信号正常，则进入到流程10j，继续放电；若是信号异常，则进入流程10k，切断放电动作。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施范围。凡根据本发明内容所做的均等变化与修饰，均为本发明专利范围所涵盖。

Claims (11)

1.一种锂电池保护装置，用以控制外接电路对充电电池充电或放电，以防止所述充电电池过充或过放，所述锂电池保护装置包括：

异常检测电路，对所述充电电池的电压作检查，并输出检测信号；以及

光耦合电路，电性耦接至所述异常检测电路，并根据所述检测信号调整所述光耦合电路的阻抗，用以断开所述充电电池与所述外接电路的连接或使所述充电电池放电或充电。

2.如权利要求1所述的锂电池保护装置，其特征在于，所述光耦合电路包括：

发光二极管，电性耦接至所述异常检测电路，用以根据所述异常检测电路所检测的电压信号决定是否发光；

晶体管，电性耦接至所述外接电路，并根据所述发光二极管的发光与否决定所述晶体管的阻抗，用以连接或断开所述外接电路。

3.如权利要求2所述的锂电池保护装置，其特征在于，所述充电电池正常时，所述发光二极管发光。

4.如权利要求3所述的锂电池保护装置，其特征在于，所述发光二极管发光时，使所述晶体管的阻抗处于低阻抗状态，使发光二极管与外接电路的连接正常。

5.如权利要求2所述的锂电池保护装置，其特征在于，充电电池异常时，所述发光二极管停止发光。

6.如权利要求5所述的锂电池保护装置，其特征在于，当所述发光二极管停止发光时，将使所述晶体管的所述阻抗处于高阻抗状态，且断开与所述外接电路的连接。

7.如权利要求1所述的锂电池保护装置，其特征在于，所述保护装置还包括开关控制电路及开关，所述开关控制电路电性耦接至所述光耦合电路，用以根据所述光耦合电路的所述阻抗输出控制信号，所述开关电性耦接至所述开关控制电路，用以根据所述控制信号决定是否切断充电电流或放电电流。

8.如权利要求1所述的锂电池保护装置，其特征在于，所述保护装置还包括识别电路，所述识别电路与所述光耦合电路电性耦接，在所述光耦合电路呈断开状态时，所述识别电路输出信号至外接电路，所述外接电路根据所述信号判断哪一位置电池异常。

9.如权利要求8所述的锂电池保护装置，其特征在于，所述识别电路为电阻。

10.如权利要求1所述的锂电池保护装置，其特征在于，所述保护装置还包括平衡电路，所述平衡电路与所述异常检测电路及电池电性耦接，在电池过充时，所述异常检测电路输出检测信号至所述平衡电路，让所述平衡电路对电池进行放电动作。

11.一种锂电池保护方法，用以控制外接电路对充电电池充电或放电，以防止所述充电电池过充或过放，所述锂电池保护方法包括：

a)在电池进行充电或放电过程中，首先进行判断电池是充电或放电，当判断电池是充电时，则检查电池平均电压是否大于或小于单个电池的最高充电电压，若是平均电压大于单个电池的最高充电电压，充电电路断开，不充电；

b)若是判断a)步骤的平均电压小于单个电池的最高充电电压，则检查锂电池保护装置的输出信号是否正常，若是信号异常，以低电流对电池充电，若是信号正常，保持正常充电；

c)在判断电池是放电时，以检查电池平均电压，若平均电压是小于单个电池的最低放电电压时，放电电路断开，不放电；

d)若判断c)步骤的平均电压是大于单个电池的最低放电电压时，先放电数秒后，再检查锂电池保护装置的输出信号是否正常或异常，若是判断信号正常，继续放电；若是信号异常，则切断放电动作。

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