CN101207276A - 串联锂电池保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联锂电池保护系统，包括电压检测电路和开关电路，还包括可编程器件，可编程器件控制电压检测电路对串联锂电池的电芯电压进行检测，并根据检测到的电芯电压控制开关电路动作，当充电到大于过充保护值时，关断充电回路；当放电到小于过放保护值时，关断放电回路；所述可编程器件可对过充或过放保护值进行修改。本发明的串联锂电池保护系统通过可编程器件根据电压检测电路信号控制开关电路实现串联锂电池的过充和过放保护，可编程器件可对保护值进行修改，因而可以方便地对保护参数进行调节，保护方式灵活。

Description

串联锂电池保护系统

技术领域

本发明涉及一种电池保护系统，尤其是一种串联锂电池保护系统。

背景技术

现在笔记本、电动工具等便携式产品的应用越来越广泛，使用的电池电压也越来越高。为满足其要求，需要把多节电芯串联来满足要求。在这种情况下，多节电芯的电压检测、管理和保护显得日益重要。

锂电池的前期市场主要是手机和照相机等低电压设备，IC(集成电路)厂商针对这点开发出多款保护IC。但在要求较高的输出电压而串联使用多节电芯时，由于电芯之间的差异，串联使用时会产生不均衡现象，使各节电芯电压不同，因此目前适合工业化使用的串联锂电池保护IC一般多为保护1～4节电芯。在2006年2月1日公开的发明专利申请CN1728444A中披露了一种串联锂离子电池的保护方法及其电路，实现了不少于5节电芯串联使用时的过充电保护和过放电保护，其采用将单体电芯分组，每组由不超过4节的单体电芯相互串联构成，利用多片1～4节串联锂离子电池保护IC来实现对电池的保护。但由于其保护值固化在IC内部，如需更换电芯或保护值，则需更改IC，找到符合条件的IC更换，比较烦琐。

发明内容

本发明就是为了克服以上的不足，提出了一种可以方便地对保护参数进行调节的串联锂电池保护系统。

为实现上述目的，本发明的串联锂电池保护系统包括电压检测电路和开关电路，还包括可编程器件，可编程器件控制电压检测电路对串联锂电池的电芯电压进行检测，并根据检测到的电芯电压控制开关电路动作，当充电到大于过充保护值时，关断充电回路；当放电到小于过放保护值时，关断放电回路；可编程器件可对过充或过放保护值进行修改。

作为本发明的一种改进，本发明的串联锂电池保护系统还包括电流检测电路。

作为本发明的另一种改进，本发明的串联锂电池保护系统还包括电芯平衡电路，电芯平衡电路在可编程器件的控制下可平衡串联锂电池中电芯之间的电压差。

作为本发明的又一种改进，本发明的串联锂电池保护系统还包括温度检测电路，可编程器件根据温度检测电路的信号控制开关电路动作。

进一步地，本发明的串联锂电池保护系统还包括用于实现可编程器件与外部通讯功能的通讯端口。

本发明的串联锂电池保护系统通过可编程器件根据电压检测电路信号控制开关电路实现串联锂电池的过充和过放保护，可编程器件可对保护值进行修改，因而可以方便地对保护参数进行调节，保护方式灵活。

尤其是本发明的串联锂电池保护系统包括电流检测电路，电芯平衡电路，温度检测电路和通讯端口；因此可以实现电流和温度保护，并具有平衡和通讯功能。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的系统总体结构示意图；

图2是本发明实施例的8节电芯以下的电压检测电路结构示意图；

图3是本发明实施例的8节电芯以上的电压检测电路结构示意图；

图4是实发明实施例的电芯平衡控制电路结构示意图；

图5是本发明实施例的多点温度检测电路结构示意图；

图6是本发明实施例的可编程器件与主机通讯电路结构示意图；

图7是本发明实施例的电流检测电路结构示意图；

图8是本发明实施例的可编程器件内部程序流程图。

具体实施方式

本发明实施例的系统总体结构如图1所示，电压检测电路2测试电池组8中每节电芯的电压，在充电状态下，当电芯电压大于预设过充保护电压值时，由可编程器件1发出信号控制开关电路7动作，关断充电回路，完成对电池组8过充电的电压保护；在放电状态下，当电芯电压小于预设过放保护电压值时，由可编程器件1发出信号控制开关电路7动作，关断放电回路，完成对电池组8过放电的电压保护。

可编程器件1通过电流检测电路4测试电池组8中流过每节电芯的电流值，无论是充电状态还是在放电状态，当流过电芯中的电流大于预设过电流值时，由可编程器件1发出信号控制开关电路7动作，关断主回路，完成对电池组8过电流保护的功能。

可编程器件1通过温度检测电路5测试电芯表面温度值，无论是充电状态还是在放电状态，当检测温度大于预设温度保护值时，由可编程器件1发出信号控制开关电路7动作，关断主回路，完成对电池组8过温度保护的功能。为了保证温度检测的准确性，根据需要，可以实施多点温度测试，由可编程器件1分析判断，完成温度保护功能。

可编程器件1通过电压检测电路2测试电池组8中每节电芯的电压值，在充电状态时，当电芯电压大于预设平衡启动电压，且有两节以上(包括两节)电芯的电压值之差超过预设平衡电压时，由可编程器件1发出信号控制电池平衡电路3动作，完成对电芯电压不平衡的校正。

可编程器件1可以监控电池组8的工作状态，并通过通讯端口6向主机9提供电芯的参数。根据外设的要求不同，可以采用不同的数据传输协议。

本发明实施例的电压检测电路2如图2和图3所示。电压检测电路2包括电压测量ADC(模-数转换)21、分压电阻网络22，模拟选通开关U1。其中，电压测量ADC21负责电压的测量；分压电阻网络22由一组电阻和电容组成，其保证检测电压在模拟选通开关U1的输入范围内；模拟选通开关U1采用一片ADG708(如图2所示，用于8节以下电芯串联)或两片ADG708(如图3所示，用于8节以上电芯串联，也可采用一片ADG426)选通分压电阻网络22，输出选通的电压给电压测量ADC21检测；可编程器件1通过ADG708的EN、A0、A1、A2管脚控制模拟选通开关U1，接收电压测量ADC21的数据，控制开关电路7，实现锂电池的过充、过放保护，同时可编程器件1记录、更新电池组8每节电芯电压，为电池平衡和通讯做准备。

通过调整电芯Bn和B(n+1)上的电阻R1、R2、R3、R4的阻值，使得电芯分压的电压在模拟选通开关的输入范围VCC内。根据电阻分配，有 $\frac{R2}{R1+R2}*\mathrm{Bn}\≤\mathrm{VCC}$ ，推出 $\frac{R1}{R2}\≥\frac{\mathrm{Bn}}{\mathrm{VCC}}-1$ ，同理可以推出 $\frac{R3}{R4}\≥\frac{B(n+1)}{\mathrm{VCC}}-1$ 。R2上的电流I为I≈Bn/(R1+R2)。

Bn为第n串的电芯电压，根据电池的过充电压设置可以计算出Bn最大值为Bn＝n*(过充电压)；

VCC为模拟选通开关ADG708的供电电压。

由上述公式可以选择电阻R1、R2、R3、R4的阻值。

例如：过充电压设置为4.2V，则B14＝14*4.2＝58.8V。ADG708的供电电压VCC为3.3V，则R1/R2≥16.82，I≈58.8/(R1+R2)。设R2＝100K，则R1≥1.7M，此时流经R1、R2的电流为I≈0.03mA。同理可以计算出R3、R4的阻值。在保证分压精度的情况下，R1与R2的阻值要尽可能的大，才能使得流经R1、R2的电流尽可能的小，减小线路板的功耗。

本发明实施例的电芯平衡电路3如图4所示，包括平衡电阻网络31和平衡开关电路32。平衡开关电路32包括第一开关管Q1和第二开关管Q2。第一开关管Q1为P-CHANNEL MOSFET(P沟道金属氧化物半导体场效应管)，第二开关管Q2为N-CHANNEL MOSFET(N沟道金属氧化物半导体场效应管)。可编程器件1控制第二开关管Q2是否导通，第二开关管Q2控制第一开关管Q1是否导通，第一开关管Q1用来开关平衡电路。

在充电过程中，可编程器件1通过电压检测电路2检测并记录电芯电压。当电芯电压达到平衡比较值(一般锂离子电池的平衡比较值为4.0V，此值可以根据需要更改)之后，可编程器件1开始比较达到平衡比较值的每节电芯电压，当电芯电压差达到预设的电压值(一般锂离子电池的平衡启动电压为0.1V，此值可以根据需要更改)后，可编程器件对电压比较高的电芯平衡电路输出高电平，第二开关管Q2打开，第一分压电阻R6上产生压降，第一开关管Q1打开，电流经第二开关管Q2和限流电阻R5形成回路。平衡电流为I＝(B(n+1)-Bn)/R5，通过调整电阻R5的阻值，可以修改平衡电流的大小；根据电阻分配，有 $\frac{R7}{R6+R7}*B(n+1)\≥\mathrm{Bn}$ ，推出 $\frac{R6}{R7}\≤\frac{B(n+1)}{\mathrm{Bn}}-1$ ，第二分压电阻R7上的电流为I≈B(n+1)/(R6+R7)。

Bn为第n串的电芯电压，根据电池的过充电压设置可以计算出Bn最大值为Bn＝n*(过充电压)；

B(n+1)为第(n+1)串的电芯电压，根据电池的过充电压设置可以计算出B(n+1)最大值为B(n+1)＝(n+1)*(过充电压)；

可编程器件1输出低电平时，第二开关管Q2关断，但仍有漏电Idss，所以第一分压电阻R6上的漏电压Vr6＝Idss*R6，Vr6不可超过第一开关管Q1的开启电压Vgs。所以R6＜Vgs/Idss。

由上述公式可以选择电阻R5、R6、R7的阻值。第二开关管Q2关断时VDS上的电压为B(n+1)，所以第二开关管Q2选择时VDS至少为B(n+1)。

本发明实施例的温度检测电路5如图5所示，包括温度检测ADC51、温度传感器NTC、电阻电容网络52。显然可以在需要进行温度检测的点上加入上述温度检测电路以便实现多点温度检测。图5中示出两个温度检测电路，其中两个电阻电容网络52分别为R9、C3和R10、C4。两个温度传感器NTC1、NTC2需要紧贴在被检测的物体表面，当温度变化的时候，阻值会跟随变化；电阻电容网络52与温度传感器NTC构成分压，保证电压在温度检测ADC51工作范围内；温度检测ADC51负责检测电压，把模拟量转换为数字量，输入可编程器件1，可编程器件1控制开关电路7，保证温度过高或过低的时候锂电池是否可以充放电。

电阻电容网络52与温度传感器NTC的分压 $V=\frac{\mathrm{VCC}}{R9+\mathrm{NTC}1}\≤V_{\mathrm{ADC}}$ ，推出 $R9\≥\frac{\mathrm{VCC}}{V_{\mathrm{ADC}}}-\mathrm{NTC}1$ 。R9上的电流I≈VCC/(R9+NTC1)。R10可以依此类推。

以上各式中，V_ADC为ADC的最大输入电压。

NTC1为NTC在电池最低工作温度点时的NTC的阻值。

由上述公式可以选择电阻R9、R10的阻值。

本发明实施例的通讯电路如图6所示。可编程器件1的通讯功能是由预留的通讯端口6完成的。根据外设的要求不同，可以选择不同的通讯方式，采用不同的通讯协议。

本发明实施例的电流检测电路如图7所示。当充电时，电流从B-流向P-，检测电阻41上形成一定的压差。可编程器件1检测压差，与电路中电阻41相除后算出充电电流，若电流大于预设过电流值，由可编程器件1发出信号控制开关电路7动作，关断充电回路，实现在充电过程中对电芯的保护。当放电时，电流从P-流向B-，检测电阻41上形成一定的压差。可编程器件1检测压差，与电路中电阻41相除后算出放电电流，若电流大于预设过电流值，由可编程器件1发出信号控制开关电路7动作，关断放电回路，实现在放电过程中对电芯的保护。需要根据控制的电流大小选取合适的电阻值，检测电阻41上的压降V＝I*R。电阻太大，会造成电阻的功率很大，在充放电时，造成较大的损耗；电阻太小，在充放电的时候检测电阻上形成的压降太小，不利于检测。

本发明实施例的可编程器件1可以是单片机，也可以是FPGA(现场可编程门阵列)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)等其他可编程器件；主机9为系统控制部分，例如可在计算机上运行管理软件，包括发出指令通知可编程器件1修改电芯保护参数，将可编程器件1传来的数据输入数据库以便对电芯保护进行管理等。

可编程器件1的内部固化程序流程图如图8。可编程器件1的固化程序主要根据ADC采集的电压、温度、电流值进行处理，控制开关电路7和电芯平衡电路3，并通过通讯端口6和主机9通讯，把电池的工作状态传输给主机9。当电芯接上可编程器件1后，可编程器件程序启动，先检测一下环境(电压和温度)是否符合单片机工作(与内部设定值比较)，如果不符合单片机工作，则单片机进入休眠状态；如果符合，则根据检测到的温度判断(此处的温度判断与系统的温度判断不同。系统温度判断的范围比较广，如-20℃到60℃系统均可工作；但充放电的温度范围较小，如-10℃到50℃才能充放电)是否可以打开开关进行充放电。如果电芯的电压比较低(与程序预设的值比较)，则充电的时候以小电流进行充电(这种充电方式称为预充电，有利于电芯的恢复，若以大电流直接充电，会对电芯造成损坏)。打开开关电路之后，可编程器件对电流进行采样，并判断电流的流向(充电或放电)。一般而言，在充电的过流保护值比较低，而放电的过流保护值比较高。其中，电流判断是指电流流向的判断，电流保护判断是指在电流判断的基础上根据电流的大小再判断是否保护。

本发明保证了高电压的串联锂电池组工作的安全可靠，其保护参数由可编程器件通过程序进行控制，可根据客户要求调节电芯的保护参数，保护方式灵活。同时增加了电流和温度保护、平衡、通讯功能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种串联锂电池保护系统，包括电压检测电路(2)和开关电路(7)，其特征在于，还包括可编程器件(1)，所述可编程器件(1)控制所述电压检测电路(2)对串联锂电池的电芯电压进行检测，并根据检测到的电芯电压控制所述开关电路(7)动作，当充电到大于过充保护值时，关断充电回路；当放电到小于过放保护值时，关断放电回路；所述可编程器件可对过充或过放保护值进行修改。

2.如权利要求1所述的串联锂电池保护系统，其特征在于：所述电压检测电路(2)包括用于测量电压的电压测量ADC(21)、模拟选通开关(U1)和保证检测电压在所述模拟选通开关(U1)输入范围内的分压电阻网络(22)，所述可编程器件(1)控制所述模拟选通开关(U1)接收所述电压测量ADC(21)的电压测量值。

3.如权利要求1或2所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，还包括电流检测电路(4)，所述电流检测电路(4)包括用于检测电流的检测电阻(41)，所述可编程器件(1)对所述检测电阻(41)上的电压进行检测，当检测电阻(41)上的电压超过过流保护值时，所述可编程器件(1)控制所述开关电路(7)动作，关断充电或放电回路。

4.如权利要求3所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，还包括电芯平衡电路(3)，所述电芯平衡电路(3)在所述可编程器件(1)的控制下可平衡串联锂电池中电芯之间的电压差。

5.如权利要求4所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，所述电芯平衡电路(3)包括用于平衡串联锂电池中电芯之间的电压差的平衡电阻网络(31)和平衡开关电路(32)，所述平衡开关电路(32)在所述可编程器件(1)的控制下开启或关断所述平衡电阻网络(31)。

6.如权利要求5所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，所述平衡开关电路(32)包括第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)。

7.如权利要求6所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，所述第一开关管(Q1)为P-CHANNEL MOSFET，所述平衡电阻网络(31)并接于所述第一开关管(Q1)源极和漏极之间，所述第二开关管(Q2)为N-CHANNELMOSFET，门极与所述可编程器件(1)相连，漏极与所述第一开关管(Q1)门极电连接，源极接地。

8.如权利要求3所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，还包括温度检测电路(5)，所述可编程器件(1)根据所述温度检测电路(5)的信号控制所述开关电路(7)动作。

9.如权利要求8所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，所述温度检测电路(5)包括温度检测ADC(51)、温度传感器(NTC)和电阻电容网络(52)；所述温度传感器(NTC)用于检测电芯温度，所述电阻电容网络用于保证电压在所述温度检测ADC(51)工作范围内，所述温度检测ADC(51)用于检测电压并输入到所述可编程器件(1)。

10.如权利要求3所述的串联锂电池保护系统，其特征在于，还包括用于实现所述可编程器件(1)与外部通讯功能的通讯端口(6)。

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