CN101420131B

CN101420131B - 一种锂离子电池保护电路节能控制电路

Info

Publication number: CN101420131B
Application number: CN2008101623767A
Authority: CN
Inventors: 沈炜; 刘文昊
Original assignee: ZHEJIANG DONGGUAN RUIBAO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Dawn Electrical Technology Co., Ltd.
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: CN101420131A

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池保护电路节能控制电路，包括过充过放保护电路，还设置有电流电压转换电路、绝对值电路、电压比较器、放大电路、钳位电路和微处理器，过充过放保护电路与电流电压转换电路输入连接，电流电压转换电路输出与绝对值电路输入连接，绝对值电路输出与电压比较器输入连接，电压比较器输出与放大电路输入连接，放大电路输出与钳位电路和微处理器连接，微处理器通过过充过放保护电路的电流采样电阻采样充放电电流，没有充放电电流时微处理器保持或者置于休眠模式；有充放电电流时微处理器保持或者自动唤醒进入工作模式。本发明利用微处理器的休眠模式，构造了基于电流的唤醒电路，降低了功耗，延长了锂离子电池自放电周期。

Description

一种锂离子电池保护电路节能控制电路

技术领域：

本发明涉及一种锂离子电池保护电路节能控制电路，它适用于基于微处理器的锂离子电池保护电路。

背景技术

相比其他类型的电池，锂离子电池具有众多突出的优势，主要有高能量密度，高电压，放电率特性好，无记忆效应，无污染等。由于锂离子电池具有良好的特性，已经得到了广泛的应用。但是，锂离子电池也有相应的弱点，在过充、过放的情况下，容易对电池造成损坏，在极端情况下，如短路时有发生爆炸的危险，因此，锂离子电池必须加以保护。保护的最主要目的有3个：防止过充，过放和短路，另外，还要防止锂离子电池在工作中，温度不能超过一个特定的阈值。(本文中锂离子电池加上保护电路的整体称为锂离子电池，而把单纯的锂离子电池按业内说法称为电芯)。

目前已经在使用的保护技术主要有三类：一类是基于专门的保护芯片的组合方案，第二类是基于模拟开关电路的方案，第三类是基于通用微处理器的保护电路方案。

基于专门保护芯片的组合方案来源于用于笔记本电脑的锂离子电池保护方案。该方案在笔记本电脑应用方面已经比较成熟，许多公司也推出了较为优秀的锂离子电池管理芯片，如MITUSUMI、Seiko、Microchip、Texas Instruments、Maxim-Dallas、02Micro等等。由于笔记本电脑要求的电压并不高，不超过14.4V，所以使用的锂离子电池一般最多使用4组(电芯)串联的组合方式，因此单个保护芯片最多只能管理4个电芯；而且笔记本用锂离子电池的工作电流也不大，一般不超过5A。因此该方案难于应用于电芯数量多的场合。

基于模拟开关电路的方案是一种低级的实现。这种方案只能应用在电流不太大，电压不太高的场合，因为模拟电路难以实现精确的控制，而且各方面的保护功能也不完善，如均衡功能；另外，该方案自耗电也较大。

基于微处理器的方案是第一种方案的扩展，该方案一般采用通用微处理器，如PIC、瑞萨等SOC芯片。该方案在SoC芯片内集成了一个小系统，能够嵌入特定的目标代码，从而实现特定的控制功能，因此可以实现管理电芯的各个方面的功能，而且能够显著地降低产品的尺寸和成本。同时，在该方案中，SoC用于管理外围电路，因此，SoC芯片不需要直接面对高电压、大电流，而只需要处理外围电路传递的信号，从而实现灵活高效的控制。最后，由于SOC的扩展性，使得同一个SOC芯片，可以管理多种电芯组合方式，而不需要重新设计电路。这些都是该方案的优势。

但是，基于微处理器的方案有一个问题，微处理器在进行保护时，必须处于工作状态，即使在电池未处于工作状态时，在这样的情况下，微处理器功耗较大，消耗电芯的电能，从而难以满足锂电池半电量保存三个月的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种功耗低、延长锂离子电池自放电周期的基于微处理器的锂离子电池保护电路节能控制电路。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该锂离子电池保护电路节能控制电路，包括过充过放保护电路，其特征在于还设置有电流电压转换电路、绝对值电路、电压比较器、放大电路、钳位电路和微处理器，过充过放保护电路与电流电压转换电路的输入连接，电流电压转换电路的输出与绝对值电路的输入连接，绝对值电路的输出与电压比较器的输入连接，电压比较器的输出与放大电路的输入连接，放大电路的输出与钳位电路和微处理器连接，微处理器通过过充过放保护电路的电流采样电阻采样充放电电流，过充过放保护电路没有充放电电流时微处理器保持或者置于休眠模式；过充过放保护电路有充放电电流时微处理器保持或者自动唤醒进入工作模式。

本发明所述电流电压转换电路包括第十电阻、第九电阻、第二电容、第一电容、第八电阻、第四运算放大器，第九电阻一端接地，另一端接入第四运算放大器的反向输入端；第十电阻一端与过充过放保护电路连接，另一端接入第四运算放大器的同向输入端；第二电容一端接地，另一端与第十电阻接第四运算放大器同向输入端的一端连接；第一电容和第八电阻并联后跨接在第四运算放大器的反向输入端和输出端之间，第四运算放大器输出端与绝对值电路连接。

本发明所述绝对值电路包括第六电阻、第五电阻、第七电阻、第一二极管、第二二极管和第三运算放大器，第六电阻一端与电流电压转换电路的输出连接，另一端接入第三运算放大器的反向输入端；第七电阻一端接地，另一端接入第三运算放大器的同向输入端；第五电阻跨接在第三运算放大器的反向输入端与输出端之间；第一二极管的阳极接在第三运算放大器的输出端；第二二极管的阳极接电流电压转换电路输出端，第一二极管阴极与第二二极管阴极连接后接电压比较器的输入。

本发明所述电压比较器包括第三电阻、第四电阻、电源和第二运算放大器，绝对值电路的输出端接入第二运算放大器的反向输入端；第三电阻一端接地，另一端接入第二运算放大器的同向输入端；第四电阻一端接入电源，另一端接入第二运算放大器的同向输入端，第二运算放大器的输出端接放大电路的输入。

本发明所述放大电路包括第一电阻、第二电阻和第一运算放大器，电压比较器输出接第一运算放大器的同向输入端；第二电阻一端接地，另一端与第一电阻和第一运算放大器的反向输入端相接；第一电阻跨接在第一运算放大器的反向输入端和第一运算放大器的输出端之间，第一运算放大器输出端接钳位电路和微处理器。

本发明所述钳位电路包括箝位二极管，箝位二极管阳极与放大电路的输出和微处理器连接，箝位二极管阴极与电源连接。

本发明所述微处理器采用PIC16F887。

本发明利用微处理器的休眠模式，并构造了基于电流的唤醒电路，从而解决了微处理器需要电压信号唤醒而难以用于锂离子电池保护电路的问题。由于微处理器可以休眠，功耗大大降低，从而延长了锂离子电池自放电周期。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例锂离子电池保护电路节能控制方法的微处理器2与锂离子电池的充放电电路连接并随时采样充放电电流，充放电电路没有充放电电流时(充放电电流持续设定时间低于充放电电流阀值下限)微处理器2保持或者置于休眠模式；充放电电路有充放电电流时(充放电电流持续设定时间处于充放电电流阀值范围内)微处理器2保持或者自动唤醒进入工作模式。充放电电流的阀值可根据实际电池容量、数量、型号、负载等情况设定。本实施例采用充放电电流持续1000毫秒低于充放电电流阀值下限时，若微处理器2处于休眠模式则保持，若微处理器2处于工作模式，则执行SLEEP指令，将微处理器2置于休眠模式；充放电电流持续1000毫秒处于充放电电流阀值范围内时，若微处理器2处于工作模式则保持，若微处理器2处于休眠模式，则微处理器2自动唤醒进入工作模式。

本发明解决上述问题所采用的技术方案还包括一种实现上述所述节能控制方法的控制电路，包括过充过放保护电路，其特征在于还设置有电流电压转换电路、绝对值电路、电压比较器、放大电路、钳位电路和微处理器2，过充过放保护电路与电流电压转换电路连接，电流电压转换电路与绝对值电路连接，绝对值电路与电压比较器连接，电压比较器与放大电路连接，放大电路通过钳位电路与微处理器2连接。

本发明实施例的过充过放保护电路由第一N型场效应管25、第二N型场效应管26、第一肖特基二极管23、第二肖特基二极管24和电流采样电阻22组成，第一N型场效应管25为过放保护MOSFET，第二N型场效应管26为过充保护MOSFET，电流采样电阻22 与电芯1负极连接，电芯1正极接锂离子电池控制端P₂，第二N型场效应管26源极接锂离子电池控制端P₁，过充过放保护电路为现有技术。电源VCC通常为+5V，信号地SGND接电芯1壳体。

本发明实施例的电流电压转换电路包括第十电阻21、第九电阻19、第二电容20、第一电容17、电阻18、第四运算放大器16，第九电阻19一端接地，另一端接入第四运算放大器16的反向输入端；第十电阻21一端与过充过放保护电路连接，另一端接入第四运算放大器16的同向输入端；第二电容20一端接地，另一端与第十电阻21连接；第一电容17和第八电阻18并联后跨接在第四运算放大器16的反向输入端和输出端之间，第四运算放大器16输出端与绝对值电路连接。

本发明实施例的绝对值电路包括第六电阻14、第五电阻11、第七电阻15、第一二极管10、第二二极管13和第三运算放大器12，第六电阻14一端与电流电压转换电路的输出连接，另一端接入第三运算放大器12的反向输入端；第七电阻15一端接地，另一端接入第三运算放大器12的同向输入端；第五电阻11跨接在第三运算放大器12的同向输入端与输出端之间；第一二极管10的阳极接在第三运算放大器12的输出端，第一二极管10阴极接电压比较器；第二二极管13的阳极接电流电压转换电路输出端，第二二极管13阴极与电压比较器连接。

本发明实施例的电压比较器包括第三电阻8、第四电阻9、电源VCC和第二运算放大器7，绝对值电路的输出端接入第二运算放大器7的反向输入端，作为输入信号；第三电阻8一端接地，另一端接入第二运算放大器7的同向输入端；第四电阻9一端接入电源VCC，另一端接入第二运算放大器7的同向输入端，第二运算放大器7的输出端接放大电路第一二极管10的阴极即绝对值电路的输出端。而第三电阻8、第四电阻9和电源VCC的网络组成了电压比较器的参考电压。

本发明实施例的放大电路包括第一电阻5、第二电阻6和第一运算放大器4，第二运算放大器7输出接第一运算放大器4的同向输入端；第二电阻6一端接地，另一端与第一电阻5和第一运算放大器4的反向输入端相接；第一电阻5跨接在第一运算放大器4的反向输入端和第一运算放大器4的输出端之间，第一运算放大器4输出端接钳位电路、微处理器2。

本发明实施例的钳位电路包括箝位二极管3，箝位二极管3正极与放大电路第一运算放大器4的输出和微处理器2连接，箝位二极管3负极与电源VCC连接。最后经处理后的信号接入微处理器2(PIC16F887)的端口RB₅口。

实现方法为：

在锂离子电池持续设定时间低于充放电电流阀值时，若微处理器2处于休眠模式则保持，若微处理器2处于工作模式，则执行SLEEP指令，将微处理器2置于休眠模式。此时，主振荡器停止工作，芯片消耗的电流极低，大约只有几微安，从而大大降低了微处理器2的功耗。一旦锂离子电池充电或放电后，回路产生电流，持续设定时间进入充放电电流阀值范围内时，微处理器2自动唤醒，执行保护功能。微处理器2的休眠唤醒采用PIC16F887的RB₅引脚状态变化中断来实现。触发信号来自充放电电路中的电流信号经电流电压转换电路转换后的电压。当锂离子电池不工作时，回路没有电流流过，PIC16F887的RB₅引脚输入为低电平；当锂离子电池由不工作状态转为工作状态时，回路产生电流，PIC16F887的端口RB5引脚输入由低电平变为高电平，发生引脚状态变化中断，微处理器PIC16F887被唤醒。电流电压转换电路中第八电阻18、第九电阻19的选择要确保锂离子电池在正常充电或放电情况下转换后的电压既要小于电压比较器的短路参考电压(第三电阻8、第四电阻9和电源VCC的网络组成)，又要满足PIC16F887的端口RB5的高电平输入要求。为了解决由于放电和充电过程中的回路电流大小和方向差异而导致的电流采样后得到的电压相对于PIC16F887的RB5输入引脚的高低电平不一，这里先利用绝对值电路对电流电压转换电路得到的采样电压取绝对值，从而得到统一的正电压。为了防止短路时引起电路产生误中断唤醒操作，这里设计了一个电压比较器模块，由于短路时回路电流要高出锂离子电池正常工作时回路电路好几倍，当产生短路时，电压比较器的反向输入端电压高于短路参考电压，电压比较器输出低电平，PIC16F887的端口RB5引脚状态不发生改变，不产生中断唤醒；当锂离子电池由不工作状态转为正常工作状态时，电压比较器的反向输入端电压低于短路参考电压，电压比较器输出高电平。然后利用运算放大器把经电压比较器输出的信号进行放大处理，目的是为了把小电流信号经转换得到的小电压信号提高到PIC16F887的RB5引脚的高电平要求。为了保护PIC16F887的引脚，在PIC16F887的端口RB5引脚加入二极管箝位电路。

Claims

1.一种锂离子电池保护电路节能控制电路，包括与充放电电路串接的过充过放保护电路，其特征在于：还设置有电流电压转换电路、绝对值电路、电压比较器、放大电路、钳位电路和微处理器，过充过放保护电路与电流电压转换电路的输入连接，电流电压转换电路的输出与绝对值电路的输入连接，绝对值电路的输出与电压比较器的输入连接，电压比较器的输出与放大电路的输入连接，放大电路的输出与钳位电路和微处理器连接，微处理器通过过充过放保护电路的电流采样电阻采样充放电电流，过充过放保护电路没有充放电电流时微处理器保持或者置于休眠模式；过充过放保护电路有充放电电流时微处理器保持或者自动唤醒进入工作模式。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述电流电压转换电路包括第十电阻、第九电阻、第二电容、第一电容、第八电阻、第四运算放大器，第九电阻一端接地，另一端接入第四运算放大器的反向输入端；第十电阻一端与过充过放保护电路连接，另一端接入第四运算放大器的同向输入端；第二电容一端接地，另一端与第十电阻接第四运算放大器同向输入端的一端连接；第一电容和第八电阻并联后跨接在第四运算放大器的反向输入端和输出端之间，第四运算放大器输出端与绝对值电路连接。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述绝对值电路包括第六电阻、第五电阻、第七电阻、第一二极管、第二二极管和第三运算放大器，第六电阻一端与电流电压转换电路的输出连接，另一端接入第三运算放大器的反向输入端；第七电阻一端接地，另一端接入第三运算放大器的同向输入端；第五电阻跨接在第三运算放大器的反向输入端与输出端之间；第一二极管的阳极接在第三运算放大器的输出端；第二二极管的阳极接电流电压转换电路输出端，第一二极管阴极与第二二极管阴极连接后接电压比较器的输入。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述电压比较器包括第三电阻、第四电阻、电源和第二运算放大器，绝对值电路的输出端接入第二运算放大器的反向输入端；第三电阻一端接地，另一端接入第二运算放大器的同向输入端；第四电阻一端接入电源，另一端接入第二运算放大器的同向输入端，第二运算放大器的输出端接放大电路的输入。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述放大电路包括第一电阻、第二电阻和第一运算放大器，电压比较器输出接第一运算放大器的同向输入端；第二电阻一端接地，另一端与第一电阻和第一运算放大器的反向输入端相接；第一电阻跨接在第一运算放大器的反向输入端和第一运算放大器的输出端之间，第一运算放大器输出端接钳位电路和微处理器。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述钳位电路包括箝位二极管，箝位二极管阳极与放大电路的输出和微处理器连接，箝位二极管阴极与电源连接。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述微处理器采用PIC16F887。