CN101442209A

CN101442209A - 大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块

Info

Publication number: CN101442209A
Application number: CNA2007101146053A
Authority: CN
Inventors: 刘晓军; 兰成章; 王飞
Original assignee: WEIHAI KEYIDA ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: WEIHAI KEYIDA ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-05-27

Abstract

一种大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块，采用单节锂离子电池专用的微功耗集成电路作为电池单体电压的检测控制器，降低了自耗电电流，并获得高精度的检测电压。通过MOSFET驱动各路的光耦合器，实现各电池单体充放电保护控制信号的逻辑综合及电平迁移，并采用施密特触发电路对总的放电控制信号整形；由MOSFET源极跟随电路实现负载回路电流值的采样与电压限制，并利用专用集成电路的多级电流及短路检测功能实现过电流及短路保护和状态保持；采用整组取电的方式实现控制回路的电源供应，保证各电池单体的自耗电电流均衡，利用充电保护启动和释放控制信号的电压滞后回差，实现间歇式均衡控制模式。

Description

大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块

所属技术领域：

本发明涉及一种用于大容量锂离子串联电池组的充放电保护和充电均衡的模块装置，可以在大容量锂离子电池串联应用时保证充放电过程的使用安全和充电结束时各电池单体的充电饱和度的一致。

背景技术：

众所周知，锂离子电池在能量密度、比能量、记忆效应、循环寿命以及环保等方面，均有着其它电池无可比拟的优势，应用锂离子电池制成的便携式产品，重量轻、体积小、使用寿命长，特别是对环境没有污染，受到了人们的广泛重视。近年来，已在移动通信终端、笔记本电脑的便携式电子信息产品中，得到了普遍应用。但是由于锂离子电池所要求的苛刻的充放电安全使用条件，以及在串联应用时由于单体容量和充放电特性不平衡造成的组容量大幅度下降等问题，使得其在特别需要高能量密度、高比能量和大容量的动力应用领域中，受到了极大地限制。导致了一些需要电池作为动力能源的产品，诸如电动自行车等产品的发展受到了限制。

近年来，由于新型的电极材料和制作工艺的改进，大容量和高放电率的锂离子电池已经取得了突破性的进展，制成的电池单体已完全能够满足一些作为动力能源的应用，特别是利用其组合后已经可以适用于诸如在电动自行车乃至混合动力汽车等方面的应用，这使得锂离子电池在新的领域中拥有了异常广阔的前景，同时也给其应用产品，诸如电动自行车和混合动力汽车等产品的发展带来了良好的促进作用。

这些应用中需要使用多个电池单体串联起来组成一个电池组使用，这就需要一个电子装置来保证充放电过程的使用安全和充电结束时各电池单体的充电饱和度达到一致，以保证电池组的安全使用和电池组组合容量的最大发挥。目前，已有多种方案实现这些功能，有的采用比较器或运算放大器，使每节电池电压的与多级基准源进行比较，并将各节的比较结果综合运算后，得到充放电及均衡开关控制信号；有的采用3-4节的锂离子专用保护集成电路，组合其充放电控制信号得到电池组的总充放电控制信号，再用比较器或运算放大器和基准源与每节电池电压比较得到均衡控制信号；有的采用比较器或运算放大器和多级基准源与每节电池电压比较后，采用单片机综合其比较结果后，控制各节电池均衡回路以及电池组的总充放电开关，实现电池的充电均衡及充放电的安全控制。在这些方案中，均不可避免的使用了一片或多片比较器或运算放大器和基准源以及其他的控制电路，普遍存在着自耗电流大(几mA—几十mA)、保护和均衡动作电压精度低、抗干扰性能差、均衡时发热量大、失效率高等缺点，导致其安全作用失效、电池在较长时间放置时自身损坏等致命的问题。

发明内容：

为了克服现有产品存在的自耗电流大(几mA—几十mA)、保护和均衡动作电压精度低、抗干扰性能差、均衡发热量大、失效率高等缺点，本发明提供了一种自耗电电流低、均衡发热量小、可靠性高的大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块。

本发明采用的方案是：采用单节锂离子电池专用的微功耗集成电路作为电池单体电压的检测和充放电保护控制逻辑信号的控制器，利用其充电保护启动和释放的滞后电压回差，实现间歇式均衡控制模式；采用光耦合器实现各电池单体的充放电控制信号的综合和电位平移；采用MOSFET的源极跟随电路实现负载回路电流值的采样与电压限制，利用单节锂离子电池专用的微功耗集成电路电流及短路检测功能实现过电流及短路保护；采用MOSFET的源极跟随电路实现总驱动电路的整个电池组取电供应。

本发明的有益效果是：

1、有效地降低了模块的自耗电电流(小于1mA)，并使各单体的自耗电流保持相等；

2、电压检测精度高，稳定可靠；

3、减小了均衡电路的发热量，加速了总的放电保护MOSFET的开关速度，降低了其动作时的动态功耗，实现了在过载和短路保护的状态保持，避免放电保护MOSFET的反复震荡动作，提高了模块的可靠性；

4、整组取电，保证各电池单体的自耗电流保持平衡；

5、可以任意设定过载电流的保护阀值。

附图说明：

附图1是采用采用单节锂离子电池专用的微功耗集成电路作为电池单体电压的检测和充放电保护控制逻辑信号的控制器的电路原理图；

附图2是利用单节锂离子电池专用的微功耗集成电路充电保护启动和释放滞后电压回差，实现间歇式均衡控制模式的原理说明；

附图3是采用施密特电路对充电控制信号进行整形的原理说明；

具体实施方式：

如图1所示，单节锂离子电池专用保护电路(涉及到的集成电路型号包括：日本精工电子公司生产的S-8261、S-8241系列，日本理光电子生产的R-5400、R-5402、R-5421、R-5422、R-5426系列)UAi连接在各单体电池的两端，与各电池单体一起以串联的形式连接成电池组，UAi检测个电池单体电压，产生过电压(一般发生在充电时)和欠电压(一般发生在放电或静态放置时)的单体过充保护CO和过放保护DO控制信号，经MOSFET(TBi和TAi)分别放大后，分别输入光耦合器(UBi和UCi)。各单体电池产生的过充保护CO和过放保护DO控制信号通过输出三极管串联的光耦合器(UB1-UBn和UC1-UCn)后，分别完成过充保护CO和过放保护DO的“与”运算，当其中某一个电池单体被检测出过电压或欠电压时，对应的光耦合器串联回路被关断，在总的过充保护CO和过放保护DO输出回路的负载电阻R4或R3上得到低电平，这样就完成了各电池单体电池控制信号的综合和电平迁移。

采用单节锂离子电池专用集成保护电路的有益之处是：可以降低检测电路的自耗电流，实现电池电压微功耗检测，且检测精度高，稳定性好。

被综合的和迁移到低电平的总充电控制信号CO接至充电控制MOSFET T3的栅极，用于控制充电回路的通断；而被综合和迁移到低电平的总放电控制信号DO接至有施密特触发输入特性的CMOS门电路(涉及到的集成电路为CD4093或CD40106)的输入端，并将多个施密特门电路并联在一起后接至放电控制用的MOSFET T2的栅极上，控制电池组放电回路的通断。

采用CMOS施密特门电路并采用多个并联输出的有益之处是：提高放电控制信号的开关速度(如图2所示)，增加驱动能力，加速放电控制MOSFET的开关速度，降低MOS管的失效率，提高整机的可靠性。

各单体电池连接专用保护集成电路UAi的过充保护CO端经MOSFET TBi反相后接至TCi的栅极和UCi的发光二极管，当UAi检测到过电压信号时，CO端输出低电平，经过由光耦合器组成的CO控制信号的综合和电平迁移电路，使充电控制MOSFET T3关断，切断充电回路；同时经TBi反相后使TCi导通，电池BATi的正极将通过RBia—RBim及MOSFET TCi输出电流，起到均衡的作用。当电池电压在放电电流的作用下下降至过电压保护的下阀值时，UAi的过充保护CO端输出高电平，经过由光耦合器组成的CO控制信号的综合和电平迁移电路，使充电控制MOSFET T3导通，接通充电回路，回到充电状态；同时经TBi反相后使TCi截止，切断均衡电阻RBia—RBim的电流，关闭均衡的回路。整个电池组中，先达到充满电状态将使整个电池组处于充电-均衡-充电的间歇式状态，如图3所示，直到所有的电池都达到充满的状态。

采用专用保护集成电路UAi的过充保护CO信号控制均衡电路的有益之处是：使均衡回路处于间歇式工作状态，降低均衡导致的电路发热，使电池组可以长时间地处于充电状态，提高整机的可靠性。

MOSFET T1的源极接到位于电位最低的单节锂离子电池BAT1上的专用保护集成电路UA1的DM端，栅极接到BAT1的正极，其漏极接到电池组的负输出端PACK-。由于T1接成了源极跟随器的形式，正常工作时，其栅极的电压总是高于源极的阀值电压，因此T1的源极和漏极接通，电池组输出端的负端电压通过R2与R1分压后，接至UA1的电流检测引脚DM端，用于检测过载及短路电流，通过调节R2与R1的比值，可以改变过载电流的保护动作值。当外部电路过载或短路时，放电控制的MOS管关断，电池组的负输出端PACK-的电压升高直至接近电池组正端的电压，由于T1作用使UA1的电流检测引脚DM的电压升高至比BAT1正端电压低一个MOSFET的栅源开启阀值电压后即被钳位，保证了其工作的安全；同时由于外部负载的上拉作用，使其保持在此状态直到外部负载被断开时，才能在R1及DM内部电阻的下拉作用下，回到低电平，重新接通放电控制MOS管。

采用单节锂离子电池专用保护集成电路UA1的的电流检测引脚DM和MOSFET T1检测电流的有益之处是：①无需采用单独的基准源、比较器或运算放大器构建电流检测回路，降低整机的自耗电电流；②充分利用单节锂离子电池专用保护集成电路的多级电流检测功能，适应不同负载的使用，且可以使过载或短路状态保持，避免产生震荡性的保护损坏放电控制MOSFET，提高整机的可靠性；③使用R1和R2分压得到电流检测引脚DM所需要的检测电压，可以任意设定过载电流的检测值。

由R6和Z1构成了基准电压源，用于给MOSFET T4的栅极提供基准电压，T4的漏极通过电阻R5接至电池组的正输出端，源极接至CMOS门电路电源输入和光耦合器的输出三极管的集电极，构成源极跟随器电路用于给CMOS门电路和光耦合器的输出三极管的串联回路提供电源。

由R6、Z1和T4构成的电源供给电路的有益之处是：供应的电流来自于所有的电池单体，可以保证各电池单体的自耗电流保持一致。

Claims

1、一种大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块，其特征在于：采用单节锂离子电池专用的微功耗集成电路作为电池单体电压的检测控制器，产生充放电保护和充电均衡的控制逻辑信号，通过MOSFET驱动各路的光耦合器，通过光耦合器输出三级管的串联，实现各电池单体充放电保护控制逻辑信号逻辑综合及电平迁移，采用施密特触发电路对总的过放控制信号DO整形；利用充电保护启动和释放控制信号的电压滞后回差，实现间歇式均衡控制模式；采用MOSFET的源极跟随电路实现负载回路电流值的采样与电压限制，利用单节锂离子电池专用的微功耗集成电路电流及短路检测功能实现过电流及短路保护；采用MOSFET的源极跟随电路实现总控制回路的整组取电供应，保证各电池单体的自耗电电流均衡。

2、根据权利要求1所述的大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块，其特征在于：采用单节单节锂离子电池专用的微功耗集成电路作为电池单体电压的检测控制器，涉及到的集成电路型号包括：日本精工电子公司生产的S-8261、S-8241系列，日本理光电子生产的R-5400、R-5402、R-5421、R-5422、R-5426系列。

3、根据权利要求1所述的大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块，其特征在于：各单体电池产生的过充控制信号CO和过放控制信号DO分别通过MOSFET放大后输入光耦合器(UB1-UBn和UC1-UCn)的发光二极管，将相应的光耦合器的输出三极管串联后，分别完成过充控制信号CO和过放控制信号DO的“与”运算和电平迁移，以电池组的最低电位为基准，获取总的过充控制信号CO和过放控制信号DO，并利用施密特输入的CMOS门电路U1对总的过放控制信号DO进行整形和并联驱动。涉及到的施密特输入的CMOS门电路的型号为CD4093和CD40106。

4、根据权利要求1所述的大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块，其特征在于：各单体电池连接专用保护集成电路UAi的过充控制信号CO端经MOSFET TBi反相后接至TCi的栅极和UCi的发光二极管，当UAi检测到过电压信号时，UAi的CO端输出低电平，经过由光耦合器组成的过充控制信号CO的综合和电平迁移电路，使充电控制MOSFET T3关断，切断充电回路；同时经TBi反相后使TCi导通，电池BATi的正极将通过RBia—RBim及MOSFET TCi输出电流，起到均衡的作用；当电池电压在放电电流的作用下下降至过充保护电压的下阀值时，UAi的CO端输出高电平，经过由光耦合器组成的CO控制信号的综合和电平迁移电路，使充电控制MOSFET T3导通，接通充电回路，回到充电状态；同时经TBi反相后使TCi截止，切断均衡电阻RBia—RBim的电流，关闭均衡的作用；整个电池组中，先达到充满电状态将使整个电池组处于充电-均衡-充电的间歇式状态。

5、根据权利要求1所述的大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块，其特征在于：通过连接成源极跟随电路MOSFET T1的和电阻分压网络R2、R1，将电池组的负输出端电压送至单节锂离子电池专用的微功耗集成电路UA1的电流检测端DM，利用专用集成电路的多级过电流及短路检测功能，实现电池组的过电流及短路保护，并在保护后保持放电控制MOSFET T2的截止状态，直至导致过电流或短路的负载被断开。

6、根据权利要求1所述的大容量锂离子电池串联组合保护均衡模块，其特征在于：采用R6和Z1构成了基准电压源，MOSFET T4构成源极跟随器电路用于给CMOS门电路和光耦合器的输出三极管的串联回路提供电源，使供出的电流来自所有的电池，保证各电池单体的自耗电电流均衡。