CN101795010A - 一种锂电池保护电路及其保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池保护电路及其保护方法。所述保护电路设于锂电池包内部，与组成锂电池包的各电池电芯两极均连接，包括前端采集单元、MCU主控单元、充电控制单元。所述保护方法是由前端采集单元实时采集电池各电芯电压参数传输给MCU，MCU根据给定的充电电流及读取的数据计算后输出PWM控制信号控制充电器充电；MCU适时降低充电电流充电或停止充电以对电池进行必要的保护。所述保护电路及方法采取单节电芯电压反馈方式，有效避免了仅以锂电池包两极Pack+、Pack-电压为参考时进行充电管理的弊端；当某节电芯电压在充电过程中达到限幅值时，MCU即调整指令降低充电电流避免电池电压超限，确保了锂电池的安全，同时提高了充电效率。

Description

一种锂电池保护电路及其保护方法
技术领域
本发明涉及锂电池保护技术领域，具体涉及一种应用于电动自行车上的锂电池的保护电路及其保护方法。
背景技术
目前，常规的电动自行车锂电池包仅具有锂电池保护功能，少数锂电池包支持简单的均衡功能，通常这样的保护系统称为锂电池保护板，而电池的充电管理则由外部的充电器完成，充电器与电池包的连接比较简单，即通过Pack+和Pack-端子连接。其充电过程一般是先恒流再恒压，当恒压过程电流降低到0.01C左右即认为充电完成。对于电压过低的电池包，一般会先进行涓流预充电，等电池电压升高至安全电压后再进行常规充电，电压反馈仅取自Pack+、Pack-，即电池组总电压。这种充电管理的缺点在于只对电池组的端口电压进行反馈，在电池组内电芯一致性较好的情况下，这种充电方式可以达到预期的效果；而当电池的一致性变差时，某节电芯的电压在充电过程中提前达到了限压值，保护板为了避免锂电池过充损坏，会切断充电回路，但此时其他电芯可能还没有充满，导致电池组电压达不到充电器设定值。
发明内容
本发明需解决的问题是提供一种锂电池保护电路及其保护方法，该电路及方法针对电池内部各电芯分别进行监控和管理，对电池各种状态提供完善、精确的保护。
为解决上述问题，本发明所采取的基本技术方案为：提供一种锂电池保护电路，设于锂电池包内部，与组成锂电池包的各电池电芯两极均连接，该电路包括：
前端采集单元，用于采集电池各电芯电压、温度参数并传输给下述的MCU主控单元；
MCU主控单元，实现系统控制和充电管理；
充电控制单元，与上述MCU主控单元连接，受控于MCU主控单元发出的PWM信号控制外部充电器工作。
优选的，所述保护电路进一步包括均衡单元，该单元包括与电池电芯数量相对应、与各电芯分别连接的多个均衡执行电路，各均衡执行电路均与前端采集单元连接。    
上述锂电池保护的电路的工作方法即锂电池保护方法步骤为：
(1)由前端采集单元采集电池各电芯电压参数；
(2)MCU读取电池各电芯电压参数，判断电池是否处于充电状态，是则进入充电管理程序；
(3)MCU根据给定的充电电流及读取的电芯电压参数计算出PWM占空比后输出PWM控制信号，通过充电控制单元控制充电器充电；
(4)再由MCU比较每个电芯电压值Vx，选出电芯电压最大值Vmax；
(5)由MCU对Vmax进行判断，如果Vmax大于设定值，则MCU通过PWM信号控制充电器降低充电电流继续充电；
(6)由MCU判断充电电流小于设定值Ic，则停止充电，否则继续充电并循环检测。
具体的，步骤(2)中电池处于充电状态的条件为前端采集单元采集到的电池电流大于设定值。
具体的，步骤(5)中每满足条件后，充电电流按百分之一递减。
步骤(2)中，如前端采集单元采集到的电池电流小于设定值，则MCU进入低功耗等待状态；如前端采集单元采集到的电池电流、电压、温度超出设定范围，则MCU进入故障查询状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：所述保护电路集成充电管理功能，且采用集成芯片分别采集电池各电芯参数，以电池各电芯参数判断充电状态并对充电过程进行控制，有效避免了仅以锂电池包两极Pack+、Pack-电压为参考时进行充电管理弊端；在这种方式下，电压反馈从之前的整组电压反馈调整为单节电压反馈，当某节电芯电压在充电过程中达到限幅值时，MCU即调整指令降低充电电流避免电池电压超限，确保了锂电池的安全，同时提高了充电效率。
附图说明
图1为所述保护电路原理示意图；
图2为本发明优选电路原理示意图；
图3为所述保护方法流程示意图；
图4为所述充电管理流程示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为所述保护电路原理示意图。如图，所述的锂电池充电管理电路，包括用于采集电池各电芯电压、温度参数的前端采集单元11，根据采集到得的电池各电芯电压、温度参数进行系统控制和充电管理的MCU主控单元10，受控于MCU主控单元、接收PWM信号控制外部充电器工作的充电控制单元12。所述前端采集单元11采用功能强大的集成芯片OZ890，其通过串口连接MCU，与其进行数据传递。所述充电控制单元12采用光耦元件U1、U2，光耦元件输入端接收MCU信号，输出端连接外部充电器。本实用新型所述电路中设有两路隔离PWM输出，其中一路用于充电电流指令传输，另一路预留。图中PACK+、PACK-为负载连接端子，CHG_IN接充电器负极，充电器正极与负载正极共用一个端子。另场效应管Q10、Q20组成过充过放的保护电路。
如2图是本发明的优选方案电路图，该方案与图1所示方案区别在于增加了均衡单元，该单元包括与电池电芯数量相对应、与各电芯分别连接的多个均衡执行电路，各均衡执行电路均与前端采集单元连接。如图中列出了一个均衡电路的示意图。即每个均衡电路包括电阻R1、R2、R3及场效应管Q1，所述电阻R1、R2分别与电池电芯两极连接，另一端连接前端采集单元；所述电阻R3、场效应管Q1与电池电芯依次串联形成回路，场效应管Q1栅极连接前端采集单元。该电路对应于各电池电芯，即每个电池电芯均设置一个这样的均衡电路，而电路控制端连接于芯片OZ890。
对于优选方案中增加了均衡单元，因此所述保护电路还具有均衡功能。
如图3、4所示，为上述锂电池保护电路的工作方法即锂电池的保护方法是：MCU上电初始化后，读取OZ890配置参数及系统参数后，判断系统状态。如果系统判断电路处于放电状态或空闲状态的话，则降低MCU和OZ890的功耗并进入循环等待，此时MCU可通过降低晶振频率进而降低运行速度以达到低功耗；如果系统判断电路处于故障状态，则记录状态信息，并对OZ890进行对应故障的相应操作。
如果系统判断电路处于充电状态后，则执行下列步骤：
(1)由OZ890实时采集电池各电芯电压参数；
(2)MCU读取电池各电芯电压参数，进入充电管理程序；
(3)MCU根据给定的充电电流及读取的电芯电压参数计算出PWM占空比后输出PWM控制信号，通过充电控制单元控制充电器充电；
(4)再由MCU比较每个电芯电压值Vx，选出电芯电压最大值Vmax；
(5)由MCU对Vmax进行判断，如果Vmax大于设定值，则MCU通过PWM
信号控制充电器降低充电电流继续充电；
(6)由MCU判断充电电流小于设定值Ic，则停止充电，否则继续充电并循环检测。
所述步骤(1)中电池处于充电状态的条件为前端采集单元采集到的电池电流大于设定值；步骤(5)中每满足条件后，充电电流按百分之一递减。
上述为本发明基本方案保护方法，对于优选方案，在充电管理之前，还设置有均衡功能，即步骤1前，先根据采集的数据判断各电池电芯是否有需要均衡的。如有，则通过均衡单元实现电芯均衡后再进入充电管理；如没有，则进行充电进入充电管理程序。
也就是说本发明所述电路中MCU主控单元具有四种工作状态，即空闲、充电、放电、故障，四种状态之间的转换条件及方式参考下表：
  当前状态 转换条件 动作 转换后状态
  空闲 OZ890检测到充电电流 大于设定值 OZ890发送外中断(AlertN) 到MCU，MCU查询状态 充电
  充电 OZ890检测到电流小于 设定的充电/放电阈值 OZ890发送外中断(AlertN) 到MCU，MCU查询状态 空闲
  空闲 OZ890检测到放电电流 大于设定值 OZ890发送外中断(AlertN) 到MCU，MCU查询状态 放电
  放电 OZ890检测到电流小于 设定的充电/放电阈值 OZ890发送外中断(AlertN) 到MCU，MCU查询状态 空闲
  空闲/充电/   放电 OZ890检测到过压、欠 压，过温、低温，过流、 短路事件发生 OZ890执行保护动作，通过 外中断(AlertN)唤醒MCU， MCU查询故障 故障
其中，进入充电状态后的充电管理过程为本发明所要保护的重点所在，本发明所述电路采用集成芯片OZ890配合MCU对电池各种状态进行控制并提供保护，尤其是充电状态。本发明所述充电管理功能通过对电池各电芯电压数据的采集和分析，由锂电池主控单元MCU根据电池状态确定充电电流，通过PWM方式将电流指令发送给充电器，充电器完全按照锂电池主控单元的要求进行输出。在这种方式下，电压反馈从之前的整组电池电压反馈调整为单节电芯电压反馈，当某节电芯电压在充电过程中达到限幅值时，MCU即调整指令降低充电电流避免电池电压超限，但仍继续对电池组进行充电，防止其他电池。这种充电管理方式确保了锂电池的安全，同时提高了充电效率。
需要说明的是，上述仅为本发明的优选实施方式，在未脱离本发明构思前提下对其所做的任何微小变化及等同替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.锂电池保护电路，其特征在于：设于锂电池包内部，与组成锂电池包的各电池电芯两极均连接，包括
前端采集单元，用于采集电池各电芯电压、温度参数并传输给下述的MCU主控单元；
MCU主控单元，实现系统控制和充电管理；
充电控制单元，与上述MCU主控单元连接，受控于MCU主控单元发出的PWM信号控制外部充电器工作。
2.根据权利要求1所述的锂电池保护电路，其特征在于：进一步包括均衡单元，该单元包括与电池电芯数量相对应、与各电芯分别连接的多个均衡执行电路，各均衡执行电路均与前端采集单元连接。
3.根据权利要求2所述的锂电池保护电路，其特征在于：进一步所述均衡执行电路包括电阻R1、R2、R3及场效应管Q1，所述电阻R1、R2分别与电池电芯两极连接，另一端连接前端采集单元；所述电阻R3、场效应管Q1与电池电芯依次串联形成回路，场效应管Q1栅极连接前端采集单元。
4.根据权利要求1所述的锂电池保护电路，其特征在于：所述前端采集单元采用集成芯片OZ890。
5.锂电池保护方法，步骤为：
(1)由前端采集单元实时采集电池各电芯电压参数；
(2)MCU读取电池各电芯电压参数，判断电池是否处于充电状态，是则进入充电管理程序；
(3)MCU根据给定的充电电流及读取的电芯电压参数计算出PWM占空比后输出PWM控制信号，通过充电控制单元控制充电器充电；
(4)再由MCU比较每个电芯电压值Vx，选出电芯电压最大值Vmax；
(5)由MCU对Vmax进行判断，如果Vmax大于设定值，则MCU通过PWM信号控制充电器降低充电电流继续充电；
(6)由MCU判断充电电流小于设定值Ic，则停止充电，否则继续充电并循环检测。
6.根据权利要求5所述的锂电池保护方法，其特征在于：步骤(2)中电池处于充电状态的条件为前端采集单元采集到的电池电流大于设定值。
7.根据权利要求5所述的锂电池保护方法，其特征在于，步骤(5)中每满足条件后，充电电流按百分之一递减。
8.根据权利要求5所述的锂电池保护方法，其特征在于：如前端采集单元采集到的电池电流小于设定值，则MCU进入低功耗等待状态。
9.根据权利要求5所述的锂电池保护方法，其特征在于：如前端采集单元采集到的电池电流、电压、温度超出设定范围，则MCU进入故障查询状态。
10.根据权利要求5所述的锂电池保护方法，其特征在于：在步骤(1)之前还包括由MCU判断是否有需要均衡的电芯，有则先对该电芯进行电量均衡的步骤。
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