CN101888097A - 微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置 - Google Patents

Abstract

一种微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，用于多节串联的锂离子动力电池组的充放电保护和充电均衡管理，通过采用微功耗单节锂离子电池保护电路和带电平迁移控制的CMOS模拟开关实现电池电压的检测、控制信号电平的迁移和逻辑组合运算，控制电池组总充放电回路的通断，实现充放电保护，利用单节锂离子电池保护电路的充电保护和释放，控制电池充电保护后进行放电，实现间歇式的均衡控制，采用MOS管的源极跟随电路采样负载回路的电流信号，并利用单节锂离子电池保护电路的过电流及短路检测功能实现过电流及短路保护，采用MOS管的源极跟随电路和高耐压低压降稳压器构成公共控制部分的电源供应电路，采用TVS实现装置的静电放电保护。

Description

微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置

所属技术领域：

本发明涉及一种微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，用于多节大容量锂离子串联电池组的充、放电保护和充电电量的均衡管理，可以保证大容量锂离子动力电池组的使用安全和充电饱和度的一致。

背景技术：

锂离子电池是近几年发展起来的新型蓄电池，由于其在能量密度、比能量、记忆效应、循环寿命等方面，均优于现有的其它类型的电池，得到了广泛的应用，特别是锂离子电池不会对环境形成污染，是真正的绿色能源，更是受到了人们的广泛重视，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。但是锂离子电池在使用不当时存在着爆炸、起火等安全问题，特别是大容量电池使用时存在的安全威胁更大，并且当锂离子电池组串联使用时，由于电池单体容量不一致，将导致充电终止时各电池单体的饱和度不一致，致使整组容量随着充放次数增加而快速衰减，导致了锂离子电池在动力能源的应用中受到了限制。

随着新型的电极材料的发展和制作工艺的改进，大容量和高放电率的锂离子电池已经进入实用化阶段，制成的电池已完全能够满足一些动力能源的应用，通过多节串联组合后，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业的发展有着良好的促进作用。

在动力能源应用的领域中，需将多个电池单体串联起来组成电池组。为了保证电池组充放电时的电压和电流不超出其要求的安全运行范围，并保证各节的充电饱和度一致，需要附加一个充放电及电量均衡管理装置，检测电池的电压及充放电电流，通过控制充放电回路的通断来保护电池组的安全，并对各节的充电量进行控制，使其充电结束时达到相同的充电饱和度。由于各节电池的检测电路处于不同的电位，检测出的控制信号需要通过电位的迁移和逻辑组合运算后形成总回路的控制信号，现有的管理模块一般采用光电耦合器或场效应管分立元件来实现各节控制信号的电位迁移和逻辑组合元运算，存在着电路自耗电电流大、失效电压高、抗静电能力差、可靠性低等问题，导致其安全保护作用失效，特别是当自耗电电流大时，放电保护后的电池在较长时间放置时易产生亏电现象，导致电池组形成不可逆转的损坏。

发明内容：

为了克服现有产品存在的自耗电电流大、电路失效电压高、抗静电能力差、可靠性低等问题，本发明提供了一种具有极低自耗电电流和静电放电防护能力的微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置。

本发明采用的方案是：采用微功耗单节锂离子电池保护电路检测电池单体电压，采用带电平迁移控制的HCMOS模拟开关实现个单节控制信号的电平迁移和逻辑组合运算，控制电池组总充放电回路的通断；利用微功耗单节锂离子电池保护电路的充电保护和释放状态的转换，通过HCMOS模拟开关和MOS管控制每节电池充电保护后进入小电流放电状态，实现间歇式的均衡控制；采用MOS管的源极跟随电路实现负载回路电流值的采样与电压限制，利用微功耗单节锂离子电池保护电路的电流及短路检测功能实现过电流及短路保护；采用MOS管的源极跟随电路和高耐压低压差模拟电源稳压器(LDO)从整电池组取电，构成所有电池单体耗电均衡的公共控制部分的微功耗电源供应电路；采用TVS管为电池管理装置提供静电放电防护。

本发明的有益效果是：

1、采用微功耗单节锂离子电池保护电路和HCMOS电路构成电池单体的检测和控制信号的电平迁移与逻辑组和运算电路，大幅度地降低了电池组管理装置的自耗电电流(小于80μA)，仅为现有同类产品5％以下，可延长电池组的储存时间10倍以上；

2、具有过放电休眠功能，对于已经进入过放电保护的电池组，整个装置进入休眠状态，整机电流下降至30μA以下，有效地避免电池组在过放电保护之后，因充电不及时导致电池电量耗尽，造成电池组不可逆转的损坏；

3、控制回路采用整电池组取电供应，可保证各电池单体的自耗电流保持平衡，避免部分电池耗电过多导致电量饱和度失衡；

4、采用微功耗单节锂离子电池保护电路和HCMOS电路构成电池单体的检测和控制信号的电平迁移与逻辑组和运算电路，电路的失效电压低，电池电压检测精度高，稳定可靠；

5、利用电池保护电路的充电保护和释放状态的转换，控制均衡回路进行间歇式均衡工作，有效地降低了均衡电路的发热量，可长时间工作，延缓装置老化，提高可靠性；

6、采用MOS管的源极跟随电路和电阻分压实现负载回路电压限制与电流值的采样，可以任意设定过载电流的保护阀值；

7、采用TVS管为电池管理装置提供静电放电防护，具有静电放电保护能力，保护电路内部充放电大功率MOS管在拔插充电器或开关负载时，免受静电冲击电压的损害。

附图说明：

附图1是采用微功耗单节锂离子电池保护电路和HCMOS模拟开关构成的微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置的电路原理图；

附图2是利用带电平迁移控制电路的HCMOS模拟开关实现电平迁移和逻辑组和运算的原理说明图；

具体实施方式：

本装置由多节结构相同且串联连接的检测、电平迁移和逻辑组合运算、均衡控制单元电路和公共控制部分组成。

如图1所示，任一节(第i节)检测、电平迁移和逻辑组合运算、均衡控制单元电路分别由微功耗单节锂离子电池保护电路Ui1、带电平迁移控制的HCMOS模拟开关Ui2、MOS管Ti1和电阻Ri1构成，其微功耗单节锂离子电池保护电路Ui1并联在各电池单体两端，检测本节电池的电压，产生充电过电压保护信号COi和放电欠电压保护DOi控制信号，分别接至HCMOS模拟开关电路Ui2的两个模拟开关的常开(NO)引脚上，对应的两路模拟开关的常闭引脚(NC)接至第i节电池的负端VBi-1、公共引脚(COM)输出的信号接至第i-1节模拟开关电路Ui-12的控制引脚(CON)、控制引脚(CON)接受来自上一节电路相应的控制信号Ci+1和Di+1，HCMOS模拟开关电路Ui2的正电源引脚VDD接至第i+1节电池的正端VBi+1，接地引脚VSS接至第i节电池的正端VBi，负电源引脚VEE接至第i节电池的负端VBi-1。

微功耗单节锂离子电池保护电路Ui 1输出的COi信号同时还接入第i-1节模拟开关Ui-12的一个控制端(CON)，控制其公共输出端(COM)的输出电平，当COi为高电平时通过其常开引脚(NO)接至低电平VBi-1，当COi为低电平时通过其常闭引脚(NC)接至高电平VBi，该信号输出至MOS管Ti1的栅极，当该节电池电压超过充电保护电压时控制MOS管Ti1导通，接通放电电阻Ri2，对该节电池进行放电，当低于充电保护电压的释放电压时控制MOS管Ti1截止，断开放电电阻，实现间歇式充电均衡。

采用带电平迁移控制电路的HCMOS模拟开关电路(涉及到的集成电路包括74HC4053、54HC4053、74LV4053、54LV4053、74LVC4053、54LVC4053、74HC2G53、54HC2G53、74LV2G53、54LV2G53、74LVC2G53、54LVC2G53、74HC1G53、54HC1G53、74LV1G53、54LV1G53、74LVC1G53、54LVC1G53)实现各单节电池控制信号的电平迁移和逻辑组合运算，其原理说明参见图2，来自第i+1节电池的充电控制信号Ci+1或放电控制信号Di+1接至第i节HCMOS模拟开关电路Ui2的控制端(CON)，该信号的电平范围是VBi～VBi+1，由于该模拟开关电路的控制端带有电平迁移功能，可以控制从模拟开关电路Ui2的负电源VEE(对应电路电位VBi-1)到正电源VDD(对应电路电位VBi+1)之间任意电平信号的通断转换，当来自上一级的控制信号为低电平VBi时，模拟开关Ui2的常闭端(NC)导通，公共端(COM)被接至电位VBi-1，该电位对应于下一级控制信号的低电平；当来自上一级的控制信号为高电平VBi+1时，模拟开关Ui2的常开端(NO)接通，公共端(COM)被接至本节微功耗单节锂离子电池保护电路Ui1的CO或DO输出端，其输出的电位取决于第i节电路Ui1输出的控制信号COi或DOi的电平：当Ui1输出为低电平VBi-1时，公共端(COM)输出的电位为VBi-1，该电位对应于下一级控制信号的低电平，当该节检测电路输出高电平电平VBi时，公共端(COM)输出的电位为VBi，该电位对应于下一级控制信号的高电平，因此，来自第i+1节控制信号的电平范围为VBi～VBi+1，通过模拟开关电路Ui2转换后输出的控制信号电平范围转换成为VBi-1～VBi，来自第i+1节的控制信号电平被迁移降低了一节电池的电平，而且，当第i节电池检测电路输出低电平时，不管来自上一级的控制信号Ci+1或Di+1是高电平VBi+1还是低电平VBi，模拟开关电路Ui2的公共端输出的均为低电位VBi-1，对应于下一节模拟开关电路Ui-12控制端(CON)信号的的低电平，此低电平信号将使下一节模拟开关Ui-12的公共端(COM)通过常闭端(NC)接至低电位，从而使低电平控制信号一直传送至最低一节模拟开关电路U12的公共输出端(COM)，由此可见，所有串联在一起的微功耗单节锂离子电池保护电路中输出的控制信号CO或DO只要有一节输出低电平，都将使最低一节模拟开关U12公共端(COM)的输出为低电平，只有所有的微功耗单节锂离子电池保护电路输出的控制信号CO或DO都是高电平时，最低一节模拟开关电路U12的对应的公共端(COM)的才能输出高电平，从而通过HCMOS模拟开关实现了信号“与”逻辑组合运算。

采用带电平迁移控制电路的HCMOS模拟开关实现各节控制信号的电平迁移和逻辑组合运算的有益之处是：

1、控制信号CO和DO的电平迁移和逻辑组合运算电路的工作电流极低(典型值＜10μA)，从而实现电池管理装置的微功耗工作；

2、电路工作稳定，工作温度范围宽(-40℃～+85℃或-55℃～+125℃)，满足工业级产品的温度范围要求；

3、所有的输入输出端均具有箝位保护电路，耐静电冲击，电路的可靠性高。

公共控制部分包括由MOS管T3、T4、T6、施密特反相器U1、电阻R4、R5、R6以及稳压管DZ2构成的充放电控制信号驱动电路，MOS管T1、T2和电阻R1、R2构成的电流检测电路，MOS管T5、低压差稳压器(LDO)U2、电阻R3、稳压管DZ1构成的电源供应电路，公共控制部分包括由MOS管T3、T4、T6、施密特反相器U1、电阻R4、R5、R6以及稳压管DZ2构成的充放电控制信号驱动电路，MOS管T1、T2和电阻R1、R2构成的电流检测电路，MOS管T5、低压差稳压器(LDO)U2、电阻R3、稳压管DZ1构成的电源供应电路，单向TVS管DZ3A或/与双向TVS管DZ3B或/与两个单向TVS管DZ3C和DZ3D或/与两个单向TVS管DZ3E和DZ3F构成的静电放电保护电路组成。

公共控制部分的充放电控制信号驱动电路的MOS管T4、T3分别将经由HCMOS模拟开关电平迁移和逻辑组合运算出C1和D1信号放大至0V～VCC的电平范围，C1信号被放大后经MOS管T6倒相后驱动大功率MOS管T7，控制充电回路的通断，D1信号被放大后经施密特触倒相器U1整形后驱动大功率MOS管T8，控制放电回路的通断。

公共控制部分的电流检测回路中MOS管T1的栅极由施密特触倒相器U1整形后驱动，在正常放电状态时，驱动电压为高电平，T1导通，R1的一端接至电池组负极GND，流过充放电回路中大功率MOS管T7、T8的电流由于其漏源极间电阻而产生压降，该电压信号经MOS管T2限压和电阻R1、R2分压后送至第1节微功耗单节锂离子电池保护电路U11的CS端，当流过T6、T7的漏源极之间的放电电流产生的压降信号经R1、R2分压后超过U11的过放电流检测电压或短路检测电压并相应地延迟一定的时间后，U11的DO端输出低电平控制信号，经U12、T3、U1进行传输、运算、放大整形后，在T1和T7的栅极上产生低电平关断信号，关断MOS管T1和放电控制回路的大功率MOS管T8，切断电流检测回路和电池组放电回路，当流过T7、T8漏源极之间的充电电电流产生的压降经T2限压和R1、R2分压后低于U11的过充电流检测电压并延迟一定时间后，U11的CO端输出低电平，经U12、T4、T5进行传输、运算、放大和倒相后，关断T7的栅极驱动电压信号，使充电回路的控制大功率MOS管T7关断，切断充电回路。

采用MOS管T1在放电保护时同时切断电流检测回路的有益之处是：降低在电路进入放电保护时电流检测回路的电流消耗，特别是在过放电保护时，由于微功耗单节锂离子电池保护电路U11内部将CS的电位上拉至电池正极电位VB1，使电流检测回路的限压MOS管T2关断，放电回路的电流进一步降低至1μA以下，可以显著地延长已处于过放电状态的电池组的存放时间。

公共控制部分的电源供应电路中的MOS管T5的栅极接至第5或6或7节电池的正极电位VB5/VB6/VB7，漏极接至电池组的最高一节(第n节)电池的正极VBn，源极极接至由低压差稳压器(LDO)U2(涉及的集成电路电路有HT71XX、HT71XX-1、HT75XX、HT75XX-1系列稳压电路)输入端，U2的接地端通过稳压管DZ1接地，DZ1的偏置电流接至输出端R3提供，输出端输出电压VCC，用于施密特反相器U1和放电控制驱动回路T6的电源供应。

采用MOS管T5和低压差稳压器(LDO)U2给公共控制回路的施密特反相器U1和MOS管T6供电的有益之处是：降低总控制回路的电流消耗，并使公共控制回路的供电电流来自于电池组所有的电池，每节电池都消耗相同的电流。

静电放电保护电路的TVS管可采用以下四种电路形式中的一种或两种或三种或四种的组合：

1、采用单向的TVS管(DZ3A)并联于电池组的正输出端VBn与电池组管理装置的负输出端P-之间；

2、采用双向的TVS管(DZ3B)并联于电池组管理装置的负输出端P-与电池组的负极GND之间。

3、采用两个阴极接在一起的单向TVS管DZ3C和DZ3D，其阳极分别接至电池组的负极GND和电池组管理装置的负输出端P-；

4、采用两个阳极接在一起的单向TVS管DZ3E和DZ3F，其阴极分别接至电池组的负极GND和电池组管理装置的负输出端P-。

采用上述四种连接方法接入TVS管的有益之处是：可以防止电池组在插入或拔下充电器和接入或移除负载时因静电放电击穿用于控制充放电回路通断的大功率MOS管T7和T8。

Claims (6)

1.一种微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，由多节结构相同且串联连接的电池检测、电平迁移和逻辑组合运算、均衡电路单元和公共控制部分组成，其特征在于：任一节(第i节)电池检测、电平迁移和逻辑组合运算、均衡控制单元电路由微功耗单节锂离子电池保护电路Ui1、带电平迁移控制的CMOS模拟开关Ui2、MOS管Ti1和电阻Ri1构成的均衡电路组成，公共控制部分包括由MOS管T1、T2和电阻R1、R2构成的电流检测电路，MOS管T3、T4、T6、施密特反相器U1、电阻R4、R5、R6以及稳压管DZ2构成的充放电控制信号驱动电路，MOS管T5、低压差稳压器(LDO)U2、电阻R3、稳压管DZ1构成的电源供应电路，单向TVS管DZ3A或双向DZ3B或两个单向TVS管DZ3C和DZ3D或两个单向TVS管DZ3E和DZ3F或由它们的两种或三种或四种的组合构成的静电放电保护电路组成。

2.如权利要求1所述的微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，其特征在于：任一节(第i节)电池检测、电平迁移和逻辑组合运算、均衡控制单元电路的微功耗单节锂离子电池保护电路Ui1的V端和G端分别接至第i节电池的正极和负极，Ui1的充放电保护输出端CO和DO分别接至CMOS模拟开关电路Ui2的两路模拟开关的常开端(NO)，对应的两路常闭端(NC)接至本节电池负极电位VBi-1，两路公共端(COM)接至下一节模拟开关电路Ui-12的控制端(CON)，本节两路模拟开关的控制输入端(CON)接至上一级模拟开关Ui+12的两路模拟开关的公共端(COM)。

3.如权利要求1所述的微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，其特征在于：公共控制部分的电流检测电路的MOS管T1的源极接至电池组的负极，栅极接至施密特反相器U1的并联在一起的输出端，漏极接至R1的一端，R1的另一端与R2的一端相连后，接至U11的CS端，R2的另一端与MOS管T2的源极相接，T2的栅极接至第一节电池的正极VB1，漏极接至电池组管理装置的负输出端P-。

4.如权利要求1所述的微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，其特征在于：公共控制部分的充放电控制信号驱动电路的MOS管T3、T4的栅极分别接至U12的两个公共端(COM)，源极接至电池组的负端GND，T3的漏极接至R5和施密特反相器U1并连在一起的输入端，U1的输出端并联在一起接至MOS管T8的栅极，T8源极接至电池组的负极GND，漏极与MOS管T7的源极连接，T4的漏极接至R4和P型MOS管T6的栅极，T6的漏极接至MOS管T7的栅极、R6的一端和稳压管DZ2的阴极，T7的源极、R6的另一端和DZ2的阳极接在一起接至电池组管理装置的负输出端P-。

5.如权利要求1所述的微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，其特征在于：公共控制部分的电源供应电路的MOS管T5的栅极接至电池组第5或6或7节电池的正极VB5/VB6/VB7，T5的漏极接至第n节电池的正极VBn，源极接至低压降稳压器(LDO)U2的输入端，U2的输出端接至R3、R4、R5的一端以及MOS管T6的漏极、施密特反相器U1的电源端。

6.如权利要求1所述的微功耗大容量锂离子动力电池组管理装置，其特征在于：公共控制部分的放静电放电保护电路可由四种连接形式的一种或二种或三种或四种组合：(1)单向TVS管DZ3A阴极接至第n节电池的正极VBn，阳极接至电池组管理装置的负输出端P-，(2)双向TVS管DZ3B的一端接电池组管理装置的负输出端P-，另一端接电池组的负极GND，(3)两个阴极接在一起的单向TVS管DZ3C和DZ3D，其阳极分别接至电池组的负极GND和电池组管理装置的负输出端P-，(4)两个阳极接在一起单向TVS管DZ3E和DZ3F，阴极分别接至电池组的负极GND和电池组管理装置的负输出端P-。

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