CN102299536A - 矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，包括由一对输入输出端口(PC-、B+)和连接于所述一对输入输出端口(PC-、B+)之间的电池单元组成的主电路，所述电池单元是由多节锂离子充电电池串联而成的电池组；电池单元接有保护电路BMS；该保护电路包括一个过充电保护及充电转换电路、一个过放电保护及放电转换电路、电池单元的每一节电池的正负极两端分别连接一个均衡充电电路以及过电流保护电路；在充放电过程中，当任何一节电池的充电电压超过设定的充电限制电压时，都能使主电路断开；从而使电池组不会因单节电池的过充电或过放电，而造成整组电池损坏。另外，在出现过电流或短路时，也能迅速使主电路断开，从而对电池组提供了多重保护。同时，它能对电池组的各个电池单体均衡充电，使充电后的各个电池单体充电电压基本保持一致，提高了整组电池的荷电保持能力，提升了电池组的整体性能。特别适合由四节以上锂离子电池串联而成的动力电池使用。

Description

矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统

技术领域

本发明涉及锂离子充电电池的保护电路，尤其涉及一种与充电电池组群合在一起使用的转换充电保护电路。

背景技术

随着煤炭工业的发展和矿山装备技术进步，安全监控系统、应急救援设备、井下运输车辆等对防爆电源的要求越来越高，同时GB3836.2-2010《爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》中明确禁止存在析氢危险的蓄电池在隔爆外壳内使用。为满足目前煤矿装备的迫切需要，在充分研究、反复征求各方面专家意见以及进行相关试验研究的基础上，本发明是结合了目前成熟锂离子电池产品并针对矿用系统的特点而开发的一种全新的管理系统。

锂离子电池没有记忆效应，所以是理想的充电电池。其作为动力电池使用时，例如用其作为应急救援设备、井下运输车辆的驱动电池使用时，往往需要将7～13节以上锂离子电池串联使用，以达到电动机所需要的电压。多节电池串联使用时，尤其是4节以上的电池串联使用时，由于每节电池的性能指标不可能完全一样，其在充电、放电时的步调就不可能完全一致，一旦有一节电池处于过充电状态，就可能造成锂离子从正极过度脱嵌，从而使电极间发生短路，不仅影响电池容量、寿命，而且容易造成电池爆裂、起火等极端现象；一旦有一节电池处于过放电状态，就可能造成锂离子从负极过度脱嵌，从而使电极间发生短路，影响电池容量、寿命；由于各电池单体间的容量、自放电等的差异，日积月累，在使用一段时间后，电池组的荷电保持能力明显降低，影响了锂离子电池在更大范围内的推广应用。另外，充电过程中或放电过程中，都有可能出现过流或短路的情况，这种情况如果不及时制止，不仅严重危害电池的寿命，而且容易造成用电器的损坏、造成起火、爆裂等现象。因此，多节电池串联使用时，其性能的好坏不仅取决于电池单体质量的好坏，更重要的取决于其整体质量的高低。目前大容量锂离子蓄电池的生产工艺和安全性能控制还存在诸多问题，《矿用防爆锂离子蓄电池电源安全技术要求》规定单体电池的最大容量不超过60Ah，不允许单体电池或电池组任何形式的并联。60Ah蓄电池显然不能满足矿下的需求，这就需要多只、多组电池构成能量、功率单元。遗憾的是，在公知技术中，没有找到针对四节以上的锂离子电池组成的电池组使用的保护电路，特别是不能并联使用的各电池组间的充放电控制、转换系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，以解决多节锂离子电池在矿下串联使用时，由于各电池单体间存在性能差异，容易因单节电池的过充电或过放电，造成整组电池损坏的问题，解决了非并联使用的各电池组间的充放电控制、转换的问题。

本发明的技术方案为：矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，包括由一对输入输出端口(PC-、B+)和连接于所述一对输入输出端口(PC-、B+)之间的电池单元组成的主电路，所述电池单元是由多节锂离子充电电池串联而成的电池组；电池单元接有保护电路BMS；该保护电路包括一个过充电保护及充电转换电路、一个过放电保护及放电转换电路、电池单元的每一节电池的正负极两端分别连接一个均衡充电电路以及过电流保护电路；所述过充电保护及充电转换电路包括一个串联在所述主电路中的充电控制开关，和可将电池的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的过充电电压检测部，和根据所述过充电电压检测部的输出信号控制所述充电控制开关通断的过充电逻辑控制部；所述过放电保护及放电转换电路包括一个串联在所述主电路中的放电控制开关，和可将电池的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的过放电电压检测部，和根据所述过放电电压检测部的输出信号控制所述放电控制开关通、断的过放电逻辑控制部；所述的均衡充电电路包括一个可将所述一节电池的电压与设定的单节电池的额定电压进行比较并输出比较结果的电压检测部和一个自放电支路；所述每一个自放电支路包括一个阻抗元件和一个可根据相应的电压检测部的比较结果控制所述自放电支路通断的自放电控制开关；所述过电流保护电路包括放电过电流保护电路和充电过电流保护电路。

优选的是：所述过充电电压检测部包括连接在所述每一节电池的正负极两端、可将每一节电池的实际电压与设定的该节电池的充电限制电压进行比较并分别输出比较结果的多个差动电路；所述过充电逻辑控制部包括可根据所述这些差动电路的输入信号进行逻辑运算的过充电逻辑电路和可将所述过充电逻辑电路输出的电压信号与一个设定的相当于过充电逻辑电路输出的低电平的电压进行比较并输出比较结果的电压比较器。

优选的是：所述过放电电压检测部包括连接在所述每一节电池的正负极两端、可将每一节电池的实际电压与设定的该节电池的放电限制电压进行比较并分别输出比较结果的多个差动电路；所述过放电逻辑控制部包括可根据所述这些差动电路的输入信号进行逻辑运算的过放电逻辑电路和可将所述过放电逻辑电路输出的电压信号与一个设定的相当于所述多个放电限制电压之和的电压进行比较并输出比较结果的电压比较器。

优选的是：所述放电过电流保护电路包括可将所述放电控制开关的两端的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的第一过电流检测部，和根据所述第一过电流检测部的输出信号控制所述放电控制开关延时断开的第一延时电路；所述第一过电流检测部包括多个并联的电压比较器；所述第一延时电路包括时钟振荡器和可根据时钟振荡器的时钟进行计数的多个计数器，所述第一延时电路的多个计数器与所述第一过电流检测部的多个电压比较器一一相应。

优选的是：所述充电过电流保护电路包括可将所述充电控制开关的两端的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的第二过电流检测部，和根据所述第二过电流检测部的输出信号控制所述充电控制开关延时断开的第二延时电路；所述第二过电流检测部包括多个并联的电压比较器；所述第二延时电路包括时钟振荡器和可根据时钟振荡器的时钟进行计数的多个计数器，所述第二延时电路的多个计数器与所述第二过电流检测部的多个电压比较器一一相应。

优选的是：所述主电路中串联有电感元件。

优选的是：所述充电控制开关和放电控制开关分别由MOSFET管构成。

本发明的有益效果为：由于该保护电路包括一个过充电保护电路和一个过放电保护电路，充电时，当每一节电池的实际电压都低于设定的充电限制电压时，过充电逻辑控制部的差动电路向过充电逻辑控制部的过充电逻辑电路提供单节电池的实际电压，这些实际电压信号经过过充电逻辑控制部的过充电逻辑电路的运算后输出到过充电逻辑控制部的电压比较器，此时，输入电压比较器的电压信号一定是一个高于过充电逻辑电路输出的低电平的电压，所以电压比较器将其与设定的低于过充电逻辑电路输出的低电平的电压比较后向充电控制开关发出高电平，充电控制开关导通，电池组正常充电；当任何一节电池的实际电压高于设定的充电限制电压时，相应的差动电路就会向过充电逻辑电路发出低电平，过充电逻辑电路经过运算和电压比较器比较后，则向充电控制开关发出低电平，断开充电电路，停止充电。放电时，当每一节电池的实际电压都高于设定的放电限制电压时，过放电电压检测部的差动电路向过放电逻辑控制部的过放电逻辑电路提供单节电池的实际电压，这些实际电压信号经过过放电逻辑控制部的过放电逻辑电路的运算后输出到过放电逻辑控制部的电压比较器，与一个低于设定的相当于所述多个放电限制电压之和的电压进行比较，如果高于该电压，则向放电控制开关发出高电平，放电控制开关导通，电池组正常放电；如果低于该电压，则向放电控制开关发出低电平，放电控制开关断开，停止放电；当任何一节电池的实际电压低于设定的放电限制电压时，相应的差动电路就会向过放电逻辑电路发出低电平，过放电逻辑电路经过运算和电压比较器比较后，也向放电控制开关发出低电平，断开放电电路，停止放电。因此，在多节锂离子电池串联使用时，任何一节电池都不会受到过充电和过放电的损坏，而且当整组电池的电压低于一个设定的电压时，放电电路也会自动断开，由于这个设定电压低于电池组所有单节电池的放电限制电压之和，所以它会在每节电池都未达到设定的放电限制电压时，使放电电路断开，避免电池组在一个没有意义的低电压下继续工作，从而使电池组的使用更加安全和经济。

由于所述电池单元的每一节电池的正负极两端分别连接一个均衡充电电路，所以，在充电过程中，如果某一节电池的实际电压高于设定的单节电池的额定电压时，与其相应的电压检测部就会发出高电平，使自放电控制开关连通，使该节电池在充电的同时通过自放电支路进行自我放电，从而降低了该节电池的充电电流；充电结束后，所有高于设定的额定电压的电池还会通过相应的自放电支路继续自我放电，直至降至设定的额定电压，此时，电压检测部将发出低电平，自放电控制开关断开自放电支路，自我放电停止。通过自我放电，充电后电池组的各个电池单体的电压基本保持一致，消除了因各电池单体间的性能差异对电池单元的荷电保持能力的影响，提升了电池组的整体性能。

由于所述保护电路还包括过电流保护电路，所述过电流保护电路包括放电过电流保护电路和充电过电流保护电路，所以，在正常放电时，主电路中流过正常的工作电流，放电控制开关的两端的电压低于设定电压，第一电流检测部输出高电平，放电控制开关处于通的状态，电池组正常放电；当出现过电流或短路情况时，主电路中会出现大电流，从而使放电控制开关两端的电压迅速升高并超出设定电压，此时，第一电流检测部输出低电平，第一延迟电路的计数器根据时钟振荡器的时钟进行计数，直至计数器的计数结束后仍然收到来自第一电流检测部输出的低电平信号时，该延时电路才输出低电平，使放电控制开关断开，切断主电路，从而使整个电池组在放电过程中得到过流保护。延迟电路的好处是，不会因为短时间的电流波动而出现误操作。由于所述第一过电流检测部包括多个并联的电压比较器；所述第一延时电路包括时钟振荡器和可根据时钟振荡器的时钟进行计数的多个计数器，所述第一延时电路的多个计数器与所述第一过电流检测部的多个电压比较器一一相应，这些电压比较器可以设置不同的参考电压，所以，根据不同的电压比较器输出的信号可以区别不同的过电电流，采用不同的延迟时间。过电流越大，延迟时间越短，从而可以保护放电控制开关不受损坏。根据同样的道理，充电过电流保护电路可以使整个电池组在充电过程中得到过流保护，而且不会因为短时间的电流波动而出现误操作。

由于所述主电路中串联有电感元件，在电池组正常工作时，电感元件不起作用，但是，当主电路中的电流突然变大或负载短路时，电感元件会产生感抗，使第一或第二过电流检测部检测到的电压值迅速升高，放电控制开关或充电控制开关可以在更短的时间内断开，从而对放电控制开关或充电控制开关起到更好的保护作用。

附图说明

图1为本发明系统原理图

图2为本发明过充电保护及充电转换电路的原理图

图3为本发明过放电保护及放电转换电路的原理图

图4为本发明均衡充电电路的原理图

图5为本发明过电流保护电路的原理图

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图2所示过充电保护电路1的电路原理图，为了简化说明，将保护电路的其它部分省略了。

正极端子102和负极端子103作为输出端口，充电时，其分别与充电器的正极和负极连接，放电时，其分别与负载连接。电池单元101是由多节锂离子充电电池串联而成的电池组，可以是四节，也可以是四节以上的任何多节。正极端子102、负极端子103和连接在正极端子102、负极端子103之间的电池单元101构成了保护电路的主电路。

过充电保护电路1中，充电控制开关104由MOSFET管构成，充电控制开关104连接在电池单元101的负极与负极端子103之间。在所述电池单元101的每一节电池的正负极两端连接有一个可将每节电池的实际电压与设定的该节电池的放电限制电压进行比较并分别输出比较结果的多个差动电路11，差动电路11与所述电池单元的电池单体一一对应。所有这些差动电路11的比较结果分别输入过充电逻辑电路12，过充电逻辑电路12的输出端连接一个电压比较器13，电压比较器13可以将过充电逻辑电路12输出的电压信号与一个设定的相当于过充电逻辑电路输出的低电平的电压进行比较，这个电压可以人为调节。电压比较器13的输出端与作为充电控制开关104使用的MOSFET管的栅极连接。所有这些差动电路11构成了过充电保护电路2的过充电电压检测部分，过充电逻辑电路12和电压比较器13构成了过充电保护电路2的过充电逻辑控制部分。

如图2所示的过放电保护电路2的电路原理图，为了简化说明，将保护电路的其它部分省略了。

过放电保护电路2中，放电控制开关105由MOSFET管构成，放电控制开关105串接在所述主电路中。在所述电池单元101的每一节电池的正负极两端连接有一个可将每节电池的实际电压与设定的该节电池的放电限制电压进行比较并分别输出比较结果的多个差动电路21，每一个差动电路21与所述电池单元101的每一个电池单体一一相应。所有这些差动电路21的比较结果分别输入过放电逻辑电路22，过放电逻辑电路22的输出端连接一个电压比较器23，电压比较器23可以将过放电逻辑电路22输出的电压信号与一个低于设定的相当于所述多个放电限制电压之和的电压进行比较，这个电压可以人为调节。电压比较器23的输出端与作为放电控制开关105使用的MOSFET管的栅极连接。所有这些差动电路21构成了过放电保护电路2的过放电电压检测部分，过放电逻辑电路22和电压比较器23构成了过放电保护电路2的过放电逻辑控制部分。

如图3所示的均衡充电电路3的电路原理图，为了简化说明，将保护电路的其它部分省略了。

均衡充电电路3中，所述电池单元101的每一节电池的正负极两端连接一个可将所述一节电池的电压与设定的单节电池的额定电压进行比较并输出比较结果的电压检测部31，所述电压检测部31由差动电路构成。所述每一节电池的正负极两端还连接一个自放电支路，所述每一个自放电支路包括一个阻抗元件33和一个可根据相应的电压检测部31的比较结果控制所述自放电支路通/断的自放电控制开关32，所述自放电控制开关32由MOSFET管构成，所述电压检测部31的输出端与MOSFET管的栅极连接。自放电控制开关32也可以采用三极管等其它电控开关元件，只要其可以根据一个高电平和一个低电平就可以分别处于连通和断开两种状态即可。

如图4所示的过电流保护电路4的原理图，为了简化说明，将保护电路的其它部分省略了。

过电流保护电路4中，在放电控制开关105和充电控制开关104的相应的源极和漏极之间串联有两个电感元件106和106’。

过电流保护电路4包括充电过电流保护电路和放电过电流保护电路。

所述放电过电流保护电路包括可将所述放电控制开关105的源极和漏极两端的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的第一过电流检测部，和根据所述第一过电流检测部的输出信号控制所述放电控制开关105延时断开的第一延时电路46。

所述第一过电流检测部包括两个电压比较器41和42，所述这两个电压比较器41和42的第一输入端均通过一个分流电阻45连接于所述主电路中的两个电感元件106和106’之间，所述这两个电压比较器41和42的第二输入端分别与恒定电压源43和44连接，所述这些恒定电压源43和44可以人为设定成不相同的两个电压，分别用于检测放电时的较小过电流和较大过电流。

所述第一延时电路46包括时钟振荡器和可根据时钟振荡器的时钟进行计数的两个计数器，所述第一延时电路46的两个计数器与所述第一过电流检测部的两个电压比较器一一相应。所述第一延时电路46的输出端与放电控制开关105的栅极连接。第一过电流检测部的电压比较器和第一延时电路的计数器不局限于两个，也可以是多个，其目的在于，更好地根据过电电流的大小调整延时时间的长短。

所述充电过电流保护电路包括可将所述充电控制开关104的源极和漏极两端的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的第二过电流检测部，和根据所述第二过电流检测部的输出信号控制所述充电控制开关104延时断开的第二延时电路46’。

所述第二过电流检测部包括两个电压比较器41’和42’，所述这两个电压比较器41’和42’的第一输入端均通过一个分流电阻45’连接于所述主电路中的两个电感元件106和106’之间，所述这两个电压比较器41’和42’的第二输入端分别与恒定电压源43’和44’连接，所述这些恒定电压源43’和44’可以人为设定成不相同的两个电压，分别用于检测充电时的较小过电流和较大过电流。

所述第二延时电路46’包括时钟振荡器和可根据时钟振荡器的时钟进行计数的两个计数器，所述第二延时电路46’的两个计数器与所述第二过电流检测部的两个电压比较器一一相应，所述第二延时电路46’的输出端与充电控制开关104的栅极连接。第二过电流检测部的电压比较器和第二延时电路的计数器不局限于两个，也可以是多个，其目的也是为了更好根据过电电流的大小调整延时时间的长短。

由于过充电保护电路1和充电过电流保护电路都是通过充电控制开关104来控制主电路的通与断，所以其两者的输出信号应首先通过一个与门电路进行逻辑运算后，再输出到充电控制开关104的栅极。同样，过放电保护电路2和放电过电流保护电路的输出信号也应首先通过一个与门电路进行逻辑运算后，再输出到放电控制开关105的栅极。

综上所述，如图1所示，本发明所公开的动力锂离子电池的保护电路由过充电保护电路1、过放电保护电路2、均衡充电电路3和过电流保护电路4组成，它们一起集成于一块线路板中。在充电过程中，当任何一节电池的充电电压超过设定的充电限制电压时，都能使主电路断开；在放电过程中，当任何一节电池的放电电压超过设定的放电限制电压时，也都能使主电路断开；从而使电池组不会因单节电池的过充电或过放电，而造成整组电池损坏。另外，在出现过电流或短路时，也能迅速使主电路断开，从而对电池组提供了多重保护。同时，它能对电池组的各个电池单体均衡充电，使充电后的各个电池单体充电电压基本保持一致，提高了整组电池的荷电保持能力，提升了电池组的整体性能。特别适合由四节以上锂离子电池串联而成的动力电池使用。

Claims (7)

1.矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，包括由一对输入输出端口(PC-、B+)和连接于所述一对输入输出端口(PC-、B+)之间的电池单元(101)组成的主电路，所述电池单元(101)是由多节锂离子充电电池串联而成的电池组；电池单元(101)接有保护电路BMS；其特征在于：该保护电路包括一个过充电保护及充电转换电路(1)、一个过放电保护及放电转换电路(2)、电池单元(101)的每一节电池的正负极两端分别连接一个均衡充电电路(3)以及过电流保护电路(4)；所述过充电保护及充电转换电路(1)包括一个串联在所述主电路中的充电控制开关(104)，和可将电池的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的过充电电压检测部，和根据所述过充电电压检测部的输出信号控制所述充电控制开关(104)通断的过充电逻辑控制部；所述过放电保护及放电转换电路(2)包括一个串联在所述主电路中的放电控制开关(105)，和可将电池的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的过放电电压检测部，和根据所述过放电电压检测部的输出信号控制所述放电控制开关(105)通、断的过放电逻辑控制部；所述的均衡充电电路(3)包括一个可将所述一节电池的电压与设定的单节电池的额定电压进行比较并输出比较结果的电压检测部(31)和一个自放电支路；所述每一个自放电支路包括一个阻抗元件(33)和一个可根据相应的电压检测部(31)的比较结果控制所述自放电支路通断的自放电控制开关(32)；所述过电流保护电路(4)包括放电过电流保护电路和充电过电流保护电路。

2.如权利要求1所述的矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，其特征在于：所述过充电电压检测部包括连接在所述每一节电池的正负极两端、可将每一节电池的实际电压与设定的该节电池的充电限制电压进行比较并分别输出比较结果的多个差动电路(11)；所述过充电逻辑控制部包括可根据所述这些差动电路(11)的输入信号进行逻辑运算的过充电逻辑电路(12)和可将所述过充电逻辑电路(12)输出的电压信号与一个设定的相当于过充电逻辑电路(12)输出的低电平的电压进行比较并输出比较结果的电压比较器(13)。

3.如权利要求1所述的矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，其特征在于：所述过放电电压检测部包括连接在所述每一节电池的正负极两端、可将每一节电池的实际电压与设定的该节电池的放电限制电压进行比较并分别输出比较结果的多个差动电路(21)；所述过放电逻辑控制部包括可根据所述这些差动电路(21)的输入信号进行逻辑运算的过放电逻辑电路(22)和可将所述过放电逻辑电路(22)输出的电压信号与一个设定的相当于所述多个放电限制电压之和的电压进行比较并输出比较结果的电压比较器(23)。

4.如权利要求1所述的矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，其特征在于：所述放电过电流保护电路包括可将所述放电控制开关(105)的两端的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的第一过电流检测部，和根据所述第一过电流检测部的输出信号控制所述放电控制开关(105)延时断开的第一延时电路(46)；所述第一过电流检测部包括多个并联的电压比较器；所述第一延时电路(46)包括时钟振荡器和可根据时钟振荡器的时钟进行计数的多个计数器，所述第一延时电路(46)的多个计数器与所述第一过电流检测部的多个电压比较器一一相应。

5.如权利要求1所述的矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，其特征在于：所述充电过电流保护电路包括可将所述充电控制开关(104)的两端的电压与设定电压进行比较并输出比较结果的第二过电流检测部，和根据所述第二过电流检测部的输出信号控制所述充电控制开关(104)延时断开的第二延时电路(46’)；所述第二过电流检测部包括多个并联的电压比较器；所述第二延时电路(46’)包括时钟振荡器和可根据时钟振荡器的时钟进行计数的多个计数器，所述第二延时电路(46’)的多个计数器与所述第二过电流检测部的多个电压比较器一一相应。

6.如权利要求1-5任意一项所述的矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，其特征在于：所述主电路中串联有电感元件。

7.如权利要求6所述的矿用防爆兼本安锂离子蓄电池电源的管理系统，其特征在于：所述充电控制开关(104)和放电控制开关(105)分别由MOSFET管构成。

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