CN103107520B - 锂离子电池过温保护系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池过温保护系统及方法，其中系统包括：锂离子电池组、温度检测电路、MCU中央控制单元、开关模块、放电电路、充电电路、电源模块以及报警器；所述锂离子电池组与所述电源模块、温度检测电路及开关模块均电连接，所述MCU中央控制单元与所述温度检测电路、电源模块、报警器及开关模块均电连接；所述放电电路、充电电路通过与开关模块电连接实现与锂离子电池组电连接。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其涉及一种锂离子电池过温保护系统及方法。
背景技术
目前，锂离子电池以其高工作电压、高能量密度、长循环寿命、无环境污染等优势成为动力与储能电源的首选。但锂离子电池的过热会引发爆炸是其目前应用的主要障碍。在实际应用中，锂离子电池需要一个充分维护的温度环境来保证其长时间可靠工作。如果温度过高，不仅会加速电池性能的衰降和老化，严重时还会导致正负极材料分解，有机电解液氧化，SEI膜脱落等一系列电池内部热效应，最终引发电池爆炸。当电池温度过低时，电池的阻抗会增加，以致不能很好的发挥其性能。因此，为了防止锂离子电池特性的恶化和事故的发生，必须对锂离子电池进行过热保护。
中国知识产权局2006年11月22日公告的一份公告号为“CN2840470Y”，名称为“温度检测控制电路”的专利文件中，揭露了一种锂电池温度检测控制电路，能够实现锂电池充放电情况下的过温保护。其原理是：通过一个热敏电阻检测温度值，将该温度值转换成电压值，反馈给芯片，芯片经过把该电压值与一个基准电压比较，输出一个控制电平实现保护控制。然而，该专利存在两个不足之处：（1）、电池在充电放电的情况下允许的最大温度是有区别的。一般情况，电池放电允许的最大温度要高于充电允许的最大温度。而该专利所提出的技术方案是达到同一个温度时进行过温保护控制，这样，若将临界温度设置为充电情况下允许的最大温度，则放电情况下，当电池温度达到该临界温度则电池放电被切断，然而此时电池其实还可处于正常工作状态，造成了不必要的动作。（2）、该专利在检温电路和过温控制电路上采用了两个芯片进行处理，这一定程度上使电路变得复杂，也增加了成本。
中国知识产权局2009年2月25日公告的一份公告号为“CN101373893”名称为“电池过温保护电路”的专利文件中，揭露了另一种电池过温保护电路，其原理与上述专利原理相似，不同的是：（1）、该专利已经将电池充放电两种不同情况下的最高安全温度进行了分开处理；但是该电路适用情况单一，一旦实际应用更换不同类型电池，则临界温度的重新设定很麻烦，整个电路的基准电压模块都需要更改。（2）、在电路设计上，该专利没有采用智能芯片，而是采用一个基准电压提供电路和比较模块取而代之。虽然这一定程度上降低了电路成本，但是却使得电路变得复杂。同时，随着现实应用的需求越来越多，没有芯片也意味着该应用存在不能随时更改电池的临界温度，适用的电池类型缩小，电池温度曲线无法绘制等等问题。
由此可见，提出的一种简单，有效，完善，低成本的锂离子电池的过温保护系统有着重大的现实意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种锂离子电池过温保护系统及方法。
为解决上述问题，本发明采用的一种技术方案是：提供一种设锂离子电池过温保护系统，包括：锂离子电池组、温度检测电路、MCU中央控制单元、开关模块、放电电路、充电电路、电源模块以及报警器；
所述锂离子电池组与所述电源模块、温度检测电路及开关模块均电连接，所述MCU中央控制单元与所述温度检测电路、电源模块、报警器及开关模块均电连接；所述放电电路、充电电路通过与开关模块电连接实现与锂离子电池组电连接；
所述温度检测电路，用于检测所述锂离子电池组中每个电池单体的温度，并将检测到的温度反馈信号传送至所述MCU中央控制单元；
所述放电电路，用于为所述锂离子电池组进行放电；所述充电电路，用于为所述锂离子电池组进行充电；
所述MCU中央控制单元，用于接收温度检测电路传送的温度反馈信号，基于所述温度反馈信号判断所述锂离子电池组中是否有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内，并在判定所述锂离子电池组中有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内时，触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路；
所述电源模块分别为MCU中央控制单元、温度检测电路及报警模块提供工作电压；所述锂离子电池组分别为所述电源模块及开关模块提供工作电压；
所述MCU中央控制单元还用于当判定电池单体的放电温度回落到第一预置安全温度范围内或充电温度回落到第二预置安全温度范围内时，控制所述开关模块导通放电电路或充电电路。
其中，所述开关模块包括第一开关部件及第二开关部件，所述第一开关部件及第二开关部件均为高电平导通部件，所述第一开关部件用于在电池单体放电时接收到所述MCU中央控制单元输出的高电平时触发开关模块导通放电电路、低电平时触发开关模块断开放电电路，所述第二开关部件用于在电池单体充电时接收到所述MCU中央控制单元输出的高电平时触发开关模块导通充电电路、低电平时触发开关模块断开充电电路。
其中，所述温度检测电路包括多个子检测电路，所述锂离子电池组包括多个串联的电池单体，所述子检测电路与所述电池单体一一对应电连接。
其中，所述子检测电路包括：
一热敏电阻，其一端与所述电池单体的负极柱连接，用于感应电池单体的温度；
一与所述热敏电阻串联的电阻R，其一端与所述热敏电阻的另一端连接，另一端与电源模块连接；
所述热敏电阻与电阻R的公共节点与MCU中央控制单元连接。
其中，所述电池单体为型号为1860的锰系锂离子电池，其放电的安全温度范围设置为-20°~75°，充电的安全温度范围设置为-20°~65°，所述电池单体的电压为4.2V。
其中，所述热敏电阻的型号为MF52，B值为3950；所述电阻R的精确度限定在千分之一。
为解决上述问题，本发明采用的另一种技术方案是：提供一种锂离子电池过温保护方法，包括：
S10、MCU中央控制单元接收温度检测电路传送的温度反馈信号；
S20、MCU中央控制单元基于所述温度反馈信号判断所述锂离子电池组中是否有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内；
若否，则返回S10；若是，则触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路，执行S30；
S30、接收温度检测电路传送的温度反馈信号，并基于所述温度反馈信号判断所述电池单体的放电温度是否回落到第一预置安全温度范围内或充电温度是否回落到第二预置安全温度范围内；
S31、若否，则返回S20触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路；
S32、若是，则控制所述开关模块导通放电电路或充电电路。
其中，所述MCU中央控制单元在电池单体放电时向所述开关模块的的第一开关部件输出高或低电平，从而控制所述开关模块导通或断开放电电路；所述MCU中央控制单元在电池单体充电时向所述开关模块的的第二开关部件输出高或低电平，从而控制所述开关模块导通或断开充电电路。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
1、本发明将锂离子电池充电、放电两种情况的临界温度进行了分开处理，避免了隐患发生和不必要的动作。
2、本发明仅用一个智能芯片，实现了检温和控温两个功能，节省了成本。
3、本发明使用的智能芯片可以通过修改程序随时更改电池的临界温度，因而适用的电池类型也相对广泛。
4、本发明可以绘制温度曲线，记录任意时刻电池的温度，当电池组出现问题时，还可以判断出哪个电池出现故障。
5、本发明用智能芯片替代了基准电压提供电路和比较模块，使得电路变得清晰简单，避免很多外在元器件相互干扰和多种不确定情况。
6、本发明设计的系统的还设计了一个报警功能，能够起到及时提醒作用。
附图说明
图1是本发明锂离子电池过温保护系统的结构图；
图2是本发明一实施方式中锂离子电池过温保护系统的电路图；
图3是本发明中MF52热敏电阻阻值与温度的关系图；
图4是本发明锂离子电池过温保护方法在MCU中央控制单元端的流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施方式提供一种设锂离子电池过温保护系统，包括：锂离子电池组、温度检测电路、MCU中央控制单元、开关模块、放电电路、充电电路、电源模块以及报警器。所述锂离子电池组与所述电源模块、温度检测电路及开关模块均电连接，所述MCU中央控制单元与所述温度检测电路、电源模块、报警器及开关模块均电连接，所述放电电路、充电电路通过与开关模块电连接实现与锂离子电池组电连接。所述放电电路，用于为所述锂离子电池组进行放电；所述充电电路，用于为所述锂离子电池组进行充电。图1中放电电路及充电电路未标志出。
本系统的工作原理主要如下：温度检测电路检测所述锂离子电池组中每个电池单体的温度，并将检测到的温度反馈信号传送至所述MCU中央控制单元。
MCU中央控制单元接收温度检测电路传送的温度反馈信号，基于所述温度反馈信号判断所述锂离子电池组中是否有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内。若判定所述锂离子电池组中有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内，则触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路。并且，若MCU中央控制单元判定电池单体的放电温度回落到第一预置安全温度范围内或充电温度回落到第二预置安全温度范围内时，控制所述开关模块导通放电电路或充电电路。
此外在本系统中，由于各个模块所需的电源电压值不同，所以利用电源模块进行降压处理。电源模块的输入电压取自锂离子电池组电压，经过降压后，其输出电压直接作为MCU中央控制单元、温度检测电路和报警器的工作电源；开关模块的工作电源则直接取自锂离子电池组电压。正如图1所示，在图1中，实线表示主要信号流向方向，虚线表示工作电源来源，在本系统中，所述电源模块分别为MCU中央控制单元、温度检测电路及报警模块提供工作电压；所述锂离子电池组分别为所述电源模块及开关模块提供工作电压。
本系统还包括绘制模块，用以绘制温度曲线，记录任意时刻电池的温度，当电池组出现问题时，可以判断出哪个电池出现故障。
请参阅图2，为一具体实施方式中锂离子电池过温保护系统的电路图。在图2中，BT1BATTERY、BT2BATTERY以及BT3BATTERY为三个电池单体，由这三个电池单体串联组成了锂离子电池组，总电压为13.6V(4.2*3)。电源模块采用LDO低压差线性稳压器及若干个电容组成，其连接关系图2已经明确表示。在本实施方式中，LDO低压差线性稳压器的型号为HT7133。LDO低压差线性稳压器将电池组的电压降到VCC为3.3V，直接作为MCU中央控制单元、报警器、温度检测电路的工作电源。同时，分别设计了三个一样的子检测电路检测这三个电池单体的的温度。在本实施方式中，电池单体为型号为1860的锰系锂离子电池，其放电的安全温度范围设置为-20°~75°，充电的安全温度范围设置为-20°~65°，所述电池单体的电压为4.2V，即第一预置安全温度范围为-20°~75，第二预置安全温度范围为-20°~65°。
与每个电池单体一一对应连接的是子检测电路，三个子检测电路组成了温度检测电路。在本发明中，子检测电路包括：一热敏电阻，其一端与所述电池单体的负极柱连接，用于感应电池单体的温度；一与所述热敏电阻串联的电阻R，其一端与所述热敏电阻的另一端连接，另一端与电源模块连接；所述热敏电阻与电阻R的公共节点与MCU中央控制单元连接。在本实施方式中，热敏电阻的型号为MF52，B值为3950；所述电阻R的精确度限定在千分之一。
温度检测电路的工作原理为：热敏电阻RT与电阻R串联，流经电流I相同，因电源电压VCC和电阻R的阻值已知，故电流值I=VCC/R恒定可求。热敏电阻RT作为探头接在锂离子电池的极柱上进行温度感应,其阻值随着电池的温度改变而改变，所以，MCU通过ADC引脚采得RT两端的电压值URT也随之变化。利用MCU检测到的URT，通过RT=URT/I=URT/(VCC/R)，可求得RT的阻值，再对应热敏电阻阻值与温度的关系图便可获得电池的温度。
再请仔细参阅图2，可以看到PACK+及PACK-之间电连接有开关模块及与开关模块电连接的放电电路或充电电路，在本实施方式中，为一条电路，其一端连接PACK+，另一端连接开关模块，开关模块的断开或导通则就意味着放电电路或充电电路的断开或导通。所述开关模块包括第一开关部件及第二开关部件，所述第一开关部件及第二开关部件均为高电平导通部件，所述第一开关部件用于在电池单体放电时接收到所述MCU中央控制单元输出的高电平时触发开关模块导通放电电路、低电平时触发开关模块断开放电电路，所述第二开关部件用于在电池单体充电时接收到所述MCU中央控制单元输出的高电平时触发开关模块导通充电电路、低电平时触发开关模块断开充电电路。在本发明中，开关模块是由若干个场效应管组成，选用的MOS管型号为AOD403，导通电压为0.3V，开关模块的元件及元件之间的连接关系在图2中已经明确表明。在本实施方式中，第一开关部件的信号输入端为引脚OD，第二开关部件的信号输入端为引脚OC。
在图2所示的本发明中，报警器由一个5V的蜂鸣器，两个电阻和一个晶体管组成。结合前文描述，图2所示系统的工作原理如下：三个子检测电路与电池组的三个电池单体相连，感应每个电池单体的温度，继而，热敏电阻的阻值发生变化，导致其两端的电压URT也发生变化，该电压信号URT通过ADC1、ADC2、ADC3三个引脚反馈给MCU中央控制单元。MCU经过公式RT=URT/I=URT/(VCC/R)运算，得到RT的阻值，此外，在MCU中导入南京时恒阻温特性表，通过热敏电阻阻值与温度一一对应关系图，如图3所示，即可获得电池单体的温度值。
当电池单体处于放电情况时，若发现任何一个电池单体的温度在-20°~75°以外时，MCU中央控制单元触发报警器。与此同时，MCU中央控制单元则向OD引脚输出低电平，触发开关模块关断放电电路；而当MCU发现任何一个电池单体的温度回落在-20°~75°以内时，MCU中央控制单元则向OD引脚输出高电平，触发开关模块闭合放电电路。
当电池单体处于充电情况时，若发现任何一个电池单体的温度在-20°~65°以外时，MCU中央控制单元触发报警器。与此同时，MCU中央控制单元则向OC引脚输出低电平，触发开关模块关断充电电路；而当MCU中央控制单元发现任何一个电池单体的温度回落在-20°~65°以内时，MCU中央控制单元则向OC引脚输出高电平，触发开关模块闭合充电电路。
请参阅图4，配合上述系统，本发明还提供一种锂离子电池过温保护方法，包括：
S10、MCU中央控制单元接收温度检测电路传送的温度反馈信号；
S20、MCU中央控制单元基于所述温度反馈信号判断所述锂离子电池组中是否有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内；
若否，则返回S10；若是，则触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路，执行S30；
S30、接收温度检测电路传送的温度反馈信号，并基于所述温度反馈信号判断所述电池单体的放电温度是否回落到第一预置安全温度范围内或充电温度是否回落到第二预置安全温度范围内；
S31、若否，则返回S20触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路；
S32、若是，则控制所述开关模块导通放电电路或充电电路。
具体的，所述MCU中央控制单元在电池单体放电时向所述开关模块的的第一开关部件输出高或低电平，从而控制所述开关模块导通或断开放电电路；所述MCU中央控制单元在电池单体充电时向所述开关模块的的第二开关部件输出高或低电平，从而控制所述开关模块导通或断开充电电路。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
1、本发明将锂离子电池充电、放电两种情况的临界温度进行了分开处理，避免了隐患发生和不必要的动作。
2、本发明仅用一个智能芯片，实现了检温和控温两个功能，节省了成本。
3、本发明使用的智能芯片可以通过修改程序随时更改电池的临界温度，因而适用的电池类型也相对广泛。
4、本发明可以绘制温度曲线，记录任意时刻电池的温度，当电池组出现问题时，还可以判断出哪个电池出现故障。
5、本发明用智能芯片替代了基准电压提供电路和比较模块，使得电路变得清晰简单，避免很多外在元器件相互干扰和多种不确定情况。
6、本发明设计的系统的还设计了一个报警功能，能够起到及时提醒作用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种锂离子电池过温保护系统，其特征在于，包括：锂离子电池组、温度检测电路、MCU中央控制单元、开关模块、放电电路、充电电路、电源模块以及报警器；
所述锂离子电池组与所述电源模块、温度检测电路及开关模块均电连接，所述MCU中央控制单元与所述温度检测电路、电源模块、报警器及开关模块均电连接；所述放电电路、充电电路通过与开关模块电连接实现与锂离子电池组电连接；
所述温度检测电路，用于检测所述锂离子电池组中每个电池单体的温度，并将检测到的温度反馈信号传送至所述MCU中央控制单元；
所述放电电路，用于为所述锂离子电池组进行放电；所述充电电路，用于为所述锂离子电池组进行充电；
所述MCU中央控制单元，用于接收温度检测电路传送的温度反馈信号，基于所述温度反馈信号判断所述锂离子电池组中是否有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内，并在判定所述锂离子电池组中有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内时，触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路，所述第一预置安全温度范围和第二预置安全温度范围可通过修改MCU中央控制单元的程序进行更改；
所述电源模块分别为MCU中央控制单元、温度检测电路及报警器提供工作电压；所述锂离子电池组分别为所述电源模块及开关模块提供工作电压；
所述MCU中央控制单元还用于当判定电池单体的放电温度回落到第一预置安全温度范围内或充电温度回落到第二预置安全温度范围内时，控制所述开关模块导通放电电路或充电电路；
所述温度检测电路包括多个子检测电路，所述锂离子电池组包括多个串联的电池单体，所述子检测电路与所述电池单体一一对应电连接；
所述子检测电路包括：
一热敏电阻，其一端与所述电池单体的负极柱连接，用于感应电池单体的温度；其中，热敏电阻作为探头接在锂离子电池单体的极柱上进行温度感应；
一与所述热敏电阻串联的电阻R，其一端与所述热敏电阻的另一端连接，另一端与电源模块连接；
所述热敏电阻与电阻R的公共节点与MCU中央控制单元连接；
所述系统还包括绘制模块，用以绘制温度曲线，记录任意时刻电池的温度。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池过温保护系统，其特征在于：所述开关模块包括第一开关部件及第二开关部件，所述第一开关部件及第二开关部件均为高电平导通部件，所述第一开关部件用于在电池单体放电时接收到所述MCU中央控制单元输出的高电平时触发开关模块导通放电电路、低电平时触发开关模块断开放电电路，所述第二开关部件用于在电池单体充电时接收到所述MCU中央控制单元输出的高电平时触发开关模块导通充电电路、低电平时触发开关模块断开充电电路。
3.根据权利要求1-2任一项所述的锂离子电池过温保护系统，其特征在于：所述电池单体为型号为1860的锰系锂离子电池，其放电的安全温度范围设置为-20°ˉ75°，充电的安全温度范围设置为-20°ˉ65°，所述电池单体的电压为4.2V。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池过温保护系统，其特征在于，所述热敏电阻的型号为MF52，B值为3950；所述电阻R的精确度限定在千分之一。
5.一种锂离子电池过温保护方法，其特征在于，包括：
S10、MCU中央控制单元接收温度检测电路传送的温度反馈信号；
S20、MCU中央控制单元基于所述温度反馈信号判断锂离子电池组中是否有电池单体的放电温度不在第一预置安全温度范围内或充电温度不在第二预置安全温度范围内，所述第一预置安全温度范围和第二预置安全温度范围可通过修改MCU中央控制单元的程序进行更改；
若否，则返回S10；若是，则触发报警器报警，同时控制开关模块断开放电电路或充电电路，执行S30；
S30、接收温度检测电路传送的温度反馈信号，并基于所述温度反馈信号判断所述电池单体的放电温度是否回落到第一预置安全温度范围内或充电温度是否回落到第二预置安全温度范围内；
S31、若否，则返回S20触发所述报警器报警，同时控制所述开关模块断开放电电路或充电电路；
S32、若是，则控制所述开关模块导通放电电路或充电电路；
通过绘制模块绘制任意时刻电池的温度曲线。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池过温保护方法，其特征在于：所述MCU中央控制单元在电池单体放电时向所述开关模块的第一开关部件输出高或低电平，从而控制所述开关模块导通或断开放电电路；所述MCU中央控制单元在电池单体充电时向所述开关模块的第二开关部件输出高或低电平，从而控制所述开关模块导通或断开充电电路。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150902 Termination date: 20160131 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |