CN103414166A

CN103414166A - 一种锂离子电池充放电保护装置

Info

Publication number: CN103414166A
Application number: CN2013103719816A
Authority: CN
Inventors: 黄德欢; 杨书华
Original assignee: SUZHOU ZHIQIAO NEW MATERIALS S&T Co Ltd
Current assignee: Wujiang Haibo Technology Venture Investment Company Limited
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: CN103414166B

Abstract

本发明的锂离子电池充放电保护装置包括三个电压比较器，三个分压电位器、二个与逻辑门、非逻辑门、场效应管、绿色发光二极管和红色发光二极管。第一、第二电压比较器分别用于比较充电过程中锂离子电池的实时电压与各自分压电位器设定的电压的大小，第三电压比较器用于比较由第三分压电位器设定的电压与有电流通过场效应管时在两端产生电压降的大小。当第二与逻辑门的输出信号为高电平时，场效应管导通，绿色发光二极管亮，指示锂离子电池正常充放电，当第二与逻辑门的输出信号为低电平时，场效应管断开，非逻辑门输出信号为高电平，红色发光二极管亮，指示锂离子电池充放电回路已断开。该装置电路简单，体积小，可保证充放电的安全。

Description

一种锂离子电池充放电保护装置

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池充放电保护装置。

背景技术

随着锂离子电池的广泛应用，其使用方法和技术得到人们越来越多的重视。锂离子电池是指嵌入化合物为正、负极的二次电池，作为绿色高能可充电电池，从上世纪90年代初诞生以来，凭借着其体积小、电压高、比能量大、充放循环寿命长、放电性能稳定、自放电少等优点，逐渐应用到越来越多的领域。锂离子电池对充放电控制和保护电路的要求较高，在使用过程中应严格避免出现过充、过放、过流等现象。电池的荷电态越高，正极的氧化性和负极的还原性越强，其与电解液的反应活性就越强，表现为电池发生严重的气胀。与镍氢、镍镉电池不一样，锂离子电池必须考虑充电、放电时的安全性。在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，由于电解液分解而产生气体，致使内压上升而产生自燃或破裂的情况，而在过度放电状态下，电解液分解导致电池特性和耐久性劣化，降低电池可充电次数。因此，锂离子电池的过充、过放和过流保护装置的使用至关重要。

发明内容

本发明的目的是针对锂离子电池充电、放电和过流保护的要求，设计了一种锂离子电池充放电保护装置，该装置对锂离子电池实时状态的检测范围较大，可以灵活设置保护参数。

本发明的锂离子电池充放电保护装置包括三个电压比较器，三个分压电位器，二个与逻辑门，非逻辑门，场效应管，绿色发光二极管和红色发光二极管，第一电压比较器的同向输入端与第一分压电位器的一端相连，第一分压电位器的另一端与5V电源相连，第二电压比较器的反向输入端与第二分压电位器的一端相连，第二分压电位器的另一端与5V电源相连，第一电压比较器的反向输入端以及第二电压比较器的同向输入端共同与锂离子电池的正极端以及锂离子电池外部充电电源或锂离子电池负载的正极端相连，第三电压比较器的反向输入端与第三分压电位器的一端相连，第三分压电位器的另一端与5V电源相连，第三电压比较器的同相输入端与场效应管的漏极相连，场效应管的漏极与锂离子电池外部充电电源或锂离子电池负载的负极端相连，第一电压比较器的输出端与第一与逻辑门的一个输入端相连，第二电压比较器的输出端与第一与逻辑门的另一个输入端相连，第一与逻辑门的输出端与第二与逻辑门的一个输入端相连，第二与逻辑门的另一个输入端与第三电压比较器的输出端相连，第二与逻辑门的输出端与非逻辑门的输入端、场效应管的栅极以及绿色发光二极管相连，与非逻辑门的输出端与红色发光二极管相连，场效应管的源极与锂离子电池的负极端相连。

本发明中，所述的三个电压比较器均可选用LM358PW型电压比较器，但不限于此器件。

所述的二个与逻辑门均可选用SN74LS08D型与逻辑门，但不限于此器件。

所述的非逻辑门U6可选用SN74F04D型非逻辑门，但不限于此器件。

本发明中，第一电压比较器用于比较充电过程中锂离子电池的实时电压与由第一分压电位器设定的电压的大小，第二电压比较器用于比较放电过程中锂离子电池的实时电压与由第二分压电位器设定的电压的大小，第三电压比较器用于比较由第三分压电位器设定的电压与有电流通过场效应管时在两端产生电压降的大小。场效应管接收第二与逻辑门的输出信号，当第二与逻辑门的输出信号为高电平时，场效应管导通，锂离子电池正常充放电，当第二与逻辑门的输出信号为低电平时，场效应管断开，切断所述锂离子电池充放电回路。当第二与逻辑门输出信号为高电平时，绿色发光二极管亮，指示锂离子电池正在充电或放电，当第二与逻辑门输出信号为低电平时，非逻辑门输出信号为高电平，红色发光二极管亮，指示锂离子电池充放电回路已断开。

本发明的锂离子电池充放电保护装置可以检测在充放电过程中锂离子电池的实时电压，并与设定的电压进行比较，可以有效的控制锂离子电池充放电的工作过程，提高锂离子电池的使用寿命。

本发明电子线路简单，易于实现，应用范围广，扩展新性能好，可通过指示灯直观的显示出锂离子电池充放电的工作过程。

附图说明

图1是锂离子电池充放电保护装置的电路图。

具体实施方式

参照图1，本发明的锂离子电池充放电保护装置包括三个电压比较器U1、U2、U3，三个分压电位器R1、R2、R3，二个与逻辑门U4、U5，非逻辑门U6，场效应管Q，绿色发光二极管LED1和红色发光二极管LED2，第一电压比较器U1的同向输入端与第一分压电位器R1的一端相连，第一分压电位器R1的另一端与5V电源VCC相连，第二电压比较器U2的反向输入端与第二分压电位器R2的一端相连，第二分压电位器R2的另一端与5V电源VCC相连，第一电压比较器U1的反向输入端以及第二电压比较器U2的同向输入端共同与锂离子电池BT的正极端以及锂离子电池外部充电电源或锂离子电池负载的正极端相连，第三电压比较器U3的反向输入端与第三分压电位器R3的一端相连，第三分压电位器R3的另一端与5V电源VCC相连，第三电压比较器U3的同相输入端与场效应管Q的漏极相连，场效应管Q的漏极与锂离子电池外部充电电源或锂离子电池负载的负极端相连，第一电压比较器U1的输出端与第一与逻辑门U4的一个输入端相连，第二电压比较器U2的输出端与第一与逻辑门U4的另一个输入端相连，第一与逻辑门U4的输出端与第二与逻辑门U5的一个输入端相连，第二与逻辑门U5的另一个输入端与第三电压比较器U3的输出端相连，第二与逻辑门U5的输出端与非逻辑门U6的输入端、场效应管Q的栅极以及绿色发光二极管LED1相连，与非逻辑门U6的输出端与红色发光二极管LED2相连，场效应管Q的源极与锂离子电池BT的负极端相连。

本发明可以实现锂离子电池过充、过放和过流保护功能，其工作过程和原理是:

电路中各段比较电压的设定: 第一电压比较器U1用于比较充电过程中锂离子电池的实时电压与由第一电位器R1设定的电压的大小，由于锂离子电池允许的最大充电电压为4.2V，所以通过调节第一电压比较器U1的同相输入端连接的第一电位器R1的大小，使第一电压比较器U1的同相输入端的电压设定为4.2V。第二电压比较器U2用于比较放电过程中锂离子电池的实时电压与由第二电位器R2设定的电压的大小，由于锂离子电池允许的最大放电电压为2.4V，所以通过调节第二电压比较器U2的反相输入端连接的第二电位器R2的大小，使第二电压比较器U2的反相输入端的电压设定为2.4V。由于锂离子电池的电化学特性，以及电池使用时的特定要求，锂离子电池在充放电过程中的最大脉冲电流会受到一定限制，比如，容量型锂离子电池充放电电流一般小于2C（C=电池额定容量/h），动力锂离子电池则要求大倍率充放电，一般大于10-20C。本实施方式中，假定锂离子电池充放电的最大允许设定电流为I _max。锂离子电池在充电或对负载进行放电时，充放电电流在经过场效应管Q时，会在其两端产生一个电压，该电压值（通常为0.2V），Rd为场效应管Q的导通阻抗，I _max为设定的最大允许充放电电流。当场效应管Q的实际工作压降U（U = I Rd）超过正常状态下压降U ₀时，即U>U ₀，表明实际工作时的充放电电流I大于设定的最大允许充放电电流I _max，由此可得出锂离子电池充电或给负载放电的电流过大。因此在第三电压比较器U3的反相输入端可通过第三电位器R3设定电压为U ₀。

正常状态：在正常工作状态下，即电路中电压范围为2.4V-4.2V，最大放电电流小于I _max，第一电压比较器U1、第二电压比较器U2、第三电压比较器U3都输出高电平，第一与逻辑门U4、第二与逻辑门U5都输出高电平，非逻辑门U6输出低电平，所以LED1亮绿色，LED2不亮，场效应管Q导通，此时锂离子电池可以自由地进行充电或放电。

过充电保护：锂离子电池采用的充电方式为先恒流充电，然后恒压充电，充电开始阶段，锂离子电池电压较低，采用恒流充电，快速的为锂离子电池补充电量。充电过程中，锂离子电池的电压逐渐上升，当单节锂离子电池的电压上升到十分接近 4.2V 时，充电器立即转入恒压充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐下降，在电流降至恒流充电电流的 1/10 时，充电周期完成。锂离子电池在充电过程中，一旦锂离子电池电压超过4.2V时，第一电压比较器U1发生翻转，输出由高电平转为低电平，第二电压比较器U2、第三电压比较器U3仍然输出高电平，第一与逻辑门U4、第二与逻辑门U5输出低电平，非逻辑门U6输出高电平，所以LED1不亮，LED2亮红色，场效应管Q由导通变为断开，从而切断了充电回路，使充电器不能再对锂离子电池进行充电，起到了过充电保护的作用。

过放电保护：在锂离子电池放电过程中，一旦锂离子电池电压低于2.4V，第一电压比较器U1、第三电压比较器U3输出高电平，第二电压比较器U2发生翻转，输出由高电平转为低电平，第一与逻辑门U4、第二与逻辑门U5输出低电平，非逻辑门U6输出高电平，所以LED1不亮，LED2亮红色，场效应管Q由导通变为断开，从而切断了放电回路，使锂离子电池不能再对负载进行放电，起到了过放电保护的作用。

过电流保护：锂离子电池在充电或对负载进行放电时，充电电流或负载因某种原因导致异常，使回路中电流变大，当场效应管Q的压降U超过正常状态下压降U ₀时，可得出锂离子电池充电电流或给负载放电电流过大，第一电压比较器U1、第二电压比较器U2输出低电平，第三电压比较器U3发生翻转，输出由高电平转为低电平，第一与逻辑门U4、第二与逻辑门U5输出低电平，非逻辑门U6输出高电平，所以LED1不亮，LED2亮红色，场效应管Q由导通变为关断，从而切断了充放电回路，使回路中电流为0，起到了过电流保护作用。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种锂离子电池充放电保护装置，其特征在于：包括三个电压比较器（U1、U2、U3），三个分压电位器（R1、R2、R3），二个与逻辑门（U4、U5），非逻辑门（U6），场效应管（Q），绿色发光二极管（LED1）和红色发光二极管（LED2），第一电压比较器（U1）的同向输入端与第一分压电位器（R1）的一端相连，第一分压电位器（R1）的另一端与5V电源（VCC）相连，第二电压比较器（U2）的反向输入端与第二分压电位器（R2）的一端相连，第二分压电位器（R2）的另一端与5V电源（VCC）相连，第一电压比较器（U1）的反向输入端以及第二电压比较器（U2）的同向输入端共同与锂离子电池（BT）的正极端以及锂离子电池外部充电电源或锂离子电池负载的正极端相连，第三电压比较器（U3）的反向输入端与第三分压电位器（R3）的一端相连，第三分压电位器（R3）的另一端与5V电源（VCC）相连，第三电压比较器（U3）的同相输入端与场效应管（Q）的漏极相连，场效应管（Q）的漏极与锂离子电池外部充电电源或锂离子电池负载的负极端相连，第一电压比较器（U1）的输出端与第一与逻辑门（U4）的一个输入端相连，第二电压比较器（U2）的输出端与第一与逻辑门（U4）的另一个输入端相连，第一与逻辑门（U4）的输出端与第二与逻辑门（U5）的一个输入端相连，第二与逻辑门（U5）的另一个输入端与第三电压比较器（U3）的输出端相连，第二与逻辑门（U5）的输出端与非逻辑门（U6）的输入端、场效应管（Q）的栅极以及绿色发光二极管（LED1）相连，与非逻辑门（U6）的输出端与红色发光二极管（LED2）相连，场效应管（Q）的源极与锂离子电池（BT）的负极端相连。