CN104538937A - 锂离子电池低功耗保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低功耗的锂离子电池保护装置，由采样设定电路、控制电路和开关组成；采样设定电路由采样电阻、关闭电阻、开启电阻和标准电源组成，输出采样电压、开启电压、关闭电压至控制电路；控制电路由两个比较器和一个触发器组成，控制电路部分根据采样电压、关闭电压和开启电压控制开关K导通或者关闭，控制电池的输出。本发明设计的锂离子电池保护装置具有升压导通和低压断电功能，当输出电压过低时自动切断电池输出，从而防止电池因过放电而损坏，电池电压恢复后自动导通电池输出。本发明解决了锂离子电池放电保护和在充电后要求长时间搁置的问题，锂离子电池充电后的搁置时间延长到3个月。

Description

锂离子电池低功耗保护装置

技术领域

本发明涉及一种低功耗的锂离子电池保护装置，装置本身具有自身功耗低，输出电流大的特点，提高了锂离子电池满态的搁置时间。用于防止锂离子电池由于过放电而损坏。

背景技术

锂离子电池的过放电是指电池在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，电池放完内部储存的电量。当电池电压下降到一定值后，继续放电就会造成过放电，电池过放会给电池带来损坏，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减，所以对电池的过放保护是至关重要的。

一般情况下，锂离子电池充满电后给负载供电，负载消耗电池的容量，当电池容量低于保护装置设计的电压值时，保护装置自动关断锂离子电池的输出，保护电池不过放电，当重新充电电池电压达到额定值时，保护装置自动接通锂离子电池的输出，可以给负载供电。

而在某些特殊工况下，锂离子电池充满后有可能搁置1～3个月后使用，并且在搁置期间无法对电池进行充电，而搁置期间电池保护装置一直在工作，要求电池保护装置的自身功耗很小。目前市场上的电池保护装置多为负载工作电流微小且自身功耗较大，不能满足本专利应用工况的输出电流大于4A，且可使电池搁置3个月的要求。

发明内容

本发明设计的锂离子电池保护装置具有升压导通和低压断电功能，当输出电压过低时自动切断电池输出，从而防止电池因过放电而损坏，电池电压恢复后自动导通电池输出。具体的技术方案为：

所述一种锂离子电池低功耗保护装置，其特征在于：由采样设定电路、控制电路和开关组成；

采样设定电路由采样电阻、关闭电阻、开启电阻和标准电源组成；采样电阻由若干子采样电阻串联组成，采样电阻接在锂离子电池两端，子采样电阻分压输出采样电压；开启电阻由若干子开启电阻串联组成，开启电阻接在标准电源两端，子开启电阻分压输出开启电压；关闭电阻由若干子关闭电阻串联组成，关闭电阻接在标准电源两端，子关闭电阻分压输出关闭电压；关闭电压和开启电压由锂离子电池电压随时间的放电曲线确定，开启电压大于关闭电压，关闭电压大于锂离子电池的最低放电电压；子采样电阻、子开启电阻和子关闭电阻均为MΩ级电阻；

所述控制电路由两个比较器和一个触发器组成，比较器和触发器采用CMOS低功耗元件；第一比较器的输入为采样电压和开启电压，当采样电压大于开启电压时，第一比较器输出高电平；第二比较器的输入为采样电压和关闭电压，当采样电压小于关闭电压时，第二比较器输出高电平；第一比较器的输出连接触发器的置位端，第二比较器的输出连接触发器的复位端；

触发器连接开关，开关采用大功率场效应管，当触发器输出高电平时，开关闭合，锂离子电池输出，当触发器输出低电平时，开关断开，切断锂离子电池输出。

有益效果

本发明设计的锂离子电池保护装置具有升压导通和低压断电功能，当输出电压过低时自动切断电池输出，从而防止电池因过放电而损坏，电池电压恢复后自动导通电池输出。其中比较器和触发器采用CMOS低功耗元件，子采样电阻、子开启电阻和子关闭电阻均为MΩ级电阻，开关采用大功率场效应管IRF3205，因此电池保护装置输出的最大电流达110A，而自身的静态工作电流小于0.1mA，电池保护装置工作一个月消耗电池容量是0.1mA×24h×30＝0.072Ah，月消耗电池容量与锂离子电池月自放电量相当。本发明解决了锂离子电池放电保护和在充电后要求长时间搁置的问题，锂离子电池充电后的搁置时间延长到3个月。

附图说明

图1是锂离子电池放电曲线。

图2锂离子电池保护装置原理示意图。

图中，V-电池电压，U_开－开启电压，U_关－关闭电压，K－场效应晶体管，R1、R2、R3、R4、R5和R6－电阻，N1、N2－比较器，N3－触发器。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例应用于水下热动力航行器使用的操雷电池，操雷电池是由8节锂离子单体电池串联而成，锂离子单体电池电压范围：2.5V～4.2V，经8个单体电池串联后的电压为：8×(2.5～4.2)V。

锂离子单体电池电压随时间的放电曲线见图1，单体电池满态电压4.2V，随着使用电压下降至2.5V，电池继续放电将损坏电池。图中虚线所标区域为放电平台区，电池的工作电压基本在在3.8V左右。当锂离子单体电池电压用至2.5V时必须切断输出，否则电池电压继续下降至一定值会造成电池的永久损坏。电池电压降到3V时，电池容量已经基本耗尽，因此本发明将关闭电压值U_关设为3V(8串锂离子电池组设为8×3V)，电池电压降到3V时自动切断输出，从而达到保护电池的目的。

电池输出切断后，空载状态下电池电压将回升，本发明设置开启电压U_开来防止因电池电压回升造成用电设备反复上电、断电的振荡。根据图1的放电曲线，开启电压值U_开设为3.55V(8串锂离子电池组设为8×3.55V)。

如图2所示，锂离子电池低功耗保护装置由采样设定电路、控制电路和开关组成。

采样设定电路由采样电阻、关闭电阻、开启电阻和标准电源组成。

采样电阻由子采样电阻R1和R2串联组成，采样电阻接在锂离子电池两端，子采样电阻分压输出采样电压，采样电压取锂离子电池电压的十分之一。开启电阻由子开启电阻R5和R6串联组成，开启电阻接在标准3.3V电源两端，子开启电阻分压输出开启电压。关闭电阻由子关闭电阻R3和R4串联组成，关闭电阻接在标准3.3V电源两端，子关闭电阻分压输出关闭电压。使用标准3.3V电源分压的关闭电压和开启电压不受电池电压的影响。

控制电路部分根据采样电压、关闭电压和开启电压控制开关K导通或者关闭，控制电池的输出。控制电路由两个比较器和一个触发器组成。第一比较器N1的输入为采样电压和开启电压，当采样电压大于开启电压时，第一比较器输出高电平；第二比较器N2的输入为采样电压和关闭电压，当采样电压小于关闭电压时，第二比较器输出高电平；第一比较器的输出连接触发器N3的置位端(SET)，第二比较器的输出连接触发器的复位端(RESET)。触发器连接开关，当触发器输出高电平时，开关闭合，锂离子电池输出，当触发器输出低电平时，开关断开，切断锂离子电池输出。

当采样电压大于开启电压时，比较器N1输出“1”电平，比较器N2输出“0”电平，将触发器N3的输出设置“1”电平闭合开关K；当采样电压大小于关闭电压时，比较器N1输出“0”电平，比较器N2输出“1”电平，将触发器N3的输出复位为“0”电平断开开关K。

电池保护装置的N1～N3选用CMOS低功耗元器件，R1～R6选用MΩ级的电阻，因此电池保护装置的静态工作电流小于0.1mA，电池保护装置的静态工作电流实测值是98μmA，因此1个月的耗电量大约为0.072Ah，极大地降低了电池保护装置的功耗，延长了满态电池的搁置时间。开启电压值和关闭电压用标准电阻分压，电池保护装置中的分压电阻采用高精度电阻，使分得的三组电压值更精确，保证了保护电池装置控制的准确性和可靠性。采用大功率场效应管IRF3205作为开关，该器件的的等效电阻仅为8mΩ，漏极电流≤110A，能够满足控制大电流电路的通断的要求。

Claims (1)

1.一种锂离子电池低功耗保护装置，其特征在于：由采样设定电路、控制电路和开关组成；

采样设定电路由采样电阻、关闭电阻、开启电阻和标准电源组成；采样电阻由若干子采样电阻串联组成，采样电阻接在锂离子电池两端，子采样电阻分压输出采样电压；开启电阻由若干子开启电阻串联组成，开启电阻接在标准电源两端，子开启电阻分压输出开启电压；关闭电阻由若干子关闭电阻串联组成，关闭电阻接在标准电源两端，子关闭电阻分压输出关闭电压；关闭电压和开启电压由锂离子电池电压随时间的放电曲线确定，开启电压大于关闭电压，关闭电压大于锂离子电池的最低放电电压；子采样电阻、子开启电阻和子关闭电阻均为MΩ级电阻；

所述控制电路由两个比较器和一个触发器组成，比较器和触发器采用CMOS低功耗元件；第一比较器的输入为采样电压和开启电压，当采样电压大于开启电压时，第一比较器输出高电平；第二比较器的输入为采样电压和关闭电压，当采样电压小于关闭电压时，第二比较器输出高电平；第一比较器的输出连接触发器的置位端，第二比较器的输出连接触发器的复位端；

触发器连接开关，开关采用大功率场效应管，当触发器输出高电平时，开关闭合，锂离子电池输出，当触发器输出低电平时，开关断开，切断锂离子电池输出。