CN106532877A - 锂电池保护器 - Google Patents

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Abstract

一种锂电池保护器，通过设置采集单元、开关控制单元与总控单元，持续对锂电池充放电过程进行多参数监测，并及时采取相应的开关控制，防止锂电池出现过充或过放，其结构简单且成本低廉。本发明提供了一种综合性强、控制精确的锂电池保护器。

Description

锂电池保护器
技术领域
本发明属于锂电池保护技术领域，具体地来说，是一种锂电池保护器。
背景技术
锂电池，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。其中，锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。
随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展，目前已成为锂电池的主流产品。
锂电池无记忆效应，因而循环次数多、使用寿命长。与此同时，锂电池也存在一些缺陷，例如不能出现过充或过放，否则将极大地损害锂电池的使用寿命。为此，需要对锂电池的充放电过程进行保护。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种锂电池保护器，通过多功能模块实现对锂电池的保护。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种锂电池保护器，包括采集单元、开关控制单元、总控单元、存储单元：
所述采集单元用于采集锂电池包的充放电电流、所述锂电池包中单体锂电池的电压及所述锂电池包与充电器的通断状态，并将采集到的数据输出至所述总控单元；
所述总控单元用于根据所述采集到的数据与预定阈值对比，根据对比结果向所述开关控制单元发出指令信号；
所述开关控制单元用于根据所述指令信号控制所述锂电池包的充电与放电状态；
所述存储单元用于存储所述锂电池包及所述单体锂电池的使用数据与故障数据。
作为上述技术方案的改进，所述采集单元包括：
电压监测器，用于采集所述单体锂电池的电压；
电流监测器，用于采集所述锂电池包的充放电电流；
充电器监测器，用于监测所述锂电池包与所述充电器的通断状态；
负载监测器，用于监测所述锂电池包与所述负载的连接状态。
作为上述技术方案的进一步改进，所述开关控制单元包括充电控制电路与放电控制电路，所述充电控制电路与所述放电控制电路串联连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述放电控制电路包括多个并联连接的放电侧MOS管：
所述放电侧MOS管的栅极与所述总控单元连接；
所述放电侧MOS管的源极与所述单体锂电池的负极连接；
所述放电侧MOS管的漏极与所述锂电池包的负极连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述放电侧MOS管的源极与漏极之间串联有至少一个稳压二极管。
作为上述技术方案的进一步改进，所述充电控制电路包括至少一个充电侧MOS管：
所述充电侧MOS管的栅极与所述总控单元连接；
所述充电侧MOS管的源极与所述充电器的负极连接；
所述充电侧MOS管的漏极与所述锂电池包的负极连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述充电侧MOS管的栅极与漏极之间设有由稳压二极管与电阻并联而成的稳压电路。
作为上述技术方案的进一步改进，所述总控单元包括运算器、比较器、驱动器：
所述运算器用于根据所述采集到的数据进行计算；
所述比较器用于将所述采集到的数据或所述运算器的计算值与所述预定阈值进行比较，并将比较结果输出至所述驱动器；
所述驱动器用于根据比较结果而发生对应的所述指令信号，并将所述指令信号输出至开关控制单元。
作为上述技术方案的进一步改进，所述采集单元还包括用于采集所述锂电池包的温度与环境温度的温度检测器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述锂电池保护器还设有充电均衡电路，用于使各单体锂电池在充电过程中取得电量的均衡。
本发明的有益效果是：通过设置采集单元、开关控制单元与总控单元，持续对锂电池充放电过程进行多参数监测，并及时采取相应的开关控制，防止锂电池出现过充或过放，其结构简单且成本低廉，提供了一种综合性强、控制精确的锂电池保护器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例1提供的锂电池保护器的总体结构图；
图2是本发明实施例1提供的锂电池保护器的采集单元的结构图；
图3是本发明实施例1提供的锂电池保护器的开关控制单元的结构图；
图4是本发明实施例1提供的锂电池保护器的放电控制电路的结构图；
图5是本发明实施例1提供的锂电池保护器的充电控制电路的结构图；
图6是本发明实施例1提供的锂电池保护器的总控单元的结构图。
主要元件符号说明：
1000-锂电池保护器，0100-采集单元，0110-电压监测器，0120-电流监测器，0200-开关控制单元，0210-放电控制电路，0211-放电侧MOS管，0212-放电侧稳压二极管，0220-充电控制电路，0221-充电侧MOS管，0222-充电侧稳压二极管，0223-保护电阻，0300-总控单元，0310-运算器，0320-比较器，0330-驱动器，0400-存储单元。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对锂电池保护器进行更全面的描述。附图中给出了锂电池保护器的优选实施例。但是，锂电池保护器可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对锂电池保护器的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在锂电池保护器的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1，锂电池保护器1000包括采集单元0100、开关控制单元0200、总控单元0300、存储单元0400：
采集单元0100用于采集锂电池包的充放电电流、锂电池包中单体锂电池的电压及锂电池包与充电器的通断状态，并将采集到的数据以可供输出的信号形式输出至总控单元0300。
请参阅图2，优选地，采集单元0100包括：
电压监测器0110，用于采集单体锂电池的电压；
电流监测器0120，用于采集锂电池包的充放电电流；
充电器监测器0130，用于监测锂电池包与充电器的通断状态；
负载监测器0140，用于检测锂电池包与负载的连接状态。
具体而言，锂电池包根据电量的需要，常常需要通过多个单体锂电池串联或并联组成。为此，电压监测器0110分别连接于各个单体锂电池的正负极，对各个单体锂电池的电压进行采集。
开关控制单元0200用于根据指令信号控制锂电池包的充电与放电状态。
请参阅图3，优选地，开关控制单元0200包括放电控制电路0210与充电控制电路0220，放电控制电路0210与充电控制电路0220串联连接。
请参阅图4，优选地，放电控制电路0210包括多个并联连接的放电侧MOS管0211。优选地，放电侧MOS管0211为N沟道MOS管，其连接关系如下：
放电侧MOS管0211的栅极(即G极)与总控单元0300连接；
放电侧MOS管0211的源极(即S极)与单体锂电池的负极连接；
放电侧MOS管0211的漏极(即D极)与锂电池包的负极连接。
MOS管，即金属-氧化物半导体场效应晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。
进一步优选，放电侧MOS管0211的源极与漏极之间串联有至少一个放电侧稳压二极管0212，避免放电侧MOS管0211受到反向电压的冲击，起到保护作用。
稳压二极管，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。
请参阅图5，优选地，充电控制电路0220包括至少一个充电侧MOS管0221，优选地，充电侧MOS管0221连接关系如下：
充电侧MOS管0221的栅极与总控单元0300连接；
充电侧MOS管0221的源极与充电器的负极连接；
充电侧MOS管0221的漏极与锂电池包的负极连接。
进一步优选，充电侧MOS管0221的栅极与漏极之间设有由充电侧稳压二极管0222与保护电阻0223并联而成的稳压电路。
优选地，充电控制电路0220可包括多个并联连接的充电侧MOS管0221，进一步增强电流许用范围。
总控单元0300用于根据采集到的数据与预定阈值对比，根据对比结果向开关控制单元0200发出指令信号。
请参阅图6，优选地，总控单元0300包括：
运算器0310，用于根据采集到的数据进行计算；
比较器0320，用于将采集到的数据或运算器0310的计算值与预定阈值进行比较，并将比较结果输出至驱动器0330；
驱动器0330，用于根据比较结果而发生对应的指令信号，并将指令信号输出至开关控制单元0200。
具体而言，驱动器0330根据比较结果，而向放电控制电路0210或充电控制电路0220发出高电平信号或者低电平信号，而使放电侧MOS管0211或充电侧MOS管0221导通或关断，从而实现对锂电池包充放电过程的控制。
存储单元0400用于存储锂电池包及单体锂电池的使用数据与故障数据。具体而言，存储单元0400持续记录锂电池包及单体锂电池使用过程的各项参数，并记录故障时的各项参数，以备查验维护。
以下简述锂电池包的充电控制过程：
当锂电池包与充电器保持连通时，充电器监测器0140获取充电连接信号，并输入总控单元0300，以使总控单元0300进入充电控制模式。
电压监测器0110分别采集各节锂电池的电压，电流监测器0120采集锂电池包的电流，并将电压检测值与电流检测值输送到总控单元0300。
总控单元0300接收到电压检测值与电流检测值后，先经运算器0310计算锂电池包的当前电量，而后将当前电量的计算值输送到比较器0320而得出比较结果，并依以下情形而进行相应操作：
在当前电量小于额定容量时，驱动器0330将向充电控制电路0220发出高电平信号，该高电平信号不低于充电侧MOS管0221的栅极开启电压，使充电侧MOS管0221的源极与漏极得以导通；否则充电侧MOS管0221保持关断状态。
此时，充电器的负极经充电侧MOS管0221而与锂电池包的负极导通。由于充电器的正极已与锂电池包的正极导通，充电电路成为完整通路，实现充电器对锂电池包的充电。在这一阶段，充电器以电流恒定的充电方式进行充电。
由于充电侧稳压二极管0222的稳压作用，充电侧MOS管0221的栅极与源极之间始终保持恒定电压。优选地，该恒定电压为18V。由此，充电侧MOS管0221的栅极与源极不会因为静电或浪涌受到冲击，使充电电路得到保护。
同时，保护电阻0223具有足够大的阻值，使流经保护电阻0223的电流足够小。由此，在突发状态下，充电侧稳压二极管0222即使被击穿，由于保护电阻0223的保护作用，充电电路内的电路亦不会出现急剧增加，有效地保护电路内的各元器件的安全。
随着锂电池包的充电进行，其电量逐渐充盈，电压不断升高。在此过程中，电压监测器0110持续监测锂电池包的电压并输出至比较器0320。
当锂电池包的电压接近充电截止电压时，充电器将转为以截止电压恒压充电。在恒压充电过程中，电流监测器0120持续监测锂电池包的电流并输出至比较器0320。
当锂电池包的电流接近低于充电电流阈值时，表示锂电池包到达充电终点时。此时，驱动器0330向充电控制电路0220发出低电平信号。
由此，充电侧MOS管0221的栅极不足以维持开启电压而使充电侧MOS管0221关断，使充电器的负极与锂电池包的负极断开，停止对锂电池包的充电，防止过充。
优选地，锂电池保护器1000还包括充电均衡电路，用于使各单体锂电池在充电过程中取得电量的均衡。
优选地，充电均衡电路包括串联连接于各单体锂电池两极之间的均衡电阻。
当相邻单体锂电池出现充电不均衡时，某些单体锂电池会率先达到充电饱和，其余单体锂电池则仍未充满。此后，饱和的单体锂电池将处于过充状态，其电压将高于额定电压。
在此情形下，需要对过饱和的单体锂电池进行电量释放，以保护其内部结构。此时，总控单元0300使均衡电阻所处电路保持导通，由于均衡电阻的负载消耗而使过饱和的单体锂电池电量得以释放，单体锂电池的电压下降到安全范围内。
在此过程中，电压监测器0110持续监测各单体锂电池的电压，电流监测器0120持续监测锂电池包的电流。由此，运算器0310推算得到各单体锂电池的电量。
当某一单体锂电池的电量达到充电阈值电量时，驱动器0330向开关均衡电路发出一电平信号。此时由该电平信号低于开关均衡电路的导通电压，开关均衡电路断开，使相应的单体锂电池停止充电，其余单体锂电池则继续充电至饱和状态。
优选地，采集单元0100还设有温度采集器，用于分别采集锂电池包温度值与环境温度值。
进一步优选，温度采集器包括第一热敏电阻与第二热敏电阻，分别用于采集锂电池包温度值与环境温度值。
当锂电池包到达充电终点时，锂电池包温度与环境温度的差值将达到最大值。总控单元0300结合温度采集器获取的锂电池包温度值与环境温度值，利用其差值关系，进一步增强充电终点的判断准确性，使锂电池包充电电量充盈又不会发生过充。
以下简述锂电池包的放电控制过程：
当锂电池包与负载保持连通时，负载监测器0140获取负载连接信号，并输入总控单元0300，使总控单元0300进入负载控制状态。电压监测器0110采集锂电池包的电压值，并将电压检测值输出至总控单元0300。
总控单元0300接收到电压检测值后，先经比较器0320而得出比较结果，并依以下情形而进行相应操作：
当电压检测值高于放电截止电压时，驱动器0330向放电控制电路0210发出高电平信号，该高电平信号不低于放电侧MOS管0211的栅极开启电压，使放电侧MOS管0211的源极与漏极得以导通；否则放电侧MOS管0211保持关断状态。
此时，单体锂电池的负极经放电侧与锂电池包的负极导通。由于锂电池包的正极已与单体锂电池的正极及负载连接，锂电池包的负极已与负载的连接，整个负载电路完全导通，实现锂电池包对负载的放电。
随着锂电池包的放电，其电量逐渐消耗，电压持续下降。在此过程中，电压监测器0110持续监测锂电池包的电压并输出至比较器0320。
当锂电池包的电压低于放电截止电压时，驱动器0330向放电控制电路0210发出低电平信号，该低电平信号低于放电侧MOS管0211的栅极开启电压，放电侧MOS管0211的栅极不足以维持开启电压而使源极与漏极断开，锂电池包停止放电，防止过放。
优选地，锂电池保护器1000还包括时钟电路，提供精确的计时基准。
优选地，锂电池保护器1000还包括数据通讯模块，用于与外界设备进行数据交换。
优选地，锂电池保护器1000还包括多个LED指示灯。多个LED指示灯为具有不同发光颜色的多个发光二极管，用以指示不同的电量状态。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种锂电池保护器，其特征在于，包括采集单元、开关控制单元、总控单元、存储单元：
所述采集单元用于采集锂电池包的充放电电流、所述锂电池包中单体锂电池的电压及所述锂电池包与充电器及负载的通断状态，并将采集到的数据输出至所述总控单元；
所述总控单元用于根据所述采集到的数据与预定阈值对比，根据对比结果向所述开关控制单元发出指令信号；
所述开关控制单元用于根据所述指令信号控制所述锂电池包的充电与放电状态；
所述存储单元用于存储所述锂电池包及所述单体锂电池的使用数据与故障数据。
2.根据权利要求1所述的锂电池保护器，其特征在于，所述采集单元包括：
电压监测器，用于采集所述单体锂电池的电压；
电流监测器，用于采集所述锂电池包的充放电电流；
充电器监测器，用于监测所述锂电池包与所述充电器的通断状态；
负载监测器，用于监测所述锂电池包与所述负载的连接状态。
3.根据权利要求1所述的锂电池保护器，其特征在于，所述开关控制单元包括充电控制电路与放电控制电路，所述充电控制电路与所述放电控制电路串联连接。
4.根据权利要求3所述的锂电池保护器，其特征在于，所述放电控制电路包括多个并联连接的放电侧MOS管，所述放电侧MOS管的栅极与所述总控单元连接，所述放电侧MOS管的源极与所述单体锂电池的负极连接，所述放电侧MOS管的漏极与所述锂电池包的负极连接。
5.根据权利要求4所述的锂电池保护器，其特征在于，所述放电侧MOS管的源极与漏极之间串联有至少一个稳压二极管。
6.根据权利要求3所述的锂电池保护器，其特征在于，所述充电控制电路包括至少一个充电侧MOS管，所述充电侧MOS管的栅极与所述总控单元连接，所述充电侧MOS管的源极与所述充电器的负极连接，所述充电侧MOS管的漏极与所述锂电池包的负极连接。
7.根据权利要求6所述的锂电池保护器，其特征在于，所述充电侧MOS管的栅极与漏极之间设有由稳压二极管与电阻并联而成的稳压电路。
8.根据权利要求1所述的锂电池保护器，其特征在于，所述总控单元包括运算器、比较器、驱动器：
所述运算器用于根据所述采集到的数据进行计算；
所述比较器用于将所述采集到的数据或所述运算器的计算值与所述预定阈值进行比较，并将比较结果输出至所述驱动器；
所述驱动器用于根据比较结果而发生对应的所述指令信号，并将所述指令信号输出至所述开关控制单元。
9.根据权利要求1所述的锂电池保护器，其特征在于，所述采集单元还包括用于采集所述锂电池包的温度与环境温度的温度检测器。
10.根据权利要求1所述的锂电池保护器，其特征在于，所述锂电池保护器还设有充电均衡电路，用于使各单体锂电池在充电过程中取得电量的均衡。
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