CN107040025B - 一种蓄电池单体专用的集成电路的实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种蓄电池单体专用的集成电路的实现方法，集成电路包括电池单体采集保护专用芯片，蓄电池单体，积分电容，温敏电阻、CPU控制模块及辅助电路。所述电池单体采集保护专用芯片包括集成蓄电池单体过充均衡电路、过放开路保护电路和电压温度采集积分电路。本发明集成电路在蓄电池过充电或过放电状态下，通过MOS管开关切换蓄电池的充放电回路，保证电池单体的安全性，延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池单体专用的集成电路的实现方法，属蓄电池技术领域。
背景技术
单体可充电蓄电池电压一般为几伏，而储能电池或动力电池的电压一般需要几十伏甚至更高，因此需要将许多单体电池串联后使用。大量电池的串联使用，在充放电过程中由于各单体电池的容量，内阻、温度的偏差，很容易引起各个电池电压不均衡，轻者导致电池组容量下降和快速劣化，重者导致徐电池开路，引起重大事故，甚至导致电池组起火爆炸，造成不可挽回的损失。由于容量内阻的差异，同一组串联蓄电池组中单体电池的充放电深度会不同，容量大的总会欠充欠放，而容量小的总会过充过放，会进一步加大电池之间的不均衡性，最终导致整组蓄电池的提前失效。
电力直流系统中大部分使用阀控式铅酸蓄电池，通过监测单节电池的电压、温度，整组电压、电流等数据能够有效监控蓄电池运行状态，但是目前对于蓄电池充放电过程中存在的过充过放问题却不够重视，尚无自动化保护方法，当蓄电池存在开路时也只能被动的进行现场处理，无法适应当前电力系统高可靠性的发展需求。
国内外针对动力电池的保护电路研究较多，一个完整的保护电路一般包括采样电路，逻辑控制电路，过充电保护电路，过放电保护电路，过放电保护电路等部分，现有的保护电路均存在线路复杂，性能不稳定等问题，且随着电池串联数量的增加，其线路控制更加复杂，实用性差。因此开发一种集蓄电池单体电压温度采集、蓄电池单体过充电保护、蓄电池单体过放电保护及开路保护功能为一体的蓄电池单体专用芯片至关重要。
发明内容
本发明的目的是，为了解决串联蓄电池中存在的蓄电池单体过充电、过放电甚至开路的问题，本发明提供一种蓄电池单体专用的集成电路的实现方法。
本发明的技术方案如下：一种蓄电池单体专用的集成电路的实现方法，所述集成电路包括蓄电池单体采集保护专用芯片，蓄电池单体，外部积分电容，温敏电阻，CPU控制模块及辅助电路；CPU控制模块与蓄电池单体采集保护专用芯片相关端口相连接；蓄电池单体采集保护专用芯片与蓄电池单体连接；积分电容连接蓄电池单体采集保护专用芯片的引脚CT1和引脚CT2；温敏电阻一端连接蓄电池单体采集保护专用芯片的引脚VT，温敏电阻另一端接地；所述集成电路在蓄电池单体过充电或过放电状态下，通过MOS管开关切换蓄电池单体的充放电回路，保证蓄电池单体的安全性，延长使用寿命。
所述电池单体采集保护专用芯片包括集成蓄电池单体过充均衡电路、过放开路保护电路和电压温度采集积分电路。
所述蓄电池单体采集保护专用芯片通过引脚VB+、VB-分别采集蓄电池单体的正极、负极电压信号，当输入引脚VB+与VB-之间的电压差高于过充参考电压V1时，过充均衡电路上的MOS管开关导通，使蓄电池单体上并联电阻R，通过电阻分流消耗过充电量，保护蓄电池单体不因过充导致性能下降；当输入引脚VB+与VB-之间的电压差低于过放参考电压V2时，过放开路保护电路上的MOS管导通，使蓄电池单体反向并联二极管D导通，避免过放电对蓄电池单体的损害及开路造成的失电风险；其中引脚VT连接温敏电阻作为温度信号采集输入；蓄电池单体采集保护专用芯片的引脚CT1与引脚CT2分别连接积分电容C的两端，引脚Vref输入基准电压值，引脚CTL0/CTL1/CTL2连接CPU输入控制信号，CPU输出控制信号CTL1和CTL2切换积分电路的模拟信号量输入，通过积分电容对模拟信号进行积分，将模拟信号转化成时间信号，由引脚OUT连接CPU计数器控制信号进行计数，实现电压温度的高精度采集；蓄电池单体采集保护专用芯片通过引脚VDD及GND由外部进行供电，接入蓄电池单体采集保护专用芯片的工作电压和接地。
所述过充均衡电路包括运算放大器、电阻及MOS管；其中引脚VB+与VB-作为电压跟随器的输入端；电压跟随器的输出端通过电阻连接电压比较器的同相输入端；过充参考电压V1作为电压比较器的反向输入端，电压比较器的输出连接MOSFET1的栅极；MOSFET1的源极连接MOSFET2的控制端。
所述过放开路保护电路由运算放大器，电阻，二极管及MOS管组成，其中引脚VB+与VB-作为电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端通过电阻连接电压比较器的反相输入端，过放参考电压V2作为电压比较器的同向输入端，电压比较器的输出连接MOSFET3的栅极，MOSFET3的源极连接MOSFET4的控制端。
所述电压温度采集积分电路由电子开关，运算放大器，电阻、电容、MOS管及外部积分电容组成；其中电子开关由CPU输出控制信号至CTL1/CTL2,控制切换Vref或VT或VB+与VB-的电压差的模拟信号作为电压跟随器的输入端，内部积分电容C1连接电压跟随器的输出端和一级电压比较器的反向输入端，内部积分电容C1的输出端与引脚Vref分别作为一级电压比较器的输入端，外部积分电容C通过引脚CT1/CT2分别连接在一级电压比较器的反向输入端与输出端，一级电压比较器的输出端连接二级电压比较器的同相输入端，引脚CTL0连接一级电压比较器的反向输入端及二级电压比较器的反向输入端，二级电压比较器的输出端作为MOSFET5的控制信号。
所述蓄电池单体采集保护专用芯片与蓄单体电池的正极和负极连接的引脚VB+/VB-作为电压信号采集输入，引脚VB1+/VB2+、VB1-/VB2-作为开启旁路工作时的大电流通道，增加芯片工作的安全性。
所述过充电均衡电路、过放电开路保护电路和电压温度采集积分电路通过集成电路设计，封装在同一芯片内，至少引出16个引脚与外部积分电路、温敏电阻连接，共同实现蓄电池单体过充均衡，过放开路保护，电压温度数据采集工作。
本发明的有益效果是，本发明通过设计一种集成蓄电池单体过充均衡电路、过放开路保护电路及电压温度采集积分电路的蓄电池单体采集保护专用芯片，在蓄电池单体过充电或过放电状态下，通过MOS管开关切换蓄电池单体的充放电回路，保证蓄电池单体的安全性，延长使用寿命；集成电路的设计避免了分立元件和拓扑电路复杂的问题，具有体积小，重量轻，焊点少，可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明一种蓄电池单体采集保护专用集成电路的实现原理示意图；
图2为芯片内部铅酸蓄电池单体过充均衡电路；
图3为芯片内部铅酸蓄电池过放电开路保护电路；
图4为芯片内部电压温度采集积分电路。
具体实施方式
本实施例一种蓄电池单体专用的集成电路的实现方法，所述集成电路包括电池单体采集保护专用芯片，蓄电池单体，积分电容，温敏电阻、CPU控制模块及辅助电路。所述电池单体采集保护专用芯片包括集成蓄电池单体过充均衡电路、过放开路保护电路和电压温度采集积分电路。
本实施例电池单体采集保护专用芯片中的过充均衡电路包括运算放大器、电阻及MOS管；其中引脚VB+与VB-作为电压跟随器的输入端；电压跟随器的输出端通过电阻连接电压比较器的同相输入端；过充参考电压V1作为电压比较器的反向输入端，电压比较器的输出连接MOSFET1的栅极；MOSFET1的源极连接MOSFET2的控制端。
过充均衡电路的工作原理如下：当蓄电池单体正常充电时，VB+与VB-的电压差小于过充参考电压V1，电压比较器输出反向最大电压，此时MOSFET1不导通，MOSFET2不导通，当蓄电池单体过充电时，至VB+与VB-的电压差大于过充参考电压V1，电压比较器输出正向最大电压，MOSFET1导通，MOSFET2导通，此时电池单体并联电阻R，旁路电路工作。
本实施例电池单体采集保护专用芯片中的过放开路保护电路由运算放大器，电阻、二极管及MOS管组成，其中引脚VB+与VB-作为电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端通过电阻连接电压比较器的反相输入端，过放参考电压V2作为电压比较器的同向输入端，电压比较器的输出连接MOSFET3的栅极，MOSFET3的源极连接MOSFET4的控制端。
过放开路保护电路的工作原理如下：当蓄电池单体正常放电时，VB+与VB-的电压差大于过放参考电压V2时，电压比较器输出反向最大电压，此时MOSFET1不导通，MOSFET2不导通，当蓄电池单体过放电或开路时，至VB+与VB-的电压差小于过放电参考电压V2，电压比较器输出正向最大电压，MOSFET3导通，MOSFET4导通，此时电池单体反向并联二极管D，避免蓄电池单体过放电或内阻过大导致蓄电池组开路。
本实施例电池单体采集保护专用芯片中的电压温度采集积分电路由电子开关，运算放大器，电阻、内部积分电容、MOS管及外部积分电容组成；其中电子开关由CPU输出控制信号至CTL1/CTL2,控制切换Vref或VT或VB+与VB-的电压差的模拟信号作为电压跟随器的输入端，内部积分电容C1连接电压跟随器的输出端和一级电压比较器的反向输入端，内部积分电容C1的输出端与引脚Vref分别作为一级电压比较器的输入端，外部积分电容C通过引脚CT1/CT2分别连接在一级电压比较器的反向输入端与输出端，一级电压比较器的输出端连接二级电压比较器的同相输入端，引脚CTL0连接一级电压比较器的反向输入端及二级电压比较器的反向输入端，二级电压比较器的输出端作为MOSFET5的控制信号。
电压温度采集积分电路的工作原理如下：CPU控制切换电压模拟信号输入，延迟一定的时间，使电路对信号进行积分，通过CPU检测OUT信号，启动计数器，通过CPU切换Vref基准电压输入，进行反积分。通过基准信号反积分让输出积分电压返回到零值并使比较器产生翻转而中断计数器，计数器值即为模拟信号输入的数字量输出，通过CPU控制输入CTL0信号，延迟一定的时间，可以让积分电压清零。
本实施例以标称电压为2V的铅酸电池为例进一步说明：
图1中，蓄电池单体为串联在蓄电池组中的2V铅酸电池，单体采集保护专用芯片引脚VB+/VB-通过数据采集线连接蓄电池单体正负极，引脚VB1+/VB2+/VB1-/VB2-通过导线连接蓄电池单体正负极。图2,3中MOSFET1和MOSFET3为小功率场效应管，MOSFET2和MOSFET4为大功率场效应管，其中过充参考电压V1＝2.35V，过放参考电压V2＝1.75V。蓄电池单体正常充电时，仅进行单体数据采集，当充电电压大于2.35V时，MOSFET1和MOSFET2导通，开启旁路工作电路；蓄电池单体正常放电时，仅进行单体数据采集，当放电电压低于1.75V时，MOSFET3和MOSFET4导通，开启过放开路保护工作电路。
图4中MOSFET5为小功率场效应管，C1＝10uF,C＝0.22uF,，由CPU提供CTL0/CTL1/CTL2控制信号。首先CPU输出控制信号使电子开关输出蓄电池单体电压模拟信号，延迟一定的时间，让电路对信号进行积分，OUT输出启动计数器的信号；CPU输出控制信号使电子开关输出Vref基准电压信号进行反向积分，利用基准电压使积分电压返回至Vref值使比较器翻转，OUT输出计数器中断信号，CPU检测计数器值即为单体电压的数字量输出。单体温度的采集的工作原理类似，不再赘述。
Claims (1)
1.一种蓄电池单体专用的集成电路的实现方法，其特征在于，所述集成电路包括蓄电池单体采集保护专用芯片，蓄电池单体，外部积分电容C，温敏电阻，CPU控制模块及辅助电路；CPU控制模块与蓄电池单体采集保护专用芯片相关端口相连接；蓄电池单体采集保护专用芯片与蓄电池单体连接；外部积分电容C连接蓄电池单体采集保护专用芯片的引脚CT1和引脚CT2；温敏电阻一端连接蓄电池单体采集保护专用芯片的引脚VT，温敏电阻另一端接地；所述集成电路在蓄电池单体过充电或过放电状态下，通过MOS管开关切换蓄电池单体的充放电回路，保证蓄电池单体的安全性，延长使用寿命；
所述蓄电池单体采集保护专用芯片包括集成蓄电池单体过充均衡电路、过放开路保护电路和电压温度采集积分电路；
所述蓄电池单体采集保护专用芯片通过引脚VB+、VB-分别采集蓄电池单体的正极、负极电压信号，当输入引脚VB+与VB-之间的电压差高于过充参考电压V1时，过充均衡电路上的MOS管开关导通，使蓄电池单体上并联电阻R，通过电阻分流消耗过充电量，保护蓄电池单体不因过充导致性能下降；当输入引脚VB+与VB-之间的电压差低于过放参考电压V2时，过放开路保护电路上的MOS管导通，使蓄电池单体反向并联二极管D导通，避免过放电对蓄电池单体的损害及开路造成的失电风险；其中引脚VT连接温敏电阻作为温度信号采集输入；蓄电池单体采集保护专用芯片的引脚CT1与引脚CT2分别连接积分电容的两端，引脚Vref输入基准电压值，引脚CTL0/CTL1/CTL2连接CPU输入控制模块，CPU输出控制模块引脚CTL1和引脚CTL2切换积分电路的模拟信号量输入，通过积分电容对模拟信号进行积分，将模拟信号转化成时间信号，由引脚OUT连接CPU计数器控制信号进行计数，实现电压温度的高精度采集；蓄电池单体采集保护专用芯片通过引脚VDD及GND由外部进行供电，接入蓄电池单体采集保护专用芯片的工作电压和接地；
所述过充均衡电路包括运算放大器、电阻及MOS管；电压跟随器和电压比较器分别各由一个运算放大器构成；引脚VB+与VB-作为电压跟随器的输入端；电压跟随器的输出端通过电阻连接电压比较器的同相输入端；过充参考电压V1作为电压比较器的反向输入端，电压比较器的输出连接MOSFET1的栅极；MOSFET1的源极连接MOSFET2的栅极，并通过电阻连接所述专用芯片的引脚VDD，MOSFET1的漏极接所述专用芯片的引脚GND；MOSFET2的源极连接所述专用芯片的引脚VB1+/VB2+，MOSFET2的漏极通过电阻连接所述专用芯片的引脚VB1-/VB2-；
所述过放开路保护电路由运算放大器，电阻，蓄电池单体反向并联二极管D及MOS管组成；电压跟随器和电压比较器分别各由一个运算放大器构成；引脚VB+与VB-作为电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端通过电阻连接电压比较器的反相输入端，过放参考电压V2作为电压比较器的同向输入端，电压比较器的输出连接MOSFET3的栅极，MOSFET3的源极连接MOSFET4的栅极和通过电阻连接所述专用芯片的引脚VDD，MOSFET3的漏极连接所述专用芯片的引脚GND；MOSFET4的源极连接所述专用芯片的引脚VB1+/VB2+，MOSFET3的漏极连接二极管的负极，二极管的正极连接所述专用芯片的引脚VB1-/VB2-；
所述电压温度采集积分电路由电子开关，运算放大器，电阻,内部积分电容C1,MOS管及外部积分电容C组成；电压跟随器、一级电压比较器和二级电压比较器分别各由一个运算放大器构成；电子开关由CPU输出控制信号至CTL1/CTL2,控制切换VB+与VB-的电压差、Vref或VT的模拟信号作为电压跟随器的输入端，内部积分电容C1连接电压跟随器的输出端和一级电压比较器的反向输入端，内部积分电容C1的输出端与引脚Vref分别作为一级电压比较器的输入端，外部积分电容C通过引脚CT1/CT2分别连接在一级电压比较器的反向输入端与输出端，一级电压比较器的输出端连接二级电压比较器的同相输入端，引脚CTL0连接一级电压比较器的反向输入端及二级电压比较器的反向输入端，二级电压比较器的输出端作为MOSFET5的控制信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 330096 Nanchang private science and Technology Park, Jiangxi Road, No. 88 Applicant after: Power Science Research Institute of Jiangxi Electric Power Co., Ltd. Applicant after: State Grid Corporation Applicant after: Guangzhou Hong Huai Energy Science Co., Ltd Address before: 330096 Nanchang private science and Technology Park, Jiangxi Road, No. 88 Applicant before: State Grid Jiangxi Electric Power Company Electric Power Research Institute Applicant before: State Grid Corporation Applicant before: Guangzhou Hong Huai Energy Science Co., Ltd |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zou Jin Inventor after: Huang Jinyan Inventor after: Zhou Shan Inventor after: Huang Shangnan Inventor after: Zhang Yan Inventor after: Yu Kansheng Inventor after: Xu Zaide Inventor after: Xie Guoqiang Inventor after: Wang Zhicheng Inventor after: Gui Xiaozhi Inventor after: Huang Yangqi Inventor before: Zou Jin Inventor before: Zhou Shan Inventor before: Huang Shangnan Inventor before: Yu Kansheng Inventor before: Xu Zaide Inventor before: Xie Guoqiang Inventor before: Wang Zhicheng Inventor before: Gui Xiaozhi Inventor before: Huang Yangqi Inventor before: Huang Jinyan |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |