CN108711899A - 一种锂电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂电池技术领域，公开了一种锂电池组，包括：锂电池组、充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、控制器、报警器、LCD显示器，其中，所述锂电池组分别与所述充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路连接，所述充放电控制电路还与外部电源连接，所述控制器分别与充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、报警器、LCD显示器连接。本发明实现了锂电池组的电压、电流及温度的实时监控，并可通过LCD显示器显示电池的各项参数，有效提高了锂电池组的安全性，有效防止了锂电池组的过充电、过放电，实现了过流保护，降低了电路功耗，并对电池进行了动态均衡，提高了电池寿命。

Description

一种锂电池组
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池组。
背景技术
随着较大功率的便携式电动工具的出现和锂电池的广泛应用，单节锂电池已无法满足要求，可采用锂电池组来供电。特别是电池容量大，性能要求高的场合，专用芯片由于其局限性不能应用。同时，因不同设备对电源电压和容量的需求不同，锂电池组的充放电保护和监控，现在还没有统一的方案，能够达到用户的要求的比较少。
现有技术的锂电池组在应用中存在如下技术问题：
1、安全性是锂离子电池组应用中存在的最大问题，影响安全性问题的因素很多，使用中往往是锂离子电池组的过充电、高温、过电流以及短路等导致的起火、爆炸等安全性问题。
2、锂电池组中单体电池之间存在一定差异性，这种差异在使用过程中会逐渐扩大，通常是某一节电池的容量发生了快速衰减，导致了锂离子电池组使用寿命比单体电池的使用寿命短很多。因此需要采用必要的措施，对锂电池进行均衡控制。
3、目前一些便携式电动工具的应用电路中往往都存在着功耗比较大的情况，虽然有些漏电流比较小通常为毫安级甚至微安级，但是对长期使用的锂离子电池组，这些小电流累积就会成为大损耗。
4、现有的锂电池组的保护一般都只有过充电、过放电和过电流保护，而对过温度保护比较少锂电池组的使用时间一般都是由电池组的容量来决定的，目前设备缺乏电量显示功能，增加电池组剩余容量估算和显示，将提高电池组使用效率和延长电池的寿命。
发明内容
本发明提供一种锂电池组，解决现有技术中的锂电池组安全性低、寿命短、缺乏电量显示功能的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种锂电池组，包括：锂电池组、充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、控制器、报警器、LCD显示器，其中，所述锂电池组分别与所述充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路连接，所述充放电控制电路还与外部电源连接，所述控制器分别与充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、报警器、LCD显示器连接
本发明实现了锂电池组的电压、电流及温度的实时监控，并可通过LCD显示器显示电池的各项参数，有效提高了锂电池组的安全性，有效防止了锂电池组的过充电、过放电，实现了过流保护，降低了电路功耗，并对电池进行了动态均衡，提高了电池寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的整体电路的结构示意图；
图2为本发明实施例的电流检测电路的结构示意图；
图3为本发明实施例的充放电控制电路的结构示意图；
图4为本发明实施例的均衡控制电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供了一种锂电池组，如图1所示，包括：锂电池组、充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、控制器、报警器、LCD显示器，其中，所述锂电池组分别与所述充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路连接，所述充放电控制电路还与外部电源连接，所述控制器分别与充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、报警器、LCD显示器连接。
其中，所述控制器还通过CAN总线接口与CAN总线连接。可与总控系统连接对多个锂电池组进行集成监控和控制。
所述电流检测电路包括采样电阻、信号处理子电路、AD转换芯片，如图2所示，其中，所述采样电阻串联在锂电池正极与地之间，所述采样电阻两端连接信号处理子电路，所述信号处理子电路输出与AD转换芯片连接，所述信号处理子电路由差分放大电路、低通滤波器、放大器串联而成。
本发明实施例在锂电池组的负端，串联一个精密的功率电阻做采样电阻，取采样电阻上的电压差信号，经信号处理电路进行处理后，由单片机系统进行A/D转换和采样。
当用采样电阻测量锂电池组电流时，因电池组存在充电和放电两种情况，两种情况下的电流方向相反，所以采样电阻上电压存在正负两种情况。假设连接方式为，在充电时采样电路的电压相对于地为正电压，而在放电时采样电路的电压为负电压。由于大部分A/D转换器只能对正电压进行采样，因此需将放电时的负电压转换为正电压。因系统不仅需要检测电流大小，还需要判断是充电电流还是放电电流，本发明实施例为简化硬件电路，采用电压叠加的转换方式，然后通过处理器内部逻辑来判断充电电流还是放电电流
信号处电路由差分放大电路、低通滤波器、放大器串联而成，把电流的采样电压放大至-2.5V-2.5V，其中，-2.5V-0V对应为放电电流值，0-2.5V对应为充电电流值。然后通后电压补偿将负电压转换为正电压。
在实际应用中，电流存在一些误差以及电路的漏电流，为了防止电流的振荡采样现象，提高电流检测的稳定性，规定小于50mA的电流规定为0电流，只有当放电电流或充电电流大于50mA时，才当成有效电流进行采样。
所述充放电控制电路包括预充开关管Q1、充电开关管Q2、放电开关管Q3、三个缓冲器，如图3所示，其中，所述预充开关管Q1源极和漏极之间反并联二极管D3，所述充电开关管Q2源极和漏极之间反并联二极管D3，所述放电开关管Q3源极和漏极之间反并联二极管D3，所述预充开关管Q1的栅极和源极之间连接电阻R3，所述充电开关管Q2的栅极和源极之间连接电阻R5，所述放电开关管Q3的栅极和源极之间连接电阻R6，所述R3的一端连接充电电源和R1的一端，所述R3的另一端连接Q1的栅极及Q2的源极，所述R6的一端连接锂电池组正极和R2的一端，所述R6的另一端连接Q3的栅极，所述R1的另一端依次连接二极管D1、二极管D2、R2的另一端，所述预充开关管Q1、充电开关管Q2、放电开关管Q3均连接缓冲器，所述缓冲器与处理器的IO端口连接。
本发明实施例采用PWM对电压进行调制，控制锂电池组的充电电流和电压。因锂电池的充电电流不能太大，要求0.25C-1C（C为电池容量）之间，外接电源需要具有恒压限流功能。本发明实施例在充电前需检测外接电压是否在允许范围内，需检测锂电池温度是否正常，否则不允许进行充电，还需判断是否需要预充电，具体流程如下：
1、预充电阶段
可在充电回路中串接一个大电阻，通过控制开关管的导通时间，使充电电流（等效平均值）为正常充电电流的1/10。开关管Q1选用P沟道的器件，当栅极电压为Vss时，Q1导通;当栅极电压为Vcc时，Q1关断。为确保MOSFET完全关断，必须在栅极和漏极间接一个1M欧姆的上拉电阻R3。同时，因回路是双向流通的，需反向并联一个二极管D3。
外接电源通过预充开关管Q1、电阻R4、放电开关管Q3上反并联二极管D5向锂电池组预充电。此时控制器产生PWM波控制预充开关管导通时间，可以调节占空比，使回路产生较小的充电电流（等效平均电流较小）向电池预充，直至锂电池的端电压上升到允许的最低充电电压（2.5-2.7V）之间，然后进人正常充电阶段，如果锂电池的端电压经过很长时间，一直不能达最低充电电压，则说明锂电池可能己损坏，程序进人充电禁止状态。
2、正常充电阶段
在正常充电阶段，外接电源以大电流给锂电池组充电，一般外接电源有限流功能，这时电流近似不变，锂电池的电压将逐渐增加，一直增加到限定值。控制器控制充电开关管Q2导通、放电开关管Q3关断，充电电流通过充电开关管Q2、放电开关管Q3反并联的二极管D5，向电池组充电。此过程中，锂电池端电压将缓慢上升，当单体电池电压达到设定的终止电压时，正常充电结束，充电电流快速递减，进入充电保持阶段。
3、充电保持阶段
在充电保持阶段，锂电池端电压已经基本稳定，但电量还没达到最大，还需继续充电，此时可由控制器产生PWM波控制Q2导通时间，以小电流继续给锂电池组充电，此过程电流逐渐减小，最后当电流下降到某一范围，关闭充电开关管Q2。
在预充电阶段，控制器产生10%占空比的波控制预充开关管Q1开通时间，当锂电池的端电压上升到允许的最低充电电压后，关闭PWM功能，使预充开关管Q1关断。另外，控制器由检测的电流，系统可以判断锂电池组处于充电还是放电过程，若在放电过程中，电流超过允许范围，可以控制场切断回路，保护锂电池不被损坏。
所述均衡控制电路包括N个反相器、N个开关管、N个第一电阻，N个第二电阻，如图4所示，其中，N为锂电池组中锂电池的节数，所述第一电阻的一端连接单节锂电池的正极，所述第一电阻的另一端连接所述开关管的源极，所述开关管的漏极分别与单节锂电池的负极连接，并通过第一电阻与下级开关管的源极连接，所述开关管的栅极通过反相器与处理器的IO端口连接，所述IO端口连接所述第二电阻作为上拉电阻与电源连接。
为了实现锂电池组在充放电过程中的动态均衡，本发明实施例采用电阻能耗均衡即可满足要求。可在每节锂电池上并联一个电阻均衡电路，通过电阻来消耗过多能量。在使用过程时，通过检测电路监控每节锂电池的电压，当某节单体电池电压相对较高时，与它并联的电路闭合，该节锂电池和电阻形成一个放电通路，多余的能量在电阻上转化成热能，可防止该节电池过充电，未充满的锂电池仍可继续充电，直至充满为止。
本发明实施例的均衡控制，建立在电压测量的基础上，首先需实时采集各节锂电池电压，然后算出电池组的平均电压，平均电压和各单体电压进行动态比较，高于平均电压的锂电池，对应的开关进行导通。
本发明实施例中采用单片机控制MOSFET功率管，实现单节锂电池均衡功能。采用反相器做缓冲驱动，驱动MOSFET P型管。这样控制口输出高电平，MOSFET P型管导通，对应的锂电池通过并联的电阻开始放电，实现电压均衡控制。
本发明实现了锂电池组的电压、电流及温度的实时监控，并可通过LCD显示器显示电池的各项参数，有效提高了锂电池组的安全性，有效防止了锂电池组的过充电、过放电，实现了过流保护，降低了电路功耗，并对电池进行了动态均衡，提高了电池寿命。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种锂电池组，其特征在于，包括：锂电池组、充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、控制器、报警器、LCD显示器，其中，所述锂电池组分别与所述充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路连接，所述充放电控制电路还与外部电源连接，所述控制器分别与充放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、报警器、LCD显示器连接。
2.根据权利要求1所述的锂电池组，其特征在于，所述控制器还通过CAN总线接口与CAN总线连接。
3.根据权利要求1所述的锂电池组，其特征在于，所述电流检测电路包括采样电阻、信号处理子电路、AD转换芯片，其中，所述采样电阻串联在锂电池正极与地之间，所述采样电阻两端连接信号处理子电路，所述信号处理子电路输出与AD转换芯片连接，所述信号处理子电路由差分放大电路、低通滤波器、放大器串联而成。
4.根据权利要求1所述的锂电池组，其特征在于，所述充放电控制电路包括预充开关管Q1、充电开关管Q2、放电开关管Q3、三个缓冲器，其中，所述预充开关管Q1源极和漏极之间反并联二极管D3，所述充电开关管Q2源极和漏极之间反并联二极管D3，所述放电开关管Q3源极和漏极之间反并联二极管D3，所述预充开关管Q1的栅极和源极之间连接电阻R3，所述充电开关管Q2的栅极和源极之间连接电阻R5，所述放电开关管Q3的栅极和源极之间连接电阻R6，所述R3的一端连接充电电源和R1的一端，所述R3的另一端连接Q1的栅极及Q2的源极，所述R6的一端连接锂电池组正极和R2的一端，所述R6的另一端连接Q3的栅极，所述R1的另一端依次连接二极管D1、二极管D2、R2的另一端，所述预充开关管Q1、充电开关管Q2、放电开关管Q3均连接缓冲器，所述缓冲器与处理器的IO端口连接。
5.根据权利要求1所述的锂电池组，其特征在于，所述均衡控制电路包括N个反相器、N个开关管、N个第一电阻，N个第二电阻，其中，N为锂电池组中锂电池的节数，所述第一电阻的一端连接单节锂电池的正极，所述第一电阻的另一端连接所述开关管的源极，所述开关管的漏极分别与单节锂电池的负极连接，并通过第一电阻与下级开关管的源极连接，所述开关管的栅极通过反相器与处理器的IO端口连接，所述IO端口连接所述第二电阻作为上拉电阻与电源连接。
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