CN109217410A - 一种单节串联型锂电池保护电路 - Google Patents

一种单节串联型锂电池保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单节串联型锂电池保护电路，包括电池包；具有检测单元的检测模块，用于采样对应电池的电压并比较，当采样电压小于预设最低电压时产生放电控制信号；反之产生充电控制信号；与电池正极和检测单元连接的放电控制模块，用于根据放电控制信号产生放电关断信号；连接于放电控制模块和最低节电池负极端之间的放电开关模块，用于根据放电关断信号控制放电开关模块进行关断操作；与电池正极和检测单元连接的充电控制模块，用于根据充电控制信号产生充电关断信号；连接于充电控制模块和最低节电池负极端之间的充电开关模块，用于根据充电关断信号控制充电开关模块进行关断操作。通过本发明解决了现有多节锂电池保护芯片存在诸多缺点的问题。

Description

一种单节串联型锂电池保护电路
技术领域
本发明涉及锂电池领域，特别是涉及一种单节串联型锂电池保护电路。
背景技术
锂电池作为一种新型的储能设备，凭借其优良的充放电性能、高性价比、无污染等诸多优点正逐步取代铅锡电池，在电动汽车、电动工具、电脑、备用电源等领域应用越来越广泛。而由于锂电池是利用化学反应进行能量的存储和释放，随着使用时间的增加，同一电池组中各节电池的内阻差异较大，如果不增加保护措施，会严重影响锂电池的寿命，甚至会发生爆炸从而影响生命财产安全，因此锂电池保护电路在锂电池应用中至关重要。
当前锂电池保护电路多以专用的锂电池保护芯片为核心进行保护电路的设计，国内外许多半导体企业针对锂电池保护领域开发了节数不同、形式不一的专用锂电池保护芯片，但专用锂电池保护芯片也存在诸多缺点：
第一，多节锂电池保护芯片只能应用于对应节数的锂电池，如五节锂电池保护芯片应用于五节锂电池，七节锂电池保护芯片应用于七节锂电池，并且多节锂电池专用保护芯片价格昂贵，不利于产品的市场推广。
第二，针对不同节数的锂电池，专用锂电池保护芯片兼容性差，如针对八节锂电池，无论是五节还是七节锂电池保护芯片都无法满足对每节锂电池的状态进行监测。
第三，现如今各大厂商为了增强专用锂电池保护芯片的兼容性，设计了芯片级联的功能，即通过将锂电池保护芯片级联，来满足更多节数锂电池保护的需求，但是由于芯片级联固化了单个锂电池保护芯片的使用节数，在级联使用时易导致芯片资源浪费，最终导致整个保护电路的成本较高；如针对八节锂电池，无论是使用五节锂电池保护芯片级联还是七节锂电池保护芯片级联，均会导致级联后锂电池保护芯片的部分端口无用，造成资源浪费。
鉴于此，有必要设计一种单节串联型锂电池保护电路用以解决现有多节锂电池保护芯片存在的诸多缺点。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单节串联型锂电池保护电路，用于解决现有多节锂电池保护芯片存在诸多缺点的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单节串联型锂电池保护电路，所述保护电路包括：
电池包，包括依次串联的最低节电池、N节中间节电池及最高节电池，其中，N为大于等于0的自然数；
检测模块，包括与(N+2)节电池一一对应连接的(N+2)个检测单元，所述检测单元用于采样对应电池的电压，并将采样电压分别与预设最低电压和预设最高电压进行比较；当所述采样电压小于所述预设最低电压时，产生放电控制信号并输出；当所述采样电压大于所述预设最高电压时，产生充电控制信号并输出；
放电控制模块，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元连接，用于根据所述放电控制信号，产生一放电关断信号并输出；
放电开关模块，连接于所述放电控制模块和所述最低节电池的负极端之间，用于根据所述放电关断信号，控制所述放电开关模块进行关断操作以结束放电；
充电控制模块，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元连接，用于根据所述充电控制信号，产生一充电关断信号并输出；
充电开关模块，连接于所述充电控制模块和所述最低节电池的负极端之间，用于根据所述充电关断信号，控制所述充电开关模块进行关断操作以结束充电。
可选地，所述检测单元包括：
第一基准电压源和第二基准电压源，所述第一基准电压源用于提供所述预设最低电压，所述第二基准电压源用于提供所述预设最高电压；
电压采样器，连接于对应电池的正极端和负极端，用于采样对应电池电压并输出；
比较器，连接于所述第一基准电压源、所述第二基准电压源和所述电压采样器，用于将所述采样电压分别与所述预设最低电压和所述预设最高电压进行比较；
控制信号产生器，连接于所述比较器，用于在所述采样电压小于所述预设最低电压时，产生一放电控制信号并输出；在所述采样电压大于所述预设最高电压时，产生一充电控制信号并输出。
可选地，所述检测单元还包括：一时间比较器，连接于所述比较器和所述控制信号产生器之间，用于在所述采样电压小于所述预设最低电压时，比较所述采样电压小于所述预设最低电压的第一持续时间和预设延时时间，并在所述第一持续时间大于所述预设延时时间时，产生第一输出信号以控制所述控制信号产生器产生所述放电控制信号；在所述采样电压大于所述预设最高电压时，比较所述采样电压大于所述预设最高电压的第二持续时间和所述预设延时时间，并在所述第二持续时间大于所述预设延时时间时，产生第二输出信号以控制所述控制信号产生器产生所述充电控制信号。
可选地，所述检测单元还包括一滤波器，连接于对应电池和所述电压采样器之间，用于对电池电压进行滤波处理。
可选地，所述滤波器包括：第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端连接于对应电池的正极端，所述第一电阻的另一端连接于所述电压采样器的正输入端，同时连接于所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接于对应电池的负极端，同时连接于所述电压采样器的负输入端。
可选地，所述检测单元包括单节锂电池保护芯片。
可选地，所述放电控制模块包括：
(N+2)个放电控制单元，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元一一对应连接，用于根据所述放电控制信号，产生一放电驱动信号并输出；
放电关断信号产生单元，连接于(N+2)个所述放电控制单元，用于根据所述放电驱动信号，产生所述放电关断信号并输出。
可选地，所述放电控制单元包括：第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一控制管，所述第二电阻的一端连接于对应所述检测单元的第一输出端，所述第二电阻的另一端连接于所述第三电阻的一端，同时连接于所述第一控制管的控制端，所述第三电阻的另一端连接于对应电池的正极端，同时连接于所述第一控制管的第一连接端，所述第一控制管的第二连接端连接于所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端作为输出端，连接于所述放电关断信号产生单元。
可选地，所述放电关断信号产生单元包括：第二控制管和第五电阻，所述第二控制管的控制端分别连接于(N+2)个所述放电控制单元的输出端，所述第二控制管的第一连接端接入参考地，所述第二控制管的第二连接端连接于所述第五电阻的一端，同时作为所述放电关断信号产生单元的输出端，所述第五电阻的另一端接入电池包电压。
可选地，所述充电控制模块包括：
(N+2)个充电控制单元，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元一一对应连接，用于根据所述充电控制信号，产生一充电驱动信号并输出；
充电关断信号产生单元，连接于(N+2)个所述充电控制单元，用于根据所述充电驱动信号，产生所述充电关断信号并输出。
可选地，所述充电控制单元包括：第六电阻、第七电阻、第八电阻和第三控制管，所述第六电阻的一端连接于对应所述检测单元的第二输出端，所述第六电阻的另一端连接于所述第七电阻的一端，同时连接于所述第三控制管的控制端，所述第七电阻的另一端连接于对应电池的正极端，同时连接于所述第三控制管的第一连接端，所述第三控制管的第二连接端连接于所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端作为输出端，连接于所述充电关断信号产生单元。
可选地，所述充电关断信号产生单元包括：第四控制管和第九电阻，所述第四控制管的控制端分别连接于(N+2)个所述充电控制单元的输出端，所述第四控制管的第一连接端接入参考地，所述第四控制管的第二连接端连接于所述第九电阻的一端，同时作为所述充电关断信号产生单元的输出端，所述第九电阻的另一端接入电池包电压。
可选地，所述放电开关模块和所述充电开关模块串行连接于所述最低节电池的负极端。
可选地，所述放电开关模块连接于所述最低节电池的负极端，所述充电开关模块连接于所述最低节电池的负极端和所述放电开关模块之间。
可选地，所述放电开关模块包括：第一开关管，所述第一开关管的栅极端连接于所述放电控制模块的输出端，所述第一开关管的源极端连接于所述充电开关模块，所述第一开关管的漏极端作为放电负极，与最高节电池的正极端构成一放电通路。
可选地，所述充电开关模块包括：第二开关管，所述第二开关管的栅极端连接于所述充电控制模块的输出端，所述第二开关管的漏极端连接于所述最低节电池的负极端，所述第二开关管的源极端作为充电负极，与最高节电池的正极端的构成一充电通路。
可选地，所述保护电路还包括：过流检测模块，其一端连接于任一节电池的负极端，其另一端分别连接于所述放电控制模块和所述充电控制模块；用于采样所述电池包的电流，并将采样电流与预设电流进行比较，当所述采样电流大于所述预设电流时，产生总关断信号以控制所述放电控制模块产生所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块产生充电关断信号。
可选地，所述过流检测模块包括：
基准电流源，用于提供所述预设电流；
电流采样器，连接于任一节电池的负极端，用于采样所述电池包的电流并输出；
比较器，连接于所述基准电流源和所述电流采样器，用于比较采样电流和所述预设电流；
总关断信号产生器，连接于所述比较器，用于在所述采样电流大于所述预设电流时，产生所述总关断信号并输出。
可选地，所述保护电路还包括：电流采样器，其一端连接于任一节电池的负极端，其另一端连接于对应所述检测单元的所述比较器，用于采样所述电池包的电流；对应所述检测单元还包括：基准电流源，连接于所述比较器，用于提供所述预设电流；
其中，所述电流采样器、所述基准电流源、所述比较器、所述控制信号产生器共同构成一过流检测模块；用于比较采样电流和所述预设电流，并在所述采样电流大于所述预设电流时，产生总关断信号以控制所述放电控制模块产生所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块产生充电关断信号。
可选地，所述电流采样器包括：第十电阻和第十一电阻，所述第十电阻的一端连接于任一节电池的负极端，所述第十电阻的另一端连接于所述第十一电阻的一端，所述第十一电阻的另一端连接于所述比较器。
可选地，所述保护电路还包括；电压检测保护模块，其一端接入电池包电压，其另一端同时连接于所述放电控制模块和所述充电控制模块；用于在所述电池包电压突然升高时，产生一过压保护信号以控制所述放电控制模块输出所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块输出所述充电关断信号。
可选地，所述电压检测保护模块包括：第十二电阻、稳压管、第五控制管、第一二极管、第二二极管，所述第十二电阻的一端接入电池包电压，所述第十二电阻的另一端连接于所述稳压管的阴极端，所述稳压管的阳极端连接于所述第五控制管的控制端，所述第五控制管的第一连接端接入参考地，所述第五控制管的第二连接端分别连接于所述第一二极管的阴极端和所述第二二极管的阴极端，所述第一二极管的阳极端连接于所述放电控制模块，所述第二二极管的阳极端连接于所述充电控制模块。
如上所述，本发明的一种单节串联型锂电池保护电路，具有以下有益效果：
本发明所述保护电路通过在每一节锂电池的正、负极端设置检测模块及后续的放电保护模块、放电开关模块、充电保护模块、充电开关模块，实现对每一节锂电池的放电欠压保护和充电过压保护；而且还通过设置过流检测模块，实现了对所述电池包的过流保护；更通过设置电压检测保护电路，实现了当发生电压突变时，对整个电路的过压保护。
本发明所述保护电路通过将各节电池对应的检测单元以并联形式相连，共同作用控制同一放电开关模块和充电开关模块，实现任一节电池对应的检测单元产生放电控制信号或充电控制信号时，均能够有效关断放电开关模块或充电开关模块。本发明所述保护电路针对不同节数的电池包可进行相应外围电路的扩充，能够满足各种节数电池包的应用需求。
本发明所述保护电路还可使用单节锂电池保护芯片替代所述检测单元，以进一步简化电路设计，降低成本；相较于现有多节专用锂电池保护芯片，本发明所述保护电路具有较高性价比。
本发明所述保护电路不仅电路结构、原理和控制方式简单，而且功能完善、稳定可靠、兼容性强、成本低廉，更有利于大范围推广使用。
附图说明
图1显示为本发明所述保护电路的电路示意图。
图2显示为本发明所述检测单元的电路框图。
图3显示为本发明所述过流检测模块的电路框图。
图4显示为电池包中电池数量为3节时对应的所述保护电路的电路示意图。
元件标号说明
10 电池包
20 检测模块
21 检测单元
211 第一基准电压源
212 第二基准电压源
213 电压采样器
214 第一比较器
215 控制信号产生器
216 时间比较器
217 滤波器
30 放电保护模块
31 放电控制单元
32 放电关断信号产生单元
40 放电开关模块
50 充电保护模块
51 充电控制单元
52 充电关断信号产生单元
60 充电开关模块
70 过流检测模块
71 基准电流源
72 电流采样器
73 第二比较器
74 总关断信号产生器
80 电压检测保护模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种单节串联型锂电池保护电路，所述保护电路包括：
电池包10，包括依次串联的最低节电池BTL、N节中间节电池BTN及最高节电池BTH，其中，N为大于等于0的自然数；
检测模块20，包括与(N+2)节电池一一对应连接的(N+2)个检测单元21，所述检测单元21用于采样对应电池的电压，并将采样电压VC分别与预设最低电压VL和预设最高电压VH进行比较；当所述采样电压VC小于所述预设最低电压VL时，产生放电控制信号并输出；当所述采样电压VC大于所述预设最高电压VH时，产生充电控制信号并输出；
放电控制模块30，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元21连接，用于根据所述放电控制信号，产生一放电关断信号并输出；
放电开关模块40，连接于所述放电控制模块30和所述最低节电池BTL的负极端之间，用于根据所述放电关断信号，控制所述放电开关模块进行关断操作以结束放电，实现放电欠压保护；
充电控制模块50，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元21连接，用于根据所述充电控制信号，产生一充电关断信号并输出；
充电开关模块60，连接于所述充电控制模块50和所述最低节电池BTL的负极端之间，用于根据所述充电关断信号，控制所述充电开关模块进行关断操作以结束充电，实现充电过压保护。
作为示例，如图2所示，所述检测单元21包括：
第一基准电压源211和第二基准电压源212，所述第一基准电压源211用于提供所述预设最低电压VL，所述第二基准电压源212用于提供所述预设最高电压VH；
电压采样器213，连接于对应电池的正极端和负极端，用于采样对应电池电压并输出；
第一比较器214，连接于所述第一基准电压源211、所述第二基准电压源212和所述电压采样器213，用于将所述采样电压VC分别与所述预设最低电压VL和所述预设最高电压VH进行比较；
控制信号产生器215，连接于所述第一比较器214，用于在所述采样电压VC小于所述预设最低电压VL时，产生一放电控制信号并输出；在所述采样电压VC大于所述预设最高电压VH时，产生一充电控制信号并输出。
可选地，在本实施例中，所述检测单元21包括单节锂电池保护芯片，其中，所述单节锂电池保护芯片为现有市面上任一种单节锂电池保护芯片，如MM3280系列单节锂电池保护芯片。
具体的，如图2所示，所述检测单元21还包括：一时间比较器216，连接于所述第一比较器214和所述控制信号产生器215之间，用于在所述采样电压VC小于所述预设最低电压VL时，比较所述采样电压VC小于所述预设最低电压VL的第一持续时间T1和预设延时时间TS，并在所述第一持续时间T1大于所述预设延时时间TS时，产生第一输出信号以控制所述控制信号产生器215产生所述放电控制信号；在所述采样电压VC大于所述预设最高电压VH时，比较所述采样电压VC大于所述预设最高电压VH的第二持续时间T2和所述预设延时时间TS，并在所述第二持续时间T2大于所述预设延时时间TS时，产生第二输出信号以控制所述控制信号产生器215产生所述充电控制信号；实现避免电压突变引起的误判断，提高检测精度。需要注意的是，所述预设延时时间TS可根据实际需求进行设定，本实施例并不对所述预设延时时间TS的长短进行限定；对于单节锂电池保护芯片而言，所述预设延时时间TS是通过芯片内部电路进行设定的，与具体的芯片型号有关；因此，在实际应用中，可根据不同需求的预设延时时间TS，选择不同型号的单节锂电池保护芯片。
具体的，如图2所示，所述检测单元21还包括一滤波器217，连接于对应电池和所述电压采样器213之间，用于对电池电压进行滤波处理。其中，所述滤波器217包括：第一电阻R1和第一电容C1，所述第一电阻R1的一端连接于对应电池的正极端，所述第一电阻R1的另一端连接于所述电压采样器213的正输入端，同时连接于所述第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接于对应电池的负极端，同时连接于所述电压采样器213的负输入端。所述第一电阻R1和所述第一电容C1构成RC滤波网络，以实现对对应电池电压进行滤波，从而排除高频干扰对电压采样信号的影响。
作为示例，如图1所示，所述放电控制模块30包括：
(N+2)个放电控制单元31，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元21一一对应连接，用于根据所述放电控制信号，产生一放电驱动信号并输出；
放电关断信号产生单元32，连接于(N+2)个所述放电控制单元31，用于根据所述放电驱动信号，产生所述放电关断信号并输出。
具体的，如图1所示，所述放电控制单元31包括：第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一控制管Q1，所述第二电阻R2的一端连接于对应所述检测单元21的第一输出端，所述第二电阻R2的另一端连接于所述第三电阻R3的一端，同时连接于所述第一控制管Q1的控制端，所述第三电阻R3的另一端连接于对应电池的正极端，同时连接于所述第一控制管Q1的第一连接端，所述第一控制管Q1的第二连接端连接于所述第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端作为输出端，连接于所述放电关断信号产生单元32。可选地，在本实施例中，所述第一控制管Q1为PNP型三极管或PMOS管；当所述第一控制管Q1为PNP型三极管时，所述控制端为基极，所述第一连接端为发射极，所述第二连接端为集电极；当所述第一控制管为PMOS管时，所述控制端为栅极端，所述第一连接端为源极端，所述第二连接端为漏极端。
具体的，如图1所示，所述放电关断信号产生单元32包括：第二控制管Q2和第五电阻R5，所述第二控制管Q2的控制端分别连接于(N+2)个所述放电控制单元31的输出端，所述第二控制管Q2的第一连接端接入参考地，所述第二控制管Q2的第二连接端连接于所述第五电阻R5的一端，同时作为所述放电关断信号产生单元32的输出端，所述第五电阻R5的另一端接入电池包电压VCC。可选地，在本实施例中，所述第二控制管Q2为NPN型三极管；其中，所述控制端为基极，所述第一连接端为发射极，所述第二连接端为集电极。
作为示例，如图1所示，所述充电控制模块50包括：
(N+2)个充电控制单元51，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元21一一对应连接，用于根据所述充电控制信号，产生一充电驱动信号并输出；
充电关断信号产生单元52，连接于(N+2)个所述充电控制单元51，用于根据所述充电驱动信号，产生所述充电关断信号并输出。
具体的，如图1所示，所述充电控制单元51包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第三控制管Q3，所述第六电阻R6的一端连接于对应所述检测单元21的第二输出端，所述第六电阻R6的另一端连接于所述第七电阻R7的一端，同时连接于所述第三控制管Q3的控制端，所述第七电阻R7的另一端连接于对应电池的正极端，同时连接于所述第三控制管Q3的第一连接端，所述第三控制管Q3的第二连接端连接于所述第八电阻R8的一端，所述第八电阻R8的另一端作为输出端，连接于所述充电关断信号产生单元52。可选地，在本实施例中，所述第三控制管Q3为PNP型三极管或PMOS管；其中，当所述第三控制管Q3为PNP型三极管时，所述控制端为基极，所述第一连接端为发射极，所述第二连接端为集电极；当所述第三控制管Q3为PMOS管时，所述控制端为栅极端，所述第一连接端为源极端，所述第二连接端为漏极端。
具体的，如图1所示，所述充电关断信号产生单元52包括：第四控制管Q4和第九电阻R9，所述第四控制管Q4的控制端分别连接于(N+2)个所述充电控制单元51的输出端，所述第四控制管Q4的第一连接端接入参考地，所述第四控制管Q4的第二连接端连接于所述第九电阻R9的一端，同时作为所述充电关断信号产生单元52的输出端，所述第九电阻R9的另一端接入电池包电压VCC。可选地，在本实施例中，所述第四控制管Q4为NPN型三极管；其中，所述控制端为基极，所述第一连接端为发射极，所述第二连接端为集电极。
作为示例，如图1所示，所述放电开关模块40和所述充电开关模块60串行连接于所述最低节电池BTL的负极端。可选地，在本实施例中，所述放电开关模块40连接于所述最低节电池BTL的负极端，所述充电开关模块60连接于所述最低节电池BTL的负极端和所述放电开关模块40之间。
具体的，如图1所示，所述放电开关模块40包括：第一开关管M1，所述第一开关管M1的栅极端连接于所述放电控制模块30的输出端，所述第一开关管M1的源极端连接于所述充电开关模块60，所述第一开关管M1的漏极端作为放电负极(P-)，与最高节电池的正极端(P+)构成一放电通路。
具体的，如图1所示，所述充电开关模块60包括：第二开关管M2，所述第二开关管M2的栅极端连接于所述充电控制模块50的输出端，所述第二开关管M2的漏极端连接于所述最低节电池BTL的负极端，所述第二开关管M2的源极端作为充电负极(B-)，与最高节电池的正极端(B+)的构成一充电通路。可选地，在本实施例中，所述第一开关管M1和所示第二开关管M2均为NMOS管。
作为一示例，如图1所示，所述保护电路还包括：过流检测模块70，其一端连接于任一节电池的负极端，其另一端分别连接于所述放电控制模块30和所述充电控制模块50；用于采样所述电池包的电流，并将采样电流IC与预设电流IS进行比较，当所述采样电流IC大于所述预设电流IS时，产生总关断信号以控制所述放电控制模块30产生所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块50产生充电关断信号。
具体的，如图3所示，所述过流检测模块70包括：
基准电流源71，用于提供所述预设电流IS；
电流采样器72，连接于任一节电池的负极端，用于采样所述电池包的电流并输出；
第二比较器73，连接于所述基准电流源71和所述电流采样器72，用于比较采样电流IC和所述预设电流IS；
总关断信号产生器74，连接于所述第二比较器，用于在所述采样电流IC大于所述预设电流IS时，产生所述总关断信号并输出。
其中，所述电流采样器72包括：第十电阻R10和第十一电阻R11，所述第十电阻R10的一端连接于任一节电池的负极端，所述第十电阻R10的另一端连接于所述第十一电阻R11的一端，所述第十一电阻R11的另一端连接于所述第二比较器。
作为另一示例，所述保护电路还包括：电流采样器，其一端连接于任一节电池的负极端，其另一端连接于对应所述检测单元的所述第一比较器，用于采样所述电池包的电流；对应所述检测单元还包括：基准电流源，连接于所述比较器，用于提供所述预设电流IS；其中，所述电流采样器、所述基准电流源、所述第一比较器、所述控制信号产生器共同构成一过流检测模块；用于比较采样电流IC和所述预设电流IS，并在所述采样电流IC大于所述预设电流IS时，产生总关断信号以控制所述放电控制模块产生所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块产生充电关断信号。
其中，所述电流采样器包括：第十电阻R10和第十一电阻R11，所述第十电阻R10的一端连接于任一节电池的负极端，所述第十电阻R10的另一端连接于所述第十一电阻R11的一端，所述第十一电阻R11的另一端连接于所述第一比较器。
作为示例，如图1所示，所述保护电路还包括；电压检测保护模块80，其一端接入电池包电压VCC，其另一端同时连接于所述放电控制模块30和所述充电控制模块50；用于在所述电池包电压突然升高时，产生一过压保护信号以控制所述放电控制模块30输出所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块50输出所述充电关断信号。
具体的，如图1所示，所述电压检测保护模块80包括：第十二电阻R12、稳压管DZ、第五控制管Q5、第一二极管D1、第二二极管D2，所述第十二电阻R12的一端接入电池包电压VCC，所述第十二电阻R12的另一端连接于所述稳压管DZ的阴极端，所述稳压管DZ的阳极端连接于所述第五控制管Q5的控制端，所述第五控制管Q5的第一连接端接入参考地，所述第五控制管Q5的第二连接端分别连接于所述第一二极管D1的阴极端和所述第二二极管D2的阴极端，所述第一二极管D1的阳极端连接于所述放电控制模块30，所述第二二极管D2的阳极端连接于所述充电控制模块50。可选地，在本实施例中，所述第五控制管Q5为NPN型三极管；其中，所述控制端为基极，所述第一连接端为发射极，所述第二连接端为集电极。
如图4所示，下面以三节电池为例对本实施例所述单节串联型锂电池保护电路的工作情况进行详细说明；其中，所述检测单元为单节锂电池保护芯片，所述过流检测模块采用上述第二示例所述结构。
当所述电池包10中的3节电池电压均在正常范围时，3节电池对应的各所述检测单元21的比较结果为VL<VC<VH，此时各所述检测单元21的第一输出端Dout和第二输出端Cout均输出高电平；所述放电控制单元31中的第一控制管Q1关断，以使所述放电关断信号产生单元32中的第二控制管Q2也关断，从而控制所述放电开关模块40中的第一开关管M1导通；同时所述充电控制单元51中的第三控制管Q3关断，以使所述充电关断信号产生单元52中的第四控制管Q4也关断，从而控制所述充电开关模块60中的第二开关管M2导通；实现通过所述电池包10进行自由充电或放电。
在放电过程中，当所述电池包10中的任一节电池电压小于预设最低电压的第一持续时间大于预设延时时间时，对应所述检测单元21的比较结果为VC<VL，此时对应所述检测单元21的第一输出端Dout输出低电平；所述放电控制单元31中的第一控制管Q1导通，以使所述放电关断信号产生单元32中的第二控制管Q2也导通，从而控制所述放电开关模块40中的第一开关管M1关断，以结束放电过程，实现放电欠压保护。
在充电过程中，当所述电池包10中的任一节电池电压大于预设最高电压的第二持续时间大于预设延时时间时，对应所述检测单元21的比较结果为VC>VH，此时对应所述检测单元21的第二输出端Cout输出低电平；所述充电控制单元51中的第三控制管Q3导通，以使所述充电关断信号产生单元52中的第四控制管Q4也导通，从而控制所述充电开关模块60中的第二开关管M2关断，以结束充电过程，实现充电过压保护。
在所述保护电路工作时，所述过流检测模块70采样充电电流或放电电流，并与预设电流进行比较，当所述采样电流大于所述预设电流时，所述过流检测模块70的比较结果为IC>IS，此时，所述过流检测模块70输出总关断信号，即最低节电池对应的所述检测单元21的第一输出端Dout和第二输出端Cout均输出低电平；所述放电控制单元31中的第一控制管Q1导通，以使所述放电关断信号产生单元32中的第二控制管Q2也导通，从而控制所述放电开关模块40中的第一开关管M1关断；同时所述充电控制单元51中的第三控制管Q3导通，以使所述充电关断信号产生单元52中的第四控制管Q4也导通，从而控制所述充电开关模块60中的第二开关管M2关断；实现充放电过程中的过流保护。
在所述保护电路工作时，当所述电池包电压VCC突然升高时，所述电压检测保护电路80中的稳压管DZ被击穿，此时所述第五控制管Q5导通，所述第一二极管D1将所述放电控制模块30中所述第二控制管Q2的集电极拉为低电平，以控制所述放电开关模块40中的第一开关管M1关断；同时所述第二二极管D2将所述充电控制模块50中的第四控制管Q4的集电极拉为低电平，以控制所述充电开关模块60中的第二开关管M2关断；实现所述保护电路进入过压保护状态。
综上所述，本发明的一种单节串联型锂电池保护电路，具有以下有益效果：本发明所述保护电路通过在每一节锂电池的正、负极端设置检测模块及后续的放电保护模块、放电开关模块、充电保护模块、充电开关模块，实现对每一节锂电池的放电欠压保护和充电过压保护；而且还通过设置过流检测模块，实现了对所述电池包的过流保护；更通过设置电压检测保护电路，实现了当发生电压突变时，对整个电路的过压保护。本发明所述保护电路通过将各节电池对应的检测单元以并联形式相连，共同作用控制同一放电开关模块和充电开关模块，实现任一节电池对应的检测单元产生放电控制信号或充电控制信号时，均能够有效关断放电开关模块或充电开关模块。本发明所述保护电路针对不同节数的电池包可进行相应外围电路的扩充，能够满足各种节数电池包的应用需求。本发明所述保护电路还可使用单节锂电池保护芯片替代所述检测单元，以进一步简化电路设计，降低成本；相较于现有多节专用锂电池保护芯片，本发明所述保护电路具有较高性价比。本发明所述保护电路不仅电路结构、原理和控制方式简单，而且功能完善、稳定可靠、兼容性强、成本低廉，更有利于大范围推广使用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述保护电路包括：
电池包，包括依次串联的最低节电池、N节中间节电池及最高节电池，其中，N为大于等于0的自然数；
检测模块，包括与(N+2)节电池一一对应连接的(N+2)个检测单元，所述检测单元用于采样对应电池的电压，并将采样电压分别与预设最低电压和预设最高电压进行比较；当所述采样电压小于所述预设最低电压时，产生放电控制信号并输出；当所述采样电压大于所述预设最高电压时，产生充电控制信号并输出；
放电控制模块，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元连接，用于根据所述放电控制信号，产生一放电关断信号并输出；
放电开关模块，连接于所述放电控制模块和所述最低节电池的负极端之间，用于根据所述放电关断信号，控制所述放电开关模块进行关断操作以结束放电；
充电控制模块，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元连接，用于根据所述充电控制信号，产生一充电关断信号并输出；
充电开关模块，连接于所述充电控制模块和所述最低节电池的负极端之间，用于根据所述充电关断信号，控制所述充电开关模块进行关断操作以结束充电。
2.根据权利要求1所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述检测单元包括：
第一基准电压源和第二基准电压源，所述第一基准电压源用于提供所述预设最低电压，所述第二基准电压源用于提供所述预设最高电压；
电压采样器，连接于对应电池的正极端和负极端，用于采样对应电池电压并输出；
比较器，连接于所述第一基准电压源、所述第二基准电压源和所述电压采样器，用于将所述采样电压分别与所述预设最低电压和所述预设最高电压进行比较；
控制信号产生器，连接于所述比较器，用于在所述采样电压小于所述预设最低电压时，产生一放电控制信号并输出；在所述采样电压大于所述预设最高电压时，产生一充电控制信号并输出。
3.根据权利要求2所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述检测单元还包括：一时间比较器，连接于所述比较器和所述控制信号产生器之间，用于在所述采样电压小于所述预设最低电压时，比较所述采样电压小于所述预设最低电压的第一持续时间和预设延时时间，并在所述第一持续时间大于所述预设延时时间时，产生第一输出信号以控制所述控制信号产生器产生所述放电控制信号；在所述采样电压大于所述预设最高电压时，比较所述采样电压大于所述预设最高电压的第二持续时间和所述预设延时时间，并在所述第二持续时间大于所述预设延时时间时，产生第二输出信号以控制所述控制信号产生器产生所述充电控制信号。
4.根据权利要求2或3所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述检测单元还包括一滤波器，连接于对应电池和所述电压采样器之间，用于对电池电压进行滤波处理。
5.根据权利要求5所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述滤波器包括：第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端连接于对应电池的正极端，所述第一电阻的另一端连接于所述电压采样器的正输入端，同时连接于所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接于对应电池的负极端，同时连接于所述电压采样器的负输入端。
6.根据权利要求2所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述检测单元包括单节锂电池保护芯片。
7.根据权利要求1所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述放电控制模块包括：
(N+2)个放电控制单元，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元一一对应连接，用于根据所述放电控制信号，产生一放电驱动信号并输出；
放电关断信号产生单元，连接于(N+2)个所述放电控制单元，用于根据所述放电驱动信号，产生所述放电关断信号并输出。
8.根据权利要求7所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述放电控制单元包括：第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一控制管，所述第二电阻的一端连接于对应所述检测单元的第一输出端，所述第二电阻的另一端连接于所述第三电阻的一端，同时连接于所述第一控制管的控制端，所述第三电阻的另一端连接于对应电池的正极端，同时连接于所述第一控制管的第一连接端，所述第一控制管的第二连接端连接于所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端作为输出端，连接于所述放电关断信号产生单元。
9.根据权利要求7所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述放电关断信号产生单元包括：第二控制管和第五电阻，所述第二控制管的控制端分别连接于(N+2)个所述放电控制单元的输出端，所述第二控制管的第一连接端接入参考地，所述第二控制管的第二连接端连接于所述第五电阻的一端，同时作为所述放电关断信号产生单元的输出端，所述第五电阻的另一端接入电池包电压。
10.根据权利要求1所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述充电控制模块包括：
(N+2)个充电控制单元，与(N+2)节电池的正极端和(N+2)个所述检测单元一一对应连接，用于根据所述充电控制信号，产生一充电驱动信号并输出；
充电关断信号产生单元，连接于(N+2)个所述充电控制单元，用于根据所述充电驱动信号，产生所述充电关断信号并输出。
11.根据权利要求10所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述充电控制单元包括：第六电阻、第七电阻、第八电阻和第三控制管，所述第六电阻的一端连接于对应所述检测单元的第二输出端，所述第六电阻的另一端连接于所述第七电阻的一端，同时连接于所述第三控制管的控制端，所述第七电阻的另一端连接于对应电池的正极端，同时连接于所述第三控制管的第一连接端，所述第三控制管的第二连接端连接于所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端作为输出端，连接于所述充电关断信号产生单元。
12.根据权利要求10所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述充电关断信号产生单元包括：第四控制管和第九电阻，所述第四控制管的控制端分别连接于(N+2)个所述充电控制单元的输出端，所述第四控制管的第一连接端接入参考地，所述第四控制管的第二连接端连接于所述第九电阻的一端，同时作为所述充电关断信号产生单元的输出端，所述第九电阻的另一端接入电池包电压。
13.根据权利要求1所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述放电开关模块和所述充电开关模块串行连接于所述最低节电池的负极端。
14.根据权利要求13所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述放电开关模块连接于所述最低节电池的负极端，所述充电开关模块连接于所述最低节电池的负极端和所述放电开关模块之间。
15.根据权利要求14所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述放电开关模块包括：第一开关管，所述第一开关管的栅极端连接于所述放电控制模块的输出端，所述第一开关管的源极端连接于所述充电开关模块，所述第一开关管的漏极端作为放电负极，与最高节电池的正极端构成一放电通路。
16.根据权利要求14所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述充电开关模块包括：第二开关管，所述第二开关管的栅极端连接于所述充电控制模块的输出端，所述第二开关管的漏极端连接于所述最低节电池的负极端，所述第二开关管的源极端作为充电负极，与最高节电池的正极端的构成一充电通路。
17.根据权利要求1所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括：过流检测模块，其一端连接于任一节电池的负极端，其另一端分别连接于所述放电控制模块和所述充电控制模块；用于采样所述电池包的电流，并将采样电流与预设电流进行比较，当所述采样电流大于所述预设电流时，产生总关断信号以控制所述放电控制模块产生所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块产生充电关断信号。
18.根据权利要求17所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述过流检测模块包括：
基准电流源，用于提供所述预设电流；
电流采样器，连接于任一节电池的负极端，用于采样所述电池包的电流并输出；
比较器，连接于所述基准电流源和所述电流采样器，用于比较采样电流和所述预设电流；
总关断信号产生器，连接于所述比较器，用于在所述采样电流大于所述预设电流时，产生所述总关断信号并输出。
19.根据权利要求2所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括：电流采样器，其一端连接于任一节电池的负极端，其另一端连接于对应所述检测单元的所述比较器，用于采样所述电池包的电流；对应所述检测单元还包括：基准电流源，连接于所述比较器，用于提供所述预设电流；
其中，所述电流采样器、所述基准电流源、所述比较器、所述控制信号产生器共同构成一过流检测模块；用于比较采样电流和所述预设电流，并在所述采样电流大于所述预设电流时，产生总关断信号以控制所述放电控制模块产生所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块产生充电关断信号。
20.根据权利要求18或19所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述电流采样器包括：第十电阻和第十一电阻，所述第十电阻的一端连接于任一节电池的负极端，所述第十电阻的另一端连接于所述第十一电阻的一端，所述第十一电阻的另一端连接于所述比较器。
21.根据权利要求1所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括；电压检测保护模块，其一端接入电池包电压，其另一端同时连接于所述放电控制模块和所述充电控制模块；用于在所述电池包电压突然升高时，产生一过压保护信号以控制所述放电控制模块输出所述放电关断信号，及控制所述充电控制模块输出所述充电关断信号。
22.根据权利要求21所述的单节串联型锂电池保护电路，其特征在于，所述电压检测保护模块包括：第十二电阻、稳压管、第五控制管、第一二极管、第二二极管，所述第十二电阻的一端接入电池包电压，所述第十二电阻的另一端连接于所述稳压管的阴极端，所述稳压管的阳极端连接于所述第五控制管的控制端，所述第五控制管的第一连接端接入参考地，所述第五控制管的第二连接端分别连接于所述第一二极管的阴极端和所述第二二极管的阴极端，所述第一二极管的阳极端连接于所述放电控制模块，所述第二二极管的阳极端连接于所述充电控制模块。
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