CN109347179A - 锂电池组充放电保护板采样控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，包括上拉电阻、充电采样信号放大电路、放电采样信号放大电路及基准电压比较器，所述充电采样信号放大电路和放电采样信号放大电路均与所述基准电压比较器连接；所述上拉电阻连接于所述锂电池组正极和充电控制晶体管的控制极之间；所述放电采样信号放大电路连接于锂电池组的正极和放电控制晶体管的控制极之间。本发明可有效避免锂电池组的过充或过放，且采用发光二极管确定基准电压，提高了电路的稳定性和抗干扰性能；利用三极管上下偏置的相反温度效应和恰当的电阻阻值选择，有效克服了温漂，进而提高采样电路的采样控制速度，出现过充或过放时，有利于及时关停相应的充电或放电动作。

Description

锂电池组充放电保护板采样控制电路

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种锂电池组充放电保护板采样控制电路。

背景技术

在电池管理技术领域，单个耗电设备应用过程中一般需要多个锂电池组同时进行供电，而每个锂电池组由多个单体电芯串并接构成，由于短路、过充、过放以及电压一致性差等情况，会导致锂电池组的电池性能下降和寿命衰减，甚至会引发冒烟、起火、爆炸等严重的安全危害。因此，在使用过程中必须进行实时采样来检测各个锂电池组的电压，以便于对锂电池组的充放电过程进行精准的控制与保护。

传统的锂电池组采样电路一般采用IC模块或其他较为复杂的电路模块来实现采样功能，其缺陷在于不能对单个锂电池组进行电压均衡控制，且反应速度慢、误差大、成本高、生产工序复杂。

此外，由于温度对电子元器件的影响很大，传统的电路采样电路多采用低温漂元器件或负温电阻，难以克服温漂的影响，因此控制误差较大。

有鉴于此，有必要对现有的锂电池充放电信号采样电路进行改进，以解决上述技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，本发明可有效避免锂电池组的过充或过放，且采用发光二极管确定基准电压，提高了电路的稳定性和抗干扰性能；利用三极管上下偏置的相反温度效应和恰当的电阻阻值选择，有效克服了温漂，进而提高采样电路的采样控制速度，出现过充或过放时，有利于及时关停相应的充电或放电动作。

为了实现上述目的，本发明提供了一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，包括上拉电阻、充电采样信号放大电路、放电采样信号放大电路及基准电压比较器，所述充电采样信号放大电路和放电采样信号放大电路均与所述基准电压比较器连接；

所述上拉电阻连接于所述锂电池组正极和充电控制晶体管的控制极之间；

所述充电采样信号放大电路连接于锂电池组的正极和充电控制晶体管的控制极之间，在充电过程中，当锂电池组电压接近过充临界值时，充电采样信号放大电路产生非线性放电，对锂电池组的充电过程进行电压均衡；并将采样得到的充电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当充电电压达到过充临界值时，充电采样信号放大电路触发充电控制晶体管关断；

所述放电采样信号放大电路连接于锂电池组的正极和放电控制晶体管的控制极之间，将采样得到的放电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当放电电压达到欠压临界值时，放电采样信号放大电路触发放电控制晶体管关断。

作为优选，所述基准电压比较器采用发光二极管。

作为优选，所述发光二极管采用LED灯珠，提供2.4V的基准电压。

作为优选，所述充电采样信号放大电路包括充电放大器、充电偏置电阻及光电耦合器；所述充电放大器连接于充电偏置电阻之间，所述充电放大器的输入端与锂电池组正极连接，输出端与光电耦合器的输入端连接，所述光电耦合器的分别与充电控制晶体管的控制极及充电端负极连接，所述充电偏置电阻的一端与锂电池组正极连接，另一端与所述发光二极管连接；

当充电电压升高至接近充电基准电压时，充电放大器中产生非线性放电，对锂电池组的充电过程进行电压均衡，当充电电压达到过充临界值时，光电耦合器接通，进而触发充电控制晶体管关断。

作为优选，所述充电偏置电阻与所述充电放大器的温度效应相反，当温度变化时，所述充电放大器和所述发光二极管的压降值之和与所述充电偏置电阻的压降变化值相等。

作为优选，所述放电采样信号放大电路包括放电放大器及放电偏置电阻，所述放电放大器连接于放电偏置电阻之间，所述放电放大器的输入端与锂电池组正极连接，输出端通过与放电控制晶体管的控制极连接，所述放电偏置电阻的一端与锂电池组正极连接，另一端与所述发光二极管连接；

所述放电放大器将采样得到的放电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当放电电压达到欠压临界值时，发光二极管截止，触发放电控制晶体管关断。

作为优选，所述放电偏置电阻与所述放电放大器的温度效应相反，当温度变化时，所述放电放大器和所述发光二极管的压降值之和与所述放电偏置电阻的压降变化值相等。

作为优选，所述充电控制晶体管采用充电控制场效应管，所述充电控制晶体管的控制端为充电控制场效应管的栅极；

所述放电控制晶体管采用放电控制场效应管，所述放电控制晶体管的控制端为放电控制场效应管的栅极。

本发明的另一个方面，提供一种多锂电池组充放电保护板采样控制电路，该多锂电池组充放电保护板采样控制电路包括上拉电阻和多个上所述的充电采样信号放大电路、放电采样信号放大电路及基准电压比较器；

所述上拉电阻与所述充电采样信号放大电路并联；各个锂电池组内的充电采样信号放大电路相互串联与充电控制晶体管的控制极连接，当任意一个锂电池组充电电压达到过充临界值时，触发充电控制晶体管的控制极关断；

各个锂电池组内的放电采样信号放大电路相互并联且与放电控制晶体管的控制极连接，相邻放电采样信号放大电路之间均连接有或门电路，当任意一个锂电池组放电电压达到欠压临界值时，触发放电控制晶体管的控制极关断。

作为优选，所述充电控制晶体管采用充电控制场效应管，所述充电控制晶体管的控制端为充电控制场效应管的栅极；

所述放电控制晶体管采用放电控制场效应管，所述放电控制晶体管的控制端为放电控制场效应管的栅极。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明可有效避免锂电池组的过充或过放，一旦出现过充或过放，则停止相应的充电或放电动作，本发明电路结构简单且反应速度快，生产工序简单、安装调试容易，可有效保证锂电池组的充放电安全；且充电采样信号放大电路可在充电电路电压升高时产生非线性放电，对单组电池进行电压均衡；

2)利用发光二极管在微安电流工作区域稳定性好、抗干扰的特点，采用发光二极管确定基准电压，提高了电路的稳定性和抗干扰性能；

3)利用三极管上下偏置的相反温度效应和恰当的电阻阻值选择，有效克服了温漂，进而提高采样电路的采样控制速度，出现过充或过放时，有利于及时关停相应的充电或放电动作。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明实施例一的电路图；

图3是本发明实施例一中单锂电池组欠压保护的原理图；

图4是本发明实施例一中单锂电池组过充保护的原理图；

图5是本发明实施例二中提供的3串锂电池组充放电采样控制电路的电路图；

图6是本发明实施例二中提供的13串锂电池组充放电采样控制电路的电路图。

其中，A为锂电池组正极；B为锂电池组充电端负极；M为放电控制场效应管栅极；N为充电控制场效应管栅极。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

背景技术中提到，现有的锂电池组充放电采样电路存在不能对单个锂电池组进行电压均衡控制，且反应速度慢、误差大、成本高、生产工序复杂等一系列问题，基于此，本部分结合本发明的技术方案提供了以下几种实施方式：

实施例一

参见图1，一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，包括上拉电阻(见图2中的R3)、充电采样信号放大电路、放电采样信号放大电路及基准电压比较器，其中，上拉电阻连接于所述锂电池组正极和充电控制晶体管的控制极之间；充电采样信号放大电路连接于锂电池组正极和充电控制晶体管的控制极之间，放电采样信号放大电路连接于锂电池组正极和放电控制晶体管的控制极之间，且充电采样信号放大电路和放电采样信号放大电路均与基准电压比较器连接；

在充电过程中，当锂电池组电压接近过充临界值时，充电采样信号放大电路产生非线性放电，对锂电池组的充电过程进行电压均衡；并将采样得到的充电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当充电电压达到过充临界值时，充电采样信号放大电路触发充电控制晶体管关断；

将采样得到的放电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当放电电压达到欠压临界值时，放电采样信号放大电路触发放电控制晶体管关断。

本实施例中，基准电压比较器采用发白光的LED灯珠，提供2.4V的基准电压。

充电控制晶体管采用充电控制场效应管，放电控制晶体管采用放电控制场效应管，相应的，充电控制晶体管的控制端即为充电控制场效应管的栅极，放电控制晶体管的控制端即为放电控制场效应管的栅极。

下面结合电路图对本电路的具体结构及原理进行详细的说明：

如图2和图4所示，充电采样信号放大电路包括充电放大器Q1、充电偏置电阻R1、R2及光电耦合器U1；充电放大器Q1连接于充电偏置电阻R1、R2之间，充电放大器Q1的输入端与锂电池组正极连接，输出端与光电耦合器U1的引脚1连接，光电耦合器U1的引脚3和引脚4分别与充电控制晶体管的控制极(充电控制场效应管栅极N)及充电端负极B连接，充电偏置电阻的一端与锂电池组正极连接，另一端与发光二极管D1连接；

当充电电压升高至接近充电基准电压时，即当锂电池组过压进入临界状态时，Q1的基极出现电流，Q1的集电极电流推动光耦U1工作，使光耦U1的集电极端的电压降到零，光耦U1集电极端与控制充电MOS管G极相连，锂电池组的充电终止。这一过程中，充电放大器Q1中产生非线性放电，对锂电池组的充电过程进行电压均衡，当充电电压达到过充临界值时，光电耦合器U1接通，进而触发充电控制场效应管栅极N关断充电过程。

充电偏置电阻R1、R2的设定原则为：与充电放大器Q1的温度效应相反，且当温度变化时，充电放大器Q1和发光二极管D1的压降值之和与充电偏置电阻R1、R2的压降变化值相等。

如图2和图3所示，放电采样信号放大电路包括放电放大器Q1及放电偏置电阻R5、R6，放电放大器Q2连接于放电偏置电阻R5、R6之间，放电放大器Q2的输入端与锂电池组正极连接，输出端通过与放电控制场效应管栅极M连接，放电偏置电阻的一端与锂电池组正极连接，另一端与发光二极管D1连接；

放电放大器Q2将采样得到的放电信号放大后与基准电压进行比较，当放电电压达到欠压临界值时，发光二极管D1截止，触发放电控制场效应管栅极M关断放电过程，即：当放电电压达到欠压临界值时，Q4的基极电流为零，通过R13给Q5的基极电流也降为零，Q6通过R15得到偏置电流使放电MOS管栅极M的电压降为零，锂电池组的放电终止。

放电偏置电阻R5、R6的设定原则为：与放电放大器Q2的温度效应相反，当温度变化时，放电放大器Q2和发光二极管D1的压降值之和与放电偏置电阻的压降变化值相等。

实施例二

本实施例提供一种3串锂电池组充放电保护板采样控制电路，如图5所示，该多锂电池组充放电保护板采样控制电路包括上拉电阻和3个上所述的充电采样信号放大电路、3个放电采样信号放大电路及3个基准电压比较器；

参见图5，上拉电阻R3与第一串锂电池组的充电采样信号放大电路并联；各个锂电池组内的充电采样信号放大电路相互串联与充电控制晶体管的控制极连接，当任意一个锂电池组充电电压达到过充临界值时，触发充电控制晶体管的控制极关断；

各个锂电池组内的放电采样信号放大电路相互并联且与放电控制晶体管的控制极连接，相邻放电采样信号放大电路之间均连接有或门电路，当任意一个锂电池组放电电压达到欠压临界值时，触发放电控制晶体管的控制极关断。

当然，本发明所提供的锂电池组充放电保护板采样控制电路并不对锂电池组的数量进行限定，因此，如图6所示，本发明还可以提供13串锂电池组充放电保护板采样控制电路，20串锂电池组充放电保护板采样控制电路等，其实现原理与实施例二的原理一致。即：多组锂电池组充放电保护板采样控制电路中可以存在2→n(n为大于2的自然数)个锂电池组，当2→n锂电池组欠压时(以第2组锂电池组为例)，Q4的基极电流为零，通过R13给Q5的基极电流也降为零，Q6通过R15得到偏置电流使放电MOS管G极的电压降为零，锂电池组的放电终止，3→n锂电池组的欠压保护工作原理与2锂电池组部分电路的工作原理相同。

上述仅为本发明的几种实施方式而已，本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

此外，需要说明的是：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，包括上拉电阻、充电采样信号放大电路、放电采样信号放大电路及基准电压比较器，所述充电采样信号放大电路和放电采样信号放大电路均与所述基准电压比较器连接；

所述上拉电阻连接于所述锂电池组正极和充电控制晶体管的控制极之间；

所述充电采样信号放大电路连接于锂电池组的正极和充电控制晶体管的控制极之间，在充电过程中，当锂电池组电压接近过充临界值时，充电采样信号放大电路产生非线性放电，对锂电池组的充电过程进行电压均衡；并将采样得到的充电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当充电电压达到过充临界值时，充电采样信号放大电路触发充电控制晶体管关断；

所述放电采样信号放大电路连接于锂电池组的正极和放电控制晶体管的控制极之间，将采样得到的放电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当放电电压达到欠压临界值时，放电采样信号放大电路触发放电控制晶体管关断。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述基准电压比较器采用发光二极管。

3.根据权利要求2所述的一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述发光二极管采用LED灯珠，提供2.4V的基准电压。

4.根据权利要求2所述的一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述充电采样信号放大电路包括充电放大器、充电偏置电阻及光电耦合器；所述充电放大器连接于充电偏置电阻之间，所述充电放大器的输入端与锂电池组正极连接，输出端与光电耦合器的输入端连接，所述光电耦合器的分别与充电控制晶体管的控制极及充电端负极连接，所述充电偏置电阻的一端与锂电池组正极连接，另一端与所述发光二极管连接；

当充电电压升高至接近充电基准电压时，充电放大器中产生非线性放电，对锂电池组的充电过程进行电压均衡，当充电电压达到过充临界值时，光电耦合器接通，进而触发充电控制晶体管关断。

5.根据权利要求4所述的一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述充电偏置电阻与所述充电放大器的温度效应相反，当温度变化时，所述充电放大器和所述发光二极管的压降值之和与所述充电偏置电阻的压降变化值相等。

6.根据权利要求2所述的一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述放电采样信号放大电路包括放电放大器及放电偏置电阻，所述放电放大器连接于放电偏置电阻之间，所述放电放大器的输入端与锂电池组正极连接，输出端通过与放电控制晶体管的控制极连接，所述放电偏置电阻的一端与锂电池组正极连接，另一端与所述发光二极管连接；

所述放电放大器将采样得到的放电信号放大后与基准电压比较器进行比较，当放电电压达到欠压临界值时，发光二极管截止，触发放电控制晶体管关断。

7.根据权利要求6所述的一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述放电偏置电阻与所述放电放大器的温度效应相反，当温度变化时，所述放电放大器和所述发光二极管的压降值之和与所述放电偏置电阻的压降变化值相等。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述充电控制晶体管采用充电控制场效应管，所述充电控制晶体管的控制端为充电控制场效应管的栅极；

所述放电控制晶体管采用放电控制场效应管，所述放电控制晶体管的控制端为放电控制场效应管的栅极。

9.一种多锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，包括上拉电阻和多个如权利要求1-7中任一项所述的充电采样信号放大电路、放电采样信号放大电路及基准电压比较器；

所述上拉电阻与所述充电采样信号放大电路并联；各个锂电池组内的充电采样信号放大电路相互串联与充电控制晶体管的控制极连接，当任意一个锂电池组充电电压达到过充临界值时，触发充电控制晶体管的控制极关断；

各个锂电池组内的放电采样信号放大电路相互并联且与放电控制晶体管的控制极连接，相邻放电采样信号放大电路之间均连接有或门电路，当任意一个锂电池组放电电压达到欠压临界值时，触发放电控制晶体管的控制极关断。

10.根据权利要求9所述的一种多锂电池组充放电保护板采样控制电路，其特征在于，所述充电控制晶体管采用充电控制场效应管，所述充电控制晶体管的控制端为充电控制场效应管的栅极；

所述放电控制晶体管采用放电控制场效应管，所述放电控制晶体管的控制端为放电控制场效应管的栅极。