CN109546627A - 一种锂电池组安全充电保护方法及其充电保护电路 - Google Patents
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Abstract
一种锂电池组安全充电保护方法，包括有如下步骤：1)启动充电器电路，锂电池组处于充电状态；2)判断当前锂电池组是否处于充满状态，如是则结束充电；如否则继续下一步骤；3)持续性地输出一触发信号至充电保护电路；4)检测充电保护电路的输出信号是否会发生变化，如是返回步骤2)；如否结束充电。本发明的优点在于：在不改变原有充电保护电路的基础上，以模拟单个锂电池对地短路状态，增加电路自检，避免因充电保护电路自身单次失效或者锂电池组中各锂电池电压不平衡而引起的电池过充现象，控制方法简单，容易实现，电路设计成本低，实用性强，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂电池组的充电保护，特别是涉及一种锂电池组安全充电保护方法及其保护电路。
背景技术
近年来，锂离子电池以其特有的性能优势被作为储能电源和动力电源而广泛应用于多个行业，随着锂电池供电行业的快速发展与应用领域的拓展，锂电池的充放电安全性也被广泛关注。
锂电池在使用过程中，过充电、过放电或过电流都会影响到电池的使用寿命，为了安全设计，锂电池的充放电电路中都会加装保护板，特别是针对充电电路，一旦过充容易造成爆炸等危险，行业内针对锂电池的充电电路保护设计有着严格的要求。
现有技术中，传统的锂电池组充电保护电路通常采用多个检测电路和输出电路的方式，检测电路的数量与锂电池的数量匹配，如已有的专利号为201720130152.2的中国实用新型《锂电池充电保护装置》就公开了这样一种充电保护装置，包括电流检测电路、电压检测电路、MCU控制器、MOS开关电路和硬件熔断电路，电流检测电路、电压检测电路均与MCU控制器的输入端电连接，MCU控制器的输出端分别与MOS开关电路的输入端和硬件熔断电路的输入端电连接，且MOS开关电路的输出端和硬件熔断电路的输出端均与锂电池电连接；电压检测电路中电源电压检测单元的输入端与充电器电连接，电池电压检测单元的输入端与锂电池电连接，且电源电压检测单元的输出端和电池电压检测单元的输出端均与MCU控制器的输入端电连接。上述专利采用独立于充电器与锂电池之外，无论充电器和锂电池双方是否有保护装置，在充电过程中保护锂电池及充电器的安全。
但是，上述专利中的充电保护装置是根据MCU控制器的输出信号来控制锂电池是否充电的，在实际使用过程中，会发生因MCU控制器或者充电保护电路中其他元件本身发生短路、断路或者其他原因引起失效而造成充电保护电路的输出信号出错，从而导致锂电池组在充满电的情况下继续充电导致锂电池过充而发生爆炸的重大安全事故。为此，当前的行业新标准IEC 62841-1针对锂电池组(包)的充电安全性和可靠性提出了更高要求：新行业标准要求锂电池组(包)的充电保护电路在任意元器件单次失效情况下以及锂电池组(包)中各节锂电池在充电不平衡情况下，锂电池组(包)的充电保护电路仍然能够生成并输出可靠的过充判定信号，以避免发生因电池过充爆炸引发的重大安全事故。
因此，综上所述，针对现有锂电池充电保护电路中存在的问题和现状，还有待于对已有的充电保护电路和充电方法做出进一步的改进，以更好地适应行业发展的要求和提高产品的使用可靠性。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种在保护电路自身单次失效发生故障的情况下仍可准确输出充电控制信号的锂电池组安全充电保护方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是采用上述充电保护方法实现的锂电池组充电保护电路。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种锂电池组安全充电保护方法，所述的锂电池组包括有至少两节依次相互串联的锂电池，该锂电池组连接有充电保护电路，该充电保护电路的输出端连接充电器电路的输入端，其特征在于：所述保护方法包括有如下步骤：
(1)、启动所述充电器电路，锂电池组处于充电状态；
(2)、充电器电路根据充电保护电路的输出信号判断当前锂电池组是否处于充满状态，如是，则提示已充满，结束充电；如否，则继续下一步骤；
(3)、所述充电器电路周期性地输出一触发信号至充电保护电路；
(4)、所述充电保护电路在接收到所述触发信号的状态下，检测该充电保护电路的输出信号是否会发生变化，如是，则充电保护电路处于正常工作状态，返回步骤(2)；如否，则提示充电保护电路内部发生故障，结束充电。
作为优选，所述步骤(2)中判断锂电池组是否充满采用如下方法：
(2-1)、当所述充电保护电路的输出信号为持续稳定的设定逻辑值，则当前锂电池组处于正常充电状态；
(2-2)、当所述充电保护电路的输出信号逻辑值发生反转，则当前锂电池组处于充满电状态。
作为优选，所述步骤(3)中的触发信号为按照设定时间间隔输出的脉冲信号或者电平信号。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种采用如上述锂电池组安全充电保护方法的充电保护电路，所述的充电保护电路包括有
RC滤波电路，每一节锂电池串接有一所述的RC滤波电路；
信号检测处理电路，包括有检测信号输入端和触发信号输出端，其中，每一RC滤波电路的输出端连接至该信号检测处理电路各对应的检测信号输入端；
第一输出电路，该第一输出电路的输入端和信号检测处理电路的触发信号输出端相连，该第一输出电路的输出端连接至充电器电路的第一输入端；
所述的充电保护电路还包括有
自检电路，在输入触发信号状态下可模拟任意一节锂电池与信号检测处理电路之间发生断路，所述自检电路的输入端连接充电器电路的第二输入端，该自检电路的输出端连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路的输出端。
为了更好地检测电池充电状态，防止电池过热，作为优选，所述充电保护电路还包括有第二输出电路，该第二输出电路包括有热敏电阻，所述热敏电阻的一端一路和所述自检电路的输入端相连，另一路和所述充电器电路的第二输入端相连，该热敏电阻的另一端接地。
作为优选，所述的自检电路包括有
开关电路，可控制所述自检电路的导通和关闭，该开关电路的输出端连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路的输出端；
触发电路，用于将输入自检电路的触发信号转变为直流信号，该触发电路的输入端连接充电器电路的第二输入端，该触发电路的输出端和所述开关电路的输入端相连。
作为进一步优选，所述开关电路包括有第一场效应管和第一电阻，所述第一场效应管的漏极连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路的输出端，该第一场效应管的源极接地，该第一场效应管的栅极一路经第一电阻接地，另一路作为开关电路的输入端和所述触发电路的输出端相连。
作为优选，所述触发电路包括有第一电容、第一二极管、第二电阻和第二电容，所述第一二极管的负极一路经第一电容接地，另一路作为触发电路的输出端与所述开关电路的输入端相连，该第一二极管的正极一路经第二电阻接地，另一路经第二电容作为该触发电路的输入端。
作为另一优选，所述触发电路包括有第一电容、第一二极管、第二二极管和第二电容，所述第一二极管的负极一路经第一电容接地，另一路作为触发电路的输出端与所述开关电路的输入端相连，该第一二极管的正极一路和第二二极管的负极相连，另一路经第二电容作为该触发电路的输入端，第二二极管的正极接地。
作为进一步优选，所述触发电路包括有稳压二极管，所述稳压二极管的正极作为触发电路的输出端与所述开关电路的输入端相连，该稳压二极管的负极作为该触发电路的输入端。
作为优选，所述第一输出电路包括有第三电阻、第四电阻、第二场效应管和识别电阻，所述第三电阻的一端和所述信号检测处理电路的触发信号输出端相连，该第三电阻的另一端一路经第四电阻接锂电池组负极，另一路连接所述第二场效应管的栅极，该第二场效应管的源极接锂电池组负极，该第二场效应管的漏极一路经识别电阻接锂电池组负极，另一路连接充电器电路的第一输入端。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在不改变原有充电保护电路的基础上，增加电路自检检测功能，由充电器发出持续稳定的触发信号来检测充电保护电路的运行是否正常，该触发信号可以模拟单个锂电池与信号检测电路之间发生断路的状态，如果检测到充电保护电路的输出信号有变化，则说明充电保护电路处于正常工作状态，一旦充电保护电路的输出信号没有变化，则说明充电保护电路自身发生故障或者电池已经达到过充状态，充电停止，由此可以避免因充电保护电路自身单次失效或者发生故障而引起的电池过充现象，确保锂电池组的充电安全，提高保护电路的可靠性，本方案的控制方法简单，容易实现，电路设计成本低，实用性强，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的锂电池组充电保护电路的功能框图。
图2为本发明实施例的锂电池组充电保护电路的另一功能框图。
图3为本发明实施例的开关电路的具体线路图。
图4为本发明实施例的触发电路的具体线路图之一。
图5为本发明实施例的触发电路的具体线路图之二。
图6为本发明实施例的触发电路的具体线路图之三。
图7为本发明实施例的锂电池组充电保护电路的具体线路图。
图8为本发明实施例的充电保护方法的控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～图6所示，本实施例公开了一种锂电池组的充电保护电路，锂电池组包括有至少两节依次相互串联的锂电池，该锂电池组连接有充电保护电路，充电保护电路的输出端连接充电器电路的输入端，具体地，本实施例的充电保护电路包括有
RC滤波电路1，每一节锂电池串接有一所述的RC滤波电路1；
信号检测处理电路2，包括有检测信号输入端和触发信号输出端，其中，每一RC滤波电路1的输出端连接至该信号检测处理电路2各对应的检测信号输入端；
第一输出电路3，该第一输出电路3的输入端和信号检测处理电路2的触发信号输出端相连，该第一输出电路3的输出端连接至充电器电路的第一输入端ID1；
自检电路4，在输入触发信号状态下可模拟任意一节锂电池与信号检测处理电路之间发生断路(锂电池本身对地短路)，即模拟锂电池通过RC滤波电路1到达信号检测处理电路2的电压为0V；所述自检电路4的输入端连接充电器电路的第二输入端ID2，该自检电路4的输出端可以连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路1的输出端，考虑到自检电路4工作时，串联锂电池组因自检电路的导通所通过的放电电流都是相同的，为了保证各节锂电池电压保持平衡，优选地，自检电路4的输出端可以直接连接在第一节锂电池BT1所对应的RC滤波电路1的输出端作为优选。
为了更好地检测电池充电状态，防止电池过热，充电保护电路还可以包括有第二输出电路5，该第二输出电路5直接并接在自检电路4上，参见图2，所述第二输出电路5的一端和自检电路4的输入端相连，该第二输出电路5的另一端则直接和充电器电路的第二输入端ID2相连。
本实施例的自检电路4可以通过各种具体电路实现，简单地，可以采用如下电路模块，该自检电路4包括有
开关电路41，可控制自检电路4的导通和关闭，该开关电路41的输出端P1连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路1的输出端；
触发电路42，用于将输入自检电路4的触发信号转变为有效的控制信号，该触发电路42的输入端连接充电器电路的第二输入端ID2，该触发电路42的输出端和开关电路41的输入端P2连。
如图3所示，为本实施例的开关电路41的其中一个具体实施例，该开关电路41包括有第一场效应管Q1和第一电阻R1，第一场效应管Q1的漏极连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路1的输出端，该第一场效应管Q1的源极接地，该第一场效应管Q1的栅极一路经第一电阻R1接地，另一路作为开关电路41的输入端P2和触发电路42的输出端相连。
如图4所示，为本实施例的触发电路42的其中一个具体实施例，该触发电路42包括有第一电容C1、第一二极管D1、第二电阻R2和第二电容C2，第一二极管D1的负极一路经第一电容C1接地，另一路作为触发电路42的输出端与开关电路41的输入端P2相连，该第一二极管D1的正极一路经第二电阻R2接地，另一路经第二电容C2作为该触发电路42的输入端。
如图5所示，为本实施例的触发电路42另一个具体实施例，与图4所不同的是，该电路中将第二电阻R2替换成了第二二极管D2，具体地，触发电路42包括有第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2和第二电容C2，第一二极管D1的负极一路经第一电容C1接地，另一路作为触发电路42的输出端与开关电路41的输入端P2相连，该第一二极管D1的正极一路和第二二极管D2的负极相连，另一路经第二电容C2作为该触发电路42的输入端，第二二极管D2的正极接地。
如图6所示，为本实施例的触发电路42再一个具体实施例，本实施例的触发电路42只包括有一个稳压二极管D3，稳压二极管D3的正极作为触发电路42的输出端与开关电路41的输入端P2相连，稳压二极管D3的负极作为该触发电路42的输入端。
如图7所示，为采用本实施例的功能框图所设计的一个锂电池充电保护电路的具体线路图，该充电保护电路包括有五节串联锂电池B1、B2、B3、B4和B5，每一节锂电池对应串接有相应的RC滤波电路1，U1为实现信号检测处理的控制芯片，该U1芯片对应有VC1、VC2、VC3、VC4和VC5五个管脚作为检测信号输入端，分别对应连接锂电池B1、B2、B3、B4和B5所分别串接的RC滤波电路1的输出端，U1芯片的CO管脚作为触发信号输出端连接第一输出电路3，U1芯片还有供电电源输入端VDD和接地端VSS，U1芯片、RC滤波电路1以及锂电池组之间的连接方式为常规电路，具体线路连接方式参见图7，在此不做赘述。
图7中的第一输出电路3和第二输出电路5分别为两个不同采样电路，第一输出电路3用于电阻采样，第二输出电路5用于温度采样，第二输出电路5并接在自检电路4中，第一输出电路3包括有第三电阻R3、第四电阻R4、第二场效应管Q2和识别电阻Rs，第二输出电路5包括有热敏电阻RT，自检电路4包括有第一场效应管Q1、第一电阻R1、第一电容C1、第一二极管D1、第二电阻R2和第二电容C2。
其中，第三电阻R3的一端和U1芯片的CO管脚相连，该第三电阻R3的另一端一路经第四电阻R4接地，另一路连接第二场效应管Q2的栅极，该第二场效应管Q2的源极接地，该第二场效应管Q2的漏极一路经识别电阻Rs接地，另一路连接充电器电路的第一输入端ID1；
第一场效应管Q1的漏极连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路1的输出端，优选地，本实施例将第一场效应管Q1的漏极直接连接在第一节锂电池所对应的RC滤波电路1的输出端，该第一场效应管Q1的源极接地，该第一场效应管Q1的栅极一路经第一电阻R1接地，另一路与第一二极管D1的负极相连，第一二极管D1的负极又经第一电容C1接地，第一二极管D1的正极一路经第二电阻R2接地，另一路经第二电容C2和充电器电路的第二输入端ID2相连；
热敏电阻RT的一端一路和充电器电路的第二输入端ID2相连，另一路连接自检电路4的输入端，热敏电阻RT的另一端接地。
图7的充电保护电路工作原理为：当锂电池组与充电器连接后，正常工作状态下，充电器会通过第一输入端ID1读取识别电阻Rs的阻值，进而判断锂电池是否过充或者有无线路断线，同时，充电器通过第二输入端ID2读取热敏电阻RT的温度值，来判断锂电池组是否在正常的温度值范围内；当充电器从第二输入端ID2输出周期性的触发信号，在第一场效应管Q1导通后，第一节锂电池B1呈现对地断路状态，此时，如果原先U1芯片的CO管脚输出的是正常充电信号(低电平)，在第一节锂电池B1对地短路后，该U1芯片的CO管脚应该会产生输出信号变化(跳变为高电平)，假如第一节锂电池B1对地短路后，U1芯片的CO管脚输出信号不会发生变化，则说明U1芯片本身(充电保护电路自身)或电路中其他元件发生故障(元件单次失效会导致U1芯片的CO管脚输出常高电平或常低电平，如是常高电平，则表现为禁止充电，电路无法正常运行；如是常低电平则表现为允许充电，此时充电安全无法保障)，因此，当U1芯片的CO管脚输出常低电平的情况下，存在过充的危险，需要立即停止充电，并警示报警。
另外，图7中的自检电路4的触发电路部分还可以直接用图6所示的一个稳压二极管D3替换，整体电路更加简单，正常工作状态下，稳压二极管D3为反向截止，此时，U1芯片的CO管脚输出的是正常充电信号(低电平)，第二输入端ID2周期性的输入触发信号给自检电路4(其中，触发信号的电压值超过稳压二极管D3的稳压值)，一旦有触发信号输入，则稳压二极管D3反向击穿，第一节锂电池B1呈现对地短路状态，如果保护电路正常，U1芯片的CO管脚应该会产生输出信号变化(跳变为高电平)，假如第一节锂电池B1呈现对地短路状态下，U1芯片的CO管脚输出信号不会发生变化，则说明U1芯片本身或电路中其他元件发生故障，警示报警。
如图8所示，为本实施例的锂电池组安全充电保护方法，该保护方法包括有如下步骤：
(1)、启动充电器电路，锂电池组处于充电状态。
(2)、充电器电路根据充电保护电路的输出信号判断当前锂电池组是否处于充满状态，如是，则提示已充满，结束充电；如否，则继续下一步骤；具体地，判断锂电池组是否充满采用如下方法：
(2-1)、当充电保护电路的输出信号为持续稳定的设定逻辑值(高电平或低电平)，则当前锂电池组处于正常充电状态；
(2-2)、当所述充电保护电路的输出信号逻辑值发生反转(高电平转低电平或者低电平转高电平)，则当前锂电池组处于充满电状态。
(3)、充电器电路周期性地输出触发信号至充电保护电路，触发信号为按照设定时间间隔输出的脉冲信号或者电平信号。
(4)、充电保护电路在接收到所述触发信号的状态下，检测该充电保护电路的输出信号是否会发生变化，如是，则充电保护电路处于正常工作状态，返回步骤(2)；如否，则提示充电保护电路内部发生故障，结束充电。
传统的锂电池充电保护电路是基于充电电路自身不存在故障的前提下，一旦充电保护电路自身存在故障，则检测端就会输出错误信号，容易导致过充爆炸等安全事故。本实施例在常规锂电池保护电路的基础上增加了充电自检方法，触发信号的启动和充电器电路的启动是同步的，当电池组连接充电器启动充电后，充电器就会有规律的发送触发信号至充电保护电路，以确保在整个充电过程中对电路的自检，可以避免因保护电路自身故障或接口电路的错误输出而导致安全事故发生，控制方法简单易行，电路实现成本低，安全可靠性高。
Claims (10)
1.一种锂电池组安全充电保护方法，所述的锂电池组包括有至少两节依次相互串联的锂电池，该锂电池组连接有充电保护电路，该充电保护电路的输出端连接充电器电路的输入端，其特征在于：所述保护方法包括有如下步骤：
(1)、启动所述充电器电路，锂电池组处于充电状态；
(2)、充电器电路根据充电保护电路的输出信号判断当前锂电池组是否处于充满状态，如是，则提示已充满，结束充电；如否，则继续下一步骤；
(3)、所述充电器电路周期性地输出一触发信号至充电保护电路；
(4)、所述充电保护电路在接收到所述触发信号的状态下，检测该充电保护电路的输出信号是否会发生变化，如是，则充电保护电路处于正常工作状态，返回步骤(2)；如否，则提示充电保护电路内部发生故障，结束充电。
2.根据权利要求1所述的锂电池组安全充电保护方法，其特征在于：所述步骤(2)中判断锂电池组是否充满采用如下方法：
(2-1)、当所述充电保护电路的输出信号为持续稳定的设定逻辑值，则当前锂电池组处于正常充电状态；
(2-2)、当所述充电保护电路的输出信号逻辑值发生反转，则当前锂电池组处于充满电状态。
3.根据权利要求1所述的锂电池组安全充电保护方法，其特征在于：所述步骤(3)中的触发信号为按照设定时间间隔输出的脉冲信号或者电平信号。
4.一种采用如权利要求1所述锂电池组安全充电保护方法的充电保护电路，所述的充电保护电路包括有
RC滤波电路(1)，每一节锂电池串接有一所述的RC滤波电路(1)；
信号检测处理电路(2)，包括有检测信号输入端和触发信号输出端，其中，每一RC滤波电路(1)的输出端连接至该信号检测处理电路(2)各对应的检测信号输入端；
第一输出电路(3)，该第一输出电路(3)的输入端和信号检测处理电路(2)的触发信号输出端相连，该第一输出电路(3)的输出端连接至充电器电路的第一输入端(ID1)；
其特征在于：所述的充电保护电路还包括有
自检电路(4)，在输入触发信号状态下可模拟任意一节锂电池与信号检测处理电路(2)之间发生断路，所述自检电路(4)的输入端连接充电器电路的第二输入端(ID2)，该自检电路(4)的输出端连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路(1)的输出端。
5.根据权利要求4所述的充电保护电路，其特征在于：所述充电保护电路还包括有第二输出电路(5)，该第二输出电路(5)包括有热敏电阻(RT)，所述热敏电阻(RT)的一端一路和所述自检电路(4)的输入端相连，另一路和所述充电器电路的第二输入端(ID2)相连，该热敏电阻(RT)的另一端接地。
6.根据权利要求4所述的充电保护电路，其特征在于：所述的自检电路(4)包括有开关电路(41)，可控制所述自检电路(4)的导通和关闭，该开关电路(41)的输出端(P1)连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路(1)的输出端；
触发电路(42)，用于将输入自检电路(4)的触发信号转变为有效的控制信号，该触发电路(42)的输入端连接充电器电路的第二输入端(ID2)，该触发电路(42)的输出端和所述开关电路(41)的输入端(P2)相连。
7.根据权利要求6所述的充电保护电路，其特征在于：所述开关电路(41)包括有第一场效应管(Q1)和第一电阻(R1)，所述第一场效应管(Q1)的漏极连接任意一节锂电池所对应的RC滤波电路(1)的输出端，该第一场效应管(Q1)的源极接地，该第一场效应管(Q1)的栅极一路经第一电阻(R1)接地，另一路作为开关电路(41)的输入端(P2)和所述触发电路(42)的输出端相连。
8.根据权利要求6所述的充电保护电路，其特征在于：所述触发电路(42)包括有第一电容(C1)、第一二极管(D1)、第二电阻(R2)和第二电容(C2)，所述第一二极管(D1)的负极一路经第一电容(C1)接地，另一路作为触发电路(42)的输出端与所述开关电路(41)的输入端(P2)相连，该第一二极管(D1)的正极一路经第二电阻(R2)接地，另一路经第二电容(C2)作为该触发电路(42)的输入端。
9.根据权利要求6所述的充电保护电路，其特征在于：所述触发电路(42)包括有第一电容(C1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第二电容(C2)，所述第一二极管(D1)的负极一路经第一电容(C1)接地，另一路作为触发电路(42)的输出端与所述开关电路(41)的输入端(P2)连，该第一二极管(D1)的正极一路和第二二极管(D2)的负极相连，另一路经第二电容(C2)作为该触发电路(42)的输入端，第二二极管(D2)的正极接地。
10.根据权利要求6所述的充电保护电路，其特征在于：所述触发电路(42)包括有稳压二极管(D3)，所述稳压二极管(D3)的正极作为触发电路(42)的输出端与所述开关电路(41)的输入端(P2)相连，该稳压二极管(D3)的负极作为该触发电路(42)的输入端。
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