CN110571891A - 锂离子电池充放电硬件二次防护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂电池技术领域，公开了一种锂离子电池充放电硬件二次防护电路，包括门限比较器和逻辑控制电路，门限比较器包括第一运放和第二运放，逻辑控制电路包括充电控制驱动电路和放电控制驱动电路，充电控制驱动电路包括GP_CO和CO_CP输入端，放电控制驱动电路包括DO_CP和GP_DO输入端，GP_CO和GP_DO输入端分别与CPU主控芯片的I/O管脚电连接，作为CPU主控芯片软件程序的充放电逻辑保护出口，CO_CP和DO_CP输入端分别与门限比较器的第一运放和第二运放的输出端电连接，作为硬件的充放电逻辑保护出口。本发明的技术方案能够极大地降低锂电池在使用过程中因出现过充、过放而导致燃烧、爆炸等危险的几率，在低压、低串数锂电池应用场合具有较大的实用价值。

Description

锂离子电池充放电硬件二次防护电路

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，特别涉及一种锂离子电池充放电硬件二次防护电路。

背景技术

当前市场，电动机器人、电动工具、移动电源等低压场合，3～6串低串数锂离子电池应用非常之多，锂离子电池的充放电工作电压、电流及温度都必须严格控制在设定的范围之内，才能保证电池的安全使用。目前，对于这种低串数锂离子电池的监控和保护主要有两种控制方案：其一，利用专用的电池保护IC，此类IC通过芯片内部集成的分压电阻、比较器、组合逻辑电路以及外置电容来实现电池过充、过放、过流、过温和短路等保护逻辑及延时功能，图1为单串电池保护IC典型应用，保护IC外接两个N沟道MOS管和必要的阻容元件便可正常工作，Q21为放电控制MOS管，Q22为充电控制MOS管，D21、D22分别为Q21、Q22内部寄生二极管，正常使用时，保护IC会驱动充放电MOS管处于导通状态，电池正常充放电；在充电过程中当检测到电池电压高于过充电压阈值时，保护IC会驱动充电MOS管截止，充电回路断开，停止充电；在放电过程中当检测到电池电压低于过放电压阈值时，保护IC会驱动放电MOS管截止，放电回路断开，停止放电；其二，利用微处理器芯片(CPU)内部模数转换器(ADC)或者外置ADC对各单体电池电压、电流及温度进行采样，采样数据经过处理后再进行过充、过放、过流、过温和短路等逻辑保护判断，继而控制充放电过程。图2是通信基站BMS典型应用，图2中电池管理系统(BMS)即是采用CPU进行模拟采样、数据处理和逻辑控制的架构，既可内置于电池模组也可外置于电池模组。

第一种控制方案是传统的专用电池保护IC，它具有高精度、高集成度的特点，因此在市场上应用比较广泛，针对不同种类的锂离子电池，不同的保护门限值，都有对应的IC型号。但这种专用的电池保护IC完全是通过内部的比较器和组合逻辑电路来驱动外部充放电MOS管，继而实现充电回路和放电回路的保护功能。所以一旦IC内部器件失效或者外部控制MOS管发生粘连、电击穿、热击穿等故障，势必导致充放电保护失控。

第二种控制方案利用CPU主控芯片来搭建采样电路、信号调理电路和控制电路，通过软件编程实现对电池的逻辑保护，同时可以通过CAN、RS485、RS232等多种通信总线与外部建立通信连接，实现信息互通和交换。但是这种方案也存在着致命的安全隐患，因为设计人员主观的软件漏洞(BUG)和外部客观的电磁干扰，都可能会引发软件失效或者程序“当机”，从而直接导致充放电过程失控，电池发生过充电、过放电而损坏。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种锂离子电池充放电硬件二次防护电路，旨在防止锂离子电池因控制程序失效或“当机”出现过充、过放进而造成燃烧、爆炸等危险。

为实现上述目的，本发明提出的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，包括CPU主保护电路，所述CPU主保护电路包括CPU主控芯片，其特征在于，还包括门限比较器和逻辑控制电路，所述门限比较器包括第一运放和第二运放，所述逻辑控制电路包括充电控制驱动电路和放电控制驱动电路，所述充电控制驱动电路包括GP＿CO和CO＿CP输入端，所述放电控制驱动电路包括DO＿CP和GP＿DO输入端，所述GP＿CO和GP＿DO输入端分别与所述CPU主控芯片的I/O管脚电连接，作为CPU主控芯片软件程序的充放电逻辑保护出口，所述CO＿CP和DO＿CP输入端分别与所述门限比较器的第一运放和第二运放的输出端电连接，作为硬件的充放电逻辑保护出口。

进一步地，所述门限比较器还包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6以及基准电源VREF，所述第一运放形成过充电二次防护电路，所述第二运放形成过放电二次防护电路，电池组总压通过所述电阻R1和R2分压后输出电压比较值，分别进入所述第一运放和第二运放的反向输入端，所述VREF通过所述电阻R3和R4分压后，作为过充参考电压进入所述第二运放的正向输入端，所述VREF通过所述电阻R5和R6分压后，作为过放参考电压进入所述第二运放的正向输入端。

进一步地，所述门限比较器还包括供电电源VDD和电容C1、C2、C3以及C4，所述供电电源VDD分别与所述第一运放和第二运放电连接，所述电容C1和C2并联连接，且分别与所述VDD和第一运放电连接，所述电容C3和C4并联连接，且分别与所述VDD和第二运放电连接。

进一步地，所述充电控制驱动电路还包括三极管T1、T2、T5、二极管D3、电阻R9、R10、R11、R18、R19、R20以及充电控制MOS管Q2，所述GP＿CO输入端与所述R9连接，所述CO＿CP输入端与所述R10连接，所述T1分别与T2的一端以及R9和R19连接，所述T2的另两端分别与R10以及大地连接，所述R19依次与所述T5、D3以及充电控制MOS管Q2连接，所述R20的两端分别与T5连接。

进一步地，所述放电控制驱动电路包括三极管T3、T4、电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17以及放电控制MOS管Q1，所述所述T3分别与所述DO＿CP输入端、R13以及R15连接，所述R13与所述GP＿DO输入端连接，所述T4分别与所述R14、R15以及R16连接，所述放电控制MOS管Q1与所述R16连接，所述R17与所述放电控制MOS管Q1并联连接。

进一步地，所述充电控制驱动电路还包括内部寄生二极管D2，所述内部寄生二极管D2的两端与所述充电控制MOS管Q2并联连接。

进一步地，所述放电控制驱动电路还包括内部寄生二极管D1，所述内部寄生二极管D1的两端与所述放电控制MOS管Q1并联连接。

进一步地，所述逻辑控制电路还包括分流器FL1，所述分流器FL1的两端分别与电池组的负极和充电机的负极电连接。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明的技术方案，采用以CPU软件或专用保护IC为主保护，外加硬件二次防护的双层保护架构，解决了传统电池保护方案单一和不可靠的缺点，极大地降低了锂电池在使用过程中因出现过充、过放而导致燃烧、爆炸等危险的几率，在电动机器人、电动工具、移动电源等低压、低串数锂电池应用场合具有较大的实用价值。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为1为单串电池保护IC典型的外部连接关系电路原理图；

图2为通信基站BMS典型应用电路原理图；

图3为CPU主保护加硬件二次防护电路的系统架构图；

图4为本发明一实施例的一种锂离子电池充放电硬件二次防护电路的门限比较器的电路原理图；

图5为本发明一实施例的一种锂离子电池充放电硬件二次防护电路的硬件二次防护电路的逻辑控制的电路原理图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种锂离子电池充放电硬件二次防护电路。

如图1至图5所示，在本发明一实施例中，该锂离子电池充放电硬件二次防护电路，包括门限比较器和逻辑控制电路，电路原理图分别如图4和图5所示，门限比较器由两个正反馈运放搭载必要的阻容元件构成，运放U1组成过充电二次防护电路，运放U2组成过放电二次防护电路，电池组总压通过高精度电阻R1、R2分压后输出电压比较值分别进入运放U1、U2的反向输入端。VREF由低压差线性稳压器产生，具有高精度、低零漂的特点，VREF通过高精度电阻R3、R4分压后作为过充参考电压进入运放U1的正向输入端，VREF通过高精度电阻R5、R6分压后作为过放参考电压进入运放U2的正向输入端。VDD为模拟采样和信号调理电路部分的供电电源，电容C1～C4作为运放供电电源的去偶电容，可以屏蔽电源端的高频噪声和低频干扰。

在正常工作时，电池总压介于放电保护门限值和充电保护门限值之间，运放U1输出高电平，运放U2输出低电平；在充电过程中，当电池总压上升到超过充电保护门限值时，运放U1翻转，输出由高电平变为低电平；在放电过程中，当电池总压下降到低于放电保护门限值时，运放U2翻转，输出由低电平变为高电平的。

逻辑控制电路由三极管驱动电路构成，通过控制外部充放电MOS管，来实现充电回路和放电回路的切断保护功能。图5中电池组和BMS是充放电同口的电气结构形式，B+为电池总正，B－为电池总负，P+为充电机总正，P－为充电机总负，充放电口合二为一是为同口。Q1为放电控制MOS管，Q2为充电控制MOS管，D1、D2分别为Q1、Q2内部寄生二极管，主要起充放电过渡的作用。FL1为分流器，用来检测电池组的充放电电流，作过流和短路保护。T1、T2、T5、D3、R9、R10、R11、R18、R19、R20组成充电控制驱动电路，T3、T4、R12、R13、R14、R15、R16、R17组成放电控制驱动电路。GP＿CO和GP＿DO接到CPU的I/O管脚，是CPU软件的充放电逻辑保护出口；CO＿CP和DO＿CP接到门限比较器部分的运放输出端，是硬件的充放电逻辑保护出口；CO＿EN和DO＿EN既可以作为CPU的数字输入用以采样监测比较运放的输出状态，又可以作为CPU的数字输出控制后端三极管的状态。

对于充电控制，当硬件和软件输出同时有效即CO＿CP和GP＿CO均为高电平时，三极管T1、T2导通，继而三极管T5导通，电池总正B+通过T5、D3、R18驱动充电MOS管Q2导通，充电回路闭合；在充电中如果软件控制失效，硬件控制在电池总压高越限时，门限比较器U1输出低电平，T2断开，此时无论GP＿CO是什么状态，T5都会断开，Q2栅源间电容通过R18放电，Q2断开，从而整个充电回路被切断。

对于放电控制，当硬件和软件输出同时有效即DO＿CP为低电平，GP＿DO为高电平时，三极管T3导通，继而三极管T4导通，电池总正B+通过T4、R16、R17驱动放电MOS管Q1导通，放电回路闭合；在放电中如果软件控制失效，硬件控制在电池总压低越限时，门限比较器U2输出高电平，T3断开，此时无论GP＿DO是什么状态，T4都会断开，Q1栅源间电容通过R17放电，Q1断开，从而整个放电回路被切断。

以应用于移动机器人(AGV)的4串磷酸铁锂电池的充放电保护过程为例，磷酸铁锂单体电池工作电压范围：2.5～3.65Vdc，4串成组后的总压工作范围：10～14.6Vdc，设定电池充电过压保护阈值为单体3.65Vdc，总压14.6Vdc；放电欠压保护阈值为单体2.5Vdc，总压10Vdc；根据VREF、VDD的电压，适当选取电阻R1～R6的值。结合本方案所提出的充放电硬件防护电路，其工作过程和逻辑保护策略描述如下：

(1)BMS上电后，开始自检，并进入正常运行模式；

(2)BMS采样各单体电池电压、电流及温度，采样数据经过运算处理后与电压、电流和温度保护阈值进行比较，如果各个模拟量值在正常范围之内，则BMS控制GP_CO和GP_DO均为高电平。同时，硬件防护电路比较输出CO_CP为高电平，DO_CP为低电平，T1～T5均导通，充放电驱动电路正常工作，充放电MOS管Q1和Q2导通，电池主回路闭合。

(3)在充电过程中，电池电压上升，当BMS检测到电池电压超过了充电保护阈值则会控制GP_CO输出低电平，此时，充电MOS管Q2驱动电路被断开。但是，如果发生软件失效或程序“当机”导致充电MOS管Q2的驱动电路不能有效关断，则过充电二次防护电路亦会在电池总压高越限(在各单体电芯一致性良好情况下单体也会高越限)时可靠动作，翻转CO_CP电平，及时切断充电回路；

(4)在放电过程中，电池电压下降，当BMS检测到电池电压低于放电保护阈值则会控制GP_DO输出低电平，此时，放电MOS管Q1驱动电路被断开。但是，如果发生软件失效或程序“当机”导致放电MOS管Q1的驱动电路不能有效关断，则过放电二次防护电路亦会在电池总压低越限(在各单体电芯一致性良好情况下单体也会低越限)时可靠动作，翻转DO_CP电平，及时切断放电回路。

本发明的技术方案采用以CPU软件或专用保护IC为主保护，外加硬件二次防护的双层保护架构，逻辑控制部分由三极管驱动电路构成，通过控制外部充放电MOS管，来实现充电回路和放电回路的切断保护功能解决了传统锂电池保护方案单一和不可靠的缺点，引入了功能安全失效分析与对策，极大地降低了电池在使用过程中因出现过充、过放而导致燃烧、爆炸等危险的几率，在电动机器人、电动工具、移动电源等低压、低串数锂电池应用场合具有较大的实用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池充放电硬件二次防护电路，包括CPU主保护电路，所述CPU主保护电路包括CPU主控芯片，其特征在于，还包括门限比较器和逻辑控制电路，所述门限比较器包括第一运放和第二运放，所述逻辑控制电路包括充电控制驱动电路和放电控制驱动电路，所述充电控制驱动电路包括GP_CO和CO_CP输入端，所述放电控制驱动电路包括DO_CP和GP_DO输入端，所述GP_CO和GP_DO输入端分别与所述CPU主控芯片的I/O管脚电连接，作为CPU主控芯片软件程序的充放电逻辑保护出口，所述CO_CP和DO_CP输入端分别与所述门限比较器的第一运放和第二运放的输出端电连接，作为硬件的充放电逻辑保护出口。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，其特征在于，所述门限比较器还包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6以及基准电源VREF，所述第一运放形成过充电二次防护电路，所述第二运放形成过放电二次防护电路，电池组总压通过所述电阻R1和R2分压后输出电压比较值，分别进入所述第一运放和第二运放的反向输入端，所述VREF通过所述电阻R3和R4分压后，作为过充参考电压进入所述第二运放的正向输入端，所述VREF通过所述电阻R5和R6分压后，作为过放参考电压进入所述第二运放的正向输入端。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，其特征在于，所述门限比较器还包括供电电源VDD和电容C1、C2、C3以及C4，所述供电电源VDD分别与所述第一运放和第二运放电连接，所述电容C1和C2并联连接，且分别与所述VDD和第一运放电连接，所述电容C3和C4并联连接，且分别与所述VDD和第二运放电连接。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，其特征在于，所述充电控制驱动电路还包括三极管T1、T2、T5、二极管D3、电阻R9、R10、R11、R18、R19、R20以及充电控制MOS管Q2，所述GP_CO输入端与所述R9连接，所述CO_CP输入端与所述R10连接，所述T1分别与T2的一端以及R9和R19连接，所述T2的另两端分别与R10以及大地连接，所述R19依次与所述T5、D3以及充电控制MOS管Q2连接，所述R20的两端分别与T5连接。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，其特征在于，所述放电控制驱动电路包括三极管T3、T4、电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17以及放电控制MOS管Q1，所述所述T3分别与所述DO_CP输入端、R13以及R15连接，所述R13与所述GP_DO输入端连接，所述T4分别与所述R14、R15以及R16连接，所述放电控制MOS管Q1与所述R16连接，所述R17与所述放电控制MOS管Q1并联连接。

6.根据权利要求4所述的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，其特征在于，所述充电控制驱动电路还包括内部寄生二极管D2，所述内部寄生二极管D2的两端与所述充电控制MOS管Q2并联连接。

7.根据权利要求5所述的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，其特征在于，所述放电控制驱动电路还包括内部寄生二极管D1，所述内部寄生二极管D1的两端与所述放电控制MOS管Q1并联连接。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池充放电硬件二次防护电路，其特征在于，所述逻辑控制电路还包括分流器FL1，所述分流器FL1的两端分别与电池组的负极和充电机的负极电连接。