CN111781506B - 一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路 - Google Patents

一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其工作原理为将该电路作为负载并联至蓄电池单体上后，电路对单体进行实时电压监测，当电池单体电压超过设定的阈值电压后，该电路系统可对电池电量进行可控的消耗，并以此控制电池单体电压。同时具备通过改变相应电阻阻值来精确地调节泄放电压阈值及电流大小的功能。另外，模块化的设计可利于其拆卸。根据该方法发明的电路使用运算放大器、比较器、三极管、MOS管、可控稳压源TL431等常规元器件。

Description

一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路
技术领域
本发明涉及一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，适用于航天用锂离子蓄电池单体电压的控制。
背景技术
随着锂离子蓄电池的技术的日益成熟，目前绝大多数航天器已经完成了锂离子蓄电池代替原本氢镍或者镉镍电池的转换，锂离子电池具有更大的能量密度，相同的能量情况下具备更低的质量，对于航天成本以及发射难易程度均有较大改善。但是锂离子电池也有自身的缺点，例如过充过放对锂离子电池寿命影响巨大，以及对于蓄电池组而言，单体电压不一致也会造成整组电池性能受极大影响。针对该问题，目前也有许多方案，但许多方案不能够根据用户自身需求进行调整，不够灵活且未实现模块化。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，解决了由于锂离子蓄电池组单体过压而影响其使用寿命的问题，起到了保护电池组并延长其使用寿命的作用。
本发明的技术解决方案是：
一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，包括：采样支路、第一基准支路、第二基准支路、电压跟随电路、差分运算电路、比较电路、第一耗电支路和第二耗电支路；
采样支路对锂电池单体进行采样，将电压信号按比例减小后送至电压跟随电路以及比较电路中处理；当电池电压低于第一阈值电压V_th时，第一基准支路的输出、采样支路的输出经过电压跟随电路后的电压信号经差分运算电路处理后送入第一耗电支路，此时第一耗电支路为关断状态；
同时第二基准支路与采样支路经过比较电路处理后输出为低电平，该低电平信号输入到第二耗电支路中，该第二耗电支路为关断状态，此时整个控制电路处于实时监测状态；
当电池电压抬升超过第一阈值电压V_th时，第一耗电支路中的三极管导通并耗电，此时第二耗电支路为关断状态，泄放电流与电池电压呈线性关系；当电池电压继续升高，达到第二阈值电压V_t时，第一耗电支路关断，第二耗电支路工作并对电池单体耗电，使电池的泄放电流大小受控并维持某一定值，即为最大耗电电流I_max，最终实现控制蓄电池组单体电压。
进一步的，该锂电池单体电压控制电路作为负载，并联于锂离子蓄电池单体两端，对锂离子蓄电池单体电压进行监控和控制。
进一步的，所述的采样支路包括两个串联在一起的电阻R1和电阻R2；其中电阻R1两端分别连接蓄电池单体正端和电阻R2，电阻R2两端分别连接蓄电池单体负端和电阻R1。
进一步的，所述的第一基准支路包括了可控稳压源TL1、可调电阻R12、电阻R11和电阻R13；其中电阻R11一端与电池单体正端相连，电阻R11另一端与可控稳压源TL1的阴极相连；可调电阻R12两端分别与可控稳压源TL1阴极和参考极相连，且与可控稳压源TL1阴极相连端为第一基准支路的输出端；电阻R13一端与可控稳压源TL1参考极相连，另一端与可控稳压源TL1阳极相接并接电池单体负端。
进一步的，所述第二基准支路包括了可控稳压源TL2、可调电阻R22、电阻R21和电阻R23；其中电阻R21一端与电池单体正端相连，另一端与可控稳压源TL2的阴极相连；可调电阻R22两端分别与可控稳压源TL2阴极和参考极相连，且与可控稳压源TL2阴极相连端为第二基准支路的输出端；电阻R23一端与可控稳压源TL2参考极相连，另一端与可控稳压源TL2阳极相接并接电池单体负端。
进一步的，所述的电压跟随电路通过运算放大器A1实现，运算放大器A1的正向输入端与采样支路的输出相接，运算放大器A1的反向输入端与自身的输出相连后，与差分运算电路的正输入端相接。
进一步的，所述的差分运算电路包括运算放大器A2、电阻R31、R32、R33、R34；其中电阻R32一端与电压跟随电路的输出相接，另一端与运算放大器A2正向输入端相接；电阻R33一端与第一基准支路的输出端相接，另一端与运算放大器A2反向输入端及相接；电阻R31一端与运算放大器A2正向输入端相接，另一端与电池负端相接；电阻R34一端与运算放大器A2反向输入端相接，另一端与运算放大器A2的输出相接作为整个差分运算电路的输出。
进一步的，所述的比较电路通过比较器实现，比较器正向输入端与采样支路的输出相接，比较器的反向输入端与第二基准支路的输出相接，比较器的输出端与第二耗电支路的输入端相接。
进一步的，所述的第一耗电支路包括可调电阻R3、晶体管Q1以及三极管T1；其中三极管T1的集电极与电池单体的正端相接，基极与差分运算电路的输出相接，发射极与可调电阻R3一端相接；可调电阻R3另一端与晶体管Q1的源极相连；晶体管Q1的栅极与比较电路的输出端相连，漏极接电池单体负端。
进一步的，第二耗电支路包括晶体管Q2和可调电阻R4；其中可调电阻R4一端与晶体管Q2的源极相连，另一端接电池单体负端；晶体管Q2的栅极与比较电路的输出相连，漏极与电池单体正端相接。
晶体管Q1为耗尽型PMOS晶体管，晶体管Q2为增强型NMOS晶体管，三极管T1为NPN型晶体管。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)现有的锂离子蓄电池单体均衡技术虽然比较成熟，但体积、重量均较大，且电路相比于本设计要更加复杂，从而带来的不可靠度也会有所增加，本发明不仅在体积及重量上有优势，可靠度也相对较高。
(2)能够较为简单地实现模块化、批量化生产，使用简单，只需将本电路模块直接并联至电池单体上即可。
附图说明
图1为本发明电路原理图；
图2为本发明实际应用方法图；
图3为本发明实际耗电电流曲线图；
图4为仿真结果图。
具体实施方式
本发明提出一种单体蓄电池电压控制电路，主要包括了采样支路、第一基准支路、第二基准支路、电压跟随电路、差分运算电路、比较电路、第一耗电支路、第二耗电支路。
采样支路对蓄电池单体进行比例转换后，产生的电压同时输入至电压跟随电路与比较电路的正向输入端。电压跟随电路的输出送入差分运算电路的输入正端，第一基准支路的输出送入差分运算电路的输入负端，差分运算电路的输出连接第一耗电支路；第二基准支路的输出连接比较电路的输入负端，比较电路的输出连接第二耗电支路。
当蓄电池单体电压低于阈值电压一(V_th)时，差分运算电路与比较电路的输出均为低电平，从而三极管T1和MOS管Q2均不导通，由于Q1为耗尽型PMOS晶体管，此时Q1虽然具有导电沟道，但由于三极管T1不导通，第一耗电支路仍不工作，同时第二耗电支路也不工作。
当单体电压达到阈值电压一(V_th)后，差分运算电路的输出增加使第一耗电支路导通并产生耗电电流，耗电电流的大小可以通过可调电阻R3来调节，若R3阻值固定，该耗电电流可以随着单体电压的增加线性增加。此时由于比较电路的输出为低电平，第二耗电支路仍不工作。
当单体电压继续抬升且超过阈值电压二(V_t)时，采样电路的输出高于第二基准电路，使得比较支路输出变为高电平，从而使Q1关断及Q2导通，因此第一耗电支路关断，第二耗电支路导通并进行耗电，同样可通过调整可调电阻R4的阻值来调节耗电电流的大小，R4阻值固定后，该耗电电流为恒定电流，即为最大耗电电流I_max。
通过该方式达到控制锂离子单体电压的目的。
如图1所示，采样支路包括两个串联在一起的电阻R1和电阻R2。其中电阻R1两端分别连接蓄电池单体正端和电阻R2，电阻R2两端分别连接蓄电池单体负端和电阻R1。
如图1所示，第一基准支路包括了可控稳压源TL431(TL1)、可调电阻R12、电阻R11和电阻R13。其中电阻R11一端与电池单体正端相连，一端与TL1的阴极相连；可调电阻R12两端分别与TL1阴极和参考极相连，且与TL1阴极相连端为第一基准支路的输出端；电阻R13一端与TL1参考极相连，另一端与TL1阳极相接并接电池单体负端。
第二基准支路包括了可控稳压源TL431(TL2)、可调电阻R22、电阻R21和电阻R23。其中电阻R21一端与电池单体正端相连，一端与TL2的阴极相连；可调电阻R22两端分别与TL2阴极和参考极相连，且与TL2阴极相连端为第二基准支路的输出端；电阻R23一端与TL2参考极相连，另一端与TL2阳极相接并接电池单体负端。
如图1所示，电压跟随电路通过运算放大器A1实现。运算放大器A1的正向输入端与采样支路的输出相接，运算放大器A1的反向输入端与自身的输出相连后，与差分运算电路的正输入端相接。
如图1所示，差分运算电路包括了运算放大器A2、电阻R31、R32、R33、R34。其中电阻R32一端与电压跟随电路输出相接，另一端与运算放大器正向输入端及R31的一端相接；电阻R33一端与第一基准支路的输出端相接，另一端与运算放大器反向输入端及R34相接；电阻R31一端与运算放大器正向输入端相接，另一端与电池负端相接；电阻R34一端与运算放大器反向输入端相接，另一端与运算放大器的输出相接作为整个差分运算电路的输出。
比较电路通过比较器实现。比较器正向输入端与采样支路的输出相接，比较器的反向输入端与第二基准支路的输出相接，比较器的输出端与第二耗电支路的输入端相接。
如图1所示，第一耗电支路包括可调电阻R3、晶体管Q1以及三极管T1。其中三极管T1的集电极与电池单体的正端相接，基极与差分运算电路的输出相接，发射极与可调电阻R3一端相接；可调电阻R3另一端与晶体管Q1的源极相连；晶体管Q1的栅极与比较电路的输出端相连，漏极接电池单体负端。
第二耗电支路包括晶体管Q2和可调电阻R4。其中可调电阻R4一端与晶体管Q2的源极相连，另一端接电池单体负端；晶体管Q2的栅极与比较电路的输出相连，漏极与电池单体正端相接。
晶体管Q1为耗尽型PMOS晶体管，晶体管Q2为增强型NMOS晶体管，晶体管T1为NPN型三极管。
对于航天用锂离子蓄电池单体电压的控制，本发明通过将电路并联至锂离子蓄电池单体上，对蓄电池单体电压的监测，当电池电压较低时基本无耗电，当单体电压超过控制值后起到控制的作用。
对电池的控制主要包括以下步骤：
(1)先由采样支路获得电池单体电压，并将该电压输入至电压跟随电路和比较电路中。如果此时电池单体的电压由于充电慢慢抬高，则进入步骤(2)；
(2)当电池电压超过阈值电压一(V_th)且尚未达到阈值电压二(V_t)时，差分电路输出与电池电压呈线性相关的耗电电流，即通过第一耗电支路进行耗电，且此时第二耗电支路关断，当单体电压继续抬升，则进入步骤(3)；
(3)随着电池电压到达阈值电压二(V_t)后，比较器输出为正，进而使得MOS管Q1关断，Q2导通，从而第二耗电支路导通产生耗电电流，此时第一耗电支路关断，且第二耗电支路的电流保持于某一设定值，即为最大耗电电流I_max。
按照上述方法，本发明蓄电池单体电压控制电路，并联于蓄电池单体两端，实际应用如图2所示，该电路主要包括了采样支路、第一基准支路、第二基准支路、电压跟随电压、差分运算电路、比较电路、第一耗电支路、第二耗电支路，如图1所示，且该电路在实际应用中产生的耗电电流值随电池单体电压值变化的曲线如图3所示。该电路使用运算放大器、比较器、三极管、MOS管、可控稳压源TL431等常规元器件，实现了实时监测及控制锂离子蓄电池单体电压功能，具备通过改变电阻阻值来精确地调节泄放电压阈值以及电流大小的功能，且不需要外接附加电源，可实现模块化应用，实用性高，使用方便。
本发明在实际应用中包括了对器件的选型、各种电阻阻值的计算等过程。下面以一个设计实例对本发明在实际应用进行说明。
现取蓄电池单体阈值电压一(V_th)为4.05V，阈值电压二(V_t)为4.20V，最大耗电电流I_max为50mA。根据该条件可知，即当蓄电池单体电压低于4.05V，没有耗电电流；当蓄电池单体电压在4.05V～4.20V时，耗电电流值与蓄电池单体电压值呈线性关系；当蓄电池单体电压高于4.20V，耗电电流维持在50mA。
对于电阻的取值，可以根据阈值电压一(V_th)、阈值电压二(V_t)来确定。以本实例为例，首先计算出各个关键电阻阻值的理论值。由计算得，将电阻R1、电阻R2的取值定为1：2，将电阻R12、电阻R13的取值定为2：25,再将电阻R22、电阻R23的取值定为3：25，且电阻R31、R32、R33、R34取值相等，耗电电流值可根据可调电阻R3、R4大小进行调整。
根据上述计算，对本实例进行仿真，仿真结果图4所示。
由图4可知，当蓄电池单体电压低于4.051V时，耗电电流可忽略不计。当蓄电池单体电压为4.051V～4.2056V时，耗电电流随着蓄电池单体电压的增加而线性增加。当蓄电池单体电压高于4.2056V时，耗电电流基本维持于50mA，且与蓄电池单体电压几乎无关。
在本实例中，主要器件包括运算放大器、比较器、MOS管、三极管、可控稳压源TL431。其中运算放大器可取LM158型低功耗双运算放大器，比较器可选J193单电源低失调双电压比较器，晶体管Q1的选型为耗尽型PMOS晶体管，晶体管Q2为增强型NMOS晶体管，三极管T1为NPN型晶体管，TL1和TL2可选择国产LT431型可调精密基准源。
综上所述，本发明一种高精度可协调的锂离子蓄电池单体控制电路，通过简单的手段即可实现对锂离子蓄电池单体电压的控制，有效地延长了蓄电池的使用寿命并提升了整组蓄电池性能。

Claims (11)

1.一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于包括：采样支路、第一基准支路、第二基准支路、电压跟随电路、差分运算电路、比较电路、第一耗电支路和第二耗电支路；
采样支路对锂电池单体进行采样，将电压信号按比例减小后送至电压跟随电路以及比较电路中处理；当电池电压低于第一阈值电压V_th时，第一基准支路的输出、采样支路的输出经过电压跟随电路后的电压信号经差分运算电路处理后送入第一耗电支路，此时第一耗电支路为关断状态；
同时第二基准支路与采样支路经过比较电路处理后输出为低电平，该低电平信号输入到第二耗电支路中，该第二耗电支路为关断状态，此时整个控制电路处于实时监测状态；
当电池电压抬升超过第一阈值电压V_th时，第一耗电支路中的三极管导通并耗电，此时第二耗电支路为关断状态，泄放电流与电池电压呈线性关系；当电池电压继续升高，达到第二阈值电压V_t时，第一耗电支路关断，第二耗电支路工作并对锂电池单体耗电，使电池的泄放电流大小受控并维持某一定值，即为最大耗电电流I_max，最终实现控制锂电池单体电压。
2.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：该锂电池单体电压控制电路作为负载，并联于锂电池单体两端，对锂电池单体电压进行监控和控制。
3.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：所述的采样支路包括两个串联在一起的电阻R1和电阻R2；其中电阻R1两端分别连接锂电池单体正端和电阻R2，电阻R2两端分别连接锂电池单体负端和电阻R1。
4.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：所述的第一基准支路包括了可控稳压源TL1、可调电阻R12、电阻R11和电阻R13；其中电阻R11一端与锂电池单体正端相连，电阻R11另一端与可控稳压源TL1的阴极相连；可调电阻R12两端分别与可控稳压源TL1阴极和参考极相连，且与可控稳压源TL1阴极相连端为第一基准支路的输出端；电阻R13一端与可控稳压源TL1参考极相连，另一端与可控稳压源TL1阳极相接并接锂电池单体负端。
5.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：所述第二基准支路包括了可控稳压源TL2、可调电阻R22、电阻R21和电阻R23；其中电阻R21一端与锂电池单体正端相连，另一端与可控稳压源TL2的阴极相连；可调电阻R22两端分别与可控稳压源TL2阴极和参考极相连，且与可控稳压源TL2阴极相连端为第二基准支路的输出端；电阻R23一端与可控稳压源TL2参考极相连，另一端与可控稳压源TL2阳极相接并接锂电池单体负端。
6.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：所述的电压跟随电路通过运算放大器A1实现，运算放大器A1的正向输入端与采样支路的输出相接，运算放大器A1的反向输入端与自身的输出相连后，与差分运算电路的正输入端相接。
7.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：所述的差分运算电路包括运算放大器A2、电阻R31、R32、R33、R34；其中电阻R32一端与电压跟随电路的输出相接，另一端与运算放大器A2正向输入端相接；电阻R33一端与第一基准支路的输出端相接，另一端与运算放大器A2反向输入端及相接；电阻R31一端与运算放大器A2正向输入端相接，另一端与锂电池单体负端相接；电阻R34一端与运算放大器A2反向输入端相接，另一端与运算放大器A2的输出相接作为整个差分运算电路的输出。
8.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：所述的比较电路通过比较器实现，比较器正向输入端与采样支路的输出相接，比较器的反向输入端与第二基准支路的输出相接，比较器的输出端与第二耗电支路的输入端相接。
9.根据权利要求1所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：所述的第一耗电支路包括可调电阻R3、晶体管Q1以及三极管T1；其中三极管T1的集电极与锂电池单体的正端相接，基极与差分运算电路的输出相接，发射极与可调电阻R3一端相接；可调电阻R3另一端与晶体管Q1的源极相连；晶体管Q1的栅极与比较电路的输出端相连，漏极接锂电池单体负端。
10.根据权利要求9所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：第二耗电支路包括晶体管Q2和可调电阻R4；其中可调电阻R4一端与晶体管Q2的源极相连，另一端接锂电池单体负端；晶体管Q2的栅极与比较电路的输出相连，漏极与锂电池单体正端相接。
11.根据权利要求10所述的一种高精度可调的锂电池单体电压控制电路，其特征在于：晶体管Q1为耗尽型PMOS晶体管，晶体管Q2为增强型NMOS晶体管，三极管T1为NPN型晶体管。
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