CN112186857A - 串联电池保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种串联电池保护电路，包括：串联于电池组正极和负极之间的若干级电池模组，均包括单节电池、保护开关及单节电池保护模块；单节电池与保护开关串联，单节电池保护模块产生关断信号，并基于关断信号对当前电池模组进行保护；关断信号电平位移模块，将任一级电池模组的关断信号传递给其他各级电池模组；电压瞬变抑制模块，连接于电池组正极和负极之间，用于吸收毛刺电压，并减缓电池组正极和负极之间总电压的变化速度。本发明可靠实现基于较低耐压充放电开关器件保护较高电压串联电池的功能，既保护了串联电池整体，又保护了每节串联电池，安全性能高，成本低。

Description

串联电池保护电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种串联电池保护电路。

背景技术

随着节能减排，环保出行的大力推行，新能源汽车成为了大方向大趋势，全球都在致力于更加清洁环保的汽车研发，锂离子动力电池得到了前所未有的大发展。但，锂离子电池与生俱来的脆弱性给锂离子动力电池汽车带来了隐患，如何能实现更好地保护锂离子动力电池成为了若干工程师长期奋斗的目标。然而时至今日，串联锂离子电池或电池组保护进展不多，在成本和保护性能的提升上取折中，没有实质性的突破。

现有技术中提出一种串联电池保护方案一，如图1所示，包括n级串联的电池，各电池分别串联一保护开关器件(S1、S2……Sn)，且每节电池自身都有自己的带有保护开关器件的单节电池保护模块。串联电池中若单节电池关断，关断的保护开关两侧的电压将承受来自于串联电池总输入输出的全部变动电压，要确保安全，每个保护开关器件必须选用能承受串联电池总输入输出电压的高耐压开关器件。假设13个三元锂电串联电池正常输出为48V，一旦发生短路时，串联在电池组里的某节电池保护开关器件先关断(由于芯片内置保护延迟时间的必然存在差异性，短路时串于电池中的每节电池的保护开关器件不会全部自动关断，较大几率是某个开关单独关断)，基于电池两端电压不变的基本原理，断开的那个保护开关器件接高电压电池负端的节点会变负(定义电池负极端PK-为地电平)，而接低电压电池正端的节点会变正，保护开关器件两端的压差将变为整个串联电池的输出电压，即此时保护开关器件两端的压差便是48V。出于耐压需求，每个串联电池的自身保护开关器件都将采用耐压超过48V的开关器件，如80V乃至100V耐压开关器件，且由于要串联十余个乃至数十个开关器件，80V乃至100V耐压开关器件的内阻还必须小(甚至小于10毫欧)，以保证串联数十个后，内阻不至于太大。这样会导致电路中工作在48V的十余个乃至数十个保护开关器件累计成本非常高。另外，若要每节电池实现精准电流(+/-10％精度)保护，还需在每节串联电池中加入高精度大功率电流采样电阻(Rsns1、Rsns2……Rsnsn)，如是400V/500A应用，则每节电池需要并联数十个高精度大功率电流采样电阻，合计100节电池，则需要数千个该高精度大功率电流采样电阻；而单颗高精度大功率电流采样电阻当下成本通常为近0.5元人民币，数千个高精度大功率电流采样电阻合计成本异常高，达到数千元。

为避免以上每节电池配一高压低阻抗开关器件导致成本过高，现在通常做法是串联电池的每节电池自身不再有开关器件，每节电池也不再有自身单独的保护模块，退而求其次地在每节串联电池上使用热敏电阻(如：特斯拉)做粗略保护，或者干脆每节电池自身不再有任何保护，而是做统一合并保护。如图2所示，现有技术中提出的串联电池保护方案二在串联电池的负极端P-加一充电开关管S1和一放电开关管S2，异常时关断放电开关管S2和充电开关管S1进行保护，当某节电池充电过压或放电欠压时，该保护信号，经邻近的芯片一级一级传到与充电开关管S1、放电开关管S2直接相连的芯片，由这颗芯片去执行关断。以上方案放弃了每节串联电池的自身保护，避免使用数量众多的高压开关管，可大大降低成本。但是，本方案串联的若干电池之间发生短路大电流泄放(比如意外撞击导致金属导体短路在一节电池或多节串联电池的正负端，如图2所示)时，没有任何保护能力，即便关断了充电开关管S1和放电开关管S2也没有任何阻止大电流泄放的作用。另外，本方案限制了串联电池均衡电路的应用，每个串联电池放弃了其自身精准的电流保护，使得无法在电池之间进行如：2.0A或更大电流均衡电路的应用。因为一旦有稍大电流均衡电路的应用，就需要每个电池自身带有精准过流保护，以避免均衡电路失效引起的过流或短路给相关电池带来的损伤；同时，相关均衡电路连接线的异常短路都会需要每节串联电池有其自身精准的过流保护电路模块。而现有串联电池主流方案无法实时进行均衡，导致串联电池组返修频率过快，已是电池行业现在迫切需要解决的痛点。

综合以上两种方案分析，方案二有天生缺陷难以轻易弥补，但成本低；而方案一保护功能全，但使用若干低阻抗高压充放电开关器件，成本太高。因此，如何在确保串联电池的保护功能齐全的同时降低成本，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

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串联电池保护电路，用于解决现有技术中串联电池的保护功能与成本不能兼顾的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种串联电池保护电路，所述串联电池保护电路至少包括：

串联于电池组正极和电池组负极之间的若干级电池模组，关断信号电平位移模块及电压瞬变抑制模块；

各级电池模组均包括单节电池、保护开关及单节电池保护模块；所述单节电池与所述保护开关串联，所述单节电池保护模块基于当前电池模组的检测信号或所述关断信号电平位移模块的输出信号产生关断信号，并基于所述关断信号控制所述保护开关以对当前电池模组进行保护；

所述关断信号电平位移模块连接各级电池模组，用于将任一级电池模组的关断信号传递给其他各级电池模组，以使各级电池模组采取保护操作；

所述电压瞬变抑制模块连接于所述电池组正极和所述电池组负极之间，用于吸收毛刺电压，并减缓所述电池组正极和所述电池组负极之间总电压的变化速度。

可选地，所述单节电池保护模块包括检测单元及逻辑处理单元；所述检测单元接收检测信号并产生相应的保护信号；所述逻辑处理单元连接所述检测单元及所述关断信号电平位移模块的输出端，基于所述保护信号或其他级电池模组的关断信号产生当前级电池模组的关断信号。

更可选地，所述检测单元包括欠压检测子单元、过压检测子单元、过温检测子单元、放电过流检测子单元、充电过流检测子单元中的一个或多个组合。

可选地，各电池模组还包括并联在所述单节电池与所述保护开关的串联结构两端的旁路二极管；所述旁路二极管的阳极连接所述保护开关，阴极连接所述单节电池。

可选地，各电池模组还包括并联在所述保护开关两端的分压电阻。

可选地，各电池模组还包括旁路电容，所述旁路电容并联在所述保护开关的两端，或所述旁路电容并联在所述单节电池与所述保护开关的串联结构两端。

可选地，所述关断信号电平位移模块包括第一电阻，第二电阻，达林顿电流放大器及与各电池模组一一对应的晶体管；各晶体管的第一端连接对应电池模组中单节电池的正极，第二端经由所述第一电阻连接所述电池组负极，控制端连接对应电池模组的关断信号；所述达林顿电流放大器的第一端连接对应电池模组并经由所述第二电阻连接所述电池组正极，第二端连接所述电池组负极，控制端连接各晶体管的第二端；其中，各晶体管为PNP三极管或PMOS管。

更可选地，所述关断信号电平位移模块还包括与各电池模组一一对应的限压单元，各限压单元均包括限流电阻及齐纳二极管；所述限流电阻的第一端连接所述达林顿电流放大器的第一端，第二端连接对应电池模组；所述齐纳二极管的阴极连接所述限流电阻的第二端，阳极连接对应电池模组中单节电池的负极。

更可选地，各晶体管的第一端及控制端分别经由一电阻连接对应端口。

更可选地，所述达林顿电流放大器替换为NPN三极管或NMOS管

可选地，所述电压瞬变抑制模块包括电容，或电容和电阻的串并联结构，或者电容和电感的串并联结构。

更可选地，所述保护开关替换为串联的放电开关及充电开关；所述关断信号电平位移模块替换为并联的放电关断信号电平位移模块及充电关断信号电平位移模块，所述放电关断信号电平位移模块接收任一级电池模组中所述放电开关的关断信号并传递给其他各级电池模组，所述充电关断信号电平位移模块接收任一级电池模组中所述充电开关的关断信号并传递给其他各级电池模组。

更可选地，各保护开关、放电开关及充电开关均包括多个并联的开关。

如上所述，本发明的串联电池保护电路，具有以下有益效果：

本发明的串联电池保护电路采用较低耐压充放电开关器件实现对较高电压串联电池的保护，既能保护串联电池整体，又能保护每节串联电池，同时，解决了串联电池间短路不能保护的问题，安全性能高；此外，本发明的串联电池保护电路采用低耐压的开关器件，成本大大降低。

附图说明

图1显示为现有技术中的串联电池保护方案一的电路结构示意图。

图2显示为现有技术中的串联电池保护方案二的电路结构示意图。

图3显示为本发明的串联电池保护电路的一种结构示意图。

图4显示为本发明的串联电池保护电路的另一种结构示意图。

图5显示为本发明的串联电池保护电路的又一种结构示意图。

图6显示为本发明的串联电池保护电路的再一种结构示意图。

元件标号说明

11～1n 第一～第n级电池模组

111～1n1 第一～第n单节电池保护模块

111a 检测单元

111b 逻辑处理单元

2 关断信号电平位移模块

2a 放电关断信号电平位移模块

2b 充电关断信号电平位移模块

21 达林顿电流放大器

221～22n 第一～第n限压单元

3 电压瞬变抑制模块

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3～图6。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。

实施例一

如图3所示，本实施例提供一种串联电池保护电路，所述串联电池保护电路包括：

若干级电池模组，关断信号电平位移模块2及电压瞬变抑制模块3。

图3所示，各级电池模组串联于电池组正极PK+和电池组负极PK-之间。

具体地，在本实施例中，包括n级电池模组(n为大于等于2的自然数，在实际使用中，所述电池模组的数量不小于2级)，分别记为第一级电池模组11、第二级电池模12…第n级电池模1n，各级电池模组依次串联。所述第一级电池模组11包括第一单节电池Bat1、第一保护开关K1及第一单节电池保护模块111。

更具体地，所述第一单节电池Bat1与所述第一保护开关K1串联；作为示例，所述第一单节电池Bat1的正极B1+作为所述第一级电池模组11的正极PK1+，所述第一保护开关K1的第一端连接于所述第一单节电池Bat1的负极B1-，所述第一保护开关K1的第二端作为所述第一级电池模组11的负极PK1-并连接所述电池组负极PK-。

更具体地，所述第一单节电池保护模块111基于所述第一级电池模组11的检测信号或所述关断信号电平位移模块2的输出信号产生第一关断信号，并基于所述第一关断信号控制所述第一保护开关K1关断或导通，以对所述第一电池模组11进行保护。作为示例，所述第一单节电池保护模块111包括检测单元111a及逻辑处理单元111b。所述检测单元111a接收检测信号并产生相应的保护信号，所述检测单元111a包括但不限于欠压检测子单元CMP1、过压检测子单元CMP2、过温检测子单元OT、过放电流检测子单元CMP3及过充电流检测子单元CMP4中的一个或多个组合；在本实施例中，所述欠压检测子单元CMP1连接所述第一单节电池Bat1的正极B1+，将所述第一单节电池Bat1的正极电压与第一参考电压Vref1进行比较以判定所述第一单节电池Bat1是否欠压，并输出相应的欠压保护信号；所述过压检测子单元CMP2连接所述第一单节电池Bat1的正极B1+，将所述第一单节电池Bat1的正极电压与第二参考电压Vref2进行比较以判定所述第一单节电池Bat1是否过压，并输出相应的过压保护信号；所述过温检测子单元OT基于内部温度检测器件判定所述第一单节电池Bat1是否过温，并输出相应的过温保护信号；所述过放电流检测子单元CMP3连接所述第一单节电池Bat1的负极B1-，将所述第一单节电池Bat1的负极电流转变为感应电压与第三参考电压Vref3进行比较以判定所述第一单节电池Bat1是否放电电流过大，并输出相应的过流放电保护信号；所述过充电流检测子单元CMP4连接所述第一保护开关K1的第二端，将所述第一保护开关K1第二端电流转变为感应电压与第四参考电压Vref4进行比较以判定所述第一单节电池Bat1是否充电电流过大，并输出相应的过流充电保护信号。所述逻辑处理单元111b连接所述检测单元111a及所述关断信号电平位移模块2的输出端，基于各保护信号或其他级电池模组的关断信号产生所述第一级电池模组11的关断信号(第一关断信号)。

需要说明的是，所述检测单元111a中检测子单元的数量、类型及连接关系可基于实际需要进行设置，不以本实施例为限。所述第二级电池模组12的负极PK2-连接所述第一级电池模组11的正极PK1+，包括第二单节电池Bat2、第二保护开关K2及第二单节电池保护模块121。依次类推，所述第n级电池模组1n的负极PKn-连接前级的正极，所述第n级电池模组1n的正极PKn+连接所述电池组正极PK+，包括第n单节电池Batn、第n保护开关Kn及第n单节电池保护模块1n1。本实施例仅以所述第一级电池模组11为例做具体说明，各级电池模组的结构及原理相同，在此不一一赘述。

需要说明的是，本实施例的过放电流检测子单元CMP3及过充电流检测子单元CMP4采用申请人已授权的中国专利“一种充放电过流保护电路”(申请号201921942910.6)实现，无需添加高精度大功率电流采样电阻便可实现各单节电池自身的高精度充放电过流保护，大大节约了成本，从而进一步使本发明在接近现有方案成本的条件下，实现串联电池保护的优化和保护性能大幅提升，既保护了串联电池整体，又保护了每节电池。

如图3所示，所述关断信号电平位移模块2连接各级电池模组，用于将任一级电池模组的关断信号传递给其他各级电池模组，以使各级电池模组采取保护操作。

具体地，在本实施例中，所述关断信号电平位移模块2包括第一电阻R_1，第二电阻R_2，达林顿电流放大器21及与各电池模组一一对应的晶体管(第一晶体管Q1、第二晶体管Q2…第n晶体管Qn)。作为示例，各晶体管采用PNP三极管，在实际使用中，控制端接收低电平时导通的晶体管均适用于本发明，包括但不限于三极管、MOS管，在此不一一赘述；所述第一晶体管Q1的集电极经由所述第一电阻R_1连接所述电池组负极PK-，基极连接所述第一关断信号，发射极连接所述第一单节电池Bat1的正极B1+；同理，所述第二晶体管Q1…所述第n晶体管Qn的集电极经由所述第一电阻R_1连接所述电池组负极PK-，基极分别连接对应级电池模组的关断信号，发射极分别连接对应单节电池的正极。所述达林顿电流放大器21的第一端连接对应电池模组，并经由所述第二电阻R_2连接所述电池组正极PK+，第二端连接所述电池组负极PK-，控制端连接各晶体管的第二端；作为示例，所述达林顿电流放大器21包括第一NPN三极管Q11及第二NPN三极管Q12，所述第一NPN三极管Q11的集电极与所述第二NPN三极管Q12的集电极相连并作为所述达林顿电流放大器21的第一端，所述第一NPN三极管Q11的基极作为所述达林顿电流放大器21的控制端，所述第一NPN三极管Q11的发射极连接所述第二NPN三极管Q12的基极，所述第二NPN三极管Q12的发射极连接所述电池组负极PK-。

作为本发明的另一种实现方式，各晶体管的第一端及控制端分别经由一电阻连接对应端口。在本实施例中，所述第一晶体管Q1的基极经由电阻R11连接所述第一级电池模组11的关断信号，发射极经由电阻R12连接所述第一单节电池Bat1的正极B1+；所述第二晶体管Q2的基极经由电阻R21连接所述第二级电池模组12的关断信号，发射极经由电阻R22连接所述第二单节电池Bat2的正极B2+；所述第n晶体管Qn的基极经由电阻Rn1连接所述第n级电池模组1n的关断信号，发射极经由电阻Rn2连接所述第n单节电池Batn的正极Bn+。

作为本发明的又一种实现方式，所述关断信号电平位移模块2还包括与各电池模组一一对应的限压单元，分别记为第一限压单元221、第二限压单元222…第n限压单元22n。所述第一限压单元221包括第一限流电阻RL1及第一齐纳二极管ZD1，所述第一限流电阻RL1的第一端连接所述达林顿电流放大器21的第一端，第二端连接所述第一级电池模组11的逻辑处理单元111b；所述第一齐纳二极管ZD1的阴极连接所述第一限流电阻RL1的第二端，阳极连接所述第一单节电池Bat1的负极B1-。所述第二限压单元222包括第二限流电阻RL2及第二齐纳二极管ZD2，连接于所述第二级电池模12与所述达林顿电流放大器21的第一端之间；依次类推，所述第n限压单元22n包括第n限流电阻RLn及第n齐纳二极管ZDn，连接于所述第n级电池模1n与所述达林顿电流放大器21的第一端之间；本实施例仅以所述第一限压单元221为例做具体说明，各级限压单元的结构及原理相同，在此不一一赘述。

具体地，若串联电池中某节电池发生异常，则对应单节电池保护模块输出关断信号(通常由高电平变为低电平)以关断其保护开关，同时所述关断信号电平位移模块2中对应晶体管的基极电平被拉低，该晶体管导通，电流由该晶体管的发射极流入，经集电极流出到第一电阻R_1，当第一电阻R_1上的电压高于Vbe_Q11+Vbe_Q12(作为示例约为1.4V)时，达林顿电流放大器21由关断变为导通，将达林顿电流放大器21第一端(第一NPN三极管Q11及第二NPN三极管Q12的集电极)电压拉低(低至0.5V或更低)，其他单节电池保护模块的强制关断输入引脚(所述达林顿电流放大器21与对应逻辑处理单元的连接端口)由正常高电平变为低电平，并对应产生其他各保护开关的关断信号，进而保护串联的各级电池模组。

同时，为了嵌制所述关断信号电平位移模块2输出到各级电池模组的电压相较于所处电池的电压不要过高和过低，使用限流电阻和齐纳二极管(作为示例，采用5V齐纳二极管)来实现电压限制，最高输入电压限制为VBn+5V(对应单节电池的负端电压VBn加上+5V)，最低输入电压限制为VBn-0.7V(对应单节电池的负端电压VBn减去0.7V，若为第一节电池则最低输入电压限制为0伏)；限流电阻限制流经嵌位齐纳二极管的电流，以400V电池应用为例，若发生异常，达林顿电流放大器21第一端的电压拉低到0.5V或更低，串联电池中最高级(第n级)单节电池的负端电压为396V(单节电池电压4.0V)，所述第n限压单元22n中第n限流电阻RLn两端压差为396V-0.7V(齐纳二极管正向导通电压0.7V)＝395.3V。为避免异常关断时电池自身放电电流过大，要求第n限流电阻RLn的阻值应足够大，在本实施例中选用10兆欧姆。当第n限流电阻RLn为10兆欧姆时，395.3V除以10兆欧姆＝39.5μA；即电池异常时，处于关断状态下，串联电池最高电压电池的此处自放电为39.5μA。

需要说明的是，本实施例中，所述关断信号电平位移模块2采用三极管、电阻、齐纳二极管等低成本器件构成，可大大减小成本。

如图3所示，所述电压瞬变抑制模块3连接于所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间，用于吸收毛刺电压，并减缓所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间总电压的变化速度。

具体地，实际应用中，所有保护开关要关断，这中间存在时延，同时，关断信号电平位移模块2也存在数百纳秒乃至微秒级的时延。所述电压瞬变抑制模块3可为所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间提供稳定的总电压，避免时延期间大电流(如200A)在已关断的串联开关两侧产生巨大压差，辅助实现每个已关断的保护开关两侧电压不突变，且在第一个保护开关关断到最后一个保护开关关断的时间段中，电压瞬变抑制模块3的电压上升幅度小于开关器件耐压值与单节电池电压值的电压差值。所述电压瞬变抑制模块3给串联于所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间的所有保护开关提供更多的时间实现全部关断，为串联于所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间的所有器件均分串联电池的总电压(所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间的电压)提供平缓的电压环境。

具体地，在本实施例中，所述电压瞬变抑制模块3包括电容C，所述电容C的一端连接所述电池组正极PK+，另一端连接所述电池组负极PK-。在实际使用中，所述电压瞬变抑制模块3包括但不限于电容和电阻的串并联结构，电容和电感的串并联结构，不限于本实施例列举的电路结构，任意可吸收毛刺电压并减缓所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间总电压的变化速度的电路结构均适用本发明。

本实施例的串联电池保护电路的工作原理如下：

充电时，若某一节电池检测到异常，该节电池对应的单节电池保护模块在关断该节电池的保护开关的同时，经关断信号电平位移模块2将关断信号传送给其他所有串联电池，并将其他串联电池的保护开关关断。此时串联电池的所有保护开关处于关断状态，在电压瞬变抑制模块3的作用下，该串联电池的总的输入充电电压不会瞬变，总的输入充电电压将分配在每个串联电池和其处于关断状态的保护开关上；电压分配后，此时保护开关的耐压要求被大大降低，可以使用耐压较低的开关器件。若每节串联电池电压内阻等属性完全相同，且串联的保护开关属性也完全相同，总的输入充电电压将均分在每个串联电池和其处于关断状态的保护开关上。

放电时，若某一节电池检测到异常，该节电池对应的单节电池保护模块在关断该节电池的保护开关的同时，经关断信号电平位移模块2将关断信号传送给其他所有串联电池，并将其他串联电池的保护开关关断。此时串联电池的所有保护开关处于关断状态，在电压瞬变抑制模块3的作用下，该串联电池的总的输出电压不会瞬变，总的输出充电电压将分配在每个串联电池和其处于关断状态的保护开关上，直至该串联电池的总的输出电压衰减为零；电压分配后，此时保护开关的耐压要求被大大缩小，可以使用耐压较低的开关器件。若每节串联电池电压内阻等属性完全相同，且串联的充电开关属性也完全相同，总的输出充电电压将均分在每个串联电池和其处于关断状态的保护开关上。

实施例二

如图4所示，本实施例提供一种串联电池保护电路，与实施例一的不同之处在于，各电池模组还包括旁路二极管、分压电阻及旁路电容。

作为本发明的一种实现方式，各电池模组还包括并联在所述单节电池与所述保护开关的串联结构两端的旁路二极管，以提升瞬间电流突变的安全冗余性。具体地，如图4所示，第一旁路二极管D1并联在所述第一单节电池Bat1与所述第一保护开关K1的串联结构两端，所述第一旁路二极管D1的阳极连接所述第一保护开关K1的第二端，阴极连接所述第一单节电池Bat1的正极B1+；同理，第二旁路二极管D2的阳极连接所述第二保护开关K2的第二端，阴极连接所述第二单节电池Bat2的正极B2+；以此类推，第n旁路二极管Dn的阳极连接所述第n保护开关Kn的第二端，阴极连接所述第n单节电池Batn的正极Bn+。

具体地，各旁路二极管用于实现对应保护开关关断后的续流放电，从而降低对每节电池的保护开关的耐压要求；同时，未发生异常的电池可选择继续供电，也可选择关断保护开关。放电时，若某一节电池检测到异常，该节电池的单节电池保护模块将关断该节电池的保护开关，此时串联环路由于有了并联在相邻两个电池正端的二极管，放电电流不再经过该节已关断的电池和保护开关，而是经过此并联在两个相邻电池正端的二极管，由于此二极管的旁路作用，关断的保护开关两端电压变动将小于该单节电池电压与旁路二极管正向导通电压的和(选择合适电流的二极管，在低成本条件下便能保证小于10V)，因此耐压要求大大降低；即，每个串联电池增加一并联在相邻两个串联电池正端的二极管后，可以使用耐压较低的开关器件用于每节串联电池的放电开关；并联在相邻两个电池正端的二极管须选择适合于应用电路实际电流大小要求的二极管，在此不一一赘述。

作为本发明的另一种实现方式，各电池模组还包括并联在所述保护开关两端的分压电阻。具体地，如图4所示，第一分压电阻R1并联在所述第一保护开关K1的两端，第二分压电阻R2并联在所述第二保护开关K2的两端，第n分压电阻Rn并联在所述第n保护开关Kn的两端。

具体地，各分压电阻使所有保护开关处于关断状态下时，能更好地实现均分串联电池的总输入输出电压到每节电池和每个保护开关上，避免浮空节点产生，所述分压电阻的大小由串联电池自放电电流大小要求来决定，在此不一一赘述。

作为本发明的又一种实现方式，各电池模组还包括旁路电容，用于抑制两个电池或两个电池组之间较长的金属连线形成的寄生电感带来的感应电动势导致该节电池的保护开关在关断时产生巨大压差。作为示例，各旁路电容并联在所述保护开关的两端，如图4所示，第一旁路电容C1并联在所述第一保护开关K1的两端，第二旁路电容C2并联在所述第二保护开关k2的两端，第n旁路电容Cn并联在所述第n保护开关Kn的两端。作为另一示例，所述旁路电容并联在所述单节电池与所述保护开关的串联结构两端，即各旁路电容并联在对应旁路二极管的两端，在此不一一赘述。在本实施例中，各旁路电容采用1μF～10μF的瓷片电容，在实际使用中可基于实际设计需要选择不同容量及类型的电容，不以本实施例为限。

实施例三

如图5所示，本实施例提供一种串联电池保护电路，与实施例二的不同之处在于，所述保护开关替换为串联的放电开关及充电开关，对应地，放电开关的关断信号有自己独立的放电关断信号电平位移模块2a，充电开关的关断信号也有自己独立的充电关断信号电平位移模块2b。

具体地，所述第一级电池模组11中第一充电开关K1a及第一放电开关K1b串联后连接于所述第一单节电池Bat1的负极B1-，所述第一充电开关K1a与所述第一放电开关K1b的位置可互换，不以本实施例为限。所述第二级电池模组12中第二充电开关K2a及第二放电开关K2b替换所述第二保护开关K2，所述第n级电池模组1n中第n充电开关Kna及第n放电开关Knb替换所述第n保护开关Kn。且各关断信号经由一驱动级传输至各开关的控制端。

具体地，对应地，各充电开关的关断信号传输至充电关断信号电平位移模块2b，并基于所述充电关断信号电平位移模块2b传输至其它级电池模组；各放电开关的关断信号传输至放电关断信号电平位移模块2a，并基于所述放电关断信号电平位移模块2a传输至其它级电池模组；所述放电关断信号电平位移模块2a及所述充电关断信号电平位移模块2b的电路结构与所述关断信号电平位移模块2相同(所述放电关断信号电平位移模块2a及所述充电关断信号电平位移模块2b中各器件标号与所述关断信号电平位移模块2一一对应，通过后缀a、b进行区分)，在此不一一赘述。

作为本发明的另一种实现方式，所述达林顿电流放大器21替换为NPN三极管，如图5所示，所述NPN三极管的发射极连接所述电池组负极PK-，基极连接各晶体管的第二端，集电极连接对应电池模组并经由所述第二电阻(R_2、R_2a或R_2b)连接所述电池组正极PK+。

实施例四

如图6所示，本实施例提供一种串联电池保护电路，与实施例三的不同之处在于，三极管替换为MOS管。具体地，将各PNP三极管替换为PMOS管，将各NPN三极管替换为NMOS管，具体连接关系在此不一一赘述。

需要说明的是，作为示例，本发明所述的各保护开关、放电开关及充电开关均包括多个并联的开关，并联开关的数量基于流过的电流进行设置，在此不一一赘述。

基于串联电路中若有n个相同的串联器件，每个串联器件两端的电压将是整个串联电路电压的1/n的基本串联电路分压原理，本发明为每个串联电池配备相同的单节电池保护模块及保护开关，当某节电池发生异常保护，在关断该节电池保护开关的同时，该关断信号经关断信号电平位移模块2传送给其他串联电池，并将其他串联电池的保护开关立即关断。此时，串联电池中所有开关处于关断状态，根据串联电路分压原理，n个串联电池的总电压将分配在由串联的单节电池和其处于关断状态的保护开关构成的n个相同单元上，每个该相同单元的两侧电压为串联电池总电压的1/n。举例说明，如100节三元锂离子串联电池合计370V到420V电压输出，全部开关关断后，此时合计有100个相同单元，单个单元分配到的电压为420V÷100＝4.2V。考虑实际应用中，420V应用往往有420V感应电动势产生，即合计420+420＝840V电压产生，此时均分在100个相同单元上的电压为：840÷100＝8.4V。考虑单节电池的电压波动最大是从0V到4.5V，即保护开关的工作电压在8.4V，再叠加50％以上的耐压安全冗余量，单节电池的保护开关的耐压值设定为13V即可，远小于现有方案一的开关器件耐压值。以上基于所有保护开关能同时关断的情况，分析表明13V耐压充放电开关器件使用在每节串联电池中，便可实现对高达420V的锂离子串联电池的保护。实际应用中，关断信号电平位移模块2存在数百纳秒乃至数微秒的时间延迟差异，才能将所有开关关断，以及大电流关断会带来毛刺电压会影响保护的可靠性。

为避免关断信号电平位移模块2存在的时延差异在大电流应用时造成某节电池的保护开关两侧的巨大压差，在所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间接一高压大电容(电压瞬变抑制模块3)，以抑制大至数百安培短路电流带来的瞬间电压变化。根据保护开关耐压值，高压大电容的电容值大小推算如下：假设应用电路电流极限充放电电流或者极限短路电流瞬间由1A增加到500A，关断信号电平位移模块2时延时间差异为2μs，每节电池保护模块的保护开关耐压值为13V，单节电池电压为4.2V，根据公式ΔI*t＝C*ΔV则此高压大电容的容值C＝ΔI*t/ΔV＝(500A-1A)*2us/(13V-4.2V)＝113.4μF。考虑电容值随环境温度引起的波动以及长时间使用会衰减等因素，预留100％冗余量计算，该高压大电容选值为220μF。当然，也可选用其他器件实现本发明抑制电压瞬变的功能，仍属于本专利权利范围。

在所述电池组正极PK+和所述电池组负极PK-之间并接220μF大电容，只要在2μs的时间差异内，使所有串联电池上的开关器件处于关断状态，由100个13V耐压开关保护器件(包括保护开关或串联的放电开关和充电开关)与单节电池构成相同单元串联后，便能实现400V高电压串联电池的保护。

综上所述，本发明提供一种串联电池保护电路，包括：串联于电池组正极和电池组负极之间的若干级电池模组，关断信号电平位移模块及电压瞬变抑制模块；各级电池模组均包括单节电池、保护开关及单节电池保护模块；所述单节电池与所述保护开关串联，所述单节电池保护模块基于当前电池模组的检测信号或所述关断信号电平位移模块的输出信号产生关断信号，并基于所述关断信号控制所述保护开关以对当前电池模组进行保护；所述关断信号电平位移模块连接各级电池模组，用于将任一级电池模组的关断信号传递给其他各级电池模组，以使各级电池模组采取保护操作；所述电压瞬变抑制模块连接于所述电池组正极和所述电池组负极之间，用于吸收毛刺电压，并减缓所述电池组正极和所述电池组负极之间总电压的变化速度。本发明可靠实现基于较低耐压充放电开关器件保护较高电压串联电池的功能，且在与现有方案成本接近的条件下，本发明既保护了串联电池(或串联电池组)整体，又保护了每节串联电池(或每节串联电池组)，相比现有方案增加了保护功能，大幅提升了串联电池(或串联电池组)的安全性能。同时，解决了现有主流保护方案中串联电池间短路不能保护的问题。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 (13)

1.一种串联电池保护电路，其特征在于，所述串联电池保护电路至少包括：

串联于电池组正极和电池组负极之间的若干级电池模组，关断信号电平位移模块及电压瞬变抑制模块；

各级电池模组均包括单节电池、保护开关及单节电池保护模块；所述单节电池与所述保护开关串联，所述单节电池保护模块基于当前电池模组的检测信号或所述关断信号电平位移模块的输出信号产生关断信号，并基于所述关断信号控制所述保护开关以对当前电池模组进行保护；

所述关断信号电平位移模块连接各级电池模组，用于将任一级电池模组的关断信号传递给其他各级电池模组，以使各级电池模组采取保护操作；

所述电压瞬变抑制模块连接于所述电池组正极和所述电池组负极之间，用于吸收毛刺电压，并减缓所述电池组正极和所述电池组负极之间总电压的变化速度。

2.根据权利要求1所述的串联电池保护电路，其特征在于：所述单节电池保护模块包括检测单元及逻辑处理单元；所述检测单元接收检测信号并产生相应的保护信号；所述逻辑处理单元连接所述检测单元及所述关断信号电平位移模块的输出端，基于所述保护信号或其他级电池模组的关断信号产生当前级电池模组的关断信号。

3.根据权利要求2所述的串联电池保护电路，其特征在于：所述检测单元包括欠压检测子单元、过压检测子单元、过温检测子单元、放电过流检测子单元、充电过流检测子单元中的一个或多个组合。

4.根据权利要求1所述的串联电池保护电路，其特征在于：各电池模组还包括并联在所述单节电池与所述保护开关的串联结构两端的旁路二极管；所述旁路二极管的阳极连接所述保护开关，阴极连接所述单节电池。

5.根据权利要求1所述的串联电池保护电路，其特征在于：各电池模组还包括并联在所述保护开关两端的分压电阻。

6.根据权利要求1所述的串联电池保护电路，其特征在于：各电池模组还包括旁路电容，所述旁路电容并联在所述保护开关的两端，或所述旁路电容并联在所述单节电池与所述保护开关的串联结构两端。

7.根据权利要求1所述的串联电池保护电路，其特征在于：所述关断信号电平位移模块包括第一电阻，第二电阻，达林顿电流放大器及与各电池模组一一对应的晶体管；各晶体管的第一端连接对应电池模组中单节电池的正极，第二端经由所述第一电阻连接所述电池组负极，控制端连接对应电池模组的关断信号；所述达林顿电流放大器的第一端连接对应电池模组并经由所述第二电阻连接所述电池组正极，第二端连接所述电池组负极，控制端连接各晶体管的第二端；其中，各晶体管为PNP三极管或PMOS管。

8.根据权利要求7所述的串联电池保护电路，其特征在于：所述关断信号电平位移模块还包括与各电池模组一一对应的限压单元，各限压单元均包括限流电阻及齐纳二极管；所述限流电阻的第一端连接所述达林顿电流放大器的第一端，第二端连接对应电池模组；所述齐纳二极管的阴极连接所述限流电阻的第二端，阳极连接对应电池模组中单节电池的负极。

9.根据权利要求7所述的串联电池保护电路，其特征在于：各晶体管的第一端及控制端分别经由一电阻连接对应端口。

10.根据权利要求7所述的串联电池保护电路，其特征在于：所述达林顿电流放大器替换为NPN三极管或NMOS管。

11.根据权利要求1所述的串联电池保护电路，其特征在于：所述电压瞬变抑制模块包括电容，或电容和电阻的串并联结构，或者电容和电感的串并联结构。

12.根据权利要求1～11任意一项所述的串联电池保护电路，其特征在于：所述保护开关替换为串联的放电开关及充电开关；所述关断信号电平位移模块替换为并联的放电关断信号电平位移模块及充电关断信号电平位移模块，所述放电关断信号电平位移模块接收任一级电池模组中所述放电开关的关断信号并传递给其他各级电池模组，所述充电关断信号电平位移模块接收任一级电池模组中所述充电开关的关断信号并传递给其他各级电池模组。

13.根据权利要求12所述的串联电池保护电路，其特征在于：各保护开关、放电开关及充电开关均包括多个并联的开关。

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