CN114336809A - 一种便携式的多节锂电池组管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式的多节锂电池组管理系统，包括电池组：采用多节锂离子电池串联成组作为电源；电池管理芯片：通过外围检测电路实时监测锂电池组的当前电压、充放电电流和温度信息；主电流回路：包括预充放电控制电路和充放电控制电路，所述预充放控制电路用于防止电池组过度放电或过久自放电，所述充放电控制电路为电池组提供正常的充放电通路；保护电路：包括防反接保护电路和过压保护电路；外部电压充电平衡控制电路：通过场效应管控制电池均衡，用于消除单体电池成组后在使用过程中产生的不一致性。本发明能够有效地对锂电池组进行充放电管理，并实现了对锂电池重要参数的精确监测与评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池组管理系统，尤其涉及一种便携式的多节锂电池组管理系统。
背景技术
随着当前电子技术的发展，便携式设备变得越来越普及，对供电环境的要求也越来越趋于多样化。通常来说会用电池作为备份电源，当现场工作环境无市电供电时，利用电池对设备供电。锂电池具有性能稳定，体积小，重量轻，循环寿命长，自放电率低，能量密度高等优点，相比等容量的铅酸电池，其优越的性能越来越受到用户青睐。
目前，市场上虽然有众多锂电池专用的充电器，但大都局限于固定的电池节数(多为1-4节)，或是需要多芯片级联使用，导致外围电路复杂，成本较高，不适于便携式仪器。同时，对锂电池组来说，其充电放电的条件要求比较严苛，在充放电过程中，过电流过电压都会对电池寿命产生严重影响。而随着锂电池应用的普及，对锂电池容量的计算精度要求也越来越高。传统的电量统计算法都是利用库伦计来实现，通过前端采样流入流出电池芯的差值估算剩余电量，但此算法在锂电池寿命后期受电池芯自身老化影响，故其电量会失准，用户需要定期的老化循环测试来保证计算精度。相比普通的电子设备，对高标准、高要求的医疗电子设备供电方案的设计显得更加严苛。医疗设备在通过电池供电时，要能最大程度的延长设备运行时间，并保证设备的安全性和稳定性。随着技术的更新，便携式的医疗设备不断增长。因此，提供一套便携式、充放电可控、高精度的锂电池组管理系统对锂电池应用具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种便携式的多节锂电池组管理系统，能够有效地对锂电池组进行充放电管理，并实现了对锂电池重要参数的精确监测与控制。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种便携式的多节锂电池组管理系统，包括电池组：采用多节锂离子电池串联成组作为电源；电池管理芯片：通过外围检测电路实时监测锂电池组的当前电压、充放电电流和温度信息；主电流回路：包括预充放电控制电路和充放电控制电路，所述预充放控制电路用于防止电池组过度放电或过久自放电，所述充放电控制电路为电池组提供正常的充放电通路；保护电路：包括防反接保护电路和过压保护电路；外部电压充电平衡控制电路：通过FET开关控制电池均衡，用于消除单体电池成组后在使用过程中产生的不一致性。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述电池管理芯片为BQ40z80，所述外围检测电路包括电压采样和电流检测，电压采样通过BQ40z80的引脚VC7EN连接N沟道MOS管Q10，将VC7EN引脚拉高，使得MOS管Q10导通，电压通过内置ADC进行模数转换，实时读取电压值；电流检测是通过在BQ40z80的SRN和SRP引脚之间接入一个1mΩ的检测电阻来进行，并采用集成于BQ40z80芯片内部的ADC进行库伦计数。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述BQ40z80的TS1、TS2提供热敏电阻驱动控制，用于电池和场效应管的温度检测。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述充放电控制电路的工作状态为：当充电时，该回路的电流从电池PACK+开始，经过用于控制充电和放电的场效应管和化学保险丝，然后通过锂电池组和电流采样电阻，最终回到PACK-，完成对整个锂电池组的充电；所述电池管理芯片的PACK引脚通过一个10k电阻与PACK+相连，所述电池管理芯片的SRN引脚通过RC滤波器与PACK-相连；当单节电池电压低于2.5V时，判定为电池欠压，放电回路截止；当单节电池电压高于4.2V时，充电回路立即断开防止电池过充。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述预充放电控制电路包括预充电开关MOS管Q2和预放电开关MOS管Q3，MOS管Q2通过电阻R5调节预充电电流，MOS管Q3通过电阻R6调节预放电电流；所述电池管理芯片的PDSG引脚和MOS管Q1的栅极相连控制预放电模式，将PDSG引脚置于高电平，使MOS管Q1导通，MOS管Q1的源极和电压VSS相连，MOS管Q1的漏极通过分压电阻R1和MOS管Q3的栅极相连，同时MOS管Q1的漏极还通过串联的分压电阻R1、分压电阻R2后和MOS管Q3的源极相连，所述分压电阻R1和分压电阻R2的阻值相同；当MOS管Q1导通后，使得MOS管Q3栅极电压降低为源极电压的一半，从而导通开启预放电；MOS管Q4为充电控制开关，Q4栅极由CHG引脚控制；MOS管Q5为放电控制开关，Q5栅极由DSG引脚控制；两者以漏极对接的方式串联在PACK+和电池组的正极之间，当进行充电或放电时，MOS管Q4和MOS管Q5同时导通；当充电停止时，MOS管Q4关断；当放电停止时，MOS管Q5关断。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述防反接保护电路和过压保护电路；当PACK+上出现负信号时使栅极接地的N型MOS管Q6导通，使放电MOS管Q5的栅源极短路起到保护作用。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述电池组由7节锂离子电池串联组成，前面6节电池由电池管理芯片内部集成的电压均衡模块进行控制，第7节电池由外部电压充电平衡控制电路实现电压均衡；所述外部电压充电平衡控制电路包括N型MOS管Q9和P型MOS管Q8，所述N型MOS管Q9的栅极和电池管理芯片的CB7EN引脚相连，MOS管Q9的源极和电压端VSS相连，MOS管Q9的漏极和MOS管Q8的栅极相连；当MOS管Q9导通时，使得P型MOS管Q8栅极电压为BAT7的一半，从而导通MOS管Q8，使得BAT6和BAT7相连实现电压均衡，BAT6是第六节电池的正极，BAT7是第7节电池的正极。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述锂离子电池的标称容量为3000mAh，标称电压为3.6V。
上述的便携式的多节锂电池组管理系统，其中，所述电池管理芯片通过SMBus总线与微处理器相连。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的便携式的多节锂电池组管理系统，实现锂电池重要参数的实时监测与控制，从而有效保障电池的使用寿命，同时方便用户查看锂电池的工作状态，最终能够为仪器各工作模块提供稳定、长效的供电保障。
附图说明
图1为本发明便携式的多节锂电池组管理系统方框图；
图2为本发明的电池管理芯片引脚图；
图3为本发明电池组管理系统的主回流电路原理图；
图4为本发明电池组管理系统的主回流电路图；
图5为本发明电池组管理系统的外围检测电路原理图；
图6为本发明电池组管理系统的防反接保护电路原理图；
图7为本发明电池组管理系统的过压保护电路原理图；
图8为本发明电池组管理系统的电池均衡电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明便携式的多节锂电池组管理系统方框图。
请参见图1，本发明提供的便携式的多节锂电池组管理系统，包括电池组，电池管理芯片，主电流回路，外围检测电路，保护电路，平衡控制电路等六部分。各模块组成及功能如下：
电池组：选择7节标称容量3000mAh，标称电压3.6V的锂离子电池串联成组作为电源，7节锂离子电池正极分别为BAT1、BAT2、…BAT7。
电池管理芯片：采用BQ40z80电池管理芯片通过外围检测电路能够实时监测电池组的当前电压、充放电电流、温度等信息，芯片引脚图如图2所示。
主电流回路：对电池进行充电、放电的电流回路。当充电时，该回路的电流从PACK+开始，经过用于控制充电和放电的开关FETs和化学保险丝，然后通过锂电池和电流采样电阻，最终回到PACK-；PACK+通过一个10k电阻与芯片的25号引脚PACK相连，芯片的6号引脚SRN通过RC滤波器与PACK-相连，完成对整个电池的充电过程；如图3所示。
保护电路：提供防反接保护电路，还有基于BQ7718过压保护器的过压保护电路，可防止出现过压、过流等故障。
外部电压充电平衡控制电路，通过FET开关控制电池均衡，可消除单体电池成组后在使用过程中产生的不一致性。
此外，本发明的电池管理芯片以SMBus协议通过特定的I/O口与微处理器通信，实现数据信息的交互。
本发明的电池组管理系统的主电流回路包括预充放电控制电路和充放电控制电路，其中预充放控制电路主要针对过度放电或过久自放电的锂电池，避免造成直接大电流充电对锂电池的损害以及影响电池的使用寿命；充放电控制电路提供正常的充放电通路，其工作状态为：当单节电池电压低于2.5V时，判定为电池欠压，放电回路截止；当单节电池电压高于4.2V时，充电回路立即断开防止电池过充.实现系统有效保护。
请继续参见图4，Q2、Q3为预充电、预放电开关，可通过R5、R6来调节预充电、预放电电流。Q2的栅极由28号引脚PCHG控制，通过PCHG拉高打开Q2；Q3的栅极与Q1的漏极相连。由Q1控制Q3的导通，MOS管Q1的源极和电压VSS相连，MOS管Q1的漏极通过分压电阻R1和MOS管Q3的栅极相连，同时MOS管Q1的漏极还通过串联的分压电阻R1、分压电阻R2后和MOS管Q3的源极相连，所述分压电阻R1和分压电阻R2的阻值相同。Q1又由芯片20号引脚PDSG控制，当PDSG置于高电平，使得Q1导通，此时Q3的栅极电压为源极电压的一半，因为Q3是PMOS，当Us-Ug>10V，满足导通条件，从而导致Q3导通，开启预放电。PDSG引脚(20号引脚)可控制预放电模式，将PDSG引脚置于高电平，使MOS管Q1导通，使得Q3栅极入地，状态变为导通，以此开启预放电。Q4，Q5是控制充放电的主回路开关，Q4是充电开关，Q5是放电开关。Q4栅极由29号引脚CHG控制，Q5栅极由26号引脚DSG控制，两者以漏极对接的方式串联在PACK+和电池组的正极，当进行充电或放电时，Q4和Q5同时导通；当充电停止时，Q4关断；当放电停止时，Q5关断。
本发明的电池组管理系统的外围检测电路包括电压采样和电流检测，电压采样通过引脚VC7EN连接N沟道MOS管Q10，从堆栈底部进行电压测量。将VC7EN引脚拉高，使得Q10导通，电压通过内置ADC进行模数转换，实时读取电压值。电流检测是通过在BQ40z80的SRN和SRP引脚之间接入一个1mΩ的检测电阻R66来进行，利用集成于芯片内部的ADC进行库伦计数，ADC量测检测电阻R66上的电压，除以电阻值得到电流值，并对电流和时间进行积分，即通过测量单位时间内流经的电流大小得到流经的电荷量；同时增加了库仑计接口RC滤波器，引脚SRP、SRN两端由C24、R64和C25、R65分别组成RC滤波器，用来滤除高于15kHz的噪声，在引脚之间跨接的C27，C29用于实现对100k-100MHz频率范围内噪声的滤除作用，以此减小采样信号的噪声干扰，如图5所示。另外，BQ40z80的TS1、TS2提供热敏电阻驱动控制，可用于电池、FETs的温度检测，通过软件配置检测的对象类型和模式，实现多路温度的实时监控。
本发明的电池组管理系统的系统保护电路如图6所示，当PACK+上出现一个较小的负信号，负信号会使栅极接地的N型MOS管Q6导通，使放电MOS管Q5的栅源极短路，从而起到保护作用。图7则是基于BQ7718的过压保护电路，独立监控每节电池是否有过压状态。
由于各单体锂电池内阻，容量存有差异，在循环充放电过程中，会使得电压逐渐分化，从而缩短使用寿命。为了增加电池使用寿命，充分利用电池内部能量，本系统提供电池均衡电路。如图8所示，通过CB7EN引脚控制外部N型MOS管Q9。对于6节电池，芯片集成内部电压均衡模块，支持内部电池平衡控制，BAT1、BAT2、…BAT6分别连接电池管理芯片的VC1、VC2、…VC6引脚；对于7节电池，应用外部电池平衡控制，对于外部平衡模式，一次只能平衡一个单元。本发明这里仅是对第七个电池的电压均衡控制，BAT7连接电池管理芯片的BAT引脚；当Q9导通，使得P型MOS管Q8栅极电压为BAT7的一半，从而导通MOS管Q8，使得BAT6和BAT7相连实现电压均衡。BAT6是第六节电池的正极，也是第7节电池的负极(因为是串联)，BAT7是第7节电池的正极。
在电池状态监测上，充放电一次，导致电池芯内阻增大，使得电池总容量减小。本发明利用TI的阻抗跟踪算法，可根据电池芯的循环次数，实时更新电池芯内阻，从而实时更新总容量，使剩余电量百分比的计算精度变得更高。
此外，本发明在电路板实物制作上，通过在锂电池的表面使用贴装型保险丝，使得在过电压和过电流的情况下保护锂电池。
综上所述，本发明的便携式的多节锂电池组管理系统，有效发挥锂电池的性能，并能防止锂电池过充过放现象，具体优点如下：
1、在传统的1-4节锂电池充电基础上，实现了对7节串联锂电池组的充放电管理。
2、相比以往复杂的系统，通过电池组管理芯片简化了电路设计，节约了成本，减小了系统体积，更有利于便携式仪器。
3、通过电池组管理芯片实现了实时监测锂电池使用周期内电压、电流、温度等参数并准确保留数据记录。
4、利用TI的阻抗跟踪算法，提高了对锂电池剩余电量百分比的计算精度。
5、本发明的电池组管理系统已成功应用到医疗电子仪器中，并达到预期设计效果。在仪器使用中能够实时显示锂电池的剩余可用电量百分比和剩余使用时间，其结果表明本发明的锂电池管理系统能为仪器提供有效的供电保障。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，包括：
电池组：采用多节锂离子电池串联成组作为电源；
电池管理芯片：通过外围检测电路实时监测锂电池组的当前电压、充放电电流和温度信息；
主电流回路：包括预充放电控制电路和充放电控制电路，所述预充放控制电路用于防止电池组过度放电或过久自放电，所述充放电控制电路为电池组提供正常的充放电通路；
保护电路：包括防反接保护电路和过压保护电路；
外部电压充电平衡控制电路：通过场效应管控制电池均衡，用于消除单体电池成组后在使用过程中产生的不一致性。
2.如权利要求1所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述电池管理芯片为BQ40z80，所述外围检测电路包括电压采样和电流检测，电压采样通过BQ40z80的引脚VC7EN连接N沟道MOS管Q10，将VC7EN引脚拉高，使得MOS管Q10导通，电压通过内置ADC进行模数转换，实时读取电压值；电流检测是通过在BQ40z80的SRN和SRP引脚之间接入一个1mΩ的检测电阻来进行，并采用集成于BQ40z80芯片内部的ADC进行库伦计数。
3.如权利要求2所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述BQ40z80的TS1、TS2提供热敏电阻驱动控制，用于电池和场效应管的温度检测。
4.如权利要求2所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述充放电控制电路的工作状态为：当充电时，该回路的电流从电池PACK+开始，经过用于控制充电和放电的场效应管和化学保险丝，然后通过锂电池组和电流采样电阻，最终回到PACK-，完成对整个锂电池组的充电；所述电池管理芯片的PACK引脚通过一个10k电阻与PACK+相连，所述电池管理芯片的SRN引脚通过RC滤波器与PACK-相连；当单节电池电压低于2.5V时，判定为电池欠压，放电回路截止；当单节电池电压高于4.2V时，充电回路立即断开防止电池过充。
5.如权利要求4所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述预充放电控制电路包括预充电开关MOS管Q2和预放电开关MOS管Q3，MOS管Q2通过电阻R5调节预充电电流，MOS管Q3通过电阻R6调节预放电电流；所述电池管理芯片的PDSG引脚和MOS管Q1的栅极相连控制预放电模式，将PDSG引脚置于高电平，使MOS管Q1导通，MOS管Q1的源极和电压VSS相连，MOS管Q1的漏极通过分压电阻R1和MOS管Q3的栅极相连，同时MOS管Q1的漏极还通过串联的分压电阻R1、分压电阻R2后和MOS管Q3的源极相连，所述分压电阻R1和分压电阻R2的阻值相同；当MOS管Q1导通后，使得MOS管Q3栅极电压降低为源极电压的一半，从而导通开启预放电；MOS管Q4为充电控制开关，Q4栅极由CHG引脚控制；MOS管Q5为放电控制开关，Q5栅极由DSG引脚控制；两者以漏极对接的方式串联在PACK+和电池组的正极之间，当进行充电或放电时，MOS管Q4和MOS管Q5同时导通；当充电停止时，MOS管Q4关断；当放电停止时，MOS管Q5关断。
6.如权利要求5所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述防反接保护电路和过压保护电路；当PACK+上出现负信号时使栅极接地的N型MOS管Q6导通，使放电MOS管Q5的栅源极短路起到保护作用。
7.如权利要求2所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述电池组由7节锂离子电池串联组成，前面6节电池由电池管理芯片内部集成的电压均衡模块进行控制，第7节电池由外部电压充电平衡控制电路实现电压均衡；所述外部电压充电平衡控制电路包括N型MOS管Q9和P型MOS管Q8，所述N型MOS管Q9的栅极和电池管理芯片的CB7EN引脚相连，MOS管Q9的源极和电压端VSS相连，MOS管Q9的漏极和MOS管Q8的栅极相连；当MOS管Q9导通时，使得P型MOS管Q8栅极电压为BAT7的一半，从而导通MOS管Q8，使得BAT6和BAT7相连实现电压均衡，BAT6是第六节电池的正极，BAT7是第7节电池的正极。
8.如权利要求7所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述锂离子电池的标称容量为3000mAh，标称电压为3.6V。
9.如权利要求1所述的便携式的多节锂电池组管理系统，其特征在于，所述电池管理芯片通过SMBus总线与微处理器相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220412 |