CN115833328A - 一种具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路及保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路及保护方法，包括启动电路、电压控制电路和电流旁路电路；所述启动电路连接在锂电池的正负极；所述电压控制电路中设有热敏电阻；所述电压控制电路的一端连接启动电路，电压控制电路另一端连接锂电池负极；所述电压控制电路的输出端与电流旁路电路连接，电流旁路电路的一端与启动电路连接，电流旁路电路的另一端与锂电池的负极连接。本发明可以一方面实现电池组充电时的过压保护，确保电池组外接充电器失控情况下电池电压不超过最大充电电压，进而避免电池爆炸等故障，另一方面，本发明的充电保护电路还具备温度补偿功能，实现高温情况下锂电池充电最大电压随着温度的变化自动调节。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电技术领域，特别涉及一种具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路及保护方法。
背景技术
受当前节能减排环保方面要求越来越高的重视，致使锂电池得到了广泛的应用，最为显著的就是各种消费类电子设备所用的电源和新能源电动车等均配备有锂电池。尤其是在电动汽车领域，需要能输出高电压高功率，这就需要将多个单节锂电池进行串联，组成一个电池组使用。但由于电芯个体存在差异性下串联连接充电时会导致一部分电池电压高，处于过充状态。而另一部分电压低，处于未充满状态等问题。同时由于电池的容量和性能随温度的变化又会发生改变，因此会导致电池个体差异的放大现象，进而进一步地影响电池充电的效果。因此这种情况如果不及时处理掉，会导致电池组出现鼓包、漏液甚至爆炸等事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路及保护方法。本发明可以实现锂电池充电最大电压随着温度的变化自动调节，实现了温度补偿和锂电池串联充电电压的均衡控制，提高了锂电池的使用寿命。
本发明的技术方案如下：一种具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，包括启动电路、电压控制电路和电流旁路电路；所述启动电路连接在锂电池的正负极；所述电压控制电路中设有用于监测温度变化的热敏电阻；所述电压控制电路的一端连接启动电路，电压控制电路另一端连接锂电池负极；所述电压控制电路的输出端与电流旁路电路连接，电流旁路电路的一端与启动电路连接，电流旁路电路的另一端与锂电池的负极连接。
上述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，所述启动电路由PNP管Q1、电阻R1和稳压二极管Z1组成；所述PNP管Q1的发射极与锂电池的正极连接，PNP管Q1的集电极与电压控制电路和电流旁路电路连接，PNP管Q1的基极与电阻R1连接，电阻R1与稳压二极管Z1的阴极连接，稳压二极管Z1的阳极与锂电池的负极连接。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，所述电压控制电路由电压采样电路和减法电路组成；所述电压采样电路连接在PNP管Q1的集电极与锂电池的负极；所述减法电路的输入侧连接电压采样电路和启动电路，所述减法电路的输出端连接电流旁路电路。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，所述电压采样电路由电阻R2和热敏电阻R3组成，所述电阻R2的一端连接PNP管Q1的集电极，电阻R2的另一端连接热敏电阻R3，热敏电阻R3连接锂电池负极。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，所述减法电路由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运算放大器OP1和电压比较器CMP1组成；所述电阻R4的一端与启动电路连接，电阻R4的另一端连接运算放大器OP1的负极，运算放大器OP1的负极还连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端与运算放大器OP1的输出端连接；所述电阻R5的一端与电压采样电路连接，电阻R5的另一端连接运算放大器OP1的正极，放大器OP1的正极还连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端与锂电池负极连接；所述运算放大器OP1的VCC端与PNP管Q1的集电极连接，运算放大器OP1的GND端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的同相比较端连接运算放大器OP1的输出端，电压比较器CMP1的反相比较端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的VCC端与PNP管Q1的集电极连接，电压比较器CMP1的GND端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的输出端与电流旁路电路连接。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，所述电流旁路电路由电阻R8和NMOS管Q2组成；所述NMOS管Q2的栅极与电压比较器CMP1的输出端连接，NMOS管Q2的源极连接锂电池的负极，所述NMOS管Q2的漏极连接电阻R8，电阻R8与PNP管Q1的集电极连接。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，所述启动电路用于实时监测电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则启动电路开始工作；否则，启动电路不工作；
所述电压控制电路在启动电路工作后，实时获取电池电压与随温度变化而自动调节的最大充电电压之间的关系，若电池电压超过最大充电电压，则电流旁路电路导通，对电池的充电电流进行分流，将电池电压限定在最大充电电压；
所述电流旁路电路的通断受电压控制电路的控制，动态调节旁路电流大小，进而控制电池充电电流，将电池电压维持在最大充电电压。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，所述启动电路通过设置PNP管Q1、电阻R1和稳压二极管Z1的参数，保证电池为额定电压
条件时PNP管Q1导通，起到控制开关作用；所述稳压二极管Z1的稳压值用于设定电池在室温充电时的电压最大值，保证电池充电阶段电压限定在最大值
。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，所述电压控制电路的工作过程是：
利用电压采样电路采样锂电池的电压，得到采样电压
，采样电压满足
，
为电池电压，再由运算放大器获取采样电压
与
的差值，其中
为热敏电阻R3在室温下的电阻，运算放大器的输出差值电压为
，
满足：当
，
；当
，
；
通过设置热敏电阻R3的阻值与温度之间的关系，当温度越高时
对
的分压也就越大，满足
条件对应的
值也就越小，进而实现锂电池充电最大电压随着温度的变化自动调节，达到温度补偿功能。
前述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，所述电流旁路电路通过电压比较器CMP1输出的驱动信号
来进行工作，当
时，
为高电平，NMOS管Q2饱和导通；当
时，
为低电平，NMOS管Q2截止。
与现有技术相比，本发明的启动电路用于实时监测电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则充电控制电路开始工作；否则，充电控制电路不工作。本发明的电压控制电路在启动电路工作后，实时获取电池电压与随温度变化自动调节的最大充电电压之间的关系。一旦电池电压超过最大充电电压，则电流旁路电路导通，对电池的充电电流进行分流，将电池电压限定在最大充电电压。本发明的电流旁路电路的通断受电压控制电路的控制，动态调节旁路电流大小，进而控制电池充电电流，将电池电压维持在最大充电电压。本发明可以一方面实现电池组充电时的过压保护，确保电池组外接充电器失控情况下电池电压不超过最大充电电压，进而避免电池爆炸等故障，另一方面，依据电池的电化学特性可知，锂电池在高温情况下进行充电其最大充电电压要依据电池温度特性曲线进行降低处理，因此本发明的充电保护电路还具备温度补偿功能，实现高温情况下锂电池充电最大电压随着温度的变化自动调节。本发明提供的电路具有结构简单、成本低，实用性好等特点，电路采用的结构为成熟结构，元件均为常用元件，能有效实现锂电池充电的保护。
附图说明
图1为本发明锂电池与充电保护电路的连接示意图；
图2是本发明充电保护电路的示意图。
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说明，但并不作为对本发明限制的依据，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例可以使本领域普通技术人员更全面的理解本发明。
实施例1：一种具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，如图1所示，包括启动电路、电压控制电路和电流旁路电路；所述启动电路连接在锂电池的正负极；所述电压控制电路中设有用于监测温度变化的热敏电阻；所述电压控制电路的一端连接启动电路，电压控制电路另一端连接锂电池负极；所述电压控制电路的输出端与电流旁路电路连接，电流旁路电路的一端与启动电路连接，电流旁路电路的另一端与锂电池的负极连接。
如图2所示，所述启动电路由PNP管Q1、电阻R1和稳压二极管Z1组成；所述PNP管Q1的发射极与锂电池的正极连接，PNP管Q1的集电极与电压控制电路和电流旁路电路连接，PNP管Q1的基极与电阻R1连接，电阻R1与稳压二极管Z1的阴极连接，稳压二极管Z1的阳极与锂电池的负极连接。
所述电压控制电路由电压采样电路和减法电路组成；所述电压采样电路连接在PNP管Q1的集电极与锂电池的负极；所述减法电路的输入侧连接电压采样电路和启动电路，所述减法电路的输出端连接电流旁路电路。具体的，所述电压采样电路由电阻R2和热敏电阻R3组成，所述电阻R2的一端连接PNP管Q1的集电极，电阻R2的另一端连接热敏电阻R3，热敏电阻R3连接锂电池负极。所述减法电路由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运算放大器OP1和电压比较器CMP1组成；所述电阻R4的一端与启动电路连接（既连接在电阻R1和稳压二极管Z1之间），电阻R4的另一端连接运算放大器OP1的负极，运算放大器OP1的负极还连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端与运算放大器OP1的输出端连接；所述电阻R5的一端与电压采样电路连接（既连接在电阻R2和热敏电阻R3之间），电阻R5的另一端连接运算放大器OP1的正极，放大器OP1的正极还连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端与锂电池负极连接；所述运算放大器OP1的VCC端与PNP管Q1的集电极连接，运算放大器OP1的GND端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的同相比较端连接运算放大器OP1的输出端，电压比较器CMP1的反相比较端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的VCC端与PNP管Q1的集电极连接，电压比较器CMP1的GND端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的输出端与电流旁路电路连接。
所述电流旁路电路由电阻R8和NMOS管Q2组成；所述NMOS管Q2的栅极与电压比较器CMP1的输出端连接，NMOS管Q2的源极连接锂电池的负极，所述NMOS管Q2的漏极连接电阻R8，电阻R8与PNP管Q1的集电极连接。
实施例2：在实施例1的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的基础上，本实施例提供了该充电保护电路的保护方法，其包括启动电路的运行、电压控制电路的运行和电流旁路电路的运行；
具体的，所述启动电路用于实时监测电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则启动电路开始工作；否则，启动电路不工作，对应的充电控制电路电流为零，因而此举可提高电池在前期充电的速度和效率。所述启动电路通过设置PNP管Q1、电阻R1和稳压二极管Z1的参数，保证电池为额定电压
条件时PNP管Q1导通，起到控制开关作用；所述稳压二极管Z1的稳压值用于设定电池在室温充电时的电压最大值，保证电池充电阶段电压限定在最大值
，其中稳压管二极管Z1的稳压值为
。
依据电池充电曲线可知，电池电压低于额定电压
时，电池处于大电流充电阶段，PNP管Q1在电池电压
导通可以保证电池在大电流充电时电压均衡电路不分流，提高充电速度和效率。另一方面，电池电压达到
时，接近充满状态，电压控制电路才开始进行工作。由于充电电流较小，电压控制电路工作时分流很小，在实现电池电压均衡控制的同时能有效减小发热损耗。
所述电压控制电路在启动电路工作后，实时获取电池电压与随温度变化而自动调节的最大充电电压之间的关系，若电池电压超过最大充电电压，则电流旁路电路导通，对电池的充电电流进行分流，将电池电压限定在最大充电电压。
所述电压控制电路中的电阻R2和热敏电阻R3组成采样电路，用于采样电池的电压大小，得到采样电压
，满足：
，
为电池电压。电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运算发大器OP1和电压比较器CMP1组成减法电路，其中R4=R5=R6=R7。由运算放大器获取采样电压
与
的差值，其中
为热敏电阻R3在室温下的电阻，运算放大器的输出差值电压为
，
满足：当
，
；当
，
。
为保证采样电路和稳压二极管管Z1稳压值的准确，电阻R4>>R1，R5>>R3。本实施例中，热敏电阻R3为正温度系数电阻，当温度越高时
对
的分压也就越大，满足
条件对应的
值也就越小。通过合理选择R3的阻值与温度之间的关系，使得
近似符合电池充电最大电压与随温度之间的关系，进而实现高温情况下锂电池充电最大电压随着温度的变化自动调节，使得电压控制电路具备温度补偿功能。
本实施例中，所述电压比较器CMP1同相比较端连接
（即运算放大器的输出端），反相比较端接地（锂电池负极接地），输出为NMOS管Q2的驱动信号
。当
时，
为高电平；
时，
为低电平；
所述电流旁路电路的通断受电压控制电路的控制，动态调节旁路电流大小，进而控制电池充电电流，将电池电压维持在最大充电电压。
所述电流旁路电路：由电阻R8和Q2组成。R8为安全电阻，用于限定Q2最大旁路电流。所述电流旁路电路通过电压比较器CMP1输出的驱动信号
来进行工作，当
时，
为高电平，NMOS管Q2饱和导通；当
时，
为低电平，NMOS管Q2截止。
综上所述，本发明可以一方面实现电池组充电时的过压保护，确保电池组外接充电器失控情况下电池电压不超过最大充电电压，进而避免电池爆炸等故障，另一方面，本发明的充电保护电路还具备温度补偿功能，实现高温情况下锂电池充电最大电压随着温度的变化自动调节。本发明提供的电路具有结构简单、成本低，实用性好等特点，电路采用的结构为成熟结构，元件均为常用元件，能有效实现锂电池充电的保护。
Claims (10)
1.一种具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，其特征在于：包括启动电路、电压控制电路和电流旁路电路；所述启动电路连接在锂电池的正负极；所述电压控制电路中设有用于监测温度变化的热敏电阻；所述电压控制电路的一端连接启动电路，电压控制电路另一端连接锂电池负极；所述电压控制电路的输出端与电流旁路电路连接，电流旁路电路的一端与启动电路连接，电流旁路电路的另一端与锂电池的负极连接。
2.根据权利要求1所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，其特征在于：所述启动电路由PNP管Q1、电阻R1和稳压二极管Z1组成；所述PNP管Q1的发射极与锂电池的正极连接，PNP管Q1的集电极与电压控制电路和电流旁路电路连接，PNP管Q1的基极与电阻R1连接，电阻R1与稳压二极管Z1的阴极连接，稳压二极管Z1的阳极与锂电池的负极连接。
3.根据权利要求2所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，其特征在于：所述电压控制电路由电压采样电路和减法电路组成；所述电压采样电路连接在PNP管Q1的集电极与锂电池的负极；所述减法电路的输入侧连接电压采样电路和启动电路，所述减法电路的输出端连接电流旁路电路。
4.根据权利要求3所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，其特征在于：所述电压采样电路由电阻R2和热敏电阻R3组成，所述电阻R2的一端连接PNP管Q1的集电极，电阻R2的另一端连接热敏电阻R3，热敏电阻R3连接锂电池负极。
5.根据权利要求3所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，其特征在于：所述减法电路由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运算放大器OP1和电压比较器CMP1组成；所述电阻R4的一端与启动电路连接，电阻R4的另一端连接运算放大器OP1的负极，运算放大器OP1的负极还连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端与运算放大器OP1的输出端连接；所述电阻R5的一端与电压采样电路连接，电阻R5的另一端连接运算放大器OP1的正极，放大器OP1的正极还连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端与锂电池负极连接；所述运算放大器OP1的VCC端与PNP管Q1的集电极连接，运算放大器OP1的GND端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的同相比较端连接运算放大器OP1的输出端，电压比较器CMP1的反相比较端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的VCC端与PNP管Q1的集电极连接，电压比较器CMP1的GND端连接锂电池的负极；所述电压比较器CMP1的输出端与电流旁路电路连接。
6.根据权利要求5所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路，其特征在于：所述电流旁路电路由电阻R8和NMOS管Q2组成；所述NMOS管Q2的栅极与电压比较器CMP1的输出端连接，NMOS管Q2的源极连接锂电池的负极，所述NMOS管Q2的漏极连接电阻R8，电阻R8与PNP管Q1的集电极连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，其特征在于：所述启动电路用于实时监测电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则启动电路开始工作；否则，启动电路不工作；
所述电压控制电路在启动电路工作后，实时获取电池电压与随温度变化而自动调节的最大充电电压之间的关系，若电池电压超过最大充电电压，则电流旁路电路导通，对电池的充电电流进行分流，将电池电压限定在最大充电电压；
所述电流旁路电路的通断受电压控制电路的控制，动态调节旁路电流大小，进而控制电池充电电流，将电池电压维持在最大充电电压。
8.根据权利要求7所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，其特征在于：所述启动电路通过设置PNP管Q1、电阻R1和稳压二极管Z1的参数，保证电池为额定电压
条件时PNP管Q1导通，起到控制开关作用；所述稳压二极管Z1的稳压值用于设定电池在室温充电时的电压最大值，保证电池充电阶段电压限定在最大值
。
9.根据权利要求8所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，其特征在于：所述电压控制电路的工作过程是：
利用电压采样电路采样锂电池的电压，得到采样电压
，采样电压满足
，
为电池电压，再由运算放大器获取采样电压
与
的差值，其中
为热敏电阻R3在室温下的电阻，运算放大器的输出差值电压为
，
满足：当
，
；当
，
；
通过设置热敏电阻R3的阻值与温度之间的关系，当温度越高时
对
的分压也就越大，满足
条件对应的
值也就越小，进而实现锂电池充电最大电压随着温度的变化自动调节，达到温度补偿功能。
10.根据权利要求7所述的具备温度补偿的锂电池串联充电保护电路的保护方法，其特征在于：所述电流旁路电路通过电压比较器CMP1输出的驱动信号
来进行工作，当
时，
为高电平，NMOS管Q2饱和导通；当
时，
为低电平，NMOS管Q2截止。
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