CN1489252A - 智慧型锂离子电池组保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智慧型锂离子电池组保护电路，包括有中央微处理器、电压比较器、充放电回路控制及数组可重复充放电的锂离子电池组；该中央处理器接受电压比较器所读取电池组的端电压，用以判定当时属充电或放电或过载的模式，并依特殊的程序加以运算，决定锂离子电池组是否应进入保护模式的状态，具有智慧型容量补偿功能的设计，可避免电池组充放电时，因本身效率参差不齐或性能匹配不良而造成长期累积干扰效应，进而影响电池组的应用寿命。

Description

智慧型锂离子电池组保护电路

技术领域

本发明涉及一种智慧型锂离子电池组保护电路，尤指一种由硬件电路与软件程序配合运作，针对锂离子电池组实际应用之需，提供可增进锂离子电池组整体性能表现的智慧型容量补偿电路，且改善传统保护电路板不够精确的设计。

背景技术

近代电器产品的开发朝轻薄短小的方向发展，可携式电器用品推陈出新，如移动电话、笔记本电脑、摄录像机、收录音机等等，更是日新月异不时推陈出新；基于使用者方便的考虑，高能量密度的新一代电池材料相继被开发及应用；例如可重复充放电的锂离子电池(Li-ionbattery)因容量大且重量轻，目前已被大量应用在支援行动通讯器材以及笔记本电脑等产品的应用上，造成该等产品附加价值及使用方便性大幅提高。

锂离子电池因材质特性的限制，其充电电压一般不得超过4.2v/cell，否则锂离子电池的使用寿命将大为减少，而充电电压若超过太多、锂离子电池甚至会有燃烧或爆炸的危险性，此乃因锂本身与氧有极佳的亲和性，故不能使用具有含氧成份的水溶性电解液做为离子交换的电解质，例如氢氧化钾等；故而必须使用不具含氧成份的碳氢化合物做为电解质，例如煤油溶出物等。至于锂离子电池通常的放电电压限制一般绝对禁止电压低于2.7v/cell，否则将造成锂离子电池过度放电、以致容量无法回复及无法再充电的不可逆性故障；因此锂离子电池在应用上除了考虑其安全性外，尚需考虑其可信赖度，故在设计及应用时，传统做法必须于锂离子电池组内加装一传统保护电路板，以确保使用上的绝对安全。

为撷取锂离子电池的各项优点，并避开其具危险性的缺陷，目前市售的锂离子电池、全部皆加装有一片完全利用硬件零件制作的传统保护电路板加以克服，但因一种电池规格即搭配一种传统保护电路板，不同规格的电路板之间绝无法共用，不但成本高、且造成库存控管以及生产线制程管理的极大困扰。

锂离子电池因材质特性限制，由于充电电压一般不得超过4.2v/cell，放电电压则禁止低于2.7 v/cell，否则将无法回复充电；因此锂离子电池应用上需考虑安全性及可信赖度，故设计时通常在锂离子电池组内加装一传统保护电路板以策安全。但该保护电路板单位成本高且规格多样而复杂，造成很多困扰。传统保护电路板可参考图1所示的方块图；由一热敏电阻、热保险丝、充电控制开关、放电控制开关、短路保护器、控制IC及数个锂离子电池组所组成。该热敏电阻侦测锂离子电池组在充/放电时所产生的异常温度，热保险丝则是在过热时断路，以避免高温损坏控制IC。该控制IC控制切换充电控制开关及放电控制开关，以对锂离子电池组进行充电或放电作业。该短路保护器则是提供产生短路现象时的电路保护作用。当锂离子电池组在充电时，由于充电回路中的各个串接电池单体、因受其内阻值的参差不齐的影响，必然造成每个电池单体的端电压分压不一致的现象，不同内阻值的电池的正负极，其端电压在充放电时，将因内阻值不同而产生端电压高低不一致的结果，此时传统保护电路板将会针对最先达到上限电压值的电池单体做出保护、进而对整组锂离子电池组停止充电；此时其他未达上限端电压值的电池单体则无法充电饱和；放电时情况正好相反，如此周而复始有长期累积干扰效应，将使锂离子电池组容量不正常地急速递减。所以，传统保护电路板对锂离子电池组在充电或放电之时，无可避免的会针对电池组最终电压进行不当的节制；此一不当的节制即是造成锂离子电池组容量不正常衰减的主要原因。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种智慧型锂离子电池组保护电路，提供可增进锂离子电池组整体性能表现的智慧型容量补偿电路，且改善传统保护电路板不够精确的缺失；特别是避免锂离子电池组在充电或放电时、因锂离子电池单体本身的效率参差不齐以及性能匹配不良所造成的长期累积干扰效应。

依据前述，本发明针对前述传统保护电路板的缺失；在充电过程中，应用本发明的韧体所侦测并记录到的数据，控制一负载电路，在充电时针对端电压值最高、或电池单体之间端电压不平衡超过设计上限值的个别电池单体并联一电阻加以负载，使之与其他电池单体的端电压接近，直至其端电压(即容量)回归至和其他电池单体相同为止；此时本发明智慧型容量补偿电路即立刻通知负载电路解除并联电阻的负载、继续针对已实施个别单独负载处理后的锂离子电池组续行充电，如此周而复始，直到锂离子电池组中所有电池单体真正充电饱和为止；亦即锂离子电池组中每一电池单体、将因本发明智慧型容量补偿电路功能的修正而使每个电池单体的端电压值趋于一致(即容量相同)并充电至最饱和为止。

依据前述，本发明仅应用少量硬件电路零件、配合多功能软件程序控制的韧体方式加以彻底改良，将原本多达数十种硬件传统保护电路板的复杂规格单一化，涵盖了上述传统保护电路板全部的功能要求，并且改善了传统保护电路板的所有缺失，又大大地提高了保护功能的精确度，更且降低生产及库存控管的成本。

本发明的另一目的即是具有容量补偿的功能设计，应用上可确实避免锂离子电池组充电或放电时、因电池单体效率参差不齐及性能匹配不良所造成的长期累积干优效应，进而达到延长锂离子电池组使用寿命的功能。

本发明的一延伸目的即是中央微处理器能通过数据总线与电脑内建的通讯数据机与外界互联网络联通，进而与专用的特定远端遥控电池管理服务系统连线，以便作即时数据处理及相关调整控制的服务，亦即可进一步作为该锂离子电池组的远端诊断、遥控调整、网络服务等技术范畴的特定用途。

附图说明

图1为传统锂离子电池组保护电路电路图；

图2为本发明智慧型锂离子电池组保护电路方块图；

图3为本发明图2的详细电路图；

图4为本发明图3的另一实施例；

图5为本发明智慧型锂离子电池组保护电路的中央处理器软件控制流程图；

图6为本发明智慧型锂离子电池组保护电路的侦测电池温度的详细电路图；

图7为本发明智慧型锂离子电池组保护电路的电流检知器详细电路图。

图中符号说明

1  中央微处理器            31、32      电池电压比较器

2  控制器                  41、42、43  负载器

3  电压比较器              51、52      功率晶体开关

4  放电回路                61          差动放大器

5  复连开关                91、92、93  电池单体

6  电流检知器              B  电洗式可规划只读存储器

7  保险装置                H  显示器

8  稳压整流器              G  数据总线

9  锂离子电池组            TH 温度感知电阻

流程图图号说明

F00  程序开始             F01  模式判断

F02  静置模式                  F03  记录自放电模式

F04  开关动作判断              F05  容量状态判断

F06  关闭复连开关模式          F07  睡眠模式

F10  充电模式                  F11  充电端电压判断

F12  容量饱和判断              F13  端电压不平衡判断

F14  容量调整模式              F20  放电模式

F21  放电端电压判断            F22  放电端电压下限值判断

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式。

请参阅图2所示，为本发明智慧型锂离子电池组保护电路的方块图；包括有：

一中央微处理器1(Micro Computer)，为本发明的主控制单元，利用电流检知器6检知动态模式[(V1-V2)/R＝I]，包括充电电流、放电电流、过载电流及电流大小等，并将锂离子电池组9中的各电池单体91、92、93(Li-ion Battery cell)的端电压，经电池电压比较器3连接至中央微处理器1接脚AD1、AD2、AD3(即内部的模拟数字转换器，图中未画)，以获得各电池单体91、92、93的端电压，依此监控各相对电池单体91、92、93的临界端电压，并具有充电、放电及保护模式控制。

一控制器2(Watch Dog Control)，设于中央微处理器1与复连开关5间，监控中央处理器1的运作，控制复连开关5的开、闭。

一电压比较器3(OP)，包含有数组比较器(如图标号31及32)，采用差动输入法检知每一电池单体91、92、93的端电压，以告知中央微处理器1作运算及判断之用。

前述各组电池电压比较器31、32的基点皆为浮动，以确保相对端电压量测的稳定性。

一放电回路4(Discharge Network)，受中央微处理器1所控制，包含有数个对应于电池单体的负载器41、42、43(Loader)。

一复连开关5(Redundancy Switch)，连接于锂离子电池组9与外部充放电回路，并受中央微处理器1及控制器2所控制，在此二者皆同时正常工作之时，复连开关5方可正确启动导通回路。

一电流检知器6(Current Sense)，用以检测回路的电流方向，使中央微处理器1得知目前为充电或放电的模式，并检测电流大小，以供中央微处理器1加以分析计算。

前述的电池计算由保护电路的动态模式(V1-V2)/R＝I而得，容后详述。

一保险装置7(Fuse)，为一特定安培的保险熔丝，其容量设计为稍大于电流检知器6的设定值，为防范万一有不当的充放电或短路现象发生，隔离锂离子电池9与电源或负载的连系，以保护使用者在应用上安全无误，并且为不可回复的最终保安保险装置。

一稳压整流器8(Regulator)，提供保护回路中各耗电电子零件的稳定工作电压源，以确定保护回路中各耗电电子零件，亦即电路内各半导体主动元件工作正常。

一锂离子电池组9(Li-ion Battery Pack)，包含有数个串联的电池单体成为一电池组；一般应用上有二串、三串、四串的形式，若因提高容量的考虑，尚可就串联后的锂离子电池组加以并联组装使之提升容量，一般通称2p3s、3p3s、4p3s或3p2s、3p4s等等。

一电洗式可规划只读存储器B(EEPROM)；可规划为两大类主要功能；

第一类为储存供给中央微处理器1重新设定时的原始数据；例如充电时侦测锂离子电池组9或电池单体的最高电压或电池单体之间可容许的最大端电压差、瞬间电流的设定值等，放电时残存容量的预警时间、最低电压的设定值；以及提供中央微处理器1在操控放电回路4工作时的设定值。

第二类为储存锂离子电池组9有关效率、残存量、循环寿命、厂牌、末笔数据记录的时间、放电回路4执行调控的累积次数等数据，提供中央微处理器1随时取出作为计算及运用的原始依据。

一显示器H，显示锂离子电池组9目前的即时状态。

一温度检知器TH，由负温度系数电阻器(Thermistor)构成，检知微弱电压并加以放大、提供中央微处理器1计算运用，以便一旦锂离子电池组9温度异常上升之时，立即通知复连开关5动作，使本发明的回路处于不导通状态，以达保护锂离子电池组9安全的功能。

该中央微处理器1利用电流检知器6检知本发明智慧型锂离子电池组保护电路的电流动态模式，包括充电电流、放电电流、过载电流及电流大小等，并将锂离子电池组9中的各电池单体91、92、93的端电压，经电池电压比较器31、32连接至中央微处理器1的接脚AD1、AD2、AD3，以获得各电池单体91、92、93的动态端电压；依此监控各相对电池单体91、92、93的临界端电压，以确保电池单体91、92、93的端电压符合于安全规格之内，如此达到锂离子电池组9的保护及充放电容量控制的双重功能。

该中央微处理器1并具有通讯总线，与本装置的电洗式可规划只读存储器B(EEPROM)相通讯，以取得锂离子电池组9的残存量、厂牌、效率、使用寿命、自放电率等加以计算；并可连接至显示器H(如：发光二极管LED或笔记本电脑的显示器LCD等)上，以显示锂离子电池组9目前的各种信息及电容量值等；在锂离子电池9离开系统闲置不用时，中央微处理器1会进入睡眠状态以减少电量的消耗，达到节约能源的效果。

在充电模式中，中央微处理器1持续检知各电池单体91、92、93的端电压并做比较判断，若其中有任一电池单体已达设定的最高充电端电压，而其它电池单体尚未到达时，或锂离子电池组9中，其中任意一电池单体91、92、93之间，其端电压的电压差若超出预先设定的范围时，中央微处理器1会输出讯号经由可控制的独立放电回路4，针对该端电压过高的电池单体并联一个相对应的负载器加以放电(P＝IV)，直至与其他电池单体的端电压相同之时始解除并联负载放电，如此周而复始直到充电中每一电池单体的端电压接近平衡为止；亦即直到充电中的每一电池单体皆同时达到饱和端电压；用以提升锂离子电池组9的有效容量及寿命。

请参阅图3所示，为本发明图2所示的详细电路图，如图所示，当锂离子电池组9未与外部负载相连接时(即不处于充/放电的待机状态)，中央微处理器1即进入睡眠状态以节省功率的消耗，当锂离子电池组9与外界连通时；中央微处理器1启动功率晶体开关51(FETSwitch)，并告知控制器2启动功率晶体开关52同时检查电流检知器6确定目前为充电或放电或待机状态，若为充电状态，检查电池电压比较器31、32的值是否高于规格，否则继续充电。若有一电池单体的端电压值已达上限，则启动该组的放电回路4的负载器41、42、43等，用以独立调整电池单体的电压、容量并持续充电的动作，直到所有电池单体皆同时到达上限容量为止。

在放电模式中检查电池电压比较器31、32的值是否低于规格，若无则继续监测。只要是其中一电池单体已达下限，则启动其他未达下限端电压值的电池单体与相对应的放电回路4负载器41、42、43等加以放电，以调整电池单体的容量，使所有电池单体皆同时到达下限容量为止。

若为开机，则中央微处理器1启动功率晶体开关51，并告知控制器2启动功率晶体开关52并检查电流检知器6监测电流状态，以执行过载保护功能或准备任何时间发生的充电、放电状态；在任何时间，中央微处理器1皆可依外界的需求以容量显示器H显示容量或传送相关讯息。

请参阅图4所示，为本发明图3的另一种实施例，如图所示，如上同述的相同功能之外，中央微处理器1可通过数据总线G(SMBus)与电脑内建的通讯数据机与外界互联网络联通，进而与专用的特定远端遥控电池管理服务系统连线，以便该专用的特定远端遥控电池管理服务系统作即时数据处理及相关调整控制的服务，亦即可进一步作为该锂离子电池组的远端诊断、遥控调整、网络服务等技术范畴的特定用途。

请参阅图5，为本发明智慧型锂离子电池组保护电路的中央微处理器的软件控制流程图；如图所示，程序开始执行后(步骤F00)，即进行模式判断(步F01)，加以判断出目前的电流模式究竟为充电模式(步骤F10)、放电模式(步骤F20)或静置模式(步骤F02)。

在充电模式(步骤F10)中：

充电模式时，持续监测充电端电压(步骤F11)，判断是否有任一单颗电池达到可调整的上限设定值或容量饱和(步骤F12)时，且端电压不平衡(步骤F13)达一定程度之时，则执行容量调整(步骤F14)工作；否则重回步骤F11继续监测充电端电压，直到充电饱和且端电压不平衡(步骤F13)已经调整至平衡之时；若已充电饱和而未处于放电模式(步骤F20)，则进入静置模式(步骤F02)的睡眠模式(步骤F07)；若被唤醒，程序将由F07(睡眠模式)再一次回到F01(模式判断)，如此周而复始循环不已。

在放电模式(步骤F20)：

放电模式时，持续监测放电端电压(步骤F21)，若有任一单颗电池达到放电端电压(步骤F21)的端电压下限值(步骤F22)时，则关闭复连开关5；否则继续监测放电端电压(步骤F21)直到任一单颗电池的放电端电压(步骤F21)已经达端电压下限值(步骤F22)之时，则执行关闭复连开关(步骤F06)并进入睡眠模式(步骤F07)；若被唤醒，程序将由睡眠模式(步骤F07)再一次回到模式判断(步骤F01)，如此周而复始循环不已。

在静置模式(步骤F02)中：

静置模式时，定时记录自放电模式(步骤F03)的电压，若显示开关动作模式(步骤F04)已启动，则由容量状态(步骤F05)显示容量；否则执行关闭复连开关5(步骤F06)并进入睡眠模式(步骤F07)以降低耗电率；若被唤醒，程序将由睡眠模式(步骤F07)再一次回到模式判断(步骤F01)，如此周而复始循环不已。

请参阅图6，为本发明智慧型锂离子电池组保护电路侦测电池温度的详细电路图；如图所示，使用负温度系数的温度感知电阻TH由另一搭配的电阻R做分压；将温度感知电阻TH的温度特性曲线调整在0～80℃之间，亦即锂离子电池组9的使用范围。

请参阅图7，为本发明智慧型锂离子电池组保护电路的电流检知器的详细电路图；如图所示，利用电流流经两颗串联的功率晶体开关51、52及差动放大器61所构成的复连开关5，利用其内阻所产生的微小压降[(V1-V2)/R＝I]，经由电流检知器6调整为0～5V的电压，供中央微处理器1的模拟数字转换器AD4接脚读取、用以作为电流大小及方向判断计算之用。

综合以上所述，本发明智慧型锂离子电池组保护电路，确能针对现有传统的锂离子电池组保护电路的缺失提出有效的解决办法及对策，以能让使用该产品的工厂避免库存和生产线等备料的困扰，将原本多达数十种硬件传统保护电路板的规格单一化，确能有效降低生产成本、并大幅提高该产品的可信赖性及安全性；本发明更能针对锂离子电池组的容量、循环寿命等，原本即因为电池组先天效率参差不齐或性能匹配不良所造成的长期累积干扰效应，一次加以彻底解决。

本发明除有效节约硬件电路的单位成本外、更大为降低环保负担；尤有进者，本发明更设计有三重安全保护机制、以确保电路板本身及锂离子电池组的绝对安全。

唯以上所叙述的技术、图说、程序或控制等方法，仅仅为本发明较佳实施例之一；举凡依本发明权利要求书的范围的技术所作的均等变化或修饰或撷取部分功能的雷同制作，皆应仍属本发明所涵盖的范围；当不能依此限定本发明实施的范围。

Claims (20)

1.一种智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，包括有：

一中央微处理器，利用电流检知器检知动态模式，并经电池电压比较器取得锂离子电池组中的各电池单体的端电压，依此监控各相对电池单体的临界端电压；

一控制器，设于中央微处理器与复连开关间，监控中央处理器的运作，控制复连开关的开、闭；

一电压比较器，包含有数组比较器，采用差动输入法检知每一电池单体的端电压，以告知中央微处理器作运算及判断之用；

一复连开关，连接于锂离子电池组与外部充放电回路连接，并受中央微处理器及控制器所控制，在此二者皆同时正常工作之时，复连开关方可正确启动导通回路；

一电流检知器，用以检测回路的电流方向，使中央微处理器得知目前为充电或放电的模式，并检测电流大小，以供中央微处理器加以分析计算；

一锂离子电池组，包含有数个串联的电池单体成为一电池组；

由前述构成，中央微处理器下达控制命令，操控该颗必须调整的电池单体与该相对应的放电回路开关导通，使电池单体与该相对应的负载器并联加以负载，使电池单体超出或不平衡电压部分的能量利用物理热能方式加以释放，以达到各个电池单个的端电压最终平衡的目的。

2.如权利要求1所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，更包括有一电洗式可规划只读存储器，供储存供给中央微处理器重新设定时的原始数据、操控放电回路工作时的设定值，及储存锂离子电池组数据人供中央微处理器随时取出作为计算及运用的原始依据。

3.如权利要求2所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，该电洗式可规划只读存储器储存充电时侦测锂离子电池组、电池单体的最高电压或电池单体之间可容许的最大端电压差、瞬间电流的设定值等、放电时残存容量的预警时间或最低电压的设定值。

4.如权利要求2所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，该电洗式可规划只读存储器所储存的锂离子电池组数据，包括有关效率、残存量、循环寿命、厂牌、末笔数据记录的时间、放电回路执行调控的累积次数等数据。

5.如权利要求2所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，该中央微处理器能通过数据总线与电脑内建的通讯数据机与外界互联网络联通，进而与专用的特定远端遥控电池管理服务系统连线，以便作即时数据处理及相关调整控制的服务，亦即可进一步作为该锂离子电池组的远端诊断、遥控调整、网络服务等技术范畴的特定用途。

6.如权利要求1所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，更包括有一保险装置，防范万一有不当的充放电或短路现象发生时，隔离锂离子电池组电源或负载的连系，并且为不可回复的最终保安保险装置。

7.如权利要求5所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，该保险装置为一特定安培的保险熔丝，其容量设计为稍大于电流检知器的设定值。

8.如权利要求1所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，更包括有一显示器，显示锂离子电池组目前的即时状态。

9.如权利要求7所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，该显示器为发光二极管或笔记本电脑的显示器等。

10.如权利要求1所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，更包括有一稳压整流器，提供保护回路中各耗电电子零件的稳定工作电压源。

11.如权利要求1所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，该电流检知器检知动态模式利用[(V1-V2)/R＝I]的物理法则，由互为串联的功率晶体及差动放大器所组成，由检知两个互为串联的功率晶体所构成的复连开关两端的端电压(V1-V2)，除以两个互为串联的功率晶体内部所产生的阻抗(R)所获得，经由差动放大器加以放大，获得一有效的参考电压传送至中央微处理器。

12.如权利要求1所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，更包括有一放电回路，其包含有数个对应于电池单体的负载器；受中央微处理器所控制与该须要调整的电池单体相对应的放电回路开关，使电池单体与该相对应的负载器并联加以负载，以达到各个电池单体的端电压平衡的目的。

13.如权利要求1所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，更包括有一温度检知器，检知微弱电压并加以放大、提供中央微处理器计算运用，锂离子电池组温度异常上升，即立即通知复连开关动作。

14.如权利要求12所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，该温度检知器由负温度系数电阻器所构成。

15.一种智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，中央微处理器控制软件包括有一模式判断步骤，判断出目前的电流模式为充电模式、放电模式或静置模式。

16.如权利要求15所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，中央处理器控制软件模式判断步骤的充电模式，为持续监测充电端电压，判断是否有任一单颗电池达到可调整的上限设定值或容量饱和时，且端电压不平衡达一定程度之时，则执行容量调整工作；否则继续监测充电端电压，直到充电饱和且端电压不平衡已经调整至平衡。

17.如权利要求15所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，中央处理器控制软件模式判断步骤的放电模式，为持续监测放电端电压，判断是否有任一单颗电池达到放电端电压的端电压下限值时，则关闭复连开关；否则继续监测放电端电压直到任一单颗电池的放电端电压已经达端电压下限值。

18.如权利要求15所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，中央处理器控制软件模式判断步骤的静置模式，为定时记录自放电模式的电压，若显示开关动作模式已启动，则由容量状态显示容量；否则执行关闭复连开关并进入睡眠模式以降低耗电率。

19.如权利要求15所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，中央处理器控制软件中的充电模式、放电模式及静置模式执行完成后将进入睡眠模式，若被唤醒则重返模式判断步骤。

20.如权利要求19所述的智慧型锂离子电池组保护电路，其特征在于，中央处理器控制软件的唤醒动作由程序与电流检知器及数据总线之中任何一种讯号通知中央微处理器，由中央微处理器内建的程序对电路本身的睡眠状态加以解除。

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