CN200973022Y - 单体电池或子电池组保护电路及电池组均衡放电控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单体电池或子电池组保护电路及电池组均衡放电控制装置。电池组均衡放电控制装置，含有以中央处理器为核心的控制处理电路以及单体电池或子电池组保护电路，每个单体电池或子电池组对应连接一个电压检测器，电压检测器的输出端连接中央处理器I/O输入端，中央处理器实时采集电压检测器发来的信号，并根据接收到的信号发出相应的控制指令，通过控制对应电子开关的状态切换，将达到放电终止电压的单体电池或子电池组从放电回路中断开进入休眠状态，同时使处于休眠状态的备用单体电池或子电池组接入放电回路，并在延迟一定时间后，重复上述过程，使组成电池组内的各个单体电池或子电池组均达到比较均衡的放电。

Description

单体电池或子电池组保护电路及电池组均衡放电控制装置

一、技术领域：本实用新型涉及一种单体电池或子电池组保护电路以及动力型电池组均衡放电控制装置。

二、背景技术：随着社会经济的发展，能源短缺的问题日益突出，电池作为一种可重复利用的再生能源，逐渐得到广泛的应用。电动自行车近两年迅速普及，电动汽车和轻型电动轿车作为高新技术产品也渐露头角，吸引了很多消费者的眼光。尤其当前市场燃油、燃气价格的飞涨，大幅度增加了燃油、燃气机动车的使用消费成本，同时在环境保护方面电动车具有更大的优势。

但是在目前的情况下，制约电动车业发展的一个大问题就是电池的问题，由于电池性能不稳定，不但提高了以电池为动力的电力机车整个产品的成本，而且使得产品的整体性能很难有较大的提高，维护费用居高不下，使用成本加大。正常的情况下，电池在最佳充、放电模式下循环寿命应该在1000次以上，但通常存在的问题是，如果电池组中存在个体电池性能落后，会出现性能落后电池出现过充或过放的状况，造成电池局部过热，甚至可能产生过热失效现象，以至目前有些电池的循环寿命仅有200次左右，假如不能解决单个电池存在的上述放电不均衡问题，电池组的循环寿命就会大打折扣，甚至使得整个电池组失效。传统解决电池组中单个电池失效的方法是定期检查维护蓄电池组，替换掉性能不好的电池，缺点是比较麻烦，同时性能下降的单个电池继续使用，会降低其它电池的性能，更不可能从发现性能不佳的第一时间换下该电池，没有从根本上解决电池组均衡放电的问题，以最大限度的延长电池组的使用寿命。

目前现有技术解决电池均衡充、放电的方法都是从电池本身对监测电池进行强制性充电或放电处理，使之达到与其它电池的放电性能表征参数相匹配，由于电池的电性能的好坏从根本上取决于其自身的质量性能参数，因此现有技术人为对电池放电进行强制均衡，虽然可以提高整个电池组的使用性能，但对单体电池而言，这种处理过程本身就是对单体电池固有能量的损耗，是一种对电能的浪费，对电池本身存在负面影响。中国实用新型专利：授权公告号为CN2790010Y，专利号为ZL 200520070193.4公开的一种锂充电电池充放电均衡电路的执行电路，包括串联于每节锂充电电池两电极之间的放电电阻和放电开关，负极接地的第一节锂充电电池的放电开关为MOS开关管电路，其余每一路放电开关由两级开关电路构成，第一级开关串联于放电回路中，第二级开关位于第一级开关的控制回路中，第二级开关的控制端构成执行电路的控制端。本实用新型对于锂充电电池的放电回路采用二级开关控制，可以实现对于串联的一组锂充电电池中的任意一节的放电控制。优点是保证了组成电池组的单体电池在充电过程中不至于过充。缺点是同许多相关现有技术一样，并没有解决电池组在使用过程中存在的单体电池放电不均衡问题，以及因为单体电池性能参数不匹配或因质量差异引起的电池组整体使用寿命下降的问题，以及对放电性能较差的单体电池的保护问题，而这些问题同电池组的整体性能指标和使用寿命有着密切的关系。

三、实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题：针对现有技术不足，提出一种单体电池或子电池组保护电路及电池组均衡放电控制装置，在电池组中设富余备用替换电池，实时检测电池组中单体电池的放电情况，用富余电池及时替换电性能差的单体电池或子电池组让其休息待命，通过上述过程的循环，达到防止单体电池发生过放电的情况发生，最终实现整个电池组均衡放电的目的，从而大大提高整个电池组的使用寿命。

本实用新型所采用的技术方案：

一种单体电池或子电池组保护电路，含有电压信号输出端和控制信号输入端，连接在所述单体电池或子电池组两极之间的电压检测器的信号输出端即为所述保护电路的电压信号输出端，所述单体电池或子电池组连接有一个将其接入放电回路的电子开关和一个将其从放电回路断开的电子开关，前者电子开关串联连接在所述单体电池或子电池组的正极和下一个单体电池或子电池组的负极之间，后者电子开关连接在所述单体电池或子电池组的负极和下一个单体电池或子电池组的负极之间，所述保护电路的控制信号输入端连接所述电子开关的控制端。

所述电压检测器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，所述单体电池或子电池组的负极连接电压检测器接地端Vss，正极连接电压检测器的输入端Vin，电压检测器TC51的输出端连接所述保护电路的电压信号输出端；电子开关采用场效应晶体管，其中一个场效应晶体管的控制端连接保护电路的控制信号输入端，所述控制信号输入端同时通过反向器连接另一个电子开关的控制端。

所述的单体电池或子电池组保护电路，电压检测器采用比较器，比较器反向端连接基准电压输入，比较器同向端连接单体电池或子电池组电压信号取样电路，电子开关采用继电器，继电器的常闭触点依次串联连接每个单体电池或子电池组，继电器的常开触点连接所述单体电池或子电池组的负极和下一个单体电池或子电池组的负极之间，所述保护电路的控制信号输入端控制连接继电器驱动线圈电源；电子开关或者采用大功率三极管。

一种电池组均衡放电控制装置，含有如上所述的单体电池或子电池组保护电路以及以中央处理器为核心的控制处理电路，组成电池组的每个单体电池或子电池组连接的电压检测器输出端分别直接或通过A/D转换器连接中央处理器的一个I/O输入端口，组成电池组的每个单体电池或子电池组通过一个使该单体电池或子电池组接入放电回路的电子开关依次串联连接，同时从第一个单体电池或子电池组开始，在每前一个单体电池或子电池组的负极与下一个单体电池或子电池组的负极之间依次连接有使其从放电回路中断开的电子开关，前者电子开关的触发控制端连接中央处理器的一个I/O输出控制端口，后者电子开关的触发控制端通过反向器连接前者电子开关的触发控制端，第一个单体电池或子电池组的负极和最后一个单体电池或子电池组正极连接的那一组电子开关的输出端为电池组的工作电压输出端。

所述的电压比较器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，中央处理器采用EM78P458或者H8/38024单片机，EM78P458或H8/38024的接地脚接地，电源端接工作电源，时钟输入端外接时钟，EM78P458或H8/38024程序设定的相应I/O输入端分别连接电压检测器输出端Vout，EM78P458或H8/38024的程序设定的相应I/O输出端分别连接接入放电回路的电子开关和通过反向器对应连接从放电回路断开的电子开关的控制端，EM78P458或H8/38024的基准电压输入端Vref连接TL431精确基准电源产生电路，直流电源正极通过一限流电阻接入TL431的CATHODE端，直流电源负极连接TL431的ANODE端，在所述电阻与TL431的CATHODE端的接点与直流电源负极之间连接有两个分压电阻，所述两个分压电阻的接点接入TL431的基准电压输入REF端。

所述的电池组均衡放电控制装置，电压比较器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，中央处理器采用MC16C/62P 16位单片机，电池组含有二十二个单体电池，分别对应连接二十二个电压检测器，电压检测器的输出分别接入MC16C/62P程序设定的相应I/O输入端口，MC16C/62P程序设定的相应I/O输出端口依次连接二十二组单体电池或子电池组接入和断开切换电子开关的控制端。

所述的电池组均衡放电控制装置，电压比较器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，中央处理器采用STC89C51单片机，A/D转换器采用ADC0809，电压检测器TC51的输出端连接ADC0809的相应输入端口，ADC0809输出端分别连接中央处理器STC89C51的相应I/O输入端口，在ADC0809和中央处理器STC89C51连接有数据锁存器74LS373，央处理器STC89C51的I/O输出端控制连接单体电池或子电池组接入和断开切换电子开关。

所述的电池组均衡放电控制装置，电子开关采用继电器，继电器的常闭触点串联连接相邻的两个单体电池或子电池组，继电器的常开触点连接在一个单体电池或子电池组和下一个单体电池或子电池组的负极之间，继电器控制线圈的电源端和中央处理器相应I/O输出端口连接的驱动电路连接。

本发明的有益积极效果：

1、本实用新型从一个全新的角度达到电池组及单体电池均衡放电的目的，使锂离子电池和镍氢电池循环寿命达到800次左右。通过在动力型电池组中增加富余备用电池，利用控制电路及时使其替换放电回路中电性能不佳的电池，被替换下来电池休息一段时间，待其性能恢复后随时可以替换其它的单体电池或子电池组，使得电池组中的每个单体电池均衡放电，改善了电池组放电性能，大大提高电池组充、放电循环次数，延长电池使用寿命。

2、本实用新型有效克服了电性能较差的单体电池在正常放电状态下出现过放电、产生局部过热的现象，避免因某个电池出现过热失效或损坏而导致整个电池组的报废。本发明通过控制电路使放电性能不佳的电池及时休息、恢复，避免因之使整个电池组放电性能下降，影响电池组的放电性能，提高了动力型电池的使用效果，达到能量的有效、合理利用，节约能源。

3、本实用新型的普及推广，必将产生较好的社会效益和经济效益。长期使用，一来可以延长电池使用寿命，基于电池放电性能的改善，使得电池能量得到充分合理利用，间接的节约了电能；二来延长了电池的使用周期，减少了电池报废的频率和数量，对环境保护无疑是一个巨大的贡献。

四、附图说明：

图1：均衡放电控制装置采用H8/38024单片机，电池组由7只锂离子单体电池串联组合而成，提供24V输出

图2：图1所示均衡放电控制装置中精确基准电源产生电路原理图

图3：本实用新型均衡放电控制装置中电压检测器TC51的电路原理图

图4：均衡放电控制装置采用MC16C/62P 16位单片机，电池组由镍氢子电池组(3节串联组合)组成，提供24V输出

图5：均衡放电控制装置采用MC16C/62P 16位单片机，电池组由22只镍氢单体电池串联组成，提供24V输出

图6：均衡放电控制装置采用MC16C/62P16位单片机，电池组由22只锂离子单体电池串联组成，提供72V输出的均衡放电电路原理图。

图7：均衡放电控制装置采用STC89C51单片机，电池组由7只锂离子单体电池串联组合而成，提供24V输出

图8：均衡放电控制装置采用STC89C51单片机，电池组由7只镍氢单体电池串联组合而成，提供6V输出

图9：单体电池或子电池组保护电路原理图

五、具体实施方式：

实施例一：参见图9，本实施例为单体电池或子电池组保护电路。单体电池或子电池组保护回路，含有单体电池(或子电池组)POW1和两个电子开关T1、T2，电子开关采用场效应晶体管。电子开关T1串联连接在单体电池POW1的正极和下一个单体电池的负极之间，用以将单体电池POW1接入放电回路，电子开关T2连接在单体电池POW1的负极和下一个单体电池的负极之间，用以将单体电池POW1从放电回路中断开，其中电子开关T1的控制端通过反向器C1连接电子开关T2的控制端，T1、T2的输出端并联，连接下一组单体电池和保护电路。在单体电池POW1的两极之间连接有电压检测器，电压检测器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，单体电池POW1的负极连接电压检测器接地端Vss，正极连接电压检测器的输入端Vin，电压检测器TC51的输出端输出电压检测信号，开关管T1和反向器C1的接点为控制信号输入端。

电压检测器TC51为低功耗、漏极开路输出的CMOS电压检测器，其电路原理图参见图3，TC51电路由比较器、小电流高精度的参考电压电路、激光程控的分压器、延迟电路和带有数字延迟定时器的输出驱动器组成，TC51采用漏极开路输出，并带有内置的延迟功能。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是，电压检测器采用比较器，比较器反向端连接基准电压输入，比较器同向端连接电压信号取样电路，电子开关采用继电器，继电器的常闭触点(或常开触点)依次串联连接每个单体电池或子电池组，继电器的常开触点(或常闭触点)连接所述单体电池或子电池组的负极和下一个单体电池或子电池组的负极之间，保护电路的控制信号输入端控制连接继电器的驱动线圈电源接入端。电子开关或者采用大功率三极管。

实施例三：参见图1，本实施例电池组均衡放电控制装置，电池组由七只锂离子单体电池组成，七个单体电池通过实施例一所述的保护电路依次串联连接，第一个单体电池的负极和通过反向器联锁的最后一组电子开关的输出端即为电池组供电电压输出端。每个电压检测器的输出端分别连接中央处理器的一个I/O输入端口，中央处理器程序设定的对应I/O输出控制端口分别连接每个单体电池对应的那一组其中一个电子开关的触发控制端，该电子开关的触发控制端同时通过反向器连接另一个电子开关的触发控制端。

本实施例控制处理电路中央处理器采用H8/38024单片机，H8/38024的Vss和Avss端接地，电源端VCC连接工作电源，其OSC1、OSC2端接时钟，H8/38024的I/O输入端AN0～AN6脚分别通过电阻R1、R7～R11连接七个电压检测器输出端Vout，AN1～AN6脚同时分别通过电阻R2～R6接地，七个电压检测器分别检测七个单体电池的端电压，EM78P458的相应I/O输出端P50～P56分别连接将单体电池接入放电回路电子开关的控制端，同时通过反向器对应连接将该单体电池从放电回路断开电子开关的控制端。工作时，当检测电压Vin大于Vdet-时，TC51的输出Vout就保持逻辑高状态；当Vin低于Vdet-时，输出立即变为逻辑低状。在Vin小于Vdet-与滞后量Vhyst之和时，Vout保持低电平。反之Vout再次回到高电平。在本实施例中，每个单体电池额定工作电压为4V，电压检测器基准电压Vdet-设定为2.75～3.00V。

本实施例中央处理器也可以采用EM78P458单片机，其连接关系同H8/38024大同小异，在此不再赘述。另外在EM78P458或H8/38024单片机的一个I/O端口与系统地之间可连接热敏电阻，通过控制处理电路，提供热保护功能。

图2所示的精确基准电源产生电路中，TL431为单片机电源提供基准电压输入。TL431是一个三端可调分流基准源，可以根据外部的精密电阻网络得到2.5～36V之间任意的电压。直流电源正极通过一限流电阻接入TL431的CATHODE端，直流电源负极连接TL431的ANODE端，在所述电阻与TL431的CATHODE端的接点与直流电源负极之间连接有两个分压电阻，所述两个分压电阻的接点接入TL431的基准电压输入REF端，TL431的CATHODE端输出的基准电源连接所述中央处理器的基准电压输入端Vref。

电池组均衡放电控制装置，具体工作原理如下：

1、在放电过程中，单片机上电后，完成系统主流程的主程序将使用CALL指令调用初始化函数，初始化工作包括3个方面：定义全部寄存器和单片机端口；初始化片内寄存器和端口状态；系统监控系统复位并启动，中断复位并等待。

2、调用检测电池的子程序，检测出对应的TC51输出低电平，完成检测。

3、将检测的结果进行分析和判断，如果没有TC51输出低电平，则直接进入下一个循环。如果有一个TC51输出低电平，则发出替换的指令。如果多个TC51输出低电平，则判断出出现时间最长的并发出替换指令；如果出现时间最长的不止一个，则任取一个发出替换指令。如果TC51输出低电平的大于3个，则发出停止指令，切断供电回路，以保护电池组。

4、根据判断的结果发出指令，控制电子开关(始终使6只单体电池处于放电状态，1只单体电池处于休眠状态)调整电池组内电池的放电状态。

5、延迟后重复步骤2进入循环。

实施例四：参见图4，本实施例与实施例三的不同之处在于，电池组由7个子电池组组成，每个子电池组由三节单体镍氢电池组成。7个子电池组之间用电子开关连接，6个子电池组保持串联状态，提供24V的电力；一个子电池组保持脱离处于休眠状态，作为备用子电池组随时准备替换6个子电池组中的电性能不佳的子电池组；同时，被替换下来的子电池组作为备用。

实施例五：参见图5，在本实施例中，采用了MC16C/62P16位单片机对电池组进行精确的控制。电池组由22只镍氢单体电池串联组合而成，之间用电子开关连接，20只保持串联状态，提供24V的电力；2只保持脱离电池组处于休眠状态，作为备用电池随时准备替换20只中的电性能不佳的单体电池；同时，被替换下来的单体电池作为备用电池。在本实施例中，每个单体电池标定电压为1.2V，电压检测器TC51的Vdet-设定为0.85～1.00V。

实施例六：参见图6，在本实施例中，采用了MC16C/62P16位单片机对电池组进行均衡放电控制。电池组由22只锂离子单体电池串联组合而成，之间用电子开关连接，20只保持串联状态，提供72V的电力；2只保持脱离电池组处于休眠状态，作为备用电池随时准备替换20只中的电性能不佳的单体电池；同时，被替换下来的单体电池作为备用电池。本实施例中，每个单体电池标定电压为3.6V，电压检测器TC51的Vdet-设定为2.5～2.8V。

实施例七：参见图7，本实施例中，采用了常用的STC89C51单片机对电池组进行均衡放电控制。由于STC89C51内部没有A/D转换功能，采用ADC0809芯片来扩展8路A/D转换功能。电池组由7只锂离子单体电池串联组合而成，之间用电子开关连接，6只保持串联状态，提供24V的电力；1只保持脱离电池组处于休眠状态，作为备用电池随时准备替换7只中的电性能不佳的单体电池；同时，被替换下来的单体电池作为备用电池。七个电压检测器的输出端分别通过电阻连接到ADC0809的输入端IN0～IN6，ADC0809的IN0～IN6同时分别通过电阻接地，ADC0809的输出端D0～D7分别连接STC89C51的P0.0～P0.6端口，ADC0809的端口A、B、C对应连接锁存器74LS373的A0、A1、A2端口，锁存器74LS373的数据输出端D0～D7分别连接STC89C51的P0.0～P0.6端口，ADC0809的输入端IN7连接热敏电阻，其GND脚接地，Vref端接电源，STC89C51的ALE端连接74LS373的G端口，STC89C51的ALE端二分频后连接ADC0809的ALE端，STC89C51的读写控制端对应连接ADC0809的相应功能端，ADC0809的的EOC口通过反向器连接STC89C51的中断输入端口INT1。

实施例八：参见图8和实施例七，本实施例也采用STC89C51单片机对电池组进行均衡放电控制，采用ADC0809芯片来扩展8路A/D转换功能。电池组由6只镍氢单体电池串联组合而成，之间用电子开关连接，5只保持串联状态，提供6V的电力；1只保持脱离电池组处于休眠状态，作为备用电池随时准备替换5只中的电性能不佳的单体电池；同时，被替换下来的单体电池作为备用电池。在本实施例中，电压检测器TC51的Vdet-设定为0.85～1.00V。

Claims (8)

1、一种单体电池或子电池组保护电路，含有电压信号输出端和控制信号输入端，连接在所述单体电池或子电池组两极之间的电压检测器的信号输出端即为所述保护电路的电压信号输出端，其特征是：所述单体电池或子电池组连接有一个将其接入放电回路的电子开关和一个将其从放电回路断开的电子开关，前者电子开关串联连接在所述单体电池或子电池组的正极和下一个单体电池或子电池组的负极之间，后者电子开关连接在所述单体电池或子电池组的负极和下一个单体电池或子电池组的负极之间，所述保护电路的控制信号输入端连接所述电子开关的控制端。

2、根据权利要求1所述的单体电池或子电池组保护电路，其特征是：所述电压检测器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，所述单体电池或子电池组的负极连接电压检测器接地端Vss，正极连接电压检测器的输入端Vin，电压检测器TC51的输出端连接所述保护电路的电压信号输出端；电子开关采用场效应晶体管，其中一个场效应晶体管的控制端连接保护电路的控制信号输入端，所述控制信号输入端同时通过反向器连接另一个电子开关的控制端。

3、根据权利要求1所述的单体电池或子电池组保护电路，其特征是：电压检测器采用比较器，比较器反向端连接基准电压输入，比较器同向端连接单体电池或子电池组电压信号取样电路，电子开关采用继电器，继电器的常闭触点依次串联连接每个单体电池或子电池组，继电器的常开触点连接所述单体电池或子电池组的负极和下一个单体电池或子电池组的负极之间，所述保护电路的控制信号输入端控制连接继电器驱动线圈电源；电子开关或者采用大功率三极管。

4、一种电池组均衡放电控制装置，含有权利要求1所述的单体电池或子电池组保护电路以及以中央处理器为核心的控制处理电路，组成电池组的每个单体电池或子电池组连接的电压检测器输出端分别直接或通过A/D转换器连接中央处理器的一个I/O输入端口，其特征是：组成电池组的每个单体电池或子电池组通过一个使该单体电池或子电池组接入放电回路的电子开关依次串联连接，同时从第一个单体电池或子电池组开始，在每前一个单体电池或子电池组的负极与下一个单体电池或子电池组的负极之间依次连接有使其从放电回路中断开的电子开关，前者电子开关的触发控制端连接中央处理器的一个I/O输出控制端口，后者电子开关的触发控制端通过反向器连接前者电子开关的触发控制端，第一个单体电池或子电池组的负极和最后一个单体电池或子电池组正极连接的那一组电子开关的输出端为电池组的工作电压输出端。

5、根据权利要求4所述的电池组均衡放电控制装置，其特征是：所述的电压比较器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，中央处理器采用EM78P458或者H8/38024单片机，EM78P458或H8/38024的接地脚接地，电源端接工作电源，时钟输入端外接时钟，EM78P458或H8/38024程序设定的相应I/O输入端分别连接电压检测器输出端Vout，EM78P458或H8/38024的程序设定的相应I/O输出端分别连接接入放电回路的电子开关和通过反向器对应连接从放电回路断开的电子开关的控制端，EM78P458或H8/38024的基准电压输入端Vref连接TL431精确基准电源产生电路，直流电源正极通过一限流电阻接入TL431的CATHODE端，直流电源负极连接TL431的ANODE端，在所述电阻与TL431的CATHODE端的接点与直流电源负极之间连接有两个分压电阻，所述两个分压电阻的接点接入TL431的基准电压输入REF端。

6、根据权利要求4所述的电池组均衡放电控制装置，其特征是：电压比较器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，中央处理器采用MC16C/62P 16位单片机，电池组含有二十二个单体电池，分别对应连接二十二个电压检测器，电压检测器的输出分别接入MC16C/62P程序设定的相应I/O输入端口，MC16C/62P程序设定的相应I/O输出端口依次连接二十二组单体电池或子电池组接入和断开切换电子开关。

7、根据权利要求4所述的电池组均衡放电控制装置，其特征是：电压比较器采用漏极开路输出的CMOS电压检测器TC51，中央处理器采用STC89C51单片机，A/D转换器采用ADC0809，电压检测器TC51的输出端连接ADC0809的相应输入端口，ADC0809输出端分别连接中央处理器STC89C51的相应I/O输入端口，在ADC0809和中央处理器STC89C51连接有数据锁存器74LS373，央处理器STC89C51的I/O输出端控制连接单体电池或子电池组接入和断开切换电子开关。

8、根据权利要求4～7任一项所述的电池组均衡放电控制装置，其特征是：电子开关采用继电器，继电器的常闭触点串联连接相邻的两个单体电池或子电池组，继电器的常开触点连接在一个单体电池或子电池组和下一个单体电池或子电池组的负极之间，继电器控制线圈的电源端和中央处理器相应I/O输出端口连接的驱动电路连接。

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