CN201290021Y - 锂电池组充放电控制保护电路 - Google Patents

Abstract

一种锂电池组充放电控制保护电路。包括有串联多节锂电池，各锂电池各自并联有一个单电池电压监测模块，其输出信号送到电子开关，电子开关的输出信号输出到光电开关，所有光电开关的输出连接到比较控制开关，比较控制开关4输出控制放电控制开关和充电控制开关。光电开关将浮地信号转换成共地信号，有效地解决了现有安全保护集成电路耐压不够的问题，从而实现锂电池组充放电控制保护，延长了电池的使用寿命。

Description

锂电池组充放电控制保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种锂电池组充放电控制保护电路，尤其涉及一种将浮地监测信号转换为共地监测信号的电路。

背景技术

基于锂电池组物理结构上的原因，对锂电池组充放电有特定要求，如充电时须具备有预充电功能、需恒流、恒压充电，最大放电电流限制等。同时锂电池组在充、放电工作过程中，需要对其过充电压、过放电压以及负载电流等关键参数进行监测和控制。

锂电池组既不能过充电也不能过度放电。因过充电会产生热量，使锂电池组内部温度上升，电解液气化，内部气压升高，甚至有使外壳破裂的危险。过放电会导致电解液分解，锂电池组性能下降，缩短寿命。故对锂电池组充放电管理的好坏直接影响锂电池组的安全和使用寿命。

目前，单节锂电池充放电保护电路已较成熟，如图3所示为常见单节锂电池充放电电压监测模块原理图，该模块电路包括由过充电检测比较器10、过放电检测比较器11、逻辑判断控制电路12、充电控制开关6、放电控制开关5等组成的锂电池监测保护电路。检测比较器10和11检测到锂电池9的电位后，将被检测锂电池的电位与检测比较器10、11内置的基准电压比较，然后将比较结果输出给逻辑判断控制电路12，逻辑判断控制电路12按照事先设定的数值和控制程序去控制充电开关6和放电控制开关5的通断。

正常充、放电工作时：单节锂电池充放电电压监测模块的输出脚C0、D0均输出高电平，使充电控制开关6和放电控制开关5均导通，单节锂电池按正常充、放电工作。若单节锂电池充放电电压监测模块检测到有过充电压或过放电压时，则C0或D0输出低电平，使充电控制开关管6或放电控制开关管5截止，锂电池被停止充电或放电，从而实现对锂电池的充电电压、放电电压、放电电流等进行监测和控制，达到了保证锂电池使用中的安全和延长锂电池组的使用寿命。

因单节锂电池容量有限，电压有限，难以满足实际用户要求。故锂电池一般都串并联使用，组成串并联锂电池组，以增加锂电池输出功率，满足用户实际需求。目前锂电池组充放电安全保护集成电路耐压仅仅24V，多节串联锂电池组电压若超过24V，则安全保护集成电路耐压不够，故不易使用。对锂电池组充、放电安全保护集成电路仅能保护8节左右，若锂电池组内单节电池数多于8节则实现保护困难，控制电路成本较高。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种锂电池组充放电控制保护电路，有效保证各单节锂电池使用中的安全和延长使用寿命。

本实用新型的上述目的由以下技术方案实现：锂电池组充放电控制保护电路，包括有串联多节锂电池E1、E2、……、En-1、En的锂电池组，锂电池组的各个锂电池各自并联有一个单电池电压监测模块1，其输出信号送到电子开关2，电子开关2的输出信号输出到光电开关3，所有光电开关3的输出连接到比较控制开关4，比较控制开关4输出控制放电控制开关5和充电控制开关6。

所述的单电池电压监测模块1检测与其并联的锂电池E1充放电工作状态，在锂电池出现过充电压或者过放电压时，单电池电压监测模块1输出信号到电子开关2，电子开关2产生信号输出到光电开关3，光电开关3产生的信号输出到比较控制开关4，由比较控制开关4控制充电控制开关6或者放电控制开关5断开，停止对锂电池组进行充电或者放电。

所述的电子开关2的输入端为来自单电池电压监测模块1输出的检测信号：过充电压信号和过放电压信号，其分别经过一个电阻接到各自三极管Q1和Q2的基极，两个三极管Q1和Q2的发射极共接一电源，两个三极管Q1和Q2的集电极各自连接一个二极管D1和D2的阳极，两个二极管D1和D2的阴极互连为输出端信号，其输出到光电开关3的输入端。

所述的光电开关3接收来自电子开关2的输出信号，所述的光电开关3的输出信号连接到比较控制开关4，光电开关将浮地信号转换成共地信号E。所有的电子开关2具有相同的电路结构，所有的光电开关3具有相同的电路结构。

本实用新型的优点及效果是提供一种锂电池组充放电控制保护电路，有效地保证各单节锂电池使用中的安全和延长使用寿命。

本实用新型电路，采用电子开关对单电池电压监测模块输出的监测信号进行变换处理，采用光电开关对电子开关输出的浮地信号转换成共地信号，有效地解决了现有安全保护集成电路耐压不够的问题，从而实现锂电池组充放电控制保护，延长了电池的使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的线路原理框图；

图2是电子开关和光电开关原理图；

图3是单节锂电池充放电电压监测模块原理图；

图4是串联锂电池组各电池电位分布图；

图5是比较控制开关及充放电控制开关电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

图1是本实用新型线路原理框图，共有N组锂电池、单节锂电池电压监测模块、电子开关和光电开关结构的电路，每一组电路结构相同，工作原理相同。就第一组电路：锂电池E1、单节锂电池电压监测模块1、电子开关2和光电开关3而言，通过单节锂电池电压监测模块1检测锂电池E1充电和放电工作状态，如果发现该节锂电池E1充电或者放电工作电压异常，则通过锂电池充放电压监测模块1检测后并经该模块输出脚C0或者D0端输出低电平，再经电子开关2和光电开关3，由光电开关3进行光电转换，经E端输出高电平控制信号。由图可见经光电开关3将所有单节锂电池浮地电位转换成以“E-”端为公共参考点，实现了将浮地转换为共地。E端高电平控制信号送入比较控制开关4，由比较控制开关输出控制充电开关管6或放电开关管5的导通或截止，控制锂电池组的充、放电回路的通断。

所以锂电池组在充、放电工作过程中，做到了既防止锂电池组过充电、也阻止锂电池组过放电，同时对锂电池组的放电电流、负载短路等关键参数进行了有效监测和控制。

通过使用该技术方案，采用电子开关和光电转换开关电路，可将每节锂电池的浮地安全转换为共地，低电压工作，实现了电位隔离和统一公共参考点，达到锂电池组使用中的安全和延长锂电池组的使用寿命。

见图所示具体工作流程：

图3为单节锂电池充放电电压监测模块原理图，每一节锂电池配接一个锂电池电压监测模块，其内部包含有：过充电监测比较器10、过放电监测比较器11、逻辑判断控制电路12等电路组成。检测比较器10、11检测锂电池9的电位，将被检测到的锂电池的电位与检测比较器10、11内置的基准电压比较，然后将比较结果输出给逻辑判断控制电路12，逻辑判断控制电路12输出信号C0为充电端控制信号，D0为放电端控制信号，由它们再分别去后续的电子开关电路以及光电开关电路。

结合图2和图5，正常充放电工作时：C0、D0均输出高电平，使得电子开光电路中的开关三极管Q1、Q2的EB结反偏，故电子开关2和光电转换开关3均为断开状态；E+通过图5比较控制开关及充放电控制开关电路原理图上的R18、R19分压，经R13、R14、R16、R17为充电控制开关6、放电控制开关5提供给开关管Q5、Q6开启电压VT，使开关管Q5、Q6处于导通，锂电池组按正常充、放电工作。

若单电池电压监测模块1检测到锂电池组中某节锂电池出现过充电压或过放电压，则单锂电池电压监测模块1输出脚C0或D0则输出低电平，开关三极管Q1、Q2的EB结变为正偏，Q1、Q2导通，经D1或D2到达C端，C端高电平使光电开关3中D3导通，高电平信号经光电三极管由E端送出到达比较控制开关4中IC₁的6脚，当引脚电压U₆>U₅，则引脚电压U₇输出低电平，经D10、D11再去控制开关管Q5、Q6的控制极U_GS，此时开关管Q5、Q6的U_GS<VT(Q5、Q6开启电压)，使开关管Q5、Q6截止，停止对锂电池组充、放电。

若单锂电池电压监测模块1检测到负载出现短路，经比较控制开关4中Rs取样电阻，H端获得高电平控制信号到达比较控制开关4上IC₁的2脚输入，当引脚电压U₂＝I_放*R_S>U_{3参考电压}时(设计U_{3参考电压值值}以确定最大放电电流)，则IC₁的1脚输出低电平控制信号，经D13去控制开关管Q5，使放电控制开关管Q5迅速截止，停止锂电池组放电，实现对锂电池组的负载电流进行监测和控制。

可见，该技术方案经光电开关3将所有单节锂电池浮地电位转换成以“E-”端为公共参考点，实现了将浮地转换为共地。通过将锂电池组浮地转换为共地，实时方便地控制了锂电池组最高充电电压、最大放电电流、过放电电压、负载短路保护等功能。

若实际锂电池组电压已超过24V，或锂电池组内串并联单节锂电池数多于8节，现有的锂电池监测保护IC集成电路耐压仅仅24V，不能满足实际需要。

图4为串联锂电池组各电池电位分布图，各单节锂电池连接的单锂电池电压监测模块无统一参考电位，即其输出信号C0、D0电位无统一参考电位，为浮动状态。各单节锂电池电位均呈现浮地状态，控制保护电路难以统一控制。

如果锂电池每节电压为3V，则每节锂电池正端相对E-的点位是：

锂电池En电位：En＝3V；

锂电池En-1电位：En-1＝2*3V；

……

锂电池E2电位：E2＝(N-1)*3V；

锂电池E1电位：E1＝N*3V；

N：电池组节数；

可见，若N＝16节的锂电池组，则锂电池E1相对E-电位是48V＝E+；

若E+＝48V，显然大于现有的锂电池监测保护IC集成电路耐压24V；为此，本实用新型通过电子开关2和光电开关3将各单节锂电池浮地转换为共地。转换后公共参考点选择为“E-”端；将锂电池组内串联各单节锂电池浮地统一转换为参考电位“E-”，可用低电压3.6V工作，实使充放电控制与保护，安全可靠。

Claims (2)

1、一种锂电池组充放电控制保护电路，包括有串联多节锂电池(E1、E2、……、En-1、En)的锂电池组，其特征在于所述的锂电池组的各个锂电池(E1、E2、……、En-1、En)各自并联有一个单电池电压监测模块(1)，其输出信号送到电子开关(2)，电子开关(2)的输出信号输出到光电开关(3)，所有光电开关(3)的输出连接到比较控制开关(4)，比较控制开关(4)的两路输出分别控制放电控制开关(5)的通断和充电控制开关(6)的通断；

所述的单电池电压监测模块(1)检测与其并联的锂电池(E1)充放电工作状态，在锂电池出现过充电压或者过放电压时，单电池电压监测模块(1)输出信号到电子开关(2)，电子开关(2)产生信号输出到光电开关(3)，光电开关(3)产生的信号输出到比较控制开关(4)，由比较控制开关(4)控制充电控制开关(6)或者放电控制开关(5)断开，停止对锂电池组进行充电或者放电。

2、根据权利要求1所述的锂电池组充放电控制保护电路，其特征是：

所述的电子开关(2)的输入端为来自单电池电压监测模块(1)输出的检测信号：过充电压信号(C0)和过放电压信号(D0)，其分别经过一个电阻接到各自三极管(Q1、Q2)的基极，两个三极管(Q1、Q2)的发射极共接一电源，两个三极管(Q1、Q2)的集电极各自连接一个二极管(D1、D2)的阳极，两个二极管(D1、D2)的阴极互连为输出端信号，其输出到光电开关(3)的输入端；

所述的光电开关(3)接收来自电子开关(2)的输出信号，所述的光电开关(3)的输出信号连接到比较控制开关(4)，其将输入的浮地信号转换成输出的共地信号(E)；

所有的电子开关(2)具有相同的电路结构，所有的光电开关(3)具有相同的电路结构。

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