CN201789042U - 锂电池的均衡保护电路及锂电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种锂电池的均衡保护电路及锂电池，该锂电池的均衡保护电路与锂电池的单体电池并联，包括：第一固定电阻、第二固定电阻、第一可调电阻、第二可调电阻、三端基准电压集成电路及分流开关模块。第一固定电阻与第一可调电阻连接；第二固定电阻与第二可调电阻连接；第一可调电阻及第二可调电阻与三端基准电压集成电路的参考极连接；三端基准电压集成电路的阴极与分流开关模块连接。分流开关模块用于当单体电池正极的电压高于三端基准电压集成电路阴极的电压时，对流过单体电池的部分电流进行分流。本实用新型通过设置可调电阻能避免器件误差而产生的单体电池过充问题，进而能避免锂电池提前失效。

Description

锂电池的均衡保护电路及锂电池
技术领域
本实用新型涉及一种锂电池技术，尤其涉及一种锂电池的均衡保护电路及锂电池。
背景技术
锂电池自从90年代初开发成功以来，以其电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、寿命长等优点，已广泛应用于便携式电子产品、电动工具和电动车电源中。
在应用过程中，作为供电电源的锂电池通常由多个单体电池串联而成，以满足设备所需电压和功率要求。由于工艺控制和检测手段的不完善，导致各单体电池的容量存在差异。由于由多个单体电池串联而成的锂电池的容量只能达到其中最弱的单体电池的容量，导致无法充分利用各单体电池的容量。另外，在充电过程中，流过单体电池的电流相同，容量小的单体电池充满电后，流过锂电池的电流变得很小，但容量大的单体电池还未充满，继续充电就会造成容量小的单体电池两端的电压过高，从而造成单体电池过充，长期使用会导致容量小的单体电池提前失效，最终导致锂电池的提前失效。通常把因单体电池的容量差异而导致的锂电池提前失效的现象称为电池匹配失衡。
为解决电池匹配失衡问题，需要在锂电池的各单体电池上增加额外的保护电路，在锂电池充电初期保证恒流的充电状态，以达到最快的充电速度，在容量小的单体电池接近充满时，即流过的电流减小时，使单体电池两端的电压稳定到一个安全值，即保证恒压的充电状态。当容量小的单体电池电压超过该安全值时，保护电路中的分流支路将流过该单体电池的电流泻放，从而使得该单体电池两端的电压降低。这种通过泻放单体电池的电流而使得单体电池两端电压降低的技术称为嵌压分流技术。采用这种技术的保护电路称为均衡保护电路。
图1为现有均衡保护电路的原理图。如图1所示，单体电池B1两端并联有两条支路，其中一条支路S1由恒压点参考电压Ucv及电压比较器P11构成，另一条支路S2由电阻R11和开关K11构成。开关K11的开闭由电压比较器P11的输出来控制，当输出为高电平时，开关K11闭合，当输出为低电平时开关K11打开。当单体电池B1的电压低于恒压点参考电压Ucv时，电压比较器P11输出为低电平，开关K11打开，使得支路S2处于断开状态。当单体电池B1的电压超过恒压点参考电压Ucv时，电压比较器P11输出高电平，开关K11闭合，使得支路S2闭合，将通过单体电池B1的一部分电流进行分流，使得单体电池B1的电压降低至恒压点参考电压Ucv，并稳定在恒压点参考电压Ucv。
现有技术通常采用三端基准电压集成电路和分压电阻配合的方式，实现恒压点参考电压Ucv的功能。如图2所示，电阻R21与电阻R22用于设定三端基准电压集成电路的输出电压Uo，即设定了恒压点参考电压Ucv。理论上Uo＝(1+R21/R22)Uref，其中Uref是固定值，对于TL431或LM431，该固定值为2.5V。由于生产工艺的问题，三端基准电压集成电路通常存在误差，不同的三端基准电压集成电路采用同样的分压电阻，设定的实际输出电压会与输出电压Uo不同。当实际输出电压大于输出电压Uo时，由于单体电池两端的电压必须高于该实际输出电压才能使分流支路导通，因此导致单体电池过充。
实用新型内容
为克服现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种锂电池的均衡保护电路及锂电池，能避免由于三端基准电压集成电路的误差而产生的单体电池过充问题，并能根据实际需要调整三端基准电压集成电路的输出电压，可有效防止电池匹配失衡现象的发生，进而能避免锂电池提前失效。
本实用新型提供了一种锂电池的均衡保护电路，与所述锂电池的单体电池并联，包括：第一固定电阻、第二固定电阻、第一可调电阻、第二可调电阻、三端基准电压集成电路，及用于当所述单体电池正极的电压高于所述三端基准电压集成电路阴极的电压时，对流过所述单体电池的部分电流进行分流的分流开关模块；
所述第一固定电阻的一端与所述单体电池的正极连接，所述第一固定电阻的另一端与所述第一可调电阻的一端连接；
所述第二固定电阻的一端与所述单体电池的负极连接，所述第二固定电阻的另一端与所述第二可调电阻的一端连接；
所述第一可调电阻的另一端依次与所述第二可调电阻的另一端、所述三端基准电压集成电路的参考极连接；
所述三端基准电压集成电路的阳极与所述单体电池的负极连接，阴极与所述分流开关模块连接；
所述分流开关模块还连接所述单体电池的正极与所述单体电池的负极。
如上所述的锂电池的均衡保护电路中，所述三端基准电压集成电路可为TL431或LM431。
所述分流开关模块可包括PNP晶体管，所述PNP晶体管的基极与所述三端基准电压集成电路的阴极连接，所述PNP晶体管的集电极与所述单体电池的负极连接，所述PNP晶体管的发射极与所述单体电池的正极连接。
所述分流开关模块还可包括分流电阻，所述PNP晶体管的集电极经由所述分流电阻与所述单体电池的负极连接。
或者，所述分流开关模块可包括PNP型达林顿管，所述PNP型达林顿管的基极与所述三端基准电压集成电路的阴极连接，所述PNP型达林顿管的集电极与所述单体电池的负极连接，所述PNP型达林顿管的发射极与所述单体电池的正极连接。
所述分流开关模块还可包括分流电阻，所述PNP型达林顿管的集电极经由所述分流电阻与所述单体电池的负极连接。
或者，所述分流开关模块可包括PNP晶体管及NPN晶体管，所述PNP晶体管的基极与所述三端基准电压集成电路的阴极连接，所述PNP晶体管的发射极与所述单体电池的正极连接，所述PNP晶体管的集电极与所述NPN晶体管的基极连接，所述NPN晶体管的集电极与所述单体电池的正极连接，所述NPN晶体管的发射极与所述单体电池的负极连接。
所述PNP晶体管的发射极与所述单体电池的正极之间的布线独立于所述NPN晶体管的集电极与所述单体电池的正极之间的布线。
本实用新型还提供了一种锂电池，包括：多个相互串联的单体电池及与每个所述单体电池并联的上述任意一种锂电池的均衡保护电路。
由上述技术方案可知，锂电池的均衡保护电路通过设置可调电阻，消除了三端基准电压集成电路存在的误差，并且，使用该可调电阻还能根据需要方便地调整三端基准电压集成电路的输出电压，使该均衡保护电路能使用在多种具有不同电压要求的单体电池上。因此，该均衡保护电路具有操作简单、安全可靠及高性价比等优点，且具有该均衡保护电路的锂电池能有效防止电池匹配失衡现象的发生，进而能避免锂电池提前失效。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为现有技术均衡保护电路的原理图。
图2为现有技术实现恒压点参考电压Ucv功能的电路图。
图3为本实用新型第一实施例提供的锂电池的均衡保护电路的示意图。
图4为本实用新型第二实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。
图5为本实用新型第三实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。
图6为本实用新型第四实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。
图7为本实用新型第五实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。
图8为本实用新型第六实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。
图9为本实用新型第七实施例提供的锂电池的示意图。
具体实施方式
图3为本实用新型第一实施例提供的锂电池的均衡保护电路的示意图。如图3所示，均衡保护电路与锂电池的单体电池B1并联，包括：分压模块U31、三端基准电压集成电路P31及分流开关模块I31。
其中，该分压模块U31包括：第一固定电阻R31、第二固定电阻R32、第一可调电阻R33及第二可调电阻R34。第一固定电阻R31的一端与单体电池B1的正极连接，第一固定电阻R31的另一端与第一可调电阻R33的一端连接，第二固定电阻R32的一端与单体电池B1的负极连接，第二固定电阻R32的另一端与第二可调电阻R34的一端连接，另外，第一可调电阻R33的另一端与第二可调电阻R34的另一端连接后，与三端基准电压集成电路P31的参考极连接。
该三端基准电压集成电路的阳极与单体电池B1的负极连接，三端基准电压集成电路的阴极与该分流开关模块I31连接，且该分流开关模块还连接单体电池B1的正极与负极。分流开关模块用于当单体电池B1的正极电压高于三端基准电压集成电路的阴极电压时，即单体电池B1两端的电压超过设定的电压值时，对流过单体电池B1的部分电流进行分流，从而使单体电池B1两端的电压下降，达到单体电池B1两端电压恒定的目的。
本实施例在两个固定电阻的基础上增加了两个可调电阻，能够通过调节可调电阻的阻值纠正制造工艺的偏差所引起的三端基准电压集成电路输出电压的偏差。且在均衡保护电路制造完成后，如果三端基准电压集成电路P31的输出电压存在偏差，仅需调整可调电阻就能消除偏差，避免了更换电阻造成的资源浪费，节约了时间，并提高了生产效率。
并且，通过设置可调电阻，可以根据需要随时调整三端基准电压集成电路P31的输出电压，使该均衡保护电路能使用在多种具有不同电压要求的单体电池上，扩大了该均衡保护电路的使用范围，进一步节约了资源。
图4为本实用新型第二实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。如图4所示，本实施例中，分流开关模块为一个PNP晶体管T41，其发射极与单体电池B1的正极连接，其集电极与单体电池B1的负极连接，其基极与三端基准电压集成电路P31的阴极连接。
当单体电池B1的正极电压高于三端基准电压集成电路P31的阴极电压时，PNP晶体管T41导通，流过单体电池B1的部分电流通过PNP晶体管T41分流，使得单体电池B1的正极电压下降至三端基准电压集成电路P31的阴极电压，保证了单体电池B1两端电压的恒定。
图5为本实用新型第三实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。如图5所示，本实施例中，PNP晶体管T41与单体电池B1的负极之间增加了分流电阻R55，以防止流过NPN晶体管T41的分流电流过大，避免PNP晶体管T41因电流过大导致的过热损坏。
图6为本实用新型第四实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。本实施例中，分流开关模块为PNP型达林顿管T61，相比于图4及图5中的PNP晶体管T41，PNP型达林顿管T61导通时具有更大的集电极电流，因此具有更好的分流效果。PNP型达林顿管T61并不局限于图6所示的两个PNP晶体管组合的情形，还可以是PNP晶体管与NPN晶体管组合的PNP型达林顿管。
图7为本实用新型第五实施例连接单体电池的均衡保护电路的电路图。本实施例中，在PNP型达林顿管T61的集电极与单体电池B1的负极之间增加了分流电阻R75，以防止流过PNP型达林顿管T61的分流电流过大，避免了PNP型达林顿管T61因电流过大导致的过热损坏。
图8为本实用新型第六实施例提供的锂电池的均衡保护电路的电路图。本实施例中，分流开关模块包括PNP晶体管T81及NPN晶体管T82，其中，PNP晶体管T81的基极与三端基准电压集成电路P31的阴极连接，PNP晶体管T81的发射极与单体电池B1的正极连接，PNP晶体管T81的集电极与NPN晶体管T82的基极连接，NPN晶体管T82的集电极与单体电池B1的正极连接，NPN晶体管T82的发射极与单体电池B1的负极连接。采用该PNP晶体管T81推NPN晶体管T82的结构，相比于图4及图5中单个PNP晶体管的结构，可进一步增大分流开关模块的分流能力。
在本实施例中，当单体电池B1的正极的电压超过三端基准电压集成电路P31的阴极电压时，PNP晶体管T81及NPN晶体管T82导通，流过单体电池B1的部分电流通过NPN晶体管T82泻放，使得单体电池B1的正极的电压下降，从而将单体电池B1两端的电压稳定于设定的电压。当NPN晶体管T82流过的分流电流较大时，NPN晶体管T82的集电极与单体电池B1的正极之间的连接导线上会产生较大的线损电压，如果将PNP晶体管T81的电压采集点E设置在图8所示的位置，使电压采集点E和PNP晶体管T81集电极之间的布线独立于NPN晶体管T82的集电极与单体电池B1的正极之间的布线，则上述线损电压就不会影响电压采集点E所获得的单体电池B1的实际电压，从而能对单体电池B 1进行准确的电压控制。
上述各实施例中，锂电池的均衡保护电路通过设置可调电阻，消除了三端基准电压集成电路存在的误差，并且，使用该可调电阻还能根据需要方便地调整三端基准电压集成电路的输出电压，使该均衡保护电路能使用在多种具有不同电压要求的单体电池上。因此，该均衡保护电路具有操作简单、安全可靠及性价比高等优点。
图9为本实用新型第七实施例提供的锂电池的示意图。如图9所示，锂电池90包括：多个相互串联的单体电池B1及锂电池的均衡保护电路91，其中，每一个单体电池B1均并联有锂电池的均衡保护电路91，且锂电池的均衡保护电路91为上述第一至第七实施例所描述的锂电池的均衡保护电路中的任意一种。设置有锂电池的均衡保护电路91的锂电池90可有效防止电池匹配失衡现象的发生，进而能避免锂电池提前失效。
需要说明的是，锂电池的每个单体电池B1均并联有上述实施例提供的锂电池的均衡保护电路，并且，各实施例中的单体电池B1并不局限于附图中所示的一个电池，还可以是多个并联的单体电池形成的电池组，不管是一个单体电池还是多个并联的单体电池形成的电池组，都可以使用上述各实施例当中的均衡保护电路，对电池或电池组的电压进行控制。
分流开关模块的内部电路结构并不限于上述实施例中的几种情况，任何元器件的组合，只要能实现当单体电池正极的电压高于三端基准电压集成电路所设定的电压时，泻放流过单体电池的一部分电流，并当单体电池正极的电压恢复到设定的电压时，停止泻放电流的功能，都能用于本实用新型中。
三端基准电压集成电路并不限于TL431或LM431，其它任何能使用分压电阻实现恒压点参考电压Ucv功能的器件都能用于本实用新型中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种锂电池的均衡保护电路，与所述锂电池的单体电池并联，其特征在于，包括：第一固定电阻、第二固定电阻、第一可调电阻、第二可调电阻、三端基准电压集成电路，及用于当所述单体电池正极的电压高于所述三端基准电压集成电路阴极的电压时，对流过所述单体电池的部分电流进行分流的分流开关模块；
所述第一固定电阻的一端与所述单体电池的正极连接，所述第一固定电阻的另一端与所述第一可调电阻的一端连接；
所述第二固定电阻的一端与所述单体电池的负极连接，所述第二固定电阻的另一端与所述第二可调电阻的一端连接；
所述第一可调电阻的另一端依次与所述第二可调电阻的另一端、所述三端基准电压集成电路的参考极连接；
所述三端基准电压集成电路的阳极与所述单体电池的负极连接，阴极与所述分流开关模块连接；
所述分流开关模块还连接所述单体电池的正极与所述单体电池的负极。
2.根据权利要求1所述的锂电池的均衡保护电路，其特征在于，所述三端基准电压集成电路为TL431或LM431。
3.根据权利要求1所述的锂电池的均衡保护电路，其特征在于，所述分流开关模块包括PNP晶体管，所述PNP晶体管的基极与所述三端基准电压集成电路的阴极连接，所述PNP晶体管的集电极与所述单体电池的负极连接，所述PNP晶体管的发射极与所述单体电池的正极连接。
4.根据权利要求3所述的锂电池的均衡保护电路，其特征在于，所述分流开关模块还包括分流电阻，所述PNP晶体管的集电极经由所述分流电阻与所述单体电池的负极连接。
5.根据权利要求1所述的锂电池的均衡保护电路，其特征在于，所述分流开关模块包括PNP型达林顿管，所述PNP型达林顿管的基极与所述三端基准电压集成电路的阴极连接，所述PNP型达林顿管的集电极与所述单体电池的负极连接，所述PNP型达林顿管的发射极与所述单体电池的正极连接。
6.根据权利要求5所述的锂电池的均衡保护电路，其特征在于，所述分流开关模块还包括分流电阻，所述PNP型达林顿管的集电极经由所述分流电阻与所述单体电池的负极连接。
7.根据权利要求1所述的锂电池的均衡保护电路，其特征在于，所述分流开关模块包括PNP晶体管及NPN晶体管，所述PNP晶体管的基极与所述三端基准电压集成电路的阴极连接，所述PNP晶体管的发射极与所述单体电池的正极连接，所述PNP晶体管的集电极与所述NPN晶体管的基极连接，所述NPN晶体管的集电极与所述单体电池的正极连接，所述NPN晶体管的发射极与所述单体电池的负极连接。
8.根据权利要求7所述的锂电池的均衡保护电路，其特征在于，
所述PNP晶体管的发射极与所述单体电池的正极之间的布线独立于所述NPN晶体管的集电极与所述单体电池的正极之间的布线。
9.一种锂电池，其特征在于，包括：多个相互串联的单体电池及与每个所述单体电池并联的上述权利要求1-8任意一项所述的锂电池的均衡保护电路。
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