CN201821092U - 锂动力电池组保护电路 - Google Patents

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王宝
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Abstract

本实用新型涉及一种锂动力电池组保护电路,它包括锂电池组,十串锂电池组分别与采样电阻、电流采样电路、电压采样电路、均衡控制电路、温度检测电路、保险丝连接,采样电阻一路与电流采样电路连接,另一路通过放电控制电路、充电控制电路与端口Ⅰ连接,装有控制程序的智能保护芯片U1分别与放电控制电路、电量显示电路、SMBUS通信接口、电流采样电路、电压采样电路、均衡控制电路、温度检测电路、检测均衡芯片U2、检测均衡芯片U3、检测均衡芯片U4、保险丝连接,保险丝与端口Ⅱ连接。该电路:可以灵活配置各项保护阀值,加载各种类型电芯的充放电特性,能够适应各种类型,通用性强,开发周期短;具有较高的均衡效率和极低的电能损失。

Description

锂动力电池组保护电路技术领域[0001] 本实用新型涉及一种保护电路,特别涉及一种锂动力电池组保护电路。 背景技术[0002] 目前,国内的锂电池产业发展迅速,每年都有大量的锂电池用于各种用电设备中。 然而锂电池作为一种新型电池材料,具有很高的能量密度,并且在过度充电或放电的情况 下有燃烧甚至爆炸的隐患。尤其是动力锂电池,有着更高的电压和容量,同时必须承受大电 流充、放电以及复杂应用环境的考验,因此动力锂电池组使用安全就显得更重要。此外,市 场上多数保护装置都采用分立元件搭建,保护阀值都为固定数值,不能随意更改,器件的性 能差异会造成保护阀值判断的失准,并且往往只有一级保护系统;动力锂电池组通常由一 个或几个电池组并联,每个电池组由三个到十几个电池串联构成。这种组合方式能提给电 动工具、电动自行车、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求。然而,这种应用普遍的 配置通常并不能发挥其最大功效,因为如果某个串联电芯的容量与其它电芯不匹配将会产 生电池不均衡,从而降低整个电池组的容量,缩短了使用寿命。目前多数锂电池保护系统的 均衡方法一般都采用电阻放电的方法的来实现,如专利号为200610157582. X,这种均衡方 式是通过对电池电量的消耗而达到电池的均衡,这种均衡效率低,如果增强其均衡能力,则 电阻发热量会比较严重,并且浪费了电池本身有限的能源。发明内容[0003] 本实用新型的目的就是克服现有保护系统的不足,提供一种可以灵活配置、高精 度检测、高安全保护、高效率均衡的锂动力电池组保护电路。[0004] 本新型实为实现上述目的,所采取的技术方案是:一种锂动力电池组保护电路,包 括锂电池组,其特征在于:十串锂电池组分别与采样电阻、电流采样电路、电压采样电路、均 衡控制电路、温度检测电路、保险丝连接,采样电阻一路与电流采样电路连接,另一路通过 放电控制电路、充电控制电路与端口 I连接,装有控制程序的智能保护芯片Ul分别与放电 控制电路、电量显示电路、SMBUS通信接口、电流采样电路、电压采样电路、均衡控制电路、温 度检测电路、检测均衡芯片U2、检测均衡芯片U3、检测均衡芯片U4、保险丝连接,保险丝与 端口 II连接。[0005] 本实用新型具有积极的效果:(1)该电路可以灵活配置各项保护阀值,加载各种 类型电芯的充放电特性,能够适应各种类型,通用性强,开发周期短;(2)采用18位A/D模 数转换,并能对每一路保护阀值进行校准,避免了因器件差异造成的检测误差;(3)拥有 多级保护系统,避免因为一级保护故障造成保护失效,提高系统的安全性;(4)包含基于 Δ-Σ库仑计的电量计算系统,能够准确显示剩余电量,不需要外置电量显示板;(5)采用 功率电感对电芯采用电量转移的方式进行均衡,具有较高的均衡效率和极低的电能损失。附图说明[0006] 图1为本实用新型电路连接框图。[0007] 图2为本实用新型电压采集电路原理图。[0008] 图3为本实用新型电流采集电路原理图。[0009] 图4为本实用新型温度采集电路原理图。[0010] 图5为本实用新型电量均衡电路原理图。[0011] 图6为本实用新型保护电路原理图。[0012] 图7为本实用新型电量显示电路原理图。具体实施方式[0013] 如图1所示,锂动力电池组保护电路,包括锂电池组,十串锂电池组分别与采样电 阻、电池采样电路、电压采样电路、均衡控制电路、温度检测电路、保险丝连接,采样电阻一 路与电流采样电路连接,另一路通过放电控制电路、充电控制电路与端口 I连接,装有控制 程序的智能保护芯片Ul分别与放电控制电路、电量显示电路、SMBUS通信接口、电流采样电 路、电压采样电路、均衡器控制电路、温度检测电路、检测均衡芯片U2、检测均衡芯片U3、检 测均衡芯片U4、保险丝连接,保险丝与端口 II连接。[0014] 图中Ul为装有控制程序的智能保护芯片,它通过PowerLan通信技术将检测均衡 芯片U2、U3、U4双电池信息检测系统连接起来构成了电池电压、电流、温度等信息的检测系 统。装有控制程序的智能保护芯片Ul将采集的信息进行处理,判断是否有超出安全阀值的 危险事件,如果有危险事件发生(如过充电、过放电、过电流、短路、过温等),则将保护信息 送给放电控制MOSFET或充电控制MOSFET切断充放电回路;如果电池在安全状态,则通过对 名节电芯的电量计算得出电芯是否要进行均衡处理,如果需要,则将均衡信号送给均衡控 制电路,维持电池组每个电芯都在均衡的工作状态;装有控制程序的智能保护芯片Ul通过 对根据对电池充、放电流与时间的积分计算出来电池组的剩余电量,并且信息送给电量显示电 路通过LED或LCD显示出来。如果电池组发生了严重的危险事件达到了二级保护的阀值装有 控制程序的智能保护芯片Ul将会输出二级保护信号,将保险丝熔断,达到彻底保护的目的。[0015] 如图2所示,Dl〜DlO为稳压二极管,可以消除外界静电或其它高电压对芯片造 成损坏,提高整个系统的稳定性。Cl对电池电压起到稳定作用,以防止电池电压的突然波动 造成的测量误差。每节电芯的正极连接到芯片的一端,并通过此端口对电芯电压进行检测。[0016] 如图3所示,在电池充电时电流从BATT-流到PACK-,该电流会在电阻R3,R4上产 生压降,通过滤波后送给装有控制程序的智能保护芯片,芯片经过18位AD转换,并经过算 法计算就可以得出此时的充电电流。当电流放电时电流从PACK-流到BATT-,在电阻R3,电 阻R4上产生与充电时方向相反的压降,由此可以得出放电的电流大小,并能判断方向。[0017] 如图4所示,检测电路的连接关系为:复合二极管Dl的2脚接电容Cl的一端及 地、复合二极管Dl的1脚接电容Cl的另一端。复合二极管Dl为温度感应器件,它可以随 温度的变化而反生电性能的变化,该信息通过TEMP点送给装有控制程序的智能保护芯片, 并通过计算得出当前电芯及保护板自身的温度。[0018] 如图5所示,均衡控制电路的连接关系为:十串锂电池组(BAT1〜BAT10)串联, 串联相接处与电容Cl、电容C2、电感Li、电阻Rl的一端相连,电容C2的另一端与锂电池组(BAT2)的正极、NP双沟道场效应管的P沟道Ql-B的S极及电阻Rll的一端连接,电容Cl 的另一端与电池阻(BAT1)的负极、NP双沟道场效应管N沟道Ql-A的S极、电阻RlO的一端 连接,NP双沟道场效应管的P沟道Q1_B、N沟道Ql-A的D极相连并接电感Li、电阻Rl的另 一端,NP双沟道场效应管P沟道Ql-B的G极接电阻Rll的另一端,NP双沟道场效应管的P 沟道Ql-A的G沟道G极接电阻RlO的另一端。[0019] L为功率电感,Q为双M0SFET,电路通过装有控制程序的智能保护芯片给出的均衡 信号,将电量多的电芯的一部分能量储存在功率电感中,通过另一个MOSFET的导通,将储 存于电感中的能量转移到相邻的电芯中,由此一步步将电量多的电芯能量转移到电量低的 电芯中,在这个过程中只有很少的能量会损失,因此,可以在电池的任何状态下工作,相对 于放电的旁路法可以节省的大量的能量,并拥有更高的均衡效率。[0020] 如图6所示,假设在电芯中有任何一节出现过压现象,装有控制程序的智能保护 芯片会立即将过充电信号送给保护电路,关断充电M0SFET,从而切断充电回路,保护电芯不 被过充电。同样,本新型实用系统还具有欠压,过温度,过电流,短路,等电池保护系统的基 本功能,此外,该新型实用还能通过装有控制程序的智能保护芯片对电芯的电压,电流,温 度等信息的变化速度进行判断,如果任何一个检测量的变化速率超出了安全范围,电路就 会进入保护状态,从而可以预知将要发生的危险事件,并提前做出保护,避免了危险事件的 发生,提高了电池系统的安全性。[0021] 如图7所示,电量显示电路的连接关系为:五个发光二极管Dl〜D5并联,一端接 电阻Rl的一端,另一端通过装有控制程序的智能保护芯片Ul与开关Sl 一端连接,开关Sl 的另一端接地。[0022] Sl为电量显示开关,Dl〜D5为电量显示LED。当按下Sl后,电池组的电量信息 通过点亮LED的方式显示出来。本新型实用电量检测与保护系统集为一体,避免了以往电 池保护系统中另购电量显示板的敝端。本新型实用的电量检测方法是采用了将电流和时间 积分的计算方法,并通过对电芯电化学性能的变化准确计算出电池组的剩余电量信息,其 准确度是以往以电压值作为剩余电量判断标准的电量检测板不能相比的。本新型实用的电 量信息可以通过LED指示指示出来,还可以通过LCD显示器显示,并还可以通过SMBUS通信 接口读出,使其可以方便地和外设进行连接。[0023] 工作原理:智能控制系统通过PowerLan通信方式将一个到四个双电池信息检测 单元连接起来,检测数据由智能控制系统处理,并作出判断。智能控制系统输出保护信号送 给其外围保护电路,并通过N沟道MOSFET实现关断、导通的保护动作。智能控制系统还能 通过PowerLan通信方式将电量均衡信号送给检测单元,执行电池均衡管理。[0024] 智能控制系统是由一颗内含RISC构架的单元机、安全保护模块、A/D模数转换模 块、SMBus通信模块、PowerLan通信模块、Flash储存器模块、电量均衡模块、电量显示模块、 内置振荡器、看门狗电路、稳压电路构成。RISC构架的单片机是系统的核心,它将外部电池 信息通过A/D模数转换模块送入单片机,经过算法处理后判断电池的状态,并将结果送给 安全保护模块或其它模块执行其相应的动作。SMBus通信模块是将单片机内部信息传送给 上位机的通信单元;PowerLan通信模块是连接智能控制系统和双电池信息检测系统的通 信单元;Flash储存器模块是用户对电池保护阀值的数据存储单元;电量均衡模块是执行 单片机电量均衡指令的执行单元;电量显示模块是把单片机计算的剩余电量显示出来的显示模块;内置振荡器为内部单片机的工作提供时钟频率;看门狗电路是单片机稳定运行的 有力保证;稳压电路是为单片机、A/D转换模块以及外部电路提供精准的稳定电压源。[0025] 双电池信息检测系统由A/D模数转换模块、PowerLan通信模块、电量均衡模块组 成。A/D模数转换模块将电池的电压、电流、温度等信息通过PowerLan通信模块送给智能控 制系统处理;电量均衡模块是根据智能控制系统发出的指令对其控制的两节电池进行电量 的均衡处理。[0026] 安全管理是由一个充电MOSFET和一个放电MOSFET以及预充电路和辅助电路构 成。充电MOSFET是对电池组充电的保护元件,当电池组中任何一节电芯发生了过充现象, 智能控制系统将会输出一个保护信号给充电M0SFET,使其处于关断状态,从而切断电池充 电的回路,达到过充电保护。同样过放保护MOSFET会在电路发生过放现象后切断放电回 路。预充电路是在电池电压低于安全充电电压时采用的小电流充电电路,当电压恢复到正 常范围后,预充电路将会关断,同时充电电路将会打开,进行正常充电。当电池发生极端安 全情况时,智能保护系统能通过用户设置的保护阀值,如温度上升速率过快、电压上升速率 过快、MOSFET失效,电池极端失衡等数据进入二次保护状态,此时充电M0SFET、放电MOSFET 和预充电路同时断开,并且二次保护指示灯点亮或保险丝熔断,以达到彻底保护的目的。[0027] 剩余电量计算是由单片机根据对电池充、放电流与时间的积分计算出来,能够 真实反应电池组充入的电量和已放出的电量,比市场上采用电压法判断电池剩余电量具有 无可比拟的精确度。[0028] 电池均衡单元是由N/P双MOSFET管和电感线圈构成,单片机将均衡的高频开关 信号送给双M0SFET,当导通其中一个MOSFET时,电量高的电芯通过对电感线圈的充电,将 一部分能量储存于电感内,此时断开这个M0SFET,导通另一个M0SFET,此时电感中的电量 将充入电量低的电芯中,实现电能由电量高的电芯转移到电量低的电芯中,在此过程中几 乎没有能量的损失,因此可以电池的任何状态进行均衡,转换效率高,大大缩减了电池均衡 的时间。

Claims (4)

1. 一种锂动力电池组保护电路,包括锂电池组,其特征在于:十串锂电池组(BAT1〜 BAT10)分别与采样电阻、电流采样电路、电压采样电路、均衡控制电路、温度检测电路、保险 丝连接,采样电阻一路与电流采样电路连接,另一路通过放电控制电路、充电控制电路与端 口 I连接,装有控制程序的智能保护芯片Ul分别与放电控制电路、电量显示电路、SMBUS通 信接口、电流采样电路、电压采样电路、均衡控制电路、温度检测电路、检测均衡芯片U2、检 测均衡芯片U3、检测均衡芯片U4、保险丝连接,保险丝与端口 II连接。
2.根据权利要求1所述的锂动力电池组保护电路,其特征在于:所述检测电路的连接 关系为:复合二极管Dl的2脚接电容Cl的一端及地,复合二极管Dl的1脚接电容Cl的另 一端。
3.根据权利要求1所述的锂动力电池组保护电路,其特征在于:所述均衡控制电路的 连接关系为:十串锂电池组(BAT1〜BAT10)串联,串联相接处与电容C2、电容Cl、电感Li、 电阻Rl的一端相连,电容C2的另一端与锂电池组(BAT2)的正极、NP双沟道场效应管的P 沟道Ql-B的S极及电阻Rll的一端连接,电容Cl的另一端与电池阻(BATl)的负极、NP双 沟道场效应管N沟道Ql-A的S极、电阻RlO的一端连接,NP双沟道场效应管的P沟道Q1-B、 N沟道Ql-A的D极相连并接电感Li、电阻Rl的另一端,NP双沟道场效应管P沟道Ql-B的 G极接电阻Rll的另一端,NP双沟道场效应管的P沟道Ql-A的G沟道G极接电阻RlO的另 一端。
4.根据权利要求1所述的锂动力电池组保护电路,其特征在于:所述电量显示电路的 连接关系为:五个发光二极管Dl〜D5并联,一端接电阻Rl的一端,另一端通过装有控制程 序的智能保护芯片Ul与开关Sl —端连接,开关Sl的另一端接地。
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