CN2554813Y - 串联电池组监测保护模块 - Google Patents

Abstract

一种串联电池组监测保护模块，包括N节电池串联的电池组，其特点是设有电压/电流转换电路，电流选择控制电路，电流/电压转换电路，微程序控制单元，利用电压/电流转换电路把单体电池的电压转换成电流，在微程序控制单元的控制下，循环地经电流选择控制电路的选择后，传输到电流/电压转换电路中，再把电池电压还原出来，进行监测，对电压进行显示，当电压出现超低或超高时，还会驱动继电器切断电路，实施自动保护。本实用新型还具有结构简单、可靠、耗电少、不发热、无噪声、成本低等特点。

Description

串联电池组监测保护模块

技术领域

本实用新型与串联电池组有关，特别是一种用于串联电池组的监测保护模块。

背景技术

随着移动通讯、笔记本电脑和摄录象机等小型智能化电器设备的使用和发展，串联电池组已成为使用广泛的电源，包括锂电池组、镉镍电池组等，而且串联电池组还将逐渐运用于电动自行车、电动汽车等高电压大功率领域。

锂电池具有高能量密度、高工作电压、高循环寿命、低自放电率、无记忆效应、体积小、重量轻、不含镉、汞、铅及金属锂等有害物质，不污染环境等优点。这些优点是其它电源无法比拟的，因而成为移动通讯、笔记本电脑和摄录象机等电器设备的理想电源。今后，锂电池还将逐渐运用于电动自行车、电动汽车等高电压大功率应用领域。但锂电池也有它固有的弱点，锂电池若使用不当，如过充电，因发热电解液分解大量气体而导致电池漏液、冒烟、起火或爆炸；过放电，又会使电池特性变差缩短使用寿命。

据知三个以上锂电池的串联电池组应用较少，主要是安全保护没有跟上，限制串联电池组的应用，而串联电池组的安全保护的重要依据就是电池电压。

由于在串联电池组内，各电池电压不在同一电位参考点上，同时各电池电压基准点又随其它电池电压的变化而改变，不易测量。以前有的用继电器来切换；有的为每个电池做一个电压检测电路；有的用电阻网络来衰减电压，再一一对应使用差分放大器多路选择器等电路来处理。这些方法，首先电路结构复杂，其次是或多或少存在诸如可靠性、体积、成本、不易一体化等问题，更有一些方法根本不能用在可关闭电池组上，它的电压检测电路需要少量耗电，当电池组不使用关闭后，关不断电压检测电路，始终存在耗电。这些都不适合应用在锂电池组上。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种串联电池组监测保护模块，该模块可自动地循环地对串联电池组的每个单体电池电压进行监测，一旦监测到有一个单体电池的电压低于或超过电池的特性电压时，则会显示并自动截断电池组的对外供电线路，实现安全保护。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种串联电池组监测保护模块，包括N节单体电池串联的电池组，其特征在于它设有：

(1)电压/电流转换电路，除其负极接基准电平的第1节电池B₁外，其余N-1节电池(2、3……I……N)的每一节电池B_i的正极和负极之间都分别设有电压/电流转换电路，对应于第i节电池B_i的电压U_i的输出电流为I_i；

(2)电流/电压转换电路，包括一还原电阻r，该电阻r的一端接基准电平，另一端接所说电压/电流转换电路的输出端，接收电流I_i，输出被测电压U_i＝I_ir；

(3)电流选择控制电路，包括处于所说电压/电流转换电路和电流/电压转换电路之间的电流选择电路、微程序控制单元U₁₁、地址译码器U₁₂及发光二极管GD₁、GD₂、GD₃显示单元和继电器SS保护单元构成；

所说第i节电池B_i的电压/电流转换电路由一场效应晶体管(MOSFET，M_i)和一电阻R_i组成，电阻R_i的一端接电池B_i的正极，另一端接场效应晶体管M_i的源极S，该场效应晶体管M_i的栅极G接电池B_i的负极，漏极D为电流输出端，其输出电流I_i＝U_i/R_i；

所说的电压/电流转换电路也可采用具有与场效应晶体管类似特性的晶体三极管构成；

所说电流/电压转换电路的电阻r的另一端接场效应晶体管M_i的漏极D；

所说的电流选择电路是由N个可关断电流的光电耦合器构成，所说微程序控制单元U₁₁通过地址译码器U₁₂对上述电流选择电路U₁、U₂、……U_i……U_N进行选择，分别实施对单体电池B₁……B_i……B_N经转换后在还原电阻r上形成的被测电压进行监测，该微程序控制单元U₁₁根据对各个单体电池电压的判断，一方面控制光电二极管GD₁、GD₂、GD₃显示，另一方面，如监测到超低或超高电压时，则通过三极管Q₁、Q₂推动常闭继电器SS断开，停止电池组工作；

所说电流选择电路也可采用多路模拟开关构成。

附图说明

图1是本实用新型串联电池组监测保护模块的原理框图。

图2是本实用新型串联电池组监测保护模块的部分电路图。

图3是本实用新型串联电池组监测保护模块的电路较佳实施例图。

具体实施方式

由图1所示，电池组由N个电池串联组成，电池1……电池N-1到电池N，它们对应的电池电压为U₁……U_n-1到U_n，总的电池组电压U＝U₁+…+U_n-1+U_n，我们要检测的是每个电池电压U₁……U_n-1到U_n，如果以图中的G点为电位基准点，那么电池电压U₁好测，U₂到U_n就不那么方便测量的，因为U₂在U₁之上，U₃在U₂和U₁之上，……，U_n在U₁……U_n-1之上，如果要测量U_n，U_n的电位基准点与G点电位基准点不在同一电位上，而且U_n下面的U₁……U_n-1电压，不是一个恒定的电压，是随着电池的容量变化而改变的。在这里要做的是，把下面电池电压U₁……U_n-1做到不影响U_n的测量，如图1所示，先不直接测量电池N的U_n电压，而是在U_n上接入一个电压/电流转换电路M_n，把电池电压U_n转换成能流动到G点电平基准点上电流I_n，I_n经过电流选择控制电路的选择控制后，I_n传输到电流/电压转换电路中，再由电流/电压转换电路把电池电压U_n还原出来，供给后级A/D或其它电路来测量控制。这中间电流的传输流动不会受到U_n下面的U₁……U_n-1电压的影响，间接检测到电池U_n的电压。同样可检测U₁……U_n-1的电压，最终达到集中采集电池组中各电池电压的目的。

请参见图2，电压电流转换电路由P构道增强型场效应晶体管(MOSFET管)的源极S并通过电阻R和栅极G，分别接单体电池的正负端组成。电压U_n是要测量的电池被测电压，电压U_R是电流I_R流过电阻R上产生的电压，电压U_gs是MOSFET管的G极与S极之间的电压，它们满足关系：

U_n＝U_R+U_gs      U_n＞U_gs

或

U_n＝I_R*R+U_gs    U_n＞U_gs

得出：

I_R＝(U_n-U_gs)/R  U_n＞U_gs  ……………①

由于MOSFET管是电压控制型器件，几乎没有G极电流。从MOSFET管D极得到的电流：

I_n＝I_R  ……………………②

这个电流就是电池电压U_n经过电压/电流转换电路转换后得到的对应的输出电流，I_n经过电流选择控制电路的选择控制后，传输到电流/电压转换电路中，就可以把电池电压U_n还原出来。

电流选择控制电路见图2中的ISW，ISW是一个可控制的电流开关，也可以用其它的器件来达到接通关闭电流的目的。电流选择控制电路一般由微程序控制单元(MCU)来控制，用来选择某一时刻要测量哪个电池电压，同一时间只能测量一个电池电压；也可以全部关闭，那么在关机不使用电池组时特别有用，一旦全部关断电流I_n，全部I_R电流也等于零，意味者关机时电源损耗接近于零。

电流/电压转换电路见图2，包括一还原电阻r，所有的电流I₁……I_n都分时控制汇流到电阻r上面，还原出电池电压U_n的可测量电压U_r。满足关系如下：

U_r＝I_n*r  ……………………③

输出被测量的电压U_out：

U_out＝U_r

根据公式①、②、③，整个电池电压转换检测电路的公式为：

U_out＝(U_n-U_gs)*r/R    U_n＞U_gs  ……………④

根据以上公式，影响电压转换的因素是MOSFET管的G与S极的电压U_gs、还原电阻r、取样电阻R，而与其它的电池电压U₁……U_n-1无关。

若ΔU_n为单体电池的正常工作电压变化范围，对应的输出电压变化范围：

ΔU_out＝ΔU_n*r/R

上式中ΔU_out不受MOSFET管的U_gs电压的影响，如果在锂电池的电压动态范围内，采用相对办法来测量电压，意味着与MOSFET管的U_gs电压无关。根据公式④，可以方便地确定输出的最高电压U_outmax，来满足后级测量电路对电压满度的要求。

图3是本实用新型串联电池组监测保护模块的较佳实施例，是由10节单体电池构成的电池组监测保护模块的具体电路图，图中B₁-B₁₀是串联在一起的10节单体电池构成的电池组，M₁-M₉是9个P沟道的MOSFET管，它们的源极S通过电阻R₁-R₉分别接到各个被测单体电池的正极，栅极G通过电阻R₁₀-R₁₈分别接到各个被测单体电池的负极。M₁-M₉是9个P沟道的MOSFET管分别完成对电池B₁-B₉九节单体电池的电位转移。最后第1节单体电池B₁因为其负极端已经接在GND端，与后级检测电路的参考电位同点，不需要再进行电位转移，仅使用了电阻R₁进行测量分压。

在图3中，R₁-R₉便是公式④中的电阻R，而RW和R₃₅串联构成了公式④中的电阻r。R₁₀-R₁₈为保护MOSFET管而设，与测量无关。流过R₁-R₉的电流I₁-I₉的大小与R₁-R₉的取值和跨接在MOSFET管源极S和栅极G两端的单体电池电压直接相关。显然，当R₁-R₉为定值时，电流I₁-I₉仅与单体电池电压关联。

图3中，U₁-U₁₀构成了电流选择电路，MCU(U₁₁)通过地址译码器U₁₂对电流选择电路进行选择控制，分别实施对单体电池B₁-B₁₀的检测。

通过MOSFET管转移电路生成的，与单体电池B₁-B₉相关的电流I₁-I₉和没有经过转移的与单体电池B₁电压有关的流过R₁的电流都经过U₁-U₁₀构成的电流选择电路，分别在RW和R₃₅构成的电阻r上形成被测电压，供MCUU₁₁内部的A/D转换电路转换检测。微程序控制单元U_n，MCU根据各个单体电池电压的数值判断，通过GD₁、GD₂、GD₃输出显示，分别表示超低、超高、正常三种电压状况，当出现超低、超高电压时，微程序控制单元立即通过Q₁、Q₂推动继电器SS输出控制断开，电池组不再对外供电，完成保护。

本实用新型使用场合不仅仅是串联锂电池组，也可以使用在其它类型的电池组上，以及使用在一个或多个电压需要测量，但电压离散不易直接测量的电压测量上。

综上所述，本实用新型的技术效果可以归纳如下：

1.利用电压/电流转换电路，把单体电池电压转换成电流，经过电流选择控制电路的选择控制后，传输到电流/电压转换电路中，再把电池电压还原出来，进行监测，再利用微程序控制单元驱动显示并实施供电控制，形成串联电池组监测保护模块。

2.本实用新型具有结构简单、可靠、耗电少、不发热、无噪声、成本低等特点。

3.本实用新型不仅可用于串联锂电池组，也可用于其它类型的电池组，其电路结构还可用于多个离散电压不易直接测量的电压测量上。

Claims (6)

1.一种串联电池组监测保护模块，包括N节单体电池串联的电池组，其特征在于它设有：

(1)电压/电流转换电路，除其负极接基准电平的第1节电池外，其余N-1节电池(2、3……I……N)的每一节电池(B_i)的正极和负极之间都分别设有电压/电流转换电路，对应于第i节电池(B_i)的电压U_i的输出电流为I_i；

(2)电流/电压转换电路，包括一还原电阻r，该电阻r的一端接基准电平，另一端接所说电压/电流转换电路的输出端，接收电流I_i，输出被测电压U_i＝I_ir；

(3)电流选择控制电路，包括处于所说电压/电流转换电路和电流/电压转换电路之间的电流选择电路、微程序控制单元(U₁₁)、地址译码器(U₁₂)及发光二极管(GD₁、GD₂、GD₃)显示单元和继电器(SS)保护单元构成。

2.根据权利要求1所述的串联电池组的监测保护模块，其特征在于所说第i节电池(B_i)的电压/电流转换电路由一场效应晶体管(MOSFET，M_i)和一电阻R_i组成，电阻R_i的一端接电池(B_i)的正极，另一端接场效应晶体管(M_i)的源极S，该场效应晶体管(M_i)的栅极G接电池(B_i)的负极，漏极D为电流输出端，其输出电流I_i＝U_i/R_i。

3.根据权利要求2所述的串联电池组的监测保护模块，其特征在于所说的电压/电流转换电路也可采用具有与场效应晶体管类似特性的晶体三极管构成。

4.根据权利要求1或2所述的串联电池组的监测保护模块，其特征在于所说电流/电压转换电路的电阻r的另一端接场效应晶体管(M_i)的漏极D。

5.根据权利要求1所述的串联电池组的监测保护模块，其特征在于所说的电流选择电路是由N个可关断电流的光电耦合器构成。

6.根据权利要求1所述的串联电池组的监测保护模块，其特征在于所说电流选择电路也可采用多路模拟开关构成。

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