CN2676428Y - 多芯片控制锂离子电池组保护模块 - Google Patents

Abstract

一种多芯片控制锂离子电池组保护模块，连接在多个串联的锂离子电池的每个电池上的均衡充电电路和锂离子电池保护芯片，锂离子电池保护芯片接晶体管耦合电路，晶体管耦合电路连接独立的过流监测与保护电路，晶体管耦合电路连接MOSFET电路，MOSFET电路连接电池和独立的过流监测与保护电路，晶体管耦合电路接过流监测与保护电路。特点：自耗电流低。电池在过充保护发生动作前进行分流，避免过充，独立的过流保护控制，避免充电或放电电流在引线上的电压降对检测到的电池电压的不良影响，过放后电路进入休眠状态，自耗电流大大降低。不至于深度过放，损坏电池。快速均衡充电。缩短整个电池组的充电时间，又保证每节电池不发生过充。

Description

多芯片控制锂离子电池组保护模块

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池组中的保护电路。特别涉及一种多芯片控制锂离子电池组保护模块。也就是多串(5-14串)锂离子电池组保护电路。

背景技术

通常情况下，采用恒流恒压方式对锂离子电池组充电。先以1C(或1/2C)恒流对电池组充电，至4.20V时转到恒压充电，直到充电电流小于一个规定的较小电流时为止，完成充电过程。如果充电方法不当或充电器发生故障时，电池电压可能被充到4.30V或更高，使其过度充电，对锂离子电池造成伤害。轻者循环使用寿命缩短，重者电池鼓涨、爆炸，电池失效。

锂离子电池使用过程中放电至2.75V，电池中的能量已全部释放出来，应停止放电。如果继续放电，使其放电到2.0V以下时，将使电池永久失效。

为了防止使用过程中可能发生过度充电和过度放电，锂离子电池组必须装有保护电路，防止发生过充电和过放电，防止过电流放电或短路。

实现上述的保护方法：使用专用的保护电路IC，见图1，检测电池中每节电池的电压，当发现一节电池电压达到设定的过充保护电压或更高时，IC输出信号，控制MOSFET开关，使其处于截止状态，使其不能被继续充电。放电时，当电压达到设定的过放保护电压或更低时，IC也输出控制信号，使MOSFET开关截止，不能继续放电。

目前专用的保护电路IC是针对1节、2节、3/4节电池设计的。

目前市场上见到的多串保护电路，从设计上及其性能上存在一些较严重缺陷，例如：设计上有缺陷，自耗电流大到1～2mA，不利于荷电存放时间较长场合，没有均衡充电电路或不能有效发生均衡作用，有的只适于7串以下的场合。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种多芯片控制锂离子电池组保护模块。也就是多串(5-14串)锂离子电池组保护电路。该电路板用以保护每节锂离子电池，防止过度充电，过度放电，过电流放电以及短路对其的伤害，使锂离子电池能正常可靠地充电和放电。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型是使用两个或三个这样的保护电路IC组合起来，使多串锂离子电池组中，只要有一节电池的电压达到或超过过充保护电压，或者放电时达到或低于过放保护电压时，使MOSFET开关处于断开状态。

一种多芯片控制锂离子电池组保护模块(图2所示)，其特征在于：连接在多个串联的锂离子电池的每个电池上的均衡充电分流电路和锂离子电池保护芯片，锂离子电池保护芯片连接晶体管耦合电路，晶体管耦合电路连接独立的过流监测与保护电路，晶体管耦合电路连接MOSFET电路，MOSFET电路连接电池，MOSFET电路连接独立的过流监测与保护电路，晶体管耦合电路连接过流监测与保护电路。

所述的均衡充电分流电路(图4所示)，均衡充电分流电路采用电池保护芯片IC做均衡充电分流检测和控制，电池保护芯片IC的电源脚Vcc与MOSFET电路的S极连接作为外接端M与单节锂离子电池的正极连接，电池保护芯片IC电路的过充输出脚连接MOSFET电路的控制极G，MOSFET电路的S极连接电池保护芯片IC的电源脚，MOSFET电路的D极连接电阻R1，电阻R1的另一端连接电池保护芯片IC的电源脚Vss，作为负输入端N，负输入端N连接单节锂离子电池的负极。

其中过充保护电压≥4.20V，滞环电压＝0，即过充保护释放电压＜4.20V。

所述的晶体管耦合电路(图3所示)，它的一种结构形式是：三极管Q1的发射极作为外接端P与电池正极相连；三极管Q1的基极连接电阻R1，电阻R1的另一端作为外接端A与电池保护芯片IC的DS1端过充输出脚相连；三极管Q1的集电极连接电阻R2，电阻R2的另一端连接三极管Q3的基极和电阻R4，电阻R4另一端连接三极管Q2的集电极；三极管Q3的集电极连接电阻R5并作为外接输出端Y与MOSFET电路的S极相连；电阻R5另一端连接三极管Q2的发射极并作为外接端Q与电源电池中间端相连；三极管Q2的基极连接电阻R3，电阻R3的另一端作为另一个输入控制外接端B与第二个电池保护芯片IC2的DS2端相连；三极管Q3的发射极作为外接端R与电源电池负极相连。

输入端A通过Q1控制Q3导通，输入端B通过Q2控制Q3导通。Q1或Q2导通，Q3就导通。

对于不同的输入控制信号相位，输入端A和Q1的基极之间接入晶体管反相级。对于输入端B也同样适用。

输入端A和输入端B的输入电平的参考点不同，采用小信号双极型晶体管相对于同一个参考点而实现电平移动。

Q1，Q2和Q3导通电流分别由电阻R2，R4和R5限定。这些电阻通常选用1兆欧姆。

Q1，Q2和Q3的击穿电压BVcbo应大于电池组电压的2倍。

电路结构同时用于锂离子电池组过充，过放及过流保护控制。

在晶体管耦合电路基础上，增加输入控制端C，输入控制端D，实现更多分段输入控制。

所述的独立的过流监测与保护电路(图5所示)做放电电流检测并输出控制信号，MOSFET电路的S极连接输入端I；端I连接电阻R₁，电阻R₁另一端连接电容C1和二极管D1和运算放大器U1的输入端；运算放大器U1的另一输入端连接电容器C2和电位器R7滑动端，取得过流基准电压，电容C2的另一端接地；电位器R7的一端接地，电位器R7的另一端与电阻R6相连，电阻R6的另一端连接电阻R4和二极管D2，电阻R4的另一端与电阻R5和二极管D3相连；二极管D3另一端接地，二极管D3是11V瞬变电压抑制器；电阻R5连接电容C3作为外接端PI，外接端PI连接电池电源正端，电容C3另一端接地；接地端作为外接端RI。运算放大器U1的输出端连接电阻R2，电阻R2另一端连接电阻R3和耦合三极管Q3的基极；三极管Q3的发射极接地、电阻R3的另一端接地，二极管D2的另一端接地，二极管D1的另一端接地，电容C1的另一端接地；三极管Q3的集电极作为过流保护输出外接端L连接MOSFET电路的D极。

本实用新型的特点是：

①降低自耗电流，为此，采用晶体管耦合，将保护IC的输出控制信号OV和DCHG传送到MOSFET的控制极。晶体管的工作电流只需10～20μA，选用晶体管耐压120V，使本设计适用于20串锂离子电池组保护电路的控制信号的耦合连接。

②采用专用的保护IC构成均衡充电的检测元件，使过充电压检测精度提高到±0.5％。过充保护检测电压设计为4.20V，过充保护的恢复电压＝过充保护电压-ΔV，而ΔV＝0mV，这样的设计能确保当充电到电池满电压或更高时开始分流，并一直保持分流，一直到电压下降低于4.20V停止分流。做到电池在过充保护发生动作前进行分流，避免过充，由分流作用的影响不会使电池电压低于4.20V。这部分电路自耗电流小于3μA。

③独立的过流保护控制电路。

这一电路的输入信号范围0～150mV～30V(7节电池串联情况)。输出为集电极开路方式，发生过流保护时输出低电平，未过流时为高阻。自耗电流约几微安。

④充放电流线与电压检测端分开。

为避免充电(或放电)电流在引线上的电压降对检测到的电池电压的不良影响，将充(放)电电流线与电压检测线分开，确保IC检测的电压与充(放)电电流无关，使检测控制准确。

⑤过放后电路进入休眠状态，自耗电流大大降低。

当某一保护IC检测出电池处于过放状态时，IC自动进入低消耗状态，级间耦合电路此时也转为低自耗的截止状态，使整个保护电路自耗电流尽量小，保证在电池处于过放状态后，仍能存放很长时间，不至于深度过放，损坏电池。

⑥快速均衡充电

分流起始电压4.20V，4.25V以前分流电流呈线性增长，一直到完全分流，分流电流＝充电电流，确保在继续充电过程中，该被分流的电池电压保持在4.25V以下，不至于发生过充现象，同时，其它未被充满的电池仍然能以较大电流继续充电，从而缩短整个电池组的充电时间，又保证每节电池不发生过充。

附图说明

图1现有的锂离子电池保护电路框图

图2多芯片控制锂离子电池组保护电路框图

图3晶体管耦合电路图

图4均衡充电分流电路框图

图5.独立的过流监测与保护电路图

图6快速均衡充电分流电路框图

图7.电流线与电压线分开连接电路图

图8一个具体实例电路

具体实施例

技术方案

本实用新型使用两个或三个锂离子电池保护电路IC组合起来，使多串锂离子电池组中，只要有一节电池的电压达到或超过过充保护电压，或者放电时达到或低于过放保护电压时，使MOSFET开关处于断开状态(见图2)。

①使用多个锂离子电池保护芯片，用以保护电池组中每节电池免遭过度充电、过度放电、过电流放电以及短路危害。

②多个锂离子电池保护芯片的输出控制信号经晶体管耦合到MOSFET开关。

③采用特制的单节电池保护芯片做均衡充电分流检测和控制，分流起始电压4.20V，滞环电压等于零，即4.20V以下，不分流。

④独立的过流保护电路，自耗仅几微安，与保护芯片配合灵活，允许使用N沟道MOSFET。

⑤电流线与电压线分开连接，避免线路电流对检测到的电池电压的不利影响。

⑥设计有休眠状态，自耗电流进一步降低。

⑦在非紧凑应用场合，采用本快速均衡充电控制，可缩短充电时间。

1、晶体管耦合电路(见图3)，晶体管Q₁，Q₂和Q₃以及电阻R₁，R₂，R₃，R₄和R₅构成晶体管耦合电路。晶体管耦合电路的A端接保护芯片IC₁过放输出控制信号DCHG1，晶体管耦合电路的B端接保护芯片IC₂过放输出控制信号DCHG2，晶体管耦合电路的Y端接放电开关MOSTET的G极，实现两个保护芯片与MOSFET的耦合。

未发生过放情况下，DCHG1和DCHG2均为高电平，即外接端A等于外接端P的电位，外接端B等于外接端Q的电位，此时Q₁和Q₂的发射结电压均等于零，Q₁和Q₂均截止，因此，Q3亦截止，外接端Y被上拉电阻R5拉到外接端Q电位，即放电开关MOSTET的G极处于高电平，放电开关MOSTET处于导通状态。从而使整个保护板处于正常放电状态。

如果IC₂管理的锂离子电池中有一节电池放电到过放保护电压或更低时，此时DCHG2输出低电平，Q2发射结处于正向偏置，经电阻R4向Q3提供偏置电流，使Q3导通，外接端Y与外接端R的电位相等，即放电开关MOSTET的G极处于低电平而截止，使保护电路关断电池组的放电，完成过放保护功能。

如果IC₁管理的锂离子电池中有一节电池放电到过放保护电压或更低时，此时DCHG1输出低电平，Q1发射结处于正向偏置，经电阻R2向Q3提供偏置电流，使Q3导通，放电开关MOSTET处于截止状态，实现过放保护功能。

本实用新型中晶体管耦合系电流耦合方式。IC₁的DCHG1的电位变化控制Q1能否向Q3提供基极偏置电流，IC₂的DCHG2的电位变化控制Q2能否向Q3提供基极偏置电流，同样的道理，也可以引入IC₃向Q3提供基极偏置电流，能对多于8节电池串联的锂离子电池组实现保护控制。因此，它适用的范围更大，电路简单。本发现中晶体管选用高耐压V_CEO＝120V，小功率晶体管，反向漏电流极小I_CEO＜0.1μA。R₁，R₂和R₃选用470K～1M，以极小工作电流完成做信号电平转移。从而实现降低整个保护电路的自耗电流。

充电控制MOSTET的电平转移，与上述方法是一样的，只是要考虑在处于过放保护时电平转移用晶体管应处于截止状态，过充保护时处于导通状态。在过放保护状态时，放电电平转移和充电电平转移晶体管均处于截止状态，自耗电流小于1μA，这一低功耗设计是本实用新型目的。

2、均衡充电分流电路(见图4)。选用单串保护电路Ic检测被分流电池电压，以它的过充保护电压作分流的开关控制，分流起始电压＝4.20V，滞环电压＝0，即停止分流的电压＜4.20V。

均衡充电分流电路的M端接被分流的电池正极，N端接电池的负极。当电池电压V_R1≥4.20V，IC过充保护输出控制MOSFET导通，电池通过MOSFET和R1放电使电池的充电电流减少，使电池在充电过程中电压上升减慢，或不再上升，当充电快结束时，充电电流小于MOSFET分流电流时，电池电压开始下降，下降到4.20V时，MOSFET关断，停止分流。

在多串电池组情况下，各节电池电压可能不同，先达到4.20V的那节电池首先被分流，这时由于充电电流还较大，此电池电压仍然会缓慢上升，未达到4.20V的电池充电电流相对稍大，随着电池组电压的上升，充电电流会逐渐减少。当减少到与分流电流处于同一个数量级时，选到达4.20V那节电池电压较高，通过均衡分流，该节电池电压将下降，这一下降的电压将转移到还未完全充满的电池上去，从而使组内每一节电池电压都在4.20V左右，当充电电流小于1/5分流电流时，即可认为各电池均已充满，完成全部充电过程。

对于紧凑型电池组，分流电流可选用30-60mA，对于18650电池2Ah容量，如果电量相差20％，即0.4Ah。第一次充电要完成完全充满，均衡充电需时8小时。在以后的充电过程中，各电池荷电量的差别将较小，完成均衡充电的时间一般1小时即可。

3、独立的过流监测与保护控制电路(图5)。

大多数保护芯片IC采用顶边过流检测方式，此类IC适用于配P沟道的MOSFET。大电流情况下，P沟道MOSFET相对于N沟道的要贵很多。为降低成本，使用N沟道与顶边过流检测的IC配合，就不能使用IC原来的过流检测输入，需要另外做独立的过流检测及保护控制电路。

独立的过流监测与保护电路见图5，I端连接放电开关MOSFET漏极，P1连接工作电源正极，R1连接工作电源负极，L端连接放电开关MOSFET栅极。放电电流的取样电阻即放电开关MOSFET的导通电阻R_ON，因而，I端输入的电压与放电电流成比例。D2上的正向电压经R6，R7分压由运算放大器的另一端输入，作为设定的过流保护的电压值。当放电电流达到或大于设定值时，通过运算放大器使三极管Q1由截止变为导通，使放电开关MOSFET关断，停止放电，从而实现过流保护。

R₁和C₁构成过流保护的延迟时间，一般应选R₁＝1M，延迟时间2-5ms为宜。D₁为钳位二极管，当转为过流保护时，放电MOSFET截止，MOSFET漏极上的电压等于电池组电压，由于二极管D₁的钳位作用，使运放输入端电压最大不超过0.6V，从而保证运放的安全。

为降低功耗，运放选用自耗电流极低的CMOS型运放。

4、充放电流线与电压检测线分开

充电或放电电流经Pack+端(见图7)，连线A及接线端子B1P’到达B₁的正极，再B₁负极，B₂正极，B₂负极……B₇负极，接线端子B7N’，连线B，MOSFET到达Pack-端，连线A与连线B上会产生明显的电压降，这些降压应算做负载的一部分，不允许它影响到电池电压的测量值，为此IC的电压测量端应直接接到每节电池的正负极上，不包括负载电流在连接的导线上引起的电压降。电池B7的负极到端子B7N’之间电阻也许很小，但不等零。当电流较大时会产生较大电压降，如果电流线与电压线不分开，共用一根引线，那么IC检测到的B₇电压将为B₇电压减去B7N’到电池负极引线上的电压降，电流越大，这个电压降亦越大。

5、快速均衡充电分流电路(见图6)

此电路中使用一个比较器，将被测电池电压与基准相比较，当电池电压低于4.20V，不发生分流，当大于4.20V且小于4.25V时分流电流与电池电压成比例增加，大于4.25V分流电流最大，约等于充电电流。

由于分流电流很大，被分流电池电压绝不会大于4.25V，而前述的紧凑型分流，此电路中使用一个比较器，将被测电池电压与基准相比较，当电池电压低于4.20V，不发生分流，当大于4.20V且小于4.25V时分流电流与电池电压成比例增加，大于4.25V分流电流最大，约等于充电电流。

由于分流电流很大，被分流电池电压绝不会大于4.25V，而前述的紧凑型分流，电池电压有可能上升到4.30V，之后再慢慢分流，降到4.20V，花费时间长，效率低。

Claims (5)

1、一种多芯片控制锂离子电池组保护模块，其特征在于：连接在多个串联的锂离子电池的每个电池上的均衡充电分流电路和锂离子电池保护芯片IC，锂离子电池保护芯片连接晶体管耦合电路，晶体管耦合电路连接独立的过流监测与保护电路，晶体管耦合电路连接MOSFET电路，MOSFET电路连接电池，MOSFET电路连接独立的过流监测与保护电路，晶体管耦合电路连接过流监测与保护电路。

2、根据权利要求1所述的多芯片控制锂离子电池组保护模块，其特征在于：具有均衡充电分流电路，均衡充电分流电路采用电池保护芯片IC做均衡充电分流检测和控制，电池保护芯片IC的电源脚Vcc与MOSFET电路的S极连接作为外接端M与单节锂离子电池的正极连接，电池保护芯片IC电路的过充输出脚连接MOSFET电路的控制极G，MOSFET电路的D极连接电阻R1，电阻R1的另一端连接电池保护芯片IC的电源脚Vss，作为负输入端N，负输入端N连接单节锂离子电池的负极。

3、根据权利要求2所述的多芯片控制锂离子电池组保护模块，其特征在于：过充保护电压≥4.20V，滞环电压＝0，即过充保护释放电压＜4.20V。

4、根据权利要求1所述的多芯片控制锂离子电池组保护模块，其特征在于：所述的晶体管耦合电路，它的一种结构形式是：三极管Q1的发射极作为外接端P与电池正极相连；三极管Q1的基极连接电阻R1，电阻R1的另一端作为外接端A与电池保护芯片IC的DS1端过充输出脚相连；三极管Q1的集电极连接电阻R2，电阻R2的另一端连接三极管Q3的基极和电阻R4，电阻R4另一端连接三极管Q2的集电极；三极管Q3的集电极连接电阻R5并作为外接输出端Y与MOSFET电路的S极相连；电阻R5另一端连接三极管Q2的发射极并作为外接端Q与电源电池中间端相连；三极管Q2的基极连接电阻R3，电阻R3的另一端作为另一个输入控制外接端B与第二个电池保护芯片IC2的DS2端相连；三极管Q3的发射极作为外接端R与电源电池负极相连。

5、根据权利要求1所述的多芯片控制锂离子电池组保护模块，其特征在于：所述的独立的过流监测与保护电路做放电电流检测并输出控制信号，MOSFET电路的S极连接输入端I；端I连接电阻R1，电阻R1另一端连接电容C1和二极管D1和运算放大器U1的输入端；运算放大器U1的另一输入端连接电容器C2和电位器R7滑动端，取得过流基准电压，电容C2的另一端接地；电位器R7的一端接地，电位器R7的另一端与电阻R6相连，电阻R6的另一端连接电阻R4和二极管D2，电阻R4的另一端与电阻R5和二极管D3相连；二极管D3另一端接地，二极管D3是11V瞬变电压抑制器；电阻R5连接电容C3作为外接端PI，外接端PI连接电池电源正端，电容C3另一端接地；接地端作为外接端RI。运算放大器U1的输出端连接电阻R2，电阻R2另一端连接电阻R3和耦合三极管Q3的基极；三极管Q3的发射极接地、电阻R3的另一端接地，二极管D2的另一端接地，二极管D1的另一端接地，电容C1的另一端接地；三极管Q3的集电极作为过流保护输出外接端L连接MOSFET电路的D极。

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