專(zhuān)利名稱(chēng)：鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種保護(hù)電路，特別涉及一種鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路。
技術(shù)背景[0002]目前，國(guó)內(nèi)的鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，每年都有大量的鋰電池用于各種用電設(shè)備中。 然而鋰電池作為一種新型電池材料，具有很高的能量密度，并且在過(guò)度充電或放電的情況 下有燃燒甚至爆炸的隱患。尤其是動(dòng)力鋰電池，有著更高的電壓和容量，同時(shí)必須承受大電 流充、放電以及復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的考驗(yàn)，因此動(dòng)力鋰電池組使用安全就顯得更重要。此外，市 場(chǎng)上多數(shù)保護(hù)裝置都采用分立元件搭建，保護(hù)閥值都為固定數(shù)值，不能隨意更改，器件的性 能差異會(huì)造成保護(hù)閥值判斷的失準(zhǔn)，并且往往只有一級(jí)保護(hù)系統(tǒng)；動(dòng)力鋰電池組通常由一 個(gè)或幾個(gè)電池組并聯(lián)，每個(gè)電池組由三個(gè)到十幾個(gè)電池串聯(lián)構(gòu)成。這種組合方式能提給電 動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)、測(cè)試儀器及工業(yè)應(yīng)用所需的電壓和功率要求。然而，這種應(yīng)用普遍的 配置通常并不能發(fā)揮其最大功效，因?yàn)槿绻硞€(gè)串聯(lián)電芯的容量與其它電芯不匹配將會(huì)產(chǎn) 生電池不均衡，從而降低整個(gè)電池組的容量，縮短了使用壽命。目前多數(shù)鋰電池保護(hù)系統(tǒng)的 均衡方法一般都采用電阻放電的方法的來(lái)實(shí)現(xiàn)，如專(zhuān)利號(hào)為200610157582. X，這種均衡方 式是通過(guò)對(duì)電池電量的消耗而達(dá)到電池的均衡，這種均衡效率低，如果增強(qiáng)其均衡能力，則 電阻發(fā)熱量會(huì)比較嚴(yán)重，并且浪費(fèi)了電池本身有限的能源。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實(shí)用新型的目的就是克服現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)的不足，提供一種可以靈活配置、高精 度檢測(cè)、高安全保護(hù)、高效率均衡的鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路。[0004]本新型實(shí)為實(shí)現(xiàn)上述目的，所采取的技術(shù)方案是一種鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路，包 括鋰電池組，其特征在于十串鋰電池組分別與采樣電阻、電流采樣電路、電壓采樣電路、均 衡控制電路、溫度檢測(cè)電路、保險(xiǎn)絲連接，采樣電阻一路與電流采樣電路連接，另一路通過(guò) 放電控制電路、充電控制電路與端口 I連接，裝有控制程序的智能保護(hù)芯片Ul分別與放電 控制電路、電量顯示電路、SMBUS通信接口、電流采樣電路、電壓采樣電路、均衡控制電路、溫 度檢測(cè)電路、檢測(cè)均衡芯片U2、檢測(cè)均衡芯片U3、檢測(cè)均衡芯片U4、保險(xiǎn)絲連接，保險(xiǎn)絲與 端口 II連接。[0005]本實(shí)用新型具有積極的效果(1)該電路可以靈活配置各項(xiàng)保護(hù)閥值，加載各種 類(lèi)型電芯的充放電特性，能夠適應(yīng)各種類(lèi)型，通用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短；(2)采用18位A/D模 數(shù)轉(zhuǎn)換，并能對(duì)每一路保護(hù)閥值進(jìn)行校準(zhǔn)，避免了因器件差異造成的檢測(cè)誤差；(3)擁有 多級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，避免因?yàn)橐患?jí)保護(hù)故障造成保護(hù)失效，提高系統(tǒng)的安全性；(4)包含基于 Δ-Σ庫(kù)侖計(jì)的電量計(jì)算系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確顯示剩余電量，不需要外置電量顯示板；(5)采用 功率電感對(duì)電芯采用電量轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行均衡，具有較高的均衡效率和極低的電能損失。


[0006]圖1為本實(shí)用新型電路連接框圖。[0007]圖2為本實(shí)用新型電壓采集電路原理圖。[0008]圖3為本實(shí)用新型電流采集電路原理圖。[0009]圖4為本實(shí)用新型溫度采集電路原理圖。[0010]圖5為本實(shí)用新型電量均衡電路原理圖。[0011]圖6為本實(shí)用新型保護(hù)電路原理圖。[0012]圖7為本實(shí)用新型電量顯示電路原理圖。
具體實(shí)施方式
[0013]如圖1所示，鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路，包括鋰電池組，十串鋰電池組分別與采樣電 阻、電池采樣電路、電壓采樣電路、均衡控制電路、溫度檢測(cè)電路、保險(xiǎn)絲連接，采樣電阻一 路與電流采樣電路連接，另一路通過(guò)放電控制電路、充電控制電路與端口 I連接，裝有控制 程序的智能保護(hù)芯片Ul分別與放電控制電路、電量顯示電路、SMBUS通信接口、電流采樣電 路、電壓采樣電路、均衡器控制電路、溫度檢測(cè)電路、檢測(cè)均衡芯片U2、檢測(cè)均衡芯片U3、檢 測(cè)均衡芯片U4、保險(xiǎn)絲連接，保險(xiǎn)絲與端口 II連接。[0014]圖中Ul為裝有控制程序的智能保護(hù)芯片，它通過(guò)PowerLan通信技術(shù)將檢測(cè)均衡 芯片U2、U3、U4雙電池信息檢測(cè)系統(tǒng)連接起來(lái)構(gòu)成了電池電壓、電流、溫度等信息的檢測(cè)系 統(tǒng)。裝有控制程序的智能保護(hù)芯片Ul將采集的信息進(jìn)行處理，判斷是否有超出安全閥值的 危險(xiǎn)事件，如果有危險(xiǎn)事件發(fā)生(如過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流、短路、過(guò)溫等)，則將保護(hù)信息 送給放電控制MOSFET或充電控制MOSFET切斷充放電回路；如果電池在安全狀態(tài)，則通過(guò)對(duì) 名節(jié)電芯的電量計(jì)算得出電芯是否要進(jìn)行均衡處理，如果需要，則將均衡信號(hào)送給均衡控 制電路，維持電池組每個(gè)電芯都在均衡的工作狀態(tài)；裝有控制程序的智能保護(hù)芯片Ul通過(guò) 對(duì)根據(jù)對(duì)電池充、放電流與時(shí)間的積分計(jì)算出來(lái)電池組的剩余電量，并且信息送給電量顯示電 路通過(guò)LED或LCD顯示出來(lái)。如果電池組發(fā)生了嚴(yán)重的危險(xiǎn)事件達(dá)到了二級(jí)保護(hù)的閥值裝有 控制程序的智能保護(hù)芯片Ul將會(huì)輸出二級(jí)保護(hù)信號(hào)，將保險(xiǎn)絲熔斷，達(dá)到徹底保護(hù)的目的。[0015]如圖2所示，Dl DlO為穩(wěn)壓二極管，可以消除外界靜電或其它高電壓對(duì)芯片造 成損壞，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Cl對(duì)電池電壓起到穩(wěn)定作用，以防止電池電壓的突然波動(dòng) 造成的測(cè)量誤差。每節(jié)電芯的正極連接到芯片的一端，并通過(guò)此端口對(duì)電芯電壓進(jìn)行檢測(cè)。[0016]如圖3所示，在電池充電時(shí)電流從BATT-流到PACK-，該電流會(huì)在電阻R3，R4上產(chǎn) 生壓降，通過(guò)濾波后送給裝有控制程序的智能保護(hù)芯片，芯片經(jīng)過(guò)18位AD轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過(guò)算 法計(jì)算就可以得出此時(shí)的充電電流。當(dāng)電流放電時(shí)電流從PACK-流到BATT-，在電阻R3，電 阻R4上產(chǎn)生與充電時(shí)方向相反的壓降，由此可以得出放電的電流大小，并能判斷方向。[0017]如圖4所示，檢測(cè)電路的連接關(guān)系為復(fù)合二極管Dl的2腳接電容Cl的一端及 地、復(fù)合二極管Dl的1腳接電容Cl的另一端。復(fù)合二極管Dl為溫度感應(yīng)器件，它可以隨 溫度的變化而反生電性能的變化，該信息通過(guò)TEMP點(diǎn)送給裝有控制程序的智能保護(hù)芯片， 并通過(guò)計(jì)算得出當(dāng)前電芯及保護(hù)板自身的溫度。[0018]如圖5所示，均衡控制電路的連接關(guān)系為十串鋰電池組(BAT1 BAT10)串聯(lián)， 串聯(lián)相接處與電容Cl、電容C2、電感Li、電阻Rl的一端相連，電容C2的另一端與鋰電池組(BAT2)的正極、NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管的P溝道Ql-B的S極及電阻Rll的一端連接，電容Cl 的另一端與電池阻(BAT1)的負(fù)極、NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管N溝道Ql-A的S極、電阻RlO的一端 連接，NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管的P溝道Q1_B、N溝道Ql-A的D極相連并接電感Li、電阻Rl的另 一端，NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管P溝道Ql-B的G極接電阻Rll的另一端，NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管的P 溝道Ql-A的G溝道G極接電阻RlO的另一端。[0019]L為功率電感，Q為雙M0SFET，電路通過(guò)裝有控制程序的智能保護(hù)芯片給出的均衡 信號(hào)，將電量多的電芯的一部分能量?jī)?chǔ)存在功率電感中，通過(guò)另一個(gè)MOSFET的導(dǎo)通，將儲(chǔ) 存于電感中的能量轉(zhuǎn)移到相鄰的電芯中，由此一步步將電量多的電芯能量轉(zhuǎn)移到電量低的 電芯中，在這個(gè)過(guò)程中只有很少的能量會(huì)損失，因此，可以在電池的任何狀態(tài)下工作，相對(duì) 于放電的旁路法可以節(jié)省的大量的能量，并擁有更高的均衡效率。[0020]如圖6所示，假設(shè)在電芯中有任何一節(jié)出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象，裝有控制程序的智能保護(hù) 芯片會(huì)立即將過(guò)充電信號(hào)送給保護(hù)電路，關(guān)斷充電M0SFET，從而切斷充電回路，保護(hù)電芯不 被過(guò)充電。同樣，本新型實(shí)用系統(tǒng)還具有欠壓，過(guò)溫度，過(guò)電流，短路，等電池保護(hù)系統(tǒng)的基 本功能，此外，該新型實(shí)用還能通過(guò)裝有控制程序的智能保護(hù)芯片對(duì)電芯的電壓，電流，溫 度等信息的變化速度進(jìn)行判斷，如果任何一個(gè)檢測(cè)量的變化速率超出了安全范圍，電路就 會(huì)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，從而可以預(yù)知將要發(fā)生的危險(xiǎn)事件，并提前做出保護(hù)，避免了危險(xiǎn)事件的 發(fā)生，提高了電池系統(tǒng)的安全性。[0021]如圖7所示，電量顯示電路的連接關(guān)系為五個(gè)發(fā)光二極管Dl D5并聯(lián)，一端接 電阻Rl的一端，另一端通過(guò)裝有控制程序的智能保護(hù)芯片Ul與開(kāi)關(guān)Sl 一端連接，開(kāi)關(guān)Sl 的另一端接地。[0022]Sl為電量顯示開(kāi)關(guān)，Dl D5為電量顯示LED。當(dāng)按下Sl后，電池組的電量信息 通過(guò)點(diǎn)亮LED的方式顯示出來(lái)。本新型實(shí)用電量檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)集為一體，避免了以往電 池保護(hù)系統(tǒng)中另購(gòu)電量顯示板的敝端。本新型實(shí)用的電量檢測(cè)方法是采用了將電流和時(shí)間 積分的計(jì)算方法，并通過(guò)對(duì)電芯電化學(xué)性能的變化準(zhǔn)確計(jì)算出電池組的剩余電量信息，其 準(zhǔn)確度是以往以電壓值作為剩余電量判斷標(biāo)準(zhǔn)的電量檢測(cè)板不能相比的。本新型實(shí)用的電 量信息可以通過(guò)LED指示指示出來(lái)，還可以通過(guò)LCD顯示器顯示，并還可以通過(guò)SMBUS通信 接口讀出，使其可以方便地和外設(shè)進(jìn)行連接。[0023]工作原理智能控制系統(tǒng)通過(guò)PowerLan通信方式將一個(gè)到四個(gè)雙電池信息檢測(cè) 單元連接起來(lái)，檢測(cè)數(shù)據(jù)由智能控制系統(tǒng)處理，并作出判斷。智能控制系統(tǒng)輸出保護(hù)信號(hào)送 給其外圍保護(hù)電路，并通過(guò)N溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)關(guān)斷、導(dǎo)通的保護(hù)動(dòng)作。智能控制系統(tǒng)還能 通過(guò)PowerLan通信方式將電量均衡信號(hào)送給檢測(cè)單元，執(zhí)行電池均衡管理。[0024]智能控制系統(tǒng)是由一顆內(nèi)含RISC構(gòu)架的單元機(jī)、安全保護(hù)模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊、SMBus通信模塊、PowerLan通信模塊、Flash儲(chǔ)存器模塊、電量均衡模塊、電量顯示模塊、 內(nèi)置振蕩器、看門(mén)狗電路、穩(wěn)壓電路構(gòu)成。RISC構(gòu)架的單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，它將外部電池 信息通過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)算法處理后判斷電池的狀態(tài)，并將結(jié)果送給 安全保護(hù)模塊或其它模塊執(zhí)行其相應(yīng)的動(dòng)作。SMBus通信模塊是將單片機(jī)內(nèi)部信息傳送給 上位機(jī)的通信單元；PowerLan通信模塊是連接智能控制系統(tǒng)和雙電池信息檢測(cè)系統(tǒng)的通 信單元；Flash儲(chǔ)存器模塊是用戶(hù)對(duì)電池保護(hù)閥值的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；電量均衡模塊是執(zhí)行 單片機(jī)電量均衡指令的執(zhí)行單元；電量顯示模塊是把單片機(jī)計(jì)算的剩余電量顯示出來(lái)的顯示模塊；內(nèi)置振蕩器為內(nèi)部單片機(jī)的工作提供時(shí)鐘頻率；看門(mén)狗電路是單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的 有力保證；穩(wěn)壓電路是為單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及外部電路提供精準(zhǔn)的穩(wěn)定電壓源。[0025]雙電池信息檢測(cè)系統(tǒng)由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、PowerLan通信模塊、電量均衡模塊組 成。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電池的電壓、電流、溫度等信息通過(guò)PowerLan通信模塊送給智能控 制系統(tǒng)處理；電量均衡模塊是根據(jù)智能控制系統(tǒng)發(fā)出的指令對(duì)其控制的兩節(jié)電池進(jìn)行電量 的均衡處理。[0026]安全管理是由一個(gè)充電MOSFET和一個(gè)放電MOSFET以及預(yù)充電路和輔助電路構(gòu) 成。充電MOSFET是對(duì)電池組充電的保護(hù)元件，當(dāng)電池組中任何一節(jié)電芯發(fā)生了過(guò)充現(xiàn)象， 智能控制系統(tǒng)將會(huì)輸出一個(gè)保護(hù)信號(hào)給充電M0SFET，使其處于關(guān)斷狀態(tài)，從而切斷電池充 電的回路，達(dá)到過(guò)充電保護(hù)。同樣過(guò)放保護(hù)MOSFET會(huì)在電路發(fā)生過(guò)放現(xiàn)象后切斷放電回 路。預(yù)充電路是在電池電壓低于安全充電電壓時(shí)采用的小電流充電電路，當(dāng)電壓恢復(fù)到正 常范圍后，預(yù)充電路將會(huì)關(guān)斷，同時(shí)充電電路將會(huì)打開(kāi)，進(jìn)行正常充電。當(dāng)電池發(fā)生極端安 全情況時(shí)，智能保護(hù)系統(tǒng)能通過(guò)用戶(hù)設(shè)置的保護(hù)閥值，如溫度上升速率過(guò)快、電壓上升速率 過(guò)快、MOSFET失效，電池極端失衡等數(shù)據(jù)進(jìn)入二次保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)充電M0SFET、放電MOSFET 和預(yù)充電路同時(shí)斷開(kāi)，并且二次保護(hù)指示燈點(diǎn)亮或保險(xiǎn)絲熔斷，以達(dá)到徹底保護(hù)的目的。[0027]剩余電量計(jì)算是由單片機(jī)根據(jù)對(duì)電池充、放電流與時(shí)間的積分計(jì)算出來(lái)，能夠 真實(shí)反應(yīng)電池組充入的電量和已放出的電量，比市場(chǎng)上采用電壓法判斷電池剩余電量具有 無(wú)可比擬的精確度。[0028]電池均衡單元是由N/P雙MOSFET管和電感線(xiàn)圈構(gòu)成，單片機(jī)將均衡的高頻開(kāi)關(guān) 信號(hào)送給雙M0SFET，當(dāng)導(dǎo)通其中一個(gè)MOSFET時(shí)，電量高的電芯通過(guò)對(duì)電感線(xiàn)圈的充電，將 一部分能量?jī)?chǔ)存于電感內(nèi)，此時(shí)斷開(kāi)這個(gè)M0SFET，導(dǎo)通另一個(gè)M0SFET，此時(shí)電感中的電量 將充入電量低的電芯中，實(shí)現(xiàn)電能由電量高的電芯轉(zhuǎn)移到電量低的電芯中，在此過(guò)程中幾 乎沒(méi)有能量的損失，因此可以電池的任何狀態(tài)進(jìn)行均衡，轉(zhuǎn)換效率高，大大縮減了電池均衡 的時(shí)間。
權(quán)利要求1.一種鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路，包括鋰電池組，其特征在于十串鋰電池組(BAT1 BAT10)分別與采樣電阻、電流采樣電路、電壓采樣電路、均衡控制電路、溫度檢測(cè)電路、保險(xiǎn) 絲連接，采樣電阻一路與電流采樣電路連接，另一路通過(guò)放電控制電路、充電控制電路與端 口 I連接，裝有控制程序的智能保護(hù)芯片Ul分別與放電控制電路、電量顯示電路、SMBUS通 信接口、電流采樣電路、電壓采樣電路、均衡控制電路、溫度檢測(cè)電路、檢測(cè)均衡芯片U2、檢 測(cè)均衡芯片U3、檢測(cè)均衡芯片U4、保險(xiǎn)絲連接，保險(xiǎn)絲與端口 II連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路，其特征在于所述檢測(cè)電路的連接 關(guān)系為復(fù)合二極管Dl的2腳接電容Cl的一端及地，復(fù)合二極管Dl的1腳接電容Cl的另 一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路，其特征在于所述均衡控制電路的 連接關(guān)系為十串鋰電池組(BAT1 BAT10)串聯(lián)，串聯(lián)相接處與電容C2、電容Cl、電感Li、 電阻Rl的一端相連，電容C2的另一端與鋰電池組(BAT2)的正極、NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管的P 溝道Ql-B的S極及電阻Rll的一端連接，電容Cl的另一端與電池阻(BATl)的負(fù)極、NP雙 溝道場(chǎng)效應(yīng)管N溝道Ql-A的S極、電阻RlO的一端連接，NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管的P溝道Q1-B、 N溝道Ql-A的D極相連并接電感Li、電阻Rl的另一端，NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管P溝道Ql-B的 G極接電阻Rll的另一端，NP雙溝道場(chǎng)效應(yīng)管的P溝道Ql-A的G溝道G極接電阻RlO的另 一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路，其特征在于所述電量顯示電路的 連接關(guān)系為五個(gè)發(fā)光二極管Dl D5并聯(lián)，一端接電阻Rl的一端，另一端通過(guò)裝有控制程 序的智能保護(hù)芯片Ul與開(kāi)關(guān)Sl —端連接，開(kāi)關(guān)Sl的另一端接地。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種鋰動(dòng)力電池組保護(hù)電路，它包括鋰電池組，十串鋰電池組分別與采樣電阻、電流采樣電路、電壓采樣電路、均衡控制電路、溫度檢測(cè)電路、保險(xiǎn)絲連接，采樣電阻一路與電流采樣電路連接，另一路通過(guò)放電控制電路、充電控制電路與端口Ⅰ連接，裝有控制程序的智能保護(hù)芯片U1分別與放電控制電路、電量顯示電路、SMBUS通信接口、電流采樣電路、電壓采樣電路、均衡控制電路、溫度檢測(cè)電路、檢測(cè)均衡芯片U2、檢測(cè)均衡芯片U3、檢測(cè)均衡芯片U4、保險(xiǎn)絲連接，保險(xiǎn)絲與端口Ⅱ連接。該電路可以靈活配置各項(xiàng)保護(hù)閥值，加載各種類(lèi)型電芯的充放電特性，能夠適應(yīng)各種類(lèi)型，通用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短；具有較高的均衡效率和極低的電能損失。
文檔編號(hào)H02H7/18GK201821092SQ201020569319
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者劉和平, 姚福彬, 孫亞心, 崔洪桅, 楊劍, 王善濤, 王姍姍, 王寶, 王德輝, 王玉菲, 高陽(yáng), 黃偉 申請(qǐng)人:天津光電通信技術(shù)有限公司