專利名稱：多級充電均衡控制裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信電源領域，具體涉及一種多級充電均衡控制裝置及方法。
背景技術：
鋰離子電池因其各種優(yōu)點，如工作電壓高、體積小、質量輕等，被視為一種理想電源。在實際使用中，為了獲得更高的放電電壓，一般將至少兩只單體鋰離子電池串聯(lián)組成鋰離子電池組使用。目前，鋰離子電池組已經(jīng)廣泛應用于筆記本電腦、電動自行車和備用電源等多種領域。因此，如何在充電時使鋰離子電池組較好的使用顯得尤為關鍵，現(xiàn)將鋰離子電池組常用的幾種充電方法簡述如下1.普通的串聯(lián)充電目前鋰離子電池組的充電一般都采用串聯(lián)充電，但由于單體鋰離子電池之間在容量、內(nèi)阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異，在對鋰離子電池組串聯(lián)充電時，電池組中容量最小的那只單體鋰離子電池將最先充滿電，而此時，其他電池還沒有充滿電；如果繼續(xù)串聯(lián)充電，則已充滿電的單體鋰離子電池就可能會被過充電；而鋰離子電池過充電會嚴重損害電池的性能，甚至可能會導致爆炸造成人員傷害，因此，為了防止出現(xiàn)單體鋰離子電池過充電，鋰離子電池組使用時一般配有電池管理系統(tǒng)(Battery ManagementSystem，簡稱BMS)，通過電池管理系統(tǒng)對每一只單體鋰離子電池進行過充電等保護；具體如串聯(lián)充電時，若某只單體鋰離子電池的電壓達到過充保護電壓，電池管理系統(tǒng)會將整個串聯(lián)充電電路切斷，停止充電，以防止這只單體電池被過充電，而這樣會造成其他鋰離子電池無法充滿電；其中，由于電池本身特性，磷酸鐵鋰電池組中某些電池充不滿電的現(xiàn)象相對錳酸鋰電池組而言會更為明顯；2.電池管理系統(tǒng)和充電機協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電電池管理系統(tǒng)是對電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設備，所以將電池管理系統(tǒng)和充電機之間建立聯(lián)系，就能使充電機實時地了解電池的信息，從而更有效地解決電池的充電時的問題；電池管理系統(tǒng)和充電機協(xié)調(diào)配合充電模式的原理為電池管理系統(tǒng)通過對電池的當前狀態(tài)(如溫度、單體電池電壓、電池工作電流、一致性以及溫升等)進行監(jiān)控，并利用這些參數(shù)對當前電池的最大允許充電電流進行估算；充電過程中，通過通信線將電池管理系統(tǒng)和充電機聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享；電池管理系統(tǒng)將總電壓、最高單體電池電壓、最高溫度、溫升、最大允許充電電壓、最高允許單體電池電壓以及最大允許充電電流等參數(shù)實時地傳送到充電機，充電機就能根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的信息改變自己的充電策略和輸出電流；具體如當電池管理系統(tǒng)提供的最大允許充電電流比充電機設計的電流容量高時，充電機按照設計的最大輸出電流充電；當電池的電壓、溫度超限時，電池管理系統(tǒng)能實時檢測到并及時通知充電機改變電流輸出；當充電電流大于最大允許充電電流時，充電機開始跟隨最大允許充電電流，這樣就有效地防止了電池過充電，達到延長電池壽命的目的。充電過程中一旦出現(xiàn)故障，電池管理系統(tǒng)可以將最大允許充電電流設為0，迫使充電機停機，避免發(fā)生事故，保障充電的安全；3.并聯(lián)充電為了解決電池組中某些單體電池過充和充不滿電的問題，又發(fā)展出了并聯(lián)充電的辦法，但是并聯(lián)充電方法需要采用多個低電壓、大電流的充電電源為每一只單體電池充電，存在充電電源成本高、可靠性低、充電效率低、連接線徑粗等缺陷，因此目前沒有大范圍使用這種充電方法；綜上，現(xiàn)有的充電方法均無法在任何時候(如電池的運行環(huán)境不符合所需的條件下)保證每個單節(jié)電池都不發(fā)生過充電和過放電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是提出一種高效的多級充電均衡控制裝置。本發(fā)明的第二目的是提出一種高效的多級充電均衡控制方法。為實現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明提供了一種多級充電均衡控制裝置，包括包括偶數(shù)個級聯(lián)的串聯(lián)用電池保護IC的第一級控制電路；其中，每一串聯(lián)用電池保護IC對應連接串聯(lián)組成一個電池組的多個單體電池；包括串聯(lián)用電池保護IC的數(shù)量的半數(shù)個級聯(lián)的電流模式PWM的電池充電IC的第二級控制電路；其中，每一電流模式PWM的電池充電IC對應連接第一級控制電路中的兩個串聯(lián)用電池保護IC ；第一級控制電路中的每個串聯(lián)用電池保護IC根據(jù)預設的第一電壓閾值及檢測得到的每一單體電池的電壓值，控制對應單體電池的充放電電路的導通與斷開，以及每一電池充電IC根據(jù)對應連接的兩個串聯(lián)用電池保護IC上報的兩個電池組的電壓值、第二預設電壓閾值，控制兩個電池組中任一組的充放電電路的導通與斷開，其中兩個電池組為兩個串聯(lián)用電池保護IC對應連接的電池組。為實現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明提供了一種多級充電均衡控制方法，包括第一級控制電路中的每個串聯(lián)用電池保護IC根據(jù)預設的第一電壓閾值及檢測得到的每一單體電池的電壓值，控制對應單體電池的充放電電路的導通與斷開；其中，第一級控制電路包括包括偶數(shù)個級聯(lián)的串聯(lián)用電池保護IC ；其中，每一串聯(lián)用電池保護IC對應連接串聯(lián)組成一個電池組的多個單體電池；第二級控制電路中的每一電池充電IC根據(jù)對應連接的兩個串聯(lián)用電池保護IC上報的兩個電池組的電壓值、第二預設電壓閾值，控制兩個電池組中任一組的充放電電路的導通與斷開，其中兩個電池組為兩個串聯(lián)用電池保護IC對應連接的電池組；其中，第二級控制電路包括串聯(lián)用電池保護IC的數(shù)量的半數(shù)個級聯(lián)的電流模式PWM的電池充電IC ；其中，每一電流模式PWM的電池充電IC對應連接第一級控制電路中的兩個串聯(lián)用電池保護IC。本發(fā)明各個實施例中，通過每一電流模式PWM的電池充電IC與兩個串聯(lián)用電池保護IC連接，用于對與兩個串聯(lián)用電池保護IC連接的串聯(lián)電池均衡采樣控制及保護，并通過內(nèi)部自帶的微充放電管理系統(tǒng)控制各串聯(lián)用電池保護IC對各節(jié)電池的充放電方式，從而完成各組電池及各單體電池的均衡，實現(xiàn)每個單節(jié)電池都不發(fā)生過充電和過放電。


附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實
5施例一并用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中圖1為本發(fā)明的多級充電均衡控制裝置的實施例一結構圖；圖為本發(fā)明的多級充電均衡控制裝置的實施例二電路圖；圖3為本發(fā)明的多級充電均衡控制裝置的實施例流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。裝置實施例圖1為本發(fā)明的多級充電均衡控制裝置的實施例一結構圖。如圖1所示，本實施例包括包括偶數(shù)個級聯(lián)的串聯(lián)用電池保護IC的第一級控制電路；其中，每一串聯(lián)用電池保護IC對應連接串聯(lián)組成一個電池組的多個單體電池；包括串聯(lián)用電池保護IC的數(shù)量的半數(shù)個級聯(lián)的電流模式PWM的電池充電IC的第二級控制電路；其中，每一電流模式PWM的電池充電IC對應連接第一級控制電路中的兩個串聯(lián)用電池保護IC;第一級控制電路中的每個串聯(lián)用電池保護IC根據(jù)預設的第一電壓閾值及檢測得到的每一單體電池的電壓值，控制對應單體電池的充放電電路的導通與斷開，以及每一電池充電IC根據(jù)對應連接的兩個串聯(lián)用電池保護IC上報的兩個電池組的電壓值、第二預設電壓閾值，控制兩個電池組中任一組的充放電電路的導通與斷開，其中兩個電池組為兩個串聯(lián)用電池保護IC對應連接的電池組。具體操作時，該多級充電均衡控制裝置還包括包括串聯(lián)的與串聯(lián)用電池保護IC數(shù)量相同個數(shù)的溫度控制開關的第三級控制電路，第三級控制電路中的每一溫度控制開關對應檢測第一級控制電路中每一串聯(lián)用電池保護IC連接的各單體電池的溫度，并在任一單體電池溫度超過預設溫度閾值時，控制停止對對應的串聯(lián)用電池保護IC連接的各單體電池充電。也就是說，在每個溫度控制開關檢測到其對應的一組電池內(nèi)的某一個電池的溫度過高時，控制停止對該組所有的單體電池停止充H1^ ο該電流模式P麗的電池充電IC為LTC1769或LTC1760，對應的Ra為0. 03歐姆，
對應的Rvumit為IOK歐姆。本實施例通過每一電流模式PWM的電池充電IC與兩個串聯(lián)用電池保護IC連接，用于對與兩個串聯(lián)用電池保護IC連接的串聯(lián)電池均衡采樣控制及保護，并通過內(nèi)部自帶的微充放電管理系統(tǒng)控制各串聯(lián)用電池保護IC對各節(jié)電池的充放電方式，從而完成各組電池及各單體電池的均衡，實現(xiàn)每個單節(jié)電池都不發(fā)生過充電和過放電。圖2a_2d為本發(fā)明的多級充電均衡控制裝置的實施例二電路圖。圖2a_2d通過圖中的標號1-19對應相連，組成一個整體的圖，如圖加中的標號1-7分別對應與圖2b中的標號1-7相連，以連接第一 LTC1769及其對應的兩個S-8204B ；如圖2c中的標號11-17分別對應與圖2d中的標號11-17相連，以連接第二 LTC1769及其對應的兩個S-8204B，其他類似不再贅述。如圖2a-2d所示，本實施例包括兩個電池充電IC，四個電池串聯(lián)用電池保護IC及三個溫度控制開關IC，其中，兩個電池充電IC可以為兩個電流模式脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電池充電IC，如第一 LTC1769及第二 LTC1769，具體操作時，還可以為兩個LTC1760 ；電池串聯(lián)用電池保護IC可以為4個電池串聯(lián)用S-8204B或7個電池串聯(lián)用LS9208 ；溫度控制開關IC可以為TMP300。以下以LTC1769、S-8204B及TMP300組成的三級充電均衡控制裝
置進行解釋說明；每個S-8204B對應控制四個鋰電池，用于對各節(jié)電池進行過充過放電壓檢測，進行過電流檢測等，如圖2a-2d所示，每一 LTC1769與兩個S-8204B連接，用于對與兩個S-8204B連接的8節(jié)串聯(lián)電池均衡采樣控制及保護，并通過內(nèi)部自帶的微充放電管理系統(tǒng)控制各S-8204B對各節(jié)電池的充放電方式，從而完成兩組(每個S-8204B對應一組)的電池均衡的管理；TMP300溫度控制開關IC分別連接鋰電池與S-8204B，用于檢測電池在充放過程中的溫度，并在電池溫度超過預設限制時，TMP300可以將最大允許充電電流設為0 (實現(xiàn)對相應的電池組停止充電)，迫使充電設備停機，保障充電的安全；TMP300還可以用于自動記錄當前的充電電流及當大于最大允許充電電流時的單體溫度變化情況，以便根據(jù)溫度數(shù)據(jù)調(diào)整控制最大允許充電電流，這樣就有效地防止了電池過充電，又達到快速充電并延長電池壽命目的。各級均衡控制電路的具體解釋如下(一 )第一級控制電路硬件設計與工作原理說明第一級均衡控制是由四個S-8204B組成的具有過電流保護功能的電路，用于檢測每個單體的鋰電池充放電及運行過程的各項數(shù)據(jù)，且用于四個鋰電池為一組的均衡控制；在各電池使用一段時間后其內(nèi)阻和電壓產(chǎn)生波動，若S-8204B檢測到每組的單體電池間的狀態(tài)不一致，S-8204B可通過控制充電控制用端子(即圖2b中與第二 S-8204B(即下方的S-8204B)的COP端子連接的MOSFET，或圖2d中的對應處，不贅述)和放電控制用端子(即圖2b中與第二 S-8204B(即下方的S-8204B)的DOP端子連接的M0SFET，或圖2d中的對應處，不贅述)；如圖加-2(1所示，兩個S-8204B串聯(lián)在一起，由4個N/P溝道MOSFET做控制開關(對應為圖2b及圖2d中的兩個充電用FET及兩個放電用FET)，可以保護8節(jié)鋰離子電池，四個保護芯片串聯(lián)在一起，就保護了 16節(jié)鋰離子電池；本領域技術人員可以理解，可以根據(jù)待保護單體電池的數(shù)量確定S-8204B的個數(shù)；將第一 S-8204B(即圖2b中上面的S-8204B)的COP端子與第二 S-8204B(即圖2b中下面的S-8204B)的CTLC端子連接；將第一 S-8204B的DOP端子與第二 S-8204B的CTLD端子連接，這樣，通過CTLC端子以及CTLD端子可以分別單獨控制COP端子與DOP端子的輸出電壓，且可設置該控制功能優(yōu)先于芯片內(nèi)部的電池充放電保護功能；如若某節(jié)電池發(fā)生過充，第一 S-8204B的COP端子輸出電壓會發(fā)生變化，該電壓變化會傳遞到第二 S-8204B的CTLC端子，從而使得第二 S-8204B的COP端子輸出電壓也發(fā)生變化，進而控制與第二 S-8204B連接的充電用MOSFET (簡稱充電用FET)的關斷，實現(xiàn)鋰離子電池的過充電保護；如若某節(jié)電池發(fā)生過放電時，則由與該電池相連接的第一 S-8204B的DOP端子向第二 S-8204B芯片的CTLD端子發(fā)出過放信號，改變第二 S-8204B的DOP端子的狀態(tài)，控制與第二 S-8204B連接的放電用MOSFET(簡稱放電用FET)關斷，結束放電；由于可以通過CTLC端子以及CTLD端子可以分別單獨控制COP端子與DOP端子的輸出電壓，可以得到下列對應關系
表 權利要求
1.ー種多級充電均衡控制裝置，其特征在干，包括包括偶數(shù)個級聯(lián)的串聯(lián)用電池保護IC的第一級控制電路；其中，每ー串聯(lián)用電池保護 IC對應連接串聯(lián)組成ー個電池組的多個單體電池；包括所述串聯(lián)用電池保護IC的數(shù)量的半數(shù)個級聯(lián)的電流模式PWM的電池充電IC的第 ニ級控制電路；其中，每ー電流模式PWM的電池充電IC對應連接所述第一級控制電路中的兩個串聯(lián)用電池保護IC;所述第一級控制電路中的每個串聯(lián)用電池保護IC根據(jù)預設的第一電壓閾值及檢測得到的每ー單體電池的電壓值，控制對應單體電池的充放電電路的導通與斷開，以及每ー電池充電IC根據(jù)對應連接的兩個串聯(lián)用電池保護IC上報的兩個電池組的電壓值、第二預設電壓閾值，控制所述兩個電池組中任一組的充放電電路的導通與斷開，其中所述兩個電池組為所述兩個串聯(lián)用電池保護IC對應連接的電池組。
2.根據(jù)權利要求1所述的多級充電均衡控制裝置，其特征在于，還包括包括與所述串聯(lián)用電池保護IC數(shù)量相同個數(shù)的串聯(lián)的溫度控制開關的第三級控制電路，所述第三級控制電路中的每ー溫度控制開關檢測所述第一級控制電路中每ー串聯(lián)用電池保護IC連接的各單體電池的溫度，并在任一單體電池溫度超過預設溫度閾值時，控制停止對對應的串聯(lián)用電池保護IC連接的各單體電池的充電。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的多級充電均衡控制裝置，其特征在干，所述電流模式PWM 的電池充電IC為LTC1769或LTC1760。
4.根據(jù)權利要求3所述的多級充電均衡控制裝置，其特征在干，所述電流模式PWM的電池充電IC的Ra為0.03歐姆。
5.根據(jù)權利要求4所述的多級充電均衡控制裝置，其特征在干，所述電流模式PWM的電池充電IC的Rvlimit為IOK歐姆。
6.根據(jù)權利要求2所述的多級充電均衡控制裝置，其特征在干，所述兩個串聯(lián)用電池保護IC中第一串聯(lián)用電池保護IC的CTLC端及CTLD端均連接單體電池的一端，所述第一串聯(lián)用電池保護IC的COP端連接所述兩個串聯(lián)用電池保護IC中第二串聯(lián)用電池保護IC 的CTLC端，所述第一串聯(lián)用電池保護IC的DOP端連接所述第二串聯(lián)用電池保護IC的CTLD 端，所述第二串聯(lián)用電池保護IC的COP端及DOP端分別對應連接充電用FET及放電用FET。
7.根據(jù)權利要求6所述的多級充電均衡控制裝置，其特征在干，所述第一串聯(lián)用電池保護IC的CTLC端連接所述第三級控制電路中的ー個串聯(lián)用電池保護IC的Tset端；所述第二串聯(lián)用電池保護IC的CTLC端連接所述第三級控制電路中的另ー個串聯(lián)用電池保護IC 的Tset端或者與所述第一串聯(lián)用電池保護IC的CTLC端連接相同的Tset端。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的多級充電均衡控制裝置，其特征在于，每一單體電池上均并聯(lián)ー超級電容。
9.ー種多級充電均衡控制方法，其特征在干，包括第一級控制電路中的每個串聯(lián)用電池保護IC根據(jù)預設的第一電壓閾值及檢測得到的每ー單體電池的電壓值，控制對應單體電池的充放電電路的導通與斷開；其中，所述第一級控制電路包括包括偶數(shù)個級聯(lián)的串聯(lián)用電池保護IC ；其中，每ー串聯(lián)用電池保護IC對應連接串聯(lián)組成ー個電池組的多個單體電池；第二級控制電路中的每ー電池充電IC根據(jù)對應連接的兩個串聯(lián)用電池保護IC上報的兩個電池組的電壓值、第二預設電壓閾值，控制所述兩個電池組中任一組的充放電電路的導通與斷開，其中所述兩個電池組為所述兩個串聯(lián)用電池保護IC對應連接的電池組；其中，所述第二級控制電路包括所述串聯(lián)用電池保護IC的數(shù)量的半數(shù)個級聯(lián)的電流模式PWM的電池充電IC ；其中，每一電流模式PWM的電池充電IC對應連接所述第一級控制電路中的兩個串聯(lián)用電池保護IC。
10.根據(jù)權利要求9所述的多級充電均衡控制方法，其特征在于，還包括第三級控制電路中的每一溫度控制開關檢測所述第一級控制電路中每一串聯(lián)用電池保護IC連接的各單體電池的溫度，并在任一單體電池溫度超過預設溫度閾值時，控制停止對對應的串聯(lián)用電池保護IC連接的各單體電池充電，其中，所述第三級控制電路包括與所述串聯(lián)用電池保護IC數(shù)量相同個數(shù)的串聯(lián)的溫度控制開關。
11.根據(jù)權利要求10所述的多級充電均衡控制方法，其特征在于，還包括與所述兩個串聯(lián)用電池保護IC中的第二串聯(lián)用電池保護IC的COP端連接的充電用FET根據(jù)溫控開關控制信號的大小進行斷開或關閉操作；其中，所述兩個串聯(lián)用電池保護IC中的第一串聯(lián)用電池保護IC及第二串聯(lián)用電池保護IC的CTLC端連接所述第三級控制電路中的一個串聯(lián)用電池保護IC的Tset端，所述第一串聯(lián)用電池保護IC的COP端連接所述兩個串聯(lián)用電池保護IC中第二串聯(lián)用電池保護IC的CTLC端，所述Tset端用于發(fā)送所述溫控開關控制信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多級充電均衡控制裝置及方法，其中，該裝置包括包括偶數(shù)個級聯(lián)的串聯(lián)用電池保護IC的第一級控制電路；包括串聯(lián)用電池保護IC的數(shù)量的半數(shù)個級聯(lián)的電流模式PWM的電池充電IC的第二級控制電路；第二級控制電路中的每一電池充電IC控制第一級控制電路中的兩個串聯(lián)用電池保護IC對單體的充放電，以及控制兩個串聯(lián)用電池保護IC中每一串聯(lián)用電池保護IC對應的電池組的充放電。本發(fā)明實現(xiàn)每個單節(jié)電池都不發(fā)生過充電和過放電。
文檔編號H01M10/42GK102570531SQ201010624139
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者包靜 申請人:中國移動通信集團甘肅有限公司