專利名稱:一種鋰離子電池組二級保護方法及其電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池組二級保護方法及其電路,適用于多節(jié)鋰離子電 池組的充放電故障保護,屬于鋰離子電池管理的技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景鋰離子電池是以嵌鋰化合物作為正負極材料的新型高能電池,具有比能量 高,電壓高,自放電小,循環(huán)性能好和壽命長等一系列的優(yōu)點,近年來開始得到 廣泛的應(yīng)用。但是鋰離子電池不能過充電、過放電以及高溫充、放電,否則會大 大縮短電池使用壽命,嚴重時甚至會發(fā)生燃燒、爆炸等極端情況。因此,鋰離子 電池組充放電的保護很重要,直接關(guān)系到產(chǎn)品的安全性能。如果因為鋰離子電池 組在充放電過程中發(fā)生燃燒、爆炸等極端情況,而導致產(chǎn)品召回和用戶索賠,生 產(chǎn)商將承擔巨大的風險。因此,生產(chǎn)商都十分重視鋰離子電池組的保護措施。目 前,4串以下的電池組有專用的保護芯片,4串以上的則沒有專用保護芯片。目 前,4串以上的電池組的保護都是單獨采用單片機系統(tǒng)或者單獨采用專用保護芯 片串聯(lián)的方式實施。這種單獨的保護措施都只有一級保護,如果在鋰離子電池組 充放電時發(fā)生故障,而由于某種原因,這級保護不能及時動作并報警,將造成電 池組損壞甚至爆炸,進而影響設(shè)備安全和人身安全。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種多節(jié)鋰離子電池組二級保護方法,從而有效提高多 節(jié)鋰離子電池組的保護性能;本發(fā)明的另一目的是提供該多節(jié)鋰離子電池組二級 保護方法的實現(xiàn)電路。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種多節(jié)鋰離子電池組二級保護方法,是通過電 壓監(jiān)測電路1、電流監(jiān)測模塊2和溫度監(jiān)測電路3將鋰離子電池組(B1、B2、……、 Bn)的電壓、電流和溫度信號送入單片機系統(tǒng)4,完成第一級保護的信號測量和 運算處理;專用保護芯片組7中專用保護芯片71、專用保護芯片72、……、專 用保護芯片7m相串聯(lián),鋰離子電池組(Bl、 B2、……、Bn)的電壓、電流和 溫度信號直接經(jīng)芯片測量和處理,完成第二級保護的信號測量和運算處理;專用 保護芯片組7與單片機系統(tǒng)4的處理結(jié)果一起送入信號綜合和驅(qū)動電路6,驅(qū)動4
充電管Q1和放電管Q12動作,使鋰離子電池組(Bl、 B2、……、Bn)正常工 作;當發(fā)生過充電、過放電或過溫等故障現(xiàn)象時,關(guān)斷充電管Qll或放電管Q12, 切除故障并報警;第二級保護的動作設(shè)定值大于第一級保護的動作設(shè)定值,但均 在鋰離子電池的安全范圍內(nèi)。因此,發(fā)生故障時,第一級保護將輸出保護信號, 當由于某種原因,充放電主電路未動作,故障沒切除,這時,第二級保護將輸出 保護信號,驅(qū)動充放電主電路動作,切除故障。上述的鋰離子電池組二級保護方法,具體包括以下步驟(1) 、 n只單體鋰離子電池(Bl、 B2、……、Bn)串聯(lián)構(gòu)成電池組,通過 電壓監(jiān)測電路1,將電池組中各點對地(0)電位(CL1、 CL2、……、CLn), 按不同比例轉(zhuǎn)化成0~+5V的直流電壓Dl、 D2、 、 Dn,送入單片機系統(tǒng)4處理;電池組的充放電電流通過電流監(jiān)測模塊2,產(chǎn)生信號C-SAMPLING,送 入單片機系統(tǒng)4處理;電池組的溫度通過溫度監(jiān)測電路3,產(chǎn)生信號temp,送入 單片機系統(tǒng)4處理;單片機系統(tǒng)4輸出信號C00、 DOO,送入信號綜合和驅(qū)動電 路6;單片機系統(tǒng)4輸出信號CC1、 CC2、……、CCn,送入均衡電路9,在發(fā) 生充電不均衡情況時,啟動均衡電路工作;(2) 、專用保護芯片組7由專用保護芯片71、專用保護芯片72、……、專 用保護芯片7m相串聯(lián),對電池組中各點對地(0)電位(CL1、 CL2、……、 CLn)、電池組的充放電電流和電池組的溫度進行處理,輸出信號COl、 DOl、……、COm、 DOm,送入信號綜合和驅(qū)動電路6;(3) 、信號綜合和驅(qū)動電路6根據(jù)單片機系統(tǒng)4和專用保護芯片組7的輸入 信號,產(chǎn)生驅(qū)動信號CC-ON和DCC-ON,驅(qū)動充電功率管Qll和放電功率管 Q12,使鋰離子電池組(Bl、 B2、……、Bn)正常工作或切除故障并報警。上述的鋰離子電池組二級保護方法中,在鋰離子電池組處于非充放電狀態(tài) 時,單片機系統(tǒng)4工作于休眠狀態(tài),同時電壓監(jiān)測電路1和溫度監(jiān)測電路3也處 于休眠狀態(tài)。 一旦鋰離子電池組發(fā)生充放電行為,將通過充電喚醒、放電喚醒和 故障保持電路5,喚醒單片機系統(tǒng)4工作。上述的鋰離子電池組二級保護方法中,當鋰離子電池組(Bl、 B2、……、 Bn)發(fā)生過充電、過放電或過溫等故障情況時,將首先由單片機系統(tǒng)4發(fā)出保 護信號,實施第一級保護;若單片機系統(tǒng)4不能及時發(fā)出保護信號,或發(fā)出的保
護信號未起作用,則經(jīng)過一定的延時,由專用保護芯片組7發(fā)出保護信號,實施 第二級保護;第二級保護的動作設(shè)定值大于第一級保護的動作設(shè)定值,但均在鋰 離子電池的安全范圍內(nèi)。上述的鋰離子電池組二級保護方法及其電路中,鋰離子電池組(Bl、B2、……、Bn)通過穩(wěn)壓電路產(chǎn)生+5V穩(wěn)定電源,提供給單片機系統(tǒng)4、電流 監(jiān)測模塊2、溫度監(jiān)測電路3和充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路5使用。本發(fā)明提供的多節(jié)鋰離子電池組二級保護方法的實現(xiàn)電路,包括單片機系統(tǒng) 4和專用保護芯片組7,連接于單片機系統(tǒng)4輸入端的電壓監(jiān)測電路1、電流監(jiān) 測模塊2、溫度監(jiān)測電路3和充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路5,均衡電路 9以及由信號綜合和驅(qū)動電路6控制的、與電池組串聯(lián)的充電管Qll和放電管 Q12,其特征在于單片機系統(tǒng)4和專用保護芯片組7的處理結(jié)果均送入信號綜 合和驅(qū)動電路6,產(chǎn)生充電管Qll和放電管Q12的驅(qū)動信號CC-ON和DCC-ON, 從而驅(qū)動充電管Qll和放電管Q12。故障時,單片機系統(tǒng)4先發(fā)出保護信號, 當由于某種原因,充放電主電路未動作,故障沒切除,這時,專用保護芯片組7 將發(fā)出保護信號,驅(qū)動充放電主電路動作,切除故障。本發(fā)明的優(yōu)點在于將單片機保護和專用保護芯片結(jié)合起來,為鋰離子電池 組提供了二級保護功能,顯著提高了鋰離子電池組的安全性能。
圖1為本鋰離子電池組二級保護電路的原理框圖;圖中1-電壓監(jiān)測電路,2-電流監(jiān)測模塊,3-溫度監(jiān)測電路,4-單片機系統(tǒng),5-充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路,6-信號綜合和驅(qū)動電路,7-專用保護芯片組;8-穩(wěn)壓電路,9-均衡電路。圖2為其電壓監(jiān)測電路的原理圖;圖3為其電流監(jiān)測模塊的原理圖;圖4為其溫度監(jiān)測電路的原理圖;圖5為其單片機系統(tǒng)控制部分的原理圖;圖6為其單片機系統(tǒng)控制部分的控制流程圖;圖7為其專用保護芯片電路的原理圖;圖8為其信號綜合和驅(qū)動電路的原理圖9為其充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路的原理圖;圖IO為其均衡電路的原理圖。
具體實施方式
如圖1所示,本發(fā)明中,單片機系統(tǒng)4構(gòu)成第一級保護系統(tǒng),處理由電壓監(jiān) 測電路1獲得的電池組各點對地電壓信號Dl、 D2、 D3、……、Dn、電流監(jiān)測 模塊2獲得的充放電電流信號C-SAMPLING、溫度監(jiān)測電路3獲得的電池組溫 度信號temp以及充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路5獲得的信號fault-keep, 輸出控制充電開關(guān)Qll、放電開關(guān)Q12通斷的信號COO、 DOO,同時還輸出開 通電壓監(jiān)測電路1和溫度監(jiān)測電路3工作的控制信號SW。需要指出的是,為了 減少保護電路的電能損耗,在電池組處于非充放電工作狀態(tài)下,電壓監(jiān)測電路、 溫度監(jiān)測電路和單片機系統(tǒng)均處于休眠狀態(tài)。當發(fā)生充放電行為時,通過充放電 電流喚醒單片機系統(tǒng),同時使電壓監(jiān)測電路和溫度監(jiān)測電路工作。專用保護芯片 組7中專用保護芯片71、專用保護芯片72、……、專用保護芯片7m相串聯(lián), 接于電池組兩端,構(gòu)成第二級保護系統(tǒng),專用保護芯片組緊貼電池組安裝,輸入 電池組各點對地電位CL1、 CL2、 、 CLn,輸出控制充電開關(guān)Qll、放電開關(guān)Q12通斷的信號C01、D01、......、COm、DOm,而CO0、DO0、COl、DO1、……、COm、 DOm送入信號綜合和驅(qū)動電路6,輸出充電開關(guān)Qll的驅(qū)動信號CC-ON 和放電開關(guān)Q12的驅(qū)動信號DCC-ON。圖l中,單片機系統(tǒng)4輸出信號CC1、 CC2、……、CCn,送入均衡電路9, 在發(fā)生充電不均衡情況時,啟動均衡電路工作。圖1中,穩(wěn)壓電路8提供高精度輸出電壓,保證各環(huán)節(jié)的工作精度。在實際應(yīng)用中,本發(fā)明所述的充電開關(guān)Qll、放電開關(guān)Q12均可以采用并 聯(lián)MOSFET的方法來擴大充放電電流的能力。如圖2所示,電壓監(jiān)測電路l由相同結(jié)構(gòu)的n個分壓電路組成,將電池組中 各點對地電位分壓至+5V以內(nèi),如圖中的D1、 D2、 D3、……、Dn所示,送入 單片機系統(tǒng)處理。當電池組處于充放電工作狀態(tài)時,單片機系統(tǒng)輸出信號SW為高電平,三極管Qm和Q2n導通,電阻Rln、 R2n對電池電壓分壓,Dn點電壓 ~~5 rr X"CL",其中UQ2n為三極管Q2n的管壓降,約為0.7V。當電
池組不在充放電工作狀態(tài)時,單片機系統(tǒng)輸出信號SW為低電平,三極管Q^和 Q2n關(guān)斷,電壓監(jiān)測電路1不工作,不消耗電池組的電能。其他各點電壓如Ucu、 Ucu的測量與Ucxn的原理相同。這樣,通過電壓監(jiān)測電路1就將電池組中各點對地電位分壓至+5V以內(nèi),如圖中的D1、 D2、 D3、……、Dn所示,送入單片 機系統(tǒng)處理。如圖3所示,無充、放電電流時,測得運放U5的+IN管腳電壓UjN+,約為 十1V左右。當電池組放電時,UIN+ 〈IV,而且放電電流越大,Ujn+越小。當電池 組充電時,Uin+〉 IV,而且充電電流越大,Uin+越大。Uw+經(jīng)過運放U5,得到放 大,變?yōu)槌浞烹娺^電流信號C-SAMPLING,送入單片機系統(tǒng)處理。如圖4所示,溫度監(jiān)測電路由電阻R72和反溫度系數(shù)熱敏電阻RT串聯(lián)組成, RT緊貼鋰電池組安裝。當電池組處于充放電工作狀態(tài)時,單片機系統(tǒng)輸出信號 SW為高電平,所述的溫度監(jiān)測電路工作,在電池組溫度低于65°(:時,RT為高 阻值,temp信號為高電平;在電池組溫度高于65°C時,RT變?yōu)榈妥柚?,temp 信號為低電平。當電池組不在充放電工作狀態(tài)時,單片機系統(tǒng)輸出信號SW為低 電平,所述的溫度監(jiān)測電路不工作,不消耗電池組的電能。如圖5所示,所述的單片機系統(tǒng)控制部分是第一級保護的核心部分,它接受 電壓監(jiān)測電路1輸出的電池組各點對地電壓信號Dl、 D2、 D3、……、Dn、電 流監(jiān)測模塊2輸出的充放電電流信號C-SAMPLING、溫度監(jiān)測電路3輸出的電 池組溫度信號temp以及充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路5輸出的信號 fault-keep,單片機系統(tǒng)4綜合分析電池組的充放電狀態(tài)是否正常,進而輸出控制 充電開關(guān)Qll、放電開關(guān)Q12通斷的信號COO、 DOO,同時還輸出電壓監(jiān)測電 路1和溫度監(jiān)測電路3工作的控制信號SW,從而達到保護電池組的目的。如單 片機U1的i/o接口數(shù)量不足,可以采用擴展模塊擴展。圖6為第一級保護電路的控制流程圖,單片機系統(tǒng)根據(jù)電池組中各單體電池 的充放電電壓監(jiān)測信號、電池組的充放電電流監(jiān)測信號、電池組的溫度監(jiān)測信號 以及單片機系統(tǒng)充電喚醒、放電喚醒和故障保持信號等關(guān)鍵參數(shù)變化情況進行綜合分析,從而控制充放電回路的通斷,達到保護電池組的目的。 所述單片機系統(tǒng)4進行綜合分析的方法如下 (1)、當電池組不在充放電工作狀態(tài)時,充放電電流為0,電流監(jiān)測模塊2 輸出的充放電電流信號C-SAMPLING等于+3V,充電喚醒、放電喚醒和故障保 持電路的輸出為高電平,則單片機系統(tǒng)保持休眠狀態(tài),充電管Qll和放電管 Q12無驅(qū)動信號而均處于關(guān)斷狀態(tài)。(2) 、當用電器按下開關(guān)而需要電池組放電或者插上充電器給電池組充電 時,充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路輸出的信號fault-keep給單片機系統(tǒng)發(fā) 出0中斷信號,單片機系統(tǒng)被喚醒,驅(qū)動充電管Q11和放電管Q12同時導通。 充電時,Qll導通,而Q12同步整流,降低Q12的損耗;放電時,Q12導通, 而Q11同步整流,降低Q11的損耗。(3) 、當電池組工作在充放電狀態(tài)時, 一旦發(fā)生充電過壓情況,單片機系統(tǒng) 將分析電壓監(jiān)測電路1的輸出信號Dl、 D2、 D3、……、Dn,確認發(fā)生了充電 過壓情況后,改變充電管Qll的驅(qū)動信號,關(guān)斷Qll,而放電管Q12維持導通, 此時電池組可以放電,但不能充電。當電池組放電到低于過壓保護值后,Qll重 新導通,此時電池組可以放電,也可以充電。(4) 、當電池組工作在充放電狀態(tài)時, 一旦發(fā)生過放電情況,單片機系統(tǒng)將 分析電壓監(jiān)測電路1的輸出信號Dl、 D2、 D3、……、Dn,確認發(fā)生了過放電 情況后,改變放電管Q12的驅(qū)動信號,關(guān)斷Q12,而充電管Q11維持導通,此 時電池組可以充電,但不能放電。當電池組充電到高于過放保護值后,Q12重新 導通,此時電池組可以充電,也可以放電。(5) 、當電池組工作在充電狀態(tài)時, 一旦發(fā)生充電不均衡情況,單片機系統(tǒng) 將分析電壓監(jiān)測電路1的輸出信號Dl、 D2、 D3、……、Dn,當確認某個單體 電池的電壓與其他單體電池電壓之差超出保護值后,將啟動均衡電路9中對應(yīng)該 單體電池的部分實現(xiàn)電壓均衡,直到該電池電壓與其他單體電池電壓之差滿足了 設(shè)定值,才關(guān)斷均衡電路9。(6) 、當電池組一旦發(fā)生短路或充放電過電流情況時,電流監(jiān)測模塊2的輸 出信號C-SAMPLING將大于放電設(shè)定值或者小于充電設(shè)定值,單片機系統(tǒng)綜合 分析后將關(guān)斷放電管Q12 (短路或者放電過電流時)或者充電管Qll (充電過電 流時)。此時,充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路輸出的信號fault-keep再給單 片機系統(tǒng)一個O中斷,使Q12或者Q11維持關(guān)斷,直到故障消失。(7) 、當電池組一旦發(fā)生過溫情況時,溫度監(jiān)測模塊3的輸出信號temp將 變?yōu)榈碗娖剑瑔纹瑱C系統(tǒng)綜合分析后將關(guān)斷放電管Q12和充電管Qll。此時, 充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路輸出的信號fault-keep再給單片機系統(tǒng)一個 0中斷,使Q12和Q11維持關(guān)斷,直到溫度故障消失。如圖7所示,本發(fā)明中,串聯(lián)的專用保護芯片組7構(gòu)成鋰離子電池組的第二 級保護系統(tǒng)。當電池組工作于正常的充放電狀態(tài)下,專用保護芯片71、……、 7m的COP和DOP管腳均輸出低電平,經(jīng)過信號綜合和驅(qū)動電路6,使放電管 Q12和充電管Qll維持導通;當任一單體電池發(fā)生過充電現(xiàn)象時,專用保護芯 片的COP管腳經(jīng)過延時由低電平變?yōu)楦唠娖剑?jīng)過信號綜合和驅(qū)動電路6,使 充電管Q11關(guān)斷、放電管Q12維持導通,此時能放電但不能充電,直到該單體 電池的過電壓現(xiàn)象消失,COP管腳經(jīng)過延時由高電平變?yōu)榈碗娖?,充電管Qll 重新導通;當任一單體電池發(fā)生過放電現(xiàn)象時,專用保護芯片的DOP管腳經(jīng)過 延時由低電平變?yōu)楦唠娖?,?jīng)過信號綜合和驅(qū)動電路6,使放電管Q12關(guān)斷、充 電管Qll維持導通,此時能充電但不能放電,直到該單體電池的欠電壓現(xiàn)象消 失,DOP管腳經(jīng)過延時由高電平變?yōu)榈碗娖?,放電管Q12重新導通;當電池組 發(fā)生過電流現(xiàn)象時,專用保護芯片的COP、 DOP管腳經(jīng)過延時均由低電平變?yōu)?高電平,經(jīng)過信號綜合和驅(qū)動電路6,使充電管Qll和放電管Q12均關(guān)斷,此 時既不能充電也不能放電,直到電池組的過電流現(xiàn)象消失,COP、 DOP管腳經(jīng) 過延時均由高電平變?yōu)榈碗娖?,充電管Qll和放電管Q12重新導通。圖8為信號綜合和驅(qū)動電路的原理圖,將單片機系統(tǒng)4和專用保護芯片組7 產(chǎn)生的控制信號進行綜合和電流放大,形成驅(qū)動信號,驅(qū)動充電管Qll和放電 管Q12導通和關(guān)斷。所述的信號綜合和驅(qū)動電路的工作方法如下 (1)、當電池組工作于正常的充電狀態(tài)下,單片機系統(tǒng)4輸出的充電控制信 號為低電平,經(jīng)三極管Q27倒相,C-ON變?yōu)楦唠娖?;而專用保護芯片組7的 COP管腳輸出低電平,增強型P溝道場效應(yīng)管Q31或Q37導通,C-ON也是高 電平;三極管Q39、 Q38導通,驅(qū)動信號CC-ON為高電平,使充電管Q11維持 導通。當電池組工作于正常的放電狀態(tài)下,單片機系統(tǒng)4輸出的放電控制信號為 低電平,經(jīng)三極管Q26倒相,DC-ON變?yōu)楦唠娖?;而專用保護芯片組7的DOP 管腳輸出低電平,增強型P溝道場效應(yīng)管Q33或Q35導通,DC-ON也是高電平;
三極管Q41、 Q36導通,驅(qū)動信號DCC-ON為高電平,使放電管Q12維持導通。(2) 、當任一單體電池發(fā)生過充電現(xiàn)象時,單片機系統(tǒng)4輸出的充電控制信 號變?yōu)楦唠娖剑?jīng)三極管Q27倒相,C-ON變?yōu)榈碗娖?;若由于某種原因,單片 機系統(tǒng)4產(chǎn)生的控制信號不能使C-ON變?yōu)榈碗娖?,則充電管Qll不能關(guān)斷, 當單體電池電壓再上升到專用保護芯片的設(shè)定值,專用保護芯片的COP管腳經(jīng) 過延時由低電平變?yōu)楦唠娖剑鰪娦蚉溝道場效應(yīng)管Q31或Q37關(guān)斷,C-ON 變?yōu)榈碗娖?;三極管Q39、 Q38關(guān)斷,驅(qū)動信號CC-ON變?yōu)榈碗娖?,使充電?Qll關(guān)斷、放電管Q12維持導通,此時能放電但不能充電,直到該單體電池的 過電壓現(xiàn)象消失,C-ON由低電平變?yōu)楦唠娖?,充電管Q11重新導通。(3) 、當任一單體電池發(fā)生過放電現(xiàn)象時,單片機系統(tǒng)4輸出的放電控制信 號變?yōu)楦唠娖?,?jīng)三極管Q26倒相,DC-ON變?yōu)榈碗娖?;若由于某種原因,單 片機系統(tǒng)4產(chǎn)生的控制信號不能使DC-ON變?yōu)榈碗娖剑瑒t放電管Q12不能關(guān)斷, 當單體電池電壓再下降到專用保護芯片的設(shè)定值,專用保護芯片的DOP管腳經(jīng) 過延時由低電平變?yōu)楦唠娖?,增強型P溝道場效應(yīng)管Q33或Q35關(guān)斷,DC-ON 變?yōu)榈碗娖?;三極管Q41、 Q36關(guān)斷,驅(qū)動信號DCC-ON變?yōu)榈碗娖?,使放?管Q12關(guān)斷、充電管Q11維持導通,此時能充電但不能放電,直到該單體電池 的欠電壓現(xiàn)象消失,DC-ON由低電平變?yōu)楦唠娖?,放電管Q12重新導通。(4)、當電池組發(fā)生過電流現(xiàn)象時,單片機系統(tǒng)4輸出的放電控制信號和充 電控制信號均變?yōu)楦唠娖?,?jīng)三極管Q26和Q27倒相,DC-ON和C-ON均變?yōu)?低電平;若由于某種原因,單片機系統(tǒng)4產(chǎn)生的控制信號不能使DC-ON和C-ON 變?yōu)榈碗娖?,則放電管Q12和充電管Q11不能關(guān)斷,當電池組過電流再上升到 專用保護芯片的設(shè)定值,專用保護芯片的DOP和COP管腳經(jīng)過延時均由低電平 變?yōu)楦唠娖?,增強型P溝道場效應(yīng)管Q33或Q35關(guān)斷,DC-ON變?yōu)榈碗娖?,?增強型P溝道場效應(yīng)管Q31或Q37也關(guān)斷,C-ON也變?yōu)榈碗娖?;三極管Q41、 Q36關(guān)斷,驅(qū)動信號DCC-ON變?yōu)榈碗娖?,使放電管Q12關(guān)斷,而三極管Q39、 Q38關(guān)斷,驅(qū)動信號CC-ON變?yōu)榈碗娖?,使充電管Q11關(guān)斷,此時充電管Qll 和放電管Q12均關(guān)斷,既不能充電也不能放電,直到電池組的過電流現(xiàn)象消失, COP、 DOP管腳經(jīng)過延時均由高電平變?yōu)榈碗娖剑潆姽躋ll和放電管Q12重 新導通。 圖9為充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路,為了節(jié)約保護電路對電池能量 的消耗, 一旦充放電行為停止達3分鐘時,單片機系統(tǒng)4就進入休眠狀態(tài)。而當 開始發(fā)生充放電行為時,通過電流喚醒方式,喚醒單片機系統(tǒng)4。所述的充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路的工作方法如下(1) 、當單片機系統(tǒng)4由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)時,按下開關(guān),則、!z處電 位變?yōu)镋+,三極管Q23導通,fault-ke印由高電平變?yōu)榈碗娖?,給單片機系統(tǒng) 4一個0中斷,喚醒單片機系統(tǒng)工作,單片機系統(tǒng)輸出信號經(jīng)過信號綜合和驅(qū)動 電路6同時開通充電管Q11和放電管Q12, Qll同步整流,Q12正常工作,電池 組工作于放電狀態(tài)。(2) 、當單片機系統(tǒng)4由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)時,E+接充電器正極,+接充電器負極,在開始充電瞬間,三極管Q1承受充電器電壓與電池組電壓的差 值約0.6V 1V而導通,fault-ke印由高電平變?yōu)榈碗娖剑o單片機系統(tǒng)4 一個 O中斷,喚醒單片機系統(tǒng)工作,單片機系統(tǒng)輸出信號經(jīng)過信號綜合和驅(qū)動電路6 同時開通充電管Q11和放電管Q12, Q12同步整流,Qll正常工作,電池組工作 于充電狀態(tài)。(3) 、當單片機系統(tǒng)4已被喚醒,電池組工作在充放電狀態(tài)時,若fault-ke印 再出現(xiàn)O中斷,則單片機系統(tǒng)將判斷為故障,將根據(jù)故障類型,關(guān)斷充電管Qll 或放電管Q12,直至故障消失。由于單片機系統(tǒng)采用了休眠狀態(tài),在單片機系統(tǒng)休眠時,電壓監(jiān)測電路和溫 度監(jiān)測電路也不工作,這樣,保護電路對電池組的能量消耗大幅下降。在休眠狀 態(tài)時,整個保護電路(含一、二級保護)的靜態(tài)電流較小,(如5串鋰離子電 池組保護電路的靜態(tài)電流小于200 ix A)。圖10為所述的均衡電路,每節(jié)單體電池均并聯(lián)一段電阻實現(xiàn)均衡。以電池 Bl為例,當B1與其他單體電池的電壓差值沒有超出動作設(shè)定值時,單片機系統(tǒng) 的輸出信號CC1為低電平,三極管Q4、 Q2關(guān)斷,均衡電阻R26不工作。當Bl 與其他單體電池的電壓差值一旦超出動作設(shè)定值時,單片機系統(tǒng)的輸出信號CC1 變?yōu)楦唠娖?,三極管Q4、 Q2開通,均衡電阻R26工作,直至B1與其他單體電 池的電壓差值降至規(guī)定值內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種鋰離子電池組二級保護方法,其特征在于通過電壓監(jiān)測電路(1)、電流監(jiān)測模塊(2)和溫度監(jiān)測電路(3)將鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號送入單片機系統(tǒng)(4),完成第一級保護的信號測量和運算處理;鋰離子電池組的電壓、電流和溫度信號直接經(jīng)專用保護芯片組(7)測量和處理,完成第二級保護的信號測量和運算處理;專用保護芯片組(7)與單片機系統(tǒng)(4)的處理結(jié)果一起送入信號綜合和驅(qū)動電路(6),驅(qū)動充電管Q11和放電管Q12動作,使鋰離子電池組正常工作;當發(fā)生過充電、過放電或過溫等故障現(xiàn)象時,關(guān)斷充電管Q11或放電管Q12,切除故障并報警;第二級保護的動作設(shè)定值大于第一級保護的動作設(shè)定值,但均在鋰離子電池的安全范圍內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組二級保護方法,其特征在于,包括以下步驟(1) 、 n只單體鋰離子電池(Bl、 B2、……、Bn)串聯(lián)構(gòu)成電池組,通過 電壓監(jiān)測電路(1),將電池組中各點對地(0)電位(CL1、 CL2、……、CLn), 按不同比例轉(zhuǎn)化成0 +5V的直流電壓Dl、 D2、……、Dn,送入單片機系統(tǒng)(4) 處理;電池組的充放電電流通過電流監(jiān)測模塊(2),產(chǎn)生信號C-SAMPLING, 送入單片機系統(tǒng)(4)處理;電池組的溫度通過溫度監(jiān)測電路G),產(chǎn)生信號temp, 送入單片機系統(tǒng)(4)處理;單片機系統(tǒng)(4)輸出信號COO、 DOO,送入信號綜 合和驅(qū)動電路(6);單片機系統(tǒng)(4)輸出信號CC1、 CC2、……、CCn,送入 均衡電路(9),在發(fā)生充電不均衡情況時,啟動均衡電路工作;(2) 、專用保護芯片組(7)由專用保護芯片(71)、專用保護芯片(72)、……、 專用保護芯片(7m)相串聯(lián),對電池組中各點對地(0)電位(CL1、 CL2、……、 CLn)、電池組的充放電電流和電池組的溫度進行處理,輸出信號COl、 DOl、 ......、 COm、 DOm,送入信號綜合和驅(qū)動電路(6);(3) 、信號綜合和驅(qū)動電路(6)根據(jù)單片機系統(tǒng)(4)和專用保護芯片組(7) 的輸入信號,產(chǎn)生驅(qū)動信號CC-ON和DCC-ON,驅(qū)動充電功率管Qll和放電功 率管Q12,使鋰離子電池組(Bl、 B2、……、Bn)正常工作或切除故障并報警。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組二級保護方法,其特征在于在鋰 離子電池組處于非充放電狀態(tài)時,單片機系統(tǒng)(4)工作于休眠狀態(tài),同時電壓 監(jiān)測電路(1)和溫度監(jiān)測電路(3)也處于休眠狀態(tài)。 一旦鋰離子電池組發(fā)生充 放電行為,將通過充電喚醒、放電喚醒和故障保持電路(5),喚醒單片機系統(tǒng)(4) 工作。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組二級保護方法,其特征在于當鋰 離子電池組(Bl、 B2、……、Bn)發(fā)生過充電、過放電或過溫等故障情況時, 將首先由單片機系統(tǒng)(4)發(fā)出保護信號,實施第一級保護;若單片機系統(tǒng)(4) 不能及時發(fā)出保護信號,或發(fā)出的保護信號未起作用,則經(jīng)過一定的延時,由專 用保護芯片組(7)發(fā)出保護信號,實施第二級保護;第二級保護的動作設(shè)定值大于第一級保護的動作設(shè)定值,但均在鋰離子電池的安全范圍內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組二級保護方法及其電路,其特征在 于鋰離子電池組(Bl、 B2、 、 Bn)通過穩(wěn)壓電路(8)產(chǎn)生+5V穩(wěn)定電源,提供給單片機系統(tǒng)(4)、電流監(jiān)測模塊(2)、溫度監(jiān)測電路(3)和充電喚醒、 放電喚醒和故障保持電路(5)使用。
6、 實現(xiàn)權(quán)利要求1所說的鋰離子電池組二級保護方法的電路,包括單片機 系統(tǒng)(4〉和專用保護芯片組(7),連接于單片機系統(tǒng)(4)輸入端的電壓監(jiān)測電 路(1)、電流監(jiān)測模塊(2)、溫度監(jiān)測電路(3)和充電喚醒、放電喚醒和故障 保持電路(5),均衡電路(9)以及由信號綜合和驅(qū)動電路(6)控制的、與電池 組串聯(lián)的充電管Q11和放電管Q12,其特征在于單片機系統(tǒng)(4)和專用保護 芯片組(7)的處理結(jié)果均送入信號綜合和驅(qū)動電路(6),產(chǎn)生充電管Q11和放 電管Q12的驅(qū)動信號CC-ON和DCC-ON,從而驅(qū)動充電管Qll和放電管Q12; 故障時,單片機系統(tǒng)(4)先發(fā)出保護信號,當由于某種原因,充放電主電路未 動作,故障沒切除,這時,專用保護芯片組(7)將發(fā)出保護信號,驅(qū)動充放電 主電路動作,切除故障。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋰離子電池組二級保護方法及其電路,是由單片機系統(tǒng)構(gòu)成第一級保護裝置,鋰離子電池組專用保護芯片組構(gòu)成第二級保護裝置。當鋰離子電池組在充、放電的過程中發(fā)生過充電、過放電和過溫等故障情況時,第一級保護裝置將動作,若由于某種原因,導致第一級保護裝置未能及時動作,第二級保護裝置將在鋰離子電池安全時間內(nèi)動作,切除故障并報警。本發(fā)明針對鋰離子電池在發(fā)生故障時存在燃燒和爆炸的危險,實現(xiàn)了鋰離子電池組的二級保護功能,提高了鋰離子電池的安全性能。
文檔編號H02H7/18GK101399442SQ20081023497
公開日2009年4月1日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者劉國海, 周華偉, 群 張, 躍 沈, 滕成龍, 翔 田, 陳兆嶺 申請人:江蘇大學