專利名稱：串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型與串聯(lián)電池組有關(guān)，特別是一種用于串聯(lián)電池組的監(jiān)測保護(hù)模塊。
鋰電池具有高能量密度、高工作電壓、高循環(huán)壽命、低自放電率、無記憶效應(yīng)、體積小、重量輕、不含鎘、汞、鉛及金屬鋰等有害物質(zhì)，不污染環(huán)境等優(yōu)點。這些優(yōu)點是其它電源無法比擬的，因而成為移動通訊、筆記本電腦和攝錄象機(jī)等電器設(shè)備的理想電源。今后，鋰電池還將逐漸運用于電動自行車、電動汽車等高電壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域。但鋰電池也有它固有的弱點，鋰電池若使用不當(dāng)，如過充電，因發(fā)熱電解液分解大量氣體而導(dǎo)致電池漏液、冒煙、起火或爆炸；過放電，又會使電池特性變差縮短使用壽命。
據(jù)知三個以上鋰電池的串聯(lián)電池組應(yīng)用較少，主要是安全保護(hù)沒有跟上，限制串聯(lián)電池組的應(yīng)用，而串聯(lián)電池組的安全保護(hù)的重要依據(jù)就是電池電壓。
由于在串聯(lián)電池組內(nèi)，各電池電壓不在同一電位參考點上，同時各電池電壓基準(zhǔn)點又隨其它電池電壓的變化而改變，不易測量。以前有的用繼電器來切換；有的為每個電池做一個電壓檢測電路；有的用電阻網(wǎng)絡(luò)來衰減電壓，再一一對應(yīng)使用差分放大器多路選擇器等電路來處理。這些方法，首先電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其次是或多或少存在諸如可靠性、體積、成本、不易一體化等問題，更有一些方法根本不能用在可關(guān)閉電池組上，它的電壓檢測電路需要少量耗電，當(dāng)電池組不使用關(guān)閉后，關(guān)不斷電壓檢測電路，始終存在耗電。這些都不適合應(yīng)用在鋰電池組上。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊，包括N節(jié)單體電池串聯(lián)的電池組，其特征在于它設(shè)有(1)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，除其負(fù)極接基準(zhǔn)電平的第1節(jié)電池B1外，其余N-1節(jié)電池(2、3……I……N)的每一節(jié)電池Bi的正極和負(fù)極之間都分別設(shè)有電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，對應(yīng)于第i節(jié)電池Bi的電壓Ui的輸出電流為Ii；(2)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，包括一還原電阻r，該電阻r的一端接基準(zhǔn)電平，另一端接所說電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的輸出端，接收電流Ii，輸出被測電壓Ui＝Iir；(3)電流選擇控制電路，包括處于所說電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和電流/電壓轉(zhuǎn)換電路之間的電流選擇電路、微程序控制單元U11、地址譯碼器U12及發(fā)光二極管GD1、GD2、GD3顯示單元和繼電器SS保護(hù)單元構(gòu)成；所說第i節(jié)電池Bi的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路由一場效應(yīng)晶體管(MOSFET，Mi)和一電阻Ri組成，電阻Ri的一端接電池Bi的正極，另一端接場效應(yīng)晶體管Mi的源極S，該場效應(yīng)晶體管Mi的柵極G接電池Bi的負(fù)極，漏極D為電流輸出端，其輸出電流Ii＝Ui/Ri；所說的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路也可采用具有與場效應(yīng)晶體管類似特性的晶體三極管構(gòu)成；所說電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的電阻r的另一端接場效應(yīng)晶體管Mi的漏極D；所說的電流選擇電路是由N個可關(guān)斷電流的光電耦合器構(gòu)成，所說微程序控制單元U11通過地址譯碼器U12對上述電流選擇電路U1、U2、……Ui……UN進(jìn)行選擇，分別實施對單體電池B1……Bi……BN經(jīng)轉(zhuǎn)換后在還原電阻r上形成的被測電壓進(jìn)行監(jiān)測，該微程序控制單元U11根據(jù)對各個單體電池電壓的判斷，一方面控制光電二極管GD1、GD2、GD3顯示，另一方面，如監(jiān)測到超低或超高電壓時，則通過三極管Q1、Q2推動常閉繼電器SS斷開，停止電池組工作；所說電流選擇電路也可采用多路模擬開關(guān)構(gòu)成。
圖2是本實用新型串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊的部分電路圖。
圖3是本實用新型串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊的電路較佳實施例圖。
請參見圖2，電壓電流轉(zhuǎn)換電路由P構(gòu)道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管(MOSFET管)的源極S并通過電阻R和柵極G，分別接單體電池的正負(fù)端組成。電壓Un是要測量的電池被測電壓，電壓UR是電流IR流過電阻R上產(chǎn)生的電壓，電壓Ugs是MOSFET管的G極與S極之間的電壓，它們滿足關(guān)系Un＝UR+UgsUn＞Ugs或Un＝IR*R+UgsUn＞Ugs得出IR＝(Un-Ugs)/R Un＞Ugs……………①由于MOSFET管是電壓控制型器件，幾乎沒有G極電流。從MOSFET管D極得到的電流In＝IR……………………②這個電流就是電池電壓Un經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后得到的對應(yīng)的輸出電流，In經(jīng)過電流選擇控制電路的選擇控制后，傳輸?shù)诫娏?電壓轉(zhuǎn)換電路中，就可以把電池電壓Un還原出來。
電流選擇控制電路見圖2中的ISW，ISW是一個可控制的電流開關(guān)，也可以用其它的器件來達(dá)到接通關(guān)閉電流的目的。電流選擇控制電路一般由微程序控制單元(MCU)來控制，用來選擇某一時刻要測量哪個電池電壓，同一時間只能測量一個電池電壓；也可以全部關(guān)閉，那么在關(guān)機(jī)不使用電池組時特別有用，一旦全部關(guān)斷電流In，全部IR電流也等于零，意味者關(guān)機(jī)時電源損耗接近于零。
電流/電壓轉(zhuǎn)換電路見圖2，包括一還原電阻r，所有的電流I1……In都分時控制匯流到電阻r上面，還原出電池電壓Un的可測量電壓Ur。滿足關(guān)系如下Ur＝In*r ……………………③輸出被測量的電壓UoutUout＝Ur根據(jù)公式①、②、③，整個電池電壓轉(zhuǎn)換檢測電路的公式為Uout＝(Un-Ugs)*r/RUn＞Ugs……………④根據(jù)以上公式，影響電壓轉(zhuǎn)換的因素是MOSFET管的G與S極的電壓Ugs、還原電阻r、取樣電阻R，而與其它的電池電壓U1……Un-1無關(guān)。
若ΔUn為單體電池的正常工作電壓變化范圍，對應(yīng)的輸出電壓變化范圍ΔUout＝ΔUn*r/R上式中ΔUout不受MOSFET管的Ugs電壓的影響，如果在鋰電池的電壓動態(tài)范圍內(nèi)，采用相對辦法來測量電壓，意味著與MOSFET管的Ugs電壓無關(guān)。根據(jù)公式④，可以方便地確定輸出的最高電壓Uoutmax，來滿足后級測量電路對電壓滿度的要求。
圖3是本實用新型串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊的較佳實施例，是由10節(jié)單體電池構(gòu)成的電池組監(jiān)測保護(hù)模塊的具體電路圖，圖中B1-B10是串聯(lián)在一起的10節(jié)單體電池構(gòu)成的電池組，M1-M9是9個P溝道的MOSFET管，它們的源極S通過電阻R1-R9分別接到各個被測單體電池的正極，柵極G通過電阻R10-R18分別接到各個被測單體電池的負(fù)極。M1-M9是9個P溝道的MOSFET管分別完成對電池B1-B9九節(jié)單體電池的電位轉(zhuǎn)移。最后第1節(jié)單體電池B1因為其負(fù)極端已經(jīng)接在GND端，與后級檢測電路的參考電位同點，不需要再進(jìn)行電位轉(zhuǎn)移，僅使用了電阻R1進(jìn)行測量分壓。
在圖3中，R1-R9便是公式④中的電阻R，而RW和R35串聯(lián)構(gòu)成了公式④中的電阻r。R10-R18為保護(hù)MOSFET管而設(shè)，與測量無關(guān)。流過R1-R9的電流I1-I9的大小與R1-R9的取值和跨接在MOSFET管源極S和柵極G兩端的單體電池電壓直接相關(guān)。顯然，當(dāng)R1-R9為定值時，電流I1-I9僅與單體電池電壓關(guān)聯(lián)。
圖3中，U1-U10構(gòu)成了電流選擇電路，MCU(U11)通過地址譯碼器U12對電流選擇電路進(jìn)行選擇控制，分別實施對單體電池B1-B10的檢測。
通過MOSFET管轉(zhuǎn)移電路生成的，與單體電池B1-B9相關(guān)的電流I1-I9和沒有經(jīng)過轉(zhuǎn)移的與單體電池B1電壓有關(guān)的流過R1的電流都經(jīng)過U1-U10構(gòu)成的電流選擇電路，分別在RW和R35構(gòu)成的電阻r上形成被測電壓，供MCUU11內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換檢測。微程序控制單元Un，MCU根據(jù)各個單體電池電壓的數(shù)值判斷，通過GD1、GD2、GD3輸出顯示，分別表示超低、超高、正常三種電壓狀況，當(dāng)出現(xiàn)超低、超高電壓時，微程序控制單元立即通過Q1、Q2推動繼電器SS輸出控制斷開，電池組不再對外供電，完成保護(hù)。
本實用新型使用場合不僅僅是串聯(lián)鋰電池組，也可以使用在其它類型的電池組上，以及使用在一個或多個電壓需要測量，但電壓離散不易直接測量的電壓測量上。
綜上所述，本實用新型的技術(shù)效果可以歸納如下1.利用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，把單體電池電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)過電流選擇控制電路的選擇控制后，傳輸?shù)诫娏?電壓轉(zhuǎn)換電路中，再把電池電壓還原出來，進(jìn)行監(jiān)測，再利用微程序控制單元驅(qū)動顯示并實施供電控制，形成串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊。
2.本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、耗電少、不發(fā)熱、無噪聲、成本低等特點。
3.本實用新型不僅可用于串聯(lián)鋰電池組，也可用于其它類型的電池組，其電路結(jié)構(gòu)還可用于多個離散電壓不易直接測量的電壓測量上。
權(quán)利要求1.一種串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊，包括N節(jié)單體電池串聯(lián)的電池組，其特征在于它設(shè)有(1)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，除其負(fù)極接基準(zhǔn)電平的第1節(jié)電池外，其余N-1節(jié)電池(2、3……I……N)的每一節(jié)電池(Bi)的正極和負(fù)極之間都分別設(shè)有電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，對應(yīng)于第i節(jié)電池(Bi)的電壓Ui的輸出電流為Ii；(2)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，包括一還原電阻r，該電阻r的一端接基準(zhǔn)電平，另一端接所說電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的輸出端，接收電流Ii，輸出被測電壓Ui＝Iir；(3)電流選擇控制電路，包括處于所說電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和電流/電壓轉(zhuǎn)換電路之間的電流選擇電路、微程序控制單元(U11)、地址譯碼器(U12)及發(fā)光二極管(GD1、GD2、GD3)顯示單元和繼電器(SS)保護(hù)單元構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的監(jiān)測保護(hù)模塊，其特征在于所說第i節(jié)電池(Bi)的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路由一場效應(yīng)晶體管(MOSFET，Mi)和一電阻Ri組成，電阻Ri的一端接電池(Bi)的正極，另一端接場效應(yīng)晶體管(Mi)的源極S，該場效應(yīng)晶體管(Mi)的柵極G接電池(Bi)的負(fù)極，漏極D為電流輸出端，其輸出電流Ii＝Ui/Ri。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的串聯(lián)電池組的監(jiān)測保護(hù)模塊，其特征在于所說的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路也可采用具有與場效應(yīng)晶體管類似特性的晶體三極管構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的串聯(lián)電池組的監(jiān)測保護(hù)模塊，其特征在于所說電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的電阻r的另一端接場效應(yīng)晶體管(Mi)的漏極D。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的監(jiān)測保護(hù)模塊，其特征在于所說的電流選擇電路是由N個可關(guān)斷電流的光電耦合器構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組的監(jiān)測保護(hù)模塊，其特征在于所說電流選擇電路也可采用多路模擬開關(guān)構(gòu)成。
專利摘要一種串聯(lián)電池組監(jiān)測保護(hù)模塊，包括N節(jié)電池串聯(lián)的電池組，其特點是設(shè)有電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，電流選擇控制電路，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，微程序控制單元，利用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路把單體電池的電壓轉(zhuǎn)換成電流，在微程序控制單元的控制下，循環(huán)地經(jīng)電流選擇控制電路的選擇后，傳輸?shù)诫娏?電壓轉(zhuǎn)換電路中，再把電池電壓還原出來，進(jìn)行監(jiān)測，對電壓進(jìn)行顯示，當(dāng)電壓出現(xiàn)超低或超高時，還會驅(qū)動繼電器切斷電路，實施自動保護(hù)。本實用新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、耗電少、不發(fā)熱、無噪聲、成本低等特點。
文檔編號H01M10/48GK2554813SQ02264950
公開日2003年6月4日 申請日期2002年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月21日
發(fā)明者薛東明 申請人:駿泰陽軟件科技(深圳)有限公司