專利名稱：大容量鋰離子電池串聯(lián)組合保護(hù)均衡模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于大容量鋰離子串聯(lián)電池組的充放電保護(hù)和充電均 衡的模塊裝置，可以在大容量鋰離子電池串聯(lián)應(yīng)用時保證充放電過程的使用安 全和充電結(jié)束時各電池單體的充電飽和度的一致。
技術(shù)背景
眾所周知，鋰離子電池在能量密度、比能量、記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命以及環(huán)保 等方面，均有著其它電池?zé)o可比擬的優(yōu)勢，應(yīng)用鋰離子電池制成的便攜式產(chǎn)品， 重量輕、體積小、使用壽命長，特別是對環(huán)境沒有污染，受到了人們的廣泛重 視。近年來，已在移動通信終端、筆記本電腦的便攜式電子信息產(chǎn)品中，得到 了普遍應(yīng)用。但是由于鋰離子電池所要求的苛刻的充放電安全使用條件，以及 在串聯(lián)應(yīng)用時由于單體容量和充放電特性不平衡造成的組容量大幅度下降等問 題，使得其在特別需要高能量密度、高比能量和大容量的動力應(yīng)用領(lǐng)域中，受 到了極大地限制。導(dǎo)致了一些需要電池作為動力能源的產(chǎn)品，諸如電動自行車 等產(chǎn)品的發(fā)展受到了限制。
近年來，由于新型的電極材料和制作工藝的改進(jìn)，大容量和高放電率的鋰離 子電池已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，制成的電池單體已完全能夠滿足一些作為動 力能源的應(yīng)用，特別是多節(jié)電池組合后，已經(jīng)可以適用于諸如在電動自行車乃 至混合動力汽車等方面的應(yīng)用，這使得鋰離子電池在新的領(lǐng)域中擁有了異常廣 闊的前景，同時也對其應(yīng)用產(chǎn)品一諸如電動自行車和混合動力汽車等產(chǎn)品的 發(fā)展有著良好的促進(jìn)作用。
這些應(yīng)用中需要使用多個電池單體串聯(lián)起來組成一個電池組使用，這就需要一個電子裝置來保證充放電過程的使用安全和充電結(jié)束時各電池單體的充電飽 和度達(dá)到一致，以保證電池組的安全使用和電池組組合容量的最大發(fā)揮。目前， 已有多種方案實(shí)現(xiàn)這些功能，有的采用比較器或運(yùn)算放大器，使每節(jié)電池電壓 的與多級基準(zhǔn)源進(jìn)行比較，并將各節(jié)的比較結(jié)果綜合運(yùn)算后，得到充放電及均
衡開關(guān)控制信號；有的采用3-4節(jié)的鋰離子專用保護(hù)集成電路，組合其充放電控
制信號得到電池組的總充放電控制信號，再用比較器或運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)源與
每節(jié)電池電壓比較得到均衡控制信號；有的采用比較器或運(yùn)算放大器和多級基 準(zhǔn)源與每節(jié)電池電壓比較后，采用單片機(jī)綜合其比較結(jié)果后，控制各節(jié)電池均 衡回路以及電池組的總充放電開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電池的充電均衡及充放電的安全控制。 在這些方案中，均不可避免的使用了一片或多片比較器或運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)源 以及其他的控制電路，普遍存在著自耗電流大(幾mA—幾十fflA)、保護(hù)和均衡動 作電壓精度低、抗干擾性能差、均衡時發(fā)熱量大、失效率高等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其安 全作用失效、電池在較長時間放置時自身損壞等致命的問題。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的自耗電流大(幾mA—幾十mA)、保護(hù)和均衡動作電 壓精度低、抗干擾性能差、均衡發(fā)熱量大、失效率高等缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供 了一種自耗電電流低、均衡發(fā)熱量小、可靠性高的大容量鋰離子電池串聯(lián)組合 保護(hù)均衡模塊。 '
本實(shí)用新型采用的方案是釆用單節(jié)鋰離子電池專用的微功耗集成電路作為 電池單體電壓的檢測和充放電保護(hù)控制邏輯信號的控制器，利用其充電保護(hù)啟
動和釋放的滯后電壓回差，實(shí)現(xiàn)間歇式均衡控制模式；采用光耦合器實(shí)現(xiàn)各電 池單體的充放電控制信號的綜合和電位平移；采用MOS管的源極跟隨電路實(shí)現(xiàn)負(fù)
載回路電流值的采樣與電壓限制，利用單節(jié)鋰離子電池專用的微功耗集成電路電流及短路檢測功能實(shí)現(xiàn)過電流及短路保護(hù)；釆用MOS管的源極跟隨電路實(shí)現(xiàn)總
驅(qū)動電路的整個電池組取電供應(yīng)。
本實(shí)用新型的有益效果是
1、 有效地降低了模塊的自耗電電流(小于lfflA)，并使各單體的自耗電流保 持相等；
2、 電壓檢測精度高，穩(wěn)定可靠；
3、 減小了均衡電路的發(fā)熱量，加速了總的放電保護(hù)MOS管的開關(guān)速度，降低 了其動作時的動態(tài)功耗，實(shí)現(xiàn)了在過載和短路保護(hù)的狀態(tài)保持，避免放電保護(hù) MOS管的反復(fù)震蕩動作，提高了模塊的可靠性；
4、 整組取電，保證各電池單體的自耗電流保持平衡；
5、 可以任意設(shè)定過載電流的保護(hù)閥值。


附圖l是采用采用單節(jié)鋰離子電池專用的微功耗集成電路作為電池單體電壓
的檢測和充放電保護(hù)控制邏輯信號的控制器的電路原理附圖2是采用施密特電路對充電控制信號進(jìn)行整形的原理說明；
附圖3是利用單節(jié)鋰離子電池專用的微功耗集成電路充電保護(hù)啟動和釋放滯
后電壓回差，實(shí)現(xiàn)間歇式均衡控制模式的原理說明；
具體實(shí)施方式
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如圖1所示，第i節(jié)鋰離子電池專用保護(hù)電路(使用的集成電路型號是日本 精工電子公司生產(chǎn)的S-8261或S-8241系列或日本理光電子生產(chǎn)的R-5400或 R-5402或R-5421或R-5422或R-5426系列)UAi連接在各單體電池的兩端，與各電 池單體一起以串聯(lián)的形式連接成電池組，UAi檢測個電池單體電壓，產(chǎn)生過電壓 (一般發(fā)生在充電時)和欠電壓(一般發(fā)生在放電或靜態(tài)放置時)的單體過充保護(hù)C0和過放保護(hù)D0控制信號，經(jīng)M0S管(TBi和TAi)分別放大后，分別輸入光 耦合器(UBi和UCi)。各單體電池產(chǎn)生的過充保護(hù)CO和過放保護(hù)DO控制信號通過 輸出三極管串聯(lián)的光耦合器(UB1-UBn和UCl-UCn)后，分別完成過充保護(hù)CO和過 放保護(hù)D0的"與"運(yùn)算，當(dāng)其中某一個電池單體被檢測出過電壓或欠電壓時， 對應(yīng)的光耦合器串聯(lián)回路被關(guān)斷，在總的過充保護(hù)CO和過放保護(hù)DO輸出回路的 負(fù)載電阻R4或R3上得到低電平，這樣就完成了各電池單體電池控制信號的綜合 和電平遷移。
采用單節(jié)鋰離子電池專用集成保護(hù)電路的有益之處是可以降低檢測電路的 自耗電流，實(shí)現(xiàn)電池電壓微功耗檢測，且檢測精度高，穩(wěn)定性好。
被綜合和遷移到低電平的總充電控制信號C0接至充電控制M0S管T3的柵極， 用于控制充電回路的通斷；而被綜合和遷移到低電平的總放電控制信號DO接至 有施密特觸發(fā)輸入特性的CMOS門電路(涉及到的集成電路為CD4093或CD40106) 的輸入端，并將多個施密特門電路并聯(lián)在一起后接至放電控制用的M0S管T2的柵 極上，控制電池組放電回路的通斷。
采用CMOS施密特門電路并采用多個輸出并、聯(lián)的有益之處是提高放電控制信 號的開關(guān)速度(如圖2所示)，增加驅(qū)動能力，加速放電控制MOS管的開關(guān)速度， 降低MOS管的失效率，提高整機(jī)的可靠性。
各單體電池連接專用保護(hù)集成電路UAi的過充保護(hù)CO端經(jīng)MOS管TBi反相后接 至TCi的柵極和UCi的發(fā)光二極管，當(dāng)UAi檢測到過電壓信號時，CO端輸出低電平， 經(jīng)過由光耦合器組成的CO控制信號的綜合和電平遷移電路，使充電控制M0S管T3 關(guān)斷，切斷充電回路；同時經(jīng)TBi反相后使TCi導(dǎo)通，電池BATi的正極將通過RBiA 一RBim及MOS管TCi輸出電流，起到均衡的作用。當(dāng)電池電壓在放電電流的作用 下下降至過電壓保護(hù)的下閥值時，UAi的過充保護(hù)CO端輸出高電平，經(jīng)過由光耦遷移電路，使充電控制M0S管T3導(dǎo)通，接通 充電回路，回到充電狀態(tài)；同時經(jīng)TBi反相后使TCi截止，切斷均衡電阻RBiA— RBim的電流，關(guān)閉均衡的回路。整個電池組中，先達(dá)到充滿電狀態(tài)將使整個電 池組處于充電-均衡-充電的間歇式狀態(tài)，如圖3所示，直到所有的電池都達(dá)到充 滿的狀態(tài)。
采用專用保護(hù)集成電路UAi的過充保護(hù)CO信號控制均衡電路的有益之處是 使均衡回路處于間歇式工作狀態(tài)，降低均衡導(dǎo)致的電路發(fā)熱，使電池組可以長 時間地處于充電狀態(tài)，提高整機(jī)的可靠性。
M0S管T1的源極接到位于電位最低的單節(jié)鋰離子電池BAT1上的專用保護(hù)集成 電路UA1的VM端，柵極接到BAT1的正極，其漏極接到電池組的負(fù)輸出端PACK-。 由于T1接成了源極跟隨器的形式，正常工作時，其柵極的電壓總是高于源極的 閥值電壓，因此T1的源極和漏極接通，電池組輸出端的負(fù)端電壓通過R2與R1分 壓后，接至UA1的電流檢測引腳VM端，用于檢測過載及短路電流，通過調(diào)節(jié)R2與 Rl的比值，可以改變過載電流的保護(hù)動作值。當(dāng)外部電路過載或短路時，放電 控制的MOS管關(guān)斷，電池組的負(fù)輸出端PACK-的電壓升高直至接近電池組正端的 電壓，由于T1作用使UA1的電流檢測引腳DM的電壓升高至比BAT1正端電壓低一個 MOS管的柵源開啟閥值電壓后即被鉗位，保證了其工作的安全；同時由于外部負(fù) 載的上拉作用，使其保持在此狀態(tài)直到外部負(fù)載被斷開時，才能在R1及DM內(nèi)部 電阻的下拉作用下，回到低電平，重新接通放電控制MOS管。
釆用單節(jié)鋰離子電池專用保護(hù)集成電路UA1的電流檢測引腳VM和M0S管T1檢 測電流的有益之處是①無需采用單獨(dú)的基準(zhǔn)源、比較器或運(yùn)算放大器構(gòu)建電 流檢測回路，降低整機(jī)的自耗電電流；②充分利用單節(jié)鋰離子電池專用保護(hù)集 成電路的多級電流檢測功能，適應(yīng)不同負(fù)載的使用，且可以使過載或短路狀態(tài)震蕩性的保護(hù)損壞放電控制MOS管，提高整機(jī)的可靠性；(D使用
R1和R2分壓得到電流檢測引腳VM所需要的檢測電壓，可以任意設(shè)定過載電流的
由R6和Z1構(gòu)成了基準(zhǔn)電壓源，用于給M0S管T4的柵極提供基準(zhǔn)電壓，T4的漏 極通過電阻R5接至電池組的正輸出端，源極接至CMOS門電路電源輸入和光耦合 器的輸出三極管的集電極，構(gòu)成源極跟隨器電路用于給CMOS門電路和光耦合器 的輸出三極管的串聯(lián)回路提供電源。
由R6、 Z1和T4構(gòu)成的電源供給電路的有益之處是供應(yīng)的電流來自于所有的 電池單體，可以保證各電池單體的自耗電流保持一致。
權(quán)利要求1、一種大容量鋰離子電池串聯(lián)組合保護(hù)均衡模塊，有若干節(jié)結(jié)構(gòu)相同的電池檢測電路單元和公共控制部分組成，其中第i節(jié)電池檢測電路單元由單節(jié)鋰離子專用保護(hù)電路電路UAi，MOS管TAi、TBi、TCi，光電耦合器UBi、UCi以及均衡電阻RBia～RBim組成，公共控制部分包括由T1、R1、R2組成的電流檢測電路，T4、Z1、R5、R6組成的電源供應(yīng)電路、施密特整形驅(qū)動電路U1以及由T2、T3構(gòu)成的主控開關(guān)電路，其特征在于若干節(jié)鋰離子電池及其檢測和均衡電路以串聯(lián)的方式連接在一起，第i節(jié)電池的正、負(fù)極接至單節(jié)鋰離子專用保護(hù)電路電路UAi的V和G端，UAi的DO輸出經(jīng)MOS管TAi反相后接至光耦合器UCi的發(fā)光二極管的陰極，光耦合器UC1～UCn的光電輸出管串聯(lián)在一起，從UC1的發(fā)射極輸出總的DO控制信號，接至施密特電路U1并連在一起的輸入端，施密特電路U1的輸出端并連在一起，接至MOS管T2的柵極，UAi的CO輸出經(jīng)MOS管TBi反相后，一路接至TCi的源極，其漏極輸出作為均衡控制信號接至均衡電阻RBia～RBim，另一路接至光耦合器UBi的發(fā)光二極管的陰極，光耦合器UB1～UBn的光電輸出管串聯(lián)在一起，產(chǎn)生總的CO控制信號，通過D1接至MOS管T3的柵極，MOS管T1與T3的漏極并聯(lián)接至電池組負(fù)輸?shù)亩薖ACK-，T1的柵極與BAT1的正端相連，源極輸出經(jīng)R1、R2分壓后，接至UA1的VM端，Z1的陽極與T4的柵極相連后，通過R5接至電池BATn的正極，T4的漏極通過R5接至BATn的正極，T4的源極接至U1的電源端和光耦合器UBn、UCn的集電極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量鋰離子電池串聯(lián)組合保護(hù)均衡模塊，其 特征在于各節(jié)電池單體的檢測電路采用了單節(jié)鋰離子電池專用的微功耗集 成電路，所需集成電路型號是日本精工電子公司生產(chǎn)的S-8261或S-8241系列，或日本理光電子生產(chǎn)的R-5400或R-5402或R-5421或R-5422或R-5426系列。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量鋰離子電池串聯(lián)組合保護(hù)均衡模塊，其 特征在于用于驅(qū)動T2柵極的施密特門電路的型號是CD4093或CD40106。
專利摘要一種大容量鋰離子電池串聯(lián)組合保護(hù)均衡模塊，采用單節(jié)鋰離子電池專用的微功耗集成電路作為電池單體電壓的檢測控制器，降低了自耗電電流，并獲得高精度的檢測電壓。通過MOSFET驅(qū)動各路的光耦合器，實(shí)現(xiàn)各電池單體充放電保護(hù)控制信號的邏輯綜合及電平遷移，并采用施密特觸發(fā)電路對總的放電控制信號整形；由MOSFET源極跟隨電路實(shí)現(xiàn)負(fù)載回路電流值的采樣與電壓限制，并利用專用集成電路的多級電流及短路檢測功能實(shí)現(xiàn)過電流及短路保護(hù)和狀態(tài)保持；采用整組取電的方式實(shí)現(xiàn)控制回路的電源供應(yīng)，保證各電池單體的自耗電電流均衡，利用充電保護(hù)啟動和釋放控制信號的電壓滯后回差，實(shí)現(xiàn)間歇式均衡控制模式。
文檔編號H02J7/00GK201307771SQ20072015732
公開日2009年9月9日 申請日期2007年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者蘭成章, 劉曉軍, 飛 王 申請人:威?？埔孢_(dá)電子有限公司