專利名稱：一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源領(lǐng)域，特別涉及一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，由于鋰電池具有放電電壓穩(wěn)定、自放電率低、壽命長、無記憶效應(yīng)、體積小、無公害等諸多優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用在測試儀器、數(shù)碼產(chǎn)品、電動工具等上面。圖I顯示了現(xiàn)有技術(shù)提供的一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括鋰電池充放電組件、控制模塊和充放電開關(guān)裝置。所述控制模塊根據(jù)多節(jié)串聯(lián)鋰電池組系統(tǒng)的充電或放電狀態(tài)，控制充放電開關(guān)裝置接通或斷開充電回路或供電回路。目前，一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組系統(tǒng)仍存在以下問題 I、鋰電池充放電組件和控制模塊之間的IIC通訊發(fā)生異常時，可能導(dǎo)致充放電保護異?；蚴?，使鋰電池組使用安全性失控，甚至發(fā)生意外；2、鋰電池組輸出能力過低，在放電端發(fā)生過流、甚至短路時，不足以提供足夠大的電流觸發(fā)放電過流、短路保護，導(dǎo)致安全性失控；3、多節(jié)串聯(lián)鋰電池組系統(tǒng)的放電端發(fā)生過流、甚至短路時，可能造成鋰電池組充放電安全性問題；4、由于鋰電池組單個鋰電池之間存在電壓、內(nèi)阻、容量差異，導(dǎo)致滿充電電壓一致性誤差，對于同樣的負載，鋰電池電壓差越大，鋰電池組充放電時間越短，鋰電池組持續(xù)放電能力越低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)，能更好地解決鋰電池組充放電的使用安全性等問題。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)，包括鋰電池充放電組件，用于將外部充電電源接入鋰電池組進行充電，并向負載供電；控制模塊，與所述鋰電池充放電組件進行IIC通訊，以控制所述鋰電池充放電組件進行滿充電；充放電開關(guān)裝置，用于接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路；放電端異常保護電路，用于對放電端放電過流進行檢測，并在檢測到放電端放電過流時，發(fā)出過流再保護信號；系統(tǒng)異常保護電路，用于對IIC通訊狀態(tài)和放電端放電狀態(tài)進行檢測，并在檢測到IIC通訊異常和/或放電端放電過流時，發(fā)出系統(tǒng)異常保護信號；其中，所述充放電開關(guān)裝置根據(jù)所述系統(tǒng)異常保護信號，斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路。
進一步地，所述鋰電池充放電組件包括模擬前端電路，用于采集所述鋰電池組中每個鋰電池的電壓數(shù)據(jù)，并通過IIC總線將所采集的電壓數(shù)據(jù)送入控制模塊，以便所述控制模塊生成用于每個鋰電池均衡充電的多個均衡充電控制信號；均衡驅(qū)動電路，用于根據(jù)所述多個均衡充電控制信號，生成多個均衡驅(qū)動信號；均衡電路，用于根據(jù)多個均衡驅(qū)動信號，控制每個鋰電池進行滿充電。所述均衡電路包括多個分別并聯(lián)在每個鋰電池兩端的均衡單元，其每個均衡單元包括串聯(lián)連接的電子開關(guān)和電阻器。進一步地,所述鋰電池充放電組件還包括 充電電流保護電路，用于檢測充電電流，并在檢測到充電電流超過預(yù)定充電電流值時，生成充電電流保護信號；放電電流保護電路，用于檢測放電電流，并在檢測到放電電流超過預(yù)定放電電流值時，生成放電電流保護信號。所述放電電流保護電路具有一個放電過流保護單元，包括第一運算放大器；連接在第一運算放大器正相輸入端和采樣地之間的第二限流電阻器；連接在第一運算放大器負相輸入端和工作電源之間的第一可變分壓電阻器和第二可變分壓電阻器；連接在第一運算放大器輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的第三限流電阻器；其中，第一可變分壓電阻器一端連接第二可變分壓電阻器、另一端連接電池組負端之間、中間抽頭連接第一運算放大器負相輸入端。所述放電電流保護電路還具有一個放電短路保護單元，包括第二運算放大器；連接在第二運算放大器正相輸入端和采樣地之間的第四限流電阻器；連接在第二運算放大器負相輸入端和電池組負端之間的第二可變分壓電阻器和第一可變分壓電阻器；連接在第二運算放大器輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的第五限流電阻器；其中，第二可變分壓電阻器一端連接第一可變分壓電阻器、另一端連接工作電源、中間抽頭連接第二運算放大器負相輸入端。所述充電電流保護電路包括第三運算放大器；連接在第三運算放大器負相輸入端與工作電源之間的第一分壓電阻器；連接在第三運算放大器負相輸入端與采樣地之間的第二分壓電阻器；連接在第三運算放大器正相輸入端與工作電源之間的第三分壓電阻器；連接在第三運算放大器正相輸入端與電池組負端之間的第四分壓電阻器；連接在第三運算放大器輸出端與充放電開關(guān)裝置之間的第一限流電阻器。進一步地，所述控制模塊包括中斷單元和脈寬調(diào)制(PWM)單元所述中斷單元，用于在檢測到放電端放電過流時，向所述PWM單元發(fā)送中斷信號；所述PWM單元，用于在IIC通信異常和/或接收到中斷信號時，停止向所述系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號。進一步地，所述系統(tǒng)異常保護電路是整流電路，其輸入端連接控制模塊的PWM單元，輸出端連接充放電開關(guān)裝置。進一步地，所述放電端異常保護電路是觸發(fā)電路，其輸入端連接負載正端，輸出端連接控制模塊的中斷單元。進一步地，所述充放電開關(guān)裝置包括充放電驅(qū)動電路，用于根據(jù)充電或放電電流保護信號，生成用于切斷充電回路或供電回路的充電或放電驅(qū)動信號； 控制電路，用于根據(jù)所述系統(tǒng)異常保護信號和所述充電或放電驅(qū)動信號，生成用于接通或斷開充放電開關(guān)電路的控制信號；充放電開關(guān)電路，用于根據(jù)所述控制信號，接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路，使鋰電池組充電或供電。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果在于I、本發(fā)明通過使用系統(tǒng)異常保護電路，在鋰電池充放電組件與控制模塊之間的IIC通訊發(fā)生異常時，快速斷開充電回路或供電回路，避免了充電或放電電流保護電路異?；蚴Ф鴮?dǎo)致鋰電池組使用安全性失控問題，提高了鋰電池組的使用安全性；2、本發(fā)明通過使用放電端異常保護電路，在鋰電池組輸出能力過低，發(fā)生過流、甚至短路，并且不足以提供足夠大的電流觸發(fā)放電過流保護時，能夠快速斷開供電回路，避免了放電電流保護電路異?；蚴Ф鴮?dǎo)致鋰電池組使用安全性失控問題，提高了鋰電池組的使用安全性；3、本發(fā)明使用充電電流保護電路和放電電流保護電路，使放電端發(fā)生過流、甚至短路時，實現(xiàn)鋰電池組的快速保護；4、本發(fā)明在充電狀態(tài)下，通過對鋰電池組進行電壓均衡控制，使鋰電池組滿充電后，單個電池電壓一致性誤差在±30mV內(nèi)，促使電池組發(fā)揮最大性能。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)提供的一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明提供的一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的控制鋰電池組充電電壓均衡的控制結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的均衡電路原理示意圖；圖6是圖5中單個鋰電池充電電壓均衡的電路原理示意圖；圖7是本發(fā)明實施例提供的放電電流保護單元的電路結(jié)構(gòu)圖；圖8是本發(fā)明實施例提供的放電短路保護單元的電路結(jié)構(gòu)圖；圖9是本發(fā)明實施例提供的充電電流保護電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖10是本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)異常保護電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖11是本發(fā)明實施例提供的放電端異常保護電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖12是本發(fā)明實施例提供的充放電開關(guān)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明，應(yīng)當(dāng)理解，以下所說明的優(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。圖2顯示了本發(fā)明提供的一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示，一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)包括鋰電池充放電組件、控制模塊、充放電開關(guān)裝置、系統(tǒng)異常保護電路和放電端異常保護電路，其中所述鋰電池充放電組件，用于將外部充電電源接入鋰電池組進行充電，并向負載供電。具體地說，鋰電池充放電組件包括多節(jié)串聯(lián)鋰電池組，多節(jié)串聯(lián)鋰電池組與外部充電電源連接，實現(xiàn)對鋰電池組的充電，與負載連接，實現(xiàn)對負載的供電。所述控制模塊，與所述鋰電池充放電組件進行IIC通訊，以控制所述鋰電池充放電組件進行滿充電。具體地說，控制模塊通過IIC總線接收并處理鋰電池充放電組件采集的每個鋰電池的電壓數(shù)據(jù)，以控制鋰電池電壓均衡。
·
所述充放電開關(guān)裝置，用于接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路。所述放電端異常保護電路，用于對放電端放電過流進行檢測，并在檢測到放電端放電過流時，發(fā)出過流再保護信號。所述系統(tǒng)異常保護電路，用于對IIC通訊狀態(tài)和放電端放電狀態(tài)進行檢測，并在檢測到IIC通訊異常和/或放電端放電過流時，發(fā)出系統(tǒng)異常保護信號。其中，所述充放電開關(guān)裝置根據(jù)所述系統(tǒng)異常保護信號，斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路。圖3顯示了本發(fā)明實施例提供的一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示所述鋰電池充放電組件包括模擬前端電路、均衡驅(qū)動電路和均衡電路，其中所述模擬前端電路，用于采集所述鋰電池組中每個鋰電池的電壓數(shù)據(jù)，并通過IIC總線將所采集的電壓數(shù)據(jù)送入控制模塊，以便所述控制模塊生成用于每個鋰電池均衡充電的多個均衡充電控制信號；所述均衡驅(qū)動電路，用于根據(jù)所述多個均衡充電控制信號，生成多個均衡驅(qū)動信號;所述均衡電路，用于根據(jù)多個均衡驅(qū)動信號，控制每個鋰電池進行滿充電?？梢姡怆娐方鉀Q了因鋰電池組單個鋰電池之間存在電壓、內(nèi)阻、容量差異而導(dǎo)致滿充電電壓一致性誤差，也就是說，減小了各個鋰電池間電壓差，在同樣的負載下，提高了電池組持續(xù)放電能力。優(yōu)選地，所述均衡電路包括多個分別并聯(lián)在每個鋰電池兩端的均衡單元，其每個均衡單元包括串聯(lián)連接的電子開關(guān)和電阻器。進一步地,所述鋰電池充放電組件還包括充電電流保護電路，用于檢測充電電流，并在檢測到充電電流超過預(yù)定充電電流值時，生成充電電流保護信號；放電電流保護電路，用于檢測放電電流，并在檢測到放電電流超過預(yù)定放電電流值時，生成放電電流保護信號。
優(yōu)選地,所述放電電流保護電路具有一個放電過流保護單元，包括第一運算放大器；連接在第一運算放大器正相輸入端和采樣地之間的第二限流電阻器；連接在第一運算放大器負相輸入端和工作電源之間的第一可變分壓電阻器和第二可變分壓電阻器；連接在第一運算放大器輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的第三限流電阻器；其中，第一可變分壓電阻器一端連接第二可變分壓電阻器、另一端連接電池組負端之間、中間抽頭連接第一運算放大器負相輸入端。 優(yōu)選地,所述放電電流保護電路還具有一個放電短路保護單元,包括第二運算放大器；連接在第二運算放大器正相輸入端和采樣地之間的第四限流電阻器；連接在第二運算放大器負相輸入端和電池組負端之間的第二可變分壓電阻器和第一可變分壓電阻器；連接在第二運算放大器輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的第五限流電阻器；其中，第二可變分壓電阻器一端連接第一可變分壓電阻器、另一端連接工作電源、中間抽頭連接第二運算放大器負相輸入端。優(yōu)選地，所述充電電流保護電路包括第三運算放大器；連接在第三運算放大器負相輸入端與工作電源之間的第一分壓電阻器；連接在第三運算放大器負相輸入端與采樣地之間的第二分壓電阻器；連接在第三運算放大器正相輸入端與工作電源之間的第三分壓電阻器；連接在第三運算放大器正相輸入端與電池組負端之間的第四分壓電阻器；連接在第三運算放大器輸出端與充放電開關(guān)裝置之間的第一限流電阻器。進一步地，所述控制模塊包括中斷單元和脈寬調(diào)制(PWM)單元；所述中斷單元，用于在檢測到放電端放電過流時，向所述PWM單元發(fā)送中斷信號；所述PWM單元，用于在IIC通信異常和/或接收到中斷信號時，停止向所述系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號。進一步地，所述系統(tǒng)異常保護電路是整流電路，其輸入端連接控制模塊的PWM單元，輸出端連接充放電開關(guān)裝置。進一步地，所述放電端異常保護電路是觸發(fā)電路，其輸入端連接負載正端，輸出端連接控制模塊的中斷單元。進一步地，所述充放電開關(guān)裝置包括充放電驅(qū)動電路，用于根據(jù)充電或放電電流保護信號，生成用于切斷充電回路或供電回路的充電或放電驅(qū)動信號；控制電路，用于根據(jù)所述系統(tǒng)異常保護信號和所述充電或放電驅(qū)動信號，生成用于接通或斷開充放電開關(guān)電路的控制信號；充放電開關(guān)電路，用于根據(jù)所述控制信號，接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路，使鋰電池組充電或供電。此外，模擬前端電路和均衡電路連接所有單個鋰電池兩端以及鋰電池組的負端BATTERY-、鋰電池組正端BATTERY+ (負載正端PACK+、充電正端CHARGE+);鋰電池組負端BATTERY-接地；充放電開關(guān)裝置連接鋰電池組的負載負端PACK-和充電負端CHARGE-;系統(tǒng)異常保護電路和放電端異常保護電路連接鋰電池組負端BATTERY-。充電狀態(tài)，將充電器接充電端子CHARGE+、CHARGE-兩端，放電狀態(tài)，將負載接負載端子PACK+、PACK-兩端。所述多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)的工作原理如下充電狀態(tài)下，模擬前端電路采集串聯(lián)鋰電池組中每個鋰電池的電壓數(shù)據(jù)，并通過IIC總線傳送到控制模塊，由控制模塊生成用于控制所述鋰電池充放電組件進行滿充電的多個均衡充電控制信號；然后，均衡驅(qū)動電路通過模擬前端電路獲得所述多個均衡充電控制信號，并生成多個均衡驅(qū)動信號，控制每個鋰電池進行滿充電。充電過程中，由充電電流保護電路對充電電流進行檢測，一旦充電電流超過預(yù)定充電電流值，則所述充電電流保護電路向充放電驅(qū)動電路輸出充電電流保護信號；所述充放電驅(qū)動電路根據(jù)所述充電電流保護信號生成用于切斷充電回路的充電驅(qū)動信號，最終使充電回路斷開，提高充電狀態(tài)下鋰 電池的使用安全性。放電狀態(tài)下，由放電電流保護電路對放電電流進行檢測，一旦放電電流超過預(yù)定放電電流值，則所述放電電流保護電路向充放電驅(qū)動電路輸出放電電流保護信號；所述充放電驅(qū)動電路根據(jù)所述放電電流保護信號生成用于切斷供電回路的放電驅(qū)動信號，最終使供電回路斷開，提高放電狀態(tài)下鋰電池的使用安全性。其中，所述放電電流保護電路具有一個放電過流保護單元和一個放電短路保護單元，分別對放電過流和放電短路的情況進行檢測。在充電或放電的過程中，若IIC通訊正常，則控制模塊的PWM單元向系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號，使所述系統(tǒng)異常保護電路向充放電開關(guān)裝置中的控制電路輸出用于接通充電回路或供電回路的IIC通訊正常的信號；若IIC出現(xiàn)通訊異常情況，則控制模塊的PWM單元停止向系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號，使所述系統(tǒng)異常保護電路向充放電開關(guān)裝置中的控制電路輸出用于斷開充電回路或供電回路的IIC通訊異常信號，最終控制充電回路或供電回路斷開，實現(xiàn)Iic通訊異常情況下，對串聯(lián)鋰電池組的保護，提高了鋰電池組的使用安全性。在放電的過程中，若電池組輸出能力正常，則所述放電端異常保護電路向控制模塊的中斷單元輸出用于接通供電回路的過流保護正常的信號，控制模塊的PWM單元向系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號；若電池組輸出能力過低，在放電端發(fā)生放電過流、甚至放電短路時，所述放電端異常保護電路控制模塊的中斷單元輸出用于斷開供電回路的過流再保護信號，中斷單元根據(jù)所述過流再保護信號，向PWM單元發(fā)送中斷信號，使PWM單元停止向系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號，最終控制供電回路斷開，從而實現(xiàn)對串聯(lián)鋰電池組的保護，提高了鋰電池組的使用安全性。圖4顯示了本發(fā)明實施例提供的控制鋰電池組充電電壓均衡的控制結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。連接每個鋰電池兩端的模擬前端電路采集所述鋰電池組中每個鋰電池的電壓數(shù)據(jù)，并通過IIC總線將所采集的電壓數(shù)據(jù)送入控制模塊。所述控制模塊處理電壓數(shù)據(jù)，并將生成的均衡充電控制信號通過IIC傳送到模擬前端電路，具體地說，控制模塊判斷電壓值最小的電壓數(shù)據(jù)，對于所有超過最小電壓數(shù)據(jù)30mV的鋰電池，均生成用于使充電電流分流的均衡充電控制信號，否則生成使充電電流僅流入單個鋰電池的均衡充電控制信號。連接所述模擬前端電路的均衡驅(qū)動電路，用于根據(jù)來自所述模擬前端電路的所述多個均衡充電控制信號，生成多個均衡驅(qū)動信號。連接所述均衡驅(qū)動電路的均衡電路，用于根據(jù)來自所述均衡驅(qū)動電路的多個均衡驅(qū)動信號，控制相連的每個鋰電池進行滿充電。其中，所述鋰電池組負端通過電流采樣電阻RO與充放電開關(guān)裝置的充放電開關(guān)電路相連，并在充放電開關(guān)電路 接通時鋰電池組進行充電，斷開時鋰電池組停止充電。所述RO用于進行電流采樣，當(dāng)放電電流不超過預(yù)定放電電流值時，第一運算放大器(圖7中的OPAMPI)或第二運算放大器(如8中的0PAMP2)的負向輸入端電壓大于正向輸入端電壓，第一運算放大器或第二運算放大器輸出低電平，最終通過充放電開關(guān)裝置使供電回路接通；當(dāng)放電電流超過預(yù)定放電電流值，第一運算放大器(圖7中的0PAMP1)或第二運算放大器(如8中的0PAMP2)的負向輸入端電壓小于正向輸入端電壓,第一運算放大器或第二運算放大器輸出高電平，最終通過充放電開關(guān)裝置使供電回路斷開；當(dāng)充電電流不超過預(yù)定充電電流值時，第三運算放大器(如9中的0PAMP3)的負向輸入端電壓大于正向輸入端電壓,第三運算放大器輸出低電平，最終通過充放電開關(guān)裝置使充電回路接通；當(dāng)充電電流超過預(yù)定充電電流值時，第三運算放大器(如9中的0PAMP3)的負向輸入端電壓小于正向輸入端電壓，第三運算放大器輸出高電平，最終通過充放電開關(guān)裝置使充電回路斷開?？梢?，均衡電路解決了因鋰電池組單個鋰電池之間存在電壓、內(nèi)阻、容量差異而導(dǎo)致滿充電電壓一致性誤差，也就是說，減小了各個鋰電池間電壓差，鋰電池組電壓一致性誤差在±30mV內(nèi)，在同樣的負載下，提高了鋰電池組持續(xù)放電能力。圖5顯示了本發(fā)明實施例提供的均衡電路原理示意圖，圖6顯示了圖5中單個鋰電池充電電壓均衡的電路原理示意圖，如圖5和圖6所示，均衡電路包括多個分別并聯(lián)在每個鋰電池兩端的均衡單元，其每個均衡單元包括串聯(lián)連接的電子開關(guān)和電阻器。以電子開關(guān)是MOSFET為例進行說明每個均衡單元包括串聯(lián)的電阻器及M0SFET，當(dāng)均衡驅(qū)動信號是高電平時，MOSFET導(dǎo)通，進入電壓均衡狀態(tài)，總充電電流分兩路，一路電流流入鋰電池，另一路電流流入電阻器；當(dāng)均衡驅(qū)動信號是低電平時，MOSFET截至，總充電電流分兩路僅流入鋰電池；因此電壓最低的鋰電池充電電流比電壓高的電池充電電流大，隨著充電時間延長,鋰電池組中單個鋰電池電壓越來越接近，直至鋰電池組單個鋰電池電壓一致性誤差在±30mV內(nèi)，發(fā)揮鋰電池組最大性能。為保護鋰電池組放電的安全性，本發(fā)明實施例提供了放電電流保護電路和充電電流保護電路，其中，所述放電電流保護電路包括放電過流保護單元和放電短路保護單元，以下通過圖7、圖8和圖9分別進行詳細的說明。圖7顯示了本發(fā)明實施例提供的放電過流保護單元的電路結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示，所述放電過流保護單元包括運算放大器OPAMPl (第一運算放大器);連接在OPAMPl正相輸入端和采樣地之間的限流電阻器R15(第二限流電阻器)；連接在OPAMPl負相輸入端和工作電源之間的可變分壓電阻器VRl (第一可變分壓電阻器)和可變分壓電阻器VR2(第二可變分壓電阻器)；連接在OPAMPl輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的限流電阻器R9(第三限流電阻器)；其中，VRl 一端連接VR2、另一端連接電池組負端、中間抽頭連接OPAMPl負相輸入端。此外，OPAMPl地線及電流采樣電阻RO —端接電池組負端BATTERY-，R15 一端及RO另一端接充放電開關(guān)電路。所述放電過流保護單元的工作原理如下
靜態(tài)或放電電流小于預(yù)定放電電流值時，OPAMPl負相輸入端電壓大于正相輸入端電壓，OPAMPl輸出低電平，R9輸出低電平，充放電開關(guān)裝置中的充放電驅(qū)動電路輸出高電平，控制電路輸出高電平，充放電開關(guān)電路導(dǎo)通，即供電回路導(dǎo)通。否則，如果放電電流大于預(yù)定放電電流值，OPAMPl負相輸入端電壓小于正相輸入端電壓，OPAMPl輸出高電平，R9輸出高電平，充放電開關(guān)裝置中的充放電驅(qū)動電路關(guān)閉，輸出低電平，控制電路輸出低電平，充放電開關(guān)電路斷開，即供電回路斷開，進入放電過流保護狀態(tài)。圖8顯示了本發(fā)明實施例提供的放電短路保護單元的電路結(jié)構(gòu)圖，如圖8示，所述放電短路保護單元包括運算放大器0PAMP2 (第二運算放大器);連接在0PAMP2正相輸入端和采樣地之間的限流電阻器R7 (第四限流電阻器)； 連接在0PAMP2負相輸入端和電池組負端之間的可變分壓電阻器VR2 (第二可變分壓電阻器)和可變分壓電阻器VRl (第一可變分壓電阻器)；連接在0PAMP2輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的限流電阻器R8 (第五限流電阻器)；其中，VR2 —端連接VRl、另一端連接工作電源、中間抽頭連接運算放大器0PAMP2負相輸入端。此外，0PAMP2地線及電流采樣電阻RO —端接電池組負端BATTERY-，R7 一端及RO另一端接充放電開關(guān)電路。所述放電短路保護單元的工作原理如下靜態(tài)或放電電流小于預(yù)定放電電流值時時，0PAMP2負相輸入端電壓大于正相輸入端電壓大，0PAMP2輸出低電平，R8輸出低電平，若沒有發(fā)生放電過流保護，充放電開關(guān)裝置中的充放電驅(qū)動電路輸出高電平，控制電路輸出高電平，充放電開關(guān)電路導(dǎo)通，即供電回路導(dǎo)通。否則，放電電流大于預(yù)定放電電流值時，0PAMP2負相輸入端電壓小于正相輸入端電壓大，0PAMP2輸出高電平，R8輸出高電平，充放電開關(guān)裝置中的充放電驅(qū)動電路關(guān)閉，輸出低電平，控制電路輸出低電平，充放電開關(guān)電路斷開，即供電回路斷開，進入放電短路保護狀態(tài)。圖9顯示了本發(fā)明實施例提供的充電電流保護電路的電路結(jié)構(gòu)圖，如圖9所示，所述充電電流保護電路包括運算放大器0PAMP3 (第三運算放大器);連接在0PAMP3負相輸入端與工作電源之間的分壓電阻器RlO (第一分壓電阻)；連接在0PAMP3負相輸入端與采樣地之間的分壓電阻器Rll (第二分壓電阻);
連接在0PAMP3正相輸入端與工作電源之間的分壓電阻器R12 (第三分壓電阻)；連接在運算放大器正相0PAMP3輸入端與電池組負端之間的分壓電阻器R13(第四分壓電阻)；連接在0PAMP3輸出端與充放電開關(guān)裝置之間的限流電阻器R14(第一限流電阻)。其中，運算放大器0PAMP3地線及電流采樣電阻RO —端接電池組負端，RlO —端及RO另一端接充放電開關(guān)電路。所述充電電流保護電路的工作原理如下充電電流小于預(yù)定充電電流值時，0PAMP3負相輸入端電壓大于正相輸入端電壓，0PAMP3輸出低電平，R14輸出低電平，充放電開關(guān)裝置中的充放電驅(qū)動電路輸出高電平，控制電路輸出高電平，充放電開關(guān)電路導(dǎo)通，即充電回路導(dǎo)通。否則，充電電流大于預(yù)定充電·電流值時，0PAMP3輸出高電平，R14輸出高電平，充放電開關(guān)裝置中的充放電驅(qū)動電路輸出低電平，控制電路輸出低電平，充放電開關(guān)電路斷開，即充電回路斷開，進入充電保護狀態(tài)。圖10顯示了本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)異常保護電路的電路結(jié)構(gòu)圖，如圖10所示所述系統(tǒng)異常保護電路是整流電路，其輸入端連接控制模塊的PWM單元，其輸出端連接充放電開關(guān)裝置的控制電路。所述整流電路包括整流二極管Dl;連接在Dl和PWM單元之間的耦合電容Cl ；連接在Dl正極和鋰電池組負端之間的放電電阻器Rl ；連接在Dl負極和鋰電池組負端之間的并聯(lián)的放電電阻器R2和濾波電容C2 ；連接在整流二極管Dl負極和充放電開關(guān)裝置之間限流電阻器R3。所述系統(tǒng)異常保護電路連接于所述控制模塊和充放電開關(guān)裝置之間，并連接于鋰電池組負端。工作時，若鋰電池充放電組件與控制模塊之間的IIC通訊正常，則控制模塊的PWM單元向系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號，所述系統(tǒng)異常保護電路將所述脈寬調(diào)制信號進行整流，產(chǎn)生直流電平，經(jīng)R3限流后向充放電開關(guān)裝置輸出高電平信號，使充放電開關(guān)裝置接通，即充電回路或供電回路接通；若IIC通訊異常，控制模塊的PWM單元關(guān)閉輸出，所述系統(tǒng)異常保護電路輸出低電平的IIC通訊異常信號，使充放電開關(guān)裝置斷開，即充電回路或供電回路斷開，不能再進行充電或放電，保護鋰電池組安全。此外，當(dāng)電池組輸出能力過低，放電端發(fā)生過流、甚至短路，多節(jié)串聯(lián)鋰電池均衡及保護系統(tǒng)不能夠向放電電流保護電路提供足夠的電流以觸發(fā)放電電流保護。本發(fā)明提供了一種放電端異常保護電路，所述放電端異常保護電路是觸發(fā)電路，其輸入端連接負載正端，放電端連接控制模塊的中斷單元，用于在放電電流保護電路異常或失效時，及時生成用于斷開供電回路的過流再保護信號，使控制模塊的中斷單元向PWM單元發(fā)送中斷信號，停止PWM單元向系統(tǒng)異常保護電路發(fā)送脈寬調(diào)制信號，最終保證供電回路斷開，保護鋰電池組的安全性。以下通過圖11進一步說明圖11顯示了本發(fā)明實施例提供的放電端異常保護電路的電路結(jié)構(gòu)圖，如圖11所示，所述放電端異常保護電路包括三極管Q2;
連接在三極管Q2集電極和控制模塊電源正端的限流電阻器R4 ；連接在三極管基極和MCU電源正端的限流電阻器R5 ；連接在三極管基極和負載正端之間的隔離二極管D2 ；連接在三極管發(fā)射極和電池組負端的限流電阻器R6 ；其中，所述放電端異常保護電路的Q2集電極連接控制模塊的中斷單元。在放電狀態(tài)下，電池組不足以提供足夠大的電流觸發(fā)放電電流保護時，所述放電端異常保護電路可以快速斷開供電回路，避免電池組維持輸出大電流狀態(tài)而導(dǎo)致電池組損壞、安全性失控，甚至發(fā)生意外。 所述放電端異常保護電路的工作原理如下放電狀態(tài)下，電池組容量足夠，并且放電過流或放電短路保護電路正常時，Q2處于飽和狀態(tài)，Q2導(dǎo)通，Q2的集電極向控制模塊的中斷單元輸出低電平，控制模塊的PWM單元向系統(tǒng)異常保護電路輸出脈沖調(diào)制信號，使充放電開關(guān)裝置接通，即充電回路或放電回路接通；在電池組輸出能力過低、放電電流保護異常、或放電短路保護異常，在放電端發(fā)生過流、甚至短路時，D2依次通過PACK+、PACK-、充放電開關(guān)電路、電流采樣電阻RO連接到BATTERY-, Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，Q2的集電極向控制模塊的中斷單元輸出高電平的過流再保護信號，使控制模塊的中斷單元向PWM單元發(fā)送中斷信號，PWM單元停止向系統(tǒng)異常保護電路輸出脈沖調(diào)制信號，此時系統(tǒng)異常保護電路向充放電開關(guān)裝置輸出系統(tǒng)異常保護信號，使放電回路斷開，從而保護鋰電池組安全。圖12顯示了本發(fā)明實施例提供的充放電開關(guān)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖12所示，所述充放電開關(guān)裝置包括充放電驅(qū)動電路、控制電路和充放電開關(guān)電路充放電驅(qū)動電路，用于根據(jù)充電或放電電流保護信號，生成用于切斷充電回路或供電回路的充電或放電驅(qū)動信號；具體地說，充放電驅(qū)動電路的輸入連接充電或放電電流保護電路，當(dāng)充電電路未出現(xiàn)充電過流現(xiàn)象或放電電路未出現(xiàn)放電過流或短路現(xiàn)象時，所述充放電驅(qū)動電路生成用于接通充電回路或供電回路的充電或放電驅(qū)動信號，否則，輸入端接收到高電平的充電或放電電流保護信號時，所述充放電驅(qū)動電路輸出用于斷開充電回路或供電回路的充電或放電驅(qū)動信號?？刂齐娐?，用于根據(jù)所述IIC通訊異常信號和所述充電或放電驅(qū)動信號，生成用于接通或斷開充放電開關(guān)電路的控制信號；充放電開關(guān)電路，用于根據(jù)所述控制信號，接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路，使鋰電池組充電或供電；其中，所述控制電路根據(jù)所述IIC通訊異常信號，生成用于斷開充放電開關(guān)電路的控制信號，并在IIC通訊正常時，根據(jù)所述充電或放電驅(qū)動信號，生成用于斷開充放電開關(guān)電路的控制信號。盡管上文對本發(fā)明進行了詳細說明，但是本發(fā)明不限于此，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的原理進行各種修改。因此，凡按照本發(fā)明原理所作的修改，都應(yīng)當(dāng)理解為落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)，其特征在于，包括 鋰電池充放電組件，用于將外部充電電源接入鋰電池組進行充電，并向負載供電； 控制模塊，與所述鋰電池充放電組件進行Iic通訊，以控制所述鋰電池充放電組件進行滿充電； 充放電開關(guān)裝置，用于接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路； 放電端異常保護電路，用于對放電端放電過流進行檢測，并在檢測到放電端放電過流時，發(fā)出過流再保護信號； 系統(tǒng)異常保護電路，用于對Iic通訊狀態(tài)和放電端放電狀態(tài)進行檢測，并在檢測到IIC通訊異常和/或放電端放電過流時，發(fā)出系統(tǒng)異常保護信號； 其中，所述充放電開關(guān)裝置根據(jù)所述系統(tǒng)異常保護信號，斷開所述鋰電池充放電組件 的充電回路或供電回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述鋰電池充放電組件包括 模擬前端電路，用于采集所述鋰電池組中每個鋰電池的電壓數(shù)據(jù)，并通過Iic總線將所采集的電壓數(shù)據(jù)送入控制模塊，以便所述控制模塊生成用于每個鋰電池均衡充電的多個均衡充電控制信號； 均衡驅(qū)動電路，用于根據(jù)所述多個均衡充電控制信號，生成多個均衡驅(qū)動信號； 均衡電路，用于根據(jù)多個均衡驅(qū)動信號，控制每個鋰電池進行滿充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述均衡電路包括多個分別并聯(lián)在每個鋰電池兩端的均衡單元，其每個均衡單元包括串聯(lián)連接的電子開關(guān)和電阻器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述鋰電池充放電組件還包括 充電電流保護電路，用于檢測充電電流，并在檢測到充電電流超過預(yù)定充電電流值時，生成充電電流保護信號； 放電電流保護電路，用于檢測放電電流，并在檢測到放電電流超過預(yù)定放電電流值時，生成放電電流保護信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放電電流保護電路具有一個放電過流保護單元，包括 第一運算放大器； 連接在第一運算放大器正相輸入端和采樣地之間的第二限流電阻器； 連接在第一運算放大器負相輸入端和工作電源之間的第一可變分壓電阻器和第二可變分壓電阻器； 連接在第一運算放大器輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的第三限流電阻器； 其中，第一可變分壓電阻器一端連接第二可變分壓電阻器、另一端連接電池組負端之間、中間抽頭連接第一運算放大器負相輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放電電流保護電路還具有一個放電短路保護單元，包括 第二運算放大器； 連接在第二運算放大器正相輸入端和采樣地之間的第四限流電阻器； 連接在第二運算放大器負相輸入端和電池組負端之間的第二可變分壓電阻器和第一可變分壓電阻器；連接在第二運算放大器輸出端和充放電開關(guān)裝置之間的第五限流電阻器； 其中，第二可變分壓電阻器一端連接第一可變分壓電阻器、另一端連接工作電源、中間抽頭連接第二運算放大器負相輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述充電電流保護電路包括 第三運算放大器； 連接在第三運算放大器負相輸入端與工作電源之間的第一分壓電阻器； 連接在第三運算放大器負相輸入端與采樣地之間的第二分壓電阻器； 連接在第三運算放大器正相輸入端與工作電源之間的第三分壓電阻器； 連接在第三運算放大器正相輸入端與電池組負端之間的第四分壓電阻器； 連接在第三運算放大器輸出端與充放電開關(guān)裝置之間的第一限流電阻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊包括中斷單元和脈寬調(diào)制(PWM)單元； 所述中斷單元，用于在檢測到放電端放電過流時，向所述PWM單元發(fā)送中斷信號； 所述PWM單元，用于在IIC通信異常和/或接收到中斷信號時，停止向所述系統(tǒng)異常保護電路輸出脈寬調(diào)制信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)異常保護電路是整流電路，其輸入端連接控制模塊的PWM單元，輸出端連接充放電開關(guān)裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放電端異常保護電路是觸發(fā)電路，其輸入端連接負載正端，輸出端連接控制模塊的中斷單元。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述充放電開關(guān)裝置包括 充放電驅(qū)動電路，用于根據(jù)充電或放電電流保護信號，生成用于切斷充電回路或供電回路的充電或放電驅(qū)動信號； 控制電路，用于根據(jù)所述系統(tǒng)異常保護信號和所述充電或放電驅(qū)動信號，生成用于接通或斷開充放電開關(guān)電路的控制信號； 充放電開關(guān)電路，用于根據(jù)所述控制信號，接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路，使鋰電池組充電或供電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多節(jié)串聯(lián)鋰電池組均衡及保護系統(tǒng)，包括鋰電池充放電組件，用于將外部充電電源接入鋰電池組進行充電，并向負載供電；控制模塊，與所述鋰電池充放電組件進行IIC通訊，以控制所述鋰電池充放電組件進行滿充電；充放電開關(guān)裝置，用于接通或斷開所述鋰電池充放電組件的充電回路或供電回路；放電端異常保護電路，用于對放電端放電過流進行檢測，并在檢測到放電端放電過流時，發(fā)出過流再保護信號；系統(tǒng)異常保護電路，用于對IIC通訊狀態(tài)和放電端放電狀態(tài)進行檢測，并在檢測到IIC通訊異常和/或放電端放電過流時，發(fā)出系統(tǒng)異常保護信號；其中，所述充放電開關(guān)裝置根據(jù)所述系統(tǒng)異常保護信號，斷開充電回路或供電回路。
文檔編號H02J7/00GK102957173SQ20111024269
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者楊維堅, 王開偉 申請人:福建睿能電子有限公司