专利名称：多节锂电池串联电池组保护方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及锂电池保护技术，具体是一种多节锂电池串联电池组保护方法及其电路。
背景技术：
可充电的锂离子电池(下简称锂电池)在充、放电工作过程中，需要对其过充电压、过放电压以及充电限制电流、放电限制电流等关键参数进行监测和控制，以防止电池提前损坏和保证使用中的安全。
目前，单体锂电池的保护电路已很成熟，如图5所示为常见单体锂电池保护电路的原理框图，该保护电路包括由比较器a和比较器b组成的电压检测电路51，充电控制开关54，放电控制开关55、电流检测电路52和逻辑判断控制电路53。比较器a、b取样被检测电池的正负极电位，将正负极的电位差与比较器a、b内置的基准电压比较，然后将比较结果输出给逻辑判断控制电路53；同时，电流检测电路52采样充电电流或放电电流，进行比较后将结果输出给逻辑判断控制电路53，逻辑判断控制电路53按照事先预定的程序控制充电控制开关54和放电控制开关55的通断，从而实现对电池的电压、充电电流、放电电流进行监测和控制，达到防止电池提前损坏和保证使用中的安全的目的。
其中，电池电压VB等于电池正极电位UB+和负极电位UB-之差，如下式
VB＝(UB+)-(UB-)………………………………………①单体电池的保护电路中，电压检测电路、电流检测电路、逻辑判断控制电路都有一个基准电位，上述电路是以电池的负极电位UB-作为基准电位。
多节电池串联成电池组后，其电压检测电路、电流检测电路、逻辑判断控制电路仍然需要一个基准电位，通常以串联电池组的正极电位USB+或负极电位USB-作为基准电位。如图6所示，假设我们以串联电池组的负极电位USB-作为基准电位，根据式①，任意一节电池Bn的电压VBn与基准电位USB-的关系如下VBn＝(UBn+)-(UBn-)＝(UBn+)-(UBn-)+(USB-)-(USB-)＝[(UBn+)-(USB-)]-[(UBn-)-(USB-)]…………②即任意一节电池的电压VBn等于该电池的正极电位与基准电位之差[(UBn+)-(USB-)]减去该电池的负极电位与基准电位之差[(UBn-)-(USB-)]。
目前常用的一些串联电池组保护电路的电压检测方法就是利用公式②的原理制造的。下面我们以一个3节串联电池组保护电路为例，说明其工作原理如图7所示，该保护电路包括电压检测电路71、充电控制开关74、放电控制开关75、电流检测电路72和逻辑判断控制电路73。本保护电路将串联电池组的负极电位UB3-作为基准电位，所述各电压比较器的内部基准均与串联电池组的负极端相连，比较器的一个输入端取样对应单体电池的正极电位UB+，获得电池的正极电位UB+与基准电位UB3-的差值数据[(UB+)-(UB3-)]，所述比较器另一输入端取样电池的负极电位UB-，获得电池的负极电位UB-与基准电位UB3-的差值数据[(UB-)-(UB3-)]，所述数据[(UB+)-(UB3-)]和[(UB-)-(UB3-)]在比较器内部进行比较，并与控制阈值比较后，输出相应的反映各单体电池电压状况的电平信号，以基准电位UB3-为参考点的逻辑判断电路73可以方便地接受这些电平信号，并在逻辑判断后控制充电控制开关74和放电控制开关75的通断，从而达到对串联电池组中每节电池都进行保护的作用。
如图7所示保护电路中，电压检测电路71输出的电平信号均采用同一基准电位UB3-，方便了与逻辑判断控制电路的连接使用，但是，由于每节电池的电压检测电路均将基准电位UB3-作为参照电位，随着串联电池的增多，单体电池电位与基准电位UB3-的电位差越来越大，就产生了一些缺点，主要有1、随着串联电池数量的增多，单体电池电位与基准电位之间电位差越来越大，对电路的耐压要求越来越高；2、随着单体电池电位与基准电位之间电位差增大，比较器检测的电压范围越来越广，从而保证检测精度也变得越来越困难；3、同时电路也越来越复杂起来。
由于以上的缺点，受到集成电路的工艺限制，目前商品化的串联电池组保护集成电路仅仅能做到管理4节串联电池水平。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种多节锂电池串联电池组保护方法，以及多节锂电池串联电池组保护电路。
本发明多节锂电池串联电池组保护方法包括以下步骤a、每一节单体电池配接一个电压监测模块，每一个电压监测模块对相应单体电池的正负极电位采样，比较，输出以被测单体电池的电极电位为参照电位的充电电压检测信号A和放电电压检测信号B；
由转换电路将所有的充、放电电压检测信号A和B组合、转换为以电池组的电极电位为参照电位的充、放电电压检测信号A’、B’；通过电流监测模块采样电池组回路电流，获得以电池组的电极电位为参照电位的充电电流检测信号C和放电电流检测信号D；b、单片机接收上述充、放电电压检测信号A’和B’，及充、放电电流检测信号C和D，综合分析电池组的充、放电状态正常与否，进而控制充电控制开关或放电控制开关的通断。
一种多节锂电池串联电池组保护电路，包括单片机14，连接于单片机14输入端的电压监测电路和电流监测模块17，以及由单片机14控制的、与电池组串联的充电控制开关15和放电控制开关16，其特征在于所述电压监测电路含若干电压监测模块12和一转换电路13，所述转换电路13用于将若干电压监测模块12的输出信号转换为以电池组的电极电位为参照电位的充、放电电压检测信号，每一个电压监测模块12的输入端与相应单体电池的正负电极连接，所有电压监测模块12的两输出端分别接转换电路13的两个输入端，所述转换电路13两输出端分别接单片机14的相应输入端。
本发明的优点在于每一节单体电池配接一个相对独立的电压监测模块，通过一特殊的转换电路将所在电压监测模块输出的信号转换为具有统一参照电位的电平信号后传输给单片机，克服了传统串联电池组保护电路随着串联电池数量的增多，单体电池电位与基准电位的电位差越来越大，对电压监测电路的耐压要求越来越高、电路检测精度难以保证、而且只能做到管理4节串联电池等缺点，另外本保护电路功耗低、通用性强，其电压监测模块的电压比较电路非常标准化，耐压要求较低并且一致性好，便于制造，便于控制精度，也便于批量化低成本的生产。
图1为本多节锂电池串联电池组保护电路的原理框图；图2为其电压监测电路的原理图；图3为其电流监测和逻辑判断控制部分的原理图；图4为本保护电路的控制流程图；图5为常见单体电池保护电路的原理框图；图6为串联电池组各电池电位示意图；图7为现有3节串联电池保护电路的原理框图。
具体实施例方式
本发明对现有电路的设计思路做了重要的突破，以一种完全新颖的方法设计了多节锂电池串联电池组保护电路。
在本发明中，每一节单体电池配接一个电压监测模块，所述电压监测模块的工作电源由被监测的单体电池提供，所有电压监测模块均为相对独立的电压监测单元。构造串联电池组时，根据串联电池组的单体电池数量需要，串联若干电压监测模块形成串联电池组的电压监测电路。电池组工作时，每一个电压监测模块对相应单体电池的正负极电位采样，比较，输出以被测单体电池的电极电位为参照电位的充电电压检测信号A和放电电压检测信号B，因为各电压监测模块的输出信号A和B均以被测单体电池的电极电位作为参照电位，因而这些充、放电电压检测信号A和B的电位是分散的。为了将所述电位分散的充、放电电压检测信号A和B转换为统一基准电位的信号，本发明引入了转换电路，由转换电路将所有的充、放电电压检测信号A和B组合、转换为以电池组的电极电位为参照电位的充、放电电压检测信号A’、B’。
下面结合附图进一步说明。
如图1所示，本多节锂电池串联电池组保护电路包括单片机14，连接于单片机14输入端的电压监测电路和电流监测模块17，以及由单片机14控制的、与电池组串联的充电控制开关15和放电控制开关16，所述电压监测电路含若干电压监测模块12和一转换电路13，所述转换电路13用于将若干电压监测模块12的输出信号转换为以电池组的电极电位为参照电位的充、放电电压检测信号，每一个电压监测模块12的输入端与相应单体电池的正负电极连接，所有电压监测模块12的两输出端分别接转换电路13的两个输入端，所述转换电路13两输出端分别接单片机14的相应输入端。
其中，所述转换电路13包括一充电信号转换电路，该充电信号转换电路包含由若干电子开关组成的串联支路131和与所述串联支路131连接的输出电路132，所述串联支路131跨接于电池组正、负极之间。
所述转换电路13还包括一放电信号转换电路，该放电信号转换电路包含由若干电子开关组成的串联支路133和与所述串联支路133连接的输出电路134，所述串联支路133跨接于电池组正、负极之间。
参照图2，在本实施例中，U1、U2、U3……U7、U8、U9分别为单体电池b1、b2、b3……b7、b8、b9的电压监测模块，各电压监测模块的1脚和2脚为输入端，分别与相应单体电池的正、负极连接，各电压监测模块的3脚和5脚为输出端，分别输出相应单体电池的充、放电电压检测信号A和B。
所述串联支路131和串联支路133中的电子开关均采用由两个三极管组成的复合管，下面以接于电压监测模块U1输出端(3脚)的电子开关为例说明其组成，如图2所示，接于电压监测模块U1输出端(3脚)的电子开关是由三极管Q3和Q5组成复合管，其中，Q3的基极为本电子开关的控制端，该控制端与U1的输出端(3脚)连接，Q3的发射极接单体电池b1的负极，Q3的集电极与Q5的基极连接，Q5的发射极和集电极为本电子开关的输入端和输出端。
如图2所示，本实施例在所述串联支路131中串接有分压电阻R1、R10、R20、R21……R56、R57、R65，其中分压电阻R1一端接电池组负极USB-，分压电阻R1另一端接三极管Q5的集电极，所述输出电路132由三极管Q1组成，三极管Q1的发射极接电池组负极USB-，三极管Q1的基极(即输出电路132的输入端)接电阻R2到分压电阻R1和Q5的公共端，三极管Q1的集电极为OVC输出端；所述串联支路133中串接有分压电阻R3、R12、R24、R25……R59、R60、R67，其中分压电阻R3一端接电池组负极USB-，分压电阻R3另一端接三极管Q8的集电极，所述输出电路134由三极管Q2组成，三极管Q2的发射极接电池组负极USB-，三极管Q2的基极(即输出电路134的输入端)接电阻R4到分压电阻R3和Q8的公共端，三极管Q2的集电极为OVD输出端。
电池组工作时，若所有单体电池的电压均正常，转换电路13的OVC输出端和OVD输出端均输出高电平信号；当有任意一节单体电池的电压超出过充电阀值电压时，相应的电压监测模块12的输出信号关闭转换电路13中相应的电子开关，转换电路13的OVC输出端输出低电平信号(即高限信号)；当任意一节单体电池的电压超出过放电阀值电压时，相应的电压监测模块12的输出信号关闭转换电路13中相应的电子开关，转换电路13的OVD输出端输出低电平信号(即低限信号)。
在实际应用中，本发明所述转换电路13中的电子开关还可以采用三极管或场效应管。所述输出电路132和输出电路134还可以采用场效应管反相器。
参照图3，在本电池组保护电路中，U2为单片机，电流监测模块17含比较器U3A、U3B，其中比较器U3A的反相输入端接电阻R23到地，U3A的同相端串接电阻R24、R18、R17、R3到地；比较器U3B的反相输入端串接电阻R21、R17、R3到地，U3B的同相端接电阻R22和R16的公共端；电阻R18、R17、R21的公共端接输出端Bout-；充电控制开关15采用场效应管MOC，放电控制开关16采用场效应管MOD。本实施例将充电控制开关MOC和放电控制开关MOD作为电流采样元件，因为开关管MOSFET的管阻是一个常数，因此该管子上的电压降可以反映流过的电流的大小。工作时，单片机U2的7脚和9脚分别接收来自OVC输入端和OVD输入端的充、放电电压检测信号A’、B’(所述OVC输入端与图2中的OVC输出端连接，所述OVD输入端与图2中的OVD输出端连接)，同时单片机U2的1脚和3脚接收来自电流监测模块17的充电电流检测信号C和放电电流检测信号D，单片机U2综合分析电池组的充、放电状态正常与否，进而通过其10脚和11脚控制充电控制开关MOC和放电控制开关MOD的通断，从而达到保护电池组的目的。
该电池组保护电路还包括一负载检测电路，参照图3，所述负载检测电路由串联的电阻R3、R17构成，电阻R17的一端接输出端Bout-，电阻R3的一端接电池组的负极USB-(即地)，电阻R3、R17的公共端(即输出端)接单片机U2的4脚。当放电控制开关MOD截止后，连接在电路中的负载将通过电阻R17把U2的4脚拉到高电位，而负载移开后，没有了外界高电位的上拉，内部下拉电阻R3将把U2的4脚拉到低电位，单片机U2通过对其4脚电位的判断，即可知道负载的接入与移出。
该电池组保护电路还包括一充电器检测电路，参照图3，所述充电器检测电路由依次串联的电阻R4、R19及R18构成，电阻R18的一端接输出端Bout-，电阻R4的一端接电源Vcc，电阻R4、R19的公共端(即输出端)接单片机U2的2脚。当充电控制开关MOC截止后，连接在电路中的充电器负端电压将通过电阻R18、R19把U2的2脚拉到低电位，而当充电器移开后，没有了外界负电压的下拉，内部上拉电阻R4把U2的2脚拉向一个高电位，单片机U2通过对其2脚电位的判断，即可知道充电器的接入与移出。
图4为本保护电路的控制流程图，如图中所示，单片机根据电池组中各单体电池的充、放电电压检测信号以及电池组的充、放电电流检测信号等关键参数变化情况控制充放电回路的通断，同时根据负载和充电器的接入和移开情况，决定是否恢复正常工作。
其具体保护方法如下①、每一个电压监测模块12对接于其输入端的单体电池Bn的正负极电位采样，比较，输出以被测单体电池Bn的电极电位为参照电位的充电电压检测信号A和放电电压检测信号B；由转换电路13将所有的充、放电电压检测信号A和B组合、转换为以电池组的电极电位USB-为参照电位的充、放电电压检测信号A’、B’；通过电流监测模块17采样电池组回路电流，获得以电池组的电极电位USB-为参照电位的充电电流检测信号C和放电电流检测信号D；②、单片机14接收上述充、放电电压检测信号A’和B’，及充、放电电流检测信号C和D，综合分析电池组的充、放电状态正常与否，进而控制充电控制开关15或放电控制开关16的通断，达到保护电池组的目的。
在上述步骤②中，所述单片机14进行综合分析的方法如下a、当充电电压检测信号A’超过正常值(过充电阀值电压)关断充电控制开关后，单片机判断充电器撤除与否，若充电器撤除，充电电压恢复正常后，单片机控制充电控制开关导通，重新开通充电回路恢复充电；b、当放电电压检测信号B’低于正常值(过放电阀值电压)关断放电控制开关后，单片机判断充电器接入与否，若充电器接入，电压恢复正常后，单片机控制放电控制开关导通，重新接通放电回路；c、当负载短路关断放电控制开关后，单片机检测负载电阻，若负载电阻撤除，单片机控制放电控制开关导通，重新接通放电回路；d、当放电电流检测信号D超过正常值关断放电控制开关后，单片机检测负载电阻，若负载电阻撤除，则控制放电控制开关导通，重新接通放电回路；e、当充电电流检测信号C超过正常值关断充电控制开关后，单片机判断充电器撤除与否，若充电器撤除，充电电压恢复正常后，单片机控制充电控制开关导通，重新开通充电回路恢复充电。
本发明对串联电池组中各单体电池的电压采用单独检测的方法，电压监测模块12在本节电池电压范围内工作，因此无论多少节单体电池串联，对于构成电压监测模块的比较器来说，永远只需要承受一节电池的电压。由于所有的电压监测模块均为一个相同的独立电路，与串联电池的数量无关，因此所述电压监测模块内部的电压比较电路非常标准化，耐压要求较低并且一致性好，便于制造，便于控制精度，也便于批量化低成本的生产。
本发明采用特殊设计的转换电路13，解决了串联电池组保护电路中各电压监测模块12输出的充、放电电压检测信号A、B的参照电位不一致的问题，最终使所有的充、放电电压检测信号A、B转换为统一相对电池组的电极电位USB-的电平信号A’、B’，提供给单片机。转换电路13中的电子开关均采用三极管构成，制造方便，理论上认为，只要这部分电路的器件耐压足够，就可以构造任意多节电池串联电池组的保护电路。
因为保护电路是长期挂接在电池组的电池上的，无论电池在什么情况下，保护电路都在消耗电池的电能，这对电池是一个负担，尤其是电池因为过放电以后，如果没有及时充电，而保护电路却还在消耗电能，这对电池非常不利，严重时还会因此而造成电池完全失效。因此，如何减少保护电路的附加功率损耗，是保护电路能否达到实用的重要指标之一。本发明与常规设计思路不同，本电路设计的工作方法是无论电池组是否在工作，通常的情况下，单片机总是将电路控制进入低功耗睡眠，但这时电池组的充电控制开关和放电控制开关处于开通状态，允许使用者任意使用。当任意一节单体电池的电压或电池组的电流发生异常变化的瞬间，单片机被唤醒，进行短暂的控制翻转处理后又重新进入低功耗状态，这样设计大大减少保护电路的附加功率损耗，使得整个电路的正常功耗仅是用常规方法设计的电路功耗的十分之一甚至还要低。另外随着电池电压的降低，进入过放状态后，单片机在保留了充电回路开通的前提下控制电路进入完全不耗电状态，使保护电路的功耗趋向于零，这种保护方法完全符合电池的实际使用情况，使保护电路真正地达到了商品化的要求。
根据本发明，很容易采用市售的元器件构造，也非常容易做成专用的集成电路(ASIC)。目前我们采用通常市售的元器件，可以很方便地构造出20节电池之内串联电池组保护电路。
权利要求
1.一种多节锂电池串联电池组保护方法，其特征在于包括以下步骤a、每一节单体电池配接一个电压监测模块，每一个电压监测模块对相应单体电池的正负极电位采样，比较，输出以被测单体电池的电极电位为参照电位的充电电压检测信号A和放电电压检测信号B；由转换电路将所有的充、放电电压检测信号A和B组合、转换为以电池组的电极电位为参照电位的充、放电电压检测信号A’、B’；通过电流监测模块采样电池组回路电流，获得以电池组的电极电位为参照电位的充电电流检测信号C和放电电流检测信号D；b、单片机接收上述充、放电电压检测信号A’和B’，及充、放电电流检测信号C和D，综合分析电池组的充、放电状态正常与否，进而控制充电控制开关或放电控制开关的通断。
2.根据权利要求1的多节锂电池串联电池组保护方法，其特征在于在步骤b中，充电电压检测信号A’超过正常值，关断充电控制开关后，单片机判断充电器撤除与否，若充电器撤除，充电电压恢复正常后，重新打开充电控制开关恢复充电。
3.根据权利要求1的多节锂电池串联电池组保护方法，其特征在于在步骤b中，充电电流检测信号C超过正常值，关断充电控制开关后，单片机判断充电器撤除与否，若充电器撤除，充电电压恢复正常后，重新打开充电控制开关恢复充电。
4.根据权利要求1的多节锂电池串联电池组保护方法，其特征在于在步骤b中，放电电压检测信号B’低于正常值关断放电控制开关后，单片机判断充电器接入与否，若充电器接入，电压恢复正常后重新接通放电回路。
5.根据权利要求1的多节锂电池串联电池组保护方法，其特征在于在步骤b中，放电电流检测信号D超过正常值关断放电控制开关后，单片机检测负载电阻，若负载电阻撤除，重新接通放电回路。
6.根据权利要求1的多节锂电池串联电池组保护方法，其特征在于在步骤b中，负载短路关断放电控制开关后，单片机检测负载电阻，若负载电阻撤除，重新接通放电回路。
7.一种多节锂电池串联电池组保护电路，包括单片机(14)，连接于单片机(14)输入端的电压监测电路和电流监测模块(17)，以及由单片机(14)控制的、与电池组串联的充电控制开关(15)和放电控制开关(16)，其特征在于所述电压监测电路含若干电压监测模块(12)和一转换电路(13)，所述转换电路(13)用于将若干电压监测模块(12)的输出信号转换为以电池组的电极电位为参照电位的充、放电电压检测信号，每一个电压监测模块(12)的输入端与相应单体电池的正负电极连接，所有电压监测模块(12)的两输出端分别接转换电路(13)的两个输入端，所述转换电路(13)两输出端分别接单片机(14)的相应输入端。
8.根据权利要求7的多节锂电池串联电池组保护电路，其特征在于所述转换电路(13)包括一充电信号转换电路，该电路包含由若干电子开关组成的串联支路(131)和与所述串联支路(131)连接的输出电路(132)，所述串联支路(131)跨接于电池组正、负极之间；以及，一放电信号转换电路，该电路包含由若干电子开关组成的串联支路(133)和与所述串联支路(133)连接的输出电路(134)，所述串联支路(133)跨接于电池组正、负极之间。
9.根据权利要求8的多节锂电池串联电池组保护电路，其特征在于在所述若干电子开关的串联支路(131)中串接有若干分压电阻，输出电路(132)的输入端与接电池组负极的一分压电阻相接；在所述若干电子开关的串联支路(133)中串接有若干分压电阻，输出电路(134)的输入端与接电池组负极的一分压电阻相接。
10.根据权利要求8或9的多节锂电池串联电池组保护电路，其特征在于所述电子开关均为三极管或场效应管。
11.根据权利要求8或9的多节锂电池串联电池组保护电路，其特征在于所述输出电路(132)和输出电路(134)均为三极管反相器，或场效应管反相器。
12.根据权利要求7的多节锂电池串联电池组保护电路，其特征在于所述充电控制开关(15)和放电控制开关(16)均为场效应管。
13.根据权利要求7的多节锂电池串联电池组保护电路，其特征在于还包括一负载检测电路，该负载检测电路由串联的电阻R3、R17构成，电阻R17的一端接输出端Bout-，电阻R3的一端接电池组的地，电阻R3、R17的公共端(即输出端)接单片机(14)的一输入端。
14.根据权利要求7的多节锂电池串联电池组保护电路，其特征在于还包括一充电器检测电路，该充电器检测电路由依次串联的电阻R4、R19及R18构成，电阻R18的一端接输出端Bout-，电阻R4的一端接电源Vcc，电阻R4、R19的公共端(即输出端)接单片机(14)的一输入端。
全文摘要
多节锂电池串联电池组保护方法及其电路，其方法为a、每一节单体电池配接一个电压监测模块，电压监测模块对相应单体电池的正负极电位采样，比较，输出以被测单体电池的电极电位为参照电位的充电、放电电压检测信号A和B；由转换电路将所有的信号A和B组合、转换为以电池组的电极电位为参照电位的信号A’、B’；电流监测模块采样电池组回路电流，获得以电池组的电极电位为参照电位的充电、放电电流检测信号C和D；b、单片机接收上述信号A’、B’、C和D，综合分析后控制充电控制开关或放电控制开关的通断。本发明克服了传统串联电池组保护集成电路只能做到管理4节串联电池的缺陷，其电路功耗低、通用性强。
文档编号H02H7/18GK1655416SQ200410015330
公开日2005年8月17日 申请日期2004年2月10日 优先权日2004年2月10日
发明者丘守庆, 许申生 申请人:深圳市鑫汇科电子有限公司