专利名称：多级充电均衡控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及通信电源领域，具体涉及一种多级充电均衡控制装置及方法。
背景技术：
锂离子电池因其各种优点，如工作电压高、体积小、质量轻等，被视为一种理想电源。在实际使用中，为了获得更高的放电电压，一般将至少两只单体锂离子电池串联组成锂离子电池组使用。目前，锂离子电池组已经广泛应用于笔记本电脑、电动自行车和备用电源等多种领域。因此，如何在充电时使锂离子电池组较好的使用显得尤为关键，现将锂离子电池组常用的几种充电方法简述如下1.普通的串联充电目前锂离子电池组的充电一般都采用串联充电，但由于单体锂离子电池之间在容量、内阻、衰减特性、自放电等性能方面的差异，在对锂离子电池组串联充电时，电池组中容量最小的那只单体锂离子电池将最先充满电，而此时，其他电池还没有充满电；如果继续串联充电，则已充满电的单体锂离子电池就可能会被过充电；而锂离子电池过充电会严重损害电池的性能，甚至可能会导致爆炸造成人员伤害，因此，为了防止出现单体锂离子电池过充电，锂离子电池组使用时一般配有电池管理系统(Battery ManagementSystem，简称BMS)，通过电池管理系统对每一只单体锂离子电池进行过充电等保护；具体如串联充电时，若某只单体锂离子电池的电压达到过充保护电压，电池管理系统会将整个串联充电电路切断，停止充电，以防止这只单体电池被过充电，而这样会造成其他锂离子电池无法充满电；其中，由于电池本身特性，磷酸铁锂电池组中某些电池充不满电的现象相对锰酸锂电池组而言会更为明显；2.电池管理系统和充电机协调配合串联充电电池管理系统是对电池的性能和状态了解最为全面的设备，所以将电池管理系统和充电机之间建立联系，就能使充电机实时地了解电池的信息，从而更有效地解决电池的充电时的问题；电池管理系统和充电机协调配合充电模式的原理为电池管理系统通过对电池的当前状态(如温度、单体电池电压、电池工作电流、一致性以及温升等)进行监控，并利用这些参数对当前电池的最大允许充电电流进行估算；充电过程中，通过通信线将电池管理系统和充电机联系起来，实现数据的共享；电池管理系统将总电压、最高单体电池电压、最高温度、温升、最大允许充电电压、最高允许单体电池电压以及最大允许充电电流等参数实时地传送到充电机，充电机就能根据电池管理系统提供的信息改变自己的充电策略和输出电流；具体如当电池管理系统提供的最大允许充电电流比充电机设计的电流容量高时，充电机按照设计的最大输出电流充电；当电池的电压、温度超限时，电池管理系统能实时检测到并及时通知充电机改变电流输出；当充电电流大于最大允许充电电流时，充电机开始跟随最大允许充电电流，这样就有效地防止了电池过充电，达到延长电池寿命的目的。充电过程中一旦出现故障，电池管理系统可以将最大允许充电电流设为0，迫使充电机停机，避免发生事故，保障充电的安全；3.并联充电为了解决电池组中某些单体电池过充和充不满电的问题，又发展出了并联充电的办法，但是并联充电方法需要采用多个低电压、大电流的充电电源为每一只单体电池充电，存在充电电源成本高、可靠性低、充电效率低、连接线径粗等缺陷，因此目前没有大范围使用这种充电方法；综上，现有的充电方法均无法在任何时候(如电池的运行环境不符合所需的条件下)保证每个单节电池都不发生过充电和过放电。
发明内容
本发明的第一目的是提出一种高效的多级充电均衡控制装置。本发明的第二目的是提出一种高效的多级充电均衡控制方法。为实现上述第一目的，本发明提供了一种多级充电均衡控制装置，包括包括偶数个级联的串联用电池保护IC的第一级控制电路；其中，每一串联用电池保护IC对应连接串联组成一个电池组的多个单体电池；包括串联用电池保护IC的数量的半数个级联的电流模式PWM的电池充电IC的第二级控制电路；其中，每一电流模式PWM的电池充电IC对应连接第一级控制电路中的两个串联用电池保护IC ；第一级控制电路中的每个串联用电池保护IC根据预设的第一电压阈值及检测得到的每一单体电池的电压值，控制对应单体电池的充放电电路的导通与断开，以及每一电池充电IC根据对应连接的两个串联用电池保护IC上报的两个电池组的电压值、第二预设电压阈值，控制两个电池组中任一组的充放电电路的导通与断开，其中两个电池组为两个串联用电池保护IC对应连接的电池组。为实现上述第二目的，本发明提供了一种多级充电均衡控制方法，包括第一级控制电路中的每个串联用电池保护IC根据预设的第一电压阈值及检测得到的每一单体电池的电压值，控制对应单体电池的充放电电路的导通与断开；其中，第一级控制电路包括包括偶数个级联的串联用电池保护IC ；其中，每一串联用电池保护IC对应连接串联组成一个电池组的多个单体电池；第二级控制电路中的每一电池充电IC根据对应连接的两个串联用电池保护IC上报的两个电池组的电压值、第二预设电压阈值，控制两个电池组中任一组的充放电电路的导通与断开，其中两个电池组为两个串联用电池保护IC对应连接的电池组；其中，第二级控制电路包括串联用电池保护IC的数量的半数个级联的电流模式PWM的电池充电IC ；其中，每一电流模式PWM的电池充电IC对应连接第一级控制电路中的两个串联用电池保护IC。本发明各个实施例中，通过每一电流模式PWM的电池充电IC与两个串联用电池保护IC连接，用于对与两个串联用电池保护IC连接的串联电池均衡采样控制及保护，并通过内部自带的微充放电管理系统控制各串联用电池保护IC对各节电池的充放电方式，从而完成各组电池及各单体电池的均衡，实现每个单节电池都不发生过充电和过放电。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实
5施例一并用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中图1为本发明的多级充电均衡控制装置的实施例一结构图；图为本发明的多级充电均衡控制装置的实施例二电路图；图3为本发明的多级充电均衡控制装置的实施例流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。装置实施例图1为本发明的多级充电均衡控制装置的实施例一结构图。如图1所示，本实施例包括包括偶数个级联的串联用电池保护IC的第一级控制电路；其中，每一串联用电池保护IC对应连接串联组成一个电池组的多个单体电池；包括串联用电池保护IC的数量的半数个级联的电流模式PWM的电池充电IC的第二级控制电路；其中，每一电流模式PWM的电池充电IC对应连接第一级控制电路中的两个串联用电池保护IC;第一级控制电路中的每个串联用电池保护IC根据预设的第一电压阈值及检测得到的每一单体电池的电压值，控制对应单体电池的充放电电路的导通与断开，以及每一电池充电IC根据对应连接的两个串联用电池保护IC上报的两个电池组的电压值、第二预设电压阈值，控制两个电池组中任一组的充放电电路的导通与断开，其中两个电池组为两个串联用电池保护IC对应连接的电池组。具体操作时，该多级充电均衡控制装置还包括包括串联的与串联用电池保护IC数量相同个数的温度控制开关的第三级控制电路，第三级控制电路中的每一温度控制开关对应检测第一级控制电路中每一串联用电池保护IC连接的各单体电池的温度，并在任一单体电池温度超过预设温度阈值时，控制停止对对应的串联用电池保护IC连接的各单体电池充电。也就是说，在每个温度控制开关检测到其对应的一组电池内的某一个电池的温度过高时，控制停止对该组所有的单体电池停止充H1^ ο该电流模式P丽的电池充电IC为LTC1769或LTC1760，对应的Ra为0. 03欧姆，
对应的Rvumit为IOK欧姆。本实施例通过每一电流模式PWM的电池充电IC与两个串联用电池保护IC连接，用于对与两个串联用电池保护IC连接的串联电池均衡采样控制及保护，并通过内部自带的微充放电管理系统控制各串联用电池保护IC对各节电池的充放电方式，从而完成各组电池及各单体电池的均衡，实现每个单节电池都不发生过充电和过放电。图2a_2d为本发明的多级充电均衡控制装置的实施例二电路图。图2a_2d通过图中的标号1-19对应相连，组成一个整体的图，如图加中的标号1-7分别对应与图2b中的标号1-7相连，以连接第一 LTC1769及其对应的两个S-8204B ；如图2c中的标号11-17分别对应与图2d中的标号11-17相连，以连接第二 LTC1769及其对应的两个S-8204B，其他类似不再赘述。如图2a-2d所示，本实施例包括两个电池充电IC，四个电池串联用电池保护IC及三个温度控制开关IC，其中，两个电池充电IC可以为两个电流模式脉冲宽度调制(PWM)的电池充电IC，如第一 LTC1769及第二 LTC1769，具体操作时，还可以为两个LTC1760 ；电池串联用电池保护IC可以为4个电池串联用S-8204B或7个电池串联用LS9208 ；温度控制开关IC可以为TMP300。以下以LTC1769、S-8204B及TMP300组成的三级充电均衡控制装
置进行解释说明；每个S-8204B对应控制四个锂电池，用于对各节电池进行过充过放电压检测，进行过电流检测等，如图2a-2d所示，每一 LTC1769与两个S-8204B连接，用于对与两个S-8204B连接的8节串联电池均衡采样控制及保护，并通过内部自带的微充放电管理系统控制各S-8204B对各节电池的充放电方式，从而完成两组(每个S-8204B对应一组)的电池均衡的管理；TMP300温度控制开关IC分别连接锂电池与S-8204B，用于检测电池在充放过程中的温度，并在电池温度超过预设限制时，TMP300可以将最大允许充电电流设为0 (实现对相应的电池组停止充电)，迫使充电设备停机，保障充电的安全；TMP300还可以用于自动记录当前的充电电流及当大于最大允许充电电流时的单体温度变化情况，以便根据温度数据调整控制最大允许充电电流，这样就有效地防止了电池过充电，又达到快速充电并延长电池寿命目的。各级均衡控制电路的具体解释如下(一 )第一级控制电路硬件设计与工作原理说明第一级均衡控制是由四个S-8204B组成的具有过电流保护功能的电路，用于检测每个单体的锂电池充放电及运行过程的各项数据，且用于四个锂电池为一组的均衡控制；在各电池使用一段时间后其内阻和电压产生波动，若S-8204B检测到每组的单体电池间的状态不一致，S-8204B可通过控制充电控制用端子(即图2b中与第二 S-8204B(即下方的S-8204B)的COP端子连接的MOSFET，或图2d中的对应处，不赘述)和放电控制用端子(即图2b中与第二 S-8204B(即下方的S-8204B)的DOP端子连接的M0SFET，或图2d中的对应处，不赘述)；如图加-2(1所示，两个S-8204B串联在一起，由4个N/P沟道MOSFET做控制开关(对应为图2b及图2d中的两个充电用FET及两个放电用FET)，可以保护8节锂离子电池，四个保护芯片串联在一起，就保护了 16节锂离子电池；本领域技术人员可以理解，可以根据待保护单体电池的数量确定S-8204B的个数；将第一 S-8204B(即图2b中上面的S-8204B)的COP端子与第二 S-8204B(即图2b中下面的S-8204B)的CTLC端子连接；将第一 S-8204B的DOP端子与第二 S-8204B的CTLD端子连接，这样，通过CTLC端子以及CTLD端子可以分别单独控制COP端子与DOP端子的输出电压，且可设置该控制功能优先于芯片内部的电池充放电保护功能；如若某节电池发生过充，第一 S-8204B的COP端子输出电压会发生变化，该电压变化会传递到第二 S-8204B的CTLC端子，从而使得第二 S-8204B的COP端子输出电压也发生变化，进而控制与第二 S-8204B连接的充电用MOSFET (简称充电用FET)的关断，实现锂离子电池的过充电保护；如若某节电池发生过放电时，则由与该电池相连接的第一 S-8204B的DOP端子向第二 S-8204B芯片的CTLD端子发出过放信号，改变第二 S-8204B的DOP端子的状态，控制与第二 S-8204B连接的放电用MOSFET(简称放电用FET)关断，结束放电；由于可以通过CTLC端子以及CTLD端子可以分别单独控制COP端子与DOP端子的输出电压，可以得到下列对应关系
表 权利要求
1.ー种多级充电均衡控制装置，其特征在干，包括包括偶数个级联的串联用电池保护IC的第一级控制电路；其中，每ー串联用电池保护 IC对应连接串联组成ー个电池组的多个单体电池；包括所述串联用电池保护IC的数量的半数个级联的电流模式PWM的电池充电IC的第 ニ级控制电路；其中，每ー电流模式PWM的电池充电IC对应连接所述第一级控制电路中的两个串联用电池保护IC;所述第一级控制电路中的每个串联用电池保护IC根据预设的第一电压阈值及检测得到的每ー单体电池的电压值，控制对应单体电池的充放电电路的导通与断开，以及每ー电池充电IC根据对应连接的两个串联用电池保护IC上报的两个电池组的电压值、第二预设电压阈值，控制所述两个电池组中任一组的充放电电路的导通与断开，其中所述两个电池组为所述两个串联用电池保护IC对应连接的电池組。
2.根据权利要求1所述的多级充电均衡控制装置，其特征在于，还包括包括与所述串联用电池保护IC数量相同个数的串联的温度控制开关的第三级控制电路，所述第三级控制电路中的每ー温度控制开关检测所述第一级控制电路中每ー串联用电池保护IC连接的各单体电池的温度，并在任一单体电池温度超过预设温度阈值时，控制停止对对应的串联用电池保护IC连接的各单体电池的充电。
3.根据权利要求1或2所述的多级充电均衡控制装置，其特征在干，所述电流模式PWM 的电池充电IC为LTC1769或LTC1760。
4.根据权利要求3所述的多级充电均衡控制装置，其特征在干，所述电流模式PWM的电池充电IC的Ra为0.03欧姆。
5.根据权利要求4所述的多级充电均衡控制装置，其特征在干，所述电流模式PWM的电池充电IC的Rvlimit为IOK欧姆。
6.根据权利要求2所述的多级充电均衡控制装置，其特征在干，所述两个串联用电池保护IC中第一串联用电池保护IC的CTLC端及CTLD端均连接单体电池的一端，所述第一串联用电池保护IC的COP端连接所述两个串联用电池保护IC中第二串联用电池保护IC 的CTLC端，所述第一串联用电池保护IC的DOP端连接所述第二串联用电池保护IC的CTLD 端，所述第二串联用电池保护IC的COP端及DOP端分別对应连接充电用FET及放电用FET。
7.根据权利要求6所述的多级充电均衡控制装置，其特征在干，所述第一串联用电池保护IC的CTLC端连接所述第三级控制电路中的ー个串联用电池保护IC的Tset端；所述第二串联用电池保护IC的CTLC端连接所述第三级控制电路中的另ー个串联用电池保护IC 的Tset端或者与所述第一串联用电池保护IC的CTLC端连接相同的Tset端。
8.根据权利要求1或2所述的多级充电均衡控制装置，其特征在于，每一单体电池上均并联ー超级电容。
9.ー种多级充电均衡控制方法，其特征在干，包括第一级控制电路中的每个串联用电池保护IC根据预设的第一电压阈值及检测得到的每ー单体电池的电压值，控制对应单体电池的充放电电路的导通与断开；其中，所述第一级控制电路包括包括偶数个级联的串联用电池保护IC ；其中，每ー串联用电池保护IC对应连接串联组成ー个电池组的多个单体电池；第二级控制电路中的每ー电池充电IC根据对应连接的两个串联用电池保护IC上报的两个电池组的电压值、第二预设电压阈值，控制所述两个电池组中任一组的充放电电路的导通与断开，其中所述两个电池组为所述两个串联用电池保护IC对应连接的电池组；其中，所述第二级控制电路包括所述串联用电池保护IC的数量的半数个级联的电流模式PWM的电池充电IC ；其中，每一电流模式PWM的电池充电IC对应连接所述第一级控制电路中的两个串联用电池保护IC。
10.根据权利要求9所述的多级充电均衡控制方法，其特征在于，还包括第三级控制电路中的每一温度控制开关检测所述第一级控制电路中每一串联用电池保护IC连接的各单体电池的温度，并在任一单体电池温度超过预设温度阈值时，控制停止对对应的串联用电池保护IC连接的各单体电池充电，其中，所述第三级控制电路包括与所述串联用电池保护IC数量相同个数的串联的温度控制开关。
11.根据权利要求10所述的多级充电均衡控制方法，其特征在于，还包括与所述两个串联用电池保护IC中的第二串联用电池保护IC的COP端连接的充电用FET根据温控开关控制信号的大小进行断开或关闭操作；其中，所述两个串联用电池保护IC中的第一串联用电池保护IC及第二串联用电池保护IC的CTLC端连接所述第三级控制电路中的一个串联用电池保护IC的Tset端，所述第一串联用电池保护IC的COP端连接所述两个串联用电池保护IC中第二串联用电池保护IC的CTLC端，所述Tset端用于发送所述温控开关控制信号。
全文摘要
本发明提供了一种多级充电均衡控制装置及方法，其中，该装置包括包括偶数个级联的串联用电池保护IC的第一级控制电路；包括串联用电池保护IC的数量的半数个级联的电流模式PWM的电池充电IC的第二级控制电路；第二级控制电路中的每一电池充电IC控制第一级控制电路中的两个串联用电池保护IC对单体的充放电，以及控制两个串联用电池保护IC中每一串联用电池保护IC对应的电池组的充放电。本发明实现每个单节电池都不发生过充电和过放电。
文档编号H01M10/42GK102570531SQ201010624139
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者包静 申请人:中国移动通信集团甘肃有限公司