专利名称：串联锂离子电池的保护方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及串联使用的锂离子电池的保护方法及其电路，特别适于在五节以上的锂离子电池串联的场合使用，以防止单体电池过充电或过放电。
背景技术：
电池通常被串并联使用以提供较高的输出电压和较大的电能容量，满足负载驱动的需求。由于可充电电池具有较好的性价比，被广泛应用于各类电子产品，甚至电动车辆中，特别是锂离子电池由于具有体积小、重量轻等优点，而受到人们的关注。然而，锂离子电池也存在着过充电或过放电都会影响其使用寿命的问题，因此，在锂离子电池组内必须设置过充电、过放电、过流、过热等保护电路。由于工艺条件的限制，单体电芯之间均存在一定的差异，经过多次充、放电循环之后，电池之间会产生较大的电压差，因此，需要对各个单体电芯的电压进行检测，在某一单体电芯过充电或过放电时，即切断充电或放电回路，以实现对电池的保护。
现有技术中，常见的钴酸锂电池，电压最大不能超过4.3伏，当超过4.3伏时，极有可能产生爆炸、起火、冒烟的现象，由于电池之间的差异，多节电池串联时，会产生不均衡现象，使各节电池电压不同，因此，在国外，为了安全起见，规定钴酸锂电池串联连接不允许超过四节以上。由此，在锂离子电池的应用过程中，对于四节以内的串联锂离子电池的充放电保护电路的研究比较充分，有适合工业化使用的1～4节串联锂离子电池保护集成电路。
另一方面，随着电池均衡技术的发展，以及锰酸锂电池等其它种类锂离子电池的应用，目前已可以将超过四节(例如7节、8节、10节)的锂离子电池串联使用。此时，缺乏成熟的充放电保护技术，如果将上述1～4节串联锂离子电池保护集成电路多片使用时，存在着各集成电路电位不同，对高、低电平的定义不一致的问题，由此限制了多节锂离子电池串联使用技术的发展。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种适用于对五节以上的锂离子电池串联使用时进行充放电保护的方法，同时提供实现这一方法的电路。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是一种串联锂离子电池的保护方法，所述串联锂离子电池由不少于5节单体电芯构成，将单体电芯分组，每组由不超过4节单体电芯相互串联构成，利用1～4节串联锂离子电池保护集成电路获取每组电芯的过充电信号和过放电信号，通过不共地的电平转换使各组的过充电信号电平调整一致并合成为一个过充电信号，同样使各组的过放电信号电平调整一致并合成为一个过放电信号，由合成的过充电信号和过放电信号控制串联电池的输出控制开关，实现电池的保护。
上述技术方案中，由于多个单体电芯组之间是串联连接的，其对应的1～4节串联锂离子电池保护集成电路供电电平均不同，相邻单体电芯组中，一个单体电芯组的高电平，相当于另一个单体电芯组的低电平，因此，本方案中设置了不共地的电平转换，使各输出信号的电平调整一致，再通过逻辑运算合并成一个信号，用于控制电池组的输出，逻辑运算既可以使用逻辑器件实现，也可以使用开关管构建。
进一步的技术方案，所述每个单体电芯组由不少于2节单体电芯构成，其中，2节单体电芯构成的组最多1组，3节单体电芯构成的组最多3组，其余为4节单体电芯构成的组。例如，5节电芯可以分成2节一组、3节一组；8节电芯可以分成4节二组；10节电芯可以分成4节一组、3节二组，等等。由此，可以利用最少片数的1～4节串联锂离子电池保护集成电路实现整个电池组的保护。当然，由于现有1节锂离子电池保护集成电路的广泛使用，使其成本大幅下降，也可以以1节单体电芯为1组来进行分组，以降低集成电路部分的成本，但这会增加后续电路的复杂程度。
上述技术方案中，所述输出控制开关位于电池包的负极端，所述过充电信号的合成为逻辑与合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合与非电路实现，所述过放电信号的合成为逻辑或非合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合或非电路实现。
另一种技术方案，所述输出控制开关位于电池包的正极端，所述过充电信号的合成为逻辑与非合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合与非电路实现，所述过放电信号的合成为逻辑或合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合或非电路实现。
应用上述方法的一种串联锂离子电池的保护电路，包括单体电芯电压检测电路，过充、过放信号生成电路及控制开关，将单体电芯分组，每组由不超过4节单体电芯相互串联构成，所述过充、过放信号生成电路由每组信号生成模块与信号合成模块二级构成，所述每一单体电芯组的电压检测电路和每组信号生成模块采用1～4节串联锂离子电池保护集成电路，所述信号合成模块包括过充电信号合成模块和过放电信号合成模块，所述过充电信号合成模块主要由输入端分别连接各组过充电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑与电路构成，所述过放电信号合成模块，主要由输入端分别连接各组过放电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑或电路构成，过充电信号合成模块和过放电信号合成模块分别与连接在电池供电回路中的对应的控制开关的控制端连接。
上述技术方案中，所述不共地电平转换反向跟随电路由驱动电路、开关管和分压电路构成，输入信号经驱动电路连至开关管的控制端，开关管的输出经分压电路连接至整个串联电池组的负极，经分压后的信号输出构成不共地电平转换反向跟随电路的输出端。
上述技术方案中，所述开关管可以是PNP三极管；也可以是P沟道的MOSFET管。开关管的发射极(或源极)与该组电芯的正极连接，需转换的信号经与该组电芯正极连接的分压电阻连接至开关管的基极(或栅极)，开关管的集电极(或漏极)输出信号，由分压电阻分压后输出，分压电阻的下端连接至整个电池的负极，根据所在单体电芯组的电平位置不同，设置不同阻值比的分压电阻，使输出电平一致。
进一步的技术方案，所述每个单体电芯组由不少于2节单体电芯构成，其中，2节单体电芯构成的组最多1组，3节单体电芯构成的组最多3组，其余为4节单体电芯构成的组。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.本发明对锂离子电池采用分组方式，并通过不共地的电平转换使各组的信号电平调整一致，从而可以利用现有的1～4节串联锂离子电池保护集成电路实现多于5节的锂离子电池串联时的充、放电保护；
2.本发明将调整后的各组过充、过放信号经与、或运算合并成一个信号，用以控制充、放电回路的通断，其结构简单，实现方便。
附图1为本发明实施例一的电路结构示意图；附图2为本发明实施例二的电路结构示意图；附图3为本发明实施例三的电路结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图1所示，一种串联锂离子电池的保护电路，用于10节串联锂离子电池的充放电保护，包括单体电芯电压检测电路，过充、过放信号生成电路及控制开关，将单体电芯分组，其中2组为3个锂离子电芯串联，1组为4个锂离子电芯串联构成，所述过充、过放信号生成电路由每组信号生成模块与信号合成模块二级构成，所述每一单体电芯组的电压检测电路和每组信号生成模块采用1～4节串联锂离子电池保护集成电路MM1414，三组模块的过充电信号分别为OV1、OV2、OV3，过放电信号分别为DC1、DC2、DC3，所述信号合成模块包括过充电信号合成模块和过放电信号合成模块，所述过充电信号合成模块主要由输入端分别连接各组过充电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑与电路构成，所述过放电信号合成模块，主要由输入端分别连接各组过放电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑或非电路构成，过充电信号合成模块和过放电信号合成模块分别与连接在电池供电回路负极端的对应的控制开关的控制端连接。
本实施例中，所述不共地电平转换反向跟随电路由驱动电路、开关管和分压电路构成，输入信号经驱动电路连至开关管的控制端，开关管的输出经分压电路连接至整个串联电池组的负极，经分压后的信号输出构成不共地电平转换反向跟随电路的输出端。所述不共地电平转换反向跟随电路中的开关管为P沟道的MOSFET管，以电池组B1至B4的过充电信号OV1的处理为例，开关管M5的源极与该组电芯的正极B4+连接，需转换的信号OV1连接至开关管M5的栅极，并通过稳压管Z7提供10伏左右的压差，以保证开关管M5的正常导通，开关管M5的漏极输出信号，由分压电阻R28、R38分压后输出，分压电阻的下端连接至整个电池的负极PAK-，输出信号连接至N沟道的MOSFET管M9的栅极，其漏极输出合并后的控制信号OV，稳压管Z10用于保证N沟道MOSFET管M9的导通。在正常状态下，OV1、OV2、OV3相对于各自模块呈现出高阻或者高电平状态，此时，OV信号与B1-有10伏左右压差，可保证N沟道MOSFET管M9的导通，当其中至少任意一个信号相对于自身模块变化为低电平时，OV信号与B1-间呈现低于1伏压差，可保证N沟道MOSFET管M9截止。
同样地，对于过放信号，DC1、DC2、DC3在正常状态下相对于各自模块呈现低电平状态，此时，DC信号与B1-呈现10伏左右压差，可保证N沟道MOSFET管M8导通；当其中至少任意一个信号相对于自身模块变化为高电平时，DC信号与B1-呈现低于1伏压差，可保证N沟道MOSFET管M8截止。
本实施例的控制开关由4个N沟道的MOSFET管构成，其中，M12和M13用于过充电保护，M10和M11用于过充电保护，过充电信号OV连接至M12和M13的栅极，控制其导通，过放电信号DC连接至M10和M11的栅极，控制其导通。
实施例二参见附图2所示，一种串联锂离子电池的保护电路，用于8节串联锂离子电池的充放电保护，包括单体电芯电压检测电路，过充、过放信号生成电路及控制开关，将单体电芯分成2组，其中每组为4个锂离子电芯串联构成，所述过充、过放信号生成电路由每组信号生成模块与信号合成模块二级构成，所述每一单体电芯组的电压检测电路和每组信号生成模块采用1～4节串联锂离子电池保护集成电路MM1414，二组模块的过充电信号分别为OV1、OV2，过放电信号分别为DC1、DC2，所述信号合成模块包括过充电信号合成模块和过放电信号合成模块，所述过充电信号合成模块主要由输入端分别连接各组过充电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑与电路构成，所述过放电信号合成模块，主要由输入端分别连接各组过放电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑或非电路构成，过充电信号合成模块和过放电信号合成模块分别与连接在电池供电回路负极端的对应的控制开关的控制端连接。
本实施例中，所述不共地电平转换反向跟随电路由驱动电路、开关管和分压电路构成，输入信号经驱动电路连至开关管的控制端，开关管的输出经分压电路连接至整个串联电池组的负极，经分压后的信号输出构成不共地电平转换反向跟随电路的输出端。所述不共地电平转换反向跟随电路中的开关管为PNP三极管，以电池组B1至B4的过充电信号OV1的处理为例，三极管Q3的发射极与该组电芯的正极B4+连接，需转换的信号OV1连接至三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极输出信号，经电阻R16、二极管D4连接至起与门作用的NPN三极管Q6的基极，三极管Q6的集电极输出合并后的控制信号OV，稳压管Z2用于保证控制开关的导通。
本实施例的控制开关由4个N沟道的MOSFET管构成，其中，M1和M4用于过充电保护，M2和M3用于过放电保护，过充电信号OV连接至M1和M4的栅极，控制其导通，过放电信号DC连接至M2和M3的栅极，控制其导通。
实施例三参见附图3所示，一种串联锂离子电池的保护电路，用于7节串联锂离子电池的充放电保护，包括单体电芯电压检测电路，过充、过放信号生成电路及控制开关，将单体电芯分成2组，其中1组为4个锂离子电芯串联，1组为3个锂离子电芯串联构成，所述过充、过放信号生成电路由每组信号生成模块与信号合成模块二级构成，所述每一单体电芯组的电压检测电路和每组信号生成模块采用1～4节串联锂离子电池保护集成电路MM1414，二组模块的过充电信号分别为OV1、OV2，过放电信号分别为DC1、DC2，所述信号合成模块包括过充电信号合成模块和过放电信号合成模块，所述过充电信号合成模块主要由输入端分别连接各组过充电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑与电路构成，所述过放电信号合成模块，主要由输入端分别连接各组过放电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑或非电路构成，过充电信号合成模块和过放电信号合成模块分别与连接在电池供电回路负极端的对应的控制开关的控制端连接。
本实施例中，所述不共地电平转换反向跟随电路由驱动电路、开关管和分压电路构成，输入信号经驱动电路连至开关管的控制端，开关管的输出经分压电路连接至整个串联电池组的负极，经分压后的信号输出构成不共地电平转换反向跟随电路的输出端。所述不共地电平转换反向跟随电路中的开关管为P沟道的MOSFET管，以电池组B1至B4的过充电信号OV1的处理为例，开关管M3的源极与该组电芯的正极B4+连接，需转换的信号OV1连接至开关管M3的栅极，并通过稳压管Z3提供10伏左右的压差，以保证开关管M3的正常导通，开关管M3的漏极输出信号，由分压电阻R17、R18分压后输出，分压电阻的下端连接至整个电池的负极PAK-，输出信号连接至N沟道的MOSFET管M7的栅极，其漏极输出合并后的控制信号OV，稳压管Z6用于保证N沟道MOSFET管M7的导通。在正常状态下，OV1、OV2相对于各自模块呈现出高阻或者高电平状态，此时，OV信号与B1-有10伏左右压差，可保证N沟道MOSFET管M7的导通，当其中至少任意一个信号相对于自身模块变化为低电平时，OV信号与B1-间呈现低于1伏压差，可保证N沟道MOSFET管M7截止。
同样地，对于过放信号，DC1、DC2在正常状态下相对于各自模块呈现低电平状态，此时，DC信号与B1-呈现10伏左右压差，可保证N沟道MOSFET管M5导通；当其中至少任意一个信号相对于自身模块变化为高电平时，DC信号与B1-呈现低于1伏压差，可保证N沟道MOSFET管M5截止。
本实施例的控制开关由4个N沟道的MOSFET管构成，其中，M6和M10用于过充电保护，M8和M9用于过放电保护，过充电信号OV连接至M6和M10的栅极，控制其导通，过放电信号DC连接至M8和M9的栅极，控制其导通。
权利要求
1.一种串联锂离子电池的保护方法，所述串联锂离子电池由不少于5节单体电芯构成，其特征在于将单体电芯分组，每组由不超过4节单体电芯相互串联构成，利用1～4节串联锂离子电池保护集成电路获取每组电芯的过充电信号和过放电信号，通过不共地的电平转换使各组的过充电信号电平调整一致并合成为一个过充电信号，同样使各组的过放电信号电平调整一致并合成为一个过放电信号，由合成的过充电信号和过放电信号控制串联电池的输出控制开关，实现电池的保护。
2.根据权利要求1所述的串联锂离子电池的保护方法，其特征在于所述每个单体电芯组由不少于2节单体电芯构成，其中，2节单体电芯构成的组最多1组，3节单体电芯构成的组最多3组，其余为4节单体电芯构成的组。
3.根据权利要求1所述的串联锂离子电池的保护方法，其特征在于所述输出控制开关位于电池包的负极端，所述过充电信号的合成为逻辑与合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合与非电路实现，所述过放电信号的合成为逻辑或非合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合或非电路实现。
4.根据权利要求1所述的串联锂离子电池的保护方法，其特征在于所述输出控制开关位于电池包的正极端，所述过充电信号的合成为逻辑与非合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合与非电路实现，所述过放电信号的合成为逻辑或合成，由不共地电平转换反向跟随电路配合或非电路实现。
5.一种串联锂离子电池的保护电路，包括单体电芯电压检测电路，过充、过放信号生成电路及控制开关，其特征在于将单体电芯分组，每组由不超过4节单体电芯相互串联构成，所述过充、过放信号生成电路由每组信号生成模块与信号合成模块二级构成，所述每一单体电芯组的电压检测电路和每组信号生成模块采用1～4节串联锂离子电池保护集成电路，所述信号合成模块包括过充电信号合成模块和过放电信号合成模块，所述过充电信号合成模块主要由输入端分别连接各组过充电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑与电路构成，所述过放电信号合成模块，主要由输入端分别连接各组过放电信号端的多个不共地电平转换反向跟随电路和逻辑或电路构成，过充电信号合成模块和过放电信号合成模块分别与连接在电池供电回路中的对应的控制开关的控制端连接。
6.根据权利要求5所述的串联锂离子电池的保护电路，其特征在于所述不共地电平转换反向跟随电路由驱动电路、开关管和分压电路构成，输入信号经驱动电路连至开关管的控制端，开关管的输出经分压电路连接至整个串联电池组的负极，经分压后的信号输出构成不共地电平转换反向跟随电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的串联锂离子电池的保护电路，其特征在于所述开关管为PNP三极管。
8.根据权利要求6所述的串联锂离子电池的保护电路，其特征在于所述开关管为P沟道的MOSFET管。
9.根据权利要求5所述的串联锂离子电池的保护电路，其特征在于所述每个单体电芯组由不少于2节单体电芯构成，其中，2节单体电芯构成的组最多1组，3节单体电芯构成的组最多3组，其余为4节单体电芯构成的组。
全文摘要
本发明公开了一种串联锂离子电池的保护方法及其电路，不少于5节单体电芯串联使用时的过充电和过放电保护，其特征是，将单体电芯分组，每组由不超过4节单体电芯相互串联构成，利用1～4节串联锂离子电池保护集成电路获取每组电芯的过充电信号和过放电信号，通过不共地的电平转换使各组的过充电信号电平调整一致并合成为一个过充电信号，同样使各组的过放电信号电平调整一致并合成为一个过放电信号，由合成的过充电信号和过放电信号控制串联电池的输出控制开关，实现电池的保护。本发明可以利用现有的1～4节串联锂离子电池保护集成电路实现多于5节的锂离子电池串联时的充、放电保护，其结构简单，实现方便。
文档编号H02H7/18GK1728444SQ20051004085
公开日2006年2月1日 申请日期2005年6月28日 优先权日2005年6月28日
发明者王潘, 黄学杰 申请人:苏州星恒电源有限公司