专利名称：锂电池预警保护装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种锂电池预警保护装置及其方法，尤指一种借助硬 件电路与软件程序配合运作，以提供锂电池预警保护的装置及方法。
背景技术：
锂电池因为材质特性的限制，其充电电压一般不得超过4.2V/cell， 否则使用寿命将大为减少，同时，若是充电电压超过太多，锂电池会 有燃烧或爆炸的危险性存在。另外，锂电池的放电电压一般不得低于 2.7V/cell，否则将无法回复充电。
因此，锂电池组在应用上通常会加装传统保护装置，以提供锂电 池组的保护。请参考图1，为传统保护装置的电路方块示意图。传统保 护装置1由一热敏器10、 一热熔保险丝11、 一充电控制开关12、 一放 电控制开关13、 一短路保护器14及一中央微处理器15组成。其中， 热敏器10用来侦测锂电池组2在充/放电时所产生的异常温度。热熔保 险丝11则是在过热时断路，以避免高温损坏锂电池组2。中央微处理 器15控制切换充电控制开关12与放电控制开关13，用以对锂电池组 2进行充电或放电作业。短路保护器14则提供产生短路现象时的电路 保护作用。
再配合图l，请参考图2，为传统锂电池的充电电压分配示意图。 当充电器5a对锂电池组2充电时，充电中的每个电池单体21、 22、 23 会受到不同内阻值的影响，而造成每个电池单体21、 22、 23的端电压 分压不一致的现象。此时，传统保护装置1将会针对最先达到上限电 压值的电池单体做出保护，进而对整体的锂电池组2停止充电，而让 其它未达上限电压值的电池单体无法充电饱和。如图2所示，电池单 体21的电压值VI为4.35V，电池单体22的电压值V2为4.15V,电池 单体23的电压值V3为4.1V，而充电器5a提供的充电电压Vt为12.6V。
另外，锂电池组2在放电时的情况正好与充电相反，传统保护装 置1将会针对最先达到下限电压值的电池单体做出保护，进而对整体 的锂电池组2停止充电，而让其它未达下限电压值的电池单体无法完 全放电。
如此，使用传统保护装置1作为锂电池组2的保护时，将会产生 周而复始的累积干扰效应，使得锂电池组2在充电时，某些电池单体
5发生充电电压过大的情形，而导致烧毁或爆炸，或者，在放电时，某 些电池单体发生放电电压过低的情形，而导致其容量无法回复及无法 再充电。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种锂电池预警保护装置及其方法，利用 硬件电路与软件程序配合运作，以避免锂电池组于充电过程中因累积 干扰效应所造成的烧毁或爆炸等伤害发生。
本发明的锂电池预警保护装置适用于一具有数个串联电池单体的 锂电池组，其包括有一电压平衡控制器、 一保护元件及一微处理器。 其中，电压平衡控制器连接锂电池组，用以检知每一电池单体的端电 压，以及平衡每一电池单体的端电压。保护元件串接于锂电池组。微 处理器连接于电压平衡控制器与保护元件，该微处理器接收每一电池 单体的端电压，以及计算出最大端电压与最小端电压的一充电电压差， 同时，该微处理器根据充电电压差与多电压差临界值的比较结果，用 以控制电压平衡控制器动作、产生一警报信号或控制该保护元件动作。
本发明的锂电池预警保护方法适用于一具有数个串联电池单体的 锂电池组，其步骤包括有a.首先，判断锂电池组中，电池单体的最大
端电压与最小端电压的充电电压差是否大于一第一电压差临界值，若 是大于第一电压差临界值，则进行电池单体的端电压的平衡修正，相 反的，则维持锂电池组正常的充电。接着，b.于电池单体的端电压的平 衡修正后，再一次判断锂电池组中，电池单体的最大端电压与最小端 电压的充电电压差是否大于一第二电压差临界值，若是大于第二电压 差临界值，则提供一警报信号的输出，相反的，则进行电池单体的端
电压的平衡修正。c.最后，判断锂电池组中，电池单体的最大端电压与
最小端电压的充电电压差是否大于一第三电压差临界值，若是大于第
三电压差临界值，则切断锂电池组的充电回路，相反的，则回到步骤a。 本发明提供的锂电池预警保护装置及其方法，利用微处理器接收 任一电池单体的端电压，以及计算出最大端电压与最小端电压的一充 电电压差。再者，微处理器根据充电电压差控制电压平衡控制器动作 以平衡修正电池单体的端电压、或产生警报信号、亦或控制保护元件 动作以切断锂电池组的充电回路。如此，本发明可避免锂电池组于充 电过程中因累积干扰效应所造成的烧毁或爆炸等伤害发生。
以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说 明本发明的保护范围。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的 说明与附图加以阐述。
图1为传统保护装置的电路方块示意图； 图2为传统锂电池的充电电压分配示意图； 图3为本发明的锂电池预警保护装置的电路方块示意图；及 图4为本发明操作流程示意图。主要元件附图标记说明
[习知]
传统保护装置1 热敏器10 热熔保险丝11 充电控制开关12 放电控制开关13 短路保护器14 中央微处理器15 锂电池组2 电池单体21、 22、 23 充电器5a [本发明]
锂电池预警保护装置3 电压平衡控制器30 保护元件32 温度检知器33 微处理器34 锂电池组4 电池单体41、 42、 43 充电器5 负载6
过充电保护开关Q1 过放电保护开关Q2 保护开关Q3 负载侦测电阻R1 电阻R2 警报信号Sl
具体实施例方式
请参考图3，为本发明的锂电池预警保护装置的电路方块示意图。 锂电池预警保护装置3适用于一具有数个串联电池单体41、 42、 43的
7锂电池组4，其中，锂电池预警保护装置3包括有一电压平衡控制器 30、 一保护元件32、 一过充电保护开关Q1、 一过放电保护开关Q2、 一保护开关Q3及一微处理器34。
其中，保护元件32、过充电保护开关Ql及过放电保护开关Q2 与锂电池组4形成串联连接，且在正常使用中，充电器5经过保护元 件32、过充电保护开关Ql及过放电保护开关Q2对锂电池组4进行充 电，另外，锂电池组4也会经过保护元件32、过充电保护开关Q1及 过放电保护开关Q2而对负载6进行放电。同时，过充电保护开关Q1 于锂电池组4过度充电的情况下进入截止(turn off),用以达到锂电池 组4过度充电的保护要求，以及，过放电保护开关Q2于锂电池组4过 度放电的情况下进入截止(tumoff)，用以达到锂电池组4过度放电的 保护要求。
再参考图3，电压平衡控制器30连接锂电池组4、过充电保护开 关Ql及过放电保护开关Q2，电压平衡控制器30动态检测锂电池组4 中每一电池单体41、 42、 43的端电压，以及控制每一电池单体41、 42、 43端电压的平衡。其中，当电池单体41、 42、 43之一的端电压过大时， 电压平衡控制器30即驱动过充电保护开关Q1进入截止(turnoff)，达 到锂电池组4过度充电的保护要求。另外，当电池单体41、 42、 43之 一的端电压过低时，电压平衡控制器30即驱动过放电保护开关Q2进 入截止(turnoff)，达到锂电池组4过度放电的保护要求。
再参考图3，微处理器34连接于电压平衡控制器30与保护开关 Q3，同时，微处理器34预设有一第一电压差临界值Vthl、 一第二电 压差临界值Vth2、 一第三电压差临界值Vth3及一电压临界值Vth。该 微处理器34从电压平衡控制器30动态接收每一电池单体41、 42、 43 的端电压，并且判断每一电池单体41、 42、 43的端电压是否超过所预 设的电压临界值Vth。若是没有超过，则电池单体41、 42、 43继续接 受充电器5充电。若是任一电池单体41、 42、 43的端电压超过所预设 的电压临界值Vth，则微处理器34开始计算电池单体41、 42、 43中的 最大端电压Vmax与最小端电压Vmin的一充电电压差A V。
再参考图3，微处理器34计算出充电电压差AV后，即比较运算 该充电电压差AV与第一电压差临界值Vthl，经比较结果，若是充电 电压差AV小于第一电压差临界值Vthl，则充电电路对锂电池组4正 常充电。相反的，经比较结果，若是充电电压差AV大于第一电压差 临界值Vthl，则微处理器34控制电压平衡控制器30动作，用以平衡 修正每一电池单体41、 42、 43的端电压，使其达到平衡的要求。
在前述电压平衡控制器30动作后，微处理器34会再次动态接收 每一电池单体41、 42、 43的端电压、并且算出充电电压差AV，接着比较运算充电电压差AV与第二电压差临界值Vth2，经比较结果，若 是充电电压差A V小于第二电压差临界值Vth2，则微处理器34再次控 制电压平衡控制器30动作，用以平衡修正每一电池单体41、 42、 43 的端电压，使其达到平衡的要求。相反的，经比较结果，若是充电电 压差A V大于第二电压差临界值Vth2，则微处理器34产生一警报信号 Sl输出，以警告使用者锂电池组4已经濒临危险状态。
在微处理器34产生警报信号Sl输出的同时，微处理器34再次动 态接收每一电池单体41、 42、 43的端电压，并且算出充电电压差AV， 接着比较运算充电电压差△ V与第三电压差临界值Vth3，经比较结果， 若是充电电压差A V小于第三电压差临界值Vth3，则微处理器34重新 再次比较运算充电电压差AV与第一电压差临界值Vthl。相反的，经 比较结果，若是充电电压差AV大于第三电压差临界值Vth3，则微处 理器34即控制保护开关Q3导通(turnon)，用以烧断保护元件32，以 达到锂电池组4的保护，此保护元件32可为一保险丝。
再参考图3，锂电池预警保护装置3进一步包括一温度检知器33， 温度检知器33连接于微处理器34，并被设置在锂电池组4的周边环境， 用以检知锂电池组4的周边温度，并且将温度数据送至微处理器34， 以提供微处理器34对锂电池组4进行温度异常的保护。另外，锂电池 预警保护装置3进一步包括一电阻R2，电阻R2连接微处理器34。电 阻R2依据不同厂商电池的差异，提供第一电压差临界值Vthl、第二电 压差临界值Vth2及第三电压差临界值Vth3的调整。另外，锂电池预 警保护装置3进一步包括一负载侦测电阻Rl，负载侦测电阻Rl串联 连接于锂电池组4，侦测流过锂电池组4的电流大小，并将侦测结果送 至微处理器34，以提供微处理器34对锂电池组4进行过电流的保护。
再参考图3，锂电池预警保护装置3中的微处理器34通过电压平 衡控制器30取得锂电池组4中任一电池单体41、 42、 43的端电压， 并于每一电池单体41、 42、 43的端电压超过临界电压值Vth后，开始 进行锂电池组4的预警保护操作。在预警保护操作中，微处理器34算 出每一电池单体41、 42、 43中的最大端电压Vmax与最小端电压Vmin 的充电电压差AV，然后，充电电压差AV依序比较第一电压差临界值 Vthl、第二电压差临界值Vth2及第三电压差临界值Vth3。其中，当充 电电压差AV大于第一电压差临界值Vthl时，微处理器34控制电压 平衡控制器30动作，用以平衡修正每一电池单体41、 42、 43的端电 压。经平衡修正后，若是充电电压差AV大于第二电压差临界值Vth2， 则微处理器34提供警报信号S1给计算机主机(未标示)。同时，若是 充电电压差AV大于第三电压差临界值Vth2，则微处理器34控制切断 锂电池组4的充电回路，以对其进行预警保护。配合图3，参考图4，为本发明操作流程示意图。如图4所示，锂 电池组4开始处于正常充电状况，为步骤SIO，此时锂电池组4中的电 池单体41、 42、 43开始建立电压。接着，进行电池单体41、 42、 43 端电压大小的判断，为步骤Sll，此时，若是端电压小于临界电压值 Vth，则电池单体41、 42、 43继续进行正常充电以建立电压，相反的， 若是任一电池的端电压大于临界电压值Vth，则本发明的锂电池预警保 护方法开始操作。
首先，判断锂电池组4中，电池单体的最大端电压Vmax与最小 端电压Vmin的充电电压差AV是否大于第一电压差临界值Vthl，为 步骤S12，若是充电电压差AV大于第一电压差临界值Vthl，则进行 每一电池单体41、 42、 43端电压的平衡修正，为步骤S14，若不是， 锂电池组4维持正常充电动作，为步骤SIO。接着，判断锂电池组4中， 电池单体的最大端电压Vmax与最小端电压Vmin的充电电压差△ V是 否大于第二电压差临界值Vth2，若是充电电压差AV大于第二电压差 临界值Vth2，则提供安全警报，为步骤S18，若不是，则进行每一电 池单体41、 42、 43的端电压的平衡修正，为步骤S14。
在提供安全警报步骤S18之前，会先计算充电电压差AV大于第 二电压差临界值Vth2的次数，为步骤S16。然后，判断次数是否超过 一临界次数T，为步骤S17，其中，若是次数不超过临界次数T，则进 行每一电池单体41、 42、 43的端电压的平衡修正，为步骤S14，若是 次数超过临界次数T，则提供安全警报，为步骤S18。
同时，步骤S17后，接下来判断锂电池组4中，电池单体的最大 端电压Vmax与最小端电压Vmin的充电电压差A V是否大于第三电压 差临界值Vth3，为步骤S19。若是充电电压差A V大于第三电压差临 界值Vth3，则切断锂电池组4的充电回路，为步骤S20,以对其进行 预警保护。若不是，则重新回到步骤S12，再一次的判断充电电压差A V是否大于第一电压差临界值Vthl。
综上所述，本发明提供的锂电池预警保护装置及其方法，利用微 处理器接收每一电池单体的端电压，并且计算出电池单体中最大端电 压与最小端电压的充电电压差。进而，微处理器根据该充电电压差与 内部电压差临界值的比较运算，用以平衡修正电池单体的端电压、或 产生警报信号、亦或切断锂电池组的充电回路。如此，本发明可避免 锂电池组于充电过程中因累积干扰效应所造成的烧毁或爆炸等伤害发 生，进而有效改善传统保护装置的缺点。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，但本发明的特征并不 局限于此，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变 化或修饰，皆可涵盖在本案的保护范围之内。
10
权利要求
1. 一种锂电池预警保护装置，其特征在于，适用于一具有数个串联电池单体的锂电池组，包括有一电压平衡控制器，连接该锂电池组，该电压平衡控制器用以检知每一电池单体的端电压，以及平衡每一电池单体的端电压；一保护元件，串接于该锂电池组；及一微处理器，连接于该电压平衡控制器与该保护元件，该微处理器接收每一电池单体的端电压，以及计算出最大端电压与最小端电压的一充电电压差，该微处理器根据该充电电压差与多电压差临界值的比较结果，用以控制该电压平衡控制器动作、产生一警报信号或控制该保护元件动作。
2. 如权利要求1所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，进一 步包括一保护开关，该保护开关连接于该微处理器与该保护元件，其 中该微处理器控制该保护开关用以驱动该保护元件动作。
3. 如权利要求2所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，该保 护元件为一保险丝。
4. 如权利要求2所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，进一 步包括一过充电保护开关，该过充电保护开关串接于该锂电池组，并 且受控于该电压平衡控制器，用以提供该锂电池组过度充电的保护。
5. 如权利要求4所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，进一步包括一过放电保护开关，该过放电保护开关串接于该锂电池组，并 且受控于该电压平衡控制器，用以提供该锂电池组过度放电的保护。
6. 如权利要求2所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，该多 电压差临界值包括有一第一电压差临界值、 一第二电压差临界值及一 第三电压差临界值。
7. 如权利要求6所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，当该 电压差大于第一电压差临界值时，该微处理器控制该电压平衡控制器 动作，以平衡每一电池单体的端电压。
8. 如权利要求6所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，当该 电压差大于第二电压差临界值时，该微处理器输出该警报信号。
9. 如权利要求6所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，当该电压差大于第三电压差临界值时，该微处理器控制该保护元件动作。
10. 如权利要求2所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，该微处理器通过一温度检知器，用以检知该锂电池组的周边温度，并且提供该锂电池组温度异常的保护。
11. 如权利要求6所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，进一步包括一电阻，该电阻连接该微处理器，提供该第一电压差临界值、该第二电压差临界值及该第三电压差临界值的调整。
12. 如权利要求6所述的锂电池预警保护装置，其特征在于，该微处理器通过一负载侦测电阻侦测锂电池组的电流，并且提供锂电池组过电流的保护。
13. —种锂电池预警保护方法，其特征在于，适用于一具有数个串联电池单体的锂电池组，包括有a. 判断锂电池组中，电池单体的最大端电压与最小端电压的充电电压差是否大于一第一电压差临界值，若是，则进行每一电池单体的端电压的平衡修正；b. 判断锂电池组中，电池单体的最大端电压与最小端电压的充电电压差是否大于一第二电压差临界值，若是，则提供安全警报；及c. 判断锂电池组中，电池单体的最大端电压与最小端电压的充电电压差是否大于一第三电压差临界值，若是，则切断锂电池组的充电回路。
14. 如权利要求13所述的锂电池预警保护方法，其特征在于，在步骤a之前，进一步包括一判断每一电池单体的端电压是否超过一电压临界值的步骤，其中，判断若无超过，则对每一电池单体进行充电，判断若是超过，则进行步骤a。
15. 如权利要求14所述的锂电池预警保护方法，其特征在于，在步骤a中，若充电电压差不是大于该第一电压差临界值，则每一电池单体维持充电动作。
16. 如权利要求14所述的锂电池预警保护方法，其特征在于，在步骤b中，若充电电压差不是大于该第二电压差临界值，则继续进行每一电池单体的端电压的平衡修正。
17. 如权利要求14所述的锂电池预警保护方法，其特征在于，在步骤b后，进一步包括计数该充电电压差大于该第二电压差临界值的次数。
18. 如权利要求17所述的锂电池预警保护方法，其特征在于，在计数该充电电压差大于该第二电压差临界值的次数步骤后，进一步包括一判断该次数是否超过一临界次数的步骤，其中，若不超过，则进行每一电池单体的端电压的平衡修正，若是超过，则提供安全警报。
19. 如权利要求14所述的锂电池预警保护方法，其特征在于，在步骤c中，若充电电压差不是大于该第三电压差临界值，则进行步骤a。
全文摘要
一种锂电池预警保护装置及其方法，适用于一具有数个串联电池单体的锂电池组。其中，预警保护装置包括有一电压平衡控制器，用以检知每一电池单体的端电压，以及平衡修正每一电池单体的端电压；一保护元件与锂电池组串接。微处理器连接于电压平衡控制器与保护元件，接收每一电池单体的端电压，以及计算出最大端电压与最小端电压的充电电压差，并且，根据充电电压差与内部多电压差临界值的比较结果，用以平衡修正电池单体的端电压、产生警报信号、或切断锂电池组的充电回路。
文档编号H02J7/00GK101478169SQ200810001810
公开日2009年7月8日 申请日期2008年1月3日 优先权日2008年1月3日
发明者奥藤忠司 申请人:加百裕工业股份有限公司;英属维京群岛商先进智慧工业有限公司