专利名称：一种可充电电池组的保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可充电电池组的保护装置，属于电池保护技术领域。
背景技术：
目前，每个独立封装成型的可充电电池(以下简称电池单体)在容量、电 压、内阻等方面的差异总是客观的存在。当电池单体在单独使用时候，这些差 异对其使用寿命并不会造成太大影响。但电池组有区别于电池单体的额外特 性，因而在电池组的使用过程中，电池组中的电池单体在电压、容量、内阻等 方面的差异不但不会趋于消失，反而会趋向变大。经过多个充、放电周期后， 电池单体之间的这些差异会使电池组更容易被过度充电(以下简称过充)和被 过度放电(以下简称过放)。 一旦电池组中某一电池单体被过充或过放，该电 池单体将很快报废。业界通常认为电池组的寿命取决于寿命最短的那个电池单
体。个别电池单体提前报废将直接导致整个电池组寿命縮短。为了延长电池组
的使用寿命就必须为电池组配备相应的保护装置来防止电池组被过充和被过
放，并且要在可实现的前提下尽可能的降低成本。
为了解决电池组被过充和被过放的问题，曾经出现过很多方法。 首先对于由不同的类型电池组成的电池组，采取保护的方法差异很大，保
护装置也不通用。
对于铅酸蓄电池而言，其电池单体往往就是由多节蓄电池串联而成，这种 情形下的电池单体实际上就是一个小型的电池组。对铅酸蓄电池组的保护比较成熟的做法一般是以小电流浮充和避免深度放电，相应的保护装置也大多也是 围绕着这种思路去施行的。但这样虽然在一定程度上避免了过充和过放，但也 造成了容量利用率低、极板容易失活老化等其它问题，且自动化程度低，效果 也不理想。
由于对锂电池单体的保护，一般是为锂电池单体配接一个专用的保护电路， 这种锂电池单体的保护电路已经比较完善。对于锂电池组而言，现有的集成电 路一般也只能保护由四节锂电串联而成的电池组。对于串联数更多的锂电池组 的保护就比较困难了。
授权公告号为CN100397741C，名称为《多节锂电池串联电池组保护方法 及其电路》的实用新型专利中，公开了一种锂电池组的保护方法和电路。该方 法为锂电池组中每个锂电池单体配接一个电压监测模块及相应的电路来实现 保护。从理论上来说，这种方法在一定程度上可以解决锂电池组过充过放的问 题，但这种方法在实施上有很大的局限性，主要体现在下列几条
首先，保护电路中的电压监测模块一般都采用被保护的电池单体自体供电 的方法，需要采用在用电池单体标称电压下能工作的微功耗元器件，电路成本 较高。对于铅蓄电池组，成本太高将失去实用意义。由于镍氢、镍镉等镍系列 的可充电电池单体的标称电压为1.2V，在现有的技术条件下，即使那些可以在 低电压下工作的电压监测模块其工作电压也高出L2V很多，所以对于镍氢、镍 镉等镍系列的可充电电池，在电路的实现上较为困难。这就不仅是成本问题了, 更主要的问题是如何实现。
其次，为了节省电池电能，市售的电压监测模块大多是以周期采样的方式 工作，因而对电池电压监测的实时性较差。以此构成电路来保护锂电池组，一般只适用于小电流使用的情况，不适用于大电流使用的情况，否则极易造成电 池组被过充或被过放。为了节约成本，电压监测模块大多是封装成整体，不能 调节参数。为了对不同批次的电池实现较好的保护效果，往往需要订货。
而至关重要的一点，在CN100397741C所述的方法与电路中，与每个锂电池 单体连接的电压监测模块的基准电压都不同，它们的电平转换与隔离是通过一 种特殊转换电路来完成的，通过分析其具体实施方式
便可发现，其电平转换电 路存在技术缺陷。以该保护电路对锂电池组施行保护很可能导致电池组中某些 锂电池单体被过充和被过放。由于锂电池对过充和过放非常敏感， 一旦被过充 或被过放，轻则损毁电池组，重则引发电池组的失火和爆炸。
公开号为CN200990506，名称为《以单元管理实现多节串联二次电池组保 护的电路》的实用新型专利，公开了一种通用电池组保护电路。该电路在保护 效果上较以前的方法已有很大改善。虽然保护电路在电池组使用前期起到了很 好的保护效果，电池组中的电池衰退迹象比较缓慢。由于这种衰退是一种不可 避免客观规律，随着充放电次数的增加，衰退逐渐地积累。到了电池组使用的 后期，该保护电路的保护效果下降比较明显。但是通过实验发现，当电池组充 放电次数超过750次后，电池组内个别电池的性能出现了较为明显的衰退，电 池组的寿命还是短于电池单体的1000次的寿命。
对于由几十节、上百节可充电电池单体经串连构成的电池组，以现有的保 护技术在电路实现上较为复杂，在效果上还不够理想，从而限制可充电电池组 的应用。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提出一种以监测电池单体的电压、电流和温度来实现保护的可充电电池组的保护装置。
本实用新型由逻辑控制器、与逻辑控制器连接的电压-电平转换器、与逻辑 控制器连接的电流采样器、与逻辑控制器连接的温度采样器、与逻辑控制器连 接的安全控制器和用于提供工作电压与基准电压的稳压电源组成，所述的逻辑 控制器包括电压逻辑器、电流逻辑器、温度逻辑器和逻辑运算器。所述的电压 -电平转换器是由多个分别与电池组中的各电池单体连接的电路组成，与各电
池单体连接的电路其结构及所用元器件均相同；每个与电池单体连接的电路均 包括转换光耦、开关光耦、稳压电源、电阻Rt、电阻Ra和电阻R;每个电池 单体的正负极均与电阻Rt、转换光耦中的发光二极管、开关光耦中的晶体管 形成回路，开关光耦中的发光二极管通过电阻Ra与稳压电源的输出形成回路； 转换光耦中的晶体管通过电阻R与稳压电源W的输出形成回路。
所述的电压逻辑器包括与电池单体个数相同的二极管Df、与电池单体个数 相同的二极管Dc以及2个电压比较器；多个二极管Df组成的回路与其中1 个电压比较器构成电压逻辑器；多个二极管Dc组成的回路与另外1个电压比 较器构成电压逻辑器。
电压-电平转换器用于转换电池组中每个电池单体的电压为统一基准电位 的电平，同时实现电池组与保护电路其他部件的电气隔离。 一般而言，对于电 池组电压进行监测主要是监测电池组中电压最高的电池和电压最低的电池单 体，当监测到电池组中电压最高的电池单体的电压上升到安全电压上限时，电 压逻辑器输出过充信号；当监测到电池组中电压最低的电池单体的电压降落到 安全电压下限时，电压逻辑器输出过放信号，从而实现了对电池组中电池单体 电压的监测。电流采样器用于转换电池组工作时的电流为电流信号。该电流信号通过电 流逻辑器转换成电流监测信号。对电流的监测一般是监测大电流，即当电池组 充、放电电流达到安全上限值，电流逻辑器输出过流信号。
温度采样器用于转换电池组工作时的温度为温度信号。该温度信号通过温 度逻辑器转换成温度监测信号。对温度的监测一般是监测高温和低温，即当电 池组的温度升高到某个安全上限值，温度逻辑器输出高温信号；当电池组的温
度降低到某个安全下限值，温度逻辑器输出低温信号。
逻辑控制器接受来自电流采样器、温度采样器和电压-电平转换器的信号， 判别电池组状态，如果判定电池组需要保护则启动安全控制器，由安全控制器 启动安全措施来保护电池组。
本实用新型具有监测精度高，实时性强，保护可靠等优点之外，并且保护 的效果不会随串联电池数目的增加而受影响，即使是电池组内串联的电池数目 较多如数百节甚至上千节等情况下，也可以让可充电电池组的循环寿命接近可 充电电池单体原本该有的循环寿命，并不会因为其串联在电池组中而损失较多
循环寿命；且该装置结构简单，易于调试，成本低廉，适合批量生产，具有较
强的实用价值。
图1是本实用新型所述的一种可充电电池组的保护装置的电路方框图； 图2是本实用新型所述的一种可充电电池组的保护装置的电压-电平转换
器和电压逻辑器的电路图。
图3是本实用新型所述的一种可充电电池组的保护装置的电压-电平转换
器和电压逻辑器另一实施方案的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的介绍，如图1所 示，本实用新型由逻辑控制器、与逻辑控制器连接的电压-电平转换器、与逻 辑控制器连接的电流采样器、与逻辑控制器连接的温度采样器、与逻辑控制器 连接的安全控制器和用于提供工作电压与基准电压的稳压电源组成，所述的逻 辑控制器包括电压逻辑器、电流逻辑器、温度逻辑器和逻辑运算器。
如图2所示，在由电池单体Bi、 B2、……、Bn串联组成的电池组中，其中 n为电池组中电池单体的个数(以下含义同)；所述的电压-电平转换器由与 各电池单体连接的电路组成；以连接电池单体Bi的电路为例，包括电阻Rti、 转换光耦Oi、开关光耦Si、稳压电源W、电阻Ra、电阻Ri;电池单体Bi的正 负极与电阻Rti、转换光耦Oi中的发光二极管、开关光耦Si中的晶体管形成 回路，开关光耦Si中的发光二极管通过电阻Ra与稳压电源W的输出形成回路; 转换光耦0i中晶体管通过电阻Ri与稳压电源W的输出形成回路。与电池组中 其它电池单体B2、……、Bn连接的电路其结构及所用元器件，和与电池单体 Bi连接的电路其结构及所用元器件均相同。
本实用新型另一实施方案如图3所示，在由电池单体Bl、 B2、……、Bn串 联组成的电池组中，所述的电压-电平转换器由与各个电池单体连接的电路组 成；以连接电池单体Bi的电路为例，包括电阻Rti、转换光耦Oi、开关光耦 Si、稳压电源W、电阻Ra、电阻Rl;电池单体Bi的正负极与电阻Rti、转换光 耦0i中的发光二极管、开关光耦Si中的晶体管形成回路，开关光耦Si、S2、……、 Sn中的发光二极管通过电阻Ra与稳压电源W的输出形成回路；转换光耦Oi 中晶体管通过电阻Ri与稳压电源W的输出形成回路。与电池组中的其它电池单体B2、……、Bn连接的电路及所用元器件，和与电池单体Bi连接的电路及 所用元器件均相同。
所述的电压逻辑器如图2、 3所示，包括二极管Dfi、 Df2、……、Dfn和二 极管Dci、Dc2、 、Dcn和电压比较器F和电压比较器C;二极管Dfi、Df2、……、
Dfn组成的回路与电压比较器F构成电压逻辑电路；二极管Dci、 Dc2、……、 Dcn组成的回路与电压比较器C构成电压逻辑器电路。
所述的转换光耦Oi和开关光耦Si中的晶体管是双极性晶体管(BJT)或 场效应晶体管(FET)之一；
所述的转换光耦0i和开关光耦Si可以是二极管型光耦；
所述的开关光耦Si可以是晶闸型光耦。
本实用新型的工作过程是在电池组工作时，稳压电源W为开关光耦Sl中
发光二极管供电，开关光耦Si中晶体管导通，电池单体Bi的正负极与电阻Rti、 转换光耦0i中的发光二极管、开关光耦Si中的晶体管形成的回路中出现大小 为Li的电流。电流Li的大小与电池的输出电压Vi的大小呈现一一对应的映 射关系。
电阻Ri、转换光耦Oi中晶体管和稳压电源W输出端连接形成回路，转换光 耦0i中晶体管与电阻Ri形成的分压电路所得电压Ui与转换光耦0i中晶体管 的导通状况呈现一一对应的映射关系。
对于转换光耦0l而言，其传输系数gi是稳定的，其晶体管的导通状况取 决于流经其发光二极管的电流大小，即Li与Ui呈现一一对应的映射关系，也 即Vi与Ui呈现一一对应的映射关系。
由于电池组的容量取决于串联中容量最小的那一个电池单体的容量，因此对于过放保护，只需监测电压最早跌落到安全电压下限的电池单体即可，而对
于过充保护则相反。二极管Dfi、 Df2、 、 Dfn构成的电路将Ui、 U2、 、
Un送至电压比较器F，通过比较Ul、 U2、、 Un与通过电阻Rtb预先设定值
比较获得过放保护信号。二极管Dc 1 、 Dc2、……、Dcn构成的电路将Ui、 U2、……、 Un送至电压比较器C，通过比较Ul、 U2、 、 Un与通过电阻Rta预先设定值
比较获得过放保护信号。
一旦当电流逻辑器输出过流信号时；或当温度逻辑器输出高温信号时；或 当温度逻辑器输出低温信号时；或当电压逻辑器输出过放信号时；或当电压逻 辑器输出过充信号时；安全控制器被启动，从而保护了电池组不被损坏。
在电池组不工作时，稳压电源W不对开关光耦Sl供电，开关光耦Sl中晶 体管截止，电流Ll近乎为零，从而避免过度消耗电池Bl的电能，达到保护电 池Bi的目的。
通过对锂电池组、镍氢电池组以及铅蓄电池组的保护实例中，在使用环境 相同的情况下，电池组的循环寿命与对比电池单体的循环寿命大致相当。
本实用新型不限于上述实施例，对于本领域技术人员来说，对本实用新型 的上述实施例所做出的任何显而易见的改进或变更都不会超出仅以举例的方 式示出的本实用新型的实施例和所附权利要求的保护范围。
ii
权利要求1.一种可充电电池组的保护装置，其特征在于其由逻辑控制器、与逻辑控制器连接的电压-电平转换器、与逻辑控制器连接的电流采样器、与逻辑控制器连接的温度采样器、与逻辑控制器连接的安全控制器和用于提供工作电压与基准电压的稳压电源组成，所述的逻辑控制器包括电压逻辑器、电流逻辑器、温度逻辑器和逻辑运算器；在由电池单体B1、B2、……、Bn串联组成的电池组中；所述的电压-电平转换器由多个分别与各电池单体连接的电路组成；连接电池单体B1的电路包括电阻Rt1、转换光耦O1、开关光耦S1、稳压电源W、电阻Ra、电阻R1；电池单体B1的正负极与电阻Rt1、转换光耦O1中的发光二极管、开关光耦S1中的晶体管形成回路；开关光耦S1中的转换光耦O1中晶体管通过电阻R1与稳压电源W的输出形成回路；发光二极管通过电阻Ra与稳压电源W的输出形成回路；与所述的由电池单体B1、B2、……、Bn串联而成的电池组的其它电池单体连接的电路及所用元器件，和与电池单体B1连接的电路其结构及所用元器件均相同；所述的电压逻辑器包括二极管Df1、Df2、……、Dfn组成的电路和二极管Dc1、Dc2、……、Dcn和电压比较器F和电压比较器C；二极管Df1、Df2、……、Dfn组成的电路与电压比较器F构成电压逻辑电路；二极管Dc1、Dc2、……、Dcn组成的电路与电压比较器C构成电压逻辑器电路。
2. 如权利要求l所述的一种可充电电池组的保护装置，其特征在于: 所述的电压-电平转换器由多个分别与各个电池单体连接的电路组成；连 接电池单体Bi的电路包括电阻Rtl、转换光耦Ol、开关光耦Sl、稳压电源W、电阻Ra、电阻Ri;电池单体Bi的正负极与电阻Rti、转换光耦0i 中的发光二极管、开关光耦Si中的晶体管形成回路，开关光耦Si、 S2、……、Sn中的发光二极管通过电阻Ra与稳压电源W的输出形成回 路；转换光耦0i中晶体管通过电阻Ri与稳压电源W的输出形成的回路， 与所述的由电池单体Bi、 B2、……、Bn串联而成的电池组的其它电池单 体连接的电路及所用元器件，所述与电池单体Bi连接的电路及所用元器 件均相同。
3. 如权利要求1或2所述的一种可充电电池组的保护装置，其特征在于所述的电压-电平转换器采用了光耦。
4. 如权利要求1或2所述的一种可充电电池组的保护装置，其特征 在于所述的转换光耦0i和开关光耦Sl中的晶体管是双极性晶体管或 场效应晶体管之一。
5. 如权利要求1或2所述的一种可充电电池组的保护装置，所述的 转换光耦0i和开关光耦Si是二极管型光耦。
6. 如权利要求1或2所述的一种可充电电池组的保护装置，其特征 在于所述的开关光耦Si是晶闸型光耦。
专利摘要本实用新型公开了一种可充电电池组的保护装置，其由逻辑控制器、与逻辑控制器连接的电压-电平转换器、与逻辑控制器连接的电流采样器、与逻辑控制器连接的温度采样器、与逻辑控制器连接的安全控制器和稳压电源组成，所述的逻辑控制器包括电压逻辑器、电流逻辑器、温度逻辑器和逻辑运算器；所述的电压-电平转换器是由多个分别与电池组中的各电池单体连接的电路组成，与各电池单体连接的电路其结构及所用元器件均相同；与电池单体连接的每个电路均包括转换光耦、开关光耦、稳压电源、电阻Rt、电阻Ra和电阻R；本实用新型具有监测精度高、实时性强、成本低廉、适合批量生产等优点，可以让电池组的寿命达到与电池单体相当的寿命，具有较强实用价值。
文档编号H02H7/18GK201345540SQ20082012427
公开日2009年11月11日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者鹏 李 申请人:鹏 李