专利名称：一种多节串联锂电池组均衡及保护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源领域，特别涉及一种多节串联锂电池组均衡及保护系统。
背景技术：
近年来，由于锂电池具有放电电压稳定、自放电率低、寿命长、无记忆效应、体积小、无公害等诸多优点，被广泛的应用在测试仪器、数码产品、电动工具等上面。图I显示了现有技术提供的一种多节串联锂电池组系统结构框图，包括锂电池充放电组件、控制模块和充放电开关装置。所述控制模块根据多节串联锂电池组系统的充电或放电状态，控制充放电开关装置接通或断开充电回路或供电回路。目前，一种多节串联锂电池组系统仍存在以下问题 I、锂电池充放电组件和控制模块之间的IIC通讯发生异常时，可能导致充放电保护异常或失效，使锂电池组使用安全性失控，甚至发生意外；2、锂电池组输出能力过低，在放电端发生过流、甚至短路时，不足以提供足够大的电流触发放电过流、短路保护，导致安全性失控；3、多节串联锂电池组系统的放电端发生过流、甚至短路时，可能造成锂电池组充放电安全性问题；4、由于锂电池组单个锂电池之间存在电压、内阻、容量差异，导致满充电电压一致性误差，对于同样的负载，锂电池电压差越大，锂电池组充放电时间越短，锂电池组持续放电能力越低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多节串联锂电池组均衡及保护系统，能更好地解决锂电池组充放电的使用安全性等问题。根据本发明的一个方面，提供了一种多节串联锂电池组均衡及保护系统，包括锂电池充放电组件，用于将外部充电电源接入锂电池组进行充电，并向负载供电；控制模块，与所述锂电池充放电组件进行IIC通讯，以控制所述锂电池充放电组件进行满充电；充放电开关装置，用于接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路；放电端异常保护电路，用于对放电端放电过流进行检测，并在检测到放电端放电过流时，发出过流再保护信号；系统异常保护电路，用于对IIC通讯状态和放电端放电状态进行检测，并在检测到IIC通讯异常和/或放电端放电过流时，发出系统异常保护信号；其中，所述充放电开关装置根据所述系统异常保护信号，断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路。
进一步地，所述锂电池充放电组件包括模拟前端电路，用于采集所述锂电池组中每个锂电池的电压数据，并通过IIC总线将所采集的电压数据送入控制模块，以便所述控制模块生成用于每个锂电池均衡充电的多个均衡充电控制信号；均衡驱动电路，用于根据所述多个均衡充电控制信号，生成多个均衡驱动信号；均衡电路，用于根据多个均衡驱动信号，控制每个锂电池进行满充电。所述均衡电路包括多个分别并联在每个锂电池两端的均衡单元，其每个均衡单元包括串联连接的电子开关和电阻器。进一步地,所述锂电池充放电组件还包括 充电电流保护电路，用于检测充电电流，并在检测到充电电流超过预定充电电流值时，生成充电电流保护信号；放电电流保护电路，用于检测放电电流，并在检测到放电电流超过预定放电电流值时，生成放电电流保护信号。所述放电电流保护电路具有一个放电过流保护单元，包括第一运算放大器；连接在第一运算放大器正相输入端和采样地之间的第二限流电阻器；连接在第一运算放大器负相输入端和工作电源之间的第一可变分压电阻器和第二可变分压电阻器；连接在第一运算放大器输出端和充放电开关装置之间的第三限流电阻器；其中，第一可变分压电阻器一端连接第二可变分压电阻器、另一端连接电池组负端之间、中间抽头连接第一运算放大器负相输入端。所述放电电流保护电路还具有一个放电短路保护单元，包括第二运算放大器；连接在第二运算放大器正相输入端和采样地之间的第四限流电阻器；连接在第二运算放大器负相输入端和电池组负端之间的第二可变分压电阻器和第一可变分压电阻器；连接在第二运算放大器输出端和充放电开关装置之间的第五限流电阻器；其中，第二可变分压电阻器一端连接第一可变分压电阻器、另一端连接工作电源、中间抽头连接第二运算放大器负相输入端。所述充电电流保护电路包括第三运算放大器；连接在第三运算放大器负相输入端与工作电源之间的第一分压电阻器；连接在第三运算放大器负相输入端与采样地之间的第二分压电阻器；连接在第三运算放大器正相输入端与工作电源之间的第三分压电阻器；连接在第三运算放大器正相输入端与电池组负端之间的第四分压电阻器；连接在第三运算放大器输出端与充放电开关装置之间的第一限流电阻器。进一步地，所述控制模块包括中断单元和脉宽调制(PWM)单元所述中断单元，用于在检测到放电端放电过流时，向所述PWM单元发送中断信号；所述PWM单元，用于在IIC通信异常和/或接收到中断信号时，停止向所述系统异常保护电路输出脉宽调制信号。进一步地，所述系统异常保护电路是整流电路，其输入端连接控制模块的PWM单元，输出端连接充放电开关装置。进一步地，所述放电端异常保护电路是触发电路，其输入端连接负载正端，输出端连接控制模块的中断单元。进一步地，所述充放电开关装置包括充放电驱动电路，用于根据充电或放电电流保护信号，生成用于切断充电回路或供电回路的充电或放电驱动信号； 控制电路，用于根据所述系统异常保护信号和所述充电或放电驱动信号，生成用于接通或断开充放电开关电路的控制信号；充放电开关电路，用于根据所述控制信号，接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路，使锂电池组充电或供电。与现有技术相比较，本发明的有益效果在于I、本发明通过使用系统异常保护电路，在锂电池充放电组件与控制模块之间的IIC通讯发生异常时，快速断开充电回路或供电回路，避免了充电或放电电流保护电路异常或失效而导致锂电池组使用安全性失控问题，提高了锂电池组的使用安全性；2、本发明通过使用放电端异常保护电路，在锂电池组输出能力过低，发生过流、甚至短路，并且不足以提供足够大的电流触发放电过流保护时，能够快速断开供电回路，避免了放电电流保护电路异常或失效而导致锂电池组使用安全性失控问题，提高了锂电池组的使用安全性；3、本发明使用充电电流保护电路和放电电流保护电路，使放电端发生过流、甚至短路时，实现锂电池组的快速保护；4、本发明在充电状态下，通过对锂电池组进行电压均衡控制，使锂电池组满充电后，单个电池电压一致性误差在±30mV内，促使电池组发挥最大性能。
图I是现有技术提供的一种多节串联锂电池组系统结构框图；图2是本发明提供的一种多节串联锂电池组均衡及保护系统结构框图；图3是本发明实施例提供的一种多节串联锂电池组均衡及保护系统结构示意图；图4是本发明实施例提供的控制锂电池组充电电压均衡的控制结构图；图5是本发明实施例提供的均衡电路原理示意图；图6是图5中单个锂电池充电电压均衡的电路原理示意图；图7是本发明实施例提供的放电电流保护单元的电路结构图；图8是本发明实施例提供的放电短路保护单元的电路结构图；图9是本发明实施例提供的充电电流保护电路的电路结构图；图10是本发明实施例提供的系统异常保护电路的电路结构图；图11是本发明实施例提供的放电端异常保护电路的电路结构图；图12是本发明实施例提供的充放电开关装置结构示意图。
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详细说明，应当理解，以下所说明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。图2显示了本发明提供的一种多节串联锂电池组均衡及保护系统结构框图，如图2所示，一种多节串联锂电池组均衡及保护系统包括锂电池充放电组件、控制模块、充放电开关装置、系统异常保护电路和放电端异常保护电路，其中所述锂电池充放电组件，用于将外部充电电源接入锂电池组进行充电，并向负载供电。具体地说，锂电池充放电组件包括多节串联锂电池组，多节串联锂电池组与外部充电电源连接，实现对锂电池组的充电，与负载连接，实现对负载的供电。所述控制模块，与所述锂电池充放电组件进行IIC通讯，以控制所述锂电池充放电组件进行满充电。具体地说，控制模块通过IIC总线接收并处理锂电池充放电组件采集的每个锂电池的电压数据，以控制锂电池电压均衡。
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所述充放电开关装置，用于接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路。所述放电端异常保护电路，用于对放电端放电过流进行检测，并在检测到放电端放电过流时，发出过流再保护信号。所述系统异常保护电路，用于对IIC通讯状态和放电端放电状态进行检测，并在检测到IIC通讯异常和/或放电端放电过流时，发出系统异常保护信号。其中，所述充放电开关装置根据所述系统异常保护信号，断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路。图3显示了本发明实施例提供的一种多节串联锂电池组均衡及保护系统结构示意图，如图3所示所述锂电池充放电组件包括模拟前端电路、均衡驱动电路和均衡电路，其中所述模拟前端电路，用于采集所述锂电池组中每个锂电池的电压数据，并通过IIC总线将所采集的电压数据送入控制模块，以便所述控制模块生成用于每个锂电池均衡充电的多个均衡充电控制信号；所述均衡驱动电路，用于根据所述多个均衡充电控制信号，生成多个均衡驱动信号;所述均衡电路，用于根据多个均衡驱动信号，控制每个锂电池进行满充电。可见，均衡电路解决了因锂电池组单个锂电池之间存在电压、内阻、容量差异而导致满充电电压一致性误差，也就是说，减小了各个锂电池间电压差，在同样的负载下，提高了电池组持续放电能力。优选地，所述均衡电路包括多个分别并联在每个锂电池两端的均衡单元，其每个均衡单元包括串联连接的电子开关和电阻器。进一步地,所述锂电池充放电组件还包括充电电流保护电路，用于检测充电电流，并在检测到充电电流超过预定充电电流值时，生成充电电流保护信号；放电电流保护电路，用于检测放电电流，并在检测到放电电流超过预定放电电流值时，生成放电电流保护信号。
优选地,所述放电电流保护电路具有一个放电过流保护单元，包括第一运算放大器；连接在第一运算放大器正相输入端和采样地之间的第二限流电阻器；连接在第一运算放大器负相输入端和工作电源之间的第一可变分压电阻器和第二可变分压电阻器；连接在第一运算放大器输出端和充放电开关装置之间的第三限流电阻器；其中，第一可变分压电阻器一端连接第二可变分压电阻器、另一端连接电池组负端之间、中间抽头连接第一运算放大器负相输入端。 优选地,所述放电电流保护电路还具有一个放电短路保护单元,包括第二运算放大器；连接在第二运算放大器正相输入端和采样地之间的第四限流电阻器；连接在第二运算放大器负相输入端和电池组负端之间的第二可变分压电阻器和第一可变分压电阻器；连接在第二运算放大器输出端和充放电开关装置之间的第五限流电阻器；其中，第二可变分压电阻器一端连接第一可变分压电阻器、另一端连接工作电源、中间抽头连接第二运算放大器负相输入端。优选地，所述充电电流保护电路包括第三运算放大器；连接在第三运算放大器负相输入端与工作电源之间的第一分压电阻器；连接在第三运算放大器负相输入端与采样地之间的第二分压电阻器；连接在第三运算放大器正相输入端与工作电源之间的第三分压电阻器；连接在第三运算放大器正相输入端与电池组负端之间的第四分压电阻器；连接在第三运算放大器输出端与充放电开关装置之间的第一限流电阻器。进一步地，所述控制模块包括中断单元和脉宽调制(PWM)单元；所述中断单元，用于在检测到放电端放电过流时，向所述PWM单元发送中断信号；所述PWM单元，用于在IIC通信异常和/或接收到中断信号时，停止向所述系统异常保护电路输出脉宽调制信号。进一步地，所述系统异常保护电路是整流电路，其输入端连接控制模块的PWM单元，输出端连接充放电开关装置。进一步地，所述放电端异常保护电路是触发电路，其输入端连接负载正端，输出端连接控制模块的中断单元。进一步地，所述充放电开关装置包括充放电驱动电路，用于根据充电或放电电流保护信号，生成用于切断充电回路或供电回路的充电或放电驱动信号；控制电路，用于根据所述系统异常保护信号和所述充电或放电驱动信号，生成用于接通或断开充放电开关电路的控制信号；充放电开关电路，用于根据所述控制信号，接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路，使锂电池组充电或供电。此外，模拟前端电路和均衡电路连接所有单个锂电池两端以及锂电池组的负端BATTERY-、锂电池组正端BATTERY+ (负载正端PACK+、充电正端CHARGE+);锂电池组负端BATTERY-接地；充放电开关装置连接锂电池组的负载负端PACK-和充电负端CHARGE-;系统异常保护电路和放电端异常保护电路连接锂电池组负端BATTERY-。充电状态，将充电器接充电端子CHARGE+、CHARGE-两端，放电状态，将负载接负载端子PACK+、PACK-两端。所述多节串联锂电池组均衡及保护系统的工作原理如下充电状态下，模拟前端电路采集串联锂电池组中每个锂电池的电压数据，并通过IIC总线传送到控制模块，由控制模块生成用于控制所述锂电池充放电组件进行满充电的多个均衡充电控制信号；然后，均衡驱动电路通过模拟前端电路获得所述多个均衡充电控制信号，并生成多个均衡驱动信号，控制每个锂电池进行满充电。充电过程中，由充电电流保护电路对充电电流进行检测，一旦充电电流超过预定充电电流值，则所述充电电流保护电路向充放电驱动电路输出充电电流保护信号；所述充放电驱动电路根据所述充电电流保护信号生成用于切断充电回路的充电驱动信号，最终使充电回路断开，提高充电状态下锂 电池的使用安全性。放电状态下，由放电电流保护电路对放电电流进行检测，一旦放电电流超过预定放电电流值，则所述放电电流保护电路向充放电驱动电路输出放电电流保护信号；所述充放电驱动电路根据所述放电电流保护信号生成用于切断供电回路的放电驱动信号，最终使供电回路断开，提高放电状态下锂电池的使用安全性。其中，所述放电电流保护电路具有一个放电过流保护单元和一个放电短路保护单元，分别对放电过流和放电短路的情况进行检测。在充电或放电的过程中，若IIC通讯正常，则控制模块的PWM单元向系统异常保护电路输出脉宽调制信号，使所述系统异常保护电路向充放电开关装置中的控制电路输出用于接通充电回路或供电回路的IIC通讯正常的信号；若IIC出现通讯异常情况，则控制模块的PWM单元停止向系统异常保护电路输出脉宽调制信号，使所述系统异常保护电路向充放电开关装置中的控制电路输出用于断开充电回路或供电回路的IIC通讯异常信号，最终控制充电回路或供电回路断开，实现Iic通讯异常情况下，对串联锂电池组的保护，提高了锂电池组的使用安全性。在放电的过程中，若电池组输出能力正常，则所述放电端异常保护电路向控制模块的中断单元输出用于接通供电回路的过流保护正常的信号，控制模块的PWM单元向系统异常保护电路输出脉宽调制信号；若电池组输出能力过低，在放电端发生放电过流、甚至放电短路时，所述放电端异常保护电路控制模块的中断单元输出用于断开供电回路的过流再保护信号，中断单元根据所述过流再保护信号，向PWM单元发送中断信号，使PWM单元停止向系统异常保护电路输出脉宽调制信号，最终控制供电回路断开，从而实现对串联锂电池组的保护，提高了锂电池组的使用安全性。图4显示了本发明实施例提供的控制锂电池组充电电压均衡的控制结构图，如图4所示。连接每个锂电池两端的模拟前端电路采集所述锂电池组中每个锂电池的电压数据，并通过IIC总线将所采集的电压数据送入控制模块。所述控制模块处理电压数据，并将生成的均衡充电控制信号通过IIC传送到模拟前端电路，具体地说，控制模块判断电压值最小的电压数据，对于所有超过最小电压数据30mV的锂电池，均生成用于使充电电流分流的均衡充电控制信号，否则生成使充电电流仅流入单个锂电池的均衡充电控制信号。连接所述模拟前端电路的均衡驱动电路，用于根据来自所述模拟前端电路的所述多个均衡充电控制信号，生成多个均衡驱动信号。连接所述均衡驱动电路的均衡电路，用于根据来自所述均衡驱动电路的多个均衡驱动信号，控制相连的每个锂电池进行满充电。其中，所述锂电池组负端通过电流采样电阻RO与充放电开关装置的充放电开关电路相连，并在充放电开关电路 接通时锂电池组进行充电，断开时锂电池组停止充电。所述RO用于进行电流采样，当放电电流不超过预定放电电流值时，第一运算放大器(图7中的OPAMPI)或第二运算放大器(如8中的0PAMP2)的负向输入端电压大于正向输入端电压，第一运算放大器或第二运算放大器输出低电平，最终通过充放电开关装置使供电回路接通；当放电电流超过预定放电电流值，第一运算放大器(图7中的0PAMP1)或第二运算放大器(如8中的0PAMP2)的负向输入端电压小于正向输入端电压,第一运算放大器或第二运算放大器输出高电平，最终通过充放电开关装置使供电回路断开；当充电电流不超过预定充电电流值时，第三运算放大器(如9中的0PAMP3)的负向输入端电压大于正向输入端电压,第三运算放大器输出低电平，最终通过充放电开关装置使充电回路接通；当充电电流超过预定充电电流值时，第三运算放大器(如9中的0PAMP3)的负向输入端电压小于正向输入端电压，第三运算放大器输出高电平，最终通过充放电开关装置使充电回路断开。可见，均衡电路解决了因锂电池组单个锂电池之间存在电压、内阻、容量差异而导致满充电电压一致性误差，也就是说，减小了各个锂电池间电压差，锂电池组电压一致性误差在±30mV内，在同样的负载下，提高了锂电池组持续放电能力。图5显示了本发明实施例提供的均衡电路原理示意图，图6显示了图5中单个锂电池充电电压均衡的电路原理示意图，如图5和图6所示，均衡电路包括多个分别并联在每个锂电池两端的均衡单元，其每个均衡单元包括串联连接的电子开关和电阻器。以电子开关是MOSFET为例进行说明每个均衡单元包括串联的电阻器及M0SFET，当均衡驱动信号是高电平时，MOSFET导通，进入电压均衡状态，总充电电流分两路，一路电流流入锂电池，另一路电流流入电阻器；当均衡驱动信号是低电平时，MOSFET截至，总充电电流分两路仅流入锂电池；因此电压最低的锂电池充电电流比电压高的电池充电电流大，随着充电时间延长,锂电池组中单个锂电池电压越来越接近，直至锂电池组单个锂电池电压一致性误差在±30mV内，发挥锂电池组最大性能。为保护锂电池组放电的安全性，本发明实施例提供了放电电流保护电路和充电电流保护电路，其中，所述放电电流保护电路包括放电过流保护单元和放电短路保护单元，以下通过图7、图8和图9分别进行详细的说明。图7显示了本发明实施例提供的放电过流保护单元的电路结构图，如图7所示，所述放电过流保护单元包括运算放大器OPAMPl (第一运算放大器);连接在OPAMPl正相输入端和采样地之间的限流电阻器R15(第二限流电阻器)；连接在OPAMPl负相输入端和工作电源之间的可变分压电阻器VRl (第一可变分压电阻器)和可变分压电阻器VR2(第二可变分压电阻器)；连接在OPAMPl输出端和充放电开关装置之间的限流电阻器R9(第三限流电阻器)；其中，VRl 一端连接VR2、另一端连接电池组负端、中间抽头连接OPAMPl负相输入端。此外，OPAMPl地线及电流采样电阻RO —端接电池组负端BATTERY-，R15 一端及RO另一端接充放电开关电路。所述放电过流保护单元的工作原理如下
静态或放电电流小于预定放电电流值时，OPAMPl负相输入端电压大于正相输入端电压，OPAMPl输出低电平，R9输出低电平，充放电开关装置中的充放电驱动电路输出高电平，控制电路输出高电平，充放电开关电路导通，即供电回路导通。否则，如果放电电流大于预定放电电流值，OPAMPl负相输入端电压小于正相输入端电压，OPAMPl输出高电平，R9输出高电平，充放电开关装置中的充放电驱动电路关闭，输出低电平，控制电路输出低电平，充放电开关电路断开，即供电回路断开，进入放电过流保护状态。图8显示了本发明实施例提供的放电短路保护单元的电路结构图，如图8示，所述放电短路保护单元包括运算放大器0PAMP2 (第二运算放大器);连接在0PAMP2正相输入端和采样地之间的限流电阻器R7 (第四限流电阻器)； 连接在0PAMP2负相输入端和电池组负端之间的可变分压电阻器VR2 (第二可变分压电阻器)和可变分压电阻器VRl (第一可变分压电阻器)；连接在0PAMP2输出端和充放电开关装置之间的限流电阻器R8 (第五限流电阻器)；其中，VR2 —端连接VRl、另一端连接工作电源、中间抽头连接运算放大器0PAMP2负相输入端。此外，0PAMP2地线及电流采样电阻RO —端接电池组负端BATTERY-，R7 一端及RO另一端接充放电开关电路。所述放电短路保护单元的工作原理如下静态或放电电流小于预定放电电流值时时，0PAMP2负相输入端电压大于正相输入端电压大，0PAMP2输出低电平，R8输出低电平，若没有发生放电过流保护，充放电开关装置中的充放电驱动电路输出高电平，控制电路输出高电平，充放电开关电路导通，即供电回路导通。否则，放电电流大于预定放电电流值时，0PAMP2负相输入端电压小于正相输入端电压大，0PAMP2输出高电平，R8输出高电平，充放电开关装置中的充放电驱动电路关闭，输出低电平，控制电路输出低电平，充放电开关电路断开，即供电回路断开，进入放电短路保护状态。图9显示了本发明实施例提供的充电电流保护电路的电路结构图，如图9所示，所述充电电流保护电路包括运算放大器0PAMP3 (第三运算放大器);连接在0PAMP3负相输入端与工作电源之间的分压电阻器RlO (第一分压电阻)；连接在0PAMP3负相输入端与采样地之间的分压电阻器Rll (第二分压电阻);
连接在0PAMP3正相输入端与工作电源之间的分压电阻器R12 (第三分压电阻)；连接在运算放大器正相0PAMP3输入端与电池组负端之间的分压电阻器R13(第四分压电阻)；连接在0PAMP3输出端与充放电开关装置之间的限流电阻器R14(第一限流电阻)。其中，运算放大器0PAMP3地线及电流采样电阻RO —端接电池组负端，RlO —端及RO另一端接充放电开关电路。所述充电电流保护电路的工作原理如下充电电流小于预定充电电流值时，0PAMP3负相输入端电压大于正相输入端电压，0PAMP3输出低电平，R14输出低电平，充放电开关装置中的充放电驱动电路输出高电平，控制电路输出高电平，充放电开关电路导通，即充电回路导通。否则，充电电流大于预定充电·电流值时，0PAMP3输出高电平，R14输出高电平，充放电开关装置中的充放电驱动电路输出低电平，控制电路输出低电平，充放电开关电路断开，即充电回路断开，进入充电保护状态。图10显示了本发明实施例提供的系统异常保护电路的电路结构图，如图10所示所述系统异常保护电路是整流电路，其输入端连接控制模块的PWM单元，其输出端连接充放电开关装置的控制电路。所述整流电路包括整流二极管Dl;连接在Dl和PWM单元之间的耦合电容Cl ；连接在Dl正极和锂电池组负端之间的放电电阻器Rl ；连接在Dl负极和锂电池组负端之间的并联的放电电阻器R2和滤波电容C2 ；连接在整流二极管Dl负极和充放电开关装置之间限流电阻器R3。所述系统异常保护电路连接于所述控制模块和充放电开关装置之间，并连接于锂电池组负端。工作时，若锂电池充放电组件与控制模块之间的IIC通讯正常，则控制模块的PWM单元向系统异常保护电路输出脉宽调制信号，所述系统异常保护电路将所述脉宽调制信号进行整流，产生直流电平，经R3限流后向充放电开关装置输出高电平信号，使充放电开关装置接通，即充电回路或供电回路接通；若IIC通讯异常，控制模块的PWM单元关闭输出，所述系统异常保护电路输出低电平的IIC通讯异常信号，使充放电开关装置断开，即充电回路或供电回路断开，不能再进行充电或放电，保护锂电池组安全。此外，当电池组输出能力过低，放电端发生过流、甚至短路，多节串联锂电池均衡及保护系统不能够向放电电流保护电路提供足够的电流以触发放电电流保护。本发明提供了一种放电端异常保护电路，所述放电端异常保护电路是触发电路，其输入端连接负载正端，放电端连接控制模块的中断单元，用于在放电电流保护电路异常或失效时，及时生成用于断开供电回路的过流再保护信号，使控制模块的中断单元向PWM单元发送中断信号，停止PWM单元向系统异常保护电路发送脉宽调制信号，最终保证供电回路断开，保护锂电池组的安全性。以下通过图11进一步说明图11显示了本发明实施例提供的放电端异常保护电路的电路结构图，如图11所示，所述放电端异常保护电路包括三极管Q2;
连接在三极管Q2集电极和控制模块电源正端的限流电阻器R4 ；连接在三极管基极和MCU电源正端的限流电阻器R5 ；连接在三极管基极和负载正端之间的隔离二极管D2 ；连接在三极管发射极和电池组负端的限流电阻器R6 ；其中，所述放电端异常保护电路的Q2集电极连接控制模块的中断单元。在放电状态下，电池组不足以提供足够大的电流触发放电电流保护时，所述放电端异常保护电路可以快速断开供电回路，避免电池组维持输出大电流状态而导致电池组损坏、安全性失控，甚至发生意外。 所述放电端异常保护电路的工作原理如下放电状态下，电池组容量足够，并且放电过流或放电短路保护电路正常时，Q2处于饱和状态，Q2导通，Q2的集电极向控制模块的中断单元输出低电平，控制模块的PWM单元向系统异常保护电路输出脉冲调制信号，使充放电开关装置接通，即充电回路或放电回路接通；在电池组输出能力过低、放电电流保护异常、或放电短路保护异常，在放电端发生过流、甚至短路时，D2依次通过PACK+、PACK-、充放电开关电路、电流采样电阻RO连接到BATTERY-, Q2处于截止状态，Q2的集电极向控制模块的中断单元输出高电平的过流再保护信号，使控制模块的中断单元向PWM单元发送中断信号，PWM单元停止向系统异常保护电路输出脉冲调制信号，此时系统异常保护电路向充放电开关装置输出系统异常保护信号，使放电回路断开，从而保护锂电池组安全。图12显示了本发明实施例提供的充放电开关装置结构示意图，如图12所示，所述充放电开关装置包括充放电驱动电路、控制电路和充放电开关电路充放电驱动电路，用于根据充电或放电电流保护信号，生成用于切断充电回路或供电回路的充电或放电驱动信号；具体地说，充放电驱动电路的输入连接充电或放电电流保护电路，当充电电路未出现充电过流现象或放电电路未出现放电过流或短路现象时，所述充放电驱动电路生成用于接通充电回路或供电回路的充电或放电驱动信号，否则，输入端接收到高电平的充电或放电电流保护信号时，所述充放电驱动电路输出用于断开充电回路或供电回路的充电或放电驱动信号。控制电路，用于根据所述IIC通讯异常信号和所述充电或放电驱动信号，生成用于接通或断开充放电开关电路的控制信号；充放电开关电路，用于根据所述控制信号，接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路，使锂电池组充电或供电；其中，所述控制电路根据所述IIC通讯异常信号，生成用于断开充放电开关电路的控制信号，并在IIC通讯正常时，根据所述充电或放电驱动信号，生成用于断开充放电开关电路的控制信号。尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种多节串联锂电池组均衡及保护系统，其特征在于，包括 锂电池充放电组件，用于将外部充电电源接入锂电池组进行充电，并向负载供电； 控制模块，与所述锂电池充放电组件进行Iic通讯，以控制所述锂电池充放电组件进行满充电； 充放电开关装置，用于接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路； 放电端异常保护电路，用于对放电端放电过流进行检测，并在检测到放电端放电过流时，发出过流再保护信号； 系统异常保护电路，用于对Iic通讯状态和放电端放电状态进行检测，并在检测到IIC通讯异常和/或放电端放电过流时，发出系统异常保护信号； 其中，所述充放电开关装置根据所述系统异常保护信号，断开所述锂电池充放电组件 的充电回路或供电回路。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述锂电池充放电组件包括 模拟前端电路，用于采集所述锂电池组中每个锂电池的电压数据，并通过Iic总线将所采集的电压数据送入控制模块，以便所述控制模块生成用于每个锂电池均衡充电的多个均衡充电控制信号； 均衡驱动电路，用于根据所述多个均衡充电控制信号，生成多个均衡驱动信号； 均衡电路，用于根据多个均衡驱动信号，控制每个锂电池进行满充电。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述均衡电路包括多个分别并联在每个锂电池两端的均衡单元，其每个均衡单元包括串联连接的电子开关和电阻器。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述锂电池充放电组件还包括 充电电流保护电路，用于检测充电电流，并在检测到充电电流超过预定充电电流值时，生成充电电流保护信号； 放电电流保护电路，用于检测放电电流，并在检测到放电电流超过预定放电电流值时，生成放电电流保护信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述放电电流保护电路具有一个放电过流保护单元，包括 第一运算放大器； 连接在第一运算放大器正相输入端和采样地之间的第二限流电阻器； 连接在第一运算放大器负相输入端和工作电源之间的第一可变分压电阻器和第二可变分压电阻器； 连接在第一运算放大器输出端和充放电开关装置之间的第三限流电阻器； 其中，第一可变分压电阻器一端连接第二可变分压电阻器、另一端连接电池组负端之间、中间抽头连接第一运算放大器负相输入端。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述放电电流保护电路还具有一个放电短路保护单元，包括 第二运算放大器； 连接在第二运算放大器正相输入端和采样地之间的第四限流电阻器； 连接在第二运算放大器负相输入端和电池组负端之间的第二可变分压电阻器和第一可变分压电阻器；连接在第二运算放大器输出端和充放电开关装置之间的第五限流电阻器； 其中，第二可变分压电阻器一端连接第一可变分压电阻器、另一端连接工作电源、中间抽头连接第二运算放大器负相输入端。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述充电电流保护电路包括 第三运算放大器； 连接在第三运算放大器负相输入端与工作电源之间的第一分压电阻器； 连接在第三运算放大器负相输入端与采样地之间的第二分压电阻器； 连接在第三运算放大器正相输入端与工作电源之间的第三分压电阻器； 连接在第三运算放大器正相输入端与电池组负端之间的第四分压电阻器； 连接在第三运算放大器输出端与充放电开关装置之间的第一限流电阻器。
8.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括中断单元和脉宽调制(PWM)单元； 所述中断单元，用于在检测到放电端放电过流时，向所述PWM单元发送中断信号； 所述PWM单元，用于在IIC通信异常和/或接收到中断信号时，停止向所述系统异常保护电路输出脉宽调制信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统异常保护电路是整流电路，其输入端连接控制模块的PWM单元，输出端连接充放电开关装置。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述放电端异常保护电路是触发电路，其输入端连接负载正端，输出端连接控制模块的中断单元。
11.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述充放电开关装置包括 充放电驱动电路，用于根据充电或放电电流保护信号，生成用于切断充电回路或供电回路的充电或放电驱动信号； 控制电路，用于根据所述系统异常保护信号和所述充电或放电驱动信号，生成用于接通或断开充放电开关电路的控制信号； 充放电开关电路，用于根据所述控制信号，接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路，使锂电池组充电或供电。
全文摘要
本发明公开了一种多节串联锂电池组均衡及保护系统，包括锂电池充放电组件，用于将外部充电电源接入锂电池组进行充电，并向负载供电；控制模块，与所述锂电池充放电组件进行IIC通讯，以控制所述锂电池充放电组件进行满充电；充放电开关装置，用于接通或断开所述锂电池充放电组件的充电回路或供电回路；放电端异常保护电路，用于对放电端放电过流进行检测，并在检测到放电端放电过流时，发出过流再保护信号；系统异常保护电路，用于对IIC通讯状态和放电端放电状态进行检测，并在检测到IIC通讯异常和/或放电端放电过流时，发出系统异常保护信号；其中，所述充放电开关装置根据所述系统异常保护信号，断开充电回路或供电回路。
文档编号H02J7/00GK102957173SQ20111024269
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者杨维坚, 王开伟 申请人:福建睿能电子有限公司