多电芯锂离子电池充放电保护器的制作方法

1.本发明涉及锂离子电池的电池管理系统，特别是涉及一种多电芯的锂离子电池的充放电保护装置。


背景技术：

2.锂离子电池具有能量密度较高、安全性能好、循环寿命长的优点，广泛应用于新能源汽车行业、启动电源、储能市场以及军事领域中。但是锂离子电池若出现过充现象，电解液等材料会分解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓胀破裂，进而爆炸；如果电芯电压过低，电芯内部分材料就会开始被破坏，又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低；另外，充电电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面，这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，产生锂枝晶，发生电池内部短路。因此，对锂离子电池至少要进行过充、过放、过流的三项保护。
3.中国专利cn112234689b公开了一种充放电保护电路及锂离子电池保护系统，采用了两个比较器采集锂离子电池电压，通过多个数字集成电路构成充放电控制电路，结构比较复杂，由于仅采用一个mosfet做功率开关，仅能对充电进行控制，如果要对放电进行控制，该发明还需设计一个mosfet作为放电功率开关。
4.专利号cn104682355b公开了一种锂离子电池保护电路，需要专门的多路开关和电压比较电路，还需要多个数字集成芯片组成逻辑电路，为了实现充放电控制采用了四个场效应管，控制逻辑非常复杂。
5.此外，目前锂离子电池的充放电保护，多采用集成的电压采集及控制电路，成本较高，需要通过上位机配置控制参数，使用过程比较复杂，不利于在多电芯锂离子电池，或者不同种类的锂离子电池中的应用。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术存在的不足，提出一种多电芯锂离子电池充放电保护器，与现有技术相比，本发明具有较少的器件，不需要专门的电压测量集成电路、不需要额外的辅助供电电源。能够独立对过充电、过放电进行保护，以及单体电芯的均衡控制。针对不同种类的锂离子电池的充放电电压参数的不同，可以方便地对充电截止电压、放电截止电压和均衡电压进行设置。
7.本发明采取的技术方案为：
8.为了达到上述目的，本发明的多电芯锂离子电池充放电保护器，包括电池组、均衡模块、放电检测模块、充电控制模块、放电控制模块、充电检测单元、放电驱动电阻；所述电池组由n个电芯串联组成，n≥2，每个电芯上分别并联均衡模块中的n个均衡单元和放电检测模块中的n个放电检测单元；充电检测单元的检测端与电池组的正负极并联，充电检测单元的输出端与充电控制模块的控制端相连；放电检测模块中的n个放电检测单元的输出端串联在一起，再与放电驱动电阻串联，另一端接入放电控制模块的控制端，放电驱动电阻的
另外一端与pack+相连；电池组的正极与pack+相连，电池组的负极与充电控制模块的输入端相连，充电控制模块的输出端与放电控制模块的输入端相连，并作为系统的参考地，放电控制模块的输出端与pack
‑
相连；所述多电芯锂电池充放电保护器可以设置充电截止电压e
c
和放电截止电压e
d
，防止充放电过程中出现过充或过放的现象。
9.所述均衡模块由n个均衡单元组成，n≥2，所述每个均衡单元分别与对应的电芯并联；所述每个均衡单元包括均衡三极管、均衡电阻、第一采样电阻、第二采样电阻、第一滤波电容、第一稳压器、第一驱动电阻；所述均衡三极管与均衡电阻串联之后，并联在对应电芯正负极两端，第一采样电阻与第二采样电阻串联之后，并联在对应电芯正负极两端，第一驱动电阻与第一稳压器阴极串联之后，并联在对应电芯正负极两端，第一滤波电容与第二采样电阻并联，并且并联在第一稳压器的反馈端和阳极之间，均衡三极管的基极与第一稳压器的阴极相连。
10.所述放电检测模块由n个放电检测单元(31
‑
3n)组成，n≥2，所述每个放电检测单元分别与对应的电芯并联；所述每个放电检测单元包括第三采样电阻、第四采样电阻、第二滤波电容、第二稳压器、第二光耦、第二驱动电阻；所述第三采样电阻与第四采样电阻串联之后，并联在对应电芯正负极两端，第二驱动电阻与第二光耦中的发光二极管阳极和第二稳压器阴极串联之后，并联在对应电芯正负极两端，第二滤波电容与第四采样电阻并联，并且并联在第二稳压器的反馈端和阳极之间，第二光耦中光敏三级管的集电极为输入端，发射极为输出端，所有放电检测单元的输入端与输出端首尾相连，形成串联回路，第一个输入端接放电驱动电阻，最后一个输出端接放电控制模块的控制端。
11.所述充电控制模块包括第一mosfet、第一门极电阻、第一稳压管，第一门极电阻与第一稳压管一起并联在第一mosfet门极和源极之间，第一mosfet的门极为控制端，漏极为输入端，源极为输出端。
12.所述放电控制模块包括第二mosfet、第二门极电阻、第二稳压管，第二门极电阻与第二稳压管一起并联在第二mosfet门极和源极之间，第二mosfet的门极为控制端，源极为输入端，漏极为输出端。
13.所述充电检测单元包括第五采样电阻、第六采样电阻、第三稳压器、第三滤波电容、第三驱动电阻、第一光耦、充电驱动电阻，第五采样电阻与第六采样电阻串联后与电池组的正负极并联，第三驱动电阻与第一光耦中的发光二极管和第三稳压器串联后，再与电池组的正负极并联，第三滤波电容与第六采样电阻并联，且与第三稳压器的反馈端和阳极并联，第一光耦中的光敏三极管的集电极与充电驱动电阻相连，并连接到充电控制模块的控制端，第一光耦中的光敏三极管的发射极与参考地，即充电控制模块的输出端相连。
14.所述第一mosfet和第二mosfet为n沟道mosfet。
15.所述充电截止电压e
c
由第五采样电阻与第六采样电阻的阻值r5、r6，以及第三稳压器参考电压v3决定，即e
c
＝v3(r5+r6)/r6。
16.所述放电截止电压e
d
由第三采样电阻与第四采样电阻的阻值r3、r4，以及第二稳压器参考电压v2决定，即e
d
＝v2(r3+r4)/r4。
17.所述均衡电压e
b
由第一采样电阻、第二采样电阻的阻值r1、r2，以及第一稳压器参考电压v1决定，即e
b
＝v1(r1+r2)/r2。
18.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和效果：
19.本发明的一个效果在于，每个单体锂离子电池电芯均有独立的充放电检测单元及均衡单元，结构非常简单，而且价格非常低，适合多电芯锂离子电池的保护控制。
20.本发明的一个效果在于，锂离子电池的电压检测与保护控制是一体化的，不需要额外单独的电压检测电路、控制电路、mosfet驱动电路。
21.本发明的一个效果在于，充电保护、放电保护和电芯均衡独立进行，互不影响，提高了可靠性。
22.本发明的一个效果在于，充电截止电压、放电截止电压，以及均衡电压可以通过电阻值调节，使用方便。
附图说明
23.图1是本发明中多电芯锂电池充放电保护装置结构示意图；
24.图2是本发明中多电芯锂电池充放电保护装置原理图；
25.图3是本发明中两电芯锂电池充放电保护装置结构示意图；
26.图4是本发明中两电芯锂电池充放电保护装置原理图；
27.图5是本发明中均衡单元原理图；
28.图6是本发明中放电检测单元原理图；
29.图7是本发明中充电控制模块原理图；
30.图8是本发明中放电控制模块原理图；
31.图9是本发明中充电检测单元原理图。
32.附图中，各标号所代表的部件：
33.1、电池组，2、均衡模块，3、放电检测模块，4、充电控制模块，5、放电控制模块，6、充电检测单元，7、放电驱动电阻，21、第一均衡单元，22、第二均衡单元，2n、第n均衡单元，31第一放电检测单元，32、第二放电检测单元，3n、第n放电检测单元，101、第一电芯，102、第二电芯，10n、第n电芯，201、均衡三极管，202、均衡电阻，203、第一采样电阻，204、第二采样电阻，205、第一滤波电容，206、第一稳压器，207、第一驱动电阻，301、第三采样电阻，302、第四采样电阻，303、第二滤波电容，304、第二稳压器，305、第二光耦，306、第二驱动电阻，401、第一mosfet，402、第一门极电阻，403、第一稳压管，501、第二mosfet，502、第二门极电阻，503、第二稳压管，601、第五采样电阻，602、第六采样电阻，603、第三稳压器，604、第三滤波电容，605、第三驱动电阻，606、第一光耦，607、充电驱动电阻。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明做进一步的介绍。
35.为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
36.图1是本发明中多电芯锂电池充放电保护装置结构示意图，多电芯锂离子电池充放电保护器，其特征在于，包括电池组1、均衡模块2、放电检测模块3、充电控制模块4、放电控制模块5、充电检测单元6、放电驱动电阻7。其中电池组1，包含n个电芯首尾串联，组成电池组1。每个电芯的电极有两个引线，分别并联均衡模块2中的n个均衡单元，以及放电检测模块3中的n个放电检测单元，其中n≥2。
37.电池组1的正极连接pack+，负极与充电控制模块4的输入端相连，充电控制模块4的输出与放电控制模块5的输入相连，放电控制模块的输出连pack
‑
。这样在pack+和pack
‑
之间串联了电池组1、充电控制模块4、放电控制模块5，构成了充放电回路。
38.充电检测单元6的检测端并联在电池组1的正负极上，输出端与充电控制模块4的控制端相连。充电检测单元6用于检测电池组1的电压，当电池组1的电压高于设定的充电截止电压e
c
时，输出端控制充电控制模块4断开充电回路，但是放电回路仍然联通。
39.放电检测模块3中的n个放电检测单元分别与相应的电芯并联，检测每个电芯的电压，n个放电检测单元是串联输出的，一端通过放电驱动电阻7连接pack+，另外一端与放电控制模块5的控制端相连。当任意一个电芯的电压低于放电截止电压e
d
时，放电检测模块3控制放电控制模块5将放电回路断开，但是充电回路仍然连通。
40.均衡模块2中的n个均衡单元分别与电池组1中相应的电芯并联，并对电芯进行均衡控制。当任意一个电芯电压超过均衡电压e
b
时，与之并联的均衡单元就会开始均衡控制，将多余电量通过电阻释放掉，起到均衡作用。
41.综上所述，每个单体锂离子电池电芯均有独立的充放电检测单元及均衡单元，结构非常简单，而且价格非常低，适合多电芯锂离子电池的保护控制。
42.多电芯电池充放电保护装置的具体原理如图2所示。
43.为了叙述方便，以两电芯实施例介绍具体工作原理，见图3和图4。
44.在本实施例中，电池组1有两个电芯，均衡模块2有两个均衡单元，放电检测模块3有两个放电检测单元。第一均衡单元21和第一放电检测单元31对应的为第一电芯101，第二均衡单元22和第二放电检测单元32对应的为第二电芯102，第n均衡单元2n和第n放电检测单元3n对应的为第n电芯10n。
45.每个均衡单元结构一致，如图5所示，其中均衡三极管201与均衡电阻202串联之后，并联在对应单体电池正负极两端；第一采样电阻203与第二采样电阻204串联之后，并联在对应单体电池正负极两端；第一驱动电阻207与第一稳压器206阴极串联之后，并联在对应单体电池正负极两端；第一滤波电容205与第二采样电阻204并联，并且并联在第一稳压器206的反馈端和阳极之间；均衡三极管201的基极与第一稳压器206的阴极相连。第一滤波电容205的作用是消除干扰，提高控制的稳定性。
46.第一采样电阻203与第二采样电阻204串联之后，并联在对应单体电池正负极两端，对单体电芯电压进行分压，并将此电压输入第一稳压器206的反馈端。
47.均衡电压e
b
由第一采样电阻203、第二采样电阻204的阻值r1、r2，以及第一稳压器206参考电压v1决定，即e
b
＝v1(r1+r2)/r2。
48.由于当图5中电芯电压高于均衡电压e
b
时，a点电压就高于第一稳压器206参考电压v1，第一稳压器206就导通。由于第一稳压器206的阴极与均衡三极管201的基极相连，而且均衡三极管201为pnp型三极管，因此均衡三极管201基极电压低于发射极电压而导通，电池经过均衡三极管201和均衡电阻202放电，多余的能量将由均衡电阻202消耗掉。
49.当图5中a点电压低于第一稳压器206参考电压v1时，第一稳压器206关断，第一驱动电阻207将均衡三极管201的基极电压上拉至发射极电压，因此均衡三极管201关断，电芯停止放电。最后使所有电芯的电压达到一致。
50.均衡操作是在任何时刻都可以进行的，不受充电状态的影响。
51.放电检测单元原理图见图6。第三采样电阻301与第四采样电阻302串联之后，并联在对应单体电池正负极两端，第二驱动电阻306与第二光耦305中的发光二极管阳极和第二稳压器304阴极串联之后，并联在对应单体电池正负极两端，第二滤波电容303与第四采样电阻302并联，并且并联在第二稳压器304的反馈端和阳极之间，第二光耦305中光敏三级管的集电极为输入端，发射极为输出端，所有放电检测单元的输入端与输出端首尾相连，形成串联回路，第一个输入端接放电驱动电阻7，最后一个输出端接放电控制模块5的控制端。第二滤波电容303的作用是消除干扰。
52.因此，锂离子电池的电压检测与保护控制是一体化的，不需要额外单独的电压检测电路、控制电路、mosfet驱动电路。充电保护、放电保护和电芯均衡独立进行，互不影响，提高了可靠性。
53.本实施例中，放电截止电压e
d
由第三采样电阻301与第四采样电阻302的阻值r3、r4，以及第二稳压器304参考电压v2决定，即e
d
＝v2(r3+r4)/r4。
54.如图4所示，放电检测单元31中的光敏三极管集电极接放电驱动电阻7，放电检测单元31中的光敏三极管发射极接放电检测单元32中的光敏三极管的集电极，放电检测单元32中的光敏三极管的发射极接放电控制模块5的控制端。因此所有放电检测单元的输出控制是串联的，其逻辑关系是与的关系，只要检测到任意一个电芯的电压低于放电截止电压e
d
时，就控制放电控制模块5断开放电回路，停止放电，保护电芯不会过放电，从而提高电池组1的寿命和可靠性。
55.具体放电检测控制过程如下：
56.第三采样电阻301与第四采样电阻302串联对电芯进行分压，当电芯电压低于放电截止电压e
d
时，b点电压低于第二稳压器304参考电压v2，第二稳压器304关断，因此第二光耦305中的光敏三极管关断，从而切断了驱动放电控制模块5的回路，于是把放电回路断开。只有所有的电芯电压均高于放电截止电压e
d
时，驱动电压通过pack+、放电驱动电阻7、所有第二光耦305中的光敏三极管、放电控制模块5控制端，使放电控制模块5导通，从而允许电池组1放电。
57.图9为充电检测单元6的原理图，其中第五采样电阻601与第六采样电阻602串联后与电池组1的正负极并联，第三驱动电阻605与第一光耦606中的发光二极管和第三稳压器603串联后，再与电池组1的正负极并联，第三滤波电容604与第六采样电阻602并联，且与第三稳压器603的反馈端和阳极并联，第一光耦606中的光敏三极管的集电极与充电驱动电阻607相连，并连接到充电控制模块4的控制端，第一光耦606中的光敏三极管的发射极与参考地，即充电控制模块4的输出端相连。第三滤波电容604的作用是消除干扰。
58.本实施例中，充电截止电压e
c
由第五采样电阻601与第六采样电阻602的阻值r5、r6，以及第三稳压器603参考电压v3决定，即e
c
＝v3(r5+r6)/r6。
59.以上实施例说明，充电截止电压、放电截止电压，以及均衡电压可以通过电阻值调节，使用方便。
60.第五采样电阻601与第六采样电阻602串联对电池组1进行分压，当电池组1的电压高于充电截止电压e
c
时，c点电压高于第三稳压器603参考电压v3，第三稳压器603导通，因此第一光耦606中的光敏三极管导通，从而将充电控制模块4的控制端电压拉低到参考地，使充电控制模块4断开充电回路，保证电池组1不会过充电。
61.图7为充电控制模块4的原理图，充电控制模块4受充电检测单元6控制，其中第一门极电阻402与第一稳压管403一起并联在第一mosfet 401门极和源极之间，第一mosfet 401的门极为控制端，漏极为输入端，源极为输出端。第一稳压管403作用是防止第一mosfet401门极电压超过额定值而损坏。
62.当第一mosfet 401的门极为高电平时，第一mosfet 401导通，接通充电回路。当第一mosfet 401的门极电压被拉低到参考地时，第一mosfet 401关断，断开充电回路，但是放电回路通过第一mosfet401中的反并联二极管不受影响。
63.图8为放电控制模块5的原理图，放电控制模块5受放电检测模块控制，其中第二门极电阻502与第二稳压管303一起并联在第二mosfet 501门极和源极之间，第二mosfet 501的门极为控制端，源极为输入端，漏极为输出端。第二稳压管303作用是防止第二mosfet501门极电压超过额定值而损坏。
64.当第二mosfet 501的门极为高电平时，第二mosfet 501导通，接通放电回路。当第二mosfet 501的门极断开时，第二mosfet 501关断，断开放电回路，但是充电回路通过第二mosfet 501中的反并联二极管不受影响。
65.本实施例中，所述第一mosfet 401和第二mosfet 501均为n沟道mosfet。优选地，第一mosfet 401和第二mosfet 501也可以采用其他形式的功率开关器件代替。
66.对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。