多晶片控制鋰離子電池組保護模塊的製作方法
2023-05-27 11:40:21 3
專利名稱：多晶片控制鋰離子電池組保護模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及鋰離子電池組中的保護電路。特別涉及一種多晶片控制鋰離子電池組保護模塊。也就是多串(5-14串)鋰離子電池組保護電路。
背景技術：
通常情況下，採用恆流恆壓方式對鋰離子電池組充電。先以1C(或1/2C)恆流對電池組充電，至4.20V時轉到恆壓充電，直到充電電流小於一個規定的較小電流時為止，完成充電過程。如果充電方法不當或充電器發生故障時，電池電壓可能被充到4.30V或更高，使其過度充電，對鋰離子電池造成傷害。輕者循環使用壽命縮短，重者電池鼓漲、爆炸，電池失效。
鋰離子電池使用過程中放電至2.75V，電池中的能量已全部釋放出來，應停止放電。如果繼續放電，使其放電到2.0V以下時，將使電池永久失效。
為了防止使用過程中可能發生過度充電和過度放電，鋰離子電池組必須裝有保護電路，防止發生過充電和過放電，防止過電流放電或短路。
實現上述的保護方法使用專用的保護電路IC，見圖1，檢測電池中每節電池的電壓，當發現一節電池電壓達到設定的過充保護電壓或更高時，IC輸出信號，控制MOSFET開關，使其處於截止狀態，使其不能被繼續充電。放電時，當電壓達到設定的過放保護電壓或更低時，IC也輸出控制信號，使MOSFET開關截止，不能繼續放電。
目前專用的保護電路IC是針對1節、2節、3/4節電池設計的。
目前市場上見到的多串保護電路，從設計上及其性能上存在一些較嚴重缺陷，例如設計上有缺陷，自耗電流大到1～2mA，不利於荷電存放時間較長場合，沒有均衡充電電路或不能有效發生均衡作用，有的只適於7串以下的場合。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種多晶片控制鋰離子電池組保護模塊。也就是多串(5-14串)鋰離子電池組保護電路。該電路板用以保護每節鋰離子電池，防止過度充電，過度放電，過電流放電以及短路對其的傷害，使鋰離子電池能正常可靠地充電和放電。
本實用新型的技術方案是本實用新型是使用兩個或三個這樣的保護電路IC組合起來，使多串鋰離子電池組中，只要有一節電池的電壓達到或超過過充保護電壓，或者放電時達到或低於過放保護電壓時，使MOSFET開關處於斷開狀態。
一種多晶片控制鋰離子電池組保護模塊(圖2所示)，其特徵在於連接在多個串聯的鋰離子電池的每個電池上的均衡充電分流電路和鋰離子電池保護晶片，鋰離子電池保護晶片連接電晶體耦合電路，電晶體耦合電路連接獨立的過流監測與保護電路，電晶體耦合電路連接MOSFET電路，MOSFET電路連接電池，MOSFET電路連接獨立的過流監測與保護電路，電晶體耦合電路連接過流監測與保護電路。
所述的均衡充電分流電路(圖4所示)，均衡充電分流電路採用電池保護晶片IC做均衡充電分流檢測和控制，電池保護晶片IC的電源腳Vcc與MOSFET電路的S極連接作為外接端M與單節鋰離子電池的正極連接，電池保護晶片IC電路的過充輸出腳連接MOSFET電路的控制極G，MOSFET電路的S極連接電池保護晶片IC的電源腳，MOSFET電路的D極連接電阻R1，電阻R1的另一端連接電池保護晶片IC的電源腳Vss，作為負輸入端N，負輸入端N連接單節鋰離子電池的負極。
其中過充保護電壓≥4.20V，滯環電壓＝0，即過充保護釋放電壓＜4.20V。
所述的電晶體耦合電路(圖3所示)，它的一種結構形式是三極體Q1的發射極作為外接端P與電池正極相連；三極體Q1的基極連接電阻R1，電阻R1的另一端作為外接端A與電池保護晶片IC的DS1端過充輸出腳相連；三極體Q1的集電極連接電阻R2，電阻R2的另一端連接三極體Q3的基極和電阻R4，電阻R4另一端連接三極體Q2的集電極；三極體Q3的集電極連接電阻R5並作為外接輸出端Y與MOSFET電路的S極相連；電阻R5另一端連接三極體Q2的發射極並作為外接端Q與電源電池中間端相連；三極體Q2的基極連接電阻R3，電阻R3的另一端作為另一個輸入控制外接端B與第二個電池保護晶片IC2的DS2端相連；三極體Q3的發射極作為外接端R與電源電池負極相連。
輸入端A通過Q1控制Q3導通，輸入端B通過Q2控制Q3導通。Q1或Q2導通，Q3就導通。
對於不同的輸入控制信號相位，輸入端A和Q1的基極之間接入電晶體反相級。對於輸入端B也同樣適用。
輸入端A和輸入端B的輸入電平的參考點不同，採用小信號雙極型電晶體相對於同一個參考點而實現電平移動。
Q1，Q2和Q3導通電流分別由電阻R2，R4和R5限定。這些電阻通常選用1兆歐姆。
Q1，Q2和Q3的擊穿電壓BVcbo應大於電池組電壓的2倍。
電路結構同時用於鋰離子電池組過充，過放及過流保護控制。
在電晶體耦合電路基礎上，增加輸入控制端C，輸入控制端D，實現更多分段輸入控制。
所述的獨立的過流監測與保護電路(圖5所示)做放電電流檢測並輸出控制信號，MOSFET電路的S極連接輸入端I；端I連接電阻R1，電阻R1另一端連接電容C1和二極體D1和運算放大器U1的輸入端；運算放大器U1的另一輸入端連接電容器C2和電位器R7滑動端，取得過流基準電壓，電容C2的另一端接地；電位器R7的一端接地，電位器R7的另一端與電阻R6相連，電阻R6的另一端連接電阻R4和二極體D2，電阻R4的另一端與電阻R5和二極體D3相連；二極體D3另一端接地，二極體D3是11V瞬變電壓抑制器；電阻R5連接電容C3作為外接端PI，外接端PI連接電池電源正端，電容C3另一端接地；接地端作為外接端RI。運算放大器U1的輸出端連接電阻R2，電阻R2另一端連接電阻R3和耦合三極體Q3的基極；三極體Q3的發射極接地、電阻R3的另一端接地，二極體D2的另一端接地，二極體D1的另一端接地，電容C1的另一端接地；三極體Q3的集電極作為過流保護輸出外接端L連接MOSFET電路的D極。
本實用新型的特點是
①降低自耗電流，為此，採用電晶體耦合，將保護IC的輸出控制信號OV和DCHG傳送到MOSFET的控制極。電晶體的工作電流只需10～20μA，選用電晶體耐壓120V，使本設計適用於20串鋰離子電池組保護電路的控制信號的耦合連接。
②採用專用的保護IC構成均衡充電的檢測元件，使過充電壓檢測精度提高到±0.5％。過充保護檢測電壓設計為4.20V，過充保護的恢復電壓＝過充保護電壓-ΔV，而ΔV＝0mV，這樣的設計能確保當充電到電池滿電壓或更高時開始分流，並一直保持分流，一直到電壓下降低於4.20V停止分流。做到電池在過充保護髮生動作前進行分流，避免過充，由分流作用的影響不會使電池電壓低於4.20V。這部分電路自耗電流小於3μA。
③獨立的過流保護控制電路。
這一電路的輸入信號範圍0～150mV～30V(7節電池串聯情況)。輸出為集電極開路方式，發生過流保護時輸出低電平，未過流時為高阻。自耗電流約幾微安。
④充放電流線與電壓檢測端分開。
為避免充電(或放電)電流在引線上的電壓降對檢測到的電池電壓的不良影響，將充(放)電電流線與電壓檢測線分開，確保IC檢測的電壓與充(放)電電流無關，使檢測控制準確。
⑤過放後電路進入休眠狀態，自耗電流大大降低。
當某一保護IC檢測出電池處於過放狀態時，IC自動進入低消耗狀態，級間耦合電路此時也轉為低自耗的截止狀態，使整個保護電路自耗電流儘量小，保證在電池處於過放狀態後，仍能存放很長時間，不至於深度過放，損壞電池。
⑥快速均衡充電分流起始電壓4.20V，4.25V以前分流電流呈線性增長，一直到完全分流，分流電流＝充電電流，確保在繼續充電過程中，該被分流的電池電壓保持在4.25V以下，不至於發生過充現象，同時，其它未被充滿的電池仍然能以較大電流繼續充電，從而縮短整個電池組的充電時間，又保證每節電池不發生過充。
圖1現有的鋰離子電池保護電路框圖圖2多晶片控制鋰離子電池組保護電路框圖圖3電晶體耦合電路圖圖4均衡充電分流電路框圖圖5.獨立的過流監測與保護電路圖圖6快速均衡充電分流電路框圖圖7.電流線與電壓線分開連接電路圖圖8一個具體實例電路具體實施例技術方案本實用新型使用兩個或三個鋰離子電池保護電路IC組合起來，使多串鋰離子電池組中，只要有一節電池的電壓達到或超過過充保護電壓，或者放電時達到或低於過放保護電壓時，使MOSFET開關處於斷開狀態(見圖2)。
①使用多個鋰離子電池保護晶片，用以保護電池組中每節電池免遭過度充電、過度放電、過電流放電以及短路危害。
②多個鋰離子電池保護晶片的輸出控制信號經電晶體耦合到MOSFET開關。
③採用特製的單節電池保護晶片做均衡充電分流檢測和控制，分流起始電壓4.20V，滯環電壓等於零，即4.20V以下，不分流。
④獨立的過流保護電路，自耗僅幾微安，與保護晶片配合靈活，允許使用N溝道MOSFET。
⑤電流線與電壓線分開連接，避免線路電流對檢測到的電池電壓的不利影響。
⑥設計有休眠狀態，自耗電流進一步降低。
⑦在非緊湊應用場合，採用本快速均衡充電控制，可縮短充電時間。
1、電晶體耦合電路(見圖3)，電晶體Q1，Q2和Q3以及電阻R1，R2，R3，R4和R5構成電晶體耦合電路。電晶體耦合電路的A端接保護晶片IC1過放輸出控制信號DCHG1，電晶體耦合電路的B端接保護晶片IC2過放輸出控制信號DCHG2，電晶體耦合電路的Y端接放電開關MOSTET的G極，實現兩個保護晶片與MOSFET的耦合。
未發生過放情況下，DCHG1和DCHG2均為高電平，即外接端A等於外接端P的電位，外接端B等於外接端Q的電位，此時Q1和Q2的發射結電壓均等於零，Q1和Q2均截止，因此，Q3亦截止，外接端Y被上拉電阻R5拉到外接端Q電位，即放電開關MOSTET的G極處於高電平，放電開關MOSTET處於導通狀態。從而使整個保護板處於正常放電狀態。
如果IC2管理的鋰離子電池中有一節電池放電到過放保護電壓或更低時，此時DCHG2輸出低電平，Q2發射結處於正向偏置，經電阻R4向Q3提供偏置電流，使Q3導通，外接端Y與外接端R的電位相等，即放電開關MOSTET的G極處於低電平而截止，使保護電路關斷電池組的放電，完成過放保護功能。
如果IC1管理的鋰離子電池中有一節電池放電到過放保護電壓或更低時，此時DCHG1輸出低電平，Q1發射結處於正向偏置，經電阻R2向Q3提供偏置電流，使Q3導通，放電開關MOSTET處於截止狀態，實現過放保護功能。
本實用新型中電晶體耦合系電流耦合方式。IC1的DCHG1的電位變化控制Q1能否向Q3提供基極偏置電流，IC2的DCHG2的電位變化控制Q2能否向Q3提供基極偏置電流，同樣的道理，也可以引入IC3向Q3提供基極偏置電流，能對多於8節電池串聯的鋰離子電池組實現保護控制。因此，它適用的範圍更大，電路簡單。本發現中電晶體選用高耐壓VCEO＝120V，小功率電晶體，反向漏電流極小ICEO＜0.1μA。R1，R2和R3選用470K～1M，以極小工作電流完成做信號電平轉移。從而實現降低整個保護電路的自耗電流。
充電控制MOSTET的電平轉移，與上述方法是一樣的，只是要考慮在處於過放保護時電平轉移用電晶體應處於截止狀態，過充保護時處於導通狀態。在過放保護狀態時，放電電平轉移和充電電平轉移電晶體均處於截止狀態，自耗電流小於1μA，這一低功耗設計是本實用新型目的。
2、均衡充電分流電路(見圖4)。選用單串保護電路Ic檢測被分流電池電壓，以它的過充保護電壓作分流的開關控制，分流起始電壓＝4.20V，滯環電壓＝0，即停止分流的電壓＜4.20V。
均衡充電分流電路的M端接被分流的電池正極，N端接電池的負極。當電池電壓VR1≥4.20V，IC過充保護輸出控制MOSFET導通，電池通過MOSFET和R1放電使電池的充電電流減少，使電池在充電過程中電壓上升減慢，或不再上升，當充電快結束時，充電電流小於MOSFET分流電流時，電池電壓開始下降，下降到4.20V時，MOSFET關斷，停止分流。
在多串電池組情況下，各節電池電壓可能不同，先達到4.20V的那節電池首先被分流，這時由於充電電流還較大，此電池電壓仍然會緩慢上升，未達到4.20V的電池充電電流相對稍大，隨著電池組電壓的上升，充電電流會逐漸減少。當減少到與分流電流處於同一個數量級時，選到達4.20V那節電池電壓較高，通過均衡分流，該節電池電壓將下降，這一下降的電壓將轉移到還未完全充滿的電池上去，從而使組內每一節電池電壓都在4.20V左右，當充電電流小於1/5分流電流時，即可認為各電池均已充滿，完成全部充電過程。
對於緊湊型電池組，分流電流可選用30-60mA，對於18650電池2Ah容量，如果電量相差20％，即0.4Ah。第一次充電要完成完全充滿，均衡充電需時8小時。在以後的充電過程中，各電池荷電量的差別將較小，完成均衡充電的時間一般1小時即可。
3、獨立的過流監測與保護控制電路(圖5)。
大多數保護晶片IC採用頂邊過流檢測方式，此類IC適用於配P溝道的MOSFET。大電流情況下，P溝道MOSFET相對於N溝道的要貴很多。為降低成本，使用N溝道與頂邊過流檢測的IC配合，就不能使用IC原來的過流檢測輸入，需要另外做獨立的過流檢測及保護控制電路。
獨立的過流監測與保護電路見圖5，I端連接放電開關MOSFET漏極，P1連接工作電源正極，R1連接工作電源負極，L端連接放電開關MOSFET柵極。放電電流的取樣電阻即放電開關MOSFET的導通電阻RON，因而，I端輸入的電壓與放電電流成比例。D2上的正向電壓經R6，R7分壓由運算放大器的另一端輸入，作為設定的過流保護的電壓值。當放電電流達到或大於設定值時，通過運算放大器使三極體Q1由截止變為導通，使放電開關MOSFET關斷，停止放電，從而實現過流保護。
R1和C1構成過流保護的延遲時間，一般應選R1＝1M，延遲時間2-5ms為宜。D1為鉗位二極體，當轉為過流保護時，放電MOSFET截止，MOSFET漏極上的電壓等於電池組電壓，由於二極體D1的鉗位作用，使運放輸入端電壓最大不超過0.6V，從而保證運放的安全。
為降低功耗，運放選用自耗電流極低的CMOS型運放。
4、充放電流線與電壓檢測線分開充電或放電電流經Pack+端(見圖7)，連線A及接線端子B1P』到達B1的正極，再B1負極，B2正極，B2負極……B7負極，接線端子B7N』，連線B，MOSFET到達Pack-端，連線A與連線B上會產生明顯的電壓降，這些降壓應算做負載的一部分，不允許它影響到電池電壓的測量值，為此IC的電壓測量端應直接接到每節電池的正負極上，不包括負載電流在連接的導線上引起的電壓降。電池B7的負極到端子B7N』之間電阻也許很小，但不等零。當電流較大時會產生較大電壓降，如果電流線與電壓線不分開，共用一根引線，那麼IC檢測到的B7電壓將為B7電壓減去B7N』到電池負極引線上的電壓降，電流越大，這個電壓降亦越大。
5、快速均衡充電分流電路(見圖6)此電路中使用一個比較器，將被測電池電壓與基準相比較，當電池電壓低於4.20V，不發生分流，當大於4.20V且小於4.25V時分流電流與電池電壓成比例增加，大於4.25V分流電流最大，約等於充電電流。
由於分流電流很大，被分流電池電壓絕不會大於4.25V，而前述的緊湊型分流，此電路中使用一個比較器，將被測電池電壓與基準相比較，當電池電壓低於4.20V，不發生分流，當大於4.20V且小於4.25V時分流電流與電池電壓成比例增加，大於4.25V分流電流最大，約等於充電電流。
由於分流電流很大，被分流電池電壓絕不會大於4.25V，而前述的緊湊型分流，電池電壓有可能上升到4.30V，之後再慢慢分流，降到4.20V，花費時間長，效率低。
權利要求1.一種多晶片控制鋰離子電池組保護模塊，其特徵在於連接在多個串聯的鋰離子電池的每個電池上的均衡充電分流電路和鋰離子電池保護晶片IC，鋰離子電池保護晶片連接電晶體耦合電路，電晶體耦合電路連接獨立的過流監測與保護電路，電晶體耦合電路連接MOSFET電路，MOSFET電路連接電池，MOSFET電路連接獨立的過流監測與保護電路，電晶體耦合電路連接過流監測與保護電路。
2.根據權利要求1所述的多晶片控制鋰離子電池組保護模塊，其特徵在於具有均衡充電分流電路，均衡充電分流電路採用電池保護晶片IC做均衡充電分流檢測和控制，電池保護晶片IC的電源腳Vcc與MOSFET電路的S極連接作為外接端M與單節鋰離子電池的正極連接，電池保護晶片IC電路的過充輸出腳連接MOSFET電路的控制極G，MOSFET電路的D極連接電阻R1，電阻R1的另一端連接電池保護晶片IC的電源腳Vss，作為負輸入端N，負輸入端N連接單節鋰離子電池的負極。
3.根據權利要求2所述的多晶片控制鋰離子電池組保護模塊，其特徵在於過充保護電壓≥4.20V，滯環電壓＝0，即過充保護釋放電壓＜4.20V。
4.根據權利要求1所述的多晶片控制鋰離子電池組保護模塊，其特徵在於所述的電晶體耦合電路，它的一種結構形式是三極體Q1的發射極作為外接端P與電池正極相連；三極體Q1的基極連接電阻R1，電阻R1的另一端作為外接端A與電池保護晶片IC的DS1端過充輸出腳相連；三極體Q1的集電極連接電阻R2，電阻R2的另一端連接三極體Q3的基極和電阻R4，電阻R4另一端連接三極體Q2的集電極；三極體Q3的集電極連接電阻R5並作為外接輸出端Y與MOSFET電路的S極相連；電阻R5另一端連接三極體Q2的發射極並作為外接端Q與電源電池中間端相連；三極體Q2的基極連接電阻R3，電阻R3的另一端作為另一個輸入控制外接端B與第二個電池保護晶片IC2的DS2端相連；三極體Q3的發射極作為外接端R與電源電池負極相連。
5.根據權利要求1所述的多晶片控制鋰離子電池組保護模塊，其特徵在於所述的獨立的過流監測與保護電路做放電電流檢測並輸出控制信號，MOSFET電路的S極連接輸入端I；端I連接電阻R1，電阻R1另一端連接電容C1和二極體D1和運算放大器U1的輸入端；運算放大器U1的另一輸入端連接電容器C2和電位器R7滑動端，取得過流基準電壓，電容C2的另一端接地；電位器R7的一端接地，電位器R7的另一端與電阻R6相連，電阻R6的另一端連接電阻R4和二極體D2，電阻R4的另一端與電阻R5和二極體D3相連；二極體D3另一端接地，二極體D3是11V瞬變電壓抑制器；電阻R5連接電容C3作為外接端PI，外接端PI連接電池電源正端，電容C3另一端接地；接地端作為外接端RI。運算放大器U1的輸出端連接電阻R2，電阻R2另一端連接電阻R3和耦合三極體Q3的基極；三極體Q3的發射極接地、電阻R3的另一端接地，二極體D2的另一端接地，二極體D1的另一端接地，電容C1的另一端接地；三極體Q3的集電極作為過流保護輸出外接端L連接MOSFET電路的D極。
專利摘要一種多晶片控制鋰離子電池組保護模塊，連接在多個串聯的鋰離子電池的每個電池上的均衡充電電路和鋰離子電池保護晶片，鋰離子電池保護晶片接電晶體耦合電路，電晶體耦合電路連接獨立的過流監測與保護電路，電晶體耦合電路連接MOSFET電路，MOSFET電路連接電池和獨立的過流監測與保護電路，電晶體耦合電路接過流監測與保護電路。特點自耗電流低。電池在過充保護髮生動作前進行分流，避免過充，獨立的過流保護控制，避免充電或放電電流在引線上的電壓降對檢測到的電池電壓的不良影響，過放後電路進入休眠狀態，自耗電流大大降低。不至於深度過放，損壞電池。快速均衡充電。縮短整個電池組的充電時間，又保證每節電池不發生過充。
文檔編號H01M10/42GK2676428SQ20032011207
公開日2005年2月2日 申請日期2003年10月30日 優先權日2003年10月30日
發明者由志德, 施雲海 申請人:天津力神電池股份有限公司