充電電池的過充電保護裝置的製作方法

2023-10-17 15:12:54

專利名稱：充電電池的過充電保護裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種充電電池組控制電路，尤其涉及一種充電電池的過充電保護裝置。
背景技術：
現有作為高容量可充電電池的鋰離子電池，其由於沒有記憶效應而成為理想的充 電電池。當鋰離子電池應用於電子產品、電機或車輛等動力產品中時，往往需要將多節鋰離 子電池串聯使用，以達到動力產品所需的電壓。例如，在筆記本電腦上，通常採用3 4節 鋰離子電池串聯起來形成11. IV或14. 8V的電池系統。然而，串聯電池不可避免地由於電 池單體的電壓、電氣特性差異，會出現每組串聯電池中每個電池的電壓和容量皆有差異，該 種差異經過多次的充放電循環後會變得越來越明顯，從而嚴重影響串聯電池系統的壽命和 可靠性。尤其是採用目前常用的快速充電器進行充電時，此種影響更加明顯。持續大電流 的充電極易造成其中某些電池電壓過高，長期處於過充狀態，而其他電池電壓則無法充滿。 這樣，使得整體串聯電池的容量整體下降。而且，會造成過充的電池出現老化現象，壽命大 大降低。故此，基於此問題，通常在多節電池串聯繫統中一般會增加平衡控制電路，以平衡 每組電池中單體電芯之間的電壓，提高電池系統的循環壽命和可靠性。請參考圖1，目前常用的充電電池的過充電保護裝置3，一般採用的平衡控制電路 100為採用被動的平衡方式，即在每節電芯上並聯一個電阻和一個開關，開關由平衡控制電 路100控制，平衡控制電路100會對每節電芯的電壓進行監控，當發現其中一個電芯的電壓 異常後，即對開關進行控制，從而控制充電控制電路200的動作。具體為，若發現其中一個 電芯的電壓過高時，將和該電芯並聯的開關閉合，則，會有一部分的充電電流通過相應的電 阻被旁路掉，從而減緩該電芯的充電速度。此種被動平衡方式能實現一定的平衡效果，然而，其多餘的能量(電壓高的電芯 存儲了多餘能量)皆通過平衡電阻以熱能的方式消耗掉，效果不佳，而且容易造成平衡電 阻過度發熱，引起電池使用時溫度過高，安全性欠佳。

發明內容
本發明的目的在於針對上述現有技術的不足提供一種充電電池的過充電保護裝 置，其可實現電池由大電流快速充電轉至小電流慢速充電，從而平衡多節電池之間的電壓 及容量，防止電池過充，從而延長電池的使用壽命及提高電池的安全可靠性。為實現上述目的，本發明充電電池的過充電保護裝置包括檢測電路、充電控制電 路、平衡控制電路及保護晶片。所述檢測電路及所述保護晶片的輸入端分別與電池連接，以 對電池電壓進行檢測，並分別輸出不同的檢測信號。所述充電控制電路的輸入端與所述保 護晶片的輸出端連接，並根據相應的所述檢測信號而進行慢速充電動作。所述平衡控制電 路與所述檢測電路的輸出端連接，並根據相應的所述檢測信號啟動而進行平衡充電動作。
如上所述，本發明充電電池的過充電保護裝置能使充電電池在進行大電流的快速 充電，其電壓達一定值後，平衡控制電路根據相應的檢測信號而啟動，並使充電控制電路進 入小電流的慢速充電，從而使充電模式從大電流充電轉為小電流充電，使得電池組中較高 電壓的電池持續消耗能量，而其他電池則進行小電流充電以持續增加能量，從而使多節充 電電池之間的電壓及容量趨於平衡，防止了電池過飽和充電，從而延長電池的使用壽命及 提高電池的安全可靠性。


圖1是一種傳統的充電電池的過充電保護裝置的示意圖。圖2是本發明充電電池的過充電保護裝置的一個實施例的示意圖。圖3是如圖2所示充電電池的過充電保護裝置的詳細示意圖。圖4是如圖3所示充電電池的過充電保護裝置的電路示意圖。圖5是如圖4所示充電電池的過充保護裝置的平衡控制電路的動作示意圖。圖6是本發明充電電池的過充電保護裝置的另一實施例的示意圖。圖7是如圖6所示充電電池的過充電保護裝置的電路示意圖。圖中各附圖標記說明如下充電電池的過充電保護裝置1、2
檢測電路10差動放大電路11
比較電路13基準電壓源15
充電控制電路20快速充電控制開關21
慢速充電控制開關23控制開關25
平衡控制電路30保護晶片50
光耦合開關電路70發光二極體71
電晶體73P型場效應管Q5-I
N型場效應管Q8、Q9第一輸出端CHG
第二輸出端PF限流電阻Rl
耗能電阻R具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、所達成的目的及功效，以下結合實施例並配合附 圖予以詳細說明。請參閱圖2-圖4，本發明充電電池的過充電保護裝置1的第一個實施例包括檢測 電路10、充電控制電路20、平衡控制電路30及保護晶片50。其中，檢測電路10與保護芯 片50分別用於檢測多節電池間的電壓狀況並輸出不同的檢測信號，充電控制電路20與保 護晶片50連接，並根據相應的檢測信號而進行慢速充電動作，平衡控制電路30與檢測電路 10連接，並根據相應的檢測信號啟動而進行平衡充電動作。如圖所示，檢測電路10包括差動放大電路11、比較電路13及基準電壓源15。本 實施例中，該基準電壓源15採用TL431晶片，其為檢測電路10的比較電路13提供一基準 電壓值，該基準電壓值可人為調節。差動放大電路11包括若干差動放大器，比較電路13包括若干比較器，差動放大器與比較器的個數因充電電池的節數不同而相應設定，本實施例 中，充電電池、差動放大器及比較器的個數為4。差動放大器的兩輸入端分別與兩節電池連 接，以比較兩節電池之間的電壓差，差動放大器的輸出端與比較器的一輸入端連接，以將差 動放大器的比較結果送至比較器。比較器的另一輸入端與基準電壓源15相接，比較器將差 動放大器輸出的結果電壓與基準電壓值進行比較，並輸出不同的檢測信號。具體地，若差動 放大器輸出的結果電壓低於基準電壓值時，則比較電路13關閉平衡控制電路30，若差動放 大器輸出的結果電壓高於基準電壓值時，則比較電路13啟動平衡控制電路30。充電控制電路20包括快速充電控制開關21、慢速充電控制開關23及控制開關 25。本實施例中採用的保護晶片50為0Z8952晶片。該保護晶片50與電池及充電控制電路 20連接，以對電路中發生的過壓、過電流、過電壓情況進行監控檢測。保護晶片50檢測各節 電池的電壓，若其中一節電池的電壓高於基準電壓值時，保護晶片50的第一輸出端CHG與 第二輸出端PF分別輸出檢測信號給快速充電控制開關21與控制開關25，從而使其分別進 行不同動作。以下將有詳細描述。具體地，該快速充電控制開關21分別與保護晶片50的第一輸出端CHG及電池連 接，具體地，該快速充電控制開關21包括P型場效應管Q6及二極體。該P型場效應管Q6根 據保護晶片50的第一輸出端CHG輸出的檢測信號而導通，從而啟動快速充電控制開關21， 以對電池進行大電流的快速充電動作。其中，該保護晶片50與快速充電控制開關21的P 型場效應管Q6的柵極連接，以控制P型場效應管Q6的導通及截止。該慢速充電控制開關23包括P型場效應管Q5及二極體。充電控制電路20還包 括一限流電阻R1，限流電阻Rl與該慢速充電控制開關23連接，若慢速充電控制開關23導 通時，限流電阻Rl限制充電電流而提供低電流給充電電池。兩充電控制開關21、23的外圍 還具有電容、電阻、保險絲、二極體等元件。該控制開關25的輸入端與保護晶片50的第二輸出端PF連接，控制開關25的輸 出端與慢速充電控制開關23連接，以控制該慢速充電控制開關23的導通。具體的描述請 參見下文。在本實施例中，平衡控制電路30包括若干平衡控制單元，相應地，平衡控制單元 的個數為4，每兩節充電電池之間設有一個平衡控制單元。每一平衡控制單元均由P型場效 應管、二極體及耗能電阻R2組成。每一平衡控制單元的P型場效應管的柵極均與相應的比 較電路13的輸出端連接，P型場效應管之間通過相應的漏極及射極連接。具體地，控制開關25包括P型場效應管Q7及N型場效應管Q8，P型場效應管Q7 的射極與基準電壓源15連接，柵極與保護晶片50的第二輸出端PF連接，以接收第二輸出 端PF的檢測信號，而漏極則與N型場效應管Q8的柵極連接。N型場效應管Q8的漏極與慢 速充電控制開關23的P型場效應管Q5的柵極連接，從而啟動慢速充電控制開關23，以使電 池進入低電流的慢速充電動作。—方面，保護晶片50與充電電池連接從而獲取各節充電電池的電壓，若其中一節 電池的電壓高於基準電壓值時，保護晶片50的第一輸出端CHG輸出檢測信號，使得與其連 接的快速充電控制開關21進入截止狀態，S卩，快速充電路徑被斷開；另一方面，控制開關25 與慢速充電控制開關23連接，P型場效應管Q7及N型場效應管Q8相繼導通，從而導通慢 速充電控制開關23，使得電池進入慢速充電狀態。此時，充電模式由大電流充電轉為小電流
5充電。請參閱圖4與圖5，現舉例說明本發明平衡控制電路30的啟動時的工作狀況。若 檢測電路10與保護晶片50分別檢測出第三節電池的電壓高於基準電壓值時，檢測電路10 與保護晶片50分別輸出檢測信號，保護晶片50輸出的檢測信號使快速充電路徑被斷開，慢 速充電路徑被導通，此時，充電模式由大電流充電轉為小電流充電，而小充電電流被提供給 節電池，檢測電路10輸出的檢測信號使連接於第三節電池與第二節電池之間的平衡控制 單元導通，而其它平衡控制單元導通斷開，所以，小充電電流將分別流經各節電池，由於平 衡控制單元導通，第三節電池亦會輸出電流給平衡控制單元，當第三節電池輸出電流給平 衡控制單元時，該電流將被平衡控制單元的耗能電阻R2所消耗(如圖5箭頭所示)。所以 第三節電池將持續消耗能量，而其它節電池以小電流充電持續增加能量使得多節充電電池 之間的電壓及容量趨於平衡，防止了電池過飽和充電，從而延長電池的使用壽命及提高電 池的安全可靠性。圖6、圖7為本發明充電電路的過充電保護裝置2的第二個實施例的示意圖。本 實施例中，該充電電路的過充電保護裝置2還包括光耦合開關電路70。該耦合光開關電路 70包括發光二極體71及電晶體73。發光二極體71電耦接至平衡控制電路30的輸出端， 用以根據平衡控制電路30的信號決定是否發光。而電晶體73電耦接至控制開關25，並根 據發光二極體71的發光與否而決定電晶體73的阻抗，而使控制開關25導通或截止。具體地，該控制開關25為N型場效應管Q9，該N型場效應管Q9分別與充電控制 電路20及保護晶片50相連。具體地，本實施例中，該保護晶片50為S-82M晶片。其中， N型場效應管Q9的柵極與光耦合開關電路70的輸出端連接，漏極與快速充電控制開關21 連接，而射極則分別與保護晶片50及慢速充電控制開關23連接，用以控制充電控制電路20 由快速充電狀態轉為慢速充電狀態。充電初期，快速充電控制開關21處於導通狀態。當平衡控制電路30因接收比較 電路13相應的檢測信號而被啟動時，其輸出的信號送至光耦合開關電路70，光耦合開關電 路70隨之啟動，並使控制開關25，即N型場效應管Q9截止。此時，N型場效應管Q9使得與 其漏極相接的快速充電控制開關21截止，而與其射極相接的慢速充電控制開關23導通，從 而使電池進入慢充充電狀態。此時，充電模式從大電流充電轉為小電流充電，使能量較低的 電池進行充電工作，能量較高的電池進行耗電工作，使得各電池的電壓、容量趨於平衡，防 止了電池的過飽和充電，從而延長電池的使用壽命及提高電池的安全可靠性。綜上所述，本發明充電電池的過充電保護裝置1，2能使充電電池在進行大電流的 快速充電後，平衡控制電路30啟動並使充電控制電路20的快速充電控制開關21截止，而 導通慢速充電控制開關23，從而進入小電流的慢速充電，從而使充電模式從大電流充電轉 為小電流充電，而平衡控制電路30的啟動，使得電池組中較高電壓的電池持續消耗能量， 而其他電池則進行小電流充電以持續增加能量，從而使多節充電電池之間的電壓及容量趨 於平衡，防止了電池過飽和充電，從而延長電池的使用壽命及提高電池的安全可靠性。
權利要求
1.一種充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於，包括檢測電路、充電控制電路、平 衡控制電路及保護晶片；所述檢測電路及所述保護晶片的輸入端分別與電池連接，以對電池電壓進行檢測，並 分別輸出不同的檢測信號；所述充電控制電路的輸入端與所述保護晶片的輸出端連接，並根據相應的所述檢測信 號而進行慢速充電動作；所述平衡控制電路與所述檢測電路的輸出端連接，並根據相應的所述檢測信號啟動而 進行平衡充電動作。
2.如權利要求1所述的充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於所述檢測電路包括 差動放大電路、比較電路及基準電壓源，所述差動放大電路與電池連接，用以比較電池之間 的電壓差，所述比較電路的輸入端分別與差動放大電路的輸出端及所述基準電壓源連接， 所述比較電路的輸出端與所述平衡控制電路的輸入端連接。
3.如權利要求2所述的充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於所述充電控制電路 包括快速充電控制開關、慢速充電控制開關，所述快速充電控制開關與所述保護晶片的輸 出端連接。
4.如權利要求3所述的充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於所述充電控制電路 還包括控制開關，所述控制開關的輸入端與所述保護晶片的輸出端連接，所述控制開關的 輸出端與所述慢速充電控制開關連接，從而控制所述慢速充電控制開關的導通動作。
5.如權利要求4所述的充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於所述控制開關與所 述保護晶片連接，所述控制開關的輸出端與所述快速充電控制開關連接，並根據所述保護 晶片的檢測信號從而控制所述快速充電控制開關的截止動作。
6.如權利要求5所述的充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於還包括光耦合開關 電路，所述光耦合開關電路的輸入端耦接至所述平衡控制電路的輸出端，所述光耦合開關 電路的輸出端與所述控制開關的輸入端連接。
7.如權利要求1所述的充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於所述平衡控制電路 包括P型場效應管、二極體及耗能電阻。
8.如權利要求4所述的充電電池的過充電保護裝置，其特徵在於所述控制開關包括N 型場效應管。
全文摘要
本發明公開了一種充電電池的過充電保護裝置，其包括檢測電路、充電控制電路、平衡控制電路及保護晶片。所述檢測電路及所述保護晶片的輸入端分別與電池連接，以對電池電壓進行檢測，並分別輸出不同的檢測信號。所述充電控制電路的輸入端與所述保護晶片的輸出端連接，並根據相應的所述檢測信號而進行慢速充電動作。所述平衡控制電路與所述檢測電路的輸出端連接，並根據相應的所述檢測信號啟動而進行平衡充電動作。本發明可實現電池由大電流快速充電轉至小電流慢速充電，同時平衡多節電池之間的電壓及容量，防止電池過充，從而延長電池的使用壽命及提高電池的安全可靠性。
文檔編號H02H7/18GK102122812SQ200910214099
公開日2011年7月13日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者唐福來, 張男勝, 林世傑, 王川榮, 陳信瑋 申請人:富港電子(崑山)有限公司, 正崴精密工業股份有限公司