CN209344812U - 一种电池保护电路及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池保护电路及系统，该电路包括：第一主控模块、第二主控模块、以及与所述第一主控模块连接的均衡电路模块和与所述第二主控模块连接的充电保护模块，其中，所述均衡电路模块的数量与所述电池组中单体电芯的数量相同，所述均衡电路模块通过第一开关元件一一对应连接所述电池组里每个单体电芯，所述第一主控模块用于分别独立控制每一所述均衡电路模块对应的第一开关元件于断开和闭合之间切换，当所述第一开关元件闭合时，所述均衡电路模块与对应的所述单体电芯之间形成放电回路，所述充电保护模块与第二主控模块连接，用于实现对所述均衡电路模块对应连接的所述单体电芯的充电控制。

Description

一种电池保护电路及系统

技术领域

本实用新型涉及电池管理，尤其涉及一种电池保护电路及系统。

背景技术

当今电子产品一般都需要安装电池，以便人们的使用。电池实质是一种聚合化合物，电池充放电过程实质上是其内部进行电能与化学能相互转换的化学反应。然而，电池过充电和过放电将会导致电池内部发生化学副反应，损伤电池的性能和使用寿命，甚至严重时会发生爆炸等危害人身安全的情况。

因此，在电池的充电电路中需要加入过充保护电路，用于对电池的充电状态进行有效监测。已知的电池的充电电路中，充电保护电路和电压均衡电路与同一个控制芯片连接，由于每个电池单体内部阻抗不同，多个串联电池同时充电，内部阻抗小的电池最先充满，因而在多串电池组充电过程中，基于现有充电电路，会发生当一个电池电压达到最大电压时，关闭充电，启用充电保护电路进入过充保护状态，再启动电压均衡电路给电池放电，直到该电池电压放电下降到某个阈值时，才能继续进行充电。这样，需要保证充电器一直与电池组连接，方能通过电压均衡电路使得电池单体的电压偏差能够保持在预期范围内，否则，随着充放电循环的增加以及充电过程中充电器与电池组之间反复开断，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。

实用新型内容

为解决现有存在的技术问题，本实用新型实施例提供一种电池保护电路及系统，能够有效实现均衡和安全充电。

为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本实用新型实施例提供一种电池保护电路，用于对具有至少一个单体电芯的电池组进行均衡处理，所述电路包括：第一主控模块、第二主控模块、以及与所述第一主控模块连接的均衡电路模块和与所述第二主控模块连接的充电保护模块，其中，所述均衡电路模块与所述电池组中单体电芯的数量相同，所述均衡电路模块通过第一开关元件一一对应连接所述电池组里每个单体电芯，所述第一主控模块用于分别独立控制每一所述均衡电路模块对应的所述第一开关元件于断开和闭合之间切换，当所述第一主控模块检测到单体电芯的电压达到第一阈值时，控制对应的第一开关元件闭合，所述均衡电路模块与对应的所述单体电芯之间形成放电回路，所述充电保护模块一端与第二主控模块连接，所述充电保护模块另一端连接所述电池组里所述均衡电路模块对应连接的所述单体电芯，用于实现对所述均衡电路模块对应连接的所述单体电芯的充电控制。

其中，所述电路还包括放电保护模块，所述放电保护模块与所述第二主控模块连接，用于实现对所述电池组的放电控制。

其中，所述电路还包括与所述充电保护模块连接的充电模块和与所述放电保护模块连接的放电模块，所述充电模块用于对所述电池组充电，所述放电模块用于对所述电池组放电。

其中，所述充电保护模块包括连接于所述第二主控模块和所述对应单体电芯电池组之间的第一选择电路，所述第一选择电路一端与所述第二主控模块相连，另一端与所述充电模块连接，所述第二主控模块用于在所述单体电芯的电压达到第二阈值时，控制所述第一选择电路断开，控制所述单体电芯停止充电，其中，所述第一阈值为4.15，所述第二阈值为4.2。

其中，所述第一选择电路包括第二开关元件和第一电阻，所述第二开关元件一端与所述第二主控模块连接，一端连接电源正极，另一端与所述第一电阻连接，所述第一电阻另一端与所述充电模块连接。

其中，所述放电保护模块包括连接于所述第二主控模块和所述对应的单体电芯之间的第二选择电路，所述第二选择电路一端与所述第二主控模块相连，另一端与所述放电模块连接，所述第二主控模块用于在所述单体电芯的电压达到第三阈值，控制所述第二选择电路断开，控制所述电池组停止放电。

其中，每一所述均衡电路模块还包括与对应的第一开关元件连接的第三电阻，所述第一开关元件的一端与所述第一主控模块连接，一端连接对应的单体电芯正极，另一端与所述第三电阻连接，所述第一主控模块用于在对应的单体电芯的电压达到第一阈值时，控制对应的开关元件闭合，所述第三电阻通过所述开关元件与对应的所述单体电芯形成放电回路。

其中，所述电路还包括与所述第一主控模块连接的第一电容和与所述第二主控模块连接的第二电容，所述第一电容与所述电池组中的所述单体电芯并联，并与所述第一主控模块连接，所述第一电容两端的电压为对应的所述单体电芯的电压，所述第二电容与所述电池组中的所述单体电芯并联，并与所述第二主控模块连接，所述第二电容两端的电压为所述对应的单体电芯的电压。

第二方面，本实用新型实施例提供一种电池保护系统，包括具有至少一个单体电芯的电池组及电池保护电路，所述电池保护电路为如本实用新型任一实施例所述电路。

本实用实施例提供的电池保护电路及系统，该电池保护电路用于对有至少一个单体电芯的电池组进行均衡处理充电，所述电路包括：第一主控模块、第二主控模块、以及与所述第一主控模块连接的均衡电路模块和与所述第二主控模块连接的充电保护模块，其中，所述均衡电路模块、充电保护模块的数量与所述电池组中单体电芯的数量相同，所述均衡电路模块通过第一开关元件一一对应连接所述电池组里每个单体电芯，所述第一主控模块用于分别独立控制每一所述均衡电路模块对应的第一开关元件于断开和闭合之间切换，当所述第一开关元件闭合时，所述均衡电路模块与对应的所述单体电芯之间形成放电回路，所述充电保护模块与第二主控模块连接，用于实现对所述均衡电路模块对应连接的电池组单体电芯的充电控制。所述均衡电路模块和充电保护模块分别由对应的主控模块独立控制，且所述均衡电路模块和充电保护模块均分别与电池组的单体电芯一一对应连接，从而可以分别独立实现对单体电芯的均衡充电以及防止过充电，均衡电路模块对电池进行电压均衡时无需依赖于充电保护电路使得其中一个电芯电压达到充满状态后再启动，从而在任意充电场景下，电压均衡电路均能有效独立的工作使得电池组中电池单体的电压偏差均能够保持在预期范围，控制更加精准。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中电池保护电路的组成示意框图；

图2为本实用新型一实施例中电池保护电路的具体组成结构示意图；

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实用新型的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

这里需要说明的是，本实用新型实施例所提及的电池组是由多个单体电芯串联组成的。

本实用新型实施例一方面提供一种电池保护电路，用于对具有至少一个单体电芯101的电池组进行均衡处理，参阅图1，所述电路包括第一主控模块102，第二主控模块103，均衡模块104以及充电保护模块105，所述第一主控模块102与均衡模块104连接，所述均衡电路模块104的数量与所述电池组中单体电芯101的数量相同，所述均衡电路模104块通过第一开关元件106一一对应连接所述电池组里每个单体电芯101，所述第一主控模块102用于分别独立控制每一所述均衡电路模块对应的第一开关元件106于断开和闭合之间切换，当所述第一开关元件106闭合时，所述均衡电路模块104与对应的所述单体电芯之间形成放电回路，所述充电保护模块105与第二主控模块103连接，用于实现对所述均衡电路模块104对应连接的所述单体电芯的充电控制。

这里，所述第一主控模块102和所述第二主控模块103是微控制单元(Micro-controller Unit，MCU)芯片，第一主控模块102通过不同的引脚控制不同单体电芯101所对应的第一选择开关元件106的断开和闭合，起到所述均衡电路模块相当于一个负载，起到给电池充电电流分流的作用，因此，均衡电路模块104可以为电阻、发光二极管等功率器件。充电保护模块105实现的是对单体电芯101实行过充保护的功能，所述过充保护是指电池持续充电时，电芯电压超过规定的最高电压，例如4.2V，为防止电芯损害或发生安全问题，电池保护电路断开电芯充电电路，让电芯停止充电。

为更清楚理解均衡模块在电池保护电路中的连接方式，以均衡模块包括电阻为例，每一所述均衡电路模块104还包括与对应的第一开关元件106连接的第三电阻，所述第一开关元件104的一端与所述第一主控模块102连接，一端连接对应的单体电芯101正极，另一端与所述第三电阻连接，所述第一主控模块102用于在对应的单体电芯101的电压达到第一阈值时，控制对应的第一开关元件104闭合，所述第三电阻通过所述第一开关元件104与对应的所述单体电芯101形成放电回路。所述第一阈值是低于单体电芯规定的最高电压一设定范围的值，例如若单体电芯规定的最高电压为4.2V，则第一阈值可设定为4.15V。

在本实用新型实施例提供的电池保护电路，采用所述第一主控模块102、所述第一开关元件106、以及所述均衡电路模块104组成电路与所述单体电芯101形成放电回路，所述放电回路能分流电池组的充电电流，从而实现单体电芯缓慢充电。所述第二主控模块103与所述充电保护模块105连接，所述充电保护模块105与所述单体电芯101连接，从而实现当启用充电保护模块105后，仅对应的单体电芯101停止充电，并且通过均衡电路模块104进行放电，而电池组内其他单体电芯仍可以充电，进而实现电池组充电完毕后，各个单体电芯电之间电压差异小、保证了安全充电，以及在充电过程中，充电电流持续和稳定。

在一个实施例中，所述电路还包括放电保护模块107，所述放电保护模块107与第二主控模块连接103，用于实现对所述电池组的放电控制。

这里，所述放电保护模块107实现对电池组的放电保护功能，所述过放电保护是指在电芯放电时，电芯电压低于规定的最低电压例如2.3V时，为防止电芯永久性损害，电池保护电路断开放电电路，电芯停止放电。为实现这个功能，可以采用两种方案，一种是电池组内单个电芯低于最低电压，则断开整个电池组的放电回路；二是电池组内单个电芯低于最低电压，则仅断开对应电芯的放电支路，其他电芯仍可以放电。

在本实用新型实施例中，所述电路采用放电保护模块107，实现对电池组的过放电保护，达到防止由于过放电造成的电池损害。

在一实施例，所述电路还包括与所述充电保护模块105连接的充电模块108和与所述放电保护模块电路107连接的放电模块109，所述充电模块108对所述电池组充电，所述放电模块109用于对所述电池组放电。

这里需要说明的是，电池组通过充电模块108与充电器相连，即可实现对电池组的充电。电池组通过放电模块109与负载相连，即可实现对电池组的放电。

在一个实施例中，所述充电保护模块105包括连接于所述第二主控模块103和所述对应单体电芯101之间的第一选择电路，所述第一选择电路一端与所述第二主控模块102相连，另一端与所述充电模块108连接，所述第二主控模块103用于在所述单体电芯101的电压达到第二阈值时，控制所述第一选择电路断开，控制所述单体电芯101停止充电。

这里，所述充电保护模块105包括第一选择电路，第一选择电路由第二主控模块102控制，用于实现所述单体电芯的过充保护。所述第二阈值为所述单体电芯规定的最高电压值，例如4.2V。例如，在充电过程中，当第二主控模块103读取到单体电芯的电压达到4.2V时，第二主控模块103控制该单体电芯所对应的第一选择电路断开，所述单体电芯断离电池组的充电回路，停止充电。

其中，所述第一选择电路包括第二开关元件和第一电阻；所述第二开关元件一端与所述第二主控模块102连接，一端连接电源正极，另一端与所述第一电阻连接，所述第一电阻另一端与所述充电模块108连接。该第二开关元件可以是三极管或场效应管等开关元件。

在一个实施例中，所述放电保护模块107包括连接于所述第二主控模块103和所述对应的单体电芯之间的第二选择电路，所述第二选择电路一端与所述第二主控模块103相连，另一端与所述放电模块109连接，所述第二主控模块103用于在所述单体电芯101的电压达到第三阈值，控制所述第二选择电路断开，控制所述电池组停止放电。

这里，所述充电保护模块107包括第二选择电路，第二选择电路由第二主控模块102控制，用于实现所述单体电芯的过放电保护。所述第三阈值为所述单体电芯规定的最低电压值，例如2.3V。例如，在放电过程中，当第二主控模块103读取到单体电芯的电压达到2.3V时，第二主控模块103控制该单体电芯101所对应的第二选择电路断开，所述电池组的放电回路断开，电池组停止充电。

其中，所述第二选择电路包括第三开关元件和第二电阻，所述第三开关元件一端与所述第二主控模块103连接，一端连接电源正极，另一端与所述第二电阻连接，所述第二电阻另一端与所述放电模块109连接。该第三开关元件可以是三极管或场效应管等开关元件。

在一个实施例中，所述电路还包括电路还包括与所述第一主控模块102连接的第一电容和与所述第二主控模块103连接的第二电容，所述第一电容与所述电池组中的所述单体电芯101并联，并与所述第一主控模块102连接，所述第一电容两端的电压为对应的所述单体电芯101的电压，所述第二电容与所述电池组中的所述单体电芯101并联，并与所述第二主控模块103连接，所述第二电容两端的电压为所述对应的单体电芯101的电压。

这里，第一主控模块102和第二主控模块103可以分别利用对应电容的电容特性来获取单体电芯101的电压值。具体地，第一、二电容两端分别与所述单体电芯101的正负极相连，采用直流充电，所述电容两端电压就与所述单体电芯101的电压相同。第一电容与第一主控模块102的两个引脚相连，第一主控模块102通过读取数据，经A/D转换，获取到所述单体电芯值。同理，第二电容与第二主控模块102的两个引脚相连，第二主控模块102通过读取数据，经A/D转换，获取到所述单体电芯101值。

在本实用实施例中，由于在均衡充电中以单体电芯电压为结束标志，因此，采用第一电容和第二电容并联于单体电芯两端，实现第一、二电容的电压与该单体电芯电压相同。采用单体电芯电压作为参考，可以将各个电芯的电压限制在期望的电压范围内，确保各电池电量的均衡。

然而，若采用电池组整体电压作为均衡充电的结束标志也是可以的。具体地，与上述实施例不同，在该电池保护电路中，第二电容可以并联于电池组两端，均衡模块连接方式不变，充电保护模块与电池组相连，若在第二电容的电压达到第一阈值时，进行均衡充电，若达到第二阈值，电池组通过充电保护模块105断开充电回路，电池组停止充电。在均衡充电结束后，所述电池组各个电芯的电压都在期望电压范围内。

本实用新型提供另一方面，还提供一种电池保护电路的具体结构电路，请参略图2，以单体电芯对应的电池保护电路为例进行说明，其中，第二选择开关及第三选择开关分别采用PNP三极管，充电保护模块105和放电保护模块107为充放保护电路201，均衡模块104为均衡电路204，需要说明的是，上述两种电路可以通过其他外围电路与电芯相连。所述充放保护电路201，包括PNP三极管T1和T2，电阻R1和R2，以及第一控制芯片U1。其中，

所述充放保护电路201中元件连接结构是：所述第一控制芯片U1的引脚1与引脚2分别于所述电容C1的两端相连，所述电容C1与所述第一控制芯片U1的引脚1相连的一端与所述单体电芯的正极B1相连，所述电容C1与所述第一控制芯片U1的引脚2相连的一端与所述单体电芯的负极B2相连，此时，所述第一控制芯片U1通过读取引脚1和2的数据，经内部运算，即能得到所述单体电芯电压值。所述PNP三极管T1的基极与第一控制芯片U1的引脚3连接，所述PNP三极管T1的发射极与所述电芯正极B1相连，所述PNP三极管T1的集电极与电阻R1连接，电阻R1的另一端连接放电选择端202，放电选择端202与放电回路相连，所述第一芯片U1的引脚3为过放电保护执行端。所述PNP三极管T2的基极与第一控制芯片U1的引脚4连接，所述PNP三极管T1的发射极与所述电芯正极B1相连，所述PNP三极管T2的集电极与电阻R2连接，电阻R1的另一端连接充电选择端203，所述充电选择端203与所述电芯充电回路连接，所述第一芯片U1的引脚4为过充电保护执行端。

所述均衡电路204中元件连接结构是：所述第二控制芯片U2的引脚1与引脚2分别于所述电容C2的两端相连，所述电容C2与所述第二控制芯片U2的引脚1相连的一端与所述单体电芯的正极B1相连，所述电容C2与所述第二控制芯片U2的引脚2相连的一端与所述单体电芯的负极B2相连，此时，所述第二控制芯片U2通过读取引脚1和2的数据，经内部运算，即能得到所述单体电芯电压值。所述PNP三极管T3的基极与第二控制芯片U2的引脚4连接，所述PNP三极管T3的发射极与所述电芯正极B1相连，所述PNP三极管T3的集电极与电阻R3连接，电阻R3的另一端与电芯正极B2相连。

为能够理解对本实用新型实施例的电池保护电路的工作原理，以所述电池保护电路工作在正常充电、均衡充电、过充保护以及过放保护等四种状态为例进行说明，其中，预设电芯均衡电压为V1，电芯最高电压为V2以及电芯最低电压为V3，V1略小于V2，电芯实时电压为V4，

所述第二控制芯片U2读取电容C2电压V4，当V4大于V3且小于V1时，电池保护电路工作在正常充电情况下，第一控制芯片U1的引脚3和4输出高电平，第二控制芯片U2的引脚3输出低电平，PNP三极管T1导通，PNP三极管T2导通，电流I1从PNP三极管T1经过R1流向充电选择端202，充电回路导通，电芯正常充电工作；

当V4大于等于V1，且小于V2时，电池保护电路工作在均衡充电情况下，第一控制芯片U1的引脚3和4输出高电平，PNP三极管T1导通，PNP三极管T2导通，电流I1从PNP三极管T1经过R1流向充电选择端202，闭合充电回路，第二控制芯片的引脚3输出高电平，PNP三极管T3导通，电阻R3与电芯串联，充电回路导通，电芯的充电电流变小，电芯进入均衡充电；

当V4等于V2时，电池保护电路工作在过充保护情况下，第一控制芯片U1的引脚3从高电平变为低电平，PNP三极管T1不导通，充电回路不导通，电芯停止充电；

当V4小于等于V3时，电池保护电路工作在过放保护情况下，第一控制芯片U1的引脚4从高电平变为低电平，PNP三极管T2不导通，放电回路不导通，电芯停止放电。

这里需要说明的是，形成充电回路还需要在电芯两端加入充电器，或者形成放电回路还需断开充电器，加入负载。

在本实用新型实施例中，第一控制芯片U1的引脚分别与PNP三极管T1以及PNP三极管T2相连，形成了单体电芯的充放保护电路201，第二控制芯片U2的引脚与PNP三极管T3相连形成了均衡电路，以单体电芯的测量电压为参考标准，对电芯充放电状态进行控制，达到充电电流稳定和持续，防止电芯出现过充和过放的现象，减少对电芯的损害，最后电芯电压能在一个期望的电压范围内。

本实用新型实施又一方面，提供一种电池保护系统，所述系统包括本实用新型任一实施例提供的电池保护电路以及具有至少一个单体电芯的电池组。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围以准。

Claims (10)

1.一种电池保护电路，用于对具有至少一个单体电芯的电池组进行均衡处理，其特征在于，所述电路包括：第一主控模块、第二主控模块、以及与所述第一主控模块连接的均衡电路模块和与所述第二主控模块连接的充电保护模块，其中，所述均衡电路模块的数量与所述电池组中单体电芯的数量相同，所述均衡电路模块通过第一开关元件一一对应连接所述电池组里每个单体电芯，所述第一主控模块用于分别独立控制每一所述均衡电路模块对应的第一开关元件于断开和闭合之间切换，当所述第一主控模块检测到单体电芯的电压达到第一阈值时，控制对应的第一开关元件闭合，所述均衡电路模块与对应的所述单体电芯之间形成放电回路，所述充电保护模块一端与第二主控模块连接，所述充电保护模块另一端连接所述电池组里所述均衡电路模块对应连接的所述单体电芯，用于实现对所述均衡电路模块对应连接的所述单体电芯的充电控制。

2.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述电路还包括放电保护模块，所述放电保护模块与第二主控模块连接，用于实现对所述电池组的放电控制。

3.如权利要求2所述电路，其特征在于，所述电路还包括与所述充电保护模块连接的充电模块和与所述放电保护模块连接的放电模块，所述充电模块用于对所述电池组充电，所述放电模块用于对所述电池组放电。

4.如权利要求3所述电路，其特征在于，所述充电保护模块包括连接于所述第二主控模块和所述对应单体电芯之间的第一选择电路，所述第一选择电路一端与所述第二主控模块相连，另一端与所述充电模块连接，所述第二主控模块用于在所述单体电芯的电压达到第二阈值时，控制所述第一选择电路断开，控制所述单体电芯停止充电，其中，所述第一阈值为4.15，所述第二阈值为4.2。

5.如权利要求4所述电路，其特征在于，所述第一选择电路包括第二开关元件和第一电阻，所述第二开关元件一端与所述第二主控模块连接，一端连接电源正极，另一端与所述第一电阻连接，所述第一电阻另一端与所述充电模块连接。

6.如权利要求3所述电路，其特征在于，所述放电保护模块包括连接于所述第二主控模块和所述对应的单体电芯之间的第二选择电路，所述第二选择电路一端与所述第二主控模块相连，另一端与所述放电模块连接，所述第二主控模块用于在所述单体电芯的电压达到第三阈值，控制所述第二选择电路断开，控制所述电池组停止放电。

7.如权利要求6所述电路，其特征在于，所述第二选择电路包括第三开关元件和第二电阻，所述第三开关元件一端与所述第二主控模块连接，一端连接电源正极，另一端与所述第二电阻连接，所述第二电阻另一端与所述放电模块连接。

8.如权利要求1所述电路，其特征在于，每一所述均衡电路模块还包括与对应的第一开关元件连接的第三电阻，所述第一开关元件的一端与所述第一主控模块连接，一端连接对应的所述单体电芯正极，另一端与所述第三电阻连接，所述第一主控模块用于在对应的单体电芯的电压达到第一阈值时，控制对应的第一开关元件闭合，所述第三电阻通过所述第一开关元件与对应的所述单体电芯形成放电回路。

9.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述电路还包括与所述第一主控模块连接的第一电容和与所述第二主控模块连接的第二电容，所述第一电容与所述电池组中的所述单体电芯并联，并与所述第一主控模块连接，所述第一电容两端的电压为对应的所述单体电芯的电压，所述第二电容与所述电池组中的所述单体电芯并联，并与所述第二主控模块连接，所述第二电容两端的电压为所述对应的单体电芯的电压。

10.一种电池保护系统，包括具有至少一个单体电芯的电池组及电池保护电路，其特征在于，所述电池保护电路为如权利要求1-9中任一项所述电路。