本發明涉及電源管理技術，具體涉及一種可以串聯應用的電池組保護電路及其保護方法。

背景技術：

在市場上現有的電池管理系統中，對于多節電池串聯構成的電池組，其過充電保護方式是以斷開充電回路的方式進行保護，過放電保護方式則是以斷開放電回路的方式進行保護，這類電池組在單獨使用時沒有問題，可以起到良好的保護作用，但是這類電池組無法串聯使用，電池組的組合應用會有一定的局限性。市場上現有的高壓電池組，例如240v的通信備電用高壓直流電池組和500v以上的電動大巴車用鋰離子電池組，雖然是由電池組模塊構成，但是電池組模塊都不具有保護功能，只在總的充放電回路上設有高壓直流接觸器為保護控制開關。

現有電池管理系統的保護方法，對于過充電保護方式是以斷開充電回路的方式進行保護，過放電保護方式則是以斷開放電回路的方式進行保護，這導致電池組無法再串聯使用，因為電池組串聯使用后電池系統的總電壓很高，例如5個48v電池組串聯成了240v電池組，而每個48v電池組通常采用的是80v耐壓的mosfet為保護開關，而耐壓超過150v的mosfet很少而且內阻會大非常多，使用時發熱量非常大，當5個電池組串聯應用后，如果其中一個電池組的保護控制動作，其mosfet保護開關上將承受240v的高壓，超過80v耐壓值而擊穿該mosfet，使電池組完全失去保護作用。這導致高電壓應用的鋰離子電池組，比如電動汽車電池組、電動大巴車電池組、電力儲能電池組等等，只能在總的串聯回路上采用耐高壓的直流接觸器(即車用繼電器)實現一級保護，而無法實現針對每個電池組或電池模塊的獨立保護，對每個電池組或電池模塊只起監測作用，無法起到保護作用。

技術實現要素：

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種串聯應用的電池組保護電路及其保護方法，可以實現電池組的保護，在電池組保護控制動作時，電池組的輸出端呈現為旁路導通狀態，允許電流流過，該技術使得電池組可以單獨使用，也可以將多個電池組串聯成為高壓電池組使用，串聯使用后，每個電池組或電池模塊仍然具有獨立的保護作用，并不影響串聯回路中其它電池組的輸入和輸出，可以大大提高電池組的安全性和擴展應用性。

本發明的一個目的在于提出一種可以串聯應用的電池組保護電路。

本發明的電池組保護電路，電池組單獨使用，或者多個電池組串聯成為高電壓電池組使用，每一個電池組連接一個電池組保護電路，每一個電池組保護電路包括：第一和第二場效應晶體管以及電壓檢測控制電路；其中，電壓檢測控制電路具有正輸入端、負輸入端、第一控制端和第二控制端；電壓檢測控制電路的正輸入端與電池組的正極、第一場效應晶體管的漏極以及輸出正極相連接；電壓檢測控制電路的負輸入端與電池組的負極和第二場效應晶體管的源極相連接；電壓檢測控制電路的第一控制端與第一場效應晶體管的柵極相連接；電壓檢測控制電路的第二控制端與第二場效應晶體管的柵極相連接；第一場效應晶體管的源極和第二場效應晶體管的漏極與輸出負極相連接；電池組處于靜止狀態、充電狀態或放電狀態；如果電池組單獨使用，當電池組處于靜止狀態，輸出正極和輸出負極位于空載狀態，當電池組處于充電狀態，輸出正極和輸出負極連接至外部的充電器，當電池組處于放電狀態，輸出正極和輸出負極接至負載；如果多個電池組串聯使用，相鄰的兩電池組的輸出正極與輸出負極相連接，第一個電池組的輸出正極與最后一個電池組的輸出負極分別作為串聯電池組的總輸出正極和總輸出負極，當串聯電池組處于靜止狀態，總輸出正極和總輸出負極位于空載狀態，當串聯電池組處于充電狀態，總輸出正極和總輸出負極連接至外部的充電器，當串聯電池組處于放電狀態，總輸出正極和總輸出負極接至負載；在充電或放電過程中，當電壓檢測控制電路檢測到所在電池組保護電路的電池組的電壓高于過充電保護設置電壓或者低于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路的第二控制端輸出低電平，第二場效應晶體管關斷，第一輸出端輸出高電平，第一場效應晶體管導通，此電池組的輸出正極與輸出負極之間呈現旁路導通狀態。

進一步，電壓檢測控制電路的正輸入端與電池組的正極串聯有熔斷器，如果第一和第二場效應晶體管短路，則熔斷器熔斷，從而對電池組起保護作用。

場效應晶體管可以采用n溝道場效應晶體管，也可以采用p溝道場效應晶體管。在同樣的耐壓情況下，p溝道場效應晶體管的內阻更大，并且價錢更昂貴，因此本發明采用n溝道場效應晶體管。

電壓檢測控制電路包括依次連接的電壓檢測電路、電池欠壓過壓判斷電路以及輸出控制電路；其中，電壓檢測電路對電池電壓進行檢測，將檢測得到的電池電壓值輸入至電池欠壓過壓判斷電路進行比較和判斷，將比較和判斷結果輸入至輸出控制電路，輸出控制電路根據電壓判斷結果對第一和第二輸出端進行控制；電壓檢測電路的第一和第二輸入端作為電壓檢測控制電路的正輸入端和負輸入端，輸出控制電路的第一和第二輸出端作為電壓檢測控制電路第一控制端和第二控制端。

本發明的另一個目的在于提供一種可以串聯應用的電池組保護電路的保護方法。

電池組單獨使用，或者多個電池組串聯使用。

本發明的多個電池組串聯使用的電池組保護電路的保護方法，包括以下步驟：

1)將每一個電池組連接一個電池組保護電路：

i.電壓檢測控制電路的負輸入端與電池組的負極和第二場效應晶體管的源極相連接；

ii.電壓檢測控制電路的第一控制端與第一場效應晶體管的柵極相連接；

iii.電壓檢測控制電路的第二控制端與第二場效應晶體管的柵極相連接；

iv.第一場效應晶體管的源極和第二場效應晶體管的漏極與輸出負極相連接；

2)將多個電池組串聯，相鄰的兩電池組的輸出正極與輸出負極相連接，第一個電池組的輸出正極與最后一個電池組的輸出負極分別作為串聯電池組的總輸出正極和總輸出負極；

3)在電壓檢測控制電路中設置過充電保護設置電壓、過充電保護恢復電壓、過放電保護設置電壓和過放電保護恢復電壓；

4)電池組處于靜止狀態、充電狀態或放電狀態：

a)當電池組處于靜止狀態時，總輸出正極和總輸出負極位于空載狀態，在每一個電池組保護電路中，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態；

b)當電池組處于充電狀態時，總輸出正極和總輸出負極連接至外部的充電器，每一個電壓檢測控制電路檢測其所在電池組保護電路的電池組的電壓：

如果電池組的電壓低于過充電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，電池組正常充電；

如果電池組的電壓高于過充電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路先將第二控制端輸出低電平，關斷第二場效應晶體管，再將第一輸出端輸出高電平，使得第一場效應晶體管導通，這時此電池組的輸出正極與輸出負極之間呈現旁路導通狀態，充電電流從第一場效應晶體管流過，不再對電池組充電；此時，由于輸出正極和輸出負極之間為導通狀態，充電器對串聯電池組中的其他的電池組繼續充電；

當外部充電器移去或電池組的電壓低于過充電保護恢復電壓時，電壓檢測控制電路先將第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，再將第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，這時電池組恢復正常充電狀態；

c)當電池組處于放電狀態時，總輸出正極和總輸出負極連接至外部的負載，每一個電壓檢測控制電路檢測其所在電池組保護電路的電池組的電壓：

如果電池組的電壓高于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，電池組正常放電；

如果電池組的電壓低于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路先將第二控制端輸出低電平，關斷第二場效應晶體管，再將第一輸出端輸出高電平，使得第一場效應晶體管導通，這時此電池組的輸出正極與輸出負極之間呈現旁路導通狀態，放電電流從第一場效應晶體管流過，不再對負載放電；此時，由于輸出正極和輸出負極之間為導通狀態，串聯電池組中的其他的電池組繼續對負載放電；

當外部的負載移去或電池組的電壓高于過放電保護恢復電壓時，電壓檢測控制電路先將第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，再將第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，這時電池組恢復正常放電狀態。

其中，在步驟1)中，還包括在電壓檢測控制電路的正輸入端與電池組的正極串聯熔斷器，如果第一和第二場效應晶體管短路，則熔斷器熔斷，從而對電池組起保護作用。

在步驟3)中，對于n節串聯構成的鋰離子電池組，其過充電保護設置電壓和過充電保護恢復電壓在n×3.6～n×4.4之間，但過充電保護恢復電壓小于過充電保護設置電壓，例如10節串聯的三元材料鋰離子電池，其過充電保護設置電壓為42.8v，過充電保護恢復電壓為41v；其過放電保護設置電壓和過放電保護回復電壓在n×2.0～n×3.0之間，但過放電保護回復電壓大于過放電保護設置電壓，例如10節串聯的三元材料鋰離子電池，其過充電保護設置電壓為28v，過放電保護回復電壓為32v，n為≥2的自然數。

本發明的電池組單獨使用的電池組保護電路的保護方法，包括以下步驟：

1)將電池組連接電池組保護電路：

i.電壓檢測控制電路的負輸入端與電池組的負極和第二場效應晶體管的源極相連接；

ii.電壓檢測控制電路的第一控制端與第一場效應晶體管的柵極相連接；

iii.電壓檢測控制電路的第二控制端與第二場效應晶體管的柵極相連接；

iv.第一場效應晶體管的源極和第二場效應晶體管的漏極與輸出負極相連接；

2)在電壓檢測控制電路中設置過充電保護設置電壓、過充電保護恢復電壓、過充電保護恢復電壓和過放電保護恢復電壓；

3)電池組處于靜止狀態、充電狀態或放電狀態：

a)當電池組處于靜止狀態時，輸出正極和輸出負極位于空載狀態，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態；

b)當電池組處于充電狀態時，輸出正極和輸出負極連接至外部的充電器，電壓檢測控制電路檢測電池組的電壓：

如果電池組的電壓低于過充電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，電池組正常充電；

如果電池組的電壓高于過充電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路先將第二控制端輸出低電平，關斷第二場效應晶體管，再將第一輸出端輸出高電平，使得第一場效應晶體管導通，這時此電池組的輸出正極與輸出負極之間呈現旁路導通狀態，充電電流從第一場效應晶體管流過，不再對電池組充電；

當外部充電器移去或電池組的電壓低于過充電保護恢復電壓時，電壓檢測控制電路先將第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，再將第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，這時電池組恢復正常充電狀態；

c)當電池組處于放電狀態時，輸出正極和輸出負極連接至外部的負載，電壓檢測控制電路檢測電池組的電壓：

如果電池組的電壓高于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，電池組正常放電；

如果電池組的電壓低于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路先將第二控制端輸出低電平，關斷第二場效應晶體管，再將第一輸出端輸出高電平，使得第一場效應晶體管導通，這時此電池組的輸出正極與輸出負極之間呈現旁路導通狀態，放電電流從第一場效應晶體管流過，不再對負載電；

當外部的負載移去或電池組的電壓高于過放電保護恢復電壓時，電壓檢測控制電路先將第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，再將第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，這時電池組恢復正常放電狀態。

其中，在步驟2)中，過充電保護設置電壓和過充電保護恢復電壓在3.6～4.4之間，但過充電保護恢復電壓小于過充電保護設置電壓；過放電保護設置電壓和過放電保護回復電壓在2.0～3.0之間，但過放電保護回復電壓大于過放電保護設置電壓。

在步驟1)中，還包括在電壓檢測控制電路的正輸入端與電池組的正極串聯熔斷器，如果第一和第二場效應晶體管短路，則熔斷器熔斷，從而對電池組起保護作用。

本發明的優點：

本發明采用兩個場效應晶體管和電壓檢測控制電路，當電池組在充電中電壓高于過充電保護設置電壓，或者在放電過程中電壓低于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路關斷第二場效應晶體管，導通第一場效應晶體管，電池組的輸出端之間呈現旁路導通狀態，不再對電池組充電或放電，此時，由于輸出端為導通狀態，串聯電池組中的其他的電池組繼續充電或放電；并且對電池組保護控制用的場效應晶體管只需要承受電池組本身的電壓，不需要承受高電壓，因此本發明能夠實現多個電池組的串聯應用，并且電池系統中的每個電池組都有獨立的保護功能，使電池組的設計與生產可以模塊化、歸一化，并使得電池組可以實現象積木式的串聯堆疊應用，提高了電池組應用的可擴展性，由于每個電池組都有獨立的保護控制，還能夠大大的提高電池系統的安全性。

附圖說明

圖1為本發明的一個電池組保護電路的一個實施例的電路圖；

圖2為本發明的電池組保護電路的電壓檢測控制電路一個實施例的結構框圖；

圖3為本發明的多個電池組串聯的電池組保護電路的一個實施例的電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發明。

實施例一

本實施例中，電池組單獨使用。

如圖1所示，本實施例的電池組保護電路包括：第一和第二n溝道場效應晶體管n-mosfet1和n-mosfet2以及電壓檢測控制電路；其中，電壓檢測控制電路具有正輸入端in+、負輸入端in-、第一控制端ctrl1和第二控制端ctrl2；電壓檢測控制電路的正輸入端in+與串聯有熔斷器f1的電池組的正極、第一n溝道場效應晶體管n-mosfet1的漏極以及輸出正極out+相連接；電壓檢測控制電路的負輸入端in-與電池組的負極和第二n溝道場效應晶體管n-mosfet2的源極相連接；電壓檢測控制電路的第一控制端ctrl1與第一n溝道場效應晶體管n-mosfet1的柵極相連接；電壓檢測控制電路的第二控制端ctrl2與第二n溝道場效應晶體管n-mosfet2的柵極相連接；第一n溝道場效應晶體管n-mosfet1的源極以及第二n溝道場效應晶體管n-mosfet2的漏極與輸出負極out-相連接。

電池組處于靜止狀態、充電狀態或放電狀態；當電池組處于靜止狀態，輸出正極out+和輸出負極out-位于空載狀態，當電池組處于充電狀態，輸出正極out+和輸出負極out-連接至外部的充電器，當電池組處于放電狀態，輸出正極out+和輸出負極out-接至負載。

如圖2所示，電壓檢測控制電路依次連接的電壓檢測電路、電池欠壓過壓判斷電路以及輸出控制電路；其中，電壓檢測電路對電池電壓進行檢測，將檢測得到的電池電壓值輸入至電池欠壓過壓判斷電路進行比較和判斷，將比較和判斷結果輸入至輸出控制電路，輸出控制電路根據電壓判斷結果對第一和第二輸出端進行控制；電壓檢測電路的第一和第二輸入端in1和in2作為電壓檢測控制電路的正輸入端in+和負輸入端in-，輸出控制電路的第一和第二輸出端out1和out2作為電壓檢測控制電路第一控制端ctrl1和第二控制端ctrl2。

實施例二

在本實施例中，10個電池組串聯使用。

如圖3所示，本實施例中，10個電池組串聯，相鄰的兩電池組的輸出正極與輸出負極相連接，第一個電池組的輸出正極與最后一個電池組的輸出負極分別作為串聯電池組的總輸出正極和總輸出負極；每一個電池組連接一個電池組保護電路，一個電池組保護電路同實施例一。

在本實施例中，過充電保護設置電壓為42.8v；過放電保護設置電壓為28v；過充電保護恢復電壓為41v；過放電保護恢復電壓為32v。

當串聯電池組處于靜止狀態，總輸出正極和總輸出負極位于空載狀態，當串聯電池組處于充電狀態，總輸出正極和總輸出負極連接至外部的充電器，當串聯電池組處于放電狀態，總輸出正極和總輸出負極接至負載。

當電池組處于靜止狀態時，總輸出正極和總輸出負極位于空載狀態，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態。

當電池組處于充電狀態時，總輸出正極和總輸出負極連接至外部的充電器，每一個電壓檢測控制電路檢測其所在電池組保護電路的電池組的電壓：

a.如果電池組的電壓低于過充電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，電池組正常充電；

b.如果電池組的電壓高于過充電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路先將第二控制端輸出低電平，關斷第二場效應晶體管，再將第一輸出端輸出高電平，使得第一場效應晶體管導通，這時此電池組的輸出正極與輸出負極之間呈現旁路導通狀態，充電電流從第一場效應晶體管流過，不再對電池組充電；此時，由于輸出端為導通狀態，充電器對串聯電池組中的其他的電池組繼續充電；

c.當外部充電器移去或電池組的電壓低于過充電保護恢復電壓時，電壓檢測控制電路先將第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，再將第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，這時電池組恢復正常充電狀態。

當電池組處于放電狀態時，總輸出正極和總輸出負極連接至外部的負載，每一個電壓檢測控制電路檢測其所在電池組保護電路的電池組的電壓：

a.如果電池組的電壓高于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路的第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，同時電壓檢測控制電路的第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，電池組正常放電；

b.如果電池組的電壓低于過放電保護設置電壓時，電壓檢測控制電路先將第二控制端輸出低電平，關斷第二場效應晶體管，再將第一輸出端輸出高電平，使得第一場效應晶體管導通，這時此電池組的輸出正極與輸出負極之間呈現旁路導通狀態，放電電流從第一場效應晶體管流過，不再對負載放電；此時，由于輸出端為導通狀態，串聯電池組中的其他的電池組繼續對負載放電；

c.當外部的負載移去或電池組的電壓高于過放電保護恢復電壓時，電壓檢測控制電路先將第一控制端輸出低電平，使得第一場效應晶體管處于關斷狀態，再將第二控制端輸出高電平，使得第二場效應晶體管處于導通狀態，這時電池組恢復正常放電狀態。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于實施例所公開的內容，本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。