一种基于温度检测的电池保护电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种基于温度检测的电池保护电路。

背景技术

锂离子电池广泛的应用在生产生活的方方面面，包括电动车、手机、移动电源、电动螺丝刀等等设备。在所有的环境因素中，温度对锂离子电池的充放电性能影响极大，在电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，温度上升即锂离子电池输出功率会上升。温度也影响电解液属的传送速度，温度上升则加快，传送温度下降，传送减慢，电池充放电性能也会受到影响。但温度太高超过45℃会破坏电池内的化学平衡，导致副反应；假如锂离子电池长时间在低温环境下工作和充放电，电池阳极表面会析出金属锂，这是个不可逆的过程，会对锂离子电池容量造成永久性损害。

在设计电池保护板时，如何可靠地识别电池的温度是否在设定的范围内是一个需要解决的问题，因为一旦在安全温度范围外对电池进行充电或放电操作，轻则会导致电池寿命下降，重则会导致起火或爆炸等安全事故。对于温度识别方法，采用温度开关的保护方案存在因体积大无法灵活设置、成本高昂的缺点；采用单片机或者CPU加上温度传感器的方案存在成本高、功耗高的缺点。目前看到其他专利描述的方案，迟滞电压比较功能，当温度在特定温度范围为不断跳动时，极易出现频繁充放电的情况，影响电池寿命。

发明内容

本发明提供了一种基于温度检测的电池保护电路，以解决现有的温度识别保护电路成本高，以及温度变化时充放电过程不稳定的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于温度检测的电池保护电路，包括：稳压管、第一迟滞电压比较电路、第二迟滞电压比较电路和逻辑开关电路；

其中，所述稳压管通过限流电阻与系统的电源连接，所述稳压管还与所述第一迟滞电压比较电路的输入端和所述第二迟滞电压比较电路的输入端连接；所述第一迟滞电压比较电路的输出端与所述逻辑开关电路的第一输入端连接；所述第二迟滞电压比较电路的输出端与所述逻辑开关电路的第二输入端连接；

所述稳压管用于为所述第一迟滞电压比较电路和所述第二迟滞电压比较电路提供基准电压；

所述第一迟滞电压比较电路用于根据所述基准电压，在环境温度逐渐降低并小于第一温度范围的最小值时，输出第一电平，并在环境温度逐渐升高并大于所述第一温度范围的最大值时，输出第二电平；

所述第二迟滞电压比较电路用于根据所述基准电压，在环境温度逐渐升高并大于第二温度范围的最大值时，输出第二电平，并在环境温度逐渐降低并小于所述第二温度范围的最小值时，输出第一电平；所述第二温度范围的最小值大于所述第一温度范围的最大值；

所述逻辑开关电路用于在所述第一输入端接收到第二电平，并且，在所述第二输入端接收到第一电平时，使电池充放电的电源通路导通；以及用于在所述第一输入端接收到第一电平，或者，所述第二输入端接收到第二电平时，使电池充放电的电源通路断开。

本发明通过稳压管为两个迟滞比较电路提供稳定的基准电压，使两个迟滞比较电路所输出的电平仅受环境温度的影响，避免因输入电压的波动影响逻辑开关电路频繁通断电池充放电的电源通路；而迟滞电压比较电路并不需要使用单片机或CPU实现，降低了生产成本；此外，第一迟滞电压比较电路不会在环境温度升高和降低时在同一温度节点改变输出电平，而第二迟滞电压比较电路也不会在温度升高和降低时在同一温度节点改变输出电平，从而避免因温度在临界点频繁变化导致电池充放电过程频繁变化，提高了在温度变化的情况下电池充放电过程的稳定性。

进一步地，所述第一迟滞电压比较电路还用于在环境温度于所述第一温度范围内变化时，保持输出第一电平或第二电平。

进一步地，所述第二迟滞电压比较电路还用于在环境温度于所述第二温度范围内变化时，保持输出第一电平或第二电平。

本发明中的两个迟滞电压比较电路在环境温度于各自的温度范围内变化时，保持输出某一电平，而不会在两种输出电平之间往复变化，从而配合逻辑开关电路提高在温度变化的过程中电池充放电的稳定性。

进一步地，所述第一迟滞电压比较电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一热敏电阻和第一电压比较器；其中，所述第一电阻的阻值、所述第二电阻的阻值和所述第四电阻的阻值与所述第一热敏电阻在第一预设温度时的阻值相同；所述第一预设温度为所述第一温度范围的中值；

所述第一电压比较器的同相端与所述第一电阻的第一端、第二电阻的第一端和所述第三电阻的第一端连接；

所述第一电压比较器的反相端与所述第一热敏电阻的第一端和所述第四电阻的第一端连接；

所述第一电压比较器的输出端与所述第三电阻的第二端和所述第一迟滞电压比较电路的输出端连接；

所述第一电阻的第二端与所述第一迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第二电阻的第二端与电路地连接；

所述第一热敏电阻的第二端与所述第一迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第四电阻的第二端与电路地连接。

本发明通过第一电压比较器和包括第一热敏电阻在内分压电阻进行电压比较，当环境温度逐渐高于第一预设温度或环境温度逐渐低于第一预设温度时，实现输出电平的转换，因需使用单片机或CPU而成本较低；而第三电阻构成反馈电阻，使第一电压比较器结合分压电阻成为迟滞电压比较器，在第一温度范围内不会因环境温度变化导致输出电平的改变，从而结合逻辑开关电路提高电池充放电过程在温度变化时的稳定性。

进一步地，所述第一热敏电阻为负温度系数的热敏电阻。

进一步地，所述第一电压比较器为高压单路差分比较器，包括：AS331比较器。

进一步地，所述第二迟滞电压比较电路包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二热敏电阻和第二电压比较器；其中，所述第五电阻的阻值、所述第六电阻的阻值和所述第八电阻的阻值与所述第二热敏电阻在第二预设温度时的阻值相同；所述第二预设温度为所述第二温度范围的中值；

所述第二电压比较器的同相端与所述第五电阻的第一端、第六电阻的第一端和所述第七电阻的第一端连接；

所述第二电压比较器的反相端与所述第二热敏电阻的第一端和所述第八电阻的第一端连接；

所述第二电压比较器的输出端与所述第七电阻的第二端和所述第二迟滞电压比较电路的输出端连接；

所述第五电阻的第二端与所述第二迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第六电阻的第二端与电路地连接；

所述第二热敏电阻的第二端与所述第二迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第八电阻的第二端与电路地连接。

本发明通过第二电压比较器和包括第二热敏电阻在内分压电阻进行电压比较，当环境温度逐渐高于第二预设温度或环境温度逐渐低于第二预设温度时，实现输出电平的转换，因需使用单片机或CPU而成本较低；而第七电阻构成反馈电阻，使第二电压比较器结合分压电阻成为迟滞电压比较器，在第二温度范围内不会因环境温度变化导致输出电平的改变，从而结合逻辑开关电路提高电池充放电过程在温度变化时的稳定性。

进一步地，所述第二热敏电阻为负温度系数的热敏电阻。

进一步地，所述第二电压比较器为高压单路差分比较器，包括：AS331比较器。

进一步地，所述逻辑开关电路包括非门、与门和开关管；

其中，所述非门的输入端与所述逻辑开关电路的第一输入端连接；

所述非门的输出端与所述与门的第一输入端连接；

所述与门的第二输入端与所述逻辑开关电路的第二输入端连接；

所述与门的输出端与所述开关管的控制端连接；

所述开关管的第一端和所述开关管的第二端连接在所述电池充放电的电源通路上。

附图说明

图1为本发明提供的基于温度检测的电池保护电路的一种实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的基于温度检测的电池保护电路的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

温度对放电性能的影响直接反应到放电容量和放电电压上。温度降低，电池内阻加大，电化学反应速度放慢，极化内阻迅速新增，电池放电容量和放电平台下降，影响电池功率和能量的输出。锂离子电池容量衰退都有电池极化的影响，即锂离子扩散速度跟不上电子的转移速度使得电池正极容纳的锂离子越来越少。在60℃的高温下这种极化过程进一步加剧，是导致锂离子电池容量衰减的根本原因。现有的温度保护电路采取的方式包括：

温度传感器加单片机/CPU的方式，该方式把采用硬件加软件的方式实现温度控制，温度传感器负责采集温度信号，包括模拟信号或者数字信号。然后在单片机中进行运算，根据预设在单片机或者CPU中温度值，进行对应操作。缺点是单片机或者CPU成本较高，很多简易的锂电池设备上，不允许单机或者CPU的存在。

热敏器件加单片机/CPU的方式，该方式跟前一种方式的不同在于输入端，不采用温度传感器，而是采用NTC或者PTC等温度敏感器件，通过外部分压的方式，连接到单片机或者CPU的ADC管脚；然后单片机或者CPU通过计算得到温度值。缺点与前一种方式相同。

温度开关的方式，该方式在电源通路上面，加一个温度开关。该开关能直接实现一定温度范围内的通断；但缺点是温度不够精确，一般都只能做到+/-5度的精度，而且复位温度的误差更大，达到了+/-8度，无法适用在对温度精度要求高的场合。

三极管加电阻构成的保护电路较为简洁，但当温度在特定温度附近来回变化时，电池就会一下子可以充放电，一下子不可以充放电，这将严重影响电池和后端产品的寿命。

而本发明为了解决以上问题，提出了一种基于温度检测的电池保护电路，实施例如下：

实施例一

请参照图1，为本发明提供的基于温度检测的电池保护电路的一种实施例的结构示意图，包括：稳压管、第一迟滞电压比较电路、第二迟滞电压比较电路和逻辑开关电路；

其中，所述稳压管通过限流电阻与系统的电源连接，所述稳压管还与所述第一迟滞电压比较电路的输入端和所述第二迟滞电压比较电路的输入端连接；所述第一迟滞电压比较电路的输出端与所述逻辑开关电路的第一输入端连接；所述第二迟滞电压比较电路的输出端与所述逻辑开关电路的第二输入端连接；

所述稳压管用于为所述第一迟滞电压比较电路和所述第二迟滞电压比较电路提供基准电压；

所述第一迟滞电压比较电路用于根据所述基准电压，在环境温度逐渐降低并小于第一温度范围的最小值时，输出第一电平，并在环境温度逐渐升高并大于所述第一温度范围的最大值时，输出第二电平；

所述第二迟滞电压比较电路用于根据所述基准电压，在环境温度逐渐升高并大于第二温度范围的最大值时，输出第二电平，并在环境温度逐渐降低并小于所述第二温度范围的最小值时，输出第一电平；所述第二温度范围的最小值大于所述第一温度范围的最大值；

所述逻辑开关电路用于在所述第一输入端接收到第二电平，并且，在所述第二输入端接收到第一电平时，使电池充放电的电源通路导通；以及用于在所述第一输入端接收到第一电平，或者，所述第二输入端接收到第二电平时，使电池充放电的电源通路断开。

在本实施例中，稳压管除了使用一般的稳压二极管外，还可使用BX84C4V7型号稳压芯片，可以为两个迟滞电压比较电路提供稳定的基准电源；此外，如果需要将基准电压设置在5.1V，则稳压管可以使用BX84C5V1稳压管。

在本实施例中，当环境温度小于第一温度范围的最小值时，两个迟滞稳压电路都输出第一电平，当环境温度大于第二温度范围的最大值时，两个迟滞稳压电路都输出第二电平，而在环境温度大于第一温度范围最大值且小于第二温度范围最小值时，第一迟滞电压比较电路输出第二电平，而第二迟滞电压比较电路输出第一电平；由逻辑开关电路的功能可知，只有在而在环境温度大于第一温度范围最大值且小于第二温度范围最小值时，两个迟滞电压比较电路的输出电平满足电池充放电的电源通路导通条件，从而在温度过低或温度过高时，及时断开电池充放电的电源通路，实现电池保护。

在本实施例中，第一温度范围为以第一预设温度为中心点的邻域；其中，第一预设温度可以为-10℃，第一温度范围可以为-11℃～-9℃。

在本实施例中，第二温度范围为以第二预设温度为中心点的邻域；其中，第一预设温度可以为60℃，第一温度范围可以为59℃～61℃。

在本实施例中，第一电平和第二电平可以分别为高电平和低电平。

进一步地，所述第一迟滞电压比较电路还用于在环境温度于所述第一温度范围内变化时，保持输出第一电平或第二电平。

进一步地，所述第二迟滞电压比较电路还用于在环境温度于所述第二温度范围内变化时，保持输出第一电平或第二电平。

在本实施例中，当环境温度从低于第一温度范围的最小值上升至第一温度范围内时，无论环境温度在第一温度范围内如何变化，第一迟滞电压比较电路的输出都保持在第一电平；当环境温度从高于第一温度范围的最大值降低至第一温度范围内时，无论环境温度在第一温度范围内如何变化，第一迟滞电压比较电路的输出都保持在第二电平。

在本实施例中，当环境温度从高于第二温度范围的最大值下降至第二温度范围内时，无论环境温度在第二温度范围内如何变化，第二迟滞电压比较电路的输出都保持在第二电平；当环境温度从低于第二温度范围的最小值降低至第二温度范围内时，无论环境温度在第二温度范围内如何变化，第二迟滞电压比较电路的输出都保持在第一电平。

本发明中的两个迟滞电压比较电路在环境温度于各自的温度范围内变化时，保持输出某一电平，而不会在两种输出电平之间往复变化，从而配合逻辑开关电路提高在温度变化的过程中电池充放电的稳定性。

请参照图2为，本发明提供的基于温度检测的电池保护电路的另一种实施例的结构示意图，其中，所述第一迟滞电压比较电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R4、第四电阻R3、第一热敏电阻NTC1和第一电压比较器U2；其中，所述第一电阻R1的阻值、所述第二电阻R2的阻值和所述第四电阻R3的阻值与所述第一热敏电阻NTC1在第一预设温度时的阻值相同；所述第一预设温度为所述第一温度范围的中值；

所述第一电压比较器U2的同相端与所述第一电阻R1的第一端、第二电阻R2的第一端和所述第三电阻R4的第一端连接；

所述第一电压比较器U2的反相端与所述第一热敏电阻NTC1的第一端和所述第四电阻R3的第一端连接；

所述第一电压比较器U2的输出端与所述第三电阻R4的第二端和所述第一迟滞电压比较电路的输出端连接；

所述第一电阻R1的第二端与所述第一迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第二电阻R2的第二端与电路地连接；

所述第一热敏电阻NTC1的第二端与所述第一迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第四电阻R3的第二端与电路地连接。

在本实施例中，第一迟滞电压比较电路的温度检测的过程例如：当第一预设温度为-10℃时，第一热敏电阻NTC1的阻值为55.34K，则第一电阻R1、第二电阻R2和第四电阻R3的阻值设置为55.34K；当温度小于-10℃时，若第一热敏电阻NTC1大于55.34K，根据两个电阻的分压原理，比较器的两个输入端的电压不一样，反相端的电压低于同相端的电压，第一电压比较器U2输出高电平；当温度大于-10℃时，若第一热敏电阻NTC1小于55.34K，根据两个电阻的分压原理，第一电压比较器U2两个输入端的电压不一样，反相端的电压高于同相端的电压，第一电压比较器U2输出低电平。

在本实施例中，电压比较器(Voltage comparator)，是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。电压比较器它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。

本发明通过第一电压比较器U2和包括第一热敏电阻NTC1在内分压电阻进行电压比较，当环境温度逐渐高于第一预设温度或环境温度逐渐低于第一预设温度时，实现输出电平的转换，因需使用单片机或CPU而成本较低；而第三电阻R4构成反馈电阻，使第一电压比较器U2结合分压电阻成为迟滞电压比较器，在第一温度范围内不会因环境温度变化导致输出电平的改变，从而结合逻辑开关电路提高电池充放电过程在温度变化时的稳定性。

进一步地，所述第一热敏电阻NTC1为负温度系数的热敏电阻。

其中，负温度系数(NTC，Negative Temperature Coefficient)，负温度系数的热敏电阻的电阻值随温度的升高而降低。利用这一特性既可制成测温、温度补偿和控温组件，又可以制成功率型组件，抑制电路的浪涌电流。这是由于NTC热敏电阻器有一个额定的零功率电阻值，当其串联在电源回路中时，就可以有效地抑制开机浪涌电流。并且在完成抑制浪涌电流作用以后，利用电流的持续作用，将NTC热敏电阻器的电阻值下降非常小的程度。

进一步地，所述第一电压比较器U2为高压单路差分比较器，包括：AS331比较器。

进一步地，所述第二迟滞电压比较电路包括：第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R8、第八电阻R7、第二热敏电阻NTC2和第二电压比较器U3；其中，所述第五电阻R5的阻值、所述第六电阻R6的阻值和所述第八电阻R7的阻值与所述第二热敏电阻NTC2在第二预设温度时的阻值相同；所述第二预设温度为所述第二温度范围的中值；

所述第二电压比较器U3的同相端与所述第五电阻R5的第一端、第六电阻R6的第一端和所述第七电阻R8的第一端连接；

所述第二电压比较器U3的反相端与所述第二热敏电阻NTC2的第一端和所述第八电阻R7的第一端连接；

所述第二电压比较器U3的输出端与所述第七电阻R8的第二端和所述第二迟滞电压比较电路的输出端连接；

所述第五电阻R5的第二端与所述第二迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第六电阻R6的第二端与电路地连接；

所述第二热敏电阻NTC2的第二端与所述第二迟滞电压比较电路的输入端连接；

所述第八电阻R7的第二端与电路地连接。

在本实施例中，第一迟滞电压比较电路的温度检测的过程例如：当第二预设温度为60℃时，第一热敏电阻NTC1的阻值为2.488K，则第五电阻R5、第六电阻R6和第八电阻R7的阻值设置为2.488K；当温度小于60℃时，若第二热敏电阻NTC2大于2.488K，根据两个电阻的分压原理，比较器的两个输入端的电压不一样，反相端的电压低于同相端的电压，第二电压比较器U3输出高电平；当温度大于60℃时，若第二热敏电阻NTC2小于2.488K，根据两个电阻的分压原理，第二电压比较器U3两个输入端的电压不一样，反相端的电压高于同相端的电压，第二电压比较器U3输出低电平。

本发明通过第二电压比较器U3和包括第二热敏电阻NTC2在内分压电阻进行电压比较，当环境温度逐渐高于第二预设温度或环境温度逐渐低于第二预设温度时，实现输出电平的转换，因需使用单片机或CPU而成本较低；而第七电阻R8构成反馈电阻，使第二电压比较器U3结合分压电阻成为迟滞电压比较器，在第二温度范围内不会因环境温度变化导致输出电平的改变，从而结合逻辑开关电路提高电池充放电过程在温度变化时的稳定性。

进一步地，所述第二热敏电阻NTC2为负温度系数的热敏电阻。

在本实施例中，负温度系数的热敏电阻与普通电阻一起，形成分压网络。使得电压比较器地两个输入端的电压随环境温度的变化发生变化。

进一步地，所述第儿电压比较器U3为高压单路差分比较器，包括：AS331比较器。

在本实施例中，当负温度系数的热敏电阻随着温度升高而阻值变小时，AS331比较器的输出会从高电平转至低电平。

进一步地，所述逻辑开关电路包括非门U4、与门U5和开关管Q1；

其中，所述非门U4的输入端与所述逻辑开关电路的第一输入端连接；

所述非门U4的输出端与所述与门U5的第一输入端连接；

所述与门U5的第二输入端与所述逻辑开关电路的第二输入端连接；

所述与门U5的输出端与所述开关管Q1的控制端连接；

所述开关管Q1的第一端和所述开关管Q1的第二端连接在所述电池充放电的电源通路上。

在本实施例中，开关管Q1可以为NMOS管，从而控制端为栅极，第一端和第二端可以分别为漏极和源极；开关管Q1、非门U4和与门U5组成的本发明实施例的逻辑开关电路，其实现的逻辑如下表所示：

在本实施例中，只有第一电压比较器U2和第二电压比较器U3分别输出低电平和高电平时，开关管Q1才导通，从而使电池充放电的电源通路导通；而在其他情况下则关断电池充放电的电源通路，实现电池保护功能。

本发明通过稳压管为两个迟滞比较电路提供稳定的基准电压，使两个迟滞比较电路所输出的电平仅受环境温度的影响，避免因输入电压的波动影响逻辑开关电路频繁通断电池充放电的电源通路；而迟滞电压比较电路并不需要使用单片机或CPU实现，降低了生产成本；此外，第一迟滞电压比较电路不会在环境温度升高和降低时在同一温度节点改变输出电平，而第二迟滞电压比较电路也不会在温度升高和降低时在同一温度节点改变输出电平，从而避免因温度在临界点频繁变化导致电池充放电过程频繁变化，提高了在温度变化的情况下电池充放电过程的稳定性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。