CN101378190A - 电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板，包括锂电池保护芯片、第一场效应管、第二场效应管、电阻和电容，还包括分压电路、第一场效应管的驱动电路和第二场效应管的驱动电路，本发明采用廉价又可靠的锂电池保护芯片，通过分压电路进行分压，使锂电池保护芯片适用于铅酸蓄电池；并且增加了场效应管驱动电路，将驱动电压提高，以达到良好地驱动第一场效应管和第二场效应管的效果。本发明的有益效果在于：本发明在现有的锂电池保护芯片的基础上进行了创造性的外围电路设计，使其适用于铅酸蓄电池组，通过较为低廉的成本便可让铅酸蓄电池组特别是免维护铅酸蓄电池组具有全面的保护功能，达到设计的理想使用寿命。

Description

电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板

技术领域

本发明涉及铅酸蓄电池，尤其是电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板。

技术背景

电动自行车、电动摩托车为主的轻型电动车(以下简称“电动车”)在国内已经达到5000多万部，且每年以2000多万部的速度在增长，这些电动车绝大多数都使用免维护铅酸蓄电池，铅酸蓄电池的设计寿命一般在3年以上，但实际使用寿命平均约为14个月，铅酸蓄电池的短寿命大大增加了废旧电池的回收和铅的再生工作量，大规模的铅回收和再生过程造成很大的环保负担也浪费了资源。

铅酸蓄电池无法达到设计寿命的主要原因是:所有的电动车用铅酸蓄电池内都没有设置可靠的保护装置。使用环境的变化让电池提早到达寿命终止，主要表现在以下几个方面:

(一)电池被过度充电导致寿命终止:

正常的电动车电池充电器都有过充电保护功能，但使用过程中如果充电器过热(例如风扇损坏，散热不良)可能导致过充电保护功能异常；二级更换市场的劣质充电器过充电保护不可靠(但因价格低廉而被普遍采用)；单只电池落后或电池单体短路都导致过充电保护功能无法实现；电池硫化导致过充电保护功能无法完成；电池过热将导致过充电保护功能无法完成。

电池被过充电后，电解质中的水被分解，内阻增加，极板硫化，容量下降，充电发热甚至变形，寿命终止。

(二)电池过放电导致寿命终止:

正常的控制器都设置过放电保护；过热或控制器的元件损坏可能导致过放电保护失效；过放电保护后，电池电压回升，控制器解除过放电保护功能，用户继续使用(放电)将导致电池过放电；电池过放电后，用户没有及时充电或报警器的小电流长时间放电将导致电池严重硫化或微短路。

电池被过放电后，产生硫化和微短路，容量下降，内阻增加，充电过程发热甚至变形，导致使用寿命终止。

(三)电池热失控导致寿命终止:

夏天或在炎热的环境中充电将导致热失控；电池热失控表现在充电之后电池温度上升，端电压反而下降，恒压充电过程充电电流无法下降到充电器转灯设定值，充电器无法判定是否充电饱和而无法实现停止充电，不停的充电造成电池失水内阻增加，导致继续发热，直到变形。电池使用一年以上，正极含锑的电池正极锑的迁移让电池负极析氢过电位下降造成失水可能导致电池无法“转灯”而造成充电过程热失控。

热失控是免维护电池行业世界性的难题，电池本身无法解决这个缺陷。电动车电池热失控时，只要经过累计48小时以上的连续充电，可能导致电池寿命终止。

(四)电池被短路导致寿命终止:

短路可能导致导线烧毁或铅零件熔断；短路可能产生火灾或爆炸。在电动车电池的安装过程中，作业人员不小心短路无法避免。

(五)电池硫化与老化导致寿命终止:

电池使用时间长了，自然产生硫化和老化现象；经常充电不饱和造成逐步硫化；过放电没有及时强制充电将导致硫化。

以上五个方面的问题在实际使用中普遍存在，导致铅酸蓄电池无法达到设计的使用寿命，而且在电动车使用的免维护电池中以上五方面的问题通过电池本身的电化学技术根本无法彻底解决。在这种情况下，必须通过电子的手段来解决电池本身存在的不足和缺陷。

现有的锂电池内都设有保护电路板，如图1所示，此保护电路板包括锂电池保护芯片、两个场效应管、两个电阻和一个电容；第一电阻连接于电池组的正极与锂电池保护芯片的VDD端之间，电容连接于锂电池保护芯片的VDD端与VSS端之间，锂电池保护芯片的Co端连接第二场效应管的栅极，锂电池保护芯片的Do端连接第一场效应管的栅极，锂电池保护芯片的VM端通过第二电阻连接到第二场效应管的源极，第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极相连接，第一场效应管的源极连接电池组的负极。

如图2所示，锂电池保护芯片包括五个电压检测器，一个参考电压单元，相应的延时电路，一个分频控制逻辑，一个振荡控制逻辑电路和一个允许或禁止向零伏电池充电的电路。当充电电压或充电电流由小变大，超过设定值时，输出端Co端经过内部相应延时就转为低电平。在过充或充电过流之后，电池包离开充电器并有负载连接到VDD端，并当电池的电压降到过充检测值之下时，相应检测器被复位并且Co端的输出变为高电平。如果电池包仍在充电器上，即使电池的电压降到过充检测值之下时，过充保护状态仍不会解除。锂电池保护芯片的VM端经过上述第二电阻检测输出端负极的信号，经过比较器与电池负极电压进行比较判定电池的电流方向和大小是否超过设定值。D0端为过放电检测器和放电过流检测器的输出脚。当放电电压由高向低，且低于过放电检测器的阀值电压时，D0端在经过内部固定延时后就转低电平。在检测到过放后，如将充电器与电池组相连接，并当电池供电电压高于过放电电压检测器的阀值电压时D0端转为高电平。内置过流、短路检测器可以检测到放电过电流的状态，并经过内置的固定延时后，通过输出端D0端变为低电平而切断放电；或检测到短路电流时使D0端的值立即变低从而切断放电。一旦检测到过电流或短路后，可将电池包与负载分离D0端电平变为高。另外，在检测到过放电后，保护芯片将暂停内部电路工作以维持在极低的耗电水平(常规值为0.3微安以内)。

上述的这种锂电池保护芯片，通过对电池电压、充电电流、放电电流、短路电流的判断，控制充电或放电的过程，对电池组进行过充电保护、充电过电流保护、过放电保护、放电过电流保护、短路保护，让锂电池达到设计的理想使用寿命。

由于锂电池保护芯片廉价又可靠，将锂电池保护芯片应用于铅酸蓄电池的保护，应该是比较容易想到的方案，但到目前为止还没有人实际运用这个方法，原因是实施和设计过程存在较大的难度，也存在一定的技巧。其中最根本的原因是锂电池的参数与铅酸蓄电池完全不一样，单节锂离子电池(以3.7V800mAH为例)的参数与铅酸电池组(以48V10Ah为例)的区别如下表:

 

对比项目	单节锂离子电池(3.7V800mAH)	铅酸电池组(48V10Ah)
			过充电保护电压	4.28V	60V
过放电保护电压	2.5V	40V
			放电过电流保护	3A	25A
短路保护电流	6A	150A

根据以上的对比可以看出，锂电池的保护芯片不能简单应用于铅酸蓄电池的保护，主要原因是:耐压不足，工作电压点不符，对MOS管的驱动电压小，功率小等原因。要将锂电池保护芯片应用于铅酸蓄电池，必须做出创造性的外围电路设计，到目前为止，还没发现可实际运用的方案。

而专门为铅酸蓄电池设计保护芯片则需花费大量的研发经费和研发时间，成本太高，导致现有的铅酸蓄电池没有可靠的保护装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉的电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板，其在锂电池保护芯片的基础上进行创造性的外围电路设计，从而实现对铅酸蓄电池进行全面可靠的保护，让铅酸蓄电池组特别是免维护铅酸蓄电池组达到设计的理想使用寿命。

本发明的技术方案是这样的:电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板，包括锂电池保护芯片、第一场效应管、第二场效应管、电阻和电容，锂电池保护芯片的VM端通过电阻连接到第二场效应管的源极，第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极相连接，第一场效应管的源极连接电池组的负极；还包括分压电路、第一场效应管的驱动电路和第二场效应管的驱动电路，上述分压电路的电源端连接电池组的正极端，上述分压电路的输出端连接上述锂电池保护芯片的VDD端，上述锂电池保护芯片的Co端通过上述第二场效应管的驱动电路连接至上述第二场效应管的栅极，上述锂电池保护芯片的Do端通过上述第一场效应管的驱动电路连接至上述第一场效应管的栅极。

上述锂电池保护芯片的Co端与上述第二场效应管的驱动电路之间连接有温控开关，此温控开关置于电池内或贴在电池的壳体外侧面或置于电池箱内。

采用上述方案后，本发明采用廉价又可靠的锂电池保护芯片，通过分压电路进行分压，使锂电池保护芯片适用于铅酸蓄电池；并且增加了场效应管驱动电路，将驱动电压提高，以达到良好地驱动第一场效应管和第二场效应管的效果。且本发明还在锂电池保护芯片的Co端增设温度开关，实现电池热失控控制功能。工作时，当电池组的总电压发生变化的时候，加在锂电池保护芯片的VDD端的电压按一定的比例变化，实现锂电池保护芯片的控制功能，以达到控制电池组的目的。本发明的有益效果在于:本发明在现有的锂电池保护芯片的基础上进行了创造性的外围电路设计，使其适用于铅酸蓄电池组，通过较为低廉的成本便可让铅酸蓄电池组特别是免维护铅酸蓄电池组具有过充电保护功能、充电过电流保护功能、过放电保护功能、放电过电流保护功能、短路保护功能、热失控保护功能、单只落后的均衡修复功能和硫化后的无损伤修复功能，达到设计的理想使用寿命。本发明的这种铅酸蓄电池保护电路板，成本低廉、高度可靠，完全达到普及推广的目的，有着很重大的意义。

附图说明

图1为习用的锂电池保护电路板的电路原理图。

图2为图1中锂电池保护芯片的电路原理图。

图3为本发明的电路原理图。

图4为本发明保护电路板与铅酸蓄电池的结构关系图。

图5为本发明的一个具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

本发明电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板，如图3所示，包括锂电池保护芯片IC、第一场效应管MOS1、第二场效应管MOS2、电阻R和电容C、分压电路、第一场效应管的驱动电路和第二场效应管的驱动电路，锂电池保护芯片IC的VM端通过电阻R连接到第二场效应管MOS2的源极，第一场效应管MOS1的漏极与第二场效应管MOS2的漏极相连接，第一场效应管MOS1的源极连接电池组的负极，分压电路的电源端连接电池组的正极端，分压电路的输出端连接锂电池保护芯片IC的VDD端，锂电池保护芯片IC的Co端依次通过温控开关Kt和第二场效应管的驱动电路连接至第二场效应管MOS2的栅极，锂电池保护芯片IC的Do端通过第一场效应管的驱动电路连接至第一场效应管MOS1的栅极。

在图3所示的电路中，充电时电流在主回路中按逆时针方向流动，放电时，电流在主回路中按顺时针方向流动，不管是充电还是放电，电流流过第一场效应管MOS1和第二场效应管MOS2的时候，由于场效应管内阻的存在，在两个场效应管的两端产生压差，锂电池保护芯片IC的VM端经过电阻R检测的电压信号与电池负极进行对比，用于判断充电过电流、放电过电流和短路信号。本发明保护电路板各项功能的实现原理和过程如下:

(1)过充电保护功能的实现:在图3所示的电路中，电池组在充电过程中端电压不断提高，经过分压电路的分压后，锂电池保护芯片IC的VDD端电压也随着提高，当电压达到设定值的时候锂电池保护芯片IC内部的过充电检测比较器输出翻转，经控制逻辑电路判断后锂电池保护芯片的Co端输出由高电平转为低电平，第二场效应管的驱动电路进行电压放大后的电平也由高转低，第二场效应管MOS2断开(场效应管的保护在下面的具体实施例中再描述)，过充电保护功能实现。过充电保护后，电池无法继续充电，但通过第二场效应管MOS2的寄生二极管可以对外放电。

(2)充电过电流保护功能的实现:在图3所示的电路中，当充电电流过大时，锂电池保护芯片IC内的充电过电流检测比较器输出翻转，经控制逻辑电路判断后锂电池保护芯片的Co端输出低电平，第二场效应管的驱动电路进行电压放大后的电平也由高转低，第二场效应管MOS2断开(场效应管的保护在下面的具体实施例中再描述)，充电过电流保护功能实现。充电过电流后，电池无法继续充电，当通过第二场效应管MOS2的寄生二极管可以对外放电。

(3)过放电保护功能的实现:在图3所示的电路中，电池组在放电过程端电压下降，经过分压电路采样后，加在锂电池保护芯片IC的VDD端的电压也随着下降，当电压下降到设定值时，过放电检测比较器的输出翻转，经过逻辑电路判断和延时后，锂电池保护芯片IC的Do端输出由高电平转低电平，通过第一场效应管的驱动电路后第一场效应管MOS1关断(场效应管的保护在下面的具体实施例中再描述)，过放电保护功能实现。过放电保护后，电池组无法继续放电，但通过第一场效应管MOS1内部的寄生二极管可以被充电。

4)放电过电流保护功能的实现:在图3所示的电路中，锂电池保护芯片IC内的放电过电流比较器检测到放电电流超过设定值时，输出电平翻转，经过逻辑电路的判定和延时后，锂电池保护芯片的Do端输出由高电平转为低电平，经过第一场效应管的驱动电路的放大信号也转为低电平(场效应管的保护在下面的具体实施例中再描述)，第一场效应管MOS1关断，放电过电流保护功能实现。过放电保护后，电池组无法继续放电，但通过第一场效应管MOS1内部的寄生二极管可以被充电。

(5)短路保护功能的实现:在图3所示的电路中，锂电池保护芯片IC内负载短路检测比较器检测到短路信号后输出电平翻转，经过逻辑电路的判断和纳秒级的延时后，锂电池保护芯片的Do端输出由高电平转为低电平，与上述过放电原理类似，第一场效应管MOS1立即关断，当短路信号没有撤除，短路保护功能保持，电路的短路保护功能实现。

(6)热失控保护功能的实现:在充电过程中，只要电路没有进入过充电保护或充电过电流保护，锂电池保护芯片IC的Co端输出高电平，第二场效应管MOS2处于导通状态，当电池组温度超过设定值的时候，温度开关Kt断开，锂电池保护芯片IC的Co端输出的高电平被截止，第二场效应管MOS2关断，电池充电被禁止，热失控保护功能实现。热失控保护后，电池继续充电被禁止，但经过第二场效应管MOS2内部的寄生二极管可以被放电，以防止电动车使用过程停电。

(7)单只落后的均衡修复、硫化后的无损伤修复功能的实现。当电池组出现单只落后或者单体落后的时候，只要使用比正常充电器电压更高的充电器对电池组进行充电，充电末期，保护电路进入过充电保护状态，这时候，只要电路连接很小的负载，比如连接着报警器，电池端电压下降，到达设定值后，过放电保护解除，电池又被充电，随着充电电压的上升，保护板又进入过充电保护，如此循环，电池组接受着间歇式电压钳位慢脉冲，这个间歇慢脉冲对电池组失去平衡后的修复和硫化后的修复效果非常明显且对电池损伤很小。单只落后的均衡修复、硫化后的微损伤修复功能得到实现。市场上电池修复的方法很多种，在实际比较后，上述方法最简单最有效，对电池的损伤也最小。

本发明电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板，使用时，如图4所示，在串联电池组1中，其中一只电池(或多只)内镶嵌本发明的保护电路板2，且让保护电路板2的主回路与整个电池组1成串联状态，保护电路板的体积很小，嵌入电池后，保持电池的外尺寸不需要增加，且电池保持原来正极和负极两个接线端子，不需要增加多出的接线柱以便于安装。本发明中，也可将保护电路板2外置，只将温度开关Kt贴在电池表面或放入电池中或搁在电池箱内即可。

现以市场上用量最大的48V10Ah(6-DZM-10)电动车专用免维护铅酸蓄电池组为例，对本发明电动车用铅酸蓄电池组保护电路板的功能原理进行说明。

如图5所示，电池组为48V10Ah，由12V的电池BT1和3只12V电池串联成36V的电池BT2串联而成，把本发明的保护电路板装在其中一只12V的电池当中。对IC的选择主要参数选择的方法:

(1)锂电池保护芯片IC的过充电保护电压选择为4.28V，过放电保护电压选择为2.9V，分压电阻R1:(R2+IC内阻)＝2.5，当电池BT1充电电压达到15V的时候，锂电池保护芯片IC的VDD端电压为4.28V，进入过充电保护，在放电过程中，当电池电压下降到10.15V的时候，锂电池保护芯片IC的VDD端的电压下降到2.9V，电池组进入过放电保护。

在实际选择中，以上参数相对是合理的，因为充电器的最高充电电压一般设置为14.8V/12V，当充电器失控的时候，锂电池保护芯片IC进行15V/12V的保护。同样的道理，电动车控制器的过放电保护电压一般设置在10.5V/12V，当控制器失控的时候，保护电路板进行10.15V/12V的保护。以上参数可以根据实际情况进行选择而不是唯一的选择，只要满足实际使用的需要。

(2)对锂电池保护芯片IC的充电过电流的控制信号电压的选择，假设场效应管的内阻Rmos1+Rmos2＝0.012欧姆，当充电电流超过10A时，两个场效应管上的压差为0.12V，这时候选择锂电池保护芯片IC的充电过电流检测电压为0.12V，当充电电流超过10A时保护电路板进入充电过电流保护。同样的方法，确定好了放电过电流保护的电流值，短路保护的电流值便可以确定选择的锂电池保护芯片IC的参数。以上参数可以根据实际情况进行其他选择，以满足使用的需要。

图5中，场效应管Q1、Q2和电阻R4、R5构成第一场效应管MOS1的驱动电路，当锂电池保护芯片IC的Do端输出高电平时，场效应管Q2导通，场效应管Q1截止，电池BT1的电压通过电阻R5加在第一场效应管MOS1的栅极上，第一场效应管MOS1导通；相反，当锂电池保护芯片IC的Do端输出低电平的时候第一场效应管MOS1截止。相同的原理，场效应管Q3、Q4和电阻R6、R7组成第二场效应管MOS2的驱动电路，当锂电池保护芯片IC的Co端为高电平的时候第二场效应管MOS2导通，反之截止。

第一场效应管MOS1和第二场效应管MOS2的保护方法由场效应管驱动电路完成，上述要让场效应管截止的时候采用栅极驱动电压对地直接短路放电的方法，防止场效应管管工作在放大区且经过大电流而损坏。

为了让保护电路板工作电流尽量小，防止电池BT1被消耗容量造成电池组失去平衡，电阻R1、R2、R4、R5、R6、R7尽量选择高阻值电阻，让保护电路板的总功耗电流小于30uA，实践证明是完全能做到的，当然，根据实际需要也可以选择其他的参数。

电路中电阻R3、电容C1、电阻R8根据锂电池保护芯片IC制造商的要求进行参数选择。

电路中稳压管VD和电阻R9是为了保护锂电池保护芯片IC的VM端，防止短路保护的时候，反向电压击穿。

电路中，电阻R1与电池BT1的正极之间设置足够耐压的二极管D来保护锂电池保护芯片IC，防止短路发生时反向电压损坏锂电池保护芯片IC。

本实施例只是实施方案中的一种，其他实用电路包括:

1、直接对48V电池组进行分压采样；

2、使用稳压二极管进行固定降压；

3、根据以上原理针对电动车电池参数开发专用IC不需要进行分压采样；

4、提高锂电池保护芯片IC的Co端和Do端的输出电压直接驱动第一场效应管MOS1和MOS2；

5、提高锂电池保护芯片IC的VM端耐压，可以不需要保护；

6、使用多节锂电池保护芯片IC；

7、将锂电池保护芯片IC内的功能拆分完成。

这些改变都离不开本发明公开的原理。

Claims (2)

1、电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板，包括锂电池保护芯片、第一场效应管、第二场效应管、电阻和电容，锂电池保护芯片的VM端通过电阻连接到第二场效应管的源极，第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极相连接，第一场效应管的源极连接电池组的负极；其特征在于:还包括分压电路、第一场效应管的驱动电路和第二场效应管的驱动电路，上述分压电路的电源端连接电池组的正极端，上述分压电路的输出端连接上述锂电池保护芯片的VDD端，上述锂电池保护芯片的Co端通过上述第二场效应管的驱动电路连接至上述第二场效应管的栅极，上述锂电池保护芯片的Do端通过上述第一场效应管的驱动电路连接至上述第一场效应管的栅极。

2、根据权利要求1所述的电动车用铅酸蓄电池组的保护电路板，其特征在于:上述锂电池保护芯片的Co端与上述第二场效应管的驱动电路之间连接有温控开关，此温控开关置于电池内或贴在电池的壳体外侧面或置于电池箱内。

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