CN101741121B - 一种加在锂电池组保护板上的电子开关 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种加在锂电池组保护板上的电子开关。它是在锂电池组保护板上增加电子开关，取代原有的机械开关。它为锂电池保护板的扩展性应用，适用于各种锂电池组系统，并在大电流动力场合下使用。
Description
技术领域
本发明为锂电池保护板的扩展性应用，适用于各种锂电池组系统，并在大电流动力场合下使用，特别是一种加在锂电池组保护板上的电子开关。
背景技术
目前，锂电池在手机、MP3、MP4、笔记本电脑及其他便携式电子产品中已经得到广泛应用。随着锂电池制造技术的进步及应用领域的增加，大容量、高倍率动力型锂电池的研究和推广也已取得长足发展，已经大量地应用到电动自行车、电动汽车、电动工具等领域。
由于锂电池结构特性的内在原因所致，决定了在锂电池实际使用中，必须加有一个管理电池的安全特性的保护系统，在电池出现过充电、过放电、短路、过流等异常情况下，关断充电或者放电回路，有效地保护电池的使用安全。通常的电池的保护系统分为两个部分，一部分为取样、处理和驱动输出的管理集成电路(IC)部分，用于检测电池的工作状态，在电池的各个工作项目正常的情况下，IC通过对需要检测的项目进行取样，输出的驱动信号为正常信号，一旦IC检测到电池的异常信号，输出的驱动信号将发生改变。另一个部分是保护动作的执行部分，采用了两个MOS管，其中一个MOS用于管理电池充电状态导通或关断。正常情况下，该MOS处于导通状态，一旦出现过充，则该MOS将关断。另外一个MOS用于管理电池的放电状态导通或关断。正常情况下，该MOS处于导通状态，一旦出现过放电、短路、过流的异常情况，该MOS将关断。
在电池实际使用中，特别是大容量电池在使用中，在电池和用电器之间，通常需要增加一个用于控制电源通断的开关，用于控制用电器是否导通。比如一个电动自行车系统，通常会增加一个机械开关，用于控制是否给电机供电，在非工作状态，通常会关断机械开关，主要目的是：在静态情况下，电动自行车的控制器，同样会有静态的电流，这个静态电流对于采用以电池作为电源的系统而言，会造成能量的无谓消耗，切断电路可以杜绝对电池电源的消耗。
对于由电池供电的系统中，电池系统的主要参数包括：电池的额定容量、电池的内阻、电池的标称电压、电池的额定输出电流、电池的最大工作电流、电池的循环寿命等几项主要的技术参数。对于用电器而言，涉及到的最主要的参数是配套用电器的使用功率，由此可以推出：第一，和电池系统配套的是用电器的额定工作电压，要求一定与电池的标称电压相匹配，并且，用电器可以工作的电压范围和电池的实际工作范围需要匹配，这一项，可以通过对电池使用串联的方式做到；第二，用电器的工作电流需要和电池相匹配，在电池的容量一定的情况下，对于电池而言，尽量选用较小的放电倍率，达到延长电池的寿命的目的；第三，要顾及到用电器实际使用时间的要求，这涉及到电池组的设计容量，理论上，电池的容量越大，用电设备可与工作的时间越长，但电池的成本将越高，实际选用电池时，将按照实际工作时间的要求，合理选用电池的容量。在选择了电池的容量、串并联数量后，实际使用中在电池组正常工作的情况下，U＝U’+Ir，其中U为电池组总的电压，U’为加在负载两端的有用电压，I为系统的工作电流，r为电池组及线路上的内阻。从上述公式可以看出，在负载工作电流一定的情况下，系统的内阻越大，加在负载两端的有效电压将越低，消耗的无用功就越低，这部分能量将被白白的浪费掉，电池组输出的功率将不能得到有效的发挥，而且，电池组的工作电流越大，消耗的无用功将越大。
在电池组实际使用中，特别是在高电压，大功率的动力使用领域，比如电动工具、电动自行车使用中，实际使用中都加上了一个机械开关，通过机械开关的通断，控制用电器是否为后级负载供电。在实际使用中，使用机械开关作为后级电机的控制开关，存在以下一些问题：
1、机械开关本身存在一定的使用寿命：在应用到电动工具，电动自行车等领域时，由于工作电流比较大，使用环境比较恶劣，相对的增加了开关的故障率。
2、机械开关会增加电池组的内阻：机械开关采用了金属触点接触或断开的方式控制是否导通，这些机械触点必将存在接触电阻，而且这个内阻会逐步增加。
3、机械开关在使用中会逐步劣化：机械开关在大电流、高电压情况下使用，机械开关会出现打火现象，逐步的在金属触点两端出现了积炭现象，并进一步的增加接触电阻，随着接触电阻增加，触点的发热量会进一步增加，并最终导致开关失效。
4、机械开关增加了成本：机械开关的成本，是随着工作电流和电压的增加而增加，大电流应用情况下，机械开关的成本增加不可忽视。
5、使用机械开关，可扩展性低：由于使用了机械开关，实现自动控制功能比较困难，比如遥控功能的实现等。
发明内容
针对上述传统机械开关的不足，本发明提出了一种加在锂电池组保护板上的电子开关。
本发明是这样实现的：
一种加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：锂电池组保护板的保护回路由两个MOSFET和一个保护控制IC外加一些阻容元件构成；该MOSFET包括Q1A和Q1B，它们在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断；Q1A的栅极G和源极S之间，增加了一个电阻R3，在保护控制IC的DO输出端和Q1A的栅极之间，增加一个所述电子开关；该电子开关是MOSFET管Q2，Q2的漏极连接到保护控制IC即U1的DO输出端，源极连接到充电控制MOSFET的Q1A的栅极，Q2的栅极通过电阻R4连接到高低电平控制输入端Port1端，Q2的源极连接到高低电平输入端Port2端。
所述的加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：所述的IC为S8261-G2J。
所述的加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：所述的保护回路包括延时电容C3。
所述的加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：通过在保护控制IC的上的一个IO端口，作为一个使能端，通过高低电平进行控制，达到打开或者关断放电回路的目的。
附图说明
图1是传统带有保护板的电池组的电路图。
图2是增加电子开关锂离子电池组的电路图。
图3是使用高低电平控制的电池组的电路图。
图4是多串动力电池的控制电路的示意图。
具体实施方式
本发明通过如下设计，达到了在带有保护板的电池组中增加电子开关，构成了具有电子开关电池组，达到节省控制电池组导通与关断的机械开关的目的。
由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。
如图1所示，是常规的单只电池使用的保护板的线路图，该保护回路由两个MOSFET(Q1A、Q1B)和一个控制IC(U1)外加一些阻容元件构成。控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能。保护IC(U1)通过5脚VDD端连接电池的正极B+端，通过6脚VSS端连接电池的负极B-端，监测电池的电压，在电池的电压在正常工作范围内时，保护IC通过1脚DO端输出高电平，使得Q1A的源极S1和栅极G1之间的电压，达到MOSFET的导通电压，使得Q1A导通，打开放电回路；同时保护IC通过3脚CO端输出高电平，输出高电平驱动MOSFET管Q1B的栅极G2，使得Q1B的源极S2和栅极G2之间的电压，达到MOSFET的导通电压，使得Q1B导通，打开充电回路。当保护IC检测到电池出现电压低于保护IC的设定电压，或者出现电流大于设定值以及出现短路的异常情况，并且达到一定的延迟时间后，保护IC的1脚DO端将输出低电平，使得Q1A的源极S1和栅极G1之间的电压，低于MOSFET的导通电压，使得Q1B关闭，关断放电回路，电池组不再输出电压。当充电电压高于设定值时，关断充电回路的原理和关断放电回路的原理相同，在此不再详细阐述。
从以上对保护板的原理分析，可以得到如下信息：
1、放电回路的全部电流，都会流过放电控制MOSFET。
2、放电控制开关MOSFET切断后，整个放电回路即被关断，电池组将不再对外供电。
3、放电控制MOSFET的导通与否，取决于其控制栅极和源极之间的电平关系，栅极和源极之间是高电平，MOSFET导通，反之，栅极和源极之间是低电平，MOSFET将关闭。
通过以上分析，只要控制放电MOSFET栅极和源极之间的电平，即可控制放电回路是否打开，即可以通过控制放电MOSFET是否打开，控制放电回路是否导通，放电MOSFET，可以作为一个电子开关来控制电池电路是否有输出。按照以上思路，将上述图1中的电路变更为可以增加电子开关的电路。请见图2。
为了便于描述，按照电池和保护板都处于正常状态进行电路分析。图2中，在Q1A的栅极G和源极S之间，增加了一个电阻R3，在保护IC的1脚DO端和Q1A的栅极之间，增加了一个开关K，开关k用于控制MOSFET是否打开。
当开关K闭合时，将保护IC的1脚DO输出的信号直接连接到Q1A的栅极G，由于正常情况下，保护IC的1脚DO端输出的是高电平，所有Q1A的栅极G和源极S之间是高电平，MOSFET处于导通状态，相当于整个电池组对外可以供电。此时，保护板具有通常的过放电、过流和短路的保护功能，其中增加的电阻R3的阻值非常大，不会因为分流影响保护IC的输出信号对MOSFET的控制，即增加的元件不会影响保护板的保护性能，在实际使用中，出现过放电、过流或者短路等异常情况下，保护板可以切断放电回路，不会影响保护功能。
当开关K断开时，保护IC的1脚的DO端输出的高电平被切断，放电控制MOSFET的Q1A的栅极电平，被电阻R3拉低到和源极S相同，Q1A的栅极和源极之间处于低电平，放电控制MOSFET管Q1A的漏极D和源极S处于关闭状态，切断了放电回路。
上述分析可以看出，通过开关K的切断或导通，就可以控制放电MOSFET导通或切断，即可以通过打开或关断这个小的机械开关，来达到控制放电回路是否打开或者是关断的目的。由于MOSFET管是通过电压控制，流过开关K的电流极其微小，在微安级以下。即通过一个小电流的控制开关，达到控制大电流的开关的目的。
在图2中使用中是采用小型机械开关来控制MOS的导通和关断，达到了使用小功率开关实现大电流控制的目的。实际上也可以通过其他方式来实现同样的功能，实际应用中，可以采用高低电平进行控制，或者是通过单片机的使能端进行控制的方式，进行控制电流开关的目的。
图3是使用高低电平对电源进行控制的目的。图3中，用MOSFET管Q2代替小型机械开关，Q2的漏极连接到保护控制IC即U1的1脚DO输出端，源极连接到放电控制MOSFET的Q1A的栅极，Q2的栅极通过电阻R4连接到高低电平控制输入端Port1端，Q2的源极连接到高低电平输入端Port2端，当Port1端和Port2端输入电压为低电平时，Q2的栅极和源极之间的电压由于输入的电压为低电平，没有达到开启电压，Q2的漏极和源极之间处于关断状态，保护控制IC的1脚DO输出的高电平无法到达开关控制MOSFET的Q1A的栅极，Q1A由于G1和S1之间的低电平，Q1A处于关断状态，关断电池组输出电压。这种情况相当于图2中的K是断开状态，可以同样达到关断电池组输出电压的目的。同理，当Port1和Port2之间输入的为高电平时，Q2的栅极和源极之间是高电平，Q2的漏极和源极导通，相当于图2中的开关K接通，从而Q1A处于导通状态，电池组打开处于电源打开状态。从以上分析可以看出，可以通过高低电平的方式，大都控制电源开关的目的。实际上，对于现在的保护控制电路，如果采用了单片机的方式，通过编程的方式达到电池组保护的控制IC的，可以在单片机的上预留一个使能端，通过编程方式，同样可以实现本功能，由于涉及的保护控制IC的开发设计，所以在此不做过多说明。
图4是应用到多串电池组的控制电路的框图，框图中电池由B1到Bn构成，其中n代表不同的串联电池的数量。方框内是控制IC及其外围电路，可以是采用不同的控制IC及其外围电路构成，例如常见的O2公司的OZ890DS，构成5-13串的电池组，或精工的S-8209A，构成多串的电池组，实际使用中，可以同样采用在放电控制MOSFET管的栅极G和保护控制IC的输出控制端之间增加一个小型机械开关，通过小型机械开关控制电池组电源的开关，原理图纸采用的是小型机械开关，实际上，同样可以使用图3中的方式，通过一个开关MOSFET，使用高低电平，控制电池组电源开关的导通和关断。原理上和上面的分析，在此将不再进行详细的描述。
本发明的目的在于，提供一种利用二次锂电池的内置保护板，使用一个小功率开关或者是其他设备输送的高低电平，控制保护板内放电控制MOS，达到接通或切断放电回路的目的
本发明具有以下优点。
1、不会影响原有电池组保护板功能：由于电子开关是在使用时，通过电平控制放电MOS导通和关断，在电子开关打开放电回路后，一旦保护IC判断出现过放点、短路、过流等异常时，保护板的控制IC同样可以控制MOS关断，电子开关不会影响电池组保护功能的实现。即增加电子开关，只是将保护板的功能进行了扩展，并没有影响保护板功能的实现。
2、降低了电池组的内阻：带有电子开关的电池组，电子开关和保护板的放电输出保护控制是采用同一个MOS，系统中将不在具有传统的机械开关串联到主回路中，所以电池组的动力来源可以直接连接到电池组，回路中不再具有机械开关和配套连接导线的内阻。
3、提升产品可靠性：传统的机械开关中是串联到电流的主回路中，实际应用到较大的电流和较高的电压的场合，在电源通断的瞬间，必然会出现开关打火，产生开关触点出现熔蚀和积炭现象，机械开关会逐步出现接触不良现象并最终影响到产品的寿命，而电子开关消除了这方面的影响。
4、降低产品成本：对于锂离子电池组而言，使用的保护板是必然的伴随品，而保护板内部必须使用可以关断充放电回路的MOS开关，利用这个MOS作为电源开关，可以直接省略传统的机械开关，而提高开关信号的开关，由于是在低电压，极小电流情况下应用，可以使用小电流开关，这样无疑可以节省串联回路的大电流的机械开关，降低了成本。
5、增加系统安全性：在电池组增加了电子开关后，在加工生产过程、运输、保管时，可以将电池组输出端关断，电池组的输出端实际上处于关断状态，此时，电池组不再有输出，输出端即使是出现短路等现象，也不会出现打火，大大提高了电池组的安全性。
6、提高电池使用效率：由于降低了回路的电阻，降低了回路电阻上的压降，提高了负载两端的电压，提高了电池的效率，特别是在大电流应用的场合，使用效果更加明显。
7、简化生产程序，提高生产效率：由于去掉了机械开关，电池组的输出端，直接连接到了负载或者是输出插座的两端，中间省略了机械开关的连接，可以简化连接方式，提高了生产效率。
8、提升电池安全性。本设计具有防爆特性，可以直接应用到有防爆要求的领域：由于采用电子开关，没有机械开关在开关电源时的打火现象，可以直接应用到防爆领域。
9、具有扩展性强的优点：由于电子开关是依靠高低电平进行转换，所以可以很方便的进行功能扩展，只要输入一个高低电平信号就可以控制电池组是否有电源输出。
上面所述的示例，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (4)
1.一种加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：锂电池组保护板的保护回路由两个MOSFET和一个保护控制IC外加一些阻容元件构成；该MOSFET包括Q1A和Q1B，它们在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断；Q1A的栅极G和源极S之间，增加了一个电阻R3，在保护控制IC的DO输出端和Q1A的栅极之间，增加一个所述电子开关；该电子开关是MOSFET管Q2，Q2的漏极连接到保护控制IC即U1的DO输出端，源极连接到充电控制MOSFET的Q1A的栅极，Q2的栅极通过电阻R4连接到高低电平控制输入端Port1端，Q2的源极连接到高低电平输入端Port2端。
2.根据权利要求1所述的加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：所述的IC为S8261-G2J。
3.根据权利要求1或2所述的加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：所述的保护回路包括延时电容C3。
4.根据权利要求1所述的加在锂电池组保护板上的电子开关，其特征在于：通过在保护控制IC上的一个IO端口，作为一个使能端，通过高低电平进行控制，达到打开或者关断放电回路的目的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111221 Termination date: 20191230 |
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