CN101830269A

CN101830269A - 电动自行车内置电机内置锂电池和保护板

Info

Publication number: CN101830269A
Application number: CN201010136121A
Authority: CN
Inventors: 吕成学; 吕松检; 陈龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明涉及一种电动自行车内置电机内置锂电池和保护板。电机由定子部分、放置在定子上的电池组、充当外壳的转子、放置在电机内部的电池保护系统构成。它是将二次电池内置到电机内部后，同时将二次电池的保护电路同样内置到电机的内部的解决方案，达到有效保护电机内部的锂电池的目的。

Description

电动自行车内置电机内置锂电池和保护板

技术领域

本发明涉及到锂电池应用领域，特别是一种电动自行车内置电机内置锂电池和保护板。

景技术

现有电动自行车，其整体结构都是车架、电机、电池组、控制器几大主要部件构成，这几个大件，分别需要将控制器、电池组、电机等放置到电动自行车的不同位置，构成了不同类型的电动自行车。目前常见的不同的车型，有将电池放置到车架前端的，有放置到脚踏板下的，也有将电池组放置在座位下的中梁位置的，部分小型电动自行车，也有将电池放置到车架内部的设计方式的。其电机控制器，一般情况下，是放置在脚踏的周围，距离地面很近，很容易因为进水导致控制器失效。从目前情况看，这种电池自行车的结构，没有明显的改变，相应的车型也没有大的变化。即使是一些车厂使用锂电池的电动自行车，其车的结构，也同样没有大的变化，在传统的应用领域中，由于使用的是铅酸电池，由于电池的体积和重量都很大，必须设计一个放置电池的电池盒，将电池成组后，放置到电池盒中，其整体的结构必须是使用电池盒，电机、控制器分立的结构。

随着电池加工技术的进步，以锂电池为代表的二次电池，已经大量的应用到电动自行车甚至电动车领域，由于电池采用新型的锂电池等二次电池，电池方面具有体积小、重量轻、寿命长的优点。更加突出的是目前新型的磷酸铁锂锂电池，电池组的循环寿命可以达到1000次以上，其使用寿命是铅酸电池的三到五倍，具有良好的环保特性，使用中不会造成环境污染。随着锂电池的体积和重量的减小，已经将电池放置到电机的内部，从而简化了电动自行车的结构。

目前新型的锂电池电动自行车，在应用锂电池时，都需要增加一个电池组保护系统，用于对电池进行安全管理，以保护电池的使用安全。传统的锂电池的保护电路请见图1(以四串电池组为例)，BMS系统由电池电压检测系统和充放电开关控制系统两部分构成，图1中，集成电路S-8254承担着电池电压检测的功能，其12-15脚分别连接四颗串联的电池组。在充电过程中，一旦任何一个电池的电压高于IC设定的电压，出现充电电压异常，集成电路的COP端(1脚)，由低电平输出为高电平，通过电阻Rcop关断充电用FET，切断充电回路；放电时一旦集成电路检测到任何一个电池的电压低于设定的电压，并且延迟一定时间，集成电路的DOP脚(3脚)，由低电平转换为高电平，关断放电回路。

传统的保护电路系统，应用到动力系统后，有着一些不可避免的问题：

问题一：传统的保护电路，使用的专用集成电路，常见的都是适用于三、四串锂电池电池组用途的，而应用到电动自行车系统时，大多都要用到7-12串的结构，传统的集成电路想要应用到动力系统，则需要三到四个图一的集成电路进行级联，必须对充放电控制信号，去统一控制充放电开关MOS。由于原有的电路是针对三或四串电池组设计的，集成电路本身并没有考虑多个IC叠加级联问题，这个级联电路由于电路本身并没有设计，就必须通过外接电路进行充放电信号转换后，才能实现统一控制同一个充放电控制输出的目的。导致电路复杂，并进一步导致保护板的可靠性降低。还有常规的集成电路，是以传统的小电流、低干扰的数码类电池组的应用为主，在电动自行车的动力场合应用时，传统的集成电路已经无法适应动力电机强电磁干扰的环境，造成保护电路失效或者损坏，所以这样的保护电路，不但无法起到保护电池的作用，反而容易成为造成电池失效或损坏的杀手。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动自行车内置电机内置锂电池和保护板的方案，它是将二次电池内置到电机内部后，同时将二次电池的保护电路同样内置到电机的内部的解决方案，达到有效保护电机内部的锂电池的目的。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：电机由定子部分、放置在定子上的电池组、充当外壳的转子、放置在电机内部的电池保护系统构成。

所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：定子部分由电池支架和外圈的定位线圈的硅钢片构成，在定子上沿轴线方向对称的开孔，用于放置电池，定子的中心为带有定位卡的通孔构成，用于将定子固定在电机的中轴上。

所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：可以使用圆柱形二次电池，构成二次电池的材料可以是钴酸锂或者是磷酸铁锂、镍氢等材料。圆柱电池组的形状设计为等边三角形或者为菱形，放置在电机内部的配套电池仓中。

所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：将保护板直接放置在定子部分的侧面，对电池的电压进行取样，完成电池的过充和过放保护功能，在充放电异常的情况下，对电池促进性过充和过放保护，保护电路同时内置了电池充电均衡电路。

所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：每个串联电池组单独并联一个具有过充、过放取样的保护电路，电路本身具有级联信号的功能，通过最高或最低电位的电池的保护电路，输出高低电平的信号，通过信号控制充、放电回路的导通和关断。

所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：其二次电池保护电路控制放电电路的特征是电池组正常工作的信号和过充、过放的状态的信号，传递到控制器的控制信号端，决定控制器是否停止工作；该信号也可以用于控制位于电机内部的开关管(MOS)直接关断放电回路。

附图说明

图1是传统的锂电池的保护电路。

图2是本发明电池在电机定子内部放置的示意图。

图3是本发明的一种保护电路电路图。

图4是锂电池保护电路的电路图。

具体实施方式

本发明通过如下结构设计，达到将电池以及电池保护板电路内部的目的：

常规的电动自行车电机，采样通常分为24V、36V等电压值，配套的电池的额定电压的范围也应该满足电机的配套需要。为了叙述方便，后续的示例中提到的电池和保护电路，都以圆柱型磷酸铁锂电池为例进行说明，这种电池的直径为26mm，高度为65mm，单只电池的标称电压为3.2V，额定容量为3Ah。用于电动车时，可以使用3并8串，构成额定电压为25.4V的电池组，用来匹配24V电机；或者使用3并12串，构成38.4V的电池组，用来匹配36V电机。

如图2所示，定子部分的一种结构设计图，其中1为电池仓的支架，选用金属冲压或者是铸造的方式制作，中心为固定轴的位置，并预留定位销，中间部分预留六个60°圆角等边三角形孔用于放置电池组，放下六组电池2，每个电池仓中可以放置6只电池，放置3并12串的36V电池组，支架的外部固定上冲孔的硅钢片3，用于制作电机的绕组。按照这种结构设计，这种含有电池仓的定子部分，包含电池部分的电池仓，尺寸可以做到100mm的半径以内，满足电动自行车使用的电机需要。

通常，配套的锂二次电池锂电池都需要加有保护系统。请参阅图3，图中为锂电池保护电路的电路图，图中使用的IC是精工公司的专用集成电路S-8209A，具有过充、过放以及均衡控制功能，集成电路，可以根据串联电池的数量，将控制IC进行级联，达到控制电池的过充、过放的目的，。

以S-8209A为例，说明基础电路工作情况：每一个电池的正负极两端，都连接一个专用集成电路，其中集成电路的VDD脚，通过一个470Ω的电阻连接到电池的正极，集成电路的VSS脚，直接连接到电池的负极(电路图中为了区分不同位置的集成电路，分别以1、2、3...等标识，对应的VDD和VSS脚分别以VDD1、VSS1等后加数字标识)，集成电路的VDD脚和VSS脚用于检测电池的电压。

过充过程说明：

在电池组充电中，假设图中的3号电池BAT3，电压达到集成电路设定的过充电压，并延迟一定时间，集成电路S-8209(3)的过充控制脚CO3端，由低电平转变为转换为高电平。该信号经过1k电阻，连接到集成电路S-8209(2)的CTLC2，S-8209(2)的CO2端依次转换为低电平，该电平信号依次向上传输到最上端的S-8209(1)，从S-8209(1)的CO1输出控制信号到三极管，并控制CFET关断，防止因为过充电导致电池组失效。

过放电控制原理说明：

电池组放电时，同样假设图中的3号电池BAT3，电池电压达到集成电路设定的过放电压，并延迟一定时间，集成电路S-8209(3)的过放控制脚DO3端，由低电平转变为转换为高电平。该信号经过1k电阻，连接到集成电路S-8209(2)的CTLD2，S-8209(2)的DO2端依次转换为低电平，该电平信号依次向上传输到最上端的S-8209(1)，从S-8209(1)的DO1输出控制信号到三极管，并控制DFET关断，防止因为过放电导致电池组失效。

该过放信号也可以输送到控制器的刹车控制端，通过控制器的集成电路，关断控制器的电机控制输出端，同样可以达到防止电池过放的功能。

S-8209可以根据串联电池组多少的需要，级联到串联的数量，这里以三串为例进行说明，实际上，这个电路可以适用于从两串到任意多串的电池组的级联。

本电路在具体实施时，可以设计成两种方式：

方式一，电路板分散设计方案：使用集成电路S-8209，将集成电路及外围电路元件，按照每一个串联电池组为一个单元，设计成一个单独的小板子。即在每个串联电池组上并联一个保护线路板，由线路板负责对该组电池进行充放电管理，采集电池的电压信号，正常工作信号、过充、和过放信号，从集成电路的CO和DO端输出，再通过插头和插座，级联到上一级保护电路的CTLC和，最终通过最上端的保护板输出总的控制信号。每个电池组放置在电池仓中对应图4中的4的位置。

这种设计方法的优点是，每个线路板都可以设计的很小，线路板的尺寸可以设计到10×30mm，小的线路板可以放置在电池相切的凹陷处，或者是电池的一端的空隙中，不会影响到整个电池组的体积，更不会影响到电池组和定子之间的配合。

这种设计方法的优点还有，可以分散发热：电池组进行充电时，集成电路的将根据设定的电压判断电池是否过充，如果某一组或几组电池电压高于设定值，均衡电路开启，通过旁路电阻分流，处于均衡状态时，电阻将发热。由于电路板采用分散设计，相应的发热电阻处于分散的线路板上，这样热量将分散到整个电机内部，不会出现热量无法散失，导致温度异常升高，影响保护电路和电池的寿命。

方式二，电路板整体设计方案：将所有的元器件设计到一块线路板上，内部的级联通过线路板内部连接，串联电池组的电压信号通过插头线引入。具体的线路板可以采用长方形，将线路板放置到电池的狭缝中，参阅图4中5的位置。或者将线路板设计为中空的圆形，线路板套接在电机的中轴上参阅图4中6的位置。

方式二的优点是：整个电路需要的元件都集中到一块线路板上，各个电路之间的连接非常简单，增加了电路的可靠性，同时也减少组合的加工难度。

采样方式二另外一个优点是：可以采样集成度更高的集成电路，由单片IC构成的电池管理系统，成熟的电路有OZ890，这类电路具有过充、过放管理、短路、过流保护功能，电路自身带有充电均衡功能。这个电路的另外一个优点是，可以实现I²C通信，可以通过上位机显示电池的电压、电流等信息，可以大大扩展电路的应用范围，不足之处是目前成本较高。

本发明具有以下优点是：

本发明的内置电池及保护板的电机结构，优化了电动自行车的系统结构。由于电机、电池和保护板构成了一体设计，将原来的必须分离的两个系统，整合到一个电机的壳体内部，从而简化了电动车系统的结构，使得电动车改变了电池必须单独设计电池盒的体系，并优化整个电动自行车的系统结构。

本发明的内置电池及保护板的电机结构，提高了电池系统可靠性。本发明将电池及保护电路同时内置到电机的内部，电池本身具有了过充和过放保护，同时具有均衡功能，可以有效的对电池进行保护，提高了电池系统的可靠性。

本发明的内置电池及保护板的电机结构，提高了电池系统安全性。电机采用的是铝合金外壳，由于需要承重，外壳的厚度会远远的大于常规的电池盒的厚度，电机外壳的强度会远远的大于原有的电池盒的强度，提高了电池抗外部冲击的能力。同时、由于电机外壳的强度增加，可以有效的防护在极端情况下，电池出现异常时发生燃烧、爆炸的危险，大大提高了电池的安全等级。

本发明的内置电池及保护板及保护电路的电机结构，有效的节省了成本：电池集成到电机内部后，去掉了传统电动自行车必备的电池盒，完全节省掉了电池盒的成本，使得电动自行车的成本得以降低。

本发明的内置电池及及保护板的电机结构，提高了电池的防水等级：由于电池内置到电机内部，而电机本身就是密封设计，这种设计可以有效的保证电池的密封性，和普通电池盒的防淋溅的防水等级相比较，防水效果更好，达到有效防水的目的。

本发明的内置电池及保护板的电机结构，简化了电动自行车的设计：由于去掉了电池盒，在电动自行车的设计中，不再需要考虑电池盒的放置位置，大大简化了电动自行车的设计，可以更加灵活的设计电动自行车从款式。

本发明的内置电池及保护板的电机结构，可以简化电动自行车的生产过程，提高电动自行车的生产效率：内置电池的电机，与放置电机的前轮或者后轮实际上是一体结构，这样电动自行车实际上就变成了前后轮、车架的结构，电动自行车的生产就变成了传统的自行车生产，可以大大提高电动自行车的生产效率。

本发明的内置电池及保护板的结构，简化了电机和电池之间的连接关系，减少了连线的电阻，从而减少了系统导线上的损耗，提高了电池的利用效率，提高了电动车的行驶里程。

本发明的内置电池及保护板的的结构，由于增加了电机定子驱动部分的半径，有效的提高了驱动力矩，可以提高电机的爬坡和载重能力。

综上所述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

1.一种电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：电机由定子部分、放置在定子上的电池组、充当外壳的转子、放置在电机内部的电池保护系统构成。

2.根据权利要求1所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：定子部分由电池支架和外圈的定位线圈的硅钢片构成，在定子上沿轴线方向对称的开孔，用于放置电池，定子的中心为带有定位卡的通孔构成，用于将定子固定在电机的中轴上。

3.根据权利要求1所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：可以使用圆柱形二次电池，构成二次电池的材料可以是钴酸锂或者是磷酸铁锂、镍氢等材料。圆柱电池组的形状设计为等边三角形或者为菱形，放置在电机内部的配套电池仓中。

4.根据权利要求1所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：将保护板直接放置在定子部分的侧面，对电池的电压进行取样，完成电池的过充和过放保护功能，在充放电异常的情况下，对电池促进性过充和过放保护，保护电路同时内置了电池充电均衡电路。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：每个串联电池组单独并联一个具有过充、过放取样的保护电路，电路本身具有级联信号的功能，通过最高或最低电位的电池的保护电路，输出高低电平的信号，通过信号控制充、放电回路的导通和关断。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车内置电机内置锂电池和保护板，其特征在于：其二次电池保护电路控制放电电路的特征是电池组正常工作的信号和过充、过放的状态的信号，传递到控制器的控制信号端，决定控制器是否停止工作；该信号也可以用于控制位于电机内部的开关管(MOS)直接关断放电回路。