CN105529771B - 电动工具锂电池保护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动工具锂电池保护系统，包括主控模块、电池电压检测模块、电池均衡模块、电源输出模块、充电状态检测模块、放电过流检测模块、放电保护模块、温度检测模块、充电提示模块。电池电压检测模块对外部电磁干扰进行抑制，数据采集精度；电池均衡模块结构简单，有效地均衡电池组的各节电池的电压，延长了电池寿命。该电动工具锂电池保护系统结构简单、功耗低，功能齐全，实现了电池的整车管理。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池保护技术领域，特别涉及一种电动工具锂电池保护系统。
背景技术
目前，越来越多的电动工具使用直流电动机，因此，越来越多的电动工具使用锂电池供电。
电动工具的电池组一般采用锂电池串联，若单节锂电池出现内阻偏大或性能降低时，就会导致电池组中各锂电池充电后的电压存在偏差，这样对电池组的性能和寿命造成很大影响；电动工具的工作电流和开机瞬间的工作电流很大，很容易对锂电池造成损害。因此，电动工具锂电池组亟需一种完善的保护措施。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种电动工具锂电池保护系统，该系统可有效的对锂电池电压进行均衡，可防止锂电池放电电流过大，且对锂电池的保护措施齐全，提高了电动工具锂电池的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种电动工具锂电池保护系统，包括主控模块、电池电压检测模块、电池均衡模块。主控模块用于接收并处理数据，以及发出控制命令；电池电压检测模块用于对电池组中的每个单节电池进行电压采样；电池均衡模块用于对电池组中的每个单节电池的电压进行均衡。主控模块分别与电池电压检测模块、电池均衡模块相连接。
电池电压检测模块在每个单节电池之间的结点处各设置一个电压采样单元；每个电压采样单元结构相同。该电压采样单元由跟随器、前级滤波电容、后级滤波电容、前级电阻、第一后级电阻、第二后级电阻构成；该跟随器由运放器构成，跟随器的反相输入端与输出端相连接，同相输入端与前级电阻相连接且经过前级滤波电容接地，跟随器的输出端连接第一后级电阻，第一后级电阻经第二后级电阻接地且经后级滤波电容接地。
电池均衡模块为每个单节电池各设置一个泄放单元，每个单节电池与其所对应的泄放单元相并联；所述泄放单元由开关和功率电组串联构成；电池组的负极端的单节电池的泄放单元的开关为MOS管，该MOS管的栅极与源极之间连接一个分压电阻，栅极通过一个电阻接收主控模块发出的电池均衡控制信号；其余单节电池的泄放单元的开关为三级管，每个三极管的基极通过一个分压电阻与其所并联的单节电池的正极相连接，三极管的发射极直接与其所并联的单节电池的正极相连；且每个三极管的基极通过一个偏执电阻与一个MOS管的漏极相连接；每个MOS管的源极直接接地，栅极与源极之间连接一个分压电阻；MOS管的栅极各通过一个电阻接收主控模块发出的电池均衡控制信号。
进一步地，该电动工具锂电池保护系统还包括放电过流检测模块、放电保护模块。
放电过流检测模块用于检测电池组的放电电流大小；放电保护模块用于防止电池组放电电流过大。
该放电过流检测模块包含MOS管Q10、稳压管D11、电容C9、电阻R24、R47、R62。 MOS管Q10的漏极与电阻R24相连接，栅极与电阻R47相连接，且经电阻R46接地；MOS管Q10的源极经电阻R62接地，并且经电容C9接地；稳压管D11接在MOS管Q10的源极与地之间；电阻R47接收一个驱动信号，该驱动信号控制所述放电过流检测模块工作，电阻R24用于对电池组输出电流进行采样，采样的电流经MOS管Q10的源极输出。
该放电保护模块包含MOS管Q1、Q6、Q18、Q8、稳压管D2、电容C18、C6、电阻R27、R17、R29、R18、R36、R72、R38、R20。电阻R20经电阻R38分别与MOS管Q1、Q6、Q18、Q8的源极连接；MOS管Q8的栅极与电阻R20相连接， MOS管Q8的漏极与MOS管Q18的栅极相连接；电阻R72接在MOS管Q18的栅极与源极之间，MOS管Q18的漏极与电阻R18相连接，MOS管Q18的栅极与电阻R36相连接； MOS管Q6的栅极经电阻R29与MOS管Q18的漏极相连接，电阻R17接在MOS管Q6的栅极和源极之间，MOS管Q6的漏极与MOS管Q1的漏极相连接，MOS管Q6的栅极与MOS管Q1的栅极相连接；电容C18、C6串联后接在MOS管Q1的源极与漏极之间，电阻R27并联在MOS管Q1的源极与漏极之间，稳压管D2接在MOS管Q1的栅极与源极之间。
进一步地，该电动工具锂电池保护系统还包括电源输出模块、充电状态检测模块、温度检测模块、充电提示模块。电源输出模块用于控制电池组对外供电；充电状态检测模块用于判断电池组有无充电；温度检测模块用于检测电池组的温度；充电提示模块用于提示电池组有无充电。
本发明有益效果：
(1)该电动工具锂电池保护系统通过电池电压检测模块2、电池均衡模块3有效地均衡电池组的各节电池的电压，延长了电动工具锂电池的寿命，且电池电压检测模块2、电池均衡模块3结构简单。
(2)该电动工具锂电池保护系统通过放电过流检测模块6、放电保护模块7可以大大降低电动工具锂电池因放电电流过大而造成的损害。
(3)该电动工具锂电池保护系统功能完善，实现了对锂电池的有效保护。
附图说明
图1是该电动工具锂电池保护系统的结构方框示意图。
图2是该电动工具锂电池保护系统的主控模块1的电路原理示意图。
图3是该电动工具锂电池保护系统的电路原理示意图。
图4是该电动工具锂电池保护系统的电池均衡模块3的电路原理示意图。
图5是该电动工具锂电池保护系统的充电状态检测模块5的电路原理示意图。
图6是该电动工具锂电池保护系统的充电提示模块9的电路原理示意图。
图3中包括电池电压检测模块2、电源输出模块4、放电过流检测模块6、放电保护模块7、温度检测模块8。
具体实施方式
如图1所示，是该电动工具锂电池保护系统的结构示意图，包括主控模块1、电池电压检测模块2、电池均衡模块3、电源输出模块4、充电状态检测模块5、放电过流检测模块6、放电保护模块7、温度检测模块8、充电提示模块9。
主控模块1分别与电池电压检测模块2、电池均衡模块3、电源输出模块4、充电状态检测模块5、放电过流检测模块6、放电保护模块7、温度检测模块8、充电提示模块9相连接。
主控模块1用于接收并处理数据，以及发出控制命令。电池电压检测模块2用于对电池组中的每个单节电池进行电压采样。电池均衡模块3用于对电池组中的每个单节电池的电压进行均衡。电源输出模块4用于控制电池组对外供电。充电状态检测模块5用于判断电池组有无充电。放电过流检测模块6用于检测电池组的放电电流大小。放电保护模块7用于防止电池组放电电流过大。温度检测模块8用于检测电池组的温度。充电提示模块9用于提示电池组有无充电。电池组由若干个可充电电池串联组成。
图2是该电动工具锂电池保护系统的主控模块1的电路原理示意图。主控模块1包含MCU芯片U2、电容C15、电阻R35、R37、R19。电阻R35接在MCU芯片U2的TEST端用于该系统的生产测试，TEST端与起限流作用的电阻R35相连接， MCU芯片U2的TEST端还分别与电阻R37、电容C15相连接，电阻R37为下拉电阻，电容C15用于滤波，消除TEST信号的电磁干扰。电阻R19起限流作用。 MCU芯片U2与电阻R19相接的管脚用于接收放电过流检测模块6传递的系统的放电电流大小的信息。
如图3中的电池电压检测模块2所示，电池电压检测模块2在单节电池之间的结点处各设置一个电压采样单元。每个电压采样单元由跟随器、前级滤波电容、后级滤波电容、前级电阻、第一后级电阻、第二后级电阻组成。该跟随器由运放器构成，跟随器的反相输入端与输出端相连接，同相输入端与前级电阻相连接且经过前级滤波电容接地，跟随器的输出端连接第一后级电阻，第一后级电阻经第二后级电阻接地且经后级滤波电容接地。每个电压采样单元通过前级电阻对所连接的电池的结点处的电压进行采样，并将采样电压采样传给跟随器，跟随器对采样电压进行运放后，再通过第一后级电阻、第二后级电阻分压处理后穿给主控单元1。
电池电压检测的原理是：跟随器把每节电池的电压平移到由第一后级电阻、第二后级电阻组成的分压电路；MCU芯片U2对分压后的电池电压进行采样，MCU芯片U2检测到每个节点的电压后计算出每节电池的电压。跟随器使得每个节点流出的电流极小，减少电池电压检测模块2对电池平衡的影响。
图4是该电动工具锂电池保护系统的电池均衡模块3的电路原理示意图。电池均衡模块为每个单节电池各设置一个泄放单元，每个单节电池与其所对应的泄放单元相并联；所述泄放单元由开关和功率电组串联构成；电池组的负极端的单节电池的泄放单元的开关为MOS管，该MOS管的栅极与源极之间连接一个分压电阻，栅极通过一个电阻接收外部的电池均衡控制信号。其余单节电池的泄放单元的开关为PNP型三级管，每个PNP型三极管的基极通过一个分压电阻与其所并联的单节电池的正极相连接，PNP型三极管的发射极直接与其所并联的单节电池的正极相连；且每个PNP型三极管的基极通过一个偏执电阻与一个MOS管的漏极相连接；每个MOS管的源极直接接地，栅极与源极之间连接一个分压电阻。MOS管的栅极各通过一个电阻接收主控模块1的驱动信号，每个MOS管的栅极与源极之间连接一个分压电阻。电池组的电压信息被电池电压检测模块2检测，主控单元1首先对电池组各结点的电压进行比较，然后控制电池均衡模块3使电池组中单节电池的电压值达到平衡。在充电均衡过程中，多余的能量以热量的方式放掉。该电池均衡模块3优点是电路结构简单，成本较低。
如图3中的电源输出模块4所示。电源输出模块4包含MOS管Q3、Q2、三极管Q7、二极管D1、D3、D4、电容C5、C8、C12、C13、C14、C10、C19、电阻R23、R28、R16、R22、R15、R14、R51、R52、R13。
电阻R23依次经电容C5、二极管D4与MOS管Q3的栅极相连接，MOS管Q3的源极接地，电阻R28、电容C8分别接在MOS管Q3的栅极与源极之间，电容C5经二极管D3接地。电容C12经电阻R2与MOS管Q2的栅极连接；MOS管的源极直接接地，电容C13、电阻R16分别并联在MOS管Q2的栅极与源极之间，MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的漏极相连接。三极管Q7的基极经电阻R15与MOS管Q2的漏极相连接，三极管Q7的发射极经电阻R14相连接，三极管Q7的集电极与二极管D1的阳极相连接。电阻R51与三极管Q7的集电极相连接，电阻R51经电阻R52接地，电容C14与电阻R52相并联。二极管D1的阴极与电阻R13相连接，电阻R13分别经电容C10、C19接地。
当电池组为负载供电时，电容C12接收外部信号并传给MOS管Q2。然后，MOS管Q2触发电源输出模块4开始工作。主控模块1的MCU_PW_EN管脚不断的发出脉冲信号，脉冲信号传给MOS管Q3，MOS管Q3驱动三极管Q7迅速通断，使电流从三极管Q7通过。一部分电流经电阻R51、R52分压后传给主控模块1，主控模块1由此检测电池组的总电压值。另一部分电流经电容C19、C10传给负载供电。
图5是该电动工具锂电池保护系统的充电状态检测模块5的电路原理示意图。充电状态检测模块5包含MOS管Q12、Q22、Q13、Q9、稳压管D7、二极管D12、电阻R21、R58、R61、R33、R34。
MOS管Q22的漏极(图中CH+端口)接外部充电器，二极管D12的的阴极（图中B+端口）接电池组的正极；MOS管Q12的漏极与二极管D12的阳极相连接，MOS管Q12的栅极经电阻R21与源极相连接，MOS管Q12的栅极并且经电阻R58与MOS管的漏极相连接，MOS管Q12的源极与MOS管Q22的源极相连接；稳压管D7与电阻R21并联；MOS管Q9的栅极经电阻R33与MOS管Q22的漏极相连接，MOS管Q9的栅极并且经电阻R34接地，MOS管Q9的源极之间接地，MOS管Q9的漏极与主控模块1相连接。
当外部充电器插入C+端口准备对电池组充电时，MOS管Q9导通，主控模块1的CH_IN接收到低电平信号，主控模块1的CH_EN管脚控制Q12导通，使充电器对电池组进行充电，并且，主控模块控制充电提示模块9灯的绿色发光二极管发光，说明电池组在充电。充电状态检测模块5的输入端还有用于限制电流方向的二极管D5和D6。
如图3中的放电过流检测模块6所示。放电过流检测模块6包含MOS管Q10、稳压管D11、电容C9、电阻R24、R47、R62。电阻R24一端接MOS管Q10的漏极，另一端为放电过流检测模块6的输入端，用于接收系统流过的电流。MOS管Q10的栅极与电阻R47相连接，电阻R47接收主控模块1中MCU芯片的P_VIN脚发出的驱动信号。MOS管Q10的栅极经电阻R46接地，MOS管Q10的源极为放电过流检测模块6的输出端，与MCU芯片的AN_CUR脚相连接。MOS管Q10的源极经电阻R62接地，并且经电容C9接地。稳压管D11接在MOS管Q10的源极与地之间。
电池组在对外部负载放电过程中，可能因为异常而导致放电电流过大。在电池放电过程中，主控模块1为电阻R46输出一个高电平，MOS管Q10导通，电阻R24对系统中的电流进行采集，并经过MOS管Q10将采集到的电流值传给主控模块1进行判断。
如图3中的放电保护模块7所示。放电保护模块7包含MOS管Q1、Q6、Q18、Q8、稳压管D2、电容C18、C6、电阻R27、R17、R29、R18、R36、R72、R38、R20。
电阻R20经电阻R38分别与MOS管Q1、Q6、Q18、Q8的源极连接。MOS管Q8的栅极与电阻R20相连接， MOS管Q8的漏极与MOS管Q18的栅极相连接。电阻R72接在MOS管Q18的栅极与源极之间。MOS管Q18的漏极与电阻R18相连接，MOS管Q18的栅极与电阻R36相连接。MOS管Q18的漏极经电阻R29与MOS管Q6的栅极相连接，电阻R17接在MOS管Q6的栅极和源极之间，MOS管Q6的漏极与MOS管Q1的漏极相连接，MOS管Q6的栅极与MOS管Q1的栅极相连接，电容C18、C6串联后接在MOS管Q1的源极与漏极之间，电阻R27并联在MOS管Q1的源极与漏极之间。稳压管D2接在MOS管Q1的栅极与源极之间。
电池组放电时，电池通过放电保护模块7的电阻R18、R29为MOS管Q1、Q6的栅极供电，MOS管Q1、Q6导通，系统的放电回路导通，电池组可以为负载放电。当主控模块1通过放电过流检测模块6检测到电池组的放电电流过大时，主控模块1就会输出一个高电平，MOS管Q1、Q6的栅极变为低电平，MOS管Q1、Q6由导通变为截止，系统的放电回路被切断，从而使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。稳压管D2防止因蓄电池为放电保护模块7提供的电压过高，而是放电保护模块7损坏。电阻R27为高阻值电阻，用于泄放系统产生的瞬间高电压。电容C18、C6用于滤除系统中的杂波。
如图3中的温度检测模块8所示。温度检测模块8包含稳压芯片U3、热敏电阻NTC、电阻R41、电容C11、C7。稳压芯片U3的输出端接5V电压并且经电容C11接地，稳压芯片U3的输出端经电阻R1、热敏电阻NTC接地；电容C7与热敏电阻NTC并联。稳压芯片U3用于稳压控制，热敏电阻NTC感应电池组(1)的工作温度，并将工作温度转化为电压，然后将电压传送给主控模块1，主控模块1实现对电池组的温度控制。
图6是该电动工具锂电池保护系统的充电提示模块9的电路原理示意图。提示模块9包含发光二极管LED1、LED2、电阻R44、R50。电阻R44、R50分别与发光二极管LED1、LED2相连接，发光二极管LED1、LED2的负极分别接地。电阻R44、R50起限流作用。当电池组充电时，发光二极管LED1发出红光；当电池组充电结束时，发光二极管LED2发出绿光。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其它改进和变化均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电动工具锂电池保护系统，包括主控模块(1)、电池电压检测模块(2)、电池均衡模块(3)，其特征在于：所述主控模块(1)用于接收并处理数据，以及发出控制命令；
所述电池电压检测模块(2)用于对电动工具的电池组中的每个单节电池进行电压采样；所述电池均衡模块(3)用于对电池组中的每个单节电池的电压进行均衡；
所述主控模块(1)分别与电池电压检测模块(2)、电池均衡模块(3)相连接；所述电池电压检测模块(2)在每个单节电池之间的结点处各设置一个电压采样单元；每个电压采样单元结构相同；
所述电压采样单元由跟随器、前级滤波电容、后级滤波电容、前级电阻、第一后级电阻、第二后级电阻构成；跟随器的反相输入端与输出端相连接，同相输入端与前级电阻相连接且经过前级滤波电容接地，跟随器的输出端连接第一后级电阻，第一后级电阻经第二后级电阻接地且经后级滤波电容接地；
所述电池均衡模块(3)为每个单节电池各设置一个泄放单元，每个单节电池与其所对应的泄放单元相并联；所述泄放单元由一个开关和一个功率电阻串联构成；
电池组负极端的单节电池的泄放单元的开关为MOS管，该MOS管的栅极与源极之间连接一个分压电阻，栅极通过一个电阻接收主控模块(1)发出的电池均衡控制信号；其余单节电池的泄放单元的开关为三级管，每个三极管的基极通过一个分压电阻与其所并联的单节电池的正极相连接，三极管的发射极直接与其所并联的单节电池的正极相连；且每个三极管的基极通过一个偏执电阻与一个MOS管的漏极相连接，每个与偏执电阻连接的MOS管的源极直接接地，栅极与源极之间连接一个分压电阻，该每个MOS管的栅极各通过一个电阻接收主控模块(1)发出的电池均衡控制信号；
还包括放电过流检测模块(6)、放电保护模块(7)，所述放电过流检测模块(6)用于检测电池组的放电电流大小；所述放电过流检测模块(6)包含MOS管Q10、稳压管D11、电容C9、电阻R24、R46、R47、R62；MOS管Q10的漏极与电阻R24相连接，栅极与电阻R47相连接，且经电阻R46接地；MOS管Q10的源极经电阻R62接地，并且经电容C9接地；稳压管D11接在MOS管Q10的源极与地之间；
电阻R47接收一个驱动信号，该驱动信号控制所述放电过流检测模块(6)工作，电阻R24用于对电池组输出电流进行采样，采样的电流经MOS管Q10的源极输出；
所述放电保护模块(7)用于防止电池组放电电流过大；放电保护模块(7)包含MOS管Q1、Q6、Q18、Q8、稳压管D2、电容C18、C6、电阻R27、R17、R29、R18、R36、R72、R38、R20；电阻R20的一端经电阻R38分别与MOS管Q1、Q6、Q18、Q8的源极连接；MOS管Q8的栅极与电阻R20的一端相连接，MOS管Q8的漏极与MOS管Q18的栅极相连接；电阻R72接在MOS管Q18的栅极与源极之间，MOS管Q18的漏极与电阻R18相连接，MOS管Q18的栅极与电阻R36相连接；MOS管Q6的栅极经电阻R29与MOS管Q18的漏极相连接，电阻R17接在MOS管Q6的栅极和源极之间，MOS管Q6的漏极与MOS管Q1的漏极相连接，MOS管Q6的栅极与MOS管Q1的栅极相连接；电容C18、C6串联后接在MOS管Q1的源极与漏极之间，电阻R27并联在MOS管Q1的源极与漏极之间，稳压管D2接在MOS管Q1的栅极与源极之间。
2.根据权利要求1所述的电动工具锂电池保护系统，其特征在于：
所述的电动工具锂电池保护系统还包括电源输出模块(4)、充电状态检测模块(5)、温度检测模块(8)、充电提示模块(9)；
所述电源输出模块(4)用于控制电池组对外供电；
所述充电状态检测模块(5)用于判断电池组有无充电；
所述温度检测模块(8)用于检测电池组的温度；
所述充电提示模块(9)用于提示电池组有无充电。
3.根据权利要求2所述的电动工具锂电池保护系统，其特征在于：所述电源输出模块(4)包含MOS管Q3、Q2、三极管Q7、二极管D1、D3、D4、电容C5、C8、C12、C13、C14、C10、C19、电阻R23、R28、R16、R22、R15、R14、R51、R52、R13；电阻R23依次经电容C5、二极管D4与MOS管Q3的栅极相连接，MOS管Q3的源极接地，电阻R28、电容C8分别接在MOS管Q3的栅极与源极之间，电容C5经二极管D3接地；电容C12经电阻R22与MOS管Q2的栅极连接，MOS管Q2的源极直接接地，电容C13、电阻R16分别并联在MOS管Q2的栅极与源极之间，MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的漏极相连接；三极管Q7的基极经电阻R15与MOS管Q2的漏极相连接，三极管Q7的发射极经电阻R14与电阻R15相连接，三极管Q7的集电极与二极管D1的阳极相连接；电阻R51与三极管Q7的集电极相连接，电阻R51经电阻R52接地，电容C14与电阻R52相并联；二极管D1的阴极与电阻R13相连接，电阻R13分别经电容C10、C19接地。
4.根据权利要求2所述的电动工具锂电池保护系统，其特征在于：所述充电状态检测模块(5)包含MOS管Q12、Q22、Q13、Q9、稳压管D7、二极管D12、电阻R21、R58、R61、R33、R34；
MOS管Q22的漏极连接外部充电器；二极管D12的的阴极连接电池组的正极；MOS管Q12的漏极与二极管D12的阳极相连接，MOS管Q12的栅极经电阻R21与源极相连接，MOS管Q12的栅极并且经电阻R58与MOS管Q13的漏极相连接，MOS管Q13的栅极与电阻R61相连接，MOS管Q12的源极与MOS管Q22的源极相连接；稳压管D7与电阻R21并联；MOS管Q9的栅极经电阻R33与MOS管Q22的漏极相连接，MOS管Q9的栅极并且经电阻R34接地，MOS管Q9的源极直接接地，MOS管Q9的漏极与主控模块(1)相连接。
5.根据权利要求2所述的电动工具锂电池保护系统，其特征在于：所述温度检测模块(8)包含稳压芯片U3、热敏电阻NTC、电阻R41、电容C11、C6；稳压芯片U3的输出端接5V电压并且经电容C11接地，稳压芯片U3的输出端经电阻R41、热敏电阻NTC接地；电容C6与热敏电阻NTC并联；热敏电阻NTC感应电路中的温度，并将温度量转化为电压量输出给主控模块(1)。
6.根据权利要求2所述的电动工具锂电池保护系统，其特征在于：所述充电提示模块(9)包含发光二极管LED1、LED2、电阻R44、R50；电阻R44、R50分别与发光二极管LED1、LED2相连接，发光二极管LED1、LED2的负极分别接地；电阻R44、R50起限流作用；当电池组充电时，发光二极管LED1发出红光；当电池组充电充满时，发光二极管LED2发出绿光。
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