CN105896641A - 一种汽车启动电源和汽车 - Google Patents

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王克坚
张青岭
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Abstract

本发明实施方式公开了一种汽车启动电源和汽车。汽车启动电源包括：包含多个串联的单节锂电池的锂离子电池组；开关保护模块，用于检测锂离子电池组的总电压值，并当总电压值大于预先设定的过充电门限值时，切断锂离子电池组的充电电路；或，当总电压值小于预先设定的过放电门限值时，切断锂离子电池组的放电电路；或，用于检测锂离子电池组中每个单节锂电池的电压值，并当出现单节锂电池的电压值大于预先设定的单体电压过充电门限值时，切断锂离子电池组的充电电路；或，当出现单节锂电池的电压值小于预先设定的单体电压过放电门限值时，切断锂离子电池组的放电电路；均衡保护模块，用于使能电压值大于单体电压过充电门限值的单节锂电池放电。

Description

一种汽车启动电源和汽车
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，更具体地，涉及一种汽车启动电源和汽车。
背景技术
目前，汽车基本采用铅酸12V(24V)蓄电池充当启动电源。启动电源可以充当各个电子设备的供电电源。启动电源的作用主要包括：(1)启动发动机时提供起动电流(一般高达200～600A)；(2)当车载发电机过载时，协助车载发电机向用电设备供电；(3)当发动机处于怠速时，向用电设备供电；(4)保护汽车的用电器；(5)当车载发电机端电压高于铅酸蓄电池的电动势时，将一部分电能转变为化学能储存起来，也就是进行充电。
铅酸蓄电池由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是依靠正极板活性物质和负极板活性物质在电解液(稀硫酸溶液)的作用下进行，其中极板的栅架通常由铅锑合金制造。
铅酸电池具有不需要电池管理系统、小范围的过充过放不会造成损坏等优点。然而，铅酸电池同样存在寿命短、体积大、具有污染等不良因素。
发明内容
本发明的目的是提出一种汽车启动电源，从而提高电源的使用寿命并减少电源的体积。
本发明的另一个目的是提出一种汽车，从而提高电源的使用寿命并减少电源的体积。
根据本发明实施方式的一方面，提出一种汽车启动电源，包括：
锂离子电池组，所述锂离子电池组包含多个串联的单节锂电池；
开关保护模块，用于检测所述锂离子电池组的总电压值，并当所述锂离子电池组的总电压值大于预先设定的过充电门限值时，切断所述锂离子电池组的充电电路；或，当所述锂离子电池组的总电压值小于预先设定的过放电门限值时，切断所述锂离子电池组的放电电路；或，用于检测所述锂离子电池组中每个单节锂电池的电压值，并当出现单节锂电池的电压值大于预先设定的单体电压过充电门限值时，切断所述锂离子电池组的充电电路；或，当出现单节锂电池的电压值小于预先设定的单体电压过放电门限值时，切断所述锂离子电池组的放电电路；
均衡保护模块，用于使能电压值大于所述单体电压过充电门限值的单节锂电池放电。
优选地，所述均衡保护模块包括：串联在每个单节锂电池的正电压连接端子与负电压连接端子之间的稳压二极管和电阻；
所述稳压二极管的反向电压临界值等于所述单体电压过充电门限值。
优选地，所述开关保护模块包括电池保护芯片、第一场效应管和第二场效应管：
第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极连接；第一场效应管的栅极与所述电池保护芯片的充电控制用场效应管门极连接端子连接；第一场效应管的源极与所述锂离子电池组的负电压连接端子连接；第二场效应管的栅极与所述电池保护芯片的放电控制用场效应管门极连接端子连接；第二场效应管的源极与所述锂离子电池组的末节单节锂电池的负电压连接端子连接。
优选地，还包括：
在第一场效应管的源极与第一场效应管的漏极之间并联的功率二极管。
优选地，还包括
在第二场效应管的源极与第二场效应管的漏极之间并联的功率二极管。
优选地，还包括：
在锂离子电池组的正电压连接端子与首节单节锂电池的正电压连接端子之间串联的保险丝。
优选地，所述电池保护芯片为S8205A芯片或S8205B芯片。
优选地，所述单节锂电池的数目为4或5。
根据本发明实施方式的另一方面，还提出一种汽车，包括如上任一项所述的启动电源。
优选地，所述汽车为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、汽油驱动汽车或柴油驱动汽车。
从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，不同于现有技术中利用铅酸蓄电池充当启动电源，而是利用锂离子电池组充当启动电源，因此可以提高电源的使用寿命并减少电源的体积。
另外，鉴于锂离子电池组具有不能承受过充过放等缺陷，本发明对锂离子电池组进行相应的保护处理，使得锂离子电池组具备过充过放的保护功能。
而且，本发明实施方式没有采用专用芯片，降低了成本，可以多个单节锂电池同时放电均衡。
附图说明
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1为根据本发明汽车启动电源的结构图。
图2为根据本发明实施方式启动电源的示范性电路结构图。
图3为根据本发明实施方式允许充电和允许放电时的启动电源的电路处理示意图。
图4为根据本发明实施方式不允许充电且允许放电时的启动电源的电路处理示意图；
图5为根据本发明实施方式不允许放电且允许充电时的启动电源的电路处理示意图。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
在本发明实施方式中，不同于现有技术中利用铅酸蓄电池充当汽车启动电源，而是利用锂离子电池组充当汽车启动电源。另外，鉴于锂离子电池组具有不能承受过充过放等缺陷，本发明对锂离子电池组进行相应的保护处理，使得锂离子电池组具备过充过放的保护功能。
图1为根据本发明汽车启动电源的结构图。
如图1所示：汽车启动电源100包括：
包含多个串联的单节锂电池的锂离子电池组101；
开关保护模块102，用于检测锂离子电池组101的总电压值，并当锂离子电池组101的总电压值大于预先设定的过充电门限值时，切断锂离子电池组101的充电电路；或，当锂离子电池组101的总电压值小于预先设定的过放电门限值时，切断锂离子电池组101的放电电路；或，用于检测所述锂离子电池组101中每个单节锂电池的电压值，并当出现单节锂电池的电压值大于预先设定的单体电压过充电门限值时，切断锂离子电池组101的充电电路；或，当出现单节锂电池的电压值小于预先设定的单体电压过放电门限值时，切断锂离子电池组101的放电电路；
均衡保护模块103，用于使能电压值大于预先设定的单体电压过充电门限值的单节锂电池放电。
锂离子电池组101可以包含多个串联的单节锂电池。基于具体应用环境的需求，单节锂电池的数目可以相应调整。
比如，小型车一般使用12V的启动电源，而大型车一般使用24V的启动电源。当单节锂电池的电压为3.6V时，小型车采用的锂离子电池组101可以包含4个单节锂电池，大型车采用的锂离子电池组101可以包含8个单节锂电池。
以上以单节锂电池的示范性电压为实例描述了锂离子电池组101可以包含的单节锂电池数，本领域技术人员可以意识到，这种描述是示范性的，并不用于限定本发明的保护范围。
开关保护模块102检测锂离子电池组101的电压异常，并当发生电压异常时断开锂离子电池组101。具体地，开关保护模块102执行下列动作中的至少一个：
(1)、当锂离子电池组101的总电压值大于预先设定的过充电门限值时，开关保护模块102判定锂离子电池组101发生过压，切断锂离子电池组101的充电电路。
(2)、当锂离子电池组101的总电压值小于预先设定的过放电门限值时，开关保护模块102判定锂离子电池组101发生欠压，切断锂离子电池组101的放电电路。
(3)、当出现单节锂电池的电压值大于预先设定的单体电压过充电门限值时，开关保护模块102判定锂离子电池组101中有单节锂电池发生过压，切断锂离子电池组101的充电电路。
(4)、当出现单节锂电池的电压值小于预先设定的单体电压过放电门限值时，开关保护模块102判定锂离子电池组101中有单节锂电池发生欠压，切断锂离子电池组101的放电电路。
均衡保护模块103检测每个单节锂电池的电压值，当检测到有单节锂电池的电压值超于单体电压过充电门限值时，使能该单节锂电池开始放电，从而实现各个单节锂电池之间的均衡保护。
可以将图1所示的启动电源应用到各种类型的汽车中。具体地，汽车可以实施为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、汽油驱动汽车或柴油驱动汽车，等等。
图2为根据本发明实施方式启动电源的示范性电路结构图。
由图2可见，锂离子电池组101包含4个串联的单节锂电池，分别为单节锂电池A1、单节锂电池A2、单节锂电池A3和单节锂电池A4。
均衡保护模块103包括串联在每个单节锂电池的正电压连接端子与负电压连接端子之间的稳压二极管和电阻。
具体地，均衡保护模块103包括：串联在单节锂电池A1的正电压连接端子与负电压连接端子之间的稳压二极管D1和电阻R12；串联在单节锂电池A2的正电压连接端子与负电压连接端子之间的稳压二极管D2和电阻R13；串联在单节锂电池A3的正电压连接端子与负电压连接端子之间的稳压二极管D3和电阻R14；串联在单节锂电池A4的正电压连接端子与负电压连接端子之间的稳压二极管D4和电阻R15。
举例，电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15的阻值为33欧姆。稳压二极管D1、稳压二极管D2、稳压二极管D3和稳压二极管D4的反向电压临界值等于单体电压过充电门限值。假定单体电压过充电门限值为3.6V，则稳压二极管D2、稳压二极管D3和稳压二极管D4的反向电压临界值为3.6V。
当锂离子电池组101中某个单节锂电池的电压大于3.6V时，与该单节锂电池相连接的稳压二极管导通，电流经过33欧姆的电阻被分压，所以该单节锂电池的电压将会降低，从而可以避免单节锂电池发生过压。
比如，当单节锂电池A1的电压大于3.6V时，稳压二极管D1导通。由于稳压二极管D1导通，导致电流流经电阻R12产生电能消耗，最终单节锂电池A1的电压降低为单体电压过充电门限值及以下。
再比如，当单节锂电池A2的电压大于3.6V时，稳压二极管D2导通。由于稳压二极管D2导通，导致电流流经电阻R13产生电能消耗，最终单节锂电池A2的电压降低为单体电压过充电门限值及以下。
而且，当多个单节锂电池的电压大于3.6V时，这些大于3.6V的单节锂电池可以同时放电均衡。
EB+和EB-是锂离子电池组101的正负端子。
如图2所示，开关保护模块102包括电池保护芯片U1、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2。
电池保护芯片U1可以具体实施为S8205A芯片或S8205B芯片。
下面以电池保护芯片U1实施为S8205A芯片为例进行详细说明。
表1为S8205A芯片的引脚示意表。
表1
由图2及表1可见，第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的漏极连接；第一场效应管Q1的栅极与电池保护芯片U1的充电控制用场效应管门极连接端子(CO)连接；第一场效应管Q1的源极与锂离子电池组101的负电压连接端子连接。
第二场效应管Q2的栅极与电池保护芯片U1的放电控制用场效应管门极连接端子(DO)连接；第二场效应管Q2的源极与锂离子电池组101的末节单节锂电池(A5)的负电压连接端子连接。
EB-经由电阻R1与VSS-VM间的电压检测端子(VM)连接；Q1的栅极与源级之间具有下拉电阻R2。
第二场效应管Q2的栅极与电池保护芯片U1的放电控制用场效应管门极连接端子(DO)之间串联有电阻R3。VSS-VINI间的电压检测端子(VINI)经电阻R4串联到第二场效应管Q2的源极。
S8205A芯片可以起到过充和过放保护作用。
假定过锂离子电池组101的充电门限值为14.4V；过放电门限值为10V；单体电压过充电门限值为3.6V；单体电压过放电门限值为2.5V。
示范性地：S8205A芯片的工作过程包括：
当锂离子电池组101的总电压(即单节锂电池A1、单节锂电池A2、单节锂电池A3和单节锂电池A4的电压和)在10～14.4V之间以及每个单节锂电池的电压在2.5～3.6V之间时，S8205A芯片控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2都导通，锂离子电池组101的放电电路和充电电路都处于导通状态，锂离子电池组101既可以放电也可以充电。
在锂离子电池组101的充电过程中，锂离子电池组101的总电压逐渐增大，当锂离子电池组101的总电压大于过充电门限值(14.4V)时，电池保护芯片U1判定发生过充，电池保护芯片U1控制第一场效应管Q1关闭，切断充电回路，禁止充电。
在锂离子电池组101的放电过程中，锂离子电池组101的总电压逐渐减小，当锂离子电池组101的总电压低于过放电门限值(10V)时，电池保护芯片U1判定发生过放，电池保护芯片U1控制第二场效应管Q2关闭，切断放电回路，禁止放电。
当单节锂电池A1、单节锂电池A2、单节锂电池A3和单节锂电池A4中至少有一个单节锂电池的电压大于单体电压过充电门限值(3.6V)时，电池保护芯片U1判定发生过充，电池保护芯片U1控制第一场效应管Q1关闭，切断充电回路，禁止充电。
当单节锂电池A1、单节锂电池A2、单节锂电池A3和单节锂电池A4中至少有一个单节锂电池的电压低于单体电压过放电门限值(2.5)V时，电池保护芯片U1判定发生过放，电池保护芯片U1控制第一场效应管Q2关闭，切断放电回路，禁止放电。
在图2中，R5是电流采样电阻，当电流流经电阻R5时，在电阻R5两端产生端电压，电池保护芯片U1采样此端电压，当端电压超过预先设定的门限值时，可以判定发生过流或者短路，电池保护芯片U1控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2切断，从而保证锂离子电池组101安全。
在第一场效应管Q1的源极与第一场效应管Q1的漏极之间并联有D5。在第二场效应管Q2的源极与第二场效应管Q2的漏极之间并联有功率二极管D6。
在欠压保护时，第二场效应管Q2关闭，但是由于功率二极管D6导通，锂离子电池组101可以正常充电。
在过压保护时，第一场效应管Q1关闭，但是由于功率二极管D5导通，锂离子电池组101可以正常放电。
在锂离子电池组101的正电压连接端子与首节单节锂电池A1的正电压连接端子之间串联的保险丝F1。当电池保护芯片U1失效情况下，如果电流超过其额定值后，保险丝F1熔断，从而起到进一步的过流保护作用。
图3为根据本发明实施方式允许充电和允许放电时的启动电源的电路处理示意图。
由图3可见：
当锂离子电池组的总电压(即单节锂电池A1、单节锂电池A2、单节锂电池A4和单节锂电池A4的电压和)在10～14.4V之间以及每个单节锂电池的电压在2.5～3.6V之间时，即锂离子电池组101的总电压不大于过充电门限值(14.4V)也不低于过放电门限值(10V)，而且每个单节锂电池的电压不大于单体电压过充电门限值(3.6V)也不低于单体电压过放电门限值(2.5V)时，S8205A芯片U1控制第一场效应管Q1和第二场效应管Q2都导通，锂离子电池组的放电电路和充电电路都处于导通状态，锂离子电池组既可以放电也可以充电。
图4为根据本发明实施方式不允许充电且允许放电时的启动电源的电路处理示意图。
由图4可见：
当锂离子电池组的总电压大于过充电门限值(14.4V)或出现单节锂电池的电压大于单体电压过充电门限值(3.6V)时，S8205A芯片U1判定发生过充，S8205A芯片U1控制第一场效应管Q1关闭，切断锂离子电池组的充电回路，禁止锂离子电池组充电。
第一场效应管Q1被关闭后，由于功率二极管D5导通，因此锂离子电池组可以正常放电。
图5为根据本发明实施方式不允许放电且允许充电时的启动电源的电路处理示意图。
由图5可见：
当锂离子电池组的总电压低于过放电门限值(10V)或出现单节锂电池的电压低于单体电压过充电门限值(3.6V)时，S8205A芯片U1判定发生过放，S8205A芯片U1控制第二场效应管Q2关闭，切断锂离子电池组的放电回路，禁止锂离子电池组放电。
第二场效应管Q2被关闭后，由于功率二极管D6导通，因此锂离子电池组可以正常充电。
综上所述，本发明实施方式中，不同于现有技术中利用铅酸蓄电池充当启动电源，而是利用锂离子电池组充当启动电源，因此可以提高电源的使用寿命并减少电源的体积。
另外，鉴于锂离子电池组具有不能承受过充过放等缺陷，本发明对锂离子电池组进行相应的保护处理，使得锂离子电池组具备过充过放的保护功能。
而且，本发明实施方式没有采用专用芯片，降低了成本，可以多个单节锂电池同时放电均衡。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车启动电源(100)，其特征在于，包括：
锂离子电池组(101)，所述锂离子电池组(101)包含多个串联的单节锂电池；
开关保护模块(102)，用于检测所述锂离子电池组(101)的总电压值，并当所述锂离子电池组(101)的总电压值大于预先设定的过充电门限值时，切断所述锂离子电池组(101)的充电电路；或，当所述锂离子电池组(101)的总电压值小于预先设定的过放电门限值时，切断所述锂离子电池组(101)的放电电路；或，用于检测所述锂离子电池组(101)中每个单节锂电池的电压值，并当出现单节锂电池的电压值大于预先设定的单体电压过充电门限值时，切断所述锂离子电池组(101)的充电电路；或，当出现单节锂电池的电压值小于预先设定的单体电压过放电门限值时，切断所述锂离子电池组(101)的放电电路；
均衡保护模块(103)，用于使能电压值大于所述单体电压过充电门限值的单节锂电池放电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述均衡保护模块(103)包括：串联在每个单节锂电池的正电压连接端子与负电压连接端子之间的稳压二极管(D1，D2，D3，D4)和电阻(R12，R13，R14，R15)；
所述稳压二极管(D1，D2，D3，D4)的反向电压临界值等于所述单体电压过充电门限值。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关保护模块(102)包括电池保护芯片(U1)、第一场效应管(Q1)和第二场效应管(Q2)：
第一场效应管(Q1)的漏极与第二场效应管(Q2)的漏极连接；第一场效应管(Q1)的栅极与所述电池保护芯片(U1)的充电控制用场效应管门极连接端子(CO)连接；第一场效应管(Q1)的源极与所述锂离子电池组(101)的负电压连接端子连接；第二场效应管(Q2)的栅极与所述电池保护芯片(U1)的放电控制用场效应管门极连接端子(DO)连接；第二场效应管(Q2)的源极与所述锂离子电池组(101)的末节单节锂电池的负电压连接端子连接。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：
在第一场效应管(Q1)的源极与第一场效应管(Q1)的漏极之间并联的功率二极管(D5)。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括
在第二场效应管(Q2)的源极与第二场效应管(Q2)的漏极之间并联的功率二极管(D6)。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：
在锂离子电池组(101)的正电压连接端子与首节单节锂电池的正电压连接端子之间串联的保险丝(F1)。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电池保护芯片(U1)为S8205A芯片或S8205B芯片。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述单节锂电池的数目为4或5。
9.一种汽车，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的启动电源。
10.根据权利要求9所述的汽车，其特征在于，所述汽车为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、汽油驱动汽车或柴油驱动汽车。
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