CN108091794A - 3串2并锂离子电池组保护板 - Google Patents

3串2并锂离子电池组保护板 Download PDF

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Tianjin Lishen Battery JSCL
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Abstract

本发明公开了一种3串2并锂离子电池组保护板，该保护板由刚性印制电路板PCB和柔性印制电路板FPC组合而成，FPC承接3串2并锂电池组的电路连接。该保护板上设有保护电路，所述保护电路包括基本保护功能、二级保护功能、高级充电控制、预充电功能、电量计功能及均衡功能等电路模块。本发明结构简单新颖、电路设计合理，既满足了电芯的电气连接，又对锂离子电池的使用形成有效的安全保护，可以大大降低电池安全事故的发生，从而提高锂离子电池的安全性。该保护板能够通过SMBus接口与PC上位机进行通信，方便对锂离子电池的监控和实现人机互动；具有广泛的市场应用前景，丰富了用户的体验，具有重大的生产实践意义。

Description

3串2并锂离子电池组保护板
技术领域
本发明涉及锂离子电池组保护板技术领域，特别涉及一种3串2并锂离子电池组保护板。
背景技术
目前，锂电池作为能源来源，具有高能量密度优势，性能较为稳定。然而，传统的小型便携电源多以圆型电池为单元进行串、并联组合。与圆型电池相比，聚合物锂电池具有安全性能好、厚度薄、重量轻、容量大、内阻小、形状可定制、放电平台高等特点，越来越广泛地应用于各个领域。由于锂电池芯大量生产时品质不易掌握，电池芯出厂时参数存在些微差异，且随着操作环境、老化等因素，多串并电池间不一致性将愈趋明显，电池效率、寿命也都将变差，再加上过充或过放等情况，严重时可能导致起火燃烧等安全问题。当前，市场上小型电源电路复杂，更有甚者还需要串并联导线进行组装，除此之外，保护电路对电池的保护及监控可靠性不高，时有爆炸、燃烧等安全问题发生。
因此，如何提供一种结构简单、电路设计合理、性能安全可靠、应用效果突出的3串2并锂离子电池组保护板，是该领域科研技术人员当前急待解决的难题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种3串2并锂离子电池组保护板。
为实现上述目的，本发明所采用的实施方式如下：一种3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，该锂离子电池组保护板由刚性印制电路板PCB和柔性印制电路板FPC组合而成，所述锂离子电池组保护板适用于聚合物锂离子电池，其保护板上设有的保护电路控制单元由集成电路U1和集成电路U2组成基本保护、永久失效保护、高级充电控制、预充电、电量计及电池均衡电路部分；所述锂离子电池组保护板具有电源关断功能；所述锂离子电池组保护板通过SMBus接口与PC上位机进行通信；
所述基本保护电路由过充保护、过放保护、温度保护、过流保护电路模块组成。
所述集成电路U1型号为 BQ40Z50-R1，所述集成电路U2型号为 BQ274905；所述集成电路U1 2管脚和3管脚并联连接至电阻R18，电阻R18与高电位电芯正极相连；集成电路U22管脚和3管脚并联连接至电阻R15，电阻R15与高电位电芯正极相连。
所述过充保护包含初级过充保护、二级过充保护、永久失效过充保护；
所述初级过充保护由集成电路U1 31管脚与MOSFET Q2栅极相连接；
所述二级过充保护由集成电路U2 8管脚与MOSFET Q5栅极相连接；
所述永久失效过充保护由集成电路U1 25管脚与MOSFET Q5栅极相连接。
所述过放保护包含初级过放保护和永久失效过放保护；
所述初级过放保护由集成电路U1 28管脚与MOSFET Q3栅极相连接；
所述永久失效过放保护由集成电路U1 25管脚与MOSFET Q5栅极相连接，然后与三端fuse相连。
所述过流保护由U1 6管脚和U1 8管脚经检测电阻R21相连接检测电压，经集成电路U1 28管脚和集成电路U1 28管脚分别连接MOSFET Q2和MOSFET Q3。
所述温度保护由U1 13管脚连接温度传感器，经集成电路U1 28管脚和集成电路U128管脚分别连接MOSFET Q2和MOSFET Q3。
该锂离子电池组保护板能够通过SMBus接口与PC上位机进行通信，所述锂离子电池组保护板能够通过监测电池中的可用容量、电压、电流、温度及其它关键的电池参数。
集成电路U1支持LED电量显示功能，将集成电路U1管脚20、21、22悬空，管脚10、11、12与管脚9并联接地。
所述3串2并锂离子电池组保护板的结构包括保护板主体，所述保护板主体包括纵向焊接在一起的柔性印刷电路板和刚性印刷电路板。
所述刚性印刷电路板正面设置有第一焊接焊盘、第二焊接焊盘和第三焊接焊盘，所述挠性印刷电路板的背面具有钢片，所述挠性印刷电路板的正面设置有第四焊盘，三个电芯正极镍片焊盘和三个电芯负极镍片焊盘，所述挠性印刷电路板设置有两个定位孔；
所述刚性印刷电路板的第一焊接焊盘和所述挠性印刷电路板的第四焊接焊盘焊接在一起；
所述柔性印刷电路板正面三个正极镍片焊接焊盘与三个负极镍片焊接焊盘分别与六个镍片焊接，所述正极镍片和负极镍片分别与所述锂电池电芯的正极和负极相接。
本发明的有益效果是：本发明保护板对各电芯起电气连接及支撑作用，通过电池管理单元能准确监测电池使用状况，保护电池不至于过度充电，平衡电池组中每一颗电池的电量，以及分析计算电池组的电量并转换为可用电池信息，确保电池可安全运作。
同时，本发明结构简单新颖、电路设计合理，既满足了电芯的电气连接，又对电池的使用形成有效的安全保护，可以大大降低电池安全事故的发生，从而提高锂电池的安全性。该保护板能够通过SMBus接口与PC上位机进行通信，方便对锂离子电池的监控和实现人机互动；具有广泛的市场应用前景，丰富了用户的体验，具有重大的生产实践意义。
总之，本发明结构合理，使用方便，应用广泛，节能高效，应用效果非常显著。
附图说明
图1是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的电路模块连接框图；
图2是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的电路原理图；
图3是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的PCB与FPC结构连接示意图；
图4是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的PCB结构示意图；
图5是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的FPC结构示意图；
图6是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的柔性板焊盘结构示意图；
图7是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的钢片结构示意图；
图8是本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板的镍片结构示意图。
图中，10保护板主体，20柔性印刷电路板，30刚性印刷电路板，21钢片，220、221、222正极焊接焊盘，230、231、232负极焊接焊盘，24定位孔，25镍片，31第一焊接焊盘，32第二焊接焊盘，33第三焊接焊盘，34第四焊接焊盘。
具体实施方式
以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：
如图1-图8所示，一种3串2并锂离子电池组保护板，该锂离子电池组保护板由刚性印制电路板PCB和柔性印制电路板FPC组合而成，所述锂离子电池组保护板适用于聚合物锂离子电池，其保护板上设有的保护电路控制单元由集成电路U1和集成电路U2组成基本保护、永久失效保护、高级充电控制、预充电、电量计及电池均衡电路部分；所述锂离子电池组保护板具有电源关断功能；所述锂离子电池组保护板通过SMBus接口与PC上位机进行通信；并对电池物理参数实时监测，对电池状态进行估计。
所述3串2并锂离子电池组保护板的结构包括保护板主体10，所述保护板主体10包括纵向焊接在一起的柔性印刷电路板20和刚性印刷电路板30。
所述刚性印刷电路板30正面设置有第一焊接焊盘31、第二焊接焊盘32和第三焊接焊盘33，所述挠性印刷电路板20的背面具有钢片21，所述挠性印刷电路板20的正面设置有第四焊盘34，三个电芯正极镍片焊盘220、221、222和三个电芯负极镍片焊盘230、231、232，所述挠性印刷电路板20设置有两个定位孔24，固定在塑料外壳上；
所述刚性印刷电路板30的第一焊接焊盘31和所述挠性印刷电路板20的第四焊接焊盘34焊接在一起；
所述柔性印刷电路板20正面三个正极镍片焊接焊盘220、221、222与三个负极镍片焊接焊盘230、231、232分别与六个镍片25焊接；
该锂电池组为3串2并锂电池组，6块电池分为2块高电位电芯、2块次高电位电芯，2块低电位电芯，将保护板220正极焊盘焊接镍片后与2块高电位电芯正极进行焊接，230负极焊盘焊接镍片后与2块高电位电芯负极进行焊接，221正极焊盘焊接镍片后与2块次高电位电芯正极进行焊接，231负极焊盘焊接镍片后与2块次高电位电芯负极进行焊接，222正极焊盘焊接镍片后与2块低电位电芯正极进行焊接，232负极焊盘焊接镍片后与2块低电位电芯负极进行焊接。
将保护板与电芯组装Pack后，首先进行电池的学习；随后需要对组装后的Pack锂电池组进行CHEM ID的选择；然后根据产品应用端的具体要求，对参数进行配置；通过SMBus与PC上位机的通信对电压、电流及温度进行校准；最后生成量产文件进行加工。
所述基本保护电路由过充保护、过放保护、温度保护、过流保护电路模块组成。
本发明基本保护功能包含过充保护、放过保护、温度保护、过流保护等功能。当锂电池组达到配置的过充保护、放过保护、温度保护、过流保护配置的参数时，分别通过切断充电控制MOSFET Q2和放电MOSFET Q3进行保护；
本发明永久失效保护功能是指当基本保护功能失效时，启用的不可恢复的保护功能，当锂电池组达到配置的永久失效保护参数时，通过MOSFET Q5使fuse熔断进行保护；
本发明高级充电控制是满足不同电压、温度条件下的充电电压和充电电流控制。在不同电压和温度下配置不同的充电电流，当实际充电电流高于所配置的充电电流时，通过切断充电控制MOSFET Q2达到对高级充电的控制；
本发明预充电功能是锂离子电池组在低温及过压状态下以小电流进行充电。当满足所配置的温度及电压条件下，对锂离子电池组充电时，通过打开预充电控制MOSFET Q1以小电流充电；
本发明电量计功能用来计量电池电量，包括剩余容量，满充容量，百分比容量，电压，电流，温度等。集成电路U1通过更新最大化学容量Qmax及内阻表Ra table，根据选择的CHEMID进行电量计量的功能；
本发明均衡功能是电池充电状态下，当电芯电压不一致时，通过开启旁路在电芯两端的FET，降低高电量电芯的充电电流，从而达到单体电芯电压一致的功能。
另外，对于本发明提供的3串2并锂离子电池的保护板，对参数进行配置时，初级保护功能的参数要低于二级保护功能的参数，二级保护功能的参数低于永久失效保护参数。
所述集成电路U1型号为 BQ40Z50-R1，所述集成电路U2型号为 BQ274905；所述集成电路U1 2管脚和3管脚并联连接至电阻R18，电阻R18与高电位电芯正极相连；集成电路U22管脚和3管脚并联连接至电阻R15，电阻R15与高电位电芯正极相连。
所述过充保护包含初级过充保护、二级过充保护、永久失效过充保护；所述初级过充保护由集成电路U1及MOSFET Q2控制；即初级过充保护由集成电路U1 31管脚与MOSFETQ2栅极相连接；
所述二级过充保护由集成电路U2及FUSE控制；即二级过充保护由集成电路U2 8管脚与MOSFET Q5栅极相连接；
所述永久失效过充保护由集成电路U1及MOSFET Q5控制；即永久失效过充保护由集成电路U1 25管脚与MOSFET Q5栅极相连接。
所述过放保护包含初级过放保护和永久失效过放保护；所述初级过放保护由集成电路U1及MOSFET Q3控制；即初级过放保护由集成电路U1 28管脚与MOSFET Q3栅极相连接；
所述永久失效过放保护由集成电路U1及MOSFET Q3控制；即永久失效过放保护由集成电路U1 25管脚与MOSFET Q5栅极相连接，然后与三端fuse相连。
所述过流保护由U1 6管脚和U1 8管脚经检测电阻R21相连接检测电压，经集成电路U1 31管脚和集成电路U1 28管脚分别连接MOSFET Q2和MOSFET Q3。所述过流保护包含充电过流保护和放电过流保护，永久失效充电过流保护，永久失效充电过流保护。
所述温度保护由U1 13管脚连接温度传感器，经集成电路U1 31管脚和集成电路U128管脚分别连接MOSFET Q2和MOSFET Q3；即温度保护包含电芯温度管理的过温保护及超低温保护。
该锂离子电池组保护板能够通过SMBus接口与PC上位机进行通信，所述锂离子电池组保护板能够通过监测电池中的可用容量、电压、电流、温度及其它关键的电池参数。
集成电路U1支持LED电量显示功能，将集成电路U1管脚20、21、22悬空，管脚10、11、12与管脚9并联接地。
本发明高级充电管理通过定义不同的电压及温度范围，设置不同的充电电压及充电电流，当电芯电压低于某一特定阈值时，可以采用小电流进行预充电。
本发明电源关断功能包含省电电源关断、永久失效电源关断、手动电源关断；所述省电电源关断是当某一电芯电压小于设定的某一阈值时，进行省电关断；所述永久失效电源关断是当某一电芯电压低于电芯不能承受的电压阈值时，进行永久失效电源关断；所述手动电源关断是通过上位机输入命令进行手动电源关断。
本发明的保护板对各电芯起电气连接及支撑作用，通过电池管理单元能准确监测电池使用状况，保护电池不至于过度充电，平衡电池组中每一颗电池的电量，以及分析计算电池组的电量并转换为可用电池信息，确保电池可安全运作。
其主要功能包括：基本保护功能、永久失效保护功能、高级充电控制、预充电功能、电量计功能及均衡功能等，锂电池组能够通过SMBus接口与PC上位机进行通信，可以对电池物理参数实时监测，对电池状态进行估计。
准确估测电池组的荷电状态：
准确估测电池组的荷电状态 (State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报电池组还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。
监测电池组的工作状态：
在电池充放电过程中，实时采集电池组中的端电压和温度、充放电电流，防止电池发生过充电或过放电现象。
单体电池间的均衡：
即在单体电池间进行均衡，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。
系统主要功能：
（1）容量预测SOC：在充放电过程中在线实时监测电池容量，随时给出电池系统的剩余容量。
（2）过流、过压、温度保护：当电池系统出现过流、过压、欠压和温度超标时，能自动切断电池充放电回路。
（3）充电均衡：在充电过程中，通过开启旁路在电芯两端的FET，降低高电量电芯的充电电流，从而保证系统内所有电池在充电过程中电池端电压有良好的一致性。
（4）通讯功能：采用SMBus接口的方式与PC上位机进行通讯。
（5）参数设置：可以设置系统运行的各种参数。
（6）上位机管理系统：电池管理系统设计了相应的上位机管理系统，可以通过SMBus接口读取实时数据，可实现BMU数据的监控、电池性能分析等功能。
实施中，对于本发明具体操作需要注意以下技术要点：
（1）对元器件进行布局，在满足使用要求的前提下，两个连接盘之间的导线布线布设尽量短，敏感的信号、小信号先走，以减少小信号的延迟与干扰，提高抗干扰能力，信号线改变方向应走斜线或圆滑过渡，而且曲率半径大一些好，避免电场集中，信号反射和产生额外的阻抗；电路元件接地、接电源时走线要尽量短、尽量近，以减少内阻；电路的输入输出I/O线要尽量短、尽量近，以减少内阻。
（2）有相互连线的元器件应相对靠近排列，以利于提高布线密度和保证走线距离最短。
（3）对热敏感的元器件，布置时应远离发热量大的元器件（如NTC应远离MOSFET）。
（4）采样电阻R21的滤波电路尽可能靠近器件。
（5）为了测试方便，电池保护板的设计上可以设定必要的测试点(如SDA、SCL、CHG、DSG、FUSE等)。
（6）对于导线宽度的设计，所遵循的原则为：信号线应粗细一致，这样有利于阻抗匹配，而对于电源、地线则走线面积越大越好，可以减少干扰。
（7）在连接器的SMD、SMC、TH、S/W、P+端子分别与P-设置尖峰焊盘进行抗ESD设计。
上述参照实施例对该3串2并锂离子电池组保护板进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，该锂离子电池组保护板由刚性印制电路板PCB和柔性印制电路板FPC组合而成，所述锂离子电池组保护板适用于聚合物锂离子电池，其保护板上设有的保护电路控制单元由集成电路U1和集成电路U2组成基本保护、永久失效保护、高级充电控制、预充电、电量计及电池均衡电路部分；所述锂离子电池组保护板具有电源关断功能；所述锂离子电池组保护板通过SMBus接口与PC上位机进行通信；
所述基本保护电路由过充保护、过放保护、温度保护、过流保护电路模块组成。
2.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，所述集成电路U1型号为 BQ40Z50-R1，所述集成电路U2型号为 BQ274905；所述集成电路U1 2管脚和3管脚并联连接至电阻R18，电阻R18与高电位电芯正极相连；集成电路U2 2管脚和3管脚并联连接至电阻R15，电阻R15与高电位电芯正极相连。
3.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，所述过充保护包含初级过充保护、二级过充保护、永久失效过充保护；
所述初级过充保护由集成电路U1 31管脚与MOSFET Q2栅极相连接；
所述二级过充保护由集成电路U2 8管脚与MOSFET Q5栅极相连接；
所述永久失效过充保护由集成电路U1 25管脚与MOSFET Q5栅极相连接。
4.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，所述过放保护包含初级过放保护和永久失效过放保护；
所述初级过放保护由集成电路U1 28管脚与MOSFET Q3栅极相连接；
所述永久失效过放保护由集成电路U1 25管脚与MOSFET Q5栅极相连接，然后与三端fuse相连。
5.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，所述过流保护由U16管脚和U1 8管脚经检测电阻R21相连接检测电压，经集成电路U1 28管脚和集成电路U1 28管脚分别连接MOSFET Q2和MOSFET Q3。
6.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，所述温度保护由U113管脚连接温度传感器，经集成电路U1 28管脚和集成电路U1 28管脚分别连接MOSFET Q2和MOSFET Q3。
7.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，该锂离子电池组保护板能够通过SMBus接口与PC上位机进行通信，所述锂离子电池组保护板能够通过监测电池中的可用容量、电压、电流、温度及其它关键的电池参数。
8.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，集成电路U1支持LED电量显示功能，将集成电路U1管脚20、21、22悬空，管脚10、11、12与管脚9并联接地。
9.根据权利要求1所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，所述3串2并锂离子电池组保护板的结构包括保护板主体（10），所述保护板主体（10）包括纵向焊接在一起的柔性印刷电路板（20）和刚性印刷电路板（30）。
10.根据权利要求1或9所述的3串2并锂离子电池组保护板，其特征在于，所述刚性印刷电路板（30）正面设置有第一焊接焊盘（31）、第二焊接焊盘（32）和第三焊接焊盘（33），所述挠性印刷电路板（20）的背面具有钢片（21），所述挠性印刷电路板（20）的正面设置有第四焊盘（34），三个电芯正极镍片焊盘（220）、（221）、（222）和三个电芯负极镍片焊盘（230）、（231）、（232），所述挠性印刷电路板（20）设置有两个定位孔（24）；
所述刚性印刷电路板（30）的第一焊接焊盘（31）和所述挠性印刷电路板（20）的第四焊接焊盘（34）焊接在一起；
所述柔性印刷电路板（20）正面三个正极镍片焊接焊盘（220）、（221）、（222）与三个负极镍片焊接焊盘（230）、（231）、（232）分别与六个镍片（25）焊接，所述正极镍片和负极镍片分别与所述锂电池电芯的正极和负极相接。
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