CN109672249A - 一种电池管理保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉一种电池管理保护装置。其包括控制模块、电池模块、电压转换模块、分压模块、保护模块、充电控制模块以及放电控制模块。电池模块用于输出充电电源至负载，电压转换模块将充电电源转换为第一电源，分压模块对第一电源进行分压以生成驱动电源，充电控制模块和放电控制模块实现电池模块的充电和放电控制，保护模块用于连通驱动电源以使放电控制信号输出端的电压下拉以及用于降低放电控制模块控制端的电压，使放电控制模块断开放电回路，从而及时有效的保护充电控制模块和放电控制模块，使充电控制模块和放电控制模块不轻易被损坏，通过纯硬件的方式，及时保护功率开关管，提高系统的可靠性，且电路设计简单。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池管理保护装置。
背景技术
当前市面上N沟道MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)无少数载流子存储效应，温度影响小，开关工作频率高，开关损耗很小，无二次击穿，安全工作区宽，在启动时峰值电流较低，且能够导通较高电压，因此性价比高，常被用于电池管理系统中。
在电池管理系统中，系统需要在必要的时候断开电池组对外的输出和外部充电机对电池组的充电，为了节省系统成本，一般会采用断开电池组负极，这样就不用为了驱动电池组正极的开关MOS管而专门配置升压芯片。
断开电池组负极的设计能够节约电池管理系统设计成本，但也存在着在断开负载后，电池管理系统的电池组负极电压会接近电池组正极电压，导致容易发生烧坏电池组的开关MOS管的事件，给系统的可靠性带来较大的影响。
而传统的电池管理系统常常通过利用计算机或者微处理芯片来监测电池组的电压，进而分析、判断以及控制电池管理系统的充放电电路的关断，利用软件结合硬件的方法实现在充放电过程中对充电开关MOS管的保护，电路设计以及实现方式复杂，成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种电池管理保护装置，旨在传统的电池管理保护装置存在的充电开关MOS管的充放电保护电路设计复杂、成本高的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种电池管理保护装置，包括：
用于生成充电控制信号和放电控制信号的控制模块；其中，所述控制模块的放电控制信号输出端输出所述放电控制信号。
用于输出充电电源至所述负载的电池模块。
与所述电池模块连接，用于根据所述充电电源生成第一电源的电压转换模块。
与所述负载连接，用于根据所述充电控制信号控制充电回路的开启和关闭的充电控制模块。
与所述充电控制模块连接，用于根据所述放电控制信号控制放电回路的开启和关闭的放电控制模块。
与所述电压转换模块连接，用于对所述第一电源进行分压以生成驱动电源的分压模块。
与所述分压模块以及所述放电控制模块连接，用于当所述放电控制模块控制放电回路关闭时，连通所述驱动电源以使放电控制信号输出端的电压下拉的保护模块。
可选的，所述保护模块还用于当所述放电控制模块控制放电回路开启且所述充电控制信号失效时，连通所述驱动电源以生成第一保护信号。
所述放电控制模块还用于根据所述第一保护信号控制放电回路的关闭。
可选的，所述保护模块还用于当所述充电控制模块的第一导通电阻和/或所述放电控制模块的第二导通电阻增大时，连通所述驱动电源以生成第二保护信号。
所述放电控制模块还用于根据所述第二保护信号控制放电回路的关闭。
可选的，所述电压转换模块包括变压器。
所述变压器的初级线圈的第一端为所述电压转换模块的第一输入端，所述变压器的初级线圈的第二端为所述电压转换模块的第二输入端。
所述变压器的次级线圈的第一端为所述电压转换模块的所述第一电源输出端，所述变压器的次级线圈的第二端与电源地连接。
可选的，所述保护模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻以及三极管。
所述三极管的集电极为所述保护模块的所述驱动电源输入端。
所述三极管的基极与所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻的第一端为所述保护模块的第一输入端，所述第二电阻的第二端与电源地连接，所述三极管的发射极与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与电源地连接。
可选的，所述充电控制模块包括第一场效应管。
所述第一场效应管的栅极为所述充电控制模块的所述充电控制信号输入端。
所述第一场效应管的源极为所述充电控制模块的第一输入输出端。
所述第一场效应管的漏极为所述充电控制模块的第二输入输出端。
可选的，所述放电控制模块包括第二场效应管。
所述第二场效应管的栅极为所述放电控制模块的所述放电控制信号输入端。
所述第二场效应管的漏极为所述放电控制模块的第一输入输出端。
所述第二场效应管的源极为所述放电控制模块的第二输入输出端。
本发明实施例的第二方面提供了一种电池管理保护系统，包括上述所述的电池管理保护装置。
上述的电池管理保护装置通过充电控制模块和放电控制模块实现电池模块的充电和放电控制，通过电压转换模块将充电电源转换为第一电源，分压模块对第一电源进行分压以生成驱动电源，保护模块用于当放电控制模块控制放电回路关闭时，连通驱动电源以使放电控制信号输出端的电压下拉。从而通过纯硬件的方式保护了充电控制模块和放电控制模块，使其不易被损坏，提高系统的可靠性，且电路设计简单，成本经济。保护模块还用于当放电控制模块控制放电回路开启且充电控制信号失效时，连通驱动电源以生成第一保护信号，放电控制模块根据第一保护信号控制放电回路的关闭；保护模块还用于当充电控制模块的第一导通电阻和/或放电控制模块的第二导通电阻增大时，连通驱动电源以生成第二保护信号，放电控制模块根据第二保护信号控制放电回路的关闭；从而进一步的保护了充电控制模块和放电控制模块，提高了系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种电池管理保护装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种电池管理保护装置的示例电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种电池管理保护装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
一种电池管理保护装置10，与负载连接，包括电池模块11、电压转换模块12、分压模块13、保护模块14、充电控制模块15、放电控制模块16以及控制模块17。
控制模块17，用于生成充电控制信号和放电控制信号。其中，控制模块17的放电控制信号输出端输出放电控制信号。
电池模块11用于输出充电电源至负载。
具体应用中，电池模块11可选的为锂电池，包括单节锂电池或者多节锂电池组。
电压转换模块12，与电池模块11连接，用于根据充电电源生成第一电源。
具体实施中，第一电源为稳定的直流电压，第一电源的电压值可选的为12V。
分压模块13，与电压转换模块12连接，用于对第一电源进行分压以生成驱动电源。
具体实施中，分压模块13包括分压电阻，分压模块13对第一电源进行分压，一方面能够防止电压过大而损坏保护模块14，实现对保护模块14的分压保护，另一方面可以生成驱动电源为保护模块14提供驱动。
充电控制模块15，与负载连接，用于根据充电控制信号控制充电回路的开启和关闭。
具体实施中，充电控制信号包括高电平充电控制信号和低电平充电控制信号。可选的，当充电控制信号为高电平充电控制信号时，充电控制模块15开启充电回路；当充电控制信号为低电平充电控制信号时，充电控制模块15关闭充电回路。
放电控制模块16，与充电控制模块15连接，用于根据放电控制信号控制放电回路的开启和关闭。
具体实施中，放电控制信号包括高电平放电控制信号和低电平放电控制信号。可选的，当放电控制信号为高电平放电控制信号时，放电控制模块16开启放电回路；当放电控制信号为低电平放电控制信号时，放电控制模块16关闭放电回路。
保护模块14，与分压模块13以及放电控制模块16连接，用于当放电控制模块16控制放电回路关闭时，连通驱动电源以使放电控制信号输出端的电压下拉。
具体实施中，保护模块14的第一输入端与电池模块11的输出负极连接，电池模块11的输出负极与充电控制模块15的第一输入输出端连接。驱动电源驱动保护模块14实现保护功能。当放电控制模块16控制放电回路关闭时，保护模块14连通驱动电源以使放电控制信号输出端的电压下拉，关闭放电回路，进而保护充电控制模块15和放电控制模块16，使二者不易被损坏。
本实施例通过充电控制模块和放电控制模块实现电池模块的充电回路的开启和关闭以及放电回路的开启和关闭，通过电压转换模块将充电电源转换为第一电源，分压模块对对第一电源进行分压以生成驱动电源为保护模块提供驱动，保护模块用于当放电控制模块控制放电回路关闭时，连通驱动电源以使放电控制信号输出端的电压下拉，实现对充电控制模块和放电控制模块的保护，避免大电流对充电控制模块和放电控制模块的损坏，通过纯硬件的方式及时关闭放电回路，实现及时保护电池功率开关管，使其不易被损坏，提高系统的可靠性，且电路设计简单，成本经济。
在另一实施例中，保护模块14还用于当放电控制模块16控制放电回路开启且充电控制信号失效时，连通驱动电源以生成第一保护信号。
放电控制模块16还用于根据第一保护信号控制放电回路的关闭。
具体实施中，充电控制信号失效时，充电控制信号成为使充电控制模块15截止的电平或者充电控制信号消失。因此，在充电控制信号失效时，充电控制模块15无法正常开启，当放电控制模块16控制放电回路开启时，通过充电控制模块15中的场效应管的寄生二极管进行电流传输。
针对大电流放电时，当充电控制模块15在充电控制信号下无法有效地实现充电回路的开启和关闭控制，即充电控制信号失效，将会导致充电控制模块15在大电流的影响下发热巨大。而由于在充电控制模块15的第一输入输出端与保护模块14连接，当上述充电控制信号失效时，通过充电控制模块15中的场效应管的寄生二极管进行电流传输，由于寄生二极管的电阻较大，足以产生使保护模块14导通的电压，保护模块14导通后会产生第一保护信号，放电控制模块16根据第一保护信号关闭放电回路，从而可以避免充电控制模块15由于充电控制信号失效而损坏。
在一实施例中，保护模块14还用于当充电控制模块15的第一导通电阻和/或放电控制模块16的第二导通电阻增大时，连通驱动电源以生成第二保护信号。放电控制模块16还用于根据第二保护信号控制放电回路的关闭。
具体实施中，由于在整个充电控制模块15和放电控制模块16均导通的放电回路，长时间放电会导致放电发热严重，使得充电控制模块15的第一导通电阻和/或放电控制模块16的第二导通电阻增大，导通电阻增大而引起充电控制模块15的第一输入输出端(相当于电池模块11的输出负极P-)的电压抬升后，可以及时通过导通保护模块14以生成第二保护信号，放电控制模块16根据第二保护信号关闭放电回路，从而实现通过纯硬件的方式，无需经过软件干预及时的保护充电控制模块15和放电控制模块16。
请参阅图2，在一实施例中，电压转换模块12包括变压器T1。
变压器T1的初级线圈的第一端为电压转换模块12的第一输入端，变压器T1的初级线圈的第二端为电压转换模块12的第二输入端。
变压器T1的次级线圈的第一端为电压转换模块12的第一电源输出端，变压器T1的次级线圈的第二端与电源地GND连接。
请参阅图2，在一实施例中，保护模块14包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及三极管Q3。
三极管Q3的集电极为保护模块14的驱动电源输入端。
三极管Q3的基极与第一电阻R1的第二端和第二电阻的第一端连接，第一电阻R1的第一端为保护模块14的第一输入端，第二电阻R2的第二端与电源地GND连接，三极管Q3的发射极与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端与电源地GND连接。
请参阅图2，在一实施例中，充电控制模块15包括第一场效应管Q1。
第一场效应管Q1的栅极为充电控制模块15的充电控制信号输入端CHARGE CTRL。
第一场效应管Q1的源极为充电控制模块15的第一输入输出端。
第一场效应管Q1的漏极为充电控制模块15的第二输入输出端。
请参阅图2，在一实施例中，放电控制模块16包括第二场效应管Q2。
第二场效应管Q2的栅极为放电控制模块16的放电控制信号输入端DISCHARGECTRL。
第二场效应管Q2的源极为放电控制模块16的第一输入输出端。
第二场效应管Q2的漏极为放电控制模块16的第二输入输出端。
具体实施中，电池模块11可选的为锂电池U1，P+为锂电池U1的输出正极，P-为锂电池U1的输出负极。锂电池U1的电池正极B+与变压器T1的初级线圈的第一端连接，锂电池U1的电池负极B-与变压器T1的初级线圈的第二端和变压器T1的次级线圈的第二端连接。通过变压器T1将锂电池U1的充电电源转换为第一电源并通过变压器T1的次级线圈的第一端输出。可选的，第一电源为直流稳压电源12V。
具体实施中，分压模块13对第一电源进行分压以生成驱动电源，为保护模块14提供驱动。可选的，分压模块13包括分压电阻R4，一方面第一电源经过分压电阻R4之后生成驱动电源，为保护模块14的三极管Q3提供驱动电源；另一方面分压电阻R4对第一电源进行分压，防止通过三极管Q3的集电极的电压过大而损坏保护模块14的三极管Q3。
具体实施中，三极管Q3可选的为NPN型三极管，易于获取和实现保护功能。第一电阻R1的第一端与锂电池U1的输出负极P-和第一场效应管Q1的源极连接。第一电阻R1和第二电阻R2为分压电阻，三极管Q3的基极电压等于加载在第二电阻R2上的电压(记为V2)，当第二电阻R2上的电压V2大于等于三极管Q3的导通电压Vbs时，三极管Q2导通。三极管Q2导通后，在三极管Q3的集电极生成第一保护信号和第二保护信号。加载在第一电阻R1上的电压(记为V1)和加载在第二电阻R2上的电压之和为锂电池U1的输出负极P-上的电压。当加载在第二电阻R2上的电压V2等于三极管Q3的导通电压Vbs时，刚好可以使三极管Q3导通，可选的，此时锂电池U1的输出负极P-上的电压可对应记为V0。
具体实施中，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均为增强型NMOS管。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的源极与锂电池U1的输出负极P-连接，第一场效应管Q1的栅极为充电控制模块15的充电控制信号输入端CHARGE CTRL，第二场效应管Q2的源极与锂电池U1的负极B-和电源地GND连接，第二场效应管Q2的栅极与三极管Q3的集电极连接，第二场效应管Q2的栅极为放电控制模块16的放电控制信号输入端DISCHARGE CTRL。
当对外放电的时候，放电回路导通，即锂电池U1的正极B+，到锂电池U1的输出正极P+，到负载，到锂电池U1的输出负极P-，到GND(或者到锂电池U1的负极B-)该放电回路开启。
在一实施例中，当需要停止放电的时候，从放电控制模块16的放电控制信号输入端DISCHARGE CTRL输入低电平的放电控制信号，第二场效应管Q2断开，关闭放电回路。由于在第二场效应管Q2的断开后，第一场效应管Q1的漏极将会有接近充电电源的电压存在，足以使得三极管Q3导通，通过第一电阻R1和第二电阻R2以及三极管Q3和第三电阻R3把第二场效应管Q2的栅极上的电压拉低，放电控制信号输出端的电压下拉。实现在第二场效应管Q2的断开后，第二场效应管Q2的漏极也产生同样接近充电电源的电压值的情况下，避免接近充电电源的电压值会给第二场效应管Q2的放电控制信号输入端DISCHARGE CTRL造成较大的损坏。
在一实施例中，在针对大电流放电时，充电控制模块15的第一场效应管Q1也必须要有门极驱动强制打开第一场效应管Q1，如果第一场效应管Q1意外失去门极驱动电压，充电控制信号对第一场效应管Q1失效，无法使充电控制模块15的第一场效应Q1管正常导通，而是使得充电控制模块15的第一场效应管Q1的寄生二极管被动导通，整个放电回路的电压将会通过第一场效应Q1的寄生二极管D1进行电流传输，由于寄生二极管D1的电阻大于第一场效应管Q1的导通电阻，将会导致第一场效应管Q1发热巨大，而当锂电池U1的输出负极P-电压大于等于V0(刚好使得三极管Q3导通时，锂电池U1的输出负极P-上的电压)之后，会产生足以使得三极管Q3导通的电压，三极管Q3导通后在三极管Q3的集电极产生第一保护信号，第二场效应Q2根据第一保护信号关闭放电回路，从而避免第一场效应管管Q1由于被强制通过寄生二极管D1放电而导致过热损坏。
在一实施例中，在第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均导通的整个放电回路中，由于长时间放电导致第一场效应管Q1和第二场效应管Q2发热严重，进而导致第一场效应管Q1的第一导通电阻和/或第二场效应管Q2的第二导通电阻增大而引起锂电池U1的输出负极P-电压升高。锂电池U1的输出负极P-的电压抬升达到导通三极管Q3的电压V0后，三极管Q3导通，在三极管Q3的集电极产生第二保护信号，第二场效应Q2根据第二保护信号关闭放电回路，达到保护第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的目的。
在整个说明书中对“各种实施方式”、“在实施方式中”、“一个实施方式”或“实施方式”等的引用意为关于实施方式所述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，短语“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在实施方式中”等在整个说明书中的适当地方的出现并不一定都指同一实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施方式中以任何适当的方式组合。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电池管理保护装置，与负载连接，其特征在于，包括：
用于生成充电控制信号和放电控制信号的控制模块；其中，所述控制模块的放电控制信号输出端输出所述放电控制信号；
用于输出充电电源至所述负载的电池模块；
与所述电池模块连接，用于根据所述充电电源生成第一电源的电压转换模块；
与所述负载连接，用于根据所述充电控制信号控制充电回路的开启和关闭的充电控制模块；
与所述充电控制模块连接，用于根据所述放电控制信号控制放电回路的开启和关闭的放电控制模块；
与所述电压转换模块连接，用于对所述第一电源进行分压以生成驱动电源的分压模块；
与所述分压模块以及所述放电控制模块连接，用于当所述放电控制模块控制放电回路关闭时，连通所述驱动电源以使所述放电控制信号输出端的电压下拉的保护模块。
2.如权利要求1所述的电池管理保护装置，其特征在于，所述保护模块还用于当所述放电控制模块控制放电回路开启且所述充电控制信号失效时，连通所述驱动电源以生成第一保护信号；
所述放电控制模块还用于根据所述第一保护信号控制放电回路的关闭。
3.如权利要求1所述的电池管理保护装置，其特征在于，所述保护模块还用于当所述充电控制模块的第一导通电阻和/或所述放电控制模块的第二导通电阻增大时，连通所述驱动电源以生成第二保护信号；
所述放电控制模块还用于根据所述第二保护信号控制放电回路的关闭。
4.如权利要求1所述的电池管理保护装置，其特征在于，所述电压转换模块包括变压器；
所述变压器的初级线圈的第一端为所述电压转换模块的第一输入端，所述变压器的初级线圈的第二端为所述电压转换模块的第二输入端；
所述变压器的次级线圈的第一端为所述电压转换模块的所述第一电源输出端，所述变压器的次级线圈的第二端与电源地连接。
5.如权利要求1所述的电池管理保护装置，其特征在于，所述保护模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻以及三极管；
所述三极管的集电极为所述保护模块的所述驱动电源输入端；
所述三极管的基极与所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻的第一端为所述保护模块的第一输入端，所述第二电阻的第二端与电源地连接，所述三极管的发射极与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与电源地连接。
6.如权利要求1所述的电池管理保护装置，其特征在于，所述充电控制模块包括第一场效应管；
所述第一场效应管的栅极为所述充电控制模块的所述充电控制信号输入端；
所述第一场效应管的源极为所述充电控制模块的第一输入输出端；
所述第一场效应管的漏极为所述充电控制模块的第二输入输出端。
7.如权利要求1所述的电池管理保护装置，其特征在于，所述放电控制模块包括第二场效应管；
所述第二场效应管的栅极为所述放电控制模块的所述放电控制信号输入端；
所述第二场效应管的漏极为所述放电控制模块的第一输入输出端；
所述第二场效应管的源极为所述放电控制模块的第二输入输出端。
8.如权利要求1所述的电池管理保护装置，其特征在于，所述分压模块包括分压电阻。
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