CN110797946B - 电池包充放电保护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池包充放电保护系统。电池包充放电保护系统包括电池包以及连接在电池包的正极的电源输入控制电路，还包括连接在电源输入控制电路中的稳压单元及充放电保护单元，充放电保护单元包括耦合唤醒电路、下电加速电路、MCU自锁电路以及按键检测电路，耦合唤醒电路用于驱动稳压单元，完成MCU自锁电路的上电，保证电池包的稳定工作；下电加速电路用于检测稳压单元的电压值，并控制耦合唤醒电路唤醒信号的关闭，保证MCU自锁电路自主下电的实现。相较于现有技术，本发明采用单线兼容通信和耦合唤醒模式，可以及时完成电池包的自主下电，避免以电池包长期自耗电导致的电池的过放。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池包充放电保护系统，属于电池包技术领域。
背景技术
随着新能源技术发展和普及，越来越多产品采用电池包提供动力；为了延长电池包使用寿命，需要优化电池包的系统电源；传统电池包大多采用直连式单线通信匹配充电器和工具，直连单线通信有如下缺点：1、充电器通过单线通信口唤醒电池包并和其通信，只要唤醒信号在，电池包是无法自主关机下电的；假设一个电池包已放完电需要充电，匹配充电器充电，充电器因故障无法提供充电电流，此时电池包一直被唤醒处在自耗电状态，无法自主关机，长时间电池包会被放死报废；2、电池包匹配工具放电时，若工具出现故障不能把唤醒信号关闭，电池包一直保持工作模式，长时间会导致电池过放。
有鉴于此，确有必要对现有的电池包的控制输出方式进行改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池包充放电保护系统，该电池包充放电保护系统采用单线兼容通信和耦合唤醒模式，可以及时完成电池包的自主下电，避免以电池包长期自耗电导致的电池的过放。
为实现上述目的，本发明提供了一种电池包充放电保护系统，包括电池包以及连接在电池包的正极的电源输入控制电路，还包括连接在电源输入控制电路中的稳压单元及充放电保护单元，所述充放电保护单元包括耦合唤醒电路、下电加速电路、MCU自锁电路以及按键检测电路，所述耦合唤醒电路连接在所述电源输入控制电路中，用于驱动稳压单元，完成MCU自锁电路的上电，保证电池包的稳定工作；所述下电加速电路连接在耦合唤醒电路中，用于检测稳压单元的电压值，并控制耦合唤醒电路唤醒信号的关闭，保证MCU自锁电路自主下电的实现。
作为本发明的进一步改进，所述电源输入控制电路包括第一开关单元和第二开关单元，所述下电加速电路包括并联设置的第一加速模块和第二加速模块，所述第一加速模块的一端与所述稳压单元相连、另一端与所述MCU自锁电路相连，以用于彻底关断所述第一开关单元，完成电池包的下电。
作为本发明的进一步改进，所述第一加速模块包括第一MOS管开关、与所述第一MOS管开关连接的RC并联电路以及加速电阻。
作为本发明的进一步改进，所述加速电阻的一端连接在所述第一MOS管开关的漏极、另一端与所述MCU自锁电路相连，以用于实现第一开关单元的快速放电。
作为本发明的进一步改进，所述RC并联电路的一端连接在所述第一MOS管开关的栅极、另一端连接在所述第一MOS管开关的源极，以在所述稳压单元的输出电压低于驱动电压时，维持第一MOS管开关的导通，使得第一开关单元彻底关断完成所述电池包的下电。
作为本发明的进一步改进，所述第二加速模块的一端与所述稳压单元相连、另一端与所述MCU自锁电路相连，以在电池包正常上电时，关断所述第一开关单元中的放电回路。
作为本发明的进一步改进，所述MCU自锁电路包括MCU微控制器、与所述MCU微控制器连接的Power_EN电源使能端以及与所述Power_EN电源使能端连接的电阻和电容，所述MCU微控制器用于检测所述电池包和与电池包连接的充电器和/或用电系统的运行情况并可实现所述电池包的自主下电。
作为本发明的进一步改进，所述耦合唤醒电路连接在所述电源输入控制电路和所述MCU自锁电路之间，包括用于手动唤醒所述电池包的开关耦合唤醒电路以及用于在电池包充电过程中唤醒电池包的单线通信耦合电路。
作为本发明的进一步改进，所述开关耦合唤醒电路包括通过按键导通的第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路，当所述第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路经按键导通后，所述电池包的正极耦合到所述第一开关单元中，以导通所述第一开关单元和所述第二开关单元，并驱动所述稳压单元保证电池包稳定工作。
作为本发明的进一步改进，所述开关按键检测电路用于在所述第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路之间的所述按键导通后，将所述电池包的电压进行分压并通过所述稳压单元稳压输入到MCU自锁电路中，并由所述MCU自锁电路检测所述按键的高电平持续时间，以完成下电指令的发送。
本发明的有益效果是：本发明的电池包充放电保护系统，通过采用单线兼容通信和耦合唤醒模式，可以及时完成电池包的自主下电，避免了因电池包长期自耗电导致的电池的过放，同时，MCU自锁电路的设置可对连接在电池包上的充电器和/或用电系统进行检测，以在充电器和/或用电系统异常的情况下完成电池包的自主下电，有效提升了电池包的使用安全性及使用寿命，可应用到高电压输出场合，且具备响应速度快，可靠性高的优点。
附图说明
图1是本发明电池包充放电保护系统的结构框图。
图2是本发明开关耦合唤醒电路的工作原理图。
图3是本发明单线通信耦合电路的工作原理图。
图4是本发明MCU自锁电路的工作原理图。
图5是本发明电池包充放电保护系统的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
请参阅图1所示，为本发明揭示的一种电池包充放电保护系统，包括电池包(未标号)以及连接在电池包上的电源输入控制电路1，电池包充放电保护系统还包括连接在电源输入控制电路1中的稳压单元2及充放电保护单元3。
电源输入控制电路1连接在电池包的正极，以用于连接充电器(未图示)和/或用电系统(未图示)。在本发明中，电源输入控制电路1包括第一开关单元11和第二开关单元12，第一开关单元11包括MOS管开关QA1以及与MOS管开关QA1并联设置的放电回路111。其中，MOS管开关QA1为N沟道MOS管开关，放电回路111的一端连接在MOS管开关QA1的栅极、另一端连接在MOS管开关QA1的源极，以用于实现MOS管开关QA1的放电，完成MOS管开关QA1的关断。
优选的，放电回路111接地且包括并联设置二极管DA10、电阻RA10以及电容CA2，当然，在本发明的其它实施例中，放电回路111还可为其它形式的放电结构，只需保证放电回路111可完成MOS管开关QA1的放电即可。
第二开关单元12与第一开关单元11串联，连接在电源输入控制电路1的稳压前电压输入端VIN，控制电源输入控制电路1的关断。在本发明的实施例中，第二开关单元12包括MOS管开关QA2、与MOS管开关QA2并联的二极管DA4以及电阻RA3。具体来讲，MOS管开关QA2为P沟道MOS管开关，二极管DA4和电阻RA3的一端连接在MOS管开关QA2的源极、另一端连接在MOS管开关QA2的栅极，且第一开关单元11中的MOS管开关QA1的漏极也连接在MOS管开关QA2的栅极中，进一步的，MOS管开关QA2的漏极连接在电源输入控制电路1的稳压前电压输入端VIN，以使得第二开关单元12在控制电源输入控制电路1的关断的同时，保证电源输入控制电路1的正常使用。
需要说明的是，在本发明的实施例中，仅以MOS管开关QA1为N沟道MOS管开关、P沟道MOS管开关为例进行举例说明，在本发明的其它实施例中，MOS管开关QA1和MOS管开关QA2的具体选型可根据实际需要进行的选择，于此不予限制。
稳压单元2连接在稳压前电压输入端VIN的末端，以保证电源输入控制电路1与用电系统连接时电压的稳定输出。在本发明中，稳压单元2为低压差线性稳压器(Low DropoutRegulator,LDO)，优选的，低压差线性稳压器为5V低压差线性稳压器，以进一步保证电源输入控制电路1输出的电压稳定，并符合用电系统的用电需求。
充放电保护单元3连接在电源输入控制电路1中包括耦合唤醒电路31、按键检测电路32、MCU自锁电路33以及下电加速电路34。耦合唤醒电路31用于驱动稳压单元2，完成MCU自锁电路33的上电，保证电池包的稳定工作。
在本发明中，耦合唤醒电路31连接在电源输入控制电路1和MCU自锁电路33之间，包括用于手动唤醒电池包的开关耦合唤醒电路311以及用于在电池包充电过程中唤醒电池包的单线通信耦合电路312。
进一步的，开关耦合唤醒电路311包括通过按键(Button)导通的第一开关耦合唤醒电路(未标号)和第二开关耦合唤醒电路(未标号)，第一开关耦合唤醒电路连接在电源输入控制电路1的输入端，第二开关耦合唤醒电路连接在MCU自锁电路33中，且当第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路经按键导通后，电池包的正极耦合到第一开关单元11中MOS管开关QA1的栅极，以导通第一开关单元11和第二开关单元12，并进一步驱动稳压单元2保证电池包稳定工作，同时使得MCU自锁电路33完成上电初始化。
单线通信耦合电路312连接在第二开关耦合唤醒电路中，并通过第二开关耦合唤醒电路与MCU自锁电路33和下电加速电路34连接，进一步连接到电源输入控制电路1中，以在电池包连接外接电源进行充电时唤醒电池包。
在本发明的一较佳实施例中，单线通信耦合电路312包括接地端、电阻DA7以及电容CA11，如此设置，当电池包连接充电器时，单线通信耦合电路312中的单线通信接口可被充电器的内部电压上拉，并通过电容CA11耦合到MOS管开关QA1的栅极，以控制MOS管开关QA1的导通进一步控制第二开关单元12开启，使得电池包的正极输出经过第二开关单元12到达电源输入控制电路1的稳压前电压输入端VIN，驱动连接在稳压前电压输入端VIN上的稳压单元2，使得MCU自锁电路33完成自锁，保证电池包的稳定工作。
需要说明的是，本发明中的单线通信耦合电路312还可对电池包进行延时唤醒，具体来讲，在通过单线通信耦合电路312对电池包进行唤醒时，首先关闭MCU自锁电路33，此时单线通信耦合电路312中的单线通信接口被充电器的内部电压上拉，单线通信耦合电路312中的电压大于MOS管开关QA1的最大门限电压，并持续一定时间，以控制MCU自锁电路33自锁延迟，以保证有足够的时间唤醒电池包，保持电池包后续正常工作。
MCU自锁电路33用于检测电池包和与电池包连接的充电器和/或用电系统的运行情况，并可实现电池包的自主下电。在本发明中，MCU自锁电路33包括MCU微控制器(未图示)、与MCU微控制器连接的Power_EN电源使能端(Power_EN)以及与Power_EN电源使能端连接的电阻RA9和二极管DA8。
具体来讲，稳压单元2连接在MCU微控制器的I/O接口(未图示)，且当第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路之间的按键导通时，稳压单元2稳压输出电压至MCU微控制器的I/O接口，此时MCU微控制器开始计算按键导通时的高电平持续时间，并根据高电平持续时间判定电池包是否需要自主下电。优选的，稳压单元2稳压输出电压为5V，且当按键的高电平持续时间>3S时，MCU微控制器执行自主下电指令，并通过拉低Power_EN电源使能端的使能，完成电池包的下电，实现通过MCU自锁电路33进行电池包下电的自主控制。
下电加速电路34用于检测稳压单元2的电压值，并控制耦合唤醒电路2唤醒信号的关闭，保证MCU自锁电路33自主下电的实现。具体来讲，在通过MCU自锁电路33控制完成电池包的自主下电时，通过MCU微控制器拉低Power_EN电源使能端的使能，此时，放电电路111中的电容CA2通过电阻RA10完成放电，以使得MOS管开关QA1的电压低到门限电压，然而，由于单线通信耦合电路312中的COM口信息依然存在，将导致MOS管开关QA1重新打开，电池包重新上电，致使MCU自锁电路33控制电池包的自主下电失败，使得电池包始终处于放电状态造成电池包的过放，而下电加速电路34的设置能够保证单线通信耦合电路312的COM口有信号时，MCU自锁电路33的自主下电的正确实现，避免电池包过放现象的发生。
具体来讲，下电加速电路34包括并联设置的第一加速模块341和第二加速模块342。其中，第一加速模块341的一端与稳压单元2相连、另一端与MCU自锁电路33相连，以用于彻底关断第一开关单元11，完成电池包的下电。具体来讲，第一加速模块341包括第一MOS管开关QA3、与第一MOS管开关QA3连接的RC并联电路343以及加速电阻RA8。
在本发明中，RC并联电路343的一端连接在第一MOS管开关QA3的栅极、另一端连接在第一MOS管开关QA3的源极，以在稳压单元2的输出电压低于驱动电压时，维持第一MOS管开关QA3的导通，使得第一开关单元11彻底关断完成电池包的下电。
加速电阻RA8的一端连接在第一MOS管开关QA3的漏极、另一端与MCU自锁电路33相连，以用于实现第一开关单元11的快速放电。具体来讲，当MCU微控制器检测到充电器或用电系统严重故障时，MCU微控制器通过拉低Power_EN电源使能端的使能执行自主下电命令，并控制第二加速模块342关断，第一MOS管开关QA3导通；且此时，第一开关单元11中的电容CA2通过加速电阻RA8快速放电，RC并联电路343中的电阻RA19和电容CA13在输出电压低于驱动电压/不存在时，保证第一MOS管开关QA3维持一段时间导通，确保MOS管开关QA1彻底关断，完成电池包的下电。优选的，在本发明的一较佳实施例中，驱动电压为5V，加速电阻RA8为1KΩ，电阻RA19为1MΩ和电容CA13为1uF。
第二加速模块342的一端与稳压单元2相连、另一端与MCU自锁电路33相连，以在电池包正常上电时，关断第一开关单元11中的放电回路111。在本发明的一个较佳实施例中，第二加速模块342包括连接在第一MOS管开关QA3栅极的第二MOS管开关QA4以及电阻RA18，第二MOS管开关QA4可用于在系统正常上电时关断第一MOS管开关QA3的RC并联电路343，以延长关机时间，确保电池包的正常下电。
本发明的电池包充放电保护系统通过设置具有耦合唤醒电路31、按键检测电路32、MCU自锁电路33以及下电加速电路34的充放电保护单元3，可快速有效的检测电池包以及连接在电池包上的充电器和/或用电系统的故障，并通过MCU自锁电路33控制电池包的自主下电，有效解决了现有技术中由于电池包无法正常下电造成的电池包的过放；同时，单线通信耦合电路312的设置，一方面使得电池包在连接充电器时被自主唤醒，另一方面还可延长MCU自锁电路33的自锁时间，保证电池包的正常上下电。
综上所述，本发明的电池包充放电保护系统，通过采用单线兼容通信和耦合唤醒模式，可以及时完成电池包的自主下电，避免因电池包长期自耗电导致的电池的过放，同时可对连接在电池包上的充电器和/或用电系统进行检测，并在充电器和/或用电系统异常的情况下完成自主下电，有效提升了电池包的使用安全性及使用寿命，可应用到高电压输出场合，且具备响应速度快，可靠性高的优点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种电池包充放电保护系统，包括电池包以及连接在电池包的正极的电源输入控制电路，其特征在于：还包括连接在电源输入控制电路中的稳压单元及充放电保护单元，所述充放电保护单元包括耦合唤醒电路、下电加速电路、MCU自锁电路以及按键检测电路，所述耦合唤醒电路连接在所述电源输入控制电路中，用于驱动稳压单元，完成MCU自锁电路的上电，保证电池包的稳定工作；所述下电加速电路连接在耦合唤醒电路中，用于检测稳压单元的电压值，并控制耦合唤醒电路唤醒信号的关闭，保证MCU自锁电路自主下电的实现，所述电源输入控制电路包括第一开关单元，所述下电加速电路包括并联设置的第一加速模块和第二加速模块，所述第一加速模块的一端与所述稳压单元相连、另一端与所述MCU自锁电路相连，以用于彻底关断所述第一开关单元，完成电池包的下电。
2.根据权利要求1所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述第一加速模块包括第一MOS管开关、与所述第一MOS管开关连接的RC并联电路以及加速电阻。
3.根据权利要求2所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述加速电阻的一端连接在所述第一MOS管开关的漏极、另一端与所述MCU自锁电路相连，以用于实现第一开关单元的快速放电。
4.根据权利要求2所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述RC并联电路的一端连接在所述第一MOS管开关的栅极、另一端连接在所述第一MOS管开关的源极，以在所述稳压单元的输出电压低于驱动电压时，维持第一MOS管开关的导通，使得第一开关单元彻底关断完成所述电池包的下电。
5.根据权利要求1所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述第二加速模块的一端与所述稳压单元相连、另一端与所述MCU自锁电路相连，以在电池包正常上电时，关断所述第一开关单元中的放电回路。
6.根据权利要求1所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述MCU自锁电路包括MCU微控制器、与所述MCU微控制器连接的Power_EN电源使能端以及与所述Power_EN电源使能端连接的电阻和电容，所述MCU微控制器用于检测所述电池包和与电池包连接的充电器和/或用电系统的运行情况并可实现所述电池包的自主下电。
7.根据权利要求1所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述耦合唤醒电路连接在所述电源输入控制电路和所述MCU自锁电路之间，包括用于手动唤醒所述电池包的开关耦合唤醒电路以及用于在电池包充电过程中唤醒电池包的单线通信耦合电路。
8.根据权利要求7所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述电源输入控制电路还包括第二开关单元，所述开关耦合唤醒电路包括通过按键导通的第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路，当所述第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路经按键导通后，所述电池包的正极耦合到所述第一开关单元中，以导通所述第一开关单元和所述第二开关单元，并驱动所述稳压单元保证电池包稳定工作。
9.根据权利要求8所述的电池包充放电保护系统，其特征在于：所述按键检测电路用于在所述第一开关耦合唤醒电路和第二开关耦合唤醒电路之间的所述按键导通后，将所述电池包的电压进行分压并通过所述稳压单元稳压输入到MCU自锁电路中，并由所述MCU自锁电路检测所述按键的高电平持续时间，以完成下电指令的发送。
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