CN111900773A - 锂电池短路保护电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种锂电池短路保护电路及方法，所述短路保护电路包括：充放电回路，包括锂电池、放电单元及充电单元，所述充放电回路的正极和负极为外接端口，充电单元和放电单元依次设于锂电池的正极及充放电回路的正极之间；预放单元，包括串联设置的第一开关管及预放电阻，第一开关管及预放电阻整体并联于放电单元的两端；驱动芯片，用于驱动放电单元、充电单元及预放单元；单片机，用于控制驱动芯片。本发明通过增加预放单元来保护在负载短路的情况下对放电MOS管的冲击，避免了驱动芯片打开放电MOS管能力不足的缺陷，在负载短路的极端情况下整个电路仍可稳定可靠地工作，达到了保护锂电池的目的。

Description

锂电池短路保护电路及方法
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种锂电池短路保护电路及方法。
背景技术
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N.Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，现在锂离子电池已经成为了主流。
锂电池具有电压平台高、高储能密度、自放电率低，无记忆效应，寿命长等优点，缺点是安全性差、有发生爆炸的风险，故锂电池需要保护电路，保护锂电池防止过充过放和短路等风险；锂电池生产要求高，故成本高。
现有技术的锂电池保护电路中通常采用NMOS管进行充放电回路的负极(P-)控制或采用PNOS管进行充放电回路的正极(P+)控制，然而在负载短路时会造成放电MOS管的损坏。具体为，在先发生负载短路时再打开放电MOS管输出电压的情况下，因为驱动芯片的MOS打开驱动能力有限，使MOS管打开时造成振荡，由于负载为短路状态，输出电流较大，瞬间功率超出MOS管的承受能力造成MOS管损坏。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种锂电池短路保护电路及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂电池短路保护电路及方法，以通过锂电池充放电回路正极保护解决MOS管损坏的问题。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种锂电池短路保护电路，所述短路保护电路包括：
充放电回路，包括锂电池、放电单元及充电单元，所述充放电回路的正极和负极为外接端口，充电单元和放电单元依次设于锂电池的正极及充放电回路的正极之间；
预放单元，包括串联设置的第一开关管及预放电阻，第一开关管及预放电阻整体并联于放电单元的两端；
驱动芯片，用于驱动放电单元、充电单元及预放单元；
单片机，用于控制驱动芯片。
一实施例中，所述放电单元包括放电MOS管和第二电阻，充电单元包括充电MOS管和第一电阻，放电MOS管和充电MOS管均为NMOS管，所述充电MOS管的栅极和放电MOS管的栅极分别与驱动芯片相连，充电MOS管的源极与锂电池的正极相连，放电MOS管的源极与充放电回路的正极相连，充电MOS管的漏极与放电MOS管的漏极相连，第一电阻连接于充电MOS管的栅极和源极之间，第二电阻连接于放电MOS管的栅极和源极之间。
一实施例中，所述充电MOS管的栅极与驱动芯片之间连接有第五电阻，放电MOS管的栅极与驱动芯片之间连接有第六电阻。
一实施例中，所述第一开关管为PMOS管或PNP三极管，预放电阻为第三电阻，第一开关管的栅极或基极与单片机相连，源极或发射极与充电MOS管的漏极及放电MOS管的漏极相连，漏极或集电极接第三电阻后与充放电回路的正极相连，第一开关管的栅极和源极或基极与发射极之间连接有第四电阻。
一实施例中，所述预放单元还包括电平转换单元，电平转换单元包括第二开关管及若干电阻，第二开关管为NMOS管或NPN三极管，第二开关管的栅极或基极接第十电阻后与单片机相连，源极或发射极与锂电池的负极相连，漏极或集电极接第八电阻后与第一开关管的栅极或基极相连，栅极与源极或基极与发射极之间连接有第十二电阻。
一实施例中，所述驱动芯片为BQ76200驱动芯片，驱动芯片外围电性连接有电荷泵及供电电路。
一实施例中，所述锂电池的负极和充放电回路的负极之间设有电流采集单元，所述电流采集单元与单片机电性连接，单片机用于根据电流采集单元采集到的电流控制驱动芯片。
本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种锂电池短路保护方法，所述短路保护方法包括：
判断是否需要打开放电单元，若是，则打开预放单元；
比较预放单元中的预放电流是否大于预设电流门限值IPTH；
若预放电流大于预设电流门限值IPTH，则比较预放电流的持续时间是否大于预设时间阈值TSC，若是，则判定负载发生短路，关闭预放单元，若否，则返回重新比较预放单元中的预放电流是否大于预设电流门限值IPTH；
若预放电流小于或等于预设电流门限值IPTH，则打开放电单元，并关闭预放单元。
一实施例中，所述预设电流门限值IPTH为IPTH＝CVMIN*NUM*Y1/R，其中，CVMIN为锂电池电芯的欠压保护值，NUM为锂电池中的电芯串数，Y1为第一余量系数，且Y1＜1，优选为0.4～0.8，R为预放电阻的阻值，IPTH、CVMIN、R的单位分别为A、V、Ω。
一实施例中，所述预设时间阈值TSC为TSC＝R*C*Y2/1000，其中，R为预放电阻的阻值，Y2为第二余量系数，且Y2＞1，优选为3～8，C为最大容性负载的等效电容值，TSC、R、C的单位分别为mS、Ω、μF。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过增加预放单元来保护在负载短路的情况下对放电MOS管的冲击，避免了驱动芯片打开放电MOS管能力不足的缺陷，在负载短路的极端情况下整个电路仍可稳定可靠地工作，达到了保护锂电池的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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中记载的一些实施例，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为本发明一具体实施例中锂电池短路保护电路的示意图；
图2为本发明一具体实施例中锂电池短路保护方法的流程图；
图3a为本发明一具体实施例中容性负载为2000μF时的输出电压波形图；
图3b为本发明一具体实施例中负载短路的情况下进行上电的输出电压波形图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图1所示，本发明一具体实施例中的锂电池短路保护电路，包括：
充放电回路，包括锂电池(未图示，位于B+和B-之间)、放电单元11及充电单元12，充放电回路的正极P+和负极为外接端口P-，充电单元12和放电单元11依次设于锂电池的正极B+及充放电回路的正极P+之间；
预放单元20，包括串联设置的第一开关管及预放电阻，第一开关管及预放电阻整体并联于放电单元11的两端；
驱动芯片30，用于驱动放电单元11、充电单元12及预放单元21；
单片机40，用于控制驱动芯片30。
具体地，本实施例中的驱动芯片30以TI公司的BQ76200PWR驱动芯片为例进行说明。
放电单元11包括放电MOS管DMOS和第二电阻R2，充电单元12包括充电MOS管CMOS和第一电阻R1，放电MOS管DMOS和充电MOS管CMOS均为NMOS管，充电MOS管CMOS的栅极和放电MOS管DMOS的栅极分别与驱动芯片30的引脚CHG和DSG相连，充电MOS管CMOS的源极与锂电池的正极B+相连，放电MOS管DMOS的源极与充放电回路的正极P+相连，充电MOS管CMOS的漏极与放电MOS管DMOS的漏极相连，第一电阻R1连接于充电MOS管CMOS的栅极和源极之间，第二电阻R2连接于放电MOS管DMOS的栅极和源极之间。
进一步地，充电MOS管CMOS的栅极与驱动芯片的引脚CHG之间连接有第五电阻R5，放电MOS管DMOS的栅极与驱动芯片的引脚DSG之间连接有第六电阻R6。
本发明中的CMOS为充电控制MOS管，具体应用时可根据电流需求调整并联个数，R6为充电MOS管的驱动限流电阻，电阻越大，驱动能力超小，反之驱动能力越大。DMOS为放电控制MOS管，具体应用时可根据电流需求调整并联个数，R5为放电MOS管的驱动限流电阻，电阻越大，驱动能力超小，反之驱动能力越大。本发明中把电阻调小仍不能满足需求，DMOS管为本发明中所指的损坏对象，先发生负载短路，再打开放电MOS管会造成放电MOS管损坏。
预放单元20中，第一开关管为预放MOS管，其可以为PMOS管或PNP三极管，预放电阻为第三电阻R3，以PMOS管为例，第一开关管M1的栅极与单片机相连，源极与充电MOS管CMOS的漏极及放电MOS管DMOS的漏极相连，漏极接第三电阻R3后与充放电回路的正极P+相连，第一开关管M1的栅极和源极之间连接有第四电阻R4。
本实施例中预放单元还包括电平转换单元，电平转换单元包括第二开关管M2及若干电阻，第二开关管M2为NMOS管或NPN三极管，以NMOS管为例，第二开关管M2的栅极接第十电阻R10后与单片机相连，源极与锂电池的负极B-相连，漏极接第八电阻R8后与第一开关管M1的栅极相连，栅极与源极之间连接有第十二电阻R12。
预放单元为解决放电MOS管损坏的重要部分，其中以M1与R3为主，M1起开关作用，R3为预放电路电流输出大小的调整器件，M1需要根据锂电池的电压来选择耐压值，R3的阻值和功率根据输出电流大小及时间长短来调整对应参数，必要时可选择多个电阻串联或并联或混联的方式，输出电流的时间长短取决于容性负载的电容值。
在其他实施例中，当第一开关管为PNP三极管或第二开关管为NPN三极管时，连接方式与本实施例中类似，MOS管的栅极、源极、漏极分别对应三极管的基极、发射极、集电极，具体电路此处不再进行赘述。
BQ76200驱动芯片的外围电性连接有电荷泵及供电电路，具体地：
驱动芯片的引脚VDDCP分别接第一电容C1和第二电容C2后与锂电池的负极B-相连，第一电容C1和第二电容C2之间接第七电阻R7后与锂电池的正极B+相连；
驱动芯片的引脚CHG-EN接第九电阻R9后与单片机相连；
驱动芯片的引脚CP-EN直接与单片机相连；
驱动芯片的引脚DSG-EN接第十三电阻R13后与单片机相连；
驱动芯片的引脚PM ON-EN和PCHG-EN分别接第十四电阻R14后与锂电池的负极B-相连；
驱动芯片的引脚PACK接第十一电阻R11后与放电MOS管DMOS的源极相连；
驱动芯片的引脚VSS与锂电池的负极B-相连，且引脚VSS和引脚PACK之间连接有第三电容C3。
锂电池的负极B-和充放电回路的负极P-之间设有电流采集单元，电流采集单元与单片机电性连接，单片机用于根据电流采集单元采集到的电流控制驱动芯片。
具体地，电流采集单元包括连接于锂电池的负极B-和充放电回路的负极P-之间的采集电阻RS1，采集电阻RS1的两端并联有前端采集芯片，前端采集芯片用于获取锂电池电芯的电压VS1，根据电压VS1和电阻RS1即可获取当前充放电回路的电流。
RS1和前端采集芯片组成的电流采集电路，为软件策略提供依据，在其他实施例中也可通过单片机直接采集电流数据。
单片机为软件载体，提供策略控制。其中：
信号CHG-EN为充电MOS管开关控制IO，高电平打开充电MOS管，低电平关闭充电MOS管；
信号DSG-EN为放电MOS管开关控制IO，高电平打开放电MOS管，低电平关闭放电MOS管；
信号CP-EN为BQ76200的电荷泵开关，高电平打开电荷泵，低电平关闭电荷泵；
信号PDSGEN为预放单元的开关控制IO，高电平打开，低电平关闭。
参图2所示，本发明中的锂电池短路保护方法，包括以下步骤：
判断是否需要打开放电单元，若是，则打开预放单元；
比较预放单元中的预放电流是否大于预设电流门限值IPTH；
若预放电流大于预设电流门限值IPTH，则比较预放电流的持续时间是否大于预设时间阈值TSC，若是，则判定负载发生短路，关闭预放单元，上报短路故障，若否，则返回重新比较预放单元中的预放电流是否大于预设电流门限值IPTH；
若预放电流小于或等于预设电流门限值IPTH，则打开放电单元，并关闭预放单元。
优选地，预设电流门限值IPTH为IPTH＝CVMIN*NUM*Y1/R，其中，CVMIN为锂电池电芯的欠压保护值，NUM为锂电池中的电芯串数，Y1为第一余量系数，且Y1＜1，优选为0.4～0.8，R为预放电阻的阻值，IPTH、CVMIN、R的单位分别为A、V、Ω。
优选地，预设时间阈值TSC为TSC＝R*C*Y2/1000，其中，R为预放电阻的阻值，Y2为第二余量系数，且Y2＞1，优选为3～8，C为最大容性负载的等效电容值，TSC、R、C的单位分别为mS、Ω、μF。
本发明的一具体实施例中，锂电池电芯的欠压保护值(CVMIN)为2.5V，锂电池中的电芯串数(NUM)为16串，预放电阻的阻值(R)为100Ω，第一余量系数(Y1)为0.5，预设电流门限值IPTH＝2.5*16*0.5/100＝0.2(A)。
本发明的一具体实施例中，预放电阻的阻值(R)为100Ω，容性负载的等效电容值(C)为2000μF，第二余量系数(Y2)为5，TSC＝100*2000*5/1000＝1000(mS)。
参图3a所示为容性负载为2000μF时的输出电压波形图，从上到下分别为预放MOS管驱动电压、放电MOS管驱动电压及输出电压，参图3b所示为负载短路的情况下进行上电的输出电压波形图，从上到下分别为预放MOS管驱动电压、放电MOS管驱动电压。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明通过增加预放单元来保护在负载短路的情况下对放电MOS管的冲击，避免了驱动芯片打开放电MOS管能力不足的缺陷，在负载短路的极端情况下整个电路仍可稳定可靠地工作，达到了保护锂电池的目的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种锂电池短路保护电路，其特征在于，所述短路保护电路包括：
充放电回路，包括锂电池、放电单元及充电单元，所述充放电回路的正极和负极为外接端口，充电单元和放电单元依次设于锂电池的正极及充放电回路的正极之间；
预放单元，包括串联设置的第一开关管及预放电阻，第一开关管及预放电阻整体并联于放电单元的两端；
驱动芯片，用于驱动放电单元、充电单元及预放单元；
单片机，用于控制驱动芯片。
2.根据权利要求1所述的锂电池短路保护电路，其特征在于，所述放电单元包括放电MOS管和第二电阻，充电单元包括充电MOS管和第一电阻，放电MOS管和充电MOS管均为NMOS管，所述充电MOS管的栅极和放电MOS管的栅极分别与驱动芯片相连，充电MOS管的源极与锂电池的正极相连，放电MOS管的源极与充放电回路的正极相连，充电MOS管的漏极与放电MOS管的漏极相连，第一电阻连接于充电MOS管的栅极和源极之间，第二电阻连接于放电MOS管的栅极和源极之间。
3.根据权利要求2所述的锂电池短路保护电路，其特征在于，所述充电MOS管的栅极与驱动芯片之间连接有第五电阻，放电MOS管的栅极与驱动芯片之间连接有第六电阻。
4.根据权利要求2所述的锂电池短路保护电路，其特征在于，所述第一开关管为PMOS管或PNP三极管，预放电阻为第三电阻，第一开关管的栅极或基极与单片机相连，源极或发射极与充电MOS管的漏极及放电MOS管的漏极相连，漏极或集电极接第三电阻后与充放电回路的正极相连，第一开关管的栅极和源极或基极与发射极之间连接有第四电阻。
5.根据权利要求4所述的锂电池短路保护电路，其特征在于，所述预放单元还包括电平转换单元，电平转换单元包括第二开关管及若干电阻，第二开关管为NMOS管或NPN三极管，第二开关管的栅极或基极接第十电阻后与单片机相连，源极或发射极与锂电池的负极相连，漏极或集电极接第八电阻后与第一开关管的栅极或基极相连，栅极与源极或基极与发射极之间连接有第十二电阻。
6.根据权利要求1所述的锂电池短路保护电路，其特征在于，所述驱动芯片为BQ76200驱动芯片，驱动芯片外围电性连接有电荷泵及供电电路。
7.根据权利要求1所述的锂电池短路保护电路，其特征在于，所述锂电池的负极和充放电回路的负极之间设有电流采集单元，所述电流采集单元与单片机电性连接，单片机用于根据电流采集单元采集到的电流控制驱动芯片。
8.一种锂电池短路保护方法，其特征在于，所述短路保护方法包括：
判断是否需要打开放电单元，若是，则打开预放单元；
比较预放单元中的预放电流是否大于预设电流门限值IPTH；
若预放电流大于预设电流门限值IPTH，则比较预放电流的持续时间是否大于预设时间阈值TSC，若是，则判定负载发生短路，关闭预放单元，若否，则返回重新比较预放单元中的预放电流是否大于预设电流门限值IPTH；
若预放电流小于或等于预设电流门限值IPTH，则打开放电单元，并关闭预放单元。
9.根据权利要求8所述的锂电池短路保护方法，其特征在于，所述预设电流门限值IPTH为IPTH＝CVMIN*NUM*Y1/R，其中，CVMIN为锂电池电芯的欠压保护值，NUM为锂电池中的电芯串数，Y1为第一余量系数，且Y1＜1，优选为0.4～0.8，R为预放电阻的阻值，IPTH、CVMIN、R的单位分别为A、V、Ω。
10.根据权利要求8所述的锂电池短路保护方法，其特征在于，所述预设时间阈值TSC为TSC＝R*C*Y2/1000，其中，R为预放电阻的阻值，Y2为第二余量系数，且Y2＞1，优选为3～8，C为最大容性负载的等效电容值，TSC、R、C的单位分别为mS、Ω、μF。
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CN112542873A (zh) * 2020-12-16 2021-03-23 中车永济电机有限公司 充放电装置
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