CN115051430A - 一种应用于锂电池的充放电分口保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源锂电池及电力电子领域，其公开了一种应用于锂电池的充放电分口保护电路。该电路包括：放电控制开关，用于单独地断开或闭合放电回路，放电控制开关的输入端作为输出负极，输出端与锂电池组的总负极连接，锂电池组的总正极作为输出正极；充电控制开关，用于单独地断开或闭合充电回路，充电控制开关的输入端与总负极连接，输出端作为充电负极，总正极作为充电正极；控制单元，用于采样锂电池组的模拟数据和状态信息，并以此为依据，在放电时进行放电控制开关的断开或闭合动作，在充电时进行充电控制开关的断开或闭合动作。通过该方案解决了充电过程中同时能放电的安全隐患，以及充电开关配置容量过剩所导致硬件设计成本过高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及新能源锂电池领域及电力电子领域，特别涉及一种应用于锂电池的充放电分口保护电路。
背景技术
现阶段，提倡“低碳生活”、“节能减排”、“清洁高效”已成为全社会的共识，“建设绿色家园，共享生态文明”更是频繁被各大城市宣传并引用为发展主题词，在大力倡导低碳经济和建设生态文明的时代背景下，以锂电池为代表的清洁能源迅速崛起，逐步走进我们的日常生活之中，大到电动汽车和集装箱储能，小到电动工具和3C数码，无出其右。然而，锂电池内部电化学特性不同于铅酸蓄电池，在充放电过程中，必须要对锂电池进行监控和保护，杜绝电池出现过压、欠压、过温、过流等伤害性故障甚至发生燃烧、爆炸等恶性事件。
目前，锂电池的电压平台都比较低，磷酸铁锂单体电池额定电压为3.2Vdc，三元材料、钴酸锂、锰酸锂单体电池额定电压一般为3.6～3.7Vdc，钛酸锂单体电池额定电压只有2.3V，均难以满足用电设备几十伏甚至几百伏的电压需求，实际应用中需要把若干电池进行串联成组，才能满足电压平台要求。而锂电池的安全保护是基于极端单体电池保护原理，即在充电过程中监测最高单体电池电压，当最高单体电池电压达到充电保护阈值时，断开充电保护开关，切断充电回路；在放电过程中监测最低单体电池电压，当最低单体电池电压达到放电保护阈值时，断开放电保护开关，切断放电回路；温度和电流保护亦是如此。
图1所示为常规的锂电池充放电保护电路原理框图，其中，MCU(MicrocontrollerUnit，微控制器)作为控制核心，主要功能有两个，其一是对锂电池充放电电流以及各单体电池电压和温度进行模拟采样，并对采样数据进行运算处理；其二是通过数据分析来对充放电保护开关进行逻辑控制，实现对锂电池的各种告警和保护功能。图中电流传感器可以选择霍尔电流传感器，也可以选择分流器(即高精度采样电阻)，作用是用来检测电池组主回路中的充放电电流(即母线电流)；放电开关和充电开关属于保护开关，可以选择继电器或接触器，也可以选择功率MOS管；充电过渡二极管和放电过渡二极管利用其单向导电和反流截止特性，在放电开关保护断开时可以进行充电自动激活，在充电开关保护断开时可以进行放电自动激活，实现在充电和放电之间的无缝切换过渡作用。
在常规的充放电保护电路中，电池组总正极B+直接作为输出正极P+，电池组总负极B-经过电流传感器和充放电保护开关后作为输出负极P-，输出正极P+和输出负极P-既作为放电口可外接负载，用于锂电池对后级负载进行放电供电；又作为充电口可外接充电机，用于对锂电池本身进行充电补电。
采用充放电同口的保护电路存在如下弊端：第一，锂电池组在充电过程中，充电开关和放电开关都是闭合的，因为充电口同时又是放电口，锂电池组便可以同时对外部负载进行放电，这种情况对于电动车的应用场合会带来一定的安全隐患，比如充电时不小心触发行车开关或档位开关，导致出现拖着充电枪跑的问题，可能会带来较为严重的设备损害或人身事故；第二，对于锂电池而言，充电电流一般远远低于放电电流，比如动力电池即使快充电流一般只会达到0.5C(即电池额定容量的一半)，但是持续放电电流一般能达到1C(即电池的满额容量)，峰值电流甚至更高，这就要求放电开关和充电开关都需要达到放电电流的最大值，造成充电开关的硬件资源浪费，导致设计成本大幅升高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于锂电池的充放电分口保护电路，其包括：放电控制开关，用于断开或闭合锂电池组的放电回路，所述放电控制开关的输入端作为输出负极，所述放电控制开关的输出端与所述锂电池组的总负极连接，所述锂电池组的总正极作为输出正极；充电控制开关，用于断开或闭合所述锂电池组的充电回路，所述充电控制开关的输入端与所述锂电池组的总负极连接，所述充电控制开关的输出端作为充电负极，所述锂电池组的总正极作为充电正极；和控制单元，与所述锂电池组连接，还分别与所述放电控制开关和所述充电控制开关连接，用于采样所述锂电池组的模拟量数据和状态信息，并以此为依据，在放电时进行所述放电控制开关的断开或闭合动作，以及在充电时进行所述充电控制开关的断开或闭合动作。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述放电控制开关包括：第一NMOS管；所述第一NMOS管的栅极与所述控制单元连接，所述第一NMOS管的源极作为所述放电控制开关的输出端，所述第一NMOS管的漏极作为所述放电控制开关的输入端。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述第一NMOS管的数量为两个，两个所述第一NMOS管并联连接。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述第一NMOS管为具有内部寄生二极管的NMOS管；该内部寄生二极管的正极与所述第一NMOS管的源极连接，该内部寄生二极管的负极与所述第一NMOS管的漏极连接。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述充电控制开关包括：第二NMOS管；所述第二NMOS管的栅极与所述控制单元连接，所述第二NMOS管的源极作为所述充电控制开关的输出端，所述第二NMOS管的漏极作为所述充电控制开关的输入端。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述第二NMOS管为具有内部寄生二极管的NMOS管；该内部寄生二极管的正极与所述第二NMOS管的源极连接，该内部寄生二极管的负极与所述第二NMOS管的漏极连接。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述充电控制开关还包括：反流二极管；所述反流二极管的正极与所述第二NMOS管的源极连接，所述反流二极管的负极作为所述充电负极。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述控制单元包括：PWM驱动电路，分别与所述放电控制开关和所述充电控制开关连接；和微控制器，所述微控制器分别与所述锂电池组和所述PWM驱动电路连接，用于采样所述锂电池组的模拟量数据和状态信息，并以此为依据，在放电时通过控制所述PWM驱动电路进行所述放电控制开关的断开或闭合动作，以及在充电时通过控制所述PWM驱动电路进行所述充电控制开关的断开或闭合动作。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述充放电分口保护电路还包括：告警指示电路，所述告警指示电路具有：第一灯光指示单元，用于在点亮时表征所述锂电池组处于放电状态；和第二灯光指示单元，用于在点亮时表征所述锂电池组处于充电状态。
在如上所述的充放电分口保护电路中，可选地，所述充放电分口保护电路还包括：通信电路；所述通信电路与充电机或负载设备连接，还与上级控制器连接以上传所述锂电池组的模拟量数据和状态信息。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过设置放电控制开关、充电控制开关和控制单元，利用放电控制开关来断开或闭合锂电池组的放电回路，利用充电控制开关断开或闭合锂电池组的充电回路，即在电路结构上将充电回路和放电回路进行分开并单独控制，做到充电时不能放电，放电时不能充电，从而解决了充电过程中同时能放电的安全隐患，又解决了充电控制开关配置容量过剩所导致硬件设计成本过高的问题。
附图说明
图1为现有技术中提供的一种应用于锂电池的充放电同口保护电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种应用于锂电池的充放电分口保护电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种应用于锂电池的充放电分口保护电路的控制逻辑流程示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图2，本发明实施例提供了一种应用于锂电池的充放电分口保护电路，其包括：放电控制开关、充电控制开关和控制单元。
放电控制开关设置于放电主回路(或称放电回路)上，用于单独地断开或导通锂电池组的放电回路。当放电控制开关处于断开状态时，放电回路为断路状态，此时锂电池组不能向负载设备供电；当放电控制开关处于闭合状态时，放电回路为通路状态，此时锂电池组可以向负载设备供电。具体地，放电控制开关设置在锂电池组的总负极侧，其输入端作为输出负极P-，输出端与锂电池组的总负极B-连接，锂电池组的总正极B+作为输出正极P+，负载设备连接于输出正极P+和输出负极P-之间。
充电控制开关设置于充电主回路(或称充电回路)上，用于单独地断开或导通锂电池组的充电回路。当充电控制开关处于断开状态时，充电回路为断路状态，此时充电机不能向锂电池组充电；当充电控制开关处于闭合状态时，充电回路为通路状态，此时充电机可以向锂电池组供电。具体地，充电控制开关设置在锂电池组的总负极侧，其输入端与锂电池组的总负极B-连接，输出端作为充电负极CHG-，锂电池组的总正极B+作为充电正极CHG+，充电机连接于充电正极CHG+和充电负极CHG-之间。由于充电控制开关和放电控制开关都涉及到锂电池组的总正极B+，因此锂电池组的总正极B+、输出正极P+和充电正极CHG+三者为同一电气连接点。
控制单元与锂电池组连接，还分别与放电控制开关和充电控制开关连接，用于采样锂电池组的模拟量数据和状态信息，并以此为依据，在放电时进行放电控制开关的断开或闭合动作，以及在充电时进行充电控制开关的断开或闭合动作。在实际应用中，控制单元不仅会实时采样锂电池组中各单体电池的电压，还会采样各单体电池的温度，以及锂电池组的母线电流。相应地，会设置电池电压及温度采样电路，其与控制单元连接，以将采集到的数据上传至控制单元。母线电流可以通过电流传感器采集，在电流传感器的两端并联有电流放大调理电路，电流放大调理电路与控制单元连接。上述的电压、温度、电流为模拟量数据，根据前述数据可以得到状态信息，例如：SOC(电池剩余电量，State Of Charge)、SOH(State Of Health，健康状况)、SOP(State of Power，功率承受能力)等。
通过设置放电控制开关、充电控制开关和控制单元，利用放电控制开关来断开或闭合锂电池组的放电回路，利用充电控制开关断开或闭合锂电池组的充电回路，即在电路结构上将充电回路和放电回路进行分开并单独控制，做到充电时不能放电，放电时不能充电，从而解决了充电过程中同时能放电的安全隐患，又解决了充电控制开关配置容量过剩所导致硬件设计成本过高的问题。
选择功率NMOS管作为放电开关和充电开关，为了便于区分，将放电控制开关中的NMOS管称为第一NMOS管(或称为放电NMOS管)，将充电控制开关中的NMOS管称为第二NMOS管(或称为充电NMOS管)。
放电控制开关中的第一NMOS管的栅极与控制单元连接，第一NMOS管的源极作为放电控制开关的输出端，第一NMOS管的漏极作为放电控制开关的输入端。由于放电控制开关与充电控制开关是两个独立的控制开关，可以为放电控制开关配置数量不同于充电控制开关的NMOS管，NMOS管的数量可以根据充电回路和放电回路的过电流能力要求进行选择，通过多个NMOS管并联使用来满足充电回路和放电回路电流容量需求。在图2中，示意了两个第一NMOS管，两个第一NMOS管并联连接，即一个第一NMOS管QM1的源极与另一个第一NMOS管QM2的源极连接，连接后作为放电控制开关的输出端；一个第一NMOS管QM1的漏极与另一个第一NMOS管QM2的漏极连接，连接后作为放电控制开关的输入端。放电控制开关中的第一NMOS管为具有内部寄生二极管的NMOS管，该内部寄生二极管的正极与第一NMOS管的源极连接，该内部寄生二极管的负极与第一NMOS管的漏极连接。
充电控制开关的第二NMOS管QN1的栅极与控制单元连接，第二NMOS管QN1的源极作为充电控制开关的输出端，第二NMOS管QN1的漏极作为充电控制开关的输入端。充电控制开关中的第二NMOS管为具有内部寄生二极管的NMOS管，该内部寄生二极管的正极与第二NMOS管的源极连接，该内部寄生二极管的负极与第二NMOS管的漏极连接。充电控制开关还包括：反流二极管D1，其用于防止电流的反向流动。具体地，反流二极管D1的正极与第二NMOS管QN1的源极连接，负极作为充电负极CHG-，即与充电负极CHG-连接。
控制单元包括：PWM驱动电路和微控制器。PWM驱动电路分别与放电控制开关和充电控制开关连接。微控制器分别与锂电池组和PWM驱动电路连接，用于采样锂电池组的模拟量数据和状态信息，并以此为依据，在放电时通过控制PWM驱动电路进行放电控制开关的断开或闭合动作，以及在充电时通过控制PWM驱动电路进行充电控制开关的断开或闭合动作。
充放电分口保护电路还包括：告警指示电路，其具有：第一灯光指示单元和第二灯光指示单元。第一灯光指示单元用于在点亮时表征锂电池组处于放电状态。第二灯光指示单元用于在点亮时表征锂电池组处于充电状态。告警指示电路可以为不同颜色的发光二极管，当处于充电状态时，发光二极管发出红色光，此时将该发光二极管称为充电指示灯；当处于放电状态时，发光二极管发出绿色光，此时将该发光二极管称为放电指示灯。
为了利于实时掌握锂电池组的模拟量数据和状态信息，充放电分口保护电路还包括：通信电路，其与充电机或负载设备连接，还可与上级控制器连接以上传锂电池组的模拟量数据和状态信息。通信电路可以采用隔离的RS485总线或CAN总线通信方式。
控制单元的电力可以由锂电池组提供，本充放电分口保护电路还包括：主电源电路，其一端与锂电池组连接，另一端与控制单元连接。该主电源电路还可以为通信电路提供电力，具体地，主电源电路经DC/DC隔离电源电路与通信电路连接。
下面对应用于锂电池的充放电分口保护电路的具体工作过程进行说明：
(1)MCU上电后，开始自检，并进入正常运行模式；
(2)MCU实时采样锂电池组中各单体电池的电压、温度以及母线电流，采样数据经过运算处理后与电压、电流和温度保护阈值进行比较，如果各个模拟量值在正常范围之内，则MCU控制PWM驱动电路输出高电平并施加到第一NMOS管和第二NMOS管处，如图2中的QM1与QM2和QN1的栅极和源极，使充电开关和放电开关均导通闭合，接通充电主回路和放电主回路；否则，MCU控制PWM驱动电路输出低电平并施加到QM1与QM2和QN1的栅极和源极，使充电开关和放电开关均断开，切断充电主回路和放电主回路；
(3)当锂电池组外接充电机时，处于充电状态，锂电池组的电池电压上升，充电电流将经由“充电机的输出正极→CHG+→锂电池组→电流传感器→QN1→D1→CHG-→充电机的输出负极”，当MCU检测到电池电压高于充电保护阈值，则会控制PWM驱动电路的充电控制端输出低电平，并施加到充电NMOS管QN1的栅极和源极，使充电开关断开，切断充电主回路；
(4)当锂电池组外接放电负载时，处于放电状态，锂电池组的电池电压下降，放电电流将经由“锂电池组的正极→P+→负载设备的正极→负载设备的负极→P-→QM1和QM2→电流传感器→锂电池组的负极”，当MCU检测到电池电压低于放电保护阈值，则会控制PWM驱动电路的放电控制端输出低电平，并施加到QM1与QM2的栅极和源极，使放电开关断开，切断放电主回路；
(5)如果电池组处于充电状态，则MCU进入充电运行模式，充电指示灯点亮，同时切断放电主回路，禁止放电；如果电池组处于放电状态，则MCU进入放电运行模式，放电指示灯点亮，同时切断充电主回路，禁止充电；
在本充放电分口保护电路工作过程中，通信电路链接着充电机或负载设备，并与之实时交互通信，同时将锂电池组中各单体电池的各种模拟量数据和状态信息上发到上一级控制器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于锂电池的充放电分口保护电路，其特征在于，所述充放电分口保护电路包括：
放电控制开关，用于单独地断开或闭合锂电池组的放电回路，所述放电控制开关的输入端作为输出负极，所述放电控制开关的输出端与所述锂电池组的总负极连接，所述锂电池组的总正极作为输出正极；
充电控制开关，用于单独地断开或闭合所述锂电池组的充电回路，所述充电控制开关的输入端与所述锂电池组的总负极连接，所述充电控制开关的输出端作为充电负极，所述锂电池组的总正极作为充电正极；和
控制单元，与所述锂电池组连接，还分别与所述放电控制开关和所述充电控制开关连接，用于采样所述锂电池组的模拟量数据和状态信息，并以此为依据，在放电时进行所述放电控制开关的断开或闭合动作，以及在充电时进行所述充电控制开关的断开或闭合动作。
2.根据权利要求1所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述放电控制开关包括：第一NMOS管；
所述第一NMOS管的栅极与所述控制单元连接，所述第一NMOS管的源极作为所述放电控制开关的输出端，所述第一NMOS管的漏极作为所述放电控制开关的输入端。
3.根据权利要求2所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述第一NMOS管的数量为多个，多个所述第一NMOS管并联连接。
4.根据权利要求2所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述第一NMOS管为具有内部寄生二极管的NMOS管；
该内部寄生二极管的正极与所述第一NMOS管的源极连接，该内部寄生二极管的负极与所述第一NMOS管的漏极连接。
5.根据权利要求1或2所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述充电控制开关包括：第二NMOS管；
所述第二NMOS管的栅极与所述控制单元连接，所述第二NMOS管的源极作为所述充电控制开关的输出端，所述第二NMOS管的漏极作为所述充电控制开关的输入端。
6.根据权利要求5所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述第二NMOS管为具有内部寄生二极管的NMOS管；
该内部寄生二极管的正极与所述第二NMOS管的源极连接，该内部寄生二极管的负极与所述第二NMOS管的漏极连接。
7.根据权利要求5所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述充电控制开关还包括：反流二极管；
所述反流二极管的正极与所述第二NMOS管的源极连接，所述反流二极管的负极作为所述充电负极。
8.根据权利要求1所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述控制单元包括：
PWM驱动电路，分别与所述放电控制开关和所述充电控制开关连接；和
微控制器，所述微控制器分别与所述锂电池组和所述PWM驱动电路连接，用于采样所述锂电池组的模拟量数据和状态信息，并以此为依据，在放电时通过控制所述PWM驱动电路进行所述放电控制开关的断开或闭合动作，以及在充电时通过控制所述PWM驱动电路进行所述充电控制开关的断开或闭合动作。
9.根据权利要求1所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述充放电分口保护电路还包括：告警指示电路，所述告警指示电路具有：
第一灯光指示单元，用于在点亮时表征所述锂电池组处于放电状态；和
第二灯光指示单元，用于在点亮时表征所述锂电池组处于充电状态。
10.根据权利要求1所述的充放电分口保护电路，其特征在于，所述充放电分口保护电路还包括：通信电路；
所述通信电路与充电机或负载设备连接，还与上级控制器连接以上传所述锂电池组的模拟量数据和状态信息。
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