CN116653606A - 一种铅酸电池保护系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种铅酸电池保护系统及车辆，属于交通工具领域。包括充电装置、铅酸电池组、电机控制器以及整车电控器，还包括保护装置，充电装置以及铅酸电池组均仅连接至保护装置上，铅酸电池组连接至电源保护模块，用于对电源转换模块进行供电并进行供电控制；电源转换模块，连接电源保护模块，为控制模块以及整车电控器提供电能；放电保护模块，连接电源保护模块，并为电机控制器和电机供电；控制模块，连接整车电控器控制次级回路的启闭；连接充电保护模块控制充电回路的启闭；连接放电保护模块控制主回路的启闭。

Description

一种铅酸电池保护系统及车辆

技术领域

本申请属于交通工具领域，特别涉及一种交通工具上用的铅酸电池保护系统及车辆。

背景技术

目前，我国电动自行车和电动摩托车的社会保有量为4亿辆左右，这些车辆能源主要是铅酸电池，锂电池的渗透率不足10%。而随着电动车辆的逐步增多，车辆充电过程中自燃的事件也逐渐增加。

虽然国家格要发布了GB厂 36944-2018《电动自行车用充电器技术要求》（2018年12月28日发布，2019年7月1日实施），由于该标准非强制性国家标准、主管部门推行和执行力度不够，加上充电器和电池的品质参差不齐仍然放生了多起由电动车充电引发的火灾事故，不规范的电动车充电器，质保周期短，容易出现过充损坏电池，严重的发生短路、过温，甚至自燃。

而且铅酸电池主要采用空气开关或者大功率保险丝进行保护，空开的原理是利用双金属片热胀弯曲推动杠杆，让断路器快速脱扣起到负载保护的作用，这种方式动作慢而且精度不高，通常要比额定电流大120%才能切断电路发挥保护作用，精度也只能做到1A(安培)级别，对于小电流漏电起不到保护作用。保险丝的原理是电流大了以后，保险丝升温熔断，仅能保护一次，烧断了就必须更换，而且还会出现保险丝的不正常烧断情况，如开机瞬间、拔插器件、接触不良、保险丝使用时间过长等，都会导致保险丝烧断。

而且目前的铅酸电池的车型，仪表电量显示通常是基于电池的电压去估算和展示的，这种方法在车辆起步和突然加速的情况下，电池电压会呈现很大的抖动，显示的电量也产生较大的波动，无法给客户展示当前准确的电量，当车辆静置很长时间之后电池电压回升，仪表展示的电量也回升，其实真实的电量并不会回升，因为能量是守恒的，仪表展示的回升电量其实是“虚电”，不具备带载能力，整车电耗一上升，电池电压立马下降。

因此，需要一种针对铅酸电池的保护系统，能够解决上述问题。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本申请提供了一种铅酸电池保护系统，利用保护装置作为供电的中转和控制，使铅酸电池组与整车的其他用电设备不会直接连接，使充放电过程均通过保护装置进行监控，方便对电池温度、电流等进行检测，若出现异常情况能够做到及时切断电路，大大提高了充放电过程中的安全性。

本申请所要达到的技术效果通过以下方案实现：

根据本发明的第一方面，提供一种铅酸电池保护系统，包括充电装置、铅酸电池组、电机控制器以及整车电控器，还包括保护装置，所述充电装置以及所述铅酸电池组均仅连接至所述保护装置上，所述保护装置包括：

充电保护模块，所述充电装置以及所述铅酸电池组均连接至所述充电保护模块上，所述充电保护模块上设置有用于连接充电装置的充电头；

电源保护模块，所述铅酸电池组连接至所述电源保护模块，用于对低功耗电源以及大功率电源进行供电并进行供电控制；

电源转换模块，连接所述电源保护模块，为控制模块以及所述整车电控器提供电能；

放电保护模块，连接所述电源保护模块，并为所述电机控制器和电机供电；

以及控制模块，连接所述整车电控器并与之通讯，用于控制次级回路的启闭；连接所述充电保护模块用于控制充电回路的启闭；连接所述放电保护模块用于控制主回路的启闭。

优选地，所述电源转换模块包括大功率电源模块以及降压模块，所述大功率电源模块连接所述电源保护模块并将电能转换为12V用于为12V用电器供电；所述降压模块连接所述大功率电源模块并降压后为所述控制模块供电。

优选地，还包括低功耗线性电源，所述低功耗线性电源与所述大功率电源模块并联，用于在休眠状态下为所述控制模块供电。

优选地，所述铅酸电池组上设置有温度采集模块，所述温度采集模块连接至所述控制模块。

优选地，所述整车电控器中设置有电门锁，所述电门锁连接至所述保护装置中的电门锁检测模块，所述电门锁检测模块用于检测电门锁的启闭并将启闭信号发送至所述控制模块。

优选地，所述控制模块中设置有电流采样模块，所述电流采样模块连接所述铅酸电池组的负极及所述保护装置的输出端子，所述电流采样模块用于将监测电流发送至所述控制模块，所述控制模块通过对所述监测电流进行积分得出所述铅酸电池组的电量。

优选地，所述保护装置中设置有报警驱动模块，所述控制模块通过所述报警驱动模块连接至所述整车电控器中的报警器上。

优选地，所述充电头与所述控制电路之间设置有认证模块，所述认证模块用于充电装置获取铅酸电池组的信息。

优选地，所述充电头上设置有第一充电孔，所述第一充电孔中设置有第一插片以及第一连接块，所述第一连接块中设置有第一插孔；充电装置的插头上设置有与所述第一充电孔相匹配的第二连接块，所述第二连接块中设置有与所述第一连接块相匹配的第二连接孔，所述第二连接孔中设置有与所述第一插孔相匹配的第二插片，所述第二连接块上设置有与所述第一插片相匹配的第二插孔。

根据本发明的第二方面，提供一种车辆，所述车辆采用上述的铅酸电池保护系统。

使用本铅酸电池保护系统的有益效果在于，本系统具备铅酸电池的放电过流保护，防止电池过流损坏。也防止放电回路过流导致的烧车自燃；能够进行铅酸电池温度检测，过温切断输出，保护电池防止电池鼓包甚至损坏；准确估算电量，防止由于电动车功率变化导致电压波动，仪表无法显示准确电量的问题；自带国家标准规定的通讯协议，方便仪表等车身电器获取电池信息，包括电量信息、电压信息、电池温度信息等，避免设备不匹配造成的安全风险；充电保护，包括防止电压不匹配的充电器充坏电池，长时间充电，过充等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有的技术方案，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申请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为本申请一实施例中一种铅酸电池保护系统的电路结构框图；

图2为本申请一实施例中的保护装置的电路结构框图；

图3为本申请一实施例中的充电头母头的结构示意图；

图4为与图3相匹配的充电装置公头的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请一实施例中的铅酸电池保护系统，包括充电装置50、铅酸电池组20、电机控制器40以及整车电控器30，还包括保护装置10，充电装置50以及铅酸电池组20均仅连接至保护装置10上，使铅酸电池组20和整车其他电器不会直接连接，其中B+\B-是铅酸电池组20的正负极端子，用于与保护装置10连接，由保护装置10对铅酸电池的充放电等进行控制，杜绝了充电器以及其他用电设备的原因造成的铅酸电池组20的损坏和安全风险。

其中整车电控器30包括仪表、中控、报警器、灯光等装置，能够显示车辆的信息（如电量、车速、车辆状态等）；铅酸电池组20为四节12V的铅酸电池串联而成的48V电池组。

如图2所示，本申请一实施例中的保护装置10包括充电保护模块12、电源保护模块13、电源转换模块、放点保护模块以及控制模块11，其中：

充电保护模块12，为晶体管开关电路，充电装置50以及铅酸电池组20均连接至充电保护模块12上，充电装置50连接至保护装置10上，由充电保护模块12为铅酸电池组20充电；充电保护模块12上设置有用于连接充电装置50的充电头。

电源保护模块13，铅酸电池组20连接至电源保护模块13，用于对电源转换模块供电并进行供电控制；其中铅酸电池组20的正极连接至电源保护模块13，为了降低保护装置10的能耗，在本系统长时间未使用时使其处于待机或休眠状态，进而使本系统的功耗降至最低（保留部分外设，关闭控制芯片高速时钟），以延长铅酸电池组20的使用寿命。因此在电源保护模块13中设置有滤波网络唤醒电路，用于对进入低功耗状态的保护装置10进行唤醒，环形的外部触发事件例如车辆电门锁、油门等。

电源转换模块，连接电源保护模块13，为控制模块11以及整车电控器30提供电能，其中控制模块11、整车电控器30以及其他除主回路外的用电设备均为次级回路；

放电保护模块14，为晶体管开关电路，连接电源保护模块13/铅酸电池组20的正极，为电机控制器40和电机供电，铅酸电池组20、放电保护模块14以及电机控制器40（连接车辆电机）为主回路；

以及控制模块11，连接整车电控器30并与之通讯，用于控制次级回路的启闭；连接充电保护模块12用于控制充电回路的启闭；连接放电保护模块14用于控制主回路的启闭。

保护装置10上设置有对外连接接口，其上设置有与铅酸电池组连接的电池接线端子B+和B-；连接电机控制器40的P+和P-，电机控制器40连接电机；充电检测C+；12V对外供电电源；通讯接口，用于保护装置10中的控制模块11通过通讯模块与外界通讯；电门锁接口，用于连接电门锁；报警器接口，用于连接报警器；一线通C-接口，用于认证模块连接一线通等认证。

通过本实施例该方案，控制模块11中的电源转换模块，将铅酸电池组20的电压进行转换，为次级回路进行供电，整车电控器30中的电门锁用于控制整车的开关，电门锁连接至保护装置10中的电门锁检测模块17，电门锁检测模块17用于检测电门锁的启闭并将启闭信号发送至控制模块11，电门锁的开关不仅为控制模块11进行控制，还包括对主回路和次级回路进行上电控制。

当电门锁关闭时，切断铅酸电池组20输出端与保护装置10之间的连接，保护装置10中的对外供电端子P+和P-无电压，以满足国标要求。

整车电控器30与控制模块11进行通讯连接，仪表中的所显示的电量等信息通过控制模块11获取。

充电器和保护装置10之间通过C+和P-连接充电，充电检测C+接充电器正极，控制模块11通过晶体管控制充电器正极到铅酸电池组20电池正极的通路实现充电的允许和禁止；P-是保护装置10上供电端子的负极，B-是铅酸电池与保护装置10连接的接线端子的负极；B-和P-在电路板内部是通过采样电阻连接，通过测量采样电阻两端的电压可以得到电流（I=V/R）,对电流积分可以得到能量的流失和充能，从而计算得出电量。

充电器通过CC充电检测线告诉保护装置10打开充电回路，充电器和保护装置10通过通讯交换铅酸电池组20的信息确定充电电压和电流。其中CC充电检测线即协议互认的通讯线，可以是一线通（485通讯在一根电线上传输），也可以是一个特定频率的脉冲信号，甚至是一个接地信号（平时悬空），或者接一个特定的电平信号（12V或48V等）。

在本申请一实施例中，电源转换模块包括大功率电源模块131以及降压模块133，大功率电源模块131连接电源保护模块13并将电能转换为12V用于为12V用电器供电；降压模块133连接大功率电源模块131并降压后为控制模块11供电。

还包括低功耗线性电源132，低功耗线性电源132与大功率电源模块131并联，即线性电源132输入端连接至电源保护模块13，输出端连接至降压模块133，用于在休眠状态下为控制模块11等低功耗模块进行供电。

在该实施例中，低功耗线性电源具有输出纹波小、输出稳定、响应速度快、电路结构规模小等优点。当车辆关机（电门锁关闭）时，大功率电源模块关闭，低功耗线性电源启动，为功耗较小的设备，如休眠状态下的控制模块11进行供电。当整车开机时（电门锁打开），则大功率电源模块开启，为12V用电设备（如车灯、喇叭等）进行供电。

在本申请一实施例中，铅酸电池组20上设置有温度采集模块15，该温度采集模块15例如是NTC热敏电阻，温度采集模块15连接至控制模块11，用于实时监测铅酸电池组20上的温度信息并发送至控制模块11，控制模块11将监测到的温度与预设的温度阈值做比较，当监测温度异常则关闭充电口。

在控制模块11中设置有电流采样模块16，电流采样模块16连接铅酸电池组20的负极及保护装置10的输出端子，以检测输入铅酸电池的电流以及输出铅酸电池的电流，从而检测充电电流以及工作时主回路的电流，电流采样模块16将监测电流发送至控制模块11，当检测到主回路的电流异常（如电流大小超过阈值）时，则控制关闭主回路P+的对外供电输出；当检测到充电回路的电流异常时则控制充电保护模块12关闭充电回路。

在其他实施例中，控制模块11还对充电时长进行监控，当检测到铅酸电池组20长时间过充则关闭充电回路，过充的标准为，充电总时长超过预设的阈值，或者铅酸电池组20在充满电状态下继续充电的时间超过预设的阈值。

在该实施例中，铅酸电池最常见的规格有12V20Ah和12V12Ah两种，安时（Ah）是电池容量的一种表示方式，表示电池在一小时内能够提供的恒定电流（单位安培）下所持续的时间。例如，一个容量为1Ah的电池，在恒定电流1安培下可以提供1小时的电力。通过安时来表示电池的容量，一方面可以简化计算，另一方面也可以直观地反映电池的使用寿命。同样容积下的电池，安时越大，电池的使用时间就越长。

因为电池的规格一定（安时数一定），可以持续放出特定电流的总时间是一定的，所以可以利用这一特点来计算电量。假设电流为I(t)，电流积分得到电量为：

，

其中：Q表示电量，t表示时间。不同电流对时间做积分，就可以得到真实额容量。另外放电定义为负向电流就是耗电，随时间电量减小，充电定义成正向电流，随着充电时间电量会增加。

通过对电流进行积分而得出的铅酸电池组的准确电量，相较于传统利用电压来计算电量的方式，不会因为铅酸电池组的内阻变化而发生变化，从而不会出现因为电压增加和减少出现容量的波动，使电量的监控显示更加的准确。

在本申请一实施例中，保护装置10中设置有报警驱动模块18，控制模块11通过报警驱动模块18连接至整车电控器30中的报警器上。报警器例如是音频报警器和/或灯光报警器，当检测到铅酸电池组20的温度过高时，控制模块11发出指令，由报警驱动模块18驱动报警器发出报警信号。

在本申请一实施例中，充电头与控制电路之间设置有认证模块19，认证模块19用于充电装置50获取铅酸电池组20的信息。该认证模块19与控制模块11之间通过一线通协议通讯，实现标准要求的充电器和铅酸电池组20“互认协同充电”。

如图3所示，在本申请一实施例中，充电头上设置有第一连接孔111，第一连接孔111中设置有第一插片113以及第一连接块112，第一连接块112中设置有第一插孔114；

如图4所示，充电装置的插头上设置有与第一连接孔111相匹配的第二连接块211，第二连接块211中设置有与第一连接块112相匹配的第二连接孔212，第二连接孔212中设置有与第一插孔114相匹配的第二插片213，第二连接块211上设置有与第一插片113相匹配的第二插孔214。

第一插孔114和第二插孔214中分别设置有电极片，两个电极片分别与第一插片113或第二插片213电性连接，实现插头之间的连接。

在使用时，第二连接块211插入第一连接孔111中，使第一插片113插入第二插孔214中、第一连接块112插入第二连接孔212中、第二插片213插入第一插孔114中，使第一插片113和第二插片213实现物理结构上的相互隔离，有效防止金属异物同时接触正负极导致短路，且能够避免插接时的瞬时电火花造成的短路；

第一连接块112与第二连接块211分别将第二连接孔212和第一连接孔111填满，不仅能够起到良好的导向作用，保证第一插片113和第二插片213能够准确插入相应的第二插孔214和第一插孔114中，而且能够避免外界的水份进入，进一步提高保护作用。

在本实施例中，第一连接块112上设置有两个圆形插孔115，在第二连接孔212中设置有与圆形插孔115相匹配的两个插柱215，其中一对插孔115和插柱215作为充电器端短负接口，用于充电检测使用，即充电检测C+，另一对插孔和插柱作为扩展接口，例如扩展为一线通C-，用于采集铅酸电池组的规格型号等信息。

根据本发明的第二方面，提供一种车辆，车辆采用上述的铅酸电池保护系统。

使用本铅酸电池保护系统的有益效果在于，本系统具备铅酸电池的放电过流保护，防止电池过流损坏。也防止放电回路过流导致的烧车自燃；能够进行铅酸电池温度检测，过温切断输出，保护电池防止电池鼓包甚至损坏；准确估算电量，防止由于电动车功率变化导致电压波动，仪表无法显示准确电量的问题；自带国家标准规定的通讯协议，方便仪表等车身电器获取电池信息，包括电量信息、电压信息、电池温度信息等，避免设备不匹配造成的安全风险；充电保护，包括防止电压不匹配的充电器充坏电池，长时间充电，过充等问题。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上仅为本发明的优选实施例而已，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)

1.一种铅酸电池保护系统，包括充电装置、铅酸电池组、电机控制器以及整车电控器，其特征在于，还包括保护装置，所述充电装置以及所述铅酸电池组均仅连接至所述保护装置上，所述保护装置包括：

充电保护模块，所述充电装置以及所述铅酸电池组均连接至所述充电保护模块上，所述充电保护模块上设置有用于连接充电装置的充电头；

电源保护模块，所述铅酸电池组连接至所述电源保护模块，用于对电源转换模块进行供电并进行供电控制；

电源转换模块，连接所述电源保护模块，为控制模块以及所述整车电控器提供电能；

放电保护模块，连接所述电源保护模块，并为所述电机控制器和电机供电；

以及控制模块，连接所述整车电控器并与之通讯，用于控制次级回路的启闭；连接所述充电保护模块用于控制充电回路的启闭；连接所述放电保护模块用于控制主回路的启闭。

2.根据权利要求1所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，所述电源转换模块包括大功率电源模块以及降压模块，所述大功率电源模块连接所述电源保护模块并将电能转换为12V用于为12V用电器供电；所述降压模块连接所述大功率电源模块并降压后为所述控制模块供电。

3.根据权利要求2所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，还包括低功耗线性电源，所述低功耗线性电源与所述大功率电源模块并联，用于在休眠状态下为所述控制模块供电。

4.根据权利要求1所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，所述铅酸电池组上设置有温度采集模块，所述温度采集模块连接至所述控制模块。

5.根据权利要求1所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，所述整车电控器中设置有电门锁，所述电门锁连接至所述保护装置中的电门锁检测模块，所述电门锁检测模块用于检测电门锁的启闭并将启闭信号发送至所述控制模块。

6.根据权利要求1所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，所述控制模块中设置有电流采样模块，所述电流采样模块连接所述铅酸电池组的负极及所述保护装置的输出端子，所述电流采样模块用于将监测电流发送至所述控制模块，所述控制模块通过对所述监测电流进行积分得出所述铅酸电池组的电量。

7.根据权利要求1所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，所述保护装置中设置有报警驱动模块，所述控制模块通过所述报警驱动模块连接至所述整车电控器中的报警器上。

8.根据权利要求1所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，所述充电头与所述控制电路之间设置有认证模块，所述认证模块用于充电装置获取铅酸电池组的信息。

9.根据权利要求1所述的铅酸电池保护系统，其特征在于，所述充电头上设置有第一充电孔，所述第一充电孔中设置有第一插片以及第一连接块，所述第一连接块中设置有第一插孔；充电装置的插头上设置有与所述第一充电孔相匹配的第二连接块，所述第二连接块中设置有与所述第一连接块相匹配的第二连接孔，所述第二连接孔中设置有与所述第一插孔相匹配的第二插片，所述第二连接块上设置有与所述第一插片相匹配的第二插孔。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆采用权利要求1至9任一项所述的铅酸电池保护系统。