CN204103465U - 动力锂电池的过温过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力锂电池的过温过压保护电路，其包括正极输出端、负极输出端、电压基准提供模块、电压检测模块、温度检测模块、比较器模块、大功率直流开关模块、控制模块和功率消耗模块，电压基准模块连接于正极输出端与比较器模块间，温度检测模块的电压信号与电压检测模块的信号一起接入比较器模块的正端，比较器模块的输出信号经控制模块作用于大功率直流开关模块并由控制模块控制正极输出端到负极输出端回路的通与断，功率消耗模块释放电池能量。此外，本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路还包括一热开启模块，热开启模块并联于大功率直流开关模块，其通与断的控制信号来自电压基准提供模块和温度检测模块。

Description

动力锂电池的过温过压保护电路

技术领域

本实用新型属于电池技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种动力锂电池的过温过压保护电路。

背景技术

电动汽车、储能站等设备一般需要使用具有大容量的动力锂电池作为电源。而动力锂电池的容量及安全跟温度有着密切的关系，过高的温度使电池无法达到其额定的容量，电解液也会发生副作用而产生大量的气体，电极片中的粘结剂也会发生质变，从而导致整个电芯短期失效，甚至引发安全问题。在设计时，负极容量比正极容量要高，而正极产生的气体将透过隔膜纸与负极产生镉复合，故一般情况下，电池的内压不允许有明显升高。但如果充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升高，电池变形、漏液等不良现象。

目前，动力锂电池采用的安全保护方式通常包括如下两种：(1)一种是应用到整个系统的散热模块，通过良好的散热效能来减少动力锂电池因过热而产生损坏或无法使用的情形。这种方式被动地进行热保护，若动力锂电池本身温度或应用环境的温度持续上升，使得散热系统无法抗负荷时，仍旧会造成电池的损坏乃至起火爆炸等安全事故。(2)另外一种常见的方式是利用泄压阀，当电芯内的气体压力高于阀值时，气体冲开泄压阀以达到泄压的目的，在一定程度上可以提高电池的安全性能。然而，受制于当前制造精度的影响，泄压阀时常出现没有及时爆破的现象；再则，电池本身所聚集的能量得不到释放，依然存在隐患的安全问题。

为了解决上述安全保护方式的不足，也有在动力锂电池中设置过温过压保护电路的，然而大部分过温过压保护电路承受电压和冲击电流的能力较低，功率损耗大，不适合于动力锂电池外短路时需大电流放电的情形。而存在的一些电路如利用直流混合开关继电器、大功率MOS管、固态继电器等，虽然可满足上述电路要求，但这些电路利用小电流或小电压控制大电流需要电荷泵电路，即在控制大电流流通之前，需要先对控制电路中的一些元器件进行预热、充电等。因此，在动力锂电池发生如碰撞、穿钉等突发情况，是来不及释放电池能量的，而且复杂的控温电路易失效。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种动力锂电池的过温过压保护电路，在动力锂电池发生碰撞、穿钉等突发情况下能够及时释放电池能量。

为了实现上述发明目的，本实用新型提供了一种动力锂电池的过温过压保护电路，其包括正极输出端、负极输出端、电压基准提供模块、电压检测模块、温度检测模块、比较器模块、大功率直流开关模块、控制模块、功率消耗模块，电压基准模块连接于正极输出端与比较器模块间以用于提供基准比较电压并为比较器模块、控制模块、温度检测模块提供稳定的电源，温度检测模块用于检测设定位置的温度并转换为电压信号，该电压信号与电压检测模块的信号一起接入比较器模块的正端，比较器模块的输出信号经控制模块作用于大功率直流开关模块并由控制模块控制正极输出端到负极输出端回路的通与断，功率消耗模块用于当正极输出端到负极输出端导通时消耗电池电能以释放电池能量；还包括一热开启模块，该热开启模块并联于大功率直流开关模块，其通与断的控制信号来自电压基准提供模块和温度检测模块；当电池的温度或充电电压高于临界危险值时，热开启模块导通，进而使正极输出端到和负极输出端这一回路导通，电池持续大电流放电至放电结束；当温度或充电电压高于设定阀值时且小于临界危险值时,控制模块与大功率直流开关起作用，正极输出端到和负极输出端这一回路经历先小电流放电再大电流放电，直到温度或充电电压降低；当温度或充电电压低于设定阀值时，大功率直流开关和热开启模块都处于截至状态，动力锂电池可正常对外供电或被充电。其中，电池温度检测模块可利用热敏电阻，三极管感温特性，热电偶；热开启模块可采用机械继电器或者固态继电器；隔离耦合电路可采用电容或光电耦合器；大功率直流开关模块可采用混合直流继电器、功率MOS管或IGBT管。所述的过温过压保护电路不限于应用在单个动力锂电池电芯，经适当改变亦可适用于动力锂电池模组及PACK等其他大功率直流电源上。

作为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的一种改进，动力锂电池的热开启模块包括稳压二极管Z2、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、二极管D1、继电器J、三极管Q2和三极管Q3，电阻R14的一端连接稳压二极管Z2的输入端，电阻R14的另一端接地；稳压二极管Z2的输出端通过电阻R17连接到三极管Q3的基极；三极管Q3的发射极连接到稳压二极管Z2的输出端；三极管Q3的集电极通过串联的电阻R15和电阻R16接地；电阻R15和电阻R16之间的连接点连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极通过继电器J连接稳压二极管Z2的输出端，三极管Q2的集电极通过电阻R18接地；二极管D1的输入端接地，输出端连接三极管Q3的基极。

作为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的一种改进，动力锂电池的过温过压保护电路还包括一过滤模块，过滤模块用于电压检测模块和温度检测模块的阻抗匹配并滤除温度检测模块或电压检测模块产生的电压波动。

作为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的一种改进，动力锂电池的过温过压保护电路设置多个感温器、比较器以检测并处理电池上各处位置的温度；或者设置多个感温器，各路感温信号经触发器处理后与电压信号一起接入过滤模块。

作为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的一种改进，动力锂电池的过温过压保护电路还包括一反馈模块，反馈模块将比较器模块的输出信号反馈于电压基准提供模块。

作为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的一种改进，所述控制模块包括振荡器、隔离耦合电路、触发电路与放电回路，振荡器用于生成方波脉冲信号，隔离耦合电路用于隔离直流，触发电路用于触发大功率直流开关模块，放电回路用于控制模块不工作时，释放控制模块内的电容电量。

作为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的一种改进，功率消耗模块连接于大功率直流开关模块与负极输出端之间，或大功率直流开关模块与正极输出端之间。

与现有技术相比，当动力锂电池因异常情况导致电池充电电压过高或者电池温度高于临界危险值而需外短路释放电池能量时，本实用新型的过温过压保护电路开启热开启模块，电池持续大电流放电，直至放电结束，电池停止工作，进而避免存在的可能引发的安全隐患。本实用新型的电路具有承受冲击电流的能力高、功率损耗低、直流无弧、工作可靠等特点

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的组成及其有益技术效果进行详细说明。

图1为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的电路框图。

图2为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的工作流程图。

图3为本实用新型动力锂电池的过温过压保护电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本实用新型，并非为了限定本实用新型。

请参阅图1，本实施例的动力锂电池的过温过压保护电路包括正极输出端1、负极输出端2、电压基准提供模块3、电压检测模块4、电池温度检测模块6、反馈模块8、过滤模块7、比较器模块9、大功率直流开关模块14、控制模块、功率消耗模块16、热开启模块15。电压基准模块3连接于正极输出端1与比较器9间，用于提供电池过压过温保护电路的基准比较电压并为比较器9、控制模块、温度检测模块6提供稳定的电源。温度检测模块6可检测所关心电池的任何位置温度，并转换为电压信号，该电压信号与电池电压检测模块4信号一起通过所述的过滤模块7，接入比较器模块9的正端。过滤模块7用于电压检测模块4和温度检测模块6的阻抗匹配并滤除温度检测模块4或电压检测模块6产生的电压波动，避免瞬间超出参考基准电压的波动影响比较器的输出。比较器模块9的输出信号经控制模块作用于大功率直流开关模块14，并由控制模块控制正极输出端1到负极输出端2这个回路的通与断。反馈模块8将比较器模块9的输出信号反馈于电压基准提供模块3，避免输入信号在门限附近微小的扰动时，出现的热振荡和反复关断的问题。功率消耗模块16用于当正极输出端1到负极输出端2导通时，消耗电池电能，以释放电池能量。控制模块包括振荡器10、隔离耦合电路11、触发电路12与放电回路13，振荡器10用于生成方波脉冲信号，隔离耦合电路11用于隔离直流起电荷泵作用，触发电路12用于触发大功率直流开关，放电回路13用于模块不工作时释放模块内的电容电量。大功率直流开关模块14可通大电流且自带缓冲回路、吸收回路，能承受开关在关断、开启时产生较大的瞬间过压、过流。热开启模块15并联于大功率直流开关模块14，其通与断的控制信号亦来自电压基准提供模块3和温度检测模块6。当电池温度或充电电压下降时，比较器模块9输出低电平，振荡器10停止工作，隔离耦合电路11和触发电路12上的电容电量经二极管放电，控制模块停止工作。

请参阅图2，当电池的温度或充电电压高于临界危险值时，开启热开启模块，电池持续大电流放电，直至放电结束，电池停止工作；当温度或充电电压高于设定阀值，开启控制模块，电池将经历先小电流放电再大电流放电，直到温度或充电电压降低；当温度或充电电压小于设定阀值时，控制模块不起作用。基本工作原理是当动力锂电池电池因些异常导致电池充电电压过高或者电芯内温度过高，则通过外短路释放电池能量，进而避免存在的可能引发的安全隐患。

请参阅图3，下面结合电路原理图对本实用新型的工作原理作进一步的阐述：正极电压经电阻R1，R2，R3分压得到两个基准电压Verf1和Vref2,基准电压Verf1为控制回路中有源器件提供稳定的电源。基准电压Verf2为电池充电电压过压时的阀值。作为改进，可使用有源器件电路、带隙基准电压源电路提供较为稳定的基准电压。当热敏电阻RT为负温系数，当温度过高或者充电电压过高于稳压二极管Z1，比起器的负端电位上升，比较器输出高电平。R5和C1构成过滤模块，起阻抗匹配和滤波作用。比较器采用电阻分压的方式反馈，起滞带回差作用。利用555定时器生产方波脉冲信号，利用电容C4作电隔离直流并起电荷泵作用，C5与C6构成触发电路。当比较器输出的高电平信号使MOS管导通，555的GND引脚接地，开始产生脉冲信号。脉冲信号经C4给C5与C6串联充电，直至稳定时C6电压作用于并联的IGBT管GS级间，驱动并联的IGBT管导通，即大功率直流开关，最终实现小电流控制大流。大功率直流开关内置的缓冲电路由D2，R17，C7组成，用于IGBT管关断、开启时缓冲电路中存在的较大瞬间电压，保护电子器件。从正极输出端、负极输出端、大功率电阻这个回路的角度上，该回路在控制过程中会表现出先小电流放电再打电流放电。

热开启模块包括稳压二极管Z2、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、二极管D1、继电器J、三极管Q2和三极管Q3，电阻R14的一端连接稳压二极管Z2的输入端，电阻R14的另一端接地；稳压二极管Z2的输出端通过电阻R17连接到三极管Q3的基极；三极管Q3的发射极连接到稳压二极管Z2的输出端；三极管Q3的集电极通过串联的电阻R15和电阻R16接地；电阻R15和电阻R16之间的连接点连接三极管Q2的基极，三极管Q2的的发射极通过继电器J连接稳压二极管Z2的输出端，三极管Q2的集电极通过电阻R18接地；二极管D1的输入端接地，输出端连接三极管Q3的基极。热开启模块利用稳压二极管Z2和电阻R14设定充电电压危险临界值，利用Q2的BE结负感温效应检测电池温度危险临界值。齐纳二极管D1和电阻钳制Q2的基极电位，当温度高于设定的危险临界值，或充电电压过高将稳压二极管Z2击穿时Q2导通，继电器J的线圈通电，继电器的开关K合上，开始持续大电流放电，直至电池不带电，停止工作。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (7)

1.一种动力锂电池的过温过压保护电路，包括正极输出端、负极输出端、电压基准提供模块、电压检测模块、温度检测模块、比较器模块、大功率直流开关模块、控制模块和功率消耗模块，电压基准模块连接于正极输出端与比较器模块间以用于提供基准比较电压并为比较器模块、控制模块、温度检测模块提供稳定的电源，温度检测模块用于检测设定位置的温度并转换为电压信号，该电压信号与电压检测模块的信号一起接入比较器模块的正端，比较器模块的输出信号经控制模块作用于大功率直流开关模块并由控制模块控制正极输出端到负极输出端回路的通与断，功率消耗模块用于当正极输出端到负极输出端导通时消耗电池电能以释放电池能量，其特征在于：还包括一热开启模块，该热开启模块并联于大功率直流开关模块，其通与断的控制信号来自电压基准提供模块和温度检测模块；当电池的温度或充电电压高于临界危险值时，热开启模块导通，进而使正极输出端到和负极输出端这一回路导通，电池持续大电流放电至放电结束；当温度或充电电压高于设定阀值时且小于临界危险值时,控制模块与大功率直流开关起作用，正极输出端到和负极输出端这一回路经历先小电流放电再大电流放电，直到温度或充电电压降低；当温度或充电电压低于设定阀值时，大功率直流开关和热开启模块都处于截至状态，动力锂电池可正常对外供电或被充电。

2.根据权利要求1所述的动力锂电池的过温过压保护电路，其特征在于：所述热开启模块包括稳压二极管Z2、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、二极管D1、继电器J、三极管Q2和三极管Q3，电阻R14的一端连接稳压二极管Z2的输入端，电阻R14的另一端接地；稳压二极管Z2的输出端通过电阻R17连接到三极管Q3的基极；三极管Q3的发射极连接到稳压二极管Z2的输出端；三极管Q3的集电极通过串联的电阻R15和电阻R16接地；电阻R15和电阻R16之间的连接点连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极通过继电器J连接稳压二极管Z2的输出端，三极管Q2的集电极通过电阻R18接地；二极管D1的输入端接地，输出端连接三极管Q3的基极。

3.根据权利要求1所述的动力锂电池的过温过压保护电路，其特征在于：还包括一过滤模块，过滤模块用于电压检测模块和温度检测模块的阻抗匹配并滤除温度检测模块或电压检测模块产生的电压波动。

4.根据权利要求3所述的动力锂电池的过温过压保护电路，其特征在于：设置多个感温器、比较器以检测并处理电池上各处位置的温度；或者设置多个感温器，各路感温信号经触发器处理后与电压信号一起接入过滤模块。

5.根据权利要求1所述的动力锂电池的过温过压保护电路，其特征在于：还包括一反馈模块，反馈模块将比较器模块的输出信号反馈于电压基准提供模块。

6.根据权利要求1所述的动力锂电池的过温过压保护电路，其特征在于：所述控制模块包括振荡器、隔离耦合电路、触发电路与放电回路，振荡器用于生成方波脉冲信号，隔离耦合电路用于隔离直流，触发电路用于触发大功率直流开关模块，放电回路用于控制模块不工作时，释放控制模块内的电容电量。

7.根据权利要求1所述的动力锂电池的过温过压保护电路，其特征在于：功率消耗模块连接于大功率直流开关模块与负极输出端之间，或大功率直流开关模块与正极输出端之间。