CN204144974U - 锂电池的保护及逆变系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电源领域，尤其涉及锂电池的保护及逆变系统，尤其是逆变控制及保护。本实用新型公开一种锂电池的保护及逆变系统，包括：锂电池管理模块、电压监测模块、人机界面及输出选择模块、直流控制模块、逆变控制模块、MCU模块、DC/DC升压控制模块，该锂电池管理模块输入端与锂电池组的正、负极连接。本实用新型用于将锂电池作为后备电源进行逆变输出和直流充电输出，并具有较好的过充、过放、短路等电气保护功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源领域，尤其涉及锂电池的保护及逆变系统，尤其是逆变控制及保护。
背景技术
市场上逆变器都是以铅酸电池做后备电源为主。由于铅酸电池的容量比较低造成整体设备体型过于庞大不利于使用。逐渐有采用锂电池作为后备电源来解决电池容量比低的问题。然而锂电池的特性和蓄电池不同，不能直接采用铅酸电池的保护及逆变系统，现有的一些锂电池的保护及逆变系统并没有针对锂电池的特性不同而进行设计优化，存在诸多不足。因此，需要一种改进的锂电池的保护及逆变系统，从而能够同时解决电池容量比低及安全保护问题，并通过设计在保证逆变器各保护功能完整的前提下降低体积。
实用新型内容
因此，针对现有技术的不足，本实用新型提出一种改进的锂电池的保护及逆变系统。
本实用新型采用如下技术方案实现：
一种锂电池的保护及逆变系统，包括：锂电池管理模块、电压监测模块、人机界面及输出选择模块、直流控制模块、逆变控制模块、MCU模块、DC/DC升压控制模块，该锂电池管理模块输入端与锂电池组的正、负极连接，该电压监测模块输入端与锂电池组的正、负极连接，信号输出端连接于该MCU模块的信号输入端口，该DC/DC升压控制模块输入正极连接于锂电池组的正极，其输入负极连接于该锂电池管理模块的第一输出保护极，该DC/DC升压控制模块的受控端还与该逆变控制模块连接，该直流控制模块的输入正极连接于锂电池组的正极，其输入负极连接于该锂电池管理模块的第二输出保护极,该MCU模块的I/O端口还与该人机界面及输出选择模块、直流控制模块、逆变控制模块连接。
进一步的，该锂电池管理模块是采用多个单节锂电池管理芯片来分别对锂电池组的每节电池单体进行管理，每节电池单体的检测信号通过三极管隔离并行到总线上，过充总线和过放总线分别接入过充MOS开关管和过放MOS开关管的控制极进行控制，从而对通过串接在负极通道上的过充MOS开关管和过放MOS开关管的开关通道进行导通/切换的操作。
进一步的，该锂电池管理模块的每个单节锂电池管理芯片和每节电池单体的连接结方式具体是：锂电池管理芯片的VDD端串联第一电阻后连接于锂电池单体的正极，锂电池单体的负极连接于锂电池管理芯片的VSS端和VM端，锂电池管理芯片的VSS端和VDD端之间并联第一电容，锂电池管理芯片的CO端串联第二电阻后连接于第一PNP三极管的基极，第一PNP三极管Q1A的发射极连接于锂电池单体的正极，第一PNP三极管的集电极通过第四电阻连接至过充总线，锂电池管理芯片的DO端串联第三电阻后连接于第二PNP三极管的基极，第二PNP三极管的发射极连接于锂电池单体的正极，第二PNP三极管的集电极通过第五电阻连接至过充总线。
进一步的，该过充总线连接至一个反相电路，该反相电路输出连接与过充MOS开关管的驱动极，该过放总线连接至一个反相电路，该反相电路输出连接与过放MOS开关管的驱动极。
进一步的，该锂电池组两极通过一个直流电压变换电路转换成DC+3V，输出连接于一个单节锂电池管理芯片，通过该单节锂电池管理芯片及其外围电路来检测当前放电电流，并通过三极管反相电路连接至该过放MOS开关管的驱动极。
进一步的，该过放MOS管的通过电流采样电阻采集电压来驱动一三极管反相电路，该三极管反相电路连接至该过放MOS开关管的驱动极。
进一步的，该过放MOS管的驱动极和电池负极之间还并联一个温度开关。
进一步的，该电压监测模块采用电池电压采集电阻和电池电压A/D转换器组成。
进一步的，该逆变控制模块采用交流功率采集模块、交流电流采集电阻、逆变输出电路组成。
进一步的，该DC/DC升压控制模块采用Boost升压控制模块和BUS总线电压采集反馈电路组成。
本实用新型的针对现有技术的不足，提出改进的锂电池的保护及逆变系统，该锂电池的保护及逆变系统很好地解决了电池容量比低及安全保护问题。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的锂电池的保护及逆变系统的连接框图；
图2是该实施例的锂电池管理模块与逆变器、充电器连接关系的简化图；
图3是该实施例的锂电池管理模块的具体实施的框图；
图4是该实施例的电压监测模块、MCU控制模块、DC/DC升压模块、逆变控制模块的具体实施的框图；
图5是该实施例的锂电池管理模块的具体电路原理图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
参阅图1所示，本实用新型的一实施例的锂电池的保护及逆变系统包括锂电池管理模块1、电压监测模块2、人机界面及输出选择模块3、直流控制模块4、逆变控制模块5、微控制单元(Micro Control Unit ,以下说明均采用英文缩写术语MCU)模块6、直流转直流（Direct Current to Direct Current，以下说明均采用英文缩写术语DC/DC）升压控制模块7，该锂电池管理模块1输入端与锂电池组的正、负极连接，该电压监测模块2输入端与锂电池组的正、负极连接，信号输出端连接于该MCU模块6的信号输入端口，该DC/DC升压控制模块7输入正极（BAT+）连接于锂电池组的正极，其输入负极（BAT-）连接于该锂电池管理模块1的第一输出保护极（D-，当锂离子电池电压过低、放电过流、短路、过温保护时保护板将切断BAT-到D-的电气连接起到放电保护），该DC/DC升压控制模块7的受控端还与该逆变控制模块5连接，该直流控制模块4的输入正极（CH+）连接于锂电池组的正极，其输入负极（CH-）连接于该锂电池管理模块1的第二输出保护极（C-，当锂离子电池电压过高时保护板将切断CH-到C-的电气连接起到充电保护）,该MCU模块6的输入/输出（Input or Output，以下说明均采用英文缩写术语I/O）端口还与该人机界面及输出选择模块3、直流控制模块4、逆变控制模块5连接，以进行控制。
为了更加说明该锂电池管理模块1对逆变和直流充电输出起电气保护的连接关系，进一步参考图2所示，该锂电池管理模块1的输入端与该锂离子电池组的每节电池单体连接，以进行过充、过电保护管理，从而其第一输出保护极D-可以控制导通/切断与逆变器（包括上述的DC/DC升压控制模块7和逆变控制模块5）的负极BAT-的连接通道，以及其第二输出保护极C-可以控制导通/切断与充电器（即上述的直流控制模块4）的负极CH-的连接通道。
参阅图3和图5所示，该锂电池管理模块1是采用多个单节锂电池管理芯片来分别对锂电池组的每节电池单体进行管理，每节电池单体的检测信号通过三极管隔离并行到总线上，其中CO为过充总线（即第二输出保护极C-）、DO为过放总线（即第一输出保护极D-），分别接入MOS开关管QC和MOS开关管QD的控制极进行控制，从而对通过串接在负极通道上的MOS开关管QC和MOS开关管QD的开关通道进行导通/切换的操作。
该实施例的锂电池的保护及逆变系统的电压监测模块2、人机界面及输出选择模块3、直流控制模块4、逆变控制模块5、MCU模块6、DC/DC升压控制模块7均可采用现有技术实现。例如，参阅图4所示，如电压监测模块2采用电池电压采集电阻 21、22和电池电压模拟/数字(A/D)转换器23组成；逆变控制模块5采用交流功率采集模块51、交流电流采集电阻53、逆变输出电路52组成；DC/DC升压控制模块7采用Boost升压控制模块71和BUS总线电压采集反馈电路72组成；MCU模块6则可以采用51单片机或ARM处理器实现；人机界面及输出选择模块3可以采用液晶显示模块和电容触摸按键实现，等等；这些模块可以根据设计需要而由本领域技术人员进行选择和设计，于此不再详细说明。
下面再次参阅图5所示，对该锂电池管理模块1进一步说明。该锂电池管理模块1是采用多个单节锂电池管理芯片S8261（日本精工）对锂电池组的每一单节锂离子电池单体进行检测。从U1A~U6A共6个锂离子电池管理芯片，每个锂离子电池管理芯片通过三极管隔离并行到总线上，其中CO为过充总线、DO为过放总线。具体的：第一个锂电池管理芯片U1A（S8261）的VDD端串联一个电阻R1A后连接于第一节锂电池单体的正极，第一节锂电池单体的负极连接于该锂电池管理芯片U1A的VSS端和VM端，该锂电池管理芯片U1A的VSS端和VDD端之间并联电容C1A，该锂电池管理芯片U1A的CO端串联一个电阻R1B后连接于PNP三极管Q1A的基极，该PNP三极管Q1A的发射极连接于该第一节锂电池单体的正极，该PNP三极管Q1A的集电极通过一个电阻R1D连接至过充总线CO，该锂电池管理芯片U1A的DO端串联一个电阻R1C后连接于PNP三极管Q1B的基极，该PNP三极管Q1B的发射极连接于该第一节锂电池单体的正极，该PNP三极管Q1B的集电极通过一个电阻R1E连接至过充总线DO。其他的第二节锂电池单体和第二个锂电池管理芯片U2A至第六节锂电池单体和第六个锂电池管理芯片U6A的连接于上述的第一节锂电池单体和第一个锂电池管理芯片U1A的连接相同，如第二个锂电池管理芯片U2A的VSS端是连接于该第二节锂电池单体的负极（亦即该第一节锂电池单体的正极），该第二个锂电池管理芯片U2A的VDD端是通过串联电阻R2A连接于该第二节锂电池单体的正极，同样通过PNP三极管Q2A和Q2B隔离并行到总线CO和DO，如PNP三极管Q2A通过电阻R2D与电阻R1D串接而并入总线CO，如PNP三极管Q2B通过电阻R2E与电阻R1E串接而并入总线DO；其他节的锂电池单体和锂电池管理芯片的连接均是如此，仅是每节的元件序号更改，不再一一说明。
这样，当某节电池单体出现过充时，总线CO输出高电平信号，总线CO连接至一个反相电路（NPN三极管Q5及电阻R14等组成三极管反相器电路），从而拉低过充MOS管QC1的驱动电压以达到过充保护。参阅图3所示，可知该MOS管QC1的两开关端是串接在负极通道上的，从而该锂电池管理模块1的第二输出保护极C-可以起到导通/切断其（即为锂电池组的负极）与充电器的负极CH-的连接通道（如图2所示）。
当某节电池单体出现过放时，总线DO输出高电平信号，总线DO连接至一个反相电路（NPN三极管Q4及电阻R12等组成三极管反相器电路），从而拉低过放MOS管QD1的驱动电压以达到过放保护。此外，该锂电池组两极通过一个直流电压变换电路（由电阻R16、17、稳压管Z2、三极管Q6、电容C3及三端电压变换芯片U2、电容C4、C5组成的直流电压变换电路）转换成DC+3V输出连接于一个单节锂电池管理芯片U17(S8261), 通过该单节锂电池管理芯片U17及其外围电路来检测当前放电电流，当放电电流过大时，将通过三极管Q1、Q2来拉低过放MOS管QD2的驱动电压，以达到放电过流保护的作用。以及，通过一个电流采样电阻R8-R10连接于D-端，电流采样电阻R8-R10输出连接三极管Q3组成电压反相电路，当负载短路时放电很大，此时通过该电流采样电阻及放电MOS管采集电压来驱动该三极管Q3，从而拉低过放MOS管QD3，起到短路保护作用。从而该锂电池管理模块1的第一输出保护极D-可以起到导通/切断其（即为锂电池组的负极）与逆变器的负极BAT-的连接通道（如图2所示）。
并且在放电、过流及短路保护后可通过三极管Q3钳位过放MOS管QD2，使过放MOS管QD2在不断开负载的情况下一直处于关闭状态，保证保护后必须断开负载才能恢复，可使负载免受冲击以及电池的安全性。
另外，该过放MOS管QD2的驱动极和电池负极（接地线）之间并联一个温度开关TD1，通过该温度开关TD1来检测外部温度，当电路板温度较高或电池组温度较高时，可拉低过放MOS管QD2而关闭放电，起到高温保护作用。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.锂电池的保护及逆变系统，其特征在于，包括：锂电池管理模块、电压监测模块、人机界面及输出选择模块、直流控制模块、逆变控制模块、MCU模块、DC/DC升压控制模块，该锂电池管理模块输入端与锂电池组的正、负极连接，该电压监测模块输入端与锂电池组的正、负极连接，信号输出端连接于该MCU模块的信号输入端口，该DC/DC升压控制模块输入正极连接于锂电池组的正极，其输入负极连接于该锂电池管理模块的第一输出保护极，该DC/DC升压控制模块的受控端还与该逆变控制模块连接，该直流控制模块的输入正极连接于锂电池组的正极，其输入负极连接于该锂电池管理模块的第二输出保护极,该MCU模块的I/O端口还与该人机界面及输出选择模块、直流控制模块、逆变控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该锂电池管理模块是采用多个单节锂电池管理芯片来分别对锂电池组的每节电池单体进行管理，每节电池单体的检测信号通过三极管隔离并行到总线上，过充总线和过放总线分别接入过充MOS开关管和过放MOS开关管的控制极进行控制，从而对通过串接在负极通道上的过充MOS开关管和过放MOS开关管的开关通道进行导通/切换的操作。
3.根据权利要求2所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该锂电池管理模块的每个单节锂电池管理芯片和每节电池单体的连接结方式具体是：锂电池管理芯片的VDD端串联第一电阻后连接于锂电池单体的正极，锂电池单体的负极连接于锂电池管理芯片的VSS端和VM端，锂电池管理芯片的VSS端和VDD端之间并联第一电容，锂电池管理芯片的CO端串联第二电阻后连接于第一PNP三极管的基极，第一PNP三极管Q1A的发射极连接于锂电池单体的正极，第一PNP三极管的集电极通过第四电阻连接至过充总线，锂电池管理芯片的DO端串联第三电阻后连接于第二PNP三极管的基极，第二PNP三极管的发射极连接于锂电池单体的正极，第二PNP三极管的集电极通过第五电阻连接至过充总线。
4.根据权利要求2所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该过充总线连接至一个反相电路，该反相电路输出连接与过充MOS开关管的驱动极，该过放总线连接至一个反相电路，该反相电路输出连接与过放MOS开关管的驱动极。
5.根据权利要求2所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该锂电池组两极通过一个直流电压变换电路转换成DC+3V，输出连接于一个单节锂电池管理芯片，通过该单节锂电池管理芯片及其外围电路来检测当前放电电流，并通过三极管反相电路连接至该过放MOS开关管的驱动极。
6.根据权利要求2所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该过放MOS管的通过电流采样电阻采集电压来驱动一三极管反相电路，该三极管反相电路连接至该过放MOS开关管的驱动极。
7.根据权利要求2所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该过放MOS管的驱动极和电池负极之间还并联一个温度开关。
8.根据权利要求1所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该电压监测模块采用电池电压采集电阻和电池电压A/D转换器组成。
9.根据权利要求1所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该逆变控制模块采用交流功率采集模块、交流电流采集电阻、逆变输出电路组成。
10.根据权利要求1所述的锂电池的保护及逆变系统，其特征在于：该DC/DC升压控制模块采用Boost升压控制模块和BUS总线电压采集反馈电路组成。
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Effective date of registration: 20160701 Address after: 363000 North Zone, Capital Industrial Zone, Zhaoan County, Zhangzhou, Fujian Patentee after: Fujian dynavolt Amperex Technology Limited Address before: Siming District of Xiamen City, Fujian province 361000 Lin posterior No. 666 Patentee before: Li Xiangzhe Patentee before: Xu Jun |
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| PP01 | Preservation of patent right | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20181217 Granted publication date: 20150204 |
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| PD01 | Discharge of preservation of patent | ||
| PD01 | Discharge of preservation of patent |
Date of cancellation: 20211217 Granted publication date: 20150204 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150204 Termination date: 20210702 |