CN209170007U - 钛酸锂电池过充电过放电保护电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了钛酸锂电池过充电过放电保护电路。该电路包括：对电池进行充电的充电电路；由第一电源电压检测电路、第一场效应管组成的过充电电压保护电路，由第二电源电压检测电路、第二场效应管组成的过放电电压保护电路；第一电源电压检测电路、第二电源电压检测电路的一端分别与电池的正极连接，第一场效应管、第二场效应管串联后，一端连接至电池的负极、另一端连接PGND；当第一电源电压检测电路检测到电池的电压高于充电截止电压时，则断开第一场效应管，停止充电；当第二电源电压检测电路检测到电池的电压低于放电截止电压时，则断开第二场效应管，停止放电；供电电路对外输出恒定的电压，该电路实现了在充放电时，防止电池的过充电、过放电。

Description

钛酸锂电池过充电过放电保护电路

技术领域

本申请涉及电池领域，具体涉及钛酸锂电池的过充电过放电保护电路。

背景技术

钛酸锂电池以其高安全性、高倍率快速充电、循环寿命长及超宽工作温度范围开始在很多领域替代传统锂电池，尤其是需要快速充电的情况，一般选择钛酸锂电池。由于钛酸锂电池的化学特性决定了其电压平台较低(一般为2.4V，而传统锂电池为3.7V或3.8V)，因此无法利用市场现有通用锂电池保护芯片对其进行过充电、过放电保护，当前只能用通用MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)配合外围元件实现对钛酸锂电池的过充电、过放电保护，即MCU检测钛酸锂电池的电压，当该电压超过充电截止电压时，MCU通过I/O控制场管关断充电回路，当该电压低于放电截止电压时，MCU通过I/O控制系统供电芯片的使能脚EN关断电池放电回路。

然而，上述仅通过MCU软件控制充放电电路来保护钛酸锂电池，存在隐患，不足以全面地保护钛酸锂电池的安全性和使用寿命。例如：一旦MCU死机，充放电的过程将失去控制，钛酸锂电池将在没有任何保护情况下充电，会出现充电电压过大和在电池电量较小的情况下仍继续放电的情况，严重影响钛酸锂电池的安全性和使用寿命。

发明内容

本申请的目的在于提出一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

本申请提供了一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，所述电路包括充电电路、钛酸锂电池、过充电电压保护电路、过放电电压保护电路、供电电路，具体的：所述充电电路与充电接口连接，对所述钛酸锂电池进行充电；所述过充电电压保护电路由第一电源电压检测电路、第一场效应管组成；所述过放电电压保护电路由第二电源电压检测电路、第二场效应管组成；所述过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路、过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路的一端分别与所述钛酸锂电池的正极连接，所述过充电电压保护电路中的第一场效应管、过放电电压保护电路中的第二场效应管串联后，一端连接至所述钛酸锂电池的负极、另一端连接PGND；当所述过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路检测到所述钛酸锂电池的电压高于预设的充电截止电压时，则向所述第一场效应管输出低电平，断开所述第一场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极与所述PGND之间的连接，停止充电；当所述过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路检测到所述钛酸锂电池的电压低于预设的放电截止电压时，则向所述第二场效应管输出低电平，断开所述第二场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极与所述PGND之间的连接，停止放电；所述供电电路与所述钛酸锂电池连接，对外输出恒定的电压。

在一些实施例中，所述电路还包括：微控制单元MCU、热敏电阻，其中，所述热敏电阻通过胶带粘贴在所述钛酸锂电池上，具体的：所述微控制单元MCU根据读取的所述热敏电阻的电压值，计算得到所述钛酸锂电池的温度，当充电时，该温度高于预设的温度阈值时，则控制充电电路断开，停止充电，当放电时，该温度不在预设的温度范围内时，则控制所述供电电路断开。

在一些实施例中，所述电路还包括电压采样电阻，具体的：所述微控制单元MCU的一个A/D管脚通过串接所述电压采样电阻连接至所述钛酸锂电池的正极，用于检测所述钛酸锂电池的电压，充电时，如果该电压不在预设的电压范围内，则断开充电电路，放电时，如果该电压低于所述放电截止电压，则断开供电电路。

在一些实施例中，所述电路还包括电流采样电阻，具体的：所述过充电电压保护电路与所述电流采样电阻串联后接PGND；所述微控制单元MCU采集所述电流采样电阻的电压值，然后根据所述电压值计算当前充电电流，然后根据该当前充电电流，向所述充电电路输出不同占空比的脉冲宽度调制PWM信号，控制所述充电电路以恒定的预设电流进行充电。

在一些实施例中，所述过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路包括电压检测复位芯片TPS389001、电阻1、电阻2、上拉电阻31、非门，具体的：所述上拉电阻31的一端连接至所述钛酸锂电池的正极，另一端连接所述非门，所述非门的输出连接至所述过充电电压保护电路的第一场效应管的栅极；所述电阻1与所述电阻2串联，所述电阻1的另一端连接至所述钛酸锂电池的正极、所述电阻2的另一端接地；所述电压检测复位芯片TPS389001的VDD管脚、MR管脚连接至所述钛酸锂电池的正极，SENSE管脚连接至所述电阻1与所述电阻2之间，RESET管脚连接至所述上拉电阻31与所述非门之间；调整所述电阻1与所述电阻2的比值，可调整所述电压检测复位芯片TPS389001的复位阈值，即所述预设的充电截止电压；当所述电压检测复位芯片TPS389001检测到所述钛酸锂电池的电压高于预设的充电截止电压时，向所述非门输出高电平，所述非门向所述第一场效应管栅极输出低电平，用于关断所述第一场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极与所述PGND之间的连接，停止充电。

在一些实施例中，所述过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路包括电压检测复位芯片SGM809、下拉电阻7，具体的：所述电压检测复位芯片SGM809的VCC管脚连接至所述钛酸锂电池的正极，GND管脚连接至电池负极地B_GND，RESET管脚一边通过所述下拉电阻7接地、一边与所述第二场效应管栅极连接；当所述电压检测复位芯片SGM809检测到所述钛酸锂电池的电压低于预设的放电截止电压时，则向所述第二场效应管栅极输出低电平，用于关断所述第二场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极地B_GND与所述PGND之间的连接，停止放电。

本申请提供的钛酸锂电池过充电过放电保护电路，主要通过电路过充电电压保护电路、过放电电压保护电路实时的检测钛酸锂电池的电压，如果该电压高于预设的充电截止电压时，则停止充电，如果该电压低于预设的放电截止电压时，则停止供电，有效的防止了过充电和过放电，实时的保护了钛酸锂电池，提高了钛酸锂电池安全性和使用寿命。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请的钛酸锂电池过充电过放电保护电路一个实施例的结构示意图；

图2是本申请的钛酸锂电池过充电过放电保护电路另一个实施例的结构示意图；

图3是本申请的钛酸锂电池过充电过放电保护电路一个实施例中的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了本申请的钛酸锂电池过充电过放电保护电路一个实施例的结构示意图100。如图所示，结构示意图100包括充电电路101、钛酸锂电池102、过放电电压保护电路103、过充电电压保护电路104、供电电路105，其中，供电电路105也可称为工作电路。充电电路101与外面的充电接口连接，对钛酸锂电池102进行充电。其中，充电电路101主要由充电接口、限流电路、电压转换电路组成。其中，限流电路设置最大电流，当充电电流超过设定的最大电流值时，起到保护作用。电压转换电路将不同的输入电压转换为钛酸锂电池的充电电压。作为示例，充电接口为USB接口，支持采用手机电源适配器充电、通过USB数据线与台式电脑或笔记本连接后充电等充电方式。过充电电压保护电路104由第一电源电压检测电路1041、第一场效应管1042组成，其中，第一电源电压检测电路1041用于检测钛酸锂电池正极的电压。过放电电压保护电路103由第二电源电压检测电路1031、第二场效应管1032组成，其中，第二电源电压检测电路1031用于检测钛酸锂电池正极的电压。过充电电压保护电路104的第一电源电压检测电路1041、过放电电压保护电路103的第二电源电压检测电路1031的一端分别与钛酸锂电池102的正极连接，过充电电压保护电路104中的第一场效应管1042、过放电电压保护电路103中的第二场效应管1032串联后，一端连接至钛酸锂电池102的负极，另一端连接PGND；当过充电电压保护电路104的第一电源电压检测电路1041检测到钛酸锂电池102的电压高于预设的充电截止电压时，则向第一场效应管1042输出低电平，断开第一场效应管1042，即断开钛酸锂电池102负极与PGND间的连接，停止充电；当过放电电压保护电路103的第二电源电压检测电路1031检测到钛酸锂电池102的电压低于预设的放电截止电压时，则向第二场效应管1032输出低电平，断开第二场效应管1032，即断开钛酸锂电池102负极与PGND间的连接，停止放电；供电电路105与钛酸锂电池102连接，对外输出恒定的电压。其中，供电电路105主要由电源管理芯片和其它的电子元器件组成。

在本实施例的一些可选的实现方式中，过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路包括电压检测复位芯片TPS389001、电阻1、电阻2、上拉电阻31、非门，具体的连接方式为：上拉电阻31的一端连接至钛酸锂电池的正极，另一端连接TPS389001的RESET管脚，非门的一个管脚连接TPS389001的RESET管脚，输出管脚连接至第一场效应管；电阻1与电阻2串联，电阻1的另一端连接至钛酸锂电池的正极、电阻2的另一端接地；电压检测复位芯片TPS389001的VDD管脚、MR管脚连接至钛酸锂电池的正极，SENSE管脚连接至电阻1与所述电阻2之间，RESET管脚连接至上拉电阻31与非门之间；调整电阻1与电阻2的比值，可调整电压检测复位芯片TPS389001的复位阈值，即所述预设的充电截止电压。工作原理为：当电压检测复位芯片TPS389001检测到钛酸锂电池的电压高于预设的充电截止电压时，向非门输出高电平，所述非门向第一场效应管输出低电平，用于关断第一场效应管，即断开钛酸锂电池负极与PGND间的连接，停止充电。过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路包括电压检测复位芯片SGM809、下拉电阻7，具体的连接方式为：电压检测复位芯片SGM809的VCC管脚连接至钛酸锂电池的正极，GND管脚连接至地，RESET管脚一边通过下拉电阻7接地、一边与第二场效应管连接。工作原理为：当电压检测复位芯片SGM809检测到钛酸锂电池的电压低于预设的放电截止电压时，则向第二场效应管输出低电平，用于关断第二场效应管，即断开钛酸锂电池负极与PGND间的连接，停止放电。

在本实施例的一些可选的实现方式中，过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路主要由比较器LM2903D组成，过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路也主要由比较器LM2903D组成。通比较器判断电源电压是否高于充电截止电压或放电截止电压。

在本实施例中，充电截止电压、放电截止电压的具体数值需根据钛酸锂电池的规格书中的参数设置相应的值，所以在此不做具体的限制。

本申请的上述实施例通过硬件电路过充电电压保护电路、过放电电压保护电路实时的检测钛酸锂电池的电压，如果该电压高于预设的充电截止电压时，则停止充电，如果该电压低于预设的放电截止电压时，则停止供电，有效的防止了过充电和过放电，实时的保护了钛酸锂电池，提高了钛酸锂电池安全性和使用寿命。

上面的实施例是仅通过硬件电路保护钛酸锂电池，防止过充电和过放电，在现实的大部分实施例中还通过MCU监控钛酸锂电池的温度、充放电电压、充电电流，多方位的对钛酸锂电池进行保护。具体的可参考图2，该图是本申请的钛酸锂电池过充电过放电保护电路另一个实施例的结构示意图200。如图所示，在图1的基础上，增加MCU201、热敏电阻202、电压采样电阻203、电流采样电阻204。通过MCU采样充电电压，充电电流，环境温度实现软件充放电保护。

在本实施例中，充电电路101主要由充电接口、限流电路、电压转换电路、软件充电控制电路组成。其中，限流电路设置最大电流，当充电电流超过设定的最大电流值时，起到保护作用。电压转换电路将不同的输入电压转换为钛酸锂电池的充电电压。软件充电控制电路与MCU连接，MCU通过控制软件充电控制电路断开充电电路，停止充电。作为示例，充电接口为USB接口，支持采用手机电源适配器充电、通过USB数据线与台式电脑或笔记本连接后充电等充电方式。热敏电阻202通过胶带粘贴在钛酸锂电池102上，用于感应钛酸锂电池102的温度，作为公知常识，热敏电阻的阻值会随着周围温度的变化而变化，相应的热敏电阻的输出电压值也随之变化，所以，本实施例中MCU 201通过读取热敏电阻202的电压值，计算得到钛酸锂电池102的温度，充电时，该温度高于预设的温度阈值时，则控制充电电路断开，停止充电；放电时，当电池温度不在预设的温度范围内时，则控制供电电路断开，停止放电。

继续参考图2，MCU201的一个管脚通过串接电压采样电阻203连接至钛酸锂电池102的正极，用于检测钛酸锂电池102的电压，在充电时，如果该电压不在预设的电压范围内，则断开充电电路，在放电时，如果该电压低于放电截止电压，则断开供电电路。

继续参考图2，第一场效应管1042、第二场效应管1032、电流采样电阻204依次串联，其中，电流采样电阻204的一端连接至PGND。MCU201的一个A/D管脚连接至第一场效应1042与电流采样电阻204之间，用于读取电流采样电阻204的电压值，然后根据该电压值计算当前充电电流，之后根据该当前充电电流的大小，向充电电路输出不同占空比的PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)信号，控制充电电路以恒定的预设电流进行充电。本实施例的充电电路由充电接口、限流电路、电压转换电路、软件充电控制电路组成。MCU是向充电电路中的软件充电控制电路输出不同占空比的PWM信号，控制充电电路以恒定的预设电流进行充电。具体的电路图参见图3。其中，图3(a)是本申请的一个实施例的完整的电路图，图3(b)是充电电路的电路图、图3(c)是供电电路的电路图。在此对与本发明相关的电子件进行简单的说明，如图所示，本电路为单节的2.4伏的钛酸锂电池进行充电，钛酸锂电池的型号为HC13300。该型号钛酸锂电池规格书中标明充电截止电压是2.85V、放电截止电压是1.5V，但考虑到对电池的进一步保护，在本实施例中，将充电截止电压设置为2.85V不变，放电截止电压设置为1.63V。调整电阻R1、R2的电阻的比值，可调整电压检测复位芯片TPS389001的复位阈值，该复位阈值即充电截止电压的值。电压检测复位芯片TPS389001检测到钛酸锂电池的电压超过2.85V的充电截至电压时，通过RESET管脚向非门U9输出高电平，其中，非门U9的型号为SGM7SZ14；之后，非门U9向第一场效应管U4A的栅极输出低电平，断开该场效应管，从而断开了电池负极与PGND的连接，阻断充电。放电的截至电压为1.63V，当电压检测复位芯片SGM809检测到电源的电压低于1.63V的放电截至电压后，向第二场效应管U4B的栅极输出低电平，断开该场效应管，从而断开了电池负极与PGND的连接，阻断放电。

MCU的一个A/D管脚连接至热敏电阻，用于监控钛酸锂电池的温度。充电时，如果检测的温度高于预设的温度阈值45度时，则控制充电电路断开，停止充电，放电时，如果该温度不在预设的-20～60度的温度范围内时，则控制供电电路断开，停止放电。

MCU的另一个A/D管脚通过串接电压采样电阻R23连接至电池的正极采样，用于检测钛酸锂电池的电压，充电时，如果检测的电压不在预设的电压范围内，则断开充电电路。其中，上述不在预设的电压范围可以为高于某个预设的电压值，例如高于2.85V电压或高于2.8V电压。放电时，如果该电压低于1.63V的放电截止电压，则断开供电电路。

如图所示，电流采样电阻R33连接在第一场效应管U4A的S极与PGND之间，MCU采集采样电阻的电压值，然后根据该电压值计算当前充电电流，之后根据该当前充电电流，向充电电路中的软件充电控制电路中场效应管Q1的栅极输出不同占空比的PWM信号，控制充电电路以恒定的预设电流进行充电。

继续参考图3(b)充电电路，该充电电路包括：充电接口、限流电路、电压转换电路、软件充电控制电路组。其中，充电接口即电路图中主要由USB-MICRO芯片组成的5V电源输入口电路；限流电路主要由限流芯片SY6280A组成；电压转换电路主要由芯片TLV62569DBVR组成的直流电压转直流电压的电路，软件充电控制电路主要由场效应管组成的电路。当MCU控制充电电路断开时，是通过向软件充电控制电路的场效应管Q1输出不同占空比的PWM信号，断开该场效应管，进而断开充电电路。

继续参考图3(c)供电电路，该电路主要由电源管理芯片SY7063组成。当MCU控制供电电路断开时，是通过拉低电源管理芯片的使能EN管脚上的电平来断开供电电路的。

在本实施例中，除通过硬件过充电电压保护电路、过放电电压保护电路防止钛酸锂电池过充、过放外，还通过软件MCU监控钛酸锂电池的温度、充放电电压，防止钛酸锂电池在安全的温度范围外、安全的电压范围外进行工作，同时控制充电电流。所以在本实施例中，采用硬件电路与软件相结合的方式，多方位的保护钛酸锂电池的安全性。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，其特征在于，所述电路包括充电电路、钛酸锂电池、过充电电压保护电路、过放电电压保护电路、供电电路，具体的：

所述充电电路与充电接口连接，对所述钛酸锂电池进行充电；

所述过充电电压保护电路由第一电源电压检测电路、第一场效应管组成；

所述过放电电压保护电路由第二电源电压检测电路、第二场效应管组成；

所述过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路、过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路的一端分别与所述钛酸锂电池的正极连接，所述过充电电压保护电路中的第一场效应管、过放电电压保护电路中的第二场效应管串联后，一端连接至所述钛酸锂电池的负极、另一端连接PGND；

当所述过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路检测到所述钛酸锂电池的电压高于预设的充电截止电压时，则向所述第一场效应管输出低电平，断开所述第一场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极与所述PGND之间的连接，停止充电；

当所述过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路检测到所述钛酸锂电池的电压低于预设的放电截止电压时，则向所述第二场效应管输出低电平，断开所述第二场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极与所述PGND之间的连接，停止放电；

所述供电电路与所述钛酸锂电池连接，对外输出恒定的电压。

2.根据权利要求1所述的一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，其特征在于，所述电路还包括：微控制单元MCU、热敏电阻，其中，所述热敏电阻通过胶带粘贴在所述钛酸锂电池上，具体的：

所述微控制单元MCU根据读取的所述热敏电阻的电压值，计算得到所述钛酸锂电池的温度，当充电时，该温度高于预设的温度阈值时，则控制充电电路断开，停止充电，当放电时，该温度不在预设的温度范围内时，则控制所述供电电路断开。

3.根据权利要求2所述的一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，其特征在于，所述电路还包括电压采样电阻，具体的：

所述微控制单元MCU的一个A/D管脚通过串接所述电压采样电阻连接至所述钛酸锂电池的正极，用于检测所述钛酸锂电池的电压，充电时，如果该电压不在预设的电压范围内，则断开充电电路，放电时，如果该电压低于所述放电截止电压，则断开供电电路。

4.根据权利要求3所述的一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，其特征在于，所述电路还包括电流采样电阻，具体的：

所述过充电电压保护电路与所述电流采样电阻串联后接PGND；

所述微控制单元MCU采集所述电流采样电阻的电压值，然后根据所述电压值计算当前充电电流，然后根据该当前充电电流，向所述充电电路输出不同占空比的脉冲宽度调制PWM信号，控制所述充电电路以恒定的预设电流进行充电。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，其特征在于，所述过充电电压保护电路的第一电源电压检测电路包括电压检测复位芯片TPS389001、电阻1、电阻2、上拉电阻31、非门，具体的：

所述上拉电阻31的一端连接至所述钛酸锂电池的正极，另一端连接所述非门，所述非门的输出连接至所述过充电电压保护电路的第一场效应管的栅极；所述电阻1与所述电阻2串联，所述电阻1的另一端连接至所述钛酸锂电池的正极、所述电阻2的另一端接地；所述电压检测复位芯片TPS389001的VDD管脚、MR管脚连接至所述钛酸锂电池的正极，SENSE管脚连接至所述电阻1与所述电阻2之间，RESET管脚连接至所述上拉电阻31与所述非门之间；调整所述电阻1与所述电阻2的比值，可调整所述电压检测复位芯片TPS389001的复位阈值，即所述预设的充电截止电压；

当所述电压检测复位芯片TPS389001检测到所述钛酸锂电池的电压高于预设的充电截止电压时，向所述非门输出高电平，所述非门向所述第一场效应管栅极输出低电平，用于关断所述第一场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极与所述PGND之间的连接，停止充电。

6.根据权利要求1-4之一所述的一种钛酸锂电池过充电过放电保护电路，其特征在于，所述过放电电压保护电路的第二电源电压检测电路包括电压检测复位芯片SGM809、下拉电阻7，具体的：

所述电压检测复位芯片SGM809的VCC管脚连接至所述钛酸锂电池的正极，GND管脚连接至电池负极地B_GND，RESET管脚一边通过所述下拉电阻7接地、一边与所述第二场效应管栅极连接；

当所述电压检测复位芯片SGM809检测到所述钛酸锂电池的电压低于预设的放电截止电压时，则向所述第二场效应管栅极输出低电平，用于关断所述第二场效应管，即断开所述钛酸锂电池负极地B_GND与所述PGND之间的连接，停止放电。