CN209298306U - 一种锂电池多元控制加热模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种锂电池多元控制加热模块，包括电源管理单元、充电状态检测单元、温度检测单元、加热单元、加热控制切换单元、加热失效保护单元；加热单元用于加热锂电池，电源管理单元用于连接锂电池供电；充电状态检测单元用于检测锂电池是否处于充电状态，温度检测单元用于检测锂电池的温度；加热控制切换单元用于切换充电状态检测单元及温度检测单元控制加热单元工作，及切换外部信号控制加热单元工作；加热失效保护单元用于检测加热单元是否失效，并于加热单元失效时控制其断开加热回路。本实用新型可多元控制加热单元对锂电池进行加热，并实时检测加热单元的有效性，如遇故障则及时断开加热回路，避免电芯温度过高产生电芯爆炸的危险。

Description

一种锂电池多元控制加热模块

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池多元控制加热模块。

背景技术

随着新能源爆发性兴起，锂电池作为新能源突发性增长，锂电池的应用在中国以及海外逐步发展波及。锂电池的低温充电电芯允许低温充电还存在着一定的技术瓶颈难以攻克，只能改变电芯所在环境温度。目前采用电芯外部加热途径使电芯温度升高后再进行充电，从而扩大了锂电池的使用环境范围，解决了低温状态下禁止使用充电的问题。尤其在冬天天气，锂电池也允许充放电使用，结合BMS保护板使用具有广阔的市场潜力和发展空间，锂电池控制加热功能已被越来越多锂电池PACK包组装厂采纳和需求，甚至指定要求附带电芯加热控制。

但现有的对锂电池加热电路，控制方式单一、不灵活，且在加热单元失效后无法检测出并及时断开加热回路，导致电芯温度过高产生电芯爆炸的危险。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种锂电池多元控制加热模块，多元控制加热单元对锂电池进行加热，并实时检测加热单元的有效性，如遇故障则及时断开加热回路，避免电芯温度过高产生电芯爆炸的危险。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种锂电池多元控制加热模块，包括电源管理单元、充电状态检测单元、温度检测单元、加热单元、加热控制切换单元、加热失效保护单元；所述加热单元用于加热锂电池，电源管理单元用于连接锂电池供电；所述充电状态检测单元用于检测锂电池是否处于充电状态，温度检测单元用于检测锂电池的温度；所述加热控制切换单元用于切换充电状态检测单元及温度检测单元控制加热单元工作，及切换外部信号控制加热单元工作；所述加热失效保护单元用于检测加热单元是否失效，并于加热单元失效时控制其断开加热回路。

较佳地，所述加热单元包括依次电性连接的加热保护电路、加热膜、加热控制电路；所述加热膜用于加热锂电池；所述加热控制电路与加热控制切换单元电性连接，加热控制电路用于控制加热膜对锂电池加热；所述加热失效保护单元分别与加热保护电路、加热控制电路电性连接，用于实时检测加热控制电路是否失效，并在检测到失效时驱动加热保护电路断开加热回路。

较佳地，所述充电状态检测单元包括充电压差检测电路、微弱电平放大电路、比较判断充电电路；所述充电压差检测电路用于检测锂电池的B-及P-的压差，并将检测结果传送至微弱电平放大电路进行放大处理；所述比较判断充电电路用于与放大处理信号比较，以判断锂电池是否处于充电状态。

较佳地，所述温度检测单元包括电芯温度检测电路、温度检测比较电路；所述电芯温度检测电路用于检测锂电池的电芯温度，温度检测比较电路用于判断电芯温度是否超过设定值。

较佳地，所述加热单元、电源管理单元分别与锂电池电性连接；所述电源管理单元分别与充电状态检测单元、加热控制切换单元、加热失效保护单元电性连接；所述充电状态检测单元与温度检测单元串联连接。

较佳地，所述电源管理单元包括第一电压输出电路、第二电压输出电路；所述第一电压输出电路用于将锂电池的供电电压稳压后输出至第二电压输出电路及加热控制切换单元；所述第二电压输出电路用于将第一输出电压电路的输出电压降压及稳压后分别输出至加热失效保护单元、充电状态检测单元。

较佳地，所述电源管理单元还包括依次电性连接的浪涌电压输入缓冲电路、线性降电路、过流及短路保护电路；所述浪涌电压输入缓冲电路一端接锂电池的正极，用于缓冲锂电池输入的瞬间脉动尖峰；所述过流及短路保护电路的一端与第一电压输出电路电性连接。

较佳地，所述加热控制电路包括开关MOS管；所述加热失效保护单元用于检测开关MOS管是否被击穿。

较佳地，所述加热保护电路包括三端保险丝；所述三端保险丝在加热失效保护单元的驱动下熔断加热回路。

采用上述方案，本实用新型的有益效果是：

1)加热保护：加热失效保护单元实时检测加热控制电路是否失效，若失效则及时熔断加热保护电路的保险丝以断开加热回路，避免电芯温度过高产生电芯爆炸的危险；

2)多元控制：通过充电状态检测单元及温度检测单元检测锂电池状态，以控制加热单元对锂电池进行加热；及通过锂电池的BMS保护板进行检测锂电池状态，以输出信号控制加热单元加热；两种控制方式，灵活应用，通用性强。

附图说明

图1为本实用新型的原理性框图；

图2为本实用新型的电源管理单元电路图；

图3为本实用新型的微弱电平放大电路图；

图4为本实用新型的比较判断充电电路图；

图5为本实用新型的温度检测单元电路图；

图6为本实用新型的加热保护电路图；

图7为本实用新型的加热膜和加热控制电路图；

图8为本实用新型的加热控制切换单元电路图；

图9为本实用新型的加热失效保护单元电路图；

其中，附图标识说明：

1—电源管理单元， 2—充电状态检测单元，

3—温度检测单元， 4—加热单元，

5—加热控制切换单元， 6—加热失效保护单元，

11—第一电压输出电路， 12—第二电压输出电路，

13—浪涌电压输入缓冲电路， 14—线性降电路，

15—过流及短路保护电路， 21—充电压差检测电路，

22—微弱电平放大电路， 23—比较判断充电电路，

31—电芯温度检测电路， 32—温度检测比较电路，

41—加热保护电路， 42—加热膜，

43—加热控制电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

参照图1至9所示，本实用新型提供一种锂电池多元控制加热模块，包括电源管理单元1、充电状态检测单元2、温度检测单元3、加热单元4、加热控制切换单元5、加热失效保护单元6；所述加热单元4用于加热锂电池，电源管理单元1用于连接锂电池供电；所述充电状态检测单元2用于检测锂电池是否处于充电状态，温度检测单元3用于检测锂电池的温度；所述加热控制切换单元5用于切换充电状态检测单元2及温度检测单元3控制加热单元4工作，及切换外部信号控制加热单元4工作；所述加热失效保护单元6用于检测加热单元4是否失效，并于加热单元4失效时控制其断开加热回路。

其中，所述加热单元4包括依次电性连接的加热保护电路41、加热膜42、加热控制电路43；所述加热膜42用于加热锂电池；所述加热控制电路43与加热控制切换单元5电性连接，加热控制电路43用于控制加热膜42对锂电池加热；所述加热失效保护单元6分别与加热保护电路41、加热控制电路43电性连接，用于实时检测加热控制电路43是否失效，并在检测到失效时驱动加热保护电路41断开加热回路。

所述充电状态检测单元2包括充电压差检测电路21、微弱电平放大电路22、比较判断充电电路23；所述充电压差检测电路21用于检测锂电池的B-及P-的压差，并将检测结果传送至微弱电平放大电路22进行放大处理；所述比较判断充电电路23用于与放大处理信号比较，以判断锂电池是否处于充电状态。所述温度检测单元3包括电芯温度检测电路31、温度检测比较电路32；所述电芯温度检测电路用31于检测锂电池的电芯温度，温度检测比较电路32用于判断电芯温度是否超过设定值。

所述加热单元4、电源管理单元1分别与锂电池电性连接；所述电源管理单元1分别与充电状态检测单元2、加热控制切换单元5、加热失效保护单元6电性连接；所述充电状态检测单元2与温度检测单元3串联连接。所述电源管理单元1包括第一电压输出电路11、第二电压输出电路12；所述第一电压输出电路11用于将锂电池的供电电压稳压后输出至第二电压输出电路12及加热控制切换单元5；所述第二电压输出电路12用于将第一输出电压电路11的输出电压降压及稳压后分别输出至加热失效保护单元6、充电状态检测单元2。

所述电源管理单元1还包括依次电性连接的浪涌电压输入缓冲电路13、线性降电路14、过流及短路保护电路15；所述浪涌电压输入缓冲电路13一端接锂电池的正极，用于缓冲锂电池输入的瞬间脉动尖峰；所述过流及短路保护电路15的一端与第一电压输出电路11电性连接。

所述加热控制电路43包括开关MOS管；所述加热失效保护单元6用于检测开关MOS管是否被击穿。所述加热保护电路41包括三端保险丝；所述三端保险丝在加热失效保护单元6的驱动下熔断加热回路。

本实用新型工作原理：

本实用新型中的充电压差检测电路21用于检测锂电池中的B-及P-的压差(其中B-为锂电池电芯的负极接口，P-为BMS保护板的输出接负载或充电器负极接口)，B-与P-之间连接有采样电阻、充电MOS管等，若电芯处于充电状态，则有微弱电流流过，B-与P-之间产生压差。加热单元4、电源管理单元1分别与锂电池电性连接，由被加热的锂电池本身供电。

现有的锂电池BMS保护板基本都带有检测温度、检测电芯是否处于充电状态的功能，但部分的BMS保护板没有设置I/O口，其检测数据无法与外部进行交互。本实用新型中控制加热单元4工作，采用两种控制方式，当需要灵活设置控制参数时(BMS保护板有设置I/O口时)，采用外部信号(BMS保护板检测输出信号)控制，可以根据需要灵活设置参数，及随时修改控制参数；当采用充电状态检测单元2及温度检测单元3控制(BMS保护板有设置I/O口时)时，根据这两个单元的检测结果以控制加热单元4工作。

本实用新型采用多元控制加热单元加热锂电池电芯：

1)充电状态检测单元2及温度检测单元3控制：该控制需要同时满足电芯正在充电及温度低于设定值时才控制加热单元4加热电芯。本实施例中，电芯温度≤0℃，且要求在充电器接入在充电过程中，两个条件必须满足，加热单元4才启动对电芯进行加热；当电芯温度≤0℃，但充电器没有接入充电禁止对电芯加热；当充电器接入充电，但电芯温度﹥0℃也禁止对电芯加热。一旦控制加热单元4打开输出对电芯加热，电芯温度必须≥25℃，加热单元才关闭输出停止加热；

2)外部信号输入控制：通过在BMS保护板中设置控制参数，如设置：检测温度≤5℃，检测到电芯正在充电时，BMS保护板输出信号，以控制加热单元加热电芯，此种控制方式可根据需求修改控制参数，灵活且智能。

充电状态检测单元2：

包括充电压差检测电路21、微弱电平放大电路22、比较判断充电电路23，用于检测检测充电器是否接入充电。微弱电平放大电路22，BMS保护板打开充电MOS管，电芯在充电过程中，充电压差检测电路21检测BMS保护板的B-与P-之间的电压差非常小，采用微弱电平放大电路22可实现检测3mV的电压，再放大100倍输出，与后级电路比较判断充电电路23进行比较；BMS保护板因检测到电芯低温关闭充电MOS管禁止电芯充电，或BMS保护板打开充电MOS管电芯在充电都能检测到信号。

微弱电平放大电路22检测到充电器接入或充电过程中，B-与P-之间的微弱的电压差放大了100倍输入到比较判断充电电路IN-与IN+基准电压进行比较，如IN-电压比IN+的电压高，比较判断充电电路23比较器输出低，驱动PNP三极管输出高电平，则判断电芯正在充电，并提供给下一级温度检测单元3的供电和基准电压。

温度检测单元3：

包括电芯温度检测电路31、温度检测比较电路32，用于检测锂电池电芯的温度。电芯温度检测31电路采用NTC(Negative Temperature CoeffiCient，是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料)传感器检测电芯的温度，采用NTC传感器检测到不同的温度对应的电阻值、电压值输入到温度检测比较电路的比较器IN-与IN+基准电压进行比较，如IN-电压比IN+的电压高，温度检测比较电路32比较器输出低，驱动PNP三极管输出高电平，则判断电芯的温度低于0℃(设定值)，经过电平转换后驱动开关MOS管打开对电芯加热；温度检测比较电路32的比较器增加了输出正反馈，防止温度加热条件零界状态加热停止的波动；电芯温度≤0℃开始加热，加热单元一旦加热开始，电芯温度必须≥25℃停止加热，或加热过程中，断电复位，必须达到条件(温度低于设定值，且电芯连接充电器充电)再开始加热。

加热控制切换单元5：

当外部信号控制没有接入时，充电状态检测单2元及温度检测单元3自行判断加热条件是否满足，是否正在对电芯进行加热，若两个条件同时满足则输出信号给加热单元4加热电芯；当外部控制信号接入时，充电状态检测单元2及温度检测单元3的控制失效，由外部信号(BMS保护板)控制加热单元4加热。当外部信号移除或外部信号失效，也自动切换到充电状态检测单元2及温度检测单元3自行控制。

加热失效保护单元6：

通过采用加热控制电路43中的开关MOS管的打开或关闭驱动信号的关闭信号电平作为加热失效保护单元6比较器IN-基准电压，与开关MOS管驱动信号关闭了MOS管还在导通转换正电压信号输入到加热失效保护单元6比较器IN+进行判断条件，MOS管是否击穿，如开关MOS管驱动信号已经关闭MOS管还在导通，判断加热控制电路43中的开关MOS管已经被击穿，加热失效保护单元6比较器输出高，经过电平转换后驱动加热保护电路41的三端保险丝熔断。

加热保护电路41：

采用三端保险丝熔断加热回路，加热控制电路43的开关MOS管信号关闭后，开关MOS管还在导通状态时，加热失效保护单元6的比较器判断为MOS管已击穿，同时输出高电平，再经过电平转换后驱动三端保险丝开关MOS管，致使三端保险丝熔断断开加热回路，避免电芯过高继续加热，达到了开关MOS管击穿短路后二级保护的目的。

电源管理单元1：

包括第一电压输出电路11、第二电压输出电路12、浪涌电压输入缓冲电路13、线性降电路14、过流及短路保护电路15。其中第一电压输出电路11的输出电压为15V，其为加热控制切换单元5提供15V的工作电压；第一电压输出电路11的15V工作电压经过第二电压输出电路12后，稳压并降压至3.3V，分别为充电状态检测单元2、加热失效保护单元6提供3.3V的工作电压。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂电池多元控制加热模块，其特征在于，包括电源管理单元、充电状态检测单元、温度检测单元、加热单元、加热控制切换单元、加热失效保护单元；所述加热单元用于加热锂电池，电源管理单元用于连接锂电池供电；所述充电状态检测单元用于检测锂电池是否处于充电状态，温度检测单元用于检测锂电池的温度；所述加热控制切换单元用于切换充电状态检测单元及温度检测单元控制加热单元工作，及切换外部信号控制加热单元工作；所述加热失效保护单元用于检测加热单元是否失效，并于加热单元失效时控制其断开加热回路。

2.根据权利要求1所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述加热单元包括依次电性连接的加热保护电路、加热膜、加热控制电路；所述加热膜用于加热锂电池；所述加热控制电路与加热控制切换单元电性连接，加热控制电路用于控制加热膜对锂电池加热；所述加热失效保护单元分别与加热保护电路、加热控制电路电性连接，用于实时检测加热控制电路是否失效，并在检测到失效时驱动加热保护电路断开加热回路。

3.根据权利要求1所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述充电状态检测单元包括充电压差检测电路、微弱电平放大电路、比较判断充电电路；所述充电压差检测电路用于检测锂电池的B-及P-的压差，并将检测结果传送至微弱电平放大电路进行放大处理；所述比较判断充电电路用于与放大处理信号比较，以判断锂电池是否处于充电状态。

4.根据权利要求1所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述温度检测单元包括电芯温度检测电路、温度检测比较电路；所述电芯温度检测电路用于检测锂电池的电芯温度，温度检测比较电路用于判断电芯温度是否超过设定值。

5.根据权利要求1所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述加热单元、电源管理单元分别与锂电池电性连接；所述电源管理单元分别与充电状态检测单元、加热控制切换单元、加热失效保护单元电性连接；所述充电状态检测单元与温度检测单元串联连接。

6.根据权利要求5所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述电源管理单元包括第一电压输出电路、第二电压输出电路；所述第一电压输出电路用于将锂电池的供电电压稳压后输出至第二电压输出电路及加热控制切换单元；所述第二电压输出电路用于将第一输出电压电路的输出电压降压及稳压后分别输出至加热失效保护单元、充电状态检测单元。

7.根据权利要求6所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述电源管理单元还包括依次电性连接的浪涌电压输入缓冲电路、线性降电路、过流及短路保护电路；所述浪涌电压输入缓冲电路一端接锂电池的正极，用于缓冲锂电池输入的瞬间脉动尖峰；所述过流及短路保护电路的一端与第一电压输出电路电性连接。

8.根据权利要求2所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述加热控制电路包括开关MOS管；所述加热失效保护单元用于检测开关MOS管是否被击穿。

9.根据权利要求8所述的锂电池多元控制加热模块，其特征在于，所述加热保护电路包括三端保险丝；所述三端保险丝在加热失效保护单元的驱动下熔断加热回路。