CN210628431U - 一种串数可调的锂离子电池保护板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种串数可调的锂离子电池保护板，属于锂离子电池保护与应用领域。该保护板由内部控制和测量电路结合外部的电流传感器、高温传感器、低温传感器、充电控制电路、放电控制电路、均衡电路和状态指示电路完成对锂离子电池组的保护、均衡和状态指示；控制和测量电路由短路测量及保护电路、过流测量及保护电路、过压测量及保护电路、欠压测量及保护电路、过温测量及保护电路、低温测量及保护电路、状态指示电路、均衡电路和微控制器组成。本实用新型解决了多种不同正极和负极材料的锂离子电池的保护问题，具有故障指示、大电流均衡、高低温保护和常用的过压、欠压、过流和短路保护功能，同时具有与外部控制器的通信接口和电源供电端口。

Description

一种串数可调的锂离子电池保护板

技术领域

本实用新型属于锂离子电池保护与应用领域，涉及一种具有锂离子高低温保护、大电流均衡技术、过流、短路、过压和欠压等保护功能并带有故障指示功能，能适应多种材质的锂离子电池保护板。

背景技术

随着科技进步和节能环保的迫切需求，新能源技术逐渐受到越来越多的重视。锂离子电池作为重要的二次电池，为电动汽车和便携式设备提供便捷和足够的能源供应，具有无可比拟的优点。

但是锂离子电池的物理特性决定了它在使用过程中对电压、电流及温度等参数要求比较严格。使用过程中的过压、欠压、高温和低温充电、过流及短路等现象，都会对锂离子电池造成一定程度损坏。锂离子电池保护板使锂离子电池在使用过程中保持良好一致性和性能，能有效保护锂离子电池并延长其使用寿命。但是目前主要的锂离子电池保护板存在以下缺点：(1)均衡电流太小，对大容量电池均衡速度慢；(2)不具备故障状态指示功能，使用中不能判定故障所在；(3)不具备低温充电保护功能，造成低温充电损坏；(4)保护参数不容易修改，不能适用于多种类型锂离子电池。

因此，针对上述缺陷，亟需一种新型的锂离子电池保护板，能够提升锂离子电池保护功能。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种串数可调的锂离子电池保护板，解决了保护板可适应三元、磷酸铁锂、锰酸锂和钴酸锂等多种正负极材料锂离子电池的应用问题，具有故障指示、大电流均衡、高低温保护和常用过压、欠压、过流和短路保护功能，同时具有与外部控制器的通信接口和电源供电端口电压为5V和3.3V。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种串数可调且适用于多种类型锂离子电池的保护板，其内部由控制和测量电路(1)组成，结合外部的电流传感器(12)、高温传感器(11)、低温传感器(10)、充电控制电路(9)和放电控制电路(8)完成对电池组的保护、均衡和状态指示；所述控制和测量电路(1)由短路测量及保护电路(2)、过流测量及保护电路(3)、过压测量及保护电路(4)、欠压测量及保护电路(5)、过温测量及保护电路(6)、低温测量及保护电路(7)和微控制器(23)组成；

所述短路测量及保护电路(2)和过流测量及保护电路(3)输入端分别与电流传感器(12)连接，用于测量电池的充电和放电电流；所述短路测量及保护电路(2)和过流测量及保护电路(3)输出端与微控制器(23)输入端连接，使用微控制器对电流传感器(12)进行电流值采样和充放电控制；

所述过压测量及保护电路(4)和欠压测量及保护电路(5)用于测量电池的电压，它们的输出端与微控制器(23)输入端连接，使用微控制器对电池电压值进行采样；

所述过温测量及保护电路(6)输入端与高温传感器(11)连接，所述低温测量及保护电路(5)输入端与低温传感器(10)连接，用于测量电池组当前的温度值；所述过温测量及保护电路(6)和低温测量及保护电路(7)的输出端与微控制器(23)输入端连接，使用微控制器对温度传感器的电压值进行采样和充放电控制；

所述微控制器(23)输出端分别与充电控制电路(9)和放电控制电路(8)连接，根据预设值判断并决定电池组中的电池的状态，决定电池组是否继续充电或放电。

进一步，该电池保护板外部连接有LED指示控制电路(22)，根据微控制器(23)控制状态指示LED是否点亮，以此显示电池工作状态。

进一步，该电池保护板还包括与微控制器(23)连接的均衡电路(24)，对过压子电池进行均衡。

进一步，所述低温传感器(10)和高温传感器(11)通过保护板(13)上呈并联关系的接口与电池组连接。

进一步，电池组各子电池通过电池排线插头(19)与保护板(13)进行连接。

进一步，所述放电控制电路(8)与外接用电器连接，为其供电。

进一步，所述电流传感器(12)与电池组负极连接。

本实用新型的有益效果在于：

1)故障状态显示：本实用新型通过在电路板上设置一个状态指示LED，用于进行当前保护工作状态的显示。状态保护状态指示LED可以安置在电路板上，也可以通过端口引出方便用户查看保护板工作状态。当保护板工作正常时状态指示LED正常发光。当有过压、欠压、过流、短路、过温等任何一种故障发生时，状态指示LED熄灭，指示有过压、欠压、过流、短路、高温或低温等现象的发生，提示用户有故障发生。

2)电池串联数目可调：本实用新型通过调整电路跳线的连接，可以使保护板工作在5串、6串、7串、8串、9串、10串等六工作状态，通过这种方式可以使电池组在使用过程中在应对紧急情况时可以排除电池组中不可用的串联子电池，使个电池组工作在正常的工况下，满足使用要求。同时可以使一种保护板适应多种锂离子电池组的使用。

3)参数灵活配置，适用于多种锂离子电池类型：本实用新型通过修正锂电保护板的参数，可以使保护板适应三元材、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等多种材质的电池。这样在整个电池组失效时可以更换电池组的全部子电池，通过修改保护板的参数适应新的子电池应用，恢复电池组的性能，提高电池组的使用寿命。

4)大电流均衡技术：通过在保护板上采用动作可靠的继电器来扩展保护板的均衡电流，使均衡电流达到数安培至数十安培，大大提高电池组均衡电流，提高电池组的充电速度。快速消除电池组在使用过程中的不均衡现象，提高电池组的使用寿命和性能。

5)故障自动消除后能恢复：保护采用的核心芯片在有短路、过流、过压、欠压、过温、低温充电等故障发生时能够迅速切断相应的充电和放电回路，且短路、过流、过压、欠压、过温的判断时间可以进行调控，防止故障误判情况的发生。

6)具有过温保护功能

当电池组在使用过程中由于某种原因，出现过温情况，此时需要及时对电池组进行过温保护，停止此情况下充、放电的进行，防止锂离子电池发生损坏或者燃烧的发生，使电池组工作在正常的状态下。这时应该采用合理的降温措施，使电池温度恢复正常，当电池温度恢复正常后电池从过温状态中恢复过来，保护板打开充电和放电通道，实现对的充电或者对外部负载的放电。保护板可以根据实际的工作状态，设置不同的保护温度和过温判断时间，以满足不同应用场合的使用。

7)防止低温充电功能

由于锂离子电池的物理结构，当进行低温充电时会严重降低电池的性能，使电池的容量产生不可恢复式降低，因此保护板通过设计特殊的低温保护电路，当温度过低时，关闭充电通道，当温度恢复到负15度以上时，才能打开充电通道对锂离子电池进行充电，从而实现了对锂离子电池组的保护。且低温保护温度和低温判断时间可调控，以适应不同材质电池的要求。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型所述电池保护板内部系统结构图；

图2为电池保护板外部接口示意图。

附图标记：1-控制和测量电路，2-短路测量及保护电路，3-过流测量及保护电路，4-过压测量及保护电路，5-欠压测量及保护电路，6-过温测量及保护电路，7-低温测量及保护电路，8-放电控制电路，9-充电控制电路，10-低温传感器，11-高温传感器，12-电流传感器，13-保护板，14-PACK+端子，15-BAT+端子，16-CHG+端子，17-PACK-端子，18-BAT-端子，19-子电池排线插头，20-接口Ⅰ，21-接口Ⅱ，22-状态指示LED，23-微控制器，24-均衡电路。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，为一种锂离子电池保护板，如图1所示，电池保护的内部的控制和测量电路1由短路测量及保护电路2、过流测量及保护电路3、过压测量及保护电路4、欠压测量及保护电路5、过温测量及保护电路6和低温测量及保护电路7组成。控制和测量电路1结合外部电流传感器12、高温传感器11、低温传感器10、充电控制电路9、放电控制电路8、状态指示LED 22和微控制器23完成对电池组的保护、均衡和状态指示。如图2所示，电池组通过端子BAT+15和BAT-18与锂离子电池保护板13连接；保护板13的端子PACK+14和PACK-17外部与外接用电器的正负极连接，内部与放电控制电路8连接，受其控制；端口CHG+16和PACK-17受充电控制电路9控制；端口PACK-17和BAT-18与保护板内部的电流传感器12的一端进行连接，电流传感器的另一端连接至电池组的负极。外部高温传感器11通过接口Sensor1 20与保护板13连接。外部低温传感器10通过接口Sensor2 21与保护板13进行连接。电池组各子电池通过电池排线插头19与保护板13进行连接。

过温测量及保护电路6和低温测量及保护电路7用于测量电池组当前的温度值，根据预设的过温和低温保护温度的设置，通过比较器后将其输出信号通过信号线传递至微控制器23的输入端口。使用微控制器对温度传感器的电压值进行采样。微控制器根据预设值判断并决定电池组中的电池电压是否存在过温或者低温现象，并决定电池组是否应该进入保护状态。微控制器通过放电控制电路8决定电池组是否继续进行放电；或者充电控制电路9控制电池组是否继续进行充电。

短路测量及保护电路2和过流测量及保护电路3用于测量电池的充电和放电电流，根据预设的短路和过流保护电流的设置，通过比较器后将其输出信号通过信号线传递至微控制器23的输入端口。使用微控制器对其进行电流值采样。微控制器根据预设值判断并决定电池组是否存在过流或者短路，并决定电池组是否应该进入保护状态。微控制器通过输出端口控制放电控制电路8决定电池组是否继续进行放电；或者充电控制电路9控制电池组是否继续进行充电，从而进入相应的保护状态。

过压测量及保护电路4和欠压测量及保护电路5用于测量电池的电压，它们通过信号线传递至微控制器23的输入端口，使用微控制器对电池电压值进行采样。微控制器根据预设的过压和欠压值判断并决定电池组中的电池是否存在过压或者欠压现象，并决定电池组是否应该进入保护状态。微控制器通过放电控制电路8决定电池组是否继续进行放电；或者充电控制电路9控制电池组是否继续进行充电，从而进入相应的保护状态。

本实施例的锂离子电池保护板工作流程为：

当保护板工作时，微控制器23通过过流测量及保护电路3和短路测量及保护电路2及外部电流传感器12测量电池组放电或充电电流，如果电流超过短路和过流保护参数，外部状态指示LED22熄灭，同时通过充电控制电路9、放电控制电路8切断电池组外部的放电或充电电路，使电池组停止充放电的进行，起到保护电池组的作用。当短路或者电流过流故障排除后，微控制器23打开充电控制电路9或者放电控制电路8，使电池组恢复对外供电或者接着实现充电，点亮外部状态指示LED22，指示正常工作状态。

微控制器23通过过压测量及保护电路4测量电池组充电过程中每节电池的电压，如果电池组中任何一节电池的电压超过过压保护值时，微控制器23通过充电控制电路9，切断充电电路停止对电池组充电，同时状态指示LED22熄灭。此时均衡电路24开始工作，对过压子电池进行均衡。当电池电压低于过压恢复电压时，打开充电控制电路9再次对电池组进行充电，此时状态指示LED22点亮。这一过程持续到电池组中所有电池充满电，从而消除电池组在使用过程中出现的不一致性，降低了电池组的寿命，从而提高电池组的使用寿命和性能。

微控制器23通过欠压测量及保护电路5测量电池组放电过程中每节电池的电压，如果电池组中任何一节电池的电压低于欠压保护值时，保护板微控制器1通过放电控制电路8，切断放电回路停止工作电池组对外供电，此时没有电流输出，而充电电路9正常工作，由于处于欠压状态，此时状态指示LED22熄灭。此种情况下需要连接充电器对电池组进行充电，当充电至电池电压高于欠压恢复电压时，打开放电控制电路8电池组可以恢复对外供电，此时状态指示LED22点亮，使电池组恢复正常工作。

当保护板过温测量及控制电路6通过外部高温传感器11，测量到电池组温度高于设置高温保护温度时，微控制器23通过充电控制电路9、放电控制电路8切断充电和放电回路，使电池组停止充电或放电，使电池组处于安全的温度下，此时状态指示LED22熄灭。直到外部高温状态解除，当温度降低至设置温度时，微控制器23通过充电控制电路9、放电控制电路8打开充电和放电回路，使电池组开始正常工作，此时状态指示LED22点亮。保护板高温保护温度可以根据客户需要进行设置，满足不同高温条件下的保护需要。

当保护板低温测量及控制电路5通过外部低温传感器12，测量到电池组温度低于设置低温保护温度时，保护板微控制器1通过充电控制电路9切断充电回路，使电池组停止充电，使电池组处于安全的温度下。直到外部低温状态解除，保护板微控制器1通过充电控制电路9打开充电回路，电池组可以恢复至正常充电状态。保护板低温充电保护温度可以根据客户需要进行设置，满足不同低温条件下充电保护需要。

实施例：短路测量及保护电路2和过流测量及保护电路3均使用采样电阻进行测量，通过微控制对充电和放电电流值进行采样。过温测量及保护电路6和低温测量及保护电路7均使用热敏电阻对电池组的温度进行测量，通过微控制器对热敏电阻的电压值进行测量以获取当前的温度参数。过压测量及保护电路4和欠压测量及保护电路5，分别通过导线连接至电阻分压和比较器电路，微控制器通过采样电压值，测量子电池的电压，并与过压设定值和欠压设定值进行比较，从而判断当前子电池是否存在欠压或者过压现象。

放电控制电路8和充电控制电路9为微控制器通过电阻连接MOSFET实现对充电和放电回路的控制。上述所述保护电路为微控制器通过关断放电电路或者充电控制电路来实现充电或者放电的保护。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种串数可调的锂离子电池保护板，其特征在于，该电池保护板内部由控制和测量电路(1)组成，结合外部的电流传感器(12)、高温传感器(11)、低温传感器(10)、充电控制电路(9)和放电控制电路(8)完成对锂离子电池组的保护、均衡和状态指示；所述控制和测量电路(1)由短路测量及保护电路(2)、过流测量及保护电路(3)、过压测量及保护电路(4)、欠压测量及保护电路(5)、过温测量及保护电路(6)、低温测量及保护电路(7)和微控制器(23)组成；

所述短路测量及保护电路(2)和过流测量及保护电路(3)输入端分别与电流传感器(12)连接，用于测量锂离子电池的充电和放电电流；所述短路测量及保护电路(2)和过流测量及保护电路(3)输出端与微控制器(23)输入端连接，使用微控制器对电流传感器(12)进行电流值采样测量；

所述过压测量及保护电路(4)和欠压测量及保护电路(5)用于测量电池的电压，它们的输出端与微控制器(23)输入端连接，使用微控制器对电池电压值进行采样测量；

所述过温测量及保护电路(6)输入端与高温传感器(11)连接，所述低温测量及保护电路(7)输入端与低温传感器(10)连接，用于测量电池组的温度值；所述过温测量及保护电路(6)和低温测量及保护电路(7)的输出端与微控制器(23)输入端连接，使用微控制器对温度传感器的温度值进行采样测量；

所述微控制器(23)输出端分别与充电控制电路(9)和放电控制电路(8)连接，根据预设值判断并决定锂离子电池组中的子电池的状态，决定电池组是否可以继续充电或放电。

2.根据权利要求1所述的一种串数可调的锂离子电池保护板，其特征在于，该电池保护板外部连接有状态指示LED(22)，根据微控制器(23)控制状态指示LED是否点亮，以此显示电池工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种串数可调的锂离子电池保护板，其特征在于，该电池保护板还包括与微控制器(23)连接的均衡电路(24)，对过压子电池进行均衡。

4.根据权利要求1所述的一种串数可调的锂离子电池保护板，其特征在于，所述低温传感器(10)和高温传感器(11)通过保护板(13)上呈并联关系的接口与电池组连接。

5.根据权利要求1所述的一种串数可调的锂离子电池保护板，其特征在于，电池组各子电池通过电池排线插头(19)与保护板(13)进行连接。

6.根据权利要求1所述的一种串数可调的锂离子电池保护板，其特征在于，所述放电控制电路(8)与外接用电器连接，为其供电。

7.根据权利要求1所述的一种串数可调的锂离子电池保护板，其特征在于，所述电流传感器(12)与电池组负极连接。

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