CN218526123U - 一种锂电池输出短路保护的加速电路及锂电池充放电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种锂电池输出短路保护的加速电路及锂电池充放电电路，由三极管Q3和Q4，电阻R3、R6、R9、R10和R11，二极管D1，稳压二极管Z3，电容C1和C2等器件组成加速电路，该电路在电池输出短路时加速断开放电MOS，避免危险进一步升级，而且可以配合各种短路保护方案使用，在主短路保护方案失效时仍然有效，设计原理简单、可靠，移植性好，具有广泛的应用前景。

Description

一种锂电池输出短路保护的加速电路及锂电池充放电电路

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，特别是涉及一种锂电池输出短路保护的加速电路及锂电池充放电电路。

背景技术

随着时代的发展和社会的进步，锂电池在各行各业被广泛的应用，在使用过程中需要保证锂电池的可靠性和稳定性。锂电池具有高储能密度、自放电率低，寿命长等优点，缺点是安全性差，有发生爆炸风险，故需要保护控制电路，避免锂电池出现过充、过放或短路等情况发生。尤其在短路情况下电池会产生很大的电流，同时会急剧升温，极易引发火灾导致财产损失和人员伤亡。现有技术主要是通过MCU采集电池动力回路的电流，因为短路时的电流远远大于正常充、放电时的电流，根据电流判断当前状态是否为短路状态或是正常充、放电状态，确定状态后MCU作出不同的驱动控制方法，该方案易定制化，适用范围广，但是成本较高，灵活性相对较差。另外一种是锂电池管理芯片自带的短路保护功能，这种方案电路简单，稳定性高，但不能够移植，并且以上两种技术在MCU判断电流功能或IC判断短路功能失效时，不能及时切断动力回路，危险性极高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术中的不足，本实用新型提供一种锂电池输出短路保护的加速电路及锂电池充放电电路，该电路在现有技术基础上有所创新，在电池输出短路时加速断开放电MOS管，避免危险进一步升级，而且可以配合各种短路保护方案使用，在主短路保护方案失效时该电路仍然有效。该设计原理简单、可靠，移植性好，具有广泛的应用前景。

本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种锂电池输出短路保护的加速电路，包括三极管Q3和Q4，电阻R3、R6、R9、R10和R11，二极管D1，稳压二极管Z3，电容C1和C2，所述三极管Q4的集电极依次串联电阻 R9和R6后引出第一连接端A，三极管Q4的发射极连接稳压二极管Z3的阳极，稳压二极管Z3的阴极引出第二连接端B，电阻R10和R11串联后，电阻R10 的另一端依次连接电容C1和C2后并连接至第一连接端A，电阻R11的另一端连接至三极管Q4的发射极，三极管Q4的基极连接至电阻R10和R11的公共端，所述二极管D1的阳极连接三极管Q4的基极，阴极连接三极管Q4的发射极，三极管Q3的发射极连接至第一连接端A，三极管Q3的基极连接至电阻R6和 R9的公共端，三极管Q3的集电极串接电阻R3后引出第三连接端C；所述第一连接端A连接至充放电接口的正极端P+；所述第二连接端B连接至充电MOS 管和放电MOS管的公共端上；所述第三连接端C连接至电池管理IC的放电控制信号端。

作为优选，所述三极管Q3为NPN型，所述三极管Q4为PNP型。

一种锂电池充放电电路，包括上述的加速电路，还包括电池管理IC以及与电池管理IC电连接的充电电路、放电电路、电压采样电路和电流采样电路，其中，充电电路用于对锂电池进行充电控制；放电电路用于对锂电池进行放电控制；电压采样电路用于采集锂电池的电压；电流采样电路用于采集充放电回路中的电流。

具体的，所述充电电路包括充电MOS管Q1，稳压二极管Z2，电阻R1、 R4和R7，所述充电MOS管Q1的栅极依次串接电阻R4和R7后连接至电池管理IC的充电控制信号端，充电MOS管Q1的源极引出与锂电池正极B+的连接端，充电MOS管Q1的漏极引出线与第二连接端B连接；电阻R1的一端连接充电MOS管Q1源极，另一端连接至电阻R4和R7的公共引出端；稳压二极管Z2并联在电阻R1两端，且稳压二极管Z2的阳极与充电MOS管Q1源极连接。

具体的，所述放电电路包括放电MOS管Q2，稳压二极管Z1，电阻R2、 R5和R8，所述放电MOS管Q2的栅极依次串接电阻R5和R8后连接至电池管理IC的放电控制信号端，放电MOS管Q2的源极引出线作为充放电接口的正极端P+，放电MOS管Q2的漏极引出线与第二连接端B连接；电阻R2的一端连接放电MOS管Q2源极，另一端连接至电阻R5和R8的公共引出端；稳压二极管Z1并联在电阻R2两端，且稳压二极管Z1的阳极与放电MOS管Q2源极连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种锂电池输出短路保护的加速电路及锂电池充放电电路，可以在电池有输出短路时通过短路保护加速电路下拉放电驱动电压以断开放电MOS管，从而达到保护充放电MOS管以及电芯的效果，避免损坏。其设计原理简单，主要是依靠短路或过流时放电口电压突然下降，触发加速电路启动以加速关闭放电MOS，该功能的实现仅需依靠三极管、电阻电容等被动元件，可降低设计成本，且电路可靠。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型加速电路及锂电池充放电电路的电路原理图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，本实用新型的一种锂电池充放电电路，包括一种锂电池输出短路保护的加速电路，还包括电池管理IC以及与电池管理IC电连接的充电电路、放电电路、电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路，其中，充电电路用于对锂电池进行充电控制；放电电路用于对锂电池进行放电控制；电压采样电路用于采集锂电池的电压；电流采样电路用于采集充放电回路中的电流；温度采样电路用于采集电池的温度。

所述充电电路包括充电MOS管Q1，稳压二极管Z2，电阻R1、R4和R7，所述充电MOS管Q1的栅极依次串接电阻R4和R7后连接至电池管理IC的充电控制信号端，充电MOS管Q1的源极引出与锂电池正极B+的连接端，充电 MOS管Q1的漏极引出线与第二连接端B连接；电阻R1的一端连接充电MOS 管Q1源极，另一端连接至电阻R4和R7的公共引出端；稳压二极管Z2并联在电阻R1两端，且稳压二极管Z2的阳极与充电MOS管Q1源极连接。

所述放电电路包括放电MOS管Q2，稳压二极管Z1，电阻R2、R5和R8，所述放电MOS管Q2的栅极依次串接电阻R5和R8后连接至电池管理IC的放电控制信号端，放电MOS管Q2的源极引出线作为充放电接口的正极端P+，放电MOS管Q2的漏极引出线与第二连接端B连接；电阻R2的一端连接放电MOS 管Q2源极，另一端连接至电阻R5和R8的公共引出端；稳压二极管Z1并联在电阻R2两端，且稳压二极管Z1的阳极与放电MOS管Q2源极连接。

充电MOS管Q1用于锂电池充电保护，如果充电过压，电池管理IC的充电控制信号端输出不驱动电压，充电MOS管Q1关断；放电MOS管Q2用于锂电池放电保护，如果放电欠压，电池管理IC的放电控制信号端输出不驱动电压，放电MOS管Q2关断。

电流采样电路采用检流电阻R12实现，检流电阻R12串接在充放电回路上，且检流电阻R12的两端连接至电池管理IC，通过电池管理IC检测检流电阻R12 上的电压实现电流检测。

锂电池输出短路保护的加速电路，包括三极管Q3和Q4，电阻R3、R6、 R9、R10和R11，二极管D1，稳压二极管Z3，电容C1和C2，所述三极管Q4 的集电极依次串联电阻R9和R6后引出第一连接端A，三极管Q4的发射极连接稳压二极管Z3的阳极，稳压二极管Z3的阴极引出第二连接端B，电阻R10 和R11串联后，电阻R10的另一端依次连接电容C1和C2后并连接至第一连接端A，电阻R11的另一端连接至三极管Q4的发射极，三极管Q4的基极连接至电阻R10和R11的公共端，所述二极管D1的阳极连接三极管Q4的基极，阴极连接三极管Q4的发射极，三极管Q3的发射极连接至第一连接端A，三极管Q3 的基极连接至电阻R6和R9的公共端，三极管Q3的集电极串接电阻R3后引出第三连接端C；作为优选，所述三极管Q3为NPN型，所述三极管Q4为PNP 型。所述第一连接端A连接至充放电接口的正极端P+；所述第二连接端B连接至充电MOS管和放电MOS管的公共端上；所述第三连接端C连接至电池管理 IC的放电控制信号端。本实施例中第三连接端C连接至稳压二极管Z1的阴极与电阻R8的公共端上。

工作原理说明：

如图1所示，该电路可以实现对电池信息的监控，可监控电池的电压、充放电电流以及电芯温度，通过检流电阻R12可以进行电流判断，当其电流在正常充、放电规格范围内时，电池管理IC会正常驱动充电MOS管Q1和放电MOS 管Q2；当其电流超出正常充、放电规格范围内时，电池管理IC经过一定滤波延时断开充电MOS管Q1或放电MOS管Q2。

图1所示系统属于正控系统，即充电控制信号端和放电控制信号端的电压高于电池电压，才可驱动充电MOS管Q1和放电MOS管Q2导通(也即充放电MOS 管在电池正极)。设定锂电池电压为U1，由于MOS管的Vgs的驱动电压越高，MOS 的导通电阻就越小，导通速度也越快，一般的MOS管驱动电压最大为20V，典型值是12V，本实施例中采用典型值，则驱动充电控制电压和驱动放电控制电压均为U1+12V，其参考低电平均为电池总负极B-电压。图中P+、P-分别为锂电池充放电接口的正极端和负极端，B+为锂电池的总正极，B-为锂电池的总负极。

图中虚线方框中的电路即为独立于电池管理IC控制外的短路保护的加速电路，主要分为以下两种工作情形：

1、当锂电池处于正常工作状态(非短路)时，且充电控制信号端和放电控制信号端的电压均为U1+12V，此时，可以驱动充电MOS管Q1和放电MOS管Q2 导通，故第二连接端B、充放电接口的正极端P+均直接与锂电池的总正极B+连接，因此，第二连接端B和充放电接口的正极端P+处电压均为锂电池电压U1，则三极管Q4的Ube(Q4)＝0(即三极管Q4的be极间电压为0)，因此，三极管 Q4工作在截止状态。因三极管Q4截止，则三极管Q3的Ube(Q3)＝0，因此三极管Q3也工作在截止状态。

2、当锂电池的充电MOS管Q1和放电MOS管Q2均导通时，将充放电接口的正极端P+与充放电接口的负极端P-之间短路，相当于充放电接口的正极端 P+对锂电池的总负极B-的电压为0，因为电容C1和C2电压不突变，在短路瞬间，相当于电阻R10对充放电接口的负极端P-短路，第二连接端B处电压仍为电池电压，故第二连接端B处电压经稳压二极管Z3、电阻R11、电阻R10分压致使电阻R11上有分压，因此，三极管Q4发射极电压大于基极电压，即 Ube(Q4)<0，基极电压大于集电极电压，三极管Q4导通。

在三极管Q4未导通时，三极管Q4集电极电压为0，则三极管Q4的Ubc(Q4)>0, 故三极管Q4处于放大状态。

因三极管Q4导通后其Uce(Q4)压降较小，则导通后第二连接端B处电压经稳压二极管Z3、三极管Q4、电阻R9、电阻R6分压电池电压U1，此时，电阻 R6上有分压，所以三极管Q3的基极电压大于发射极，即三极管Q3的Ube(Q3)>0，又电阻R3处电压为电池升压放电控制信号电压，且放电控制信号端的放电驱动电压高于锂电池电压U1，所以三极管Q3的Uc>Ub，即三极管Q3的Ubc(Q3)<0，因此，三极管Q3导通，三极管Q3导通后，第三连接端C处电位被拉低至低电平，从而可将放电控制驱动电压加速下拉使放电MOS管Q2的Ugs极间电压为0，即Ugs(Q2)＝0，从而使放电MOS管Q2关断，断开电路，避免电池发生短路危险，从而保护充放电MOS管Q1和Q2，避免因其下降速度较慢而损坏。

另充放电接口的正极端P+、充放电接口的负极端P-短路后，电阻R12会流经大电流，软件通过检流电阻R12检测到大电流后，也会关断充、放电MOS 管Q1和Q2，但关断速度相对较慢，因此短路保护加速可加速保护电池，避免发生危险。

需要说明的是，电池管理IC检测电流、电压以及控制充放电等涉及到的计算机程序是现有技术中可以实现，属于对电池管理芯片的应用，因此，本实用新型的改进不涉及计算机程序的改进。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种锂电池输出短路保护的加速电路，其特征在于：包括三极管Q3和Q4，电阻R3、R6、R9、R10和R11，二极管D1，稳压二极管Z3，电容C1和C2，所述三极管Q4的集电极依次串联电阻R9和R6后引出第一连接端A，三极管Q4的发射极连接稳压二极管Z3的阳极，稳压二极管Z3的阴极引出第二连接端B，电阻R10和R11串联后，电阻R10的另一端依次连接电容C1和C2后并连接至第一连接端A，电阻R11的另一端连接至三极管Q4的发射极，三极管Q4的基极连接至电阻R10和R11的公共端，所述二极管D1的阳极连接三极管Q4的基极，阴极连接三极管Q4的发射极，三极管Q3的发射极连接至第一连接端A，三极管Q3的基极连接至电阻R6和R9的公共端，三极管Q3的集电极串接电阻R3后引出第三连接端C；所述第一连接端A连接至充放电接口的正极端P+；所述第二连接端B连接至充电MOS管和放电MOS管的公共端上；所述第三连接端C连接至电池管理IC的放电控制信号端。

2.如权利要求1所述的锂电池输出短路保护的加速电路，其特征在于：所述三极管Q3为NPN型，所述三极管Q4为PNP型。

3.一种锂电池充放电电路，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的加速电路，还包括电池管理IC以及与电池管理IC电连接的充电电路、放电电路、电压采样电路和电流采样电路，其中，充电电路用于对锂电池进行充电控制；放电电路用于对锂电池进行放电控制；电压采样电路用于采集锂电池的电压；电流采样电路用于采集充放电回路中的电流。

4.如权利要求3所述的锂电池充放电电路，其特征在于：所述充电电路包括充电MOS管Q1，稳压二极管Z2，电阻R1、R4和R7，所述充电MOS管Q1的栅极依次串接电阻R4和R7后连接至电池管理IC的充电控制信号端，充电MOS管Q1的源极引出与锂电池正极B+的连接端，充电MOS管Q1的漏极引出线与第二连接端B连接；电阻R1的一端连接充电MOS管Q1源极，另一端连接至电阻R4和R7的公共引出端；稳压二极管Z2并联在电阻R1两端，且稳压二极管Z2的阳极与充电MOS管Q1源极连接。

5.如权利要求3所述的锂电池充放电电路，其特征在于：所述放电电路包括放电MOS管Q2，稳压二极管Z1，电阻R2、R5和R8，所述放电MOS管Q2的栅极依次串接电阻R5和R8后连接至电池管理IC的放电控制信号端，放电MOS管Q2的源极引出线作为锂电池充放电接口的正极端P+，放电MOS管Q2的漏极引出线与第二连接端B连接；电阻R2的一端连接放电MOS管Q2源极，另一端连接至电阻R5和R8的公共引出端；稳压二极管Z1并联在电阻R2两端，且稳压二极管Z1的阳极与放电MOS管Q2源极连接。

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