CN219420328U - 一种电池保护板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池保护板，至少设置限流模块和缓启动开关模块，其中，所述限流模块用于将充电器输出的充电电流进行转换并限定在合适的范围输出对电池单元充电；所述缓启动开关模块串接在保护板的第一接地端GND和限流模块的第二接地端PGND之间，用于在启动限流模块时限制第一接地端GND和第二接地端PGND接通的电流值。本实用新型技术方案采用在地端串联开关电路来抑制浪涌电流，既可以抑制输入电容浪涌电流，又可以抑制输出电容浪涌电流。

Description

一种电池保护板

技术领域

本实用新型涉及电池充放电控制技术领域，尤其涉及一种电池保护板。

背景技术

近年来，由于锂电池的环保、能量密度和功率密度高、自放电率低、循环寿命长等优势，逐渐取代铅酸电池。原有系统的充电器都是与铅酸电池配套，由于铅酸电池内阻大，充电电流接受能力小，而锂电池内阻小，充电电流接受能力大，原有充电器与锂电池不匹配，需要增加限流电路来适配原有铅酸电池充电器与锂电池，防止因过流触发保护而不能正常工作，或者过流损坏充电器。

其他的一些应用场合，比如房车、储能等，因功能越来越丰富，耗电量越来越大，电池容量需求也越来越大，需要多个电池组并联使用。电池组并联后，多个电池组一起充电，充电电流是按照整个系统设计的。因为各个电池组之间存在内阻差异、平台电压差异、SOC差异、连接铜条电阻差异等因素，各个电池组的充电电流不会平均分配，有些大，有些小，而且在不同时间段，大小会交替出现。电流分配多的会超过电池的额定充电电流值，存在安全隐患和影响寿命问题。因此在充电器和电池之间需要设置限流电路来限制每个电池组的充电电流值，保证在额定充电电流范围内。

由于锂电池的充电电流都比较大，限流电路都是通过DC/DC变换器实现，存在高频斩波电流，限流电路输入端和输出端都有大容量的滤波电容C_in、C_o，参见图1，所示为现有技术电池保护板的原理框图，其中，充电MOS对电池的充电进行保护，比如充电过流、充电过压等；放电MOS对电池的放电进行保护，比如放电过流、电池过放等；R_in,R_o为输入和输出回路的等效寄生电阻，由于需要走大电流，为了提高效率，这两个寄生电阻都控制的比较小，在几个mΩ到几十个mΩ级别。

上电前，输入滤波电容C_in和输出滤波电容C_o初始电压都为0V。上电瞬间，比如电池pack组装和充电器连接，滤波电容上的电流为I_inp＝(V_in-0)/R_in,I_op＝(V_o-0)/R_o，由于寄生电阻R_in,R_o的阻值很小，浪涌电流I_inp，I_op很大，在几百安培到几千安培之间，有打火、拉弧、损坏接插件和功率器件的问题，因此，必须对这个浪涌电流加以限制。

为了限制浪涌电流，现在行业通用的解决方案为：

在限流电路的输入端和输出端都串联一个阻值远大于寄生电阻的功率NTC，如图2所示。由于NTC的阻值远大于寄生电阻，示意图中忽略了寄生电阻；NTC1和NTC2在常温时，电阻值比较大，在高温时电阻值变小。电池组装或者充电器连接时，由于常温下NTC阻值比较大，浪涌电流I_inp＝(V_in-0)/R_NTC1,I_op＝(V_o-0)/R_NTC2都被限制在合适范围，保护接插件和功率器件。然而，采用NTC的技术方案至少存在如下缺陷：

(1)电池组装时，输入端C_in和输出端C_o都存在浪涌电流，所以输入和输出端都需要加功率NTC，导致成本增高。

(2)由于功率NTC阻值范围的限制，虽然有浪涌电流抑制作用，但浪涌电流还是存在，不能完全消除。功率NTC虽然在高温时，电阻值减小，但残留阻值还是比较大，在经过大电流时，功耗比较高，降低整个电路的效率。同时为了保证NTC的阻值比较小，它必须消耗一定的能量来保持高温。这与提高效率，提升能量密度的努力想违背。

(3)正常工作时，功率电流既要经过NTC1，又要经过NTC2，进一步降低了系统效率；正常工作时，功率NTC必须保持高温来降低阻值，与电池系统的控制温升，减少热点的设计宗旨相违背；

(4)功率NTC在高低温的阻值变化幅度不够大，往往在系统效率和浪涌电流抑制上难以折中，特别是在高压大电流场合。

(5)功率NTC的时间常数通常都比较大，在几十秒级别。限流电路在掉电后迅速又重新上电(比如几秒内)，功率NTC还没有冷却，阻值比较小，将没有浪涌抑制作用。必须等足够长的时间，等功率NTC降温后才能重新上电，限制了应用范围。

故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，确有必要提供一种电池保护板，采用在地端串联开关电路来抑制浪涌电流，既可以抑制输入电容浪涌电流，又可以抑制输出电容浪涌电流。

为了解决现有技术存在的技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种电池保护板，至少设置限流模块和缓启动开关模块，其中，所述限流模块用于将充电器输出的充电电流进行转换并限定在合适的范围输出对电池单元充电；

所述缓启动开关模块串接在保护板的第一接地端GND和限流模块的第二接地端PGND之间，用于在启动限流模块时，限制第一接地端GND和第二接地端PGND接通的电流值。

作为进一步的改进方案，所述缓启动开关模块至少包括缓驱动电路和开关，所述开关串接第一接地端GND和第二接地端PGND之间，用于根据缓驱动电路的开关控制信号执行导通操作使第一接地端GND和第二接地端PGND接通；所述缓驱动电路用于在启动限流模块时，限制第一接地端GND和第二接地端PGND接通的电流值。

作为进一步的改进方案，所述开关采用MOS开关或IGBT。

作为进一步的改进方案，所述开关采用NMOS开关，所述缓驱动电路至少包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1，其中，第一电阻R1的一端与使能信号EN相连接，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端以及NMOS开关的栅极相连接；第二电阻R2的另一端、第一电容C1的另一端以及NMOS开关的源极共同与第一接地端GND相连接，NMOS开关的漏极与第二接地端PGND相连接。

作为进一步的改进方案，第二电阻R2的两端并接稳压管。

作为进一步的改进方案，使能信号EN与保护板控制模块相连接，或者与充电器输出端相连接。

作为进一步的改进方案，所述限流模块的输入端和输出端之间接第一MOS管，用于充电保护。

作为进一步的改进方案，充电器输出端和限流模块的输入端之间接第二MOS管，用于放电保护。

作为进一步的改进方案，所述限流模块采用DC/DC模块。

作为进一步的改进方案，电池单元为电池组或超级电容。

与现有技术相比较，本实用新型至少具有如下技术效果：

(1)本实用新型采用在地端串联开关电路来抑制浪涌电流，只需在地端串联一个开关，既可以抑制输入电容浪涌电流，又可以抑制输出电容浪涌电流；避免损坏接插件和功率器件，避免打火和拉弧现象；

(2)开关流过的电流远小于限流电路的输入输出电流，功率损耗小，发热量少，效率高，所需求的功率等级低，成本低；

(3)开关的阻值在阻断和开通两个状态差异极大，且有不同耐压等级可选择，可以适用不同电压等级和电流等级的限流电路，应用灵活，适用范围宽。系统掉电后，开关S恢复阻断的时间参数小，能够迅速的恢复浪涌抑制能力。

附图说明

图1为现有技术电池保护板的原理示意图。

图2为现有技术电池保护板采用NTC抑制浪涌电流的原理示意图。

图3为本实用新型电池保护板的原理示意图。

图4为本实用新型电池保护板中缓启动开关模块的电路原理图。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型提供的技术方案作进一步说明。

参见图3，所示为本实用新型提供一种电池保护板优选实施例的结构示意图，至少设置限流模块和缓启动开关模块，其中，限流模块用于将充电器输出的充电电流进行转换并限定在合适的范围输出对电池单元充电；作为优选的，限流模块的输入端和输出端之间并联第一MOS管，用于充电保护；充电器输出端和限流模块的输入端之间串接第二MOS管，用于放电保护；所述限流模块采用DC/DC模块；电池单元为电池组或超级电容。

缓启动开关模块串接在保护板的第一接地端GND和限流模块的第二接地端PGND之间，用于在启动限流模块时，限制第一接地端GND和第二接地端PGND接通的电流值。

进一步的，缓启动开关模块至少包括缓驱动电路和开关，开关串接在第一接地端GND和第二接地端PGND之间，用于根据缓驱动电路的开关控制信号执行导通操作使第一接地端GND和第二接地端PGND接通；缓驱动电路用于在启动限流模块时，限制第一接地端GND和第二接地端PGND接通的电流值。

上述技术方案中，在限流模块的地网络PGND与保护板主回路地网络GND之间串联一个开关S，开关S默认断开，保护板上电时，不管是充电器连接还是电池连接，由于没有电流返回回路(被开关S阻断)，浪涌电流被完全消除。当需要启动限流模块时，使能信号EN拉高，开关S缓慢打开，让输入电容C_in和输出电容C_o缓慢充电到稳态值，从而降低输入、输出滤波电容的充电电流值(这是滤波电容的充电电流，不是电池负载的充电电流)。由于开关S是缓慢打开，输入电容C_in和输出电容C_o的电流可以控制到很小，且随意设置，完全消除浪涌电流问题。

使能信号EN可以为保护板控制模块输出的控制信号，也可以为默认使能，接Vin，看实际系统逻辑需要来定。

输出电流与输入电流的关系如下：

其中η为限流电路效率。流过开关S的地电流为：

由于实际电池的特性，输出电压Vo小于但接近充电器输入电压Vin，Vo＝(0.75～1)Vin，再考虑电池充电平台电压的特性，Vo通常在0.9Vin左右。考虑到实际保护板限流电路的电压等级和电流等级，限流电路效率η通常在0.95～9.99之间。所以，输出电流略大于输入电流，通过开关S的地端电流I_G≈0.1I_o。

因此，开关S的额定电流需求远小于现有方案功率NTC的电流需求。

在一种优选实施方式中，开关采用MOS开关或IGBT。

参见图4，所示为本实用新型缓启动开关模块的具体电路原理图，其中，开关采用NMOS开关，缓驱动电路至少包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1，其中，第一电阻R1的一端与使能信号EN相连接，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端以及NMOS开关的栅极相连接；第二电阻R2的另一端、第一电容C1的另一端以及NMOS开关的源极共同与第一接地端GND相连接，NMOS开关的漏极与第二接地端PGND相连接。

图4电路中，缓驱动电路由电阻R1、R2和电容C1组成。R1、R2的阻值根据EN使能信号的电压等级和MOS管S的栅极阈值电压范围选择，MOS驱动电压为：

也可以给R2再并联一个稳压管起保护作用；电容C1用来调节MOS管的开启速度，驱动电压Vdrv上升的时间参数为：

τ＝(R₁||R₂)*C₁

电容C1越大，开关S开启越慢，输入输出电容的上电启动电流越小。

系统掉电后，EN默认拉低，Vdrv通常在几十us至几十ms之间迅速回归低电平，开关S恢复为断开状态，系统重新上电时又具有浪涌电流抑制功能。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种电池保护板，其特征在于，至少设置限流模块和缓启动开关模块，其中，所述限流模块用于将充电器输出的充电电流进行转换并限定在合适的范围输出对电池单元充电；

所述缓启动开关模块串接在保护板的第一接地端GND和限流模块的第二接地端PGND之间，用于在启动限流模块时限制第一接地端GND和第二接地端PGND接通的电流值；

所述缓启动开关模块至少包括缓驱动电路和开关，所述开关串接在第一接地端GND和第二接地端PGND之间，用于根据缓驱动电路的开关控制信号执行导通操作使第一接地端GND和第二接地端PGND接通；所述缓驱动电路用于降低开关控制信号的上升沿速度。

2.根据权利要求1所述的电池保护板，其特征在于，所述开关采用MOS开关或IGBT。

3.根据权利要求2所述的电池保护板，其特征在于，所述开关采用NMOS开关，所述缓驱动电路至少包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1，其中，第一电阻R1的一端与使能信号EN相连接，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端以及NMOS开关的栅极相连接；第二电阻R2的另一端、第一电容C1的另一端以及NMOS开关的源极共同与第一接地端GND相连接，NMOS开关的漏极与第二接地端PGND相连接。

4.根据权利要求3所述的电池保护板，其特征在于，第二电阻R2的两端并接稳压管。

5.根据权利要求3所述的电池保护板，其特征在于，使能信号EN与保护板控制模块相连接，或者与充电器输出端相连接。

6.根据权利要求2所述的电池保护板，其特征在于，所述限流模块的输入端和输出端之间接第一MOS管，用于充电保护。

7.根据权利要求2所述的电池保护板，其特征在于，充电器输出端和限流模块的输入端之间接第二MOS管，用于放电保护。

8.根据权利要求2所述的电池保护板，其特征在于，所述限流模块采用DC/DC模块。

9.根据权利要求2所述的电池保护板，其特征在于，电池单元为电池组或超级电容。