CN219600994U - 一种电助力车的电池保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电助力车的电池保护装置，其包括：单片机模块、与单片机模块相连的电池管理模块、与电池管理模块相连的负载均衡模块、与负载均衡模块相连的多个电池单体、对多个电池单体进行温度采样并与单片机模块相连的温度采样模块、对多个电池单体进行充放电采样并与电池管理模块相连的充放电采样模块、以及与充放电采样模块相连且与单片机模块相连的充放电控制模块。本实用新型的优点：实现电池充放电路过程中对过压、欠压、过流、过温等的保护，可以满足在美国对e‑bike电助力车UL2894认证中对于电池的电测试要求。

Description

一种电助力车的电池保护装置

技术领域

本实用新型属于控制器领域，特别涉及一种电助力车的电池保护装置。

背景技术

电助力车的驱动系统在骑行或者推行时给予辅助动力，即在人力进行踩踏或推行时给予辅助动力。电助力车的驱动系统一般包括：仪表、控制器、电池(包括电池管理系统BMS)、传感器、电机等组件。其中驱动系统在电助力车骑行时产生助推力，辅助电助力车前行。

而高性能的锂离子电池近几十年以来发展迅速，锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称，其充放电过程就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。作为储电工具的蓄电池，锂离子电池对应用环境更为苛刻，在使用过程中最怕出现过充电和过放电，且热稳定性差，一致性差，放电电压曲线平坦等。为了获得较高的电池电压，一般需要许多节单体电池串联。电池成组后，由于组内电池材料、工艺以及后期使用环境的差异，导致电池的电压、容量等参数不一致情况较其他应用更为严重，若不采取任何措施，不一致性会在后期的使用过程中进一步扩大，导致部分电池长期工作于极限状态，使得容量急剧减小，降低整组电池性能，具体可参考中国发明公开专利CN112106228A。

另外，对于e-bike电助力车，美国UL2894认证、欧洲EN13594认证对电池均有的安全要求。因此，在锂离子电池所应用场合需配备电池保护装置，以确保电池的安全性，因此需要一种电助力车的电池保护装置。

实用新型内容

本实用新型目的是：提供一种电助力车的电池保护装置，以实现对电池的保护。

本实用新型的技术方案是：一种电助力车的电池保护装置，其包括：单片机模块、与单片机模块相连的电池管理模块、与电池管理模块相连的负载均衡模块、与负载均衡模块相连的多个电池单体、对多个电池单体进行温度采样并与单片机模块相连的温度采样模块、对多个电池单体进行充放电采样并与电池管理模块相连的充放电采样模块、以及与充放电采样模块相连且与单片机模块相连的充放电控制模块。

在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：

所述充放电采样模块包括基极与电池管理模块连接而源极与充放电控制模块连接的充放电场效应管、一端与充放电场效应管发射极相连而另一端接地的第一充放电电阻、一端与第一充放电电阻的另一端相连而另一端与电池管理模块相连的第二充放电电阻、以及一端与充放电场效应管发射极相连而另一端与电池管理模块相连的第三充放电电阻。

所述充放电控制模块包括：充电控制单元和放电控制单元，其中充电控制单元包括一端与充放电采样模块相连的充电电阻、与充电电阻R34并联连接的第一充电场效应管、和一端与充电电阻另一端串联连接而另一端与充电口负极相连的第二充电场效应管；放电控制单元包括一端与放电口负极相连而另一端与充放电采样模块相连的放电场效应管。

所述放电场效应管、第一充电场效应管、第二充电场效应管的基极均与单片机单元相连。

所述温度采样模块包括至少两路采集电路，其中第一采集电路包括第一热敏电阻、以及第一分压电阻，且第一热敏电阻一端接地，第一热敏电阻另一端接第一分压电阻一端以及单片机单元的一管脚，而第一分压电阻另一端接单片机单元另一管脚。

所述负载均衡模块包括多路均衡电路，每路均衡电路对应一个电池单体，其中第一均衡电路包括第一均衡场效应管、一端与第一均衡场效应管的发射极相连而另一端与电池管理模块相连的第一均衡电阻、一端与第一均衡场效应管的基极相连而另一端与电池管理模块相连的第二均衡电阻、一端与第一均衡场效应管的源极相连的第三均衡电阻、以及与第三均衡电阻另一端相连且与电池管理模块相连的第四均衡电阻。

所述第一均衡电阻与第一均衡场效应管的发射极相连的连接点与电池单体负极相连。

所述第三均衡电阻的另一端与电池单体的正极电连接。

所述电池管理模块为O2MICRO公司的电池管理芯片OZ8920TN。

还包括与单片机单元相连的通信接口，其中所述通信接口为CAN通信接口、串行通信接口。

本实用新型的优点：通过负载均衡电路、电流采集电路、温度采集电路、充电控制电路、放电控制电路,实现电池充放电路过程中对过压、欠压、过流、过温等的保护。可以满足在美国对e-bike电助力车UL2894认证中对于电池的电测试要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中充放电采样模块的电路示意图；

图3为本实用新型中充放电控制模块的电路示意图；

图4为本实用新型中温度采样模块的电路示意图；

图5为本实用新型中负载均衡模块的电路示意图。

具体实施方式

下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开保护范围限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在下文中，可在本公开的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本公开的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

实施例：参照图1所示，本实用新型揭示一种电助力车的电池保护装置的实施例，其包括：单片机模块100、与单片机模块100相连的电池管理模块200、与电池管理模块200相连的负载均衡模块300、与负载均衡模块300相连的多个电池单体320、对多个电池单体320进行温度采样并与单片机模块100相连的温度采样模块400、对多个电池单体320进行充放电采样并与电池管理模块200相连的充放电采样模块500、与充放电采样模块500相连且与单片机模块100相连的充放电控制模块600、以及与单片机模块100相连的通信接口700。多个电池单体320串联连接共同形成一个电池包或电池组件并与充放电正极10、充放电负极20相连。充放电负极20在本实施例中为接地。

单片机模块100为MCU或CPU，在本实施例中可采用ATMEL公司的8位或16位单片机。

电池管理模块200在本实施例中可采用O2MICRO公司的电池管理芯片OZ8920TN。

负载均衡模块300与电池组件、电池管理模块200电连接。负载均衡模块300检测电池单体的压降，充电时检测是否有过压，负载放电时是否存在欠压，电池管理模块200根据过压和欠压通知单片机模块100控制充放电控制模块600进行电池充放电控制。

温度采样模块400与单片机模块100电连接，用于实时采集电池组件的温度，当采集的温度过高时，单片机模块100根据温度过高的持续时间通过充放电控制模块600断开电池充放电，以保护电池单体320的安全。

充放电采样模块500与电池组件、电池管理模块200和充放电控制模块600电连接、充电/负载接口负极电连接，用于采集充电或者负载放电时的电流大小，充电时检测是否有过流，负载放电时是否存在过流。在另一种示例中，充放电采样模块500可直接与单片机模块100连接。

充放电控制模块600与单片机模块100电连接，单片机模块100通过充放电控制模块600控制电池的充放电状态，确保电池的安全。

通信接口700在本实施例中可采用CAN通信接口、串行通信接口等。

如图2所示，充放电采样模块500包括基极与电池管理模块200一管脚(例如管脚34)连接而源极与充放电控制模块600连接的充放电场效应管Q31、一端与充放电场效应管Q31发射极相连而另一端接地的第一充放电电阻R31、一端与第一充放电电阻R31的另一端相连而另一端与电池管理模块200一管脚(例如管脚32)相连的第二充放电电阻R32、以及一端与充放电场效应管Q31发射极相连而另一端与电池管理模块200一管脚(例如管脚33)相连的第三充放电电阻R33。充电时，电流经第一充放电电阻R31、经过充放电场效应管Q31、再到充放电负极20。负载放电时，电流经负载放电负极20、到充放电场效应管Q31、再到第一充放电电阻R31。电流值的检测实际是检测第一充放电电阻R31两端的电压，通过电压进行换算。即监测的电池管理模块200一管脚(例如管脚32)处电压与监测的电池管理模块200一管脚(例如管脚33)处电压差值除以第一充放电电阻R31的阻值，即可得到实时电流。通过比较连接第二充放电电阻R32和第三充放电电阻R33电压的高低，可以判断出充电或者放电。充电和负载放电时，电池管理模块200一管脚(例如管脚34)发出高电平信号使得充放电场效应管Q31导通，当电池管理模块200检测到电池单体320的电压低于预设的第一阈值或电池组件总电压低于预设的第二阈值时，可断开充放电场效应管Q31，以避免过放；当电池管理模块200检测到电池组件总电压高于预设的第三阈值时(表示已充满电)，可断开充放电场效应管Q31，避免过充。在另一种示例中，充放电采样模块500中可以不包括充放电场效应管Q31，在电池管理模块200检测到过充或过放时，直接通知单片机单元100进行关断。充放电场效应管Q311的关断也是在单片机单元100的控制下进行充放电关断。

如图3所示，充放电控制模块600包括：充电控制单元和放电控制单元，充电控制单元分别与充电口负极40和充放电采样模块500电连接，放电控制单元分别与放电口负极30和充放电采样模块500电连接。充电控制单元包括一端与充放电采样模块500相连的充电电阻R34、与充电电阻R34并联连接的第一充电场效应管Q33、和一端与充电电阻R34另一端串联连接而另一端与充电口负极40相连的第二充电场效应管Q34。单片机单元100可控制充电控制单元实现先进行小电流充电，再进行正常电流充电。充电时(充电器接充放电口正极10和充电口负极40)，本实施例中，单片机单元100先导通第二充电场效应管Q34，暂不导通第一充电场效应管Q33，充电电流需先经过充电电阻R34进行限流达到预充保护，在电池管理模块200通知单片机单元100可以正常充电时，再导通第一充电场效应管Q33，短接充电电阻R34，进行正常充电。放电控制单元包括一端与放电口负极30相连而另一端与充放电采样模块500相连的放电场效应管Q32。负载放电时(负载接充放电口正极10，放电口负极30)。放电场效应管Q32、第一充电场效应管Q33、第二充电场效应管Q34的基极均与单片机单元100相连。

如图4所示，温度采样模块400包括至少两路采集电路，其中第一采集电路包括第一热敏电阻R66、以及第一分压电阻R65，其中第一热敏电阻R66一端接地，第一热敏电阻R66另一端接第一分压电阻R65一端以及单片机单元100的一管脚。第一热敏电阻R66在物理空间上靠近一个或多个电池单体(多个电池单体可对应一路采集电路)。第一分压电阻R65另一端接单片机单元100另一管脚。单片机单元100另一管脚可输出高电平，连接第一热敏电阻R66的单片机单元100管脚可以检测到热敏电阻上电压，热敏电阻的阻值随着温度的变化阻值发生变化，热敏电阻的阻值变化与温度曲线与对应关系，通过单片机单元100检测热敏电阻上电压变化，反推阻值变化，进而得到温度的变化。第二采集电路的结构也与第一采集电路类似，也包括第二热敏电阻R68、以及第一分压电阻R67。温度采样模块400实时采集电池组件的温度，当温度采样电路采集的温度高于预设的阈值时，温度采样模块400可记录过温事件及持续时间并向单片机单元100提供相应的预警。温度预设的阈值可根据实际情况变化。

如图5所示，负载均衡模块300包括多路均衡电路，每路均衡电路对应一个电池单体。以第一节单体电池(其负极接地)为例，第一均衡电路包括第一均衡场效应管Q1、一端与第一均衡场效应管Q1的发射极相连而另一端与电池管理模块200相连的第一均衡电阻R1、一端与第一均衡场效应管Q1的基极相连而另一端与电池管理模块200相连的第二均衡电阻R2、一端与第一均衡场效应管Q1的源极相连的第三均衡电阻R3、以及与第三均衡电阻R3另一端相连且与电池管理模块200相连的第四均衡电阻R4。第一均衡电阻R1与第一均衡场效应管Q1的发射极相连的连接点也与第一节电池单体320负极相连。第一均衡电阻R1的另一端与电池管理模块200的一管脚(例如管脚11)相连；第二均衡电阻R2一端与电池管理模块200的一管脚(例如管脚12)，第三均衡电阻R3的另一端与第一节电池单体320的正极电连接；第四均衡电阻R4另一端与电池管理模块200一管脚连接(例如管脚13)。电池管理模块200的管脚11、管脚13用于检测第一节电池单体320的电压。在充电过程中，当检测到第一节电池单体320的电压超过某一阈值(例如4.2V)时，即第一节电池单体过压，电池管理模块200的管脚(例如管脚12)发出高电平信号，使得第一均衡场效应管Q1导通，进而使得第一节电池单体320暂停充电。由于电池单体320之间是串联，第一节单体电池对应均衡电路中的第四均衡电阻R4也用于第二节单体电池对应的第二均衡电路的第一均衡电阻中，以此类推。即第二均衡电路包括第二均衡场效应管Q2、一端与第二均衡场效应管Q1的发射极相连而另一端与电池管理模块200相连的第一均衡电阻R4、一端与第二均衡场效应管Q2的基极相连而另一端与电池管理模块200相连的第二均衡电阻R5、一端与第二均衡场效应管Q2的源极相连的第三均衡电阻R6、以及与第三均衡电阻R6另一端相连且与电池管理模块200相连的第四均衡电阻R7。在负载充电过程中，当检测到电池单体的电压低于预设的阈值或电池组件总电压低于预设的另一阈值时，可停止供电(例如通过单片机单元100的控制断开负载放电回路中的某一开关)。

本实用新型的优点：实现电池充放电路过程中对过压、欠压、过流、过温等的保护，可以满足在美国对e-bike电助力车UL2894认证中对于电池的电测试要求。

当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电助力车的电池保护装置，其特征在于其包括：单片机模块(100)、与单片机模块(100)相连的电池管理模块(200)、与电池管理模块(200)相连的负载均衡模块(300)、与负载均衡模块(300)相连的多个电池单体(320)、对多个电池单体(320)进行温度采样并与单片机模块(100)相连的温度采样模块(400)、对多个电池单体(320)进行充放电采样并与电池管理模块(200)相连的充放电采样模块(500)、以及与充放电采样模块(500)相连且与单片机模块(100)相连的充放电控制模块(600)。

2.根据权利要求1所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于：所述充放电采样模块(500)包括基极与电池管理模块(200)连接而源极与充放电控制模块(600)连接的充放电场效应管(Q31)、一端与充放电场效应管(Q31)发射极相连而另一端接地的第一充放电电阻(R31)、一端与第一充放电电阻(R31)的另一端相连而另一端与电池管理模块(200)相连的第二充放电电阻(R32)、以及一端与充放电场效应管(Q31)发射极相连而另一端与电池管理模块(200)相连的第三充放电电阻(R33)。

3.根据权利要求2所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于：所述充放电控制模块(600)包括：充电控制单元和放电控制单元，其中充电控制单元包括一端与充放电采样模块(500)相连的充电电阻(R34)、与充电电阻(R34)并联连接的第一充电场效应管(Q33)、和一端与充电电阻(R34)另一端串联连接而另一端与充电口负极(40)相连的第二充电场效应管(Q34)；放电控制单元包括一端与放电口负极(30)相连而另一端与充放电采样模块(500)相连的放电场效应管(Q32)。

4.根据权利要求3所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于：所述放电场效应管(Q32)、第一充电场效应管(Q33)、第二充电场效应管(Q34)的基极均与单片机模块(100)相连。

5.根据权利要求4所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于：所述温度采样模块(400)包括至少两路采集电路，其中第一采集电路包括第一热敏电阻(R66)、以及第一分压电阻(R65)，且第一热敏电阻(R66)一端接地，第一热敏电阻(R66)另一端接第一分压电阻(R65)一端以及单片机模块(100)的一管脚，而第一分压电阻(R65)另一端接单片机模块(100)另一管脚。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于还包括：所述负载均衡模块(300)包括多路均衡电路，每路均衡电路对应一个电池单体(320)，其中第一均衡电路包括第一均衡场效应管(Q1)、一端与第一均衡场效应管(Q1)的发射极相连而另一端与电池管理模块(200)相连的第一均衡电阻(R1)、一端与第一均衡场效应管(Q1)的基极相连而另一端与电池管理模块(200)相连的第二均衡电阻(R2)、一端与第一均衡场效应管(Q1)的源极相连的第三均衡电阻(R3)、以及与第三均衡电阻(R3)另一端相连且与电池管理模块(200)相连的第四均衡电阻(R4)。

7.根据权利要求6所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于：所述第一均衡电阻(R1)与第一均衡场效应管(Q1)的发射极相连的连接点与电池单体(320)负极相连。

8.根据权利要求7所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于：所述第三均衡电阻(R3)的另一端与电池单体(320)的正极电连接。

9.根据权利要求8所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于：所述电池管理模块(200)为O2MICRO公司的电池管理芯片OZ8920TN。

10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的电助力车的电池保护装置，其特征在于还包括与单片机模块(100)相连的通信接口(700)，其中所述通信接口(700)为CAN通信接口、串行通信接口。