CN219892950U - 一种并联升压式锂电池保护板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种并联升压式锂电池保护板，包括并联电池组，升压转换器，降压转换器，充电控制模块，放电控制模块，短路及欠压保护模块，以及同口输入输出模块。本实用新型的有益效果是：解决锂离子电池组在使用过程中因单体电池性能不良或使用的串联保护板功能异常而造成锂离子电池组出现使用寿命短和电池着火甚至爆炸的安全隐患问题，延长电池使用寿命。同时解决目前市场上电动喷雾器使用的锂离子电池组(12V)的充电器不通用问题，避免用户重复购买充电器以及因充电器使用不当而出现的安全隐患问题。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池保护板技术领域，尤其涉及一种并联升压式锂电池保护板。
背景技术
目前市场上电动喷雾器使用的电源均是采用单体电池串联结构加对应的串联保护板，串联结构对单体电池性能的一致性要求高，如电池容量和内阻的一致性，电池自放电和循环性能的一致性。对使用的锂电池串联保护板的稳定性要求高如采样精度、控制精度等。如目前市场上电动喷雾器使用的锂离子电池组(12V)绝大部分都是使用单体3.7V三元(锰)锂电池进行3只串联，充电最高电压12.6V(4.2V×3)，工作平台电压11.1V(3.7V×3)。串联结构的锂离子电池组(12V)在使用过程中，当其中某个单体电池性能不良时或使用的串联保护板功能异常会造成整组电池性能快速下降，甚至出现单体电池过充或者过放从而出现电池着火和爆炸现象，危害极大。串联结构的锂离子电池组(12V)在生产加工过程中工序多，成本高，产品的一致性较差。
此外，目前市场上电动喷雾器使用的锂离子电池组(12V)的充电器均要求必须是针对锂离子电池专用12V充电器。锂电池12V充电器与铅酸电池12V充电器不能混用，当用户误用铅酸电池12V充电器给锂离子电池组充电时就会将电池组充坏甚至报废，而且存在极大的安全隐患。而因为铅酸电池的价格优势，目前电动喷雾器行业中使用铅酸电池的比例仍然较大。因此，需要一种并联升压式锂电池保护板以解决上述技术问题。
发明内容
本实用新型的目的在于解决上述背景技术部分提及的技术问题，提供一种并联升压式锂电池保护板，解决锂离子电池组在使用过程中因单体电池性能不良或使用的串联保护板功能异常而造成锂离子电池组出现使用寿命短和电池着火甚至爆炸的安全隐患问题，延长电池使用寿命。同时解决目前市场上电动喷雾器使用的锂离子电池组(12V)的充电器不通用问题，避免用户重复购买充电器以及因充电器使用不当而出现的安全隐患问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种并联升压式锂电池保护板，包括相连的并联电池组模块、升压转换器、降压转换器、同口输入输出模块；其中并联电池组模块用于供电、同口输入输出模块用于外接充电器及负载工具；其中升压转换器、降压转换器并联设置，所述并联电池组模块、升压转换器、同口输入输出模块形成与外接充电器相连的充电通路；所述并联电池组模块、降压转换器、同口输入输出模块形成与负载工具相连的放电通路；
所述降压转换器、同口输入输出模块之间设置有充电控制模块；当同口输入输出端接上充电器时，充电控制模块会启用降压转换器模块，将充电器电压采用PWM开关方式转换为单体电池充电所需要的电压；
所述升压转换器、同口输入输出模块之间设置有放电控制模块；当同口输入输出端接上负载时，放电控制模块会启用升压转换器，将并联电池组模块采用PWM开关方式转换为负载工具需要的电压，在电池电量消耗尽之前，输出电压保持恒定。
为了进一步优化本实用新型，可优先选用以下技术方案：
优选的，所述升压转换器包括升压单元，所述升压单元包括MT3608型号升压IC芯片。
优选的，所述升压转换器模块包括多个并联设置的升压单元。
优选的，所述升压转换器包括NS6316型号降压IC芯片。
优选的，所述并联电池组模块、同口输入输出模块之间还设置有短路及欠压保护模块，其中短路及欠压保护模块还与充电控制模块、放电控制模块相连，其中短路及欠压保护模块用于并联电池组模块发生短路、过放电欠压时切断供电电路。
优选的，所述并联电池组模块中电池单体为3.2V磷酸铁锂锂电池。
优选的，所述同口输入输出模块采用场效应管切换充电状态和放电状态，防止两者同时工作时模块本身产生自我消耗，同时可以在输出端短路或者电池过放电欠压时关闭功率场效应管切断输出，起到保护电池和电路元件的作用。
优选的，所述充电控制模块、放电控制模块采用51单片机。
本实用新型的有益效果是：
1.单体3.2V磷酸铁锂锂电池可以直接用在之前使用12V锂电池和12V铅酸电池的电动喷雾器上面，也可以多个单体并联在一起使用。
2.提高了为电动喷雾器供电的3.2V磷酸铁锂锂电池使用寿命，减少了其生产加工过程的难度，降低了其生产成本，在很大程度上提高了产品的一致性。最主要的是在很大程度降低了3.2V磷酸铁锂锂电池在使用过程中存在的安全隐患问题。
3.不用专门定制充电器，通过调整电路参数，可以适配输出电压5V-20V的锂电或铅酸充电器，避免了使用者重复购买充电器以及因充电器使用不当而出现的隐患问题。
附图说明
图1为本实用新型的功能模块连接图；
图2为本实用新型的控制原理流程图；
图3为升压转换器的电路原理图；
图4为降压转换器的电路原理图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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发明和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本实用新型中的具体含义。
实施例1：
一种并联升压式锂电池保护板，包括相连的并联电池组模块、升压转换器、降压转换器、同口输入输出模块；其中并联电池组模块用于供电、同口输入输出模块用于外接充电器及负载工具；其中升压转换器、降压转换器并联连接，并联电池组模块、升压转换器、同口输入输出模块形成与外接充电器相连的充电通路；并联电池组模块、降压转换器、同口输入输出模块形成与负载工具相连的放电通路；降压转换器、同口输入输出模块之间连接有充电控制模块；当同口输入输出端接上充电器时，充电控制模块会启用降压转换器模块，将充电器电压采用PWM开关方式转换为单体电池充电所需要的电压；
升压转换器、同口输入输出模块之间连接有放电控制模块；当同口输入输出端接上负载时，放电控制模块会启用升压转换器，将并联电池组模块采用PWM开关方式转换为负载工具需要的电压，在电池电量消耗尽之前，输出电压保持恒定；本实施例中充电控制模块、放电控制模块采用51单片机。
其中并联电池组模块、同口输入输出模块之间还连接有短路及欠压保护模块，其中短路及欠压保护模块还与充电控制模块、放电控制模块相连，其中短路及欠压保护模块用于并联电池组模块发生短路、过放电欠压时切断供电电路。
本实施例中并联电池组模块中电池单体为3.2V磷酸铁锂锂电池；本实施例中同口输入输出模块采用场效应管切换充电状态和放电状态，防止两者同时工作时模块本身产生自我消耗，同时可以在输出端短路或者电池过放电欠压时关闭功率场效应管切断输出，起到保护电池和电路元件的作用。
如图1所示，本装置有以下主要的组成部分：
1)同口输入输出；该模块采用功率场效应管切换充电状态和放电状态，防止两者同时工作时模块本身产生自我消耗，同时可以在输出端短路或者电池过放电欠压时关闭功率场效应管切断输出，起到保护电池和电路元件的作用。
2)充电控制和降压转换器；当同口输入输出端接上充电器时，充电控制模块会启用降压转换器，将4.5V～20V的充电器电压采用PWM开关方式转换为单体电池充电所需要的电压，开关方式效率高，发热小。
3)放电控制和升压转换器；当同口输入输出端接上负载(喷雾器)时，放电控制模块会启用升压转换器，将2.5V～4.2V的单体电池电压采用PWM开关方式转换为喷雾器需要的9～15V电压，在电池电量消耗尽之前，输出电压保持恒定，使得喷雾器喷雾压力和使用效果得到保证。
4)短路保护和欠压保护；该模块主要为保护电池设置，短路和过放电欠压对锂电池的损伤较大，另外短路时间长了会引起冒烟和着火，短路时快速切断电池供电线路对于安全来说至关重要，该装置可以在短路以后的50毫秒以内通过关断同口输入输出模块中的场效应管，快速保护电池和电路免受损坏。
本装置有三种主要的工作状态：空载状态：升压和降压转换器都处于待机状态，同口输出电压等于电池电压，待机电流小于50uA，电池年消耗小于0.45AH。放电状态：只要负载电流大于0.1A，升压转换器自动开始工作，将电池组电压(2.7V～4.3V)经过多路并联开关升压转换器升至用户需要的工作电压，当负载断开时，自动回到待机状态。充电状态：当同口输入电压大于4.5V时，延时2秒钟，降压转换器工作，开始充电，当电池组电压达到电池浮充电压，转换器恒压输出，电池进入浮充状态。
如图2所示整体控制流程为：
空载状态：单片机控制向MOS管发出高电平，使其处于导通状态，同时向升压转换器和降压转换器发出低电平，使其处于待机状态，然后检测MOS管压降，压降小于5mV时,说明同口输出端没有接负载，同口输出电压等于电池电压，待机电流小于50uA，电池年消耗小于0.45AH。
放电状态：单片机检测到MOS管压降大于5mV，说明输出端已经接上负载，这时单片机向升压转换器发出高电平使其开始工作，将电池组电压(2.5V～4.2V)经过多路并联开关升压转换器升至用户需要的工作电压，当负载断开时，单片机检测到MOS管压降小于5mV，单片机向升压转换器发出低电平使其自动回到待机状态。
充电状态：在待机状态，当单片机检测到同口输入电压大于4.5V时，延时2秒钟，向降压转换器发出高电平使其开始工作，其输出的恒流对电池组开始充电，当电池组电压达到电池浮充电压，降压转换器恒压输出，电池进入浮充状态。
保护状态：单片机实时检测MOS管压降，当压降大于0.5V时，说明线路中存在过流或者短路，这时单片机迅速向MOS管发出低电平使其关断，延时2秒钟，单片机向MOS管发出1mS宽度的高电平，然后检测MOS管压降看是否低于5mV，当低于5mV时，单片机向MOS管发出高电平，进入到待机状态，否则一直处于间歇保护状态。
如图3所示，是该保护板的升压式模块的其中一个升压单元(功率较大时需要多个并联)，Vin是并联锂电池组的电压，MT3608是升压IC，EN是升压IC的使能端，需要输出时，EN连接Vin电压，升压IC开始工作，SW是内部功率MOS管的漏极，源极是接地的，IC内部PWM输出开关脉冲控制MOS管的栅极，PWM输出高电平时，MOS管开通，L1储能，PWM输出低高电平时，MOS管关断，L1贮存的能量通过续流二极管D1对输出电容Cout充电，同时Vout端口为负载供电。
Vout输出电压经过R1和R2分压后，送入IC的反馈端FB，输出电压升高时，FB电压也升高，IC控制PWM的占空比减小，MOS管的开通时间也减小，L1储存的能量也减小，通过D1的电流也减小，Vout也会减小，通过这样的负反馈，可以保证Vout电压的稳定。
如图4所示，是该保护板的降压模块单元，Vin是充电器的输出电压(4.5—30V)，Vout通过保护MOS管接并联锂电池组，NS6316是降压IC，EN是降压IC的使能端，需要充电时，EN连接Vin电压，降压IC开始工作，SW是内部功率NMOS管的源极，漏极是接Vin的，IC内部PWM输出开关脉冲控制MOS管的栅极，PWM输出高电平时，MOS管开通，L2储能，通过L2的电流对Cout充电，同时Vout端口为电池充电，PWM输出低高电平时，MOS管关断，L2贮存的能量通过续流二极管D2对输出电容Cout充电，同时Vout端口为电池充电。
Vout输出电压经过R3和R4分压后，送入IC的反馈端FB，输出电压升高时，FB电压也升高，IC控制PWM的占空比减小，MOS管的开通时间也减小，L2储存的能量也减小，通过D2的电流也减小，Vout也会减小，通过这样的负反馈，可以保证Vout电压的稳定，可以高效的给锂电池充电。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。
Claims (8)
1.一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于：包括相连的并联电池组模块、升压转换器、降压转换器、同口输入输出模块；其中并联电池组模块用于供电、同口输入输出模块用于外接充电器及负载工具；其中升压转换器、降压转换器并联设置，所述并联电池组模块、升压转换器、同口输入输出模块形成与外接充电器相连的充电通路；所述并联电池组模块、降压转换器、同口输入输出模块形成与负载工具相连的放电通路；
所述降压转换器、同口输入输出模块之间设置有充电控制模块；当同口输入输出端接上充电器时，充电控制模块会启用降压转换器模块，将充电器电压采用PWM开关方式转换为单体电池充电所需要的电压；
所述升压转换器、同口输入输出模块之间设置有放电控制模块；当同口输入输出端接上负载时，放电控制模块会启用升压转换器，将并联电池组模块采用PWM开关方式转换为负载工具需要的电压，在电池电量消耗尽之前，输出电压保持恒定。
2.根据权利要求1所述的一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于，所述升压转换器包括升压单元，所述升压单元包括MT3608型号升压IC芯片。
3.根据权利要求2所述的一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于，所述升压转换器模块包括多个并联设置的升压单元。
4.根据权利要求1所述的一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于，所述升压转换器包括NS6316型号降压IC芯片。
5.根据权利要求1所述的一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于，所述并联电池组模块、同口输入输出模块之间还设置有短路及欠压保护模块，其中短路及欠压保护模块还与充电控制模块、放电控制模块相连，其中短路及欠压保护模块用于并联电池组模块发生短路、过放电欠压时切断供电电路。
6.根据权利要求1所述的一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于，所述并联电池组模块中电池单体为3.2V磷酸铁锂锂电池。
7.根据权利要求1所述的一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于，所述同口输入输出模块采用场效应管切换充电状态和放电状态。
8.根据权利要求1所述的一种并联升压式锂电池保护板，其特征在于，所述充电控制模块、放电控制模块采用51单片机。
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