CN221652237U - 锂电池二级保护电路及锂电池供电系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种锂电池二级保护电路及锂电池供电系统，所述锂电池包括多个依次串联的电芯，多个电芯串联后输出串联电压，所述电路包括互相连接的电芯电压检测电路和熔断电路，所述电芯电压检测电路与所述多个电芯分别连接，所述熔断电路与所述串联电压的输出端连接；所述电芯电压检测电路包括相互级联的多个检测子电路，所述多个检测子电路用于检测所述多个电芯对应的多个目标电压，并在所述多个目标电压中的任意一个目标电压满足预设的异常条件的情况下，输出电压异常信号；所述熔断电路用于基于所述电压异常信号，熔断所述串联电压的输出端与电池负载的连接，解决了一级过压保护方案中在电芯电压升高后无法及时切断电路的问题。

Description

锂电池二级保护电路及锂电池供电系统

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池二级保护电路及锂电池供电系统。

背景技术

便携式户外移动电源的应用越来越广泛，锂电池的安全问题也更为受到重视。当前移动电源的技术方案基本是使用多节磷酸铁锂或者三元锂电池组合在一起，组成一定容量的电池包。如果其中某一节电芯发生故障，当对电池包进行充电时，故障电芯的电压可能急速增高，导致整个电池包故障甚至出现过热自燃的风险。目前可通过电压采集器件采集每节电芯的电压值，在发现某一节电芯的电压值大于设定电压值的情况下，通过电池管理软件切断电路来实现保护功能。然而，这种一级过压保护方案仍然存在失效的可能，在极端情况下仍然存在电芯电压升高后无法及时切断电路，导致设备损坏的风险。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种锂电池二级保护电路及锂电池供电系统，解决现有技术中存在的一级过压保护方案在电芯电压升高后无法及时切断电路的问题。

第一个方面，在本实施例中提供了一种锂电池二级保护电路，所述锂电池包括多个依次串联的电芯，多个电芯串联后输出串联电压，所述电路包括互相连接的电芯电压检测电路和熔断电路，所述电芯电压检测电路与所述多个电芯分别连接，所述熔断电路与所述串联电压的输出端连接；

所述电芯电压检测电路包括相互级联的多个检测子电路，所述多个检测子电路用于检测所述多个电芯对应的多个目标电压，并在所述多个目标电压中的任意一个目标电压满足预设的异常条件的情况下，输出电压异常信号；

所述熔断电路用于基于所述电压异常信号，熔断所述串联电压的输出端与电池负载的连接。

在进一步的实施例中，所述检测子电路包括控制器，所述控制器包括电压输入端，所述多个检测子电路的多个电压输入端，与所述多个电芯的正极按照串联顺序对应连接，所述多个检测子电路的多个控制器基于所述目标电压从高到低的顺序级联；

级联序列头部的控制器，用于在判定对应的电压输入端输入的目标电压异常的情况下，向下一控制器发送结果异常信号；

级联序列中部的控制器，用于在判定对应的电压输入端输入的目标电压异常，或接收到前一控制器发送的结果异常信号的情况下，向下一控制器发送结果异常信号；

级联序列尾部的控制器，用于在判定对应的电压输入端输入的目标电压异常，或接收到前一控制器发送的结果异常信号的情况下，输出所述电压异常信号。

在进一步的实施例中，所述控制器还包括控制端、输出端；

所述级联序列中上一控制器的输出端通过级联电阻与下一控制器的控制端连接；

所述级联序列头部的控制器的控制端与下一控制器的第一电压输入端连接；

所述级联序列尾部的控制器的输出端连接所述电压异常信号的输出端。

在进一步的实施例中，所述检测子电路还包括与所述控制器的电压输入端对应连接的采样电阻；

所述采样电阻的一端连接所述电芯的正极，所述采样电阻的另一端连接所述控制器的电压输入端。

在进一步的实施例中，所述检测子电路还包括与所述控制器的电压输入端对应连接的滤波电容；

所述滤波电容的一端连接所述电压输入端，所述滤波电容的另一端连接按照所述目标电压从高到低排序的下一电压输入端或所述控制器的接地端。

在进一步的实施例中，所述熔断电路包括第一开关和三端保险丝；所述三端保险丝的第一端和第二端分别连接所述串联电压的输出端和电池负载，所述三端保险丝的第三端连接所述第一开关的第一端，所述第一开关的第二端接地，所述第一开关的控制端连接所述电压异常信号的输出端；

所述第一开关用于基于所述电压异常信号将所述三端保险丝的第三端接地；

所述三端保险丝在所述第三端接地的情况下，熔断所述串联电压的输出端与电池负载的连接。

在进一步的实施例中，所述熔断电路还包括第二开关，所述第二开关的一端连接所述第一开关的第一端，所述第二开关的另一端连接所述三端保险丝的第三端；

所述第二开关用于控制所述三端保险丝的第三端接地通路的导通或断开。

在进一步的实施例中，所述熔断电路还包括电容C14、电阻R40和电阻R42，

所述电阻R40的一端连接所述电压异常信号的输出端，所述电阻R40的另一端连接所述电容C14的一端和所述电阻R42的一端，所述电容C14的另一端和所述电阻R42的另一端接地。

在进一步的实施例中，所述预设的异常条件包括所述目标电压大于预设的电压阈值，或所述目标电压无输入。

第二个方面，在本实施例中提供了一种锂电池供电系统，所述锂电池供电系统包括锂电池、电池管理系统及如第一个方面所述的锂电池二级保护电路。

本实用新型的锂电池二级保护电路，通过电芯电压检测电路检测多个电芯对应的多个目标电压，并在多个目标电压中的任意一个目标电压满足预设的异常条件的情况下，输出电压异常信号，通过熔断电路基于电压异常信号，熔断串联电压的输出端与电池负载的连接，在任意一个或多个电芯输出的目标电压发生异常时及时发送电压异常信号并切断多个电芯串联后对负载的供电，解决了一级过压保护方案在电芯电压升高后无法及时切断电路的问题，提高了锂电池的使用安全性。

附图说明

图1是本申请一些实施例的锂电池二级保护电路与电芯、电池负载的连接示意图；

图2是本申请一些实施例的电芯电压检测电路与电芯的连接示意图；

图3是本申请一些实施例的控制器构成的级联序列的连接示意图；

图4是本申请一些实施例的检测子电路的电路拓扑示意图；

图5是本申请另一些实施例的检测子电路的电路拓扑示意图；

图6是本申请一些实施例的熔断电路的连接示意图；

图7是本申请另一些实施例的熔断电路的连接示意图；

图8是本申请一些实施例的熔断电路的电路拓扑示意图；

图9是本申请一些实施例的锂电池二级保护电路的电路拓扑示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。“第一”、“第二”仅为了元件名称的区分，并不表示顺序。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细的说明。其中，本实用新型实施例结合示意图进行详细描述，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。

下面结合附图，对本实用新型的实施例提供的锂电池二级保护电路作进一步的详细说明。

请参阅图1所示，为本申请一些实施例的锂电池二级保护电路与电芯、电池负载的连接示意图。锂电池10包括多个依次串联的电芯11，多个电芯11串联后输出串联电压Vs。锂电池二级保护电路包括互相连接的电芯电压检测电路30和熔断电路40，电芯电压检测电路30与多个电芯11分别连接，熔断电路40与串联电压Vs的输出端连接。

电芯电压检测电路30包括相互级联的多个检测子电路31，多个检测子电路31用于检测多个电芯11对应的多个目标电压Vt1、Vt2、…Vtn，并在多个目标电压Vt1、Vt2、…Vtn中的任意一个目标电压满足预设的异常条件的情况下，输出电压异常信号Se。

熔断电路40用于基于电压异常信号Se，熔断串联电压Vs的输出端与电池负载50的连接。

具体地，多个电芯11依次串联，串联序列尾部的电芯可通过负极接地，串联序列头部的电芯可连接串联电压Vs的输出端。目标电压Vt1、Vt2、…Vtn可以是串联序列中每个电芯的正极电压，按照电压值从高到低顺序排列；其中目标电压Vt1等于串联电压Vs，串联序列中每个电芯对应的目标电压等于从该电芯到地之间串联的各电芯输出的电压之和。

检测子电路31用于检测目标电压Vt1、Vt2、…Vtn，本实施例对检测子电路31的数量，以及每个检测子电路31所检测的目标电压的数量不做限制。检测子电路31获取目标电压后，基于预设的异常条件对目标电压进行判定。其中，预设的异常条件可以与各个目标电压Vt1、Vt2、…Vtn相对应，每个目标电压对应的异常条件可以不同或相同。在任意一个目标电压满足对应的异常条件的情况下，电芯电压检测电路30输出电压异常信号Se。

具体地，预设的异常条件可以包括目标电压大于预设的电压阈值，或目标电压无输入。即当任意一个电芯没有对应的目标电压输出，或任意一个电芯对应的目标电压超过该电芯在串联序列中对应的电压阈值时，判定该多个电芯串连构成的电芯组工作状态异常，向熔断电路40发送电压异常信号Se。

熔断电路40基于电压异常信号Se，熔断串联电压Vs的输出端与电池负载50的连接，在锂电池的一级过压保护功能失效的情况下，在电芯电压出现异常后能够及时切断电芯的供电电路，提高了锂电池的使用安全性。

在一些实施例中，图2是本申请一些实施例的电芯电压检测电路与电芯的连接示意图，如图2所示，检测子电路31包括控制器310，控制器310包括电压输入端Vi1、Vi2、…，Vim，多个检测子电路31的多个电压输入端(图中示出3个检测子电路31)，与多个电芯11的正极按照串联顺序对应连接，多个检测子电路31的多个控制器310基于目标电压从高到低的顺序级联。

级联序列头部的控制器310(图2上方的控制器310)，用于在判定对应的电压输入端Vi1、Vi2、…，Vim输入的目标电压Vt1、Vt2、…，Vtm异常的情况下，向下一控制器发送结果异常信号Se1。

级联序列中部的控制器310(图2中间的控制器310)，用于在判定对应的电压输入端Vi(m+1)、Vi(m+2)、…，Vi(2m)输入的目标电压Vt(m+1)、Vt(m+2)、…，Vt(2m)异常，或接收到前一控制器发送的结果异常信号Se1的情况下，向下一控制器发送结果异常信号Se2(在控制器310数量更多的情况下，可以此类推为Se3等)。

级联序列尾部的控制器310(图2下方的控制器310)，用于在判定对应的电压输入端Vi(km+1)、Vi(km+2)、…，Vin输入的目标电压Vt(km+1)、Vt(km+2)、…，Vtn异常，或接收到前一控制器发送的结果异常信号的情况下，输出电压异常信号Se。

本实施例中，多个检测子电路31对应的多个控制器310按照目标电压从高到低的顺序级联，且每个控制器310的多个电压输入端也按照目标电压从高到低的顺序依次连接。控制器310可根据对应的每个电压输入端所接入的目标电压在整个串联序列中的位置，确定对应的电压阈值，并根据该电压阈值对目标电压进行检测。

在目标电压超出对应的电压阈值，或检测不到目标电压的情况下，控制器310生成结果异常信号并发送到级联序列中的下一控制器310。在级联序列中任一控制器310生成结果异常信号的情况下，级联序列尾部的控制器310输出电压异常信号Se。

在进一步的实施例中，图3是本申请一些实施例的控制器构成的级联序列的连接示意图，如图3所示，控制器310还包括控制端CTL、输出端OUT。级联序列中上一控制器310的输出端OUT通过级联电阻Rc1、Rc2、…与下一控制器310的控制端CTL连接；级联序列头部的控制器310的控制端CTL与下一控制器310的第一电压输入端Vi(m+1)连接；级联序列尾部的控制器310的输出端OUT连接电压异常信号Se的输出端。

控制器310的输出端OUT用于在控制器310判定对应的电压输入端输入的目标电压异常，或接收到前一控制器310发送的结果异常信号的情况下，向下一控制器310的控制端CTL输出结果异常信号，实现结果异常信号的逐级传递，并最终发送到熔断电路。

级联序列头部的控制器310的控制端CTL可以与该控制器310的接地端连接，并与下一控制器310的第一电压输入端连接，以向该控制器310的控制端CTL提供级联控制信号。

在一具体实施例中，控制器310为电压保护芯片SH367215SC，该芯片的电压输入端最多为5个，可对3～5个目标电压值进行检测。SH367215SC可根据预先确定的电压阈值对输入的每个目标电压值进行对应的电压检测，实现过压保护和断线保护。当检测到目标电压处于异常状态(过压或断线)时，在输出端OUT输出电压异常信号Se，电压异常信号Se为高电平信号。

当电压保护芯片SH367215SC的电压输入端有空余时，空余的电压输入端可以与该芯片的接地端连接。级联序列尾部的SH367215SC的接地端与GND连接，级联序列头部和中部的SH367215SC的接地端可以与下一SH367215SC芯片的第一电压输入端连接。

在一些实施例中，图4为本申请一些实施例的检测子电路的电路拓扑示意图，如图4所示，检测子电路31还包括与控制器310的电压输入端VDD、VC2、VC3、VC4对应连接的采样电阻R257、R31、R259、R32；采样电阻的一端连接电芯的正极B8～B5，另一端连接控制器310的对应电压输入端。控制器310的电压输入端VC5未使用，与接地端GND相连；控制端CTL与接地端GND、下一控制器310的第一电压输入端连接；输出端OUT与下一控制器310的控制端CTL连接。

具体地，采样电阻R257的一端连接电芯的正极B8，另一端连接电压输入端VDD；采样电阻R31的一端连接电芯的正极B7，另一端连接电压输入端VC2；采样电阻R259的一端连接电芯的正极B6，另一端连接电压输入端VC3；采样电阻R32的一端连接电芯的正极B5，另一端连接电压输入端VC4。

采样电阻用于对电芯电压进行采样后输入控制器310对应的电压输入端，作为判定电芯电压是否异常的基础数据。

在一些实施例中，图5为本申请另一些实施例的检测子电路的电路拓扑示意图，如图5所示，检测子电路31还包括与控制器310的电压输入端VDD、VC2、VC3、VC4对应连接的滤波电容C115、C112、C113、C6；滤波电容的一端连接电压输入端，另一端连接按照目标电压从高到低排序的下一电压输入端或控制器310的接地端。

具体地，滤波电容C115一端连接电压输入端VDD，另一端连接控制器310的接地端GND；滤波电容C112一端连接电压输入端VC2，另一端连接电压输入端VC3；滤波电容C113一端连接电压输入端VC3，另一端连接电压输入端VC4；滤波电容C6一端连接电压输入端VC4，另一端连接接地端GND。滤波电容用于对采样获取的目标电压进行滤波。

在一些实施例中，图6为本申请一些实施例的熔断电路的连接示意图，如图6所示，熔断电路40包括第一开关41和三端保险丝42；三端保险丝42的第一端和第二端分别连接串联电压Vs的输出端和电池负载50，三端保险丝42的第三端连接第一开关41的第一端，第一开关41的第二端接地，第一开关41的控制端连接电压异常信号Se的输出端。

第一开关41用于基于电压异常信号Se将三端保险丝42的第三端接地；三端保险丝42在第三端接地的情况下，熔断串联电压Vs的输出端与电池负载50的连接。

第一开关41可以是三极管、MOS管，三端保险丝42可以是带有加热功能的保险丝，加热功能可通过连接在第三端的加热器实现。当第一开关基于电压异常信号Se导通，使三端保险丝42的第三端接地时，加热器开始加热使三端保险丝42的第一端和第二端之间的保险丝熔断，切断串联电压Vs的输出端与电池负载50的连接。

在进一步的实施例中，图7为本申请另一些实施例的熔断电路的连接示意图，如图7所示，熔断电路还包括第二开关43，第二开关43的一端连接第一开关41的第一端，第二开关43的另一端连接三端保险丝42的第三端；第二开关43用于控制三端保险丝42的第三端接地通路的导通或断开。

第二开关43可以是可通过操作控制的开关，如跳线器或按键开关等。当基于调试或测试需求关闭电芯电压的二级保护功能时，可通过第二开关43断开三端保险丝42第三端的接地通路。

在进一步的实施例中，图8为本申请一些实施例的熔断电路的电路拓扑示意图，如图8所示，熔断电路还包括电容C14、电阻R40和电阻R42，电阻R40的一端连接电压异常信号Se的输出端，电阻R40的另一端连接电容C14的一端和电阻R42的一端，电容C14的另一端和电阻R42的另一端接地。

本实施例中第一开关为MOS管Q2，第二开关为跳线器JP1，电容C14用于对电压异常信号Se滤波，电阻R40、R42为分压电阻。

在一些实施例中，图9是本申请一些实施例的锂电池二级保护电路的电路拓扑示意图，如图9所示，本实施例的锂电池二级保护电路包括电芯电压检测电路30和熔断电路40。电芯电压检测电路30包括两个检测子电路31，两个检测子电路31分别包括控制器U6和U7，控制器型号均为SH367215SC。每个控制器包括5个电压输入端，实际使用4个电压输入端。两个检测子电路31一共用于检测8个目标电压，即用于8个电芯串联的电芯组的电压检测。本实施例各电路的连接关系和用途均已经在上述实施例中说明，此处不再赘述。

本申请一些实施例还提供了一种锂电池供电系统，该锂电池供电系统包括锂电池、电池管理系统和上述实施例中的锂电池二级保护电路。本实施例中的锂电池供电系统，通过电池管理系统(BMS)实施一级保护功能，具体可基于模拟前端芯片采集每节电芯的电压值，在电芯的电压值出现异常的情况下，由BMS切断电芯组的供电电路。而在一级保护出现异常的情况下，可通过上述实施例中所述的锂电池二级保护电路实现二级保护，及时切断电芯的供电电路，提高了锂电池的使用安全性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种锂电池二级保护电路，所述锂电池包括多个依次串联的电芯，多个电芯串联后输出串联电压，其特征在于，所述电路包括互相连接的电芯电压检测电路和熔断电路，所述电芯电压检测电路与所述多个电芯分别连接，所述熔断电路与所述串联电压的输出端连接；

所述电芯电压检测电路包括相互级联的多个检测子电路，所述多个检测子电路用于检测所述多个电芯对应的多个目标电压，并在所述多个目标电压中的任意一个目标电压满足预设的异常条件的情况下，输出电压异常信号；

所述熔断电路用于基于所述电压异常信号，熔断所述串联电压的输出端与电池负载的连接。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述检测子电路包括控制器，所述控制器包括电压输入端，所述多个检测子电路的多个电压输入端，与所述多个电芯的正极按照串联顺序对应连接，所述多个检测子电路的多个控制器基于所述目标电压从高到低的顺序级联；

级联序列头部的控制器，用于在判定对应的电压输入端输入的目标电压异常的情况下，向下一控制器发送结果异常信号；

级联序列中部的控制器，用于在判定对应的电压输入端输入的目标电压异常，或接收到前一控制器发送的结果异常信号的情况下，向下一控制器发送结果异常信号；

级联序列尾部的控制器，用于在判定对应的电压输入端输入的目标电压异常，或接收到前一控制器发送的结果异常信号的情况下，输出所述电压异常信号。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述控制器还包括控制端、输出端；

所述级联序列中上一控制器的输出端通过级联电阻与下一控制器的控制端连接；

所述级联序列头部的控制器的控制端与下一控制器的第一电压输入端连接；

所述级联序列尾部的控制器的输出端连接所述电压异常信号的输出端。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述检测子电路还包括与所述控制器的电压输入端对应连接的采样电阻；

所述采样电阻的一端连接所述电芯的正极，所述采样电阻的另一端连接所述控制器的电压输入端。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述检测子电路还包括与所述控制器的电压输入端对应连接的滤波电容；

所述滤波电容的一端连接所述电压输入端，所述滤波电容的另一端连接按照所述目标电压从高到低排序的下一电压输入端或所述控制器的接地端。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述熔断电路包括第一开关和三端保险丝；所述三端保险丝的第一端和第二端分别连接所述串联电压的输出端和电池负载，所述三端保险丝的第三端连接所述第一开关的第一端，所述第一开关的第二端接地，所述第一开关的控制端连接所述电压异常信号的输出端；

所述第一开关用于基于所述电压异常信号将所述三端保险丝的第三端接地；

所述三端保险丝在所述第三端接地的情况下，熔断所述串联电压的输出端与电池负载的连接。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述熔断电路还包括第二开关，所述第二开关的一端连接所述第一开关的第一端，所述第二开关的另一端连接所述三端保险丝的第三端；

所述第二开关用于控制所述三端保险丝的第三端接地通路的导通或断开。

8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述熔断电路还包括电容C14、电阻R40和电阻R42，

所述电阻R40的一端连接所述电压异常信号的输出端，所述电阻R40的另一端连接所述电容C14的一端和所述电阻R42的一端，所述电容C14的另一端和所述电阻R42的另一端接地。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述预设的异常条件包括所述目标电压大于预设的电压阈值，或所述目标电压无输入。

10.一种锂电池供电系统，其特征在于，所述锂电池供电系统包括锂电池、电池管理系统及如权利要求1～9任一所述的锂电池二级保护电路。