专利名称：嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块的制作方法
技术领域：
本实用新型嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，是一种装置于充电器 内且适合于3-4节锂离子电池组的带充电控制的保护模块，属于电池技术领域。
背景技术：
电子信息时代使人们对移动电源的需求快速增长，由于锂离子电池具有能量密度 高、循环寿命长、无记忆效应、自放电量较低及单节锂离子电池电压高等优点，使其在便携 式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等方面具有广阔的应用前景，成为近年广为关 注的研究热点，必将对未来人们的生活产生深刻的影响。虽然锂离子电池具有以上所述的诸多优点，但在使用时需严格注意过压保护、过 放电保护和过流保护，而且对保护电路的精度要求也比较高。在锂离子电池的使用过程中， 可能会由于使用者的错误造成过充电而导致锂离子电池温度上升；由于电解液的分解产生 气体，使其内部压力上升、金属锂释出，而造成起火或破裂的危险。在锂离子电池放电时，若 过放电将会分解电解液，使得锂离子电池的特性产生劣化，影响锂离子电池的寿命。因此锂 离子必须配备精确稳定的保护模块。目前绝大多数保护板都只具有保护功能，用户在充电 时必须使用配套的充电器，使用起来不便利。另一方面，为锂离子电池进行充电时，如果不采用合理的充电方法，将会影响到电 池的循环寿命甚至损坏电池。对于不同正极材料(如LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4，LiFePO4等) 的锂离子电池来说，拥有不同的化学特性，所需的充电曲线也不尽相同，而目前广泛使用的 充电器都只针对某一特性的锂电池应用，要应用于其他特性的电池就必须修改硬件。
发明内容实用新型所要解决的技术问题在于提供一种便利、稳定、可靠性高，充电效率高 的嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，促使锂电池在使用过程中充分发挥能量 密度高、循环寿命长的优点，并保证安全。本实用新型目的通过下述技术方案实现一种嵌入可编程开关式充电功能的锂电 池保护模块，用于锂离子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯 片连接的充电控制模块和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线 路板上或封装在不同的线路板上，其中所述的充电控制模块包括一单片机芯片U2(PIC16F526)、一脉宽调制芯片 Ul (MCP1631HV)、充电开关N沟道场效应管Q1、耦合电感Li、输入输出滤波电容Cl、C2、C4、 热敏电阻RTl以及状态显示LED管D2、D3、D4，由于MCP1631HV最大输入电压为16V，设置前 端保护电路单元，此前端保护单元由晶体三极管Q3，Q4，P沟道场效应管Q5以及6颗分压电 阻构成，输入电压高于16V时，Q3，Q5导通，场效应管Q5关断，充电控制模块不工作，来自脉 宽调制芯片Ul的PWM信号控制充电开关N沟道场效应管Q1，通过电感Ll对电池进行充电， 充电分为预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电四个阶段，通过设置单片机U2的程序调节PWM信号的占空比和开关频率，使充电电压、电流以及充电曲线达到设定的输出值，单片机 可同时烧入多种针对不同化学特性锂电池的充电曲线，通过外部跳线J3和电阻R19、R22阻 值匹配进行选择；充电电压单片机程序烧入通过J4编程接口进行，单片机可实时监测充电 状态，充电状态通过3个LED管D2、D3、D4显示，上电时D2常亮，充电时D3闪烁，充电完成 D4常亮；通过R16，R17对充电回路进行闭环控制，在整个充电过程中保证各项参数控制在 设定的范围内，可根据需要扩展更多功能；所述的保护模块包括一颗3-4节锂电池管理保护芯片U3 S8254、一个双P沟道充 放电功率场效应管Q2、场效应管散热片及场效应管滤波电容C17、C18、C19、C20和C21，通 过保护芯片的C0P、D0P端子来控制场效应管Q2的通、断；电流检测精密电阻SR1、SR2 ’充放 电保护延迟时间设置电容C22、C23以及电池3-4节切换电阻R36、R37、R38 ；当对电池组充 电时，检测电池电压达到设定的保护电压，当温度上升导致电池内压升高，为防止温度上升 导致电池内压升高，需要终止充电状态，此时激活过充电保护功能，关闭充电场效应管Q2， 终止充电；电池组放电时，检测到电压低于电池过放电保护电压检测点时，激活过放电保护 功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，并将电池保持低静态电流的待机模式；电池在过电 流和短路的情况下，激活过电流保护功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，通过调节外接 电容C22、C23设置过电流检测延迟时间控制端，以免出现场效应管Q2的误操作，对于不同 产品的工作电流要求不同，通过调节精密电阻SR1，SR2阻值来实现。电池组充放电、过流、短路保护功能主要是依靠保护芯片的COP、DOP端子来控制 场效应管的通、断。可通过调节C22，C23来设置保护延迟时间，以免在出现场效应管的误操 作。对于不同产品的工作电流要求不同，过电流保护值要求范围也比较宽泛，可通过调节精 密电阻SRl，SR2阻值来实现。在上述方案基础上，所述的锂电池管理保护芯片U3 S8254在3、4组电池的切换 通过电阻R36，R37，R38实现，装配R36，不装配R37，R38用于4节串联电池组，反之不装配 R36，装配R37，R38适用于3节串联电池组，每节电池输入端需加RC滤波电路。 在上述方案基础上，所述的场效应管Q2为P沟道的低内阻金属氧化物半导体场效 应晶体管M0SFET，位于充电器电芯正极和电池包正极之间，通过并联多个MOSFET实现更大 的载流能力。所述的充电控制模块通过外置热敏电阻监测环境温度，在充电过程中温度超过设 定值时，充电过程及时停止。所述的印刷电路板为环氧树脂基板。本实用新型的优点在于功能全面、使用范围广、充电效率高，可同时实现3-4串锂 离子电池组的保护和充电功能，对不同化学特性的电芯可保持硬件不变，只修改单片机程序。
图1充电控制模块电路原理图图2前端保护电路单元电路原理图图3管理保护模块电路原理图具体实施方式
一种嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，装置在充电器中，用于锂离 子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯片连接的充电控制模块 和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线路板上或封装在不同的 线路板上，其中1.充电模块包括一颗单片机芯片PIC16F526，编号为U2;—颗脉宽调制芯片 MCP1631HV，编号为Ul ；充电开关N沟道场效应管Ql ；晶体三极管Q3，Q4，P沟道场效应管 Q5 ；耦合电感Li，滤波电容Cl，C2，C4，热敏电阻RTl，状态显示LED D2，D3，D4。由于MCP1631HV最大输入电压为16V，为避免错误使用外接适配器等原因而输入 高于16V电压时造成充电器损坏的情况，保护板设置了前端保护电路单元。此前端保护单 元由Q3，Q4，Q5以及6颗分压电阻构成，输入电压高于16V时，Q3，Q5导通，场效应管Q5关 断，充电模块不工作。来自U2的PWM信号控制充电开关，通过电感Ll对电池进行充电，充电分为预充 电，恒流充电，恒压充电，涓流充电四个阶段。通过设置单片机Ul的程序调节PWM的占空比 和开关频率，使充电电压、电流以及充电曲线可达到所需的输出值。单片机可同时烧入多种 针对不同化学特性锂电池的充电曲线，通过外部跳线J3和R19，R22阻值匹配进行选择。配
置情况如下表所示 充电电压单片机程序烧入通过J4编程接口进行。充电状态通过3个LED显示，上 电时D2常亮，充电时D3闪烁，充电完成D4常亮。通过外部热敏电阻RTl检测电池温度，RTl采用线束封装，在保护板和电芯装配时 将RTl的检测端子紧贴在电芯侧面，并用胶固定，在充电过程当中当电芯温度超过55°C时 停止充电。2.锂电池管理保护模块包括一颗3-4节锂电池管理保护芯片S8254，编号为U3 ； 一颗双P沟道充放电功率场效应管Q2 ；场效应管散热片及场效应管滤波电容C17-C21 ；电 流检测精密电阻SR1，SR2 ；充放电保护延迟时间设置电容C22、C23 ；电池3_4节切换电阻 R36、R37、R38。当对电池组充电时，检测电池电压达到设定的保护电压，为防止温度上升导 致电池内压升高，需要终止充电状态，此时激活过充电保护功能，关闭充电场效应管，终止 充电。电池组放电时，当检测电压低于电池过放电保护电压检测点时激活过放电保护功能， 关闭放电场效应管，终止放电，并将电池保持低静态电流的待机模式。电池在过电流和短路的情况下，激活过电流保护功能，关闭放电场效应管，终止放电。电池组充放电、过流、短路 保护功能主要是依靠保护芯片的C0P、D0P端子来控制场效应管的通、断。可通过调节C22， C23来设置保护延迟时间，以免在出现场效应管的误操作。对于不同产品的工作电流要求不 同，过电流保护值要求范围也比较宽泛，可通过调节SR1，SR2阻值来实现。 本实施例功能全面，使用范围广，充电效率高，可同时实现3-4串锂离子电池组的 保护和充电功能，对不同化学特性的电芯可保持硬件不变，只修改外围跳线及电阻配置。
权利要求一种嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，装置在充电器内，用于锂离子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯片连接的充电控制模块和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线路板上或封装在不同的线路板上，其特征在于所述的充电控制模块包括一单片机芯片U2、一脉宽调制芯片U1、充电开关N沟道场效应管Q1、耦合电感L1、输入输出滤波电容C1、C2、C4、热敏电阻RT1以及状态显示LED管D2、D3、D4，由于脉宽调制芯片U1最大输入电压为16V，设置前端保护电路单元，此前端保护单元由晶体三极管Q3，Q4，P沟道场效应管Q5以及6颗分压电阻构成，输入电压高于16V时，Q3，Q5导通，场效应管Q5关断，充电控制模块不工作，来自U1的PWM信号控制充电开关，通过电感L1对电池进行充电，充电分为预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电四个阶段，通过设置单片机U2的程序调节PWM信号的占空比和开关频率，使充电电压、电流以及充电曲线达到设定的输出值，单片机同时烧入多种针对不同化学特性锂电池的充电曲线，通过外部跳线J3和电阻R19、R22阻值匹配进行选择；充电电压单片机程序烧入通过J4编程接口进行，充电状态通过3个LED管D2、D3、D4显示，上电时D2常亮，充电时D3闪烁，充电完成D4常亮；通过R16，R17对充电回路进行闭环控制，在整个充电过程中保证各项参数控制在设定的范围内；所述的保护模块包括一颗3 4节锂电池管理保护芯片U3 S8254、一个双P沟道充放电功率场效应管Q2、场效应管散热片及场效应管滤波电容C17、C18、C19、C20和C21，通过保护芯片的COP、DOP端子来控制场效应管Q2的通、断；电流检测精密电阻SR1、SR2；充放电保护延迟时间设置电容C22、C23以及电池3 4节切换电阻R36、R37、R38；当对电池组充电时，检测电池电压达到设定的保护电压，当温度上升导致电池内压升高，需要终止充电状态，此时激活过充电保护功能，关闭充电场效应管Q2，终止充电；电池组放电时，检测到电压低于电池过放电保护电压检测点时，激活过放电保护功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，并将电池保持低静态电流的待机模式；电池在过电流和短路的情况下，激活过电流保护功能，关闭放电场效应管Q2，终止放电，通过调节外接电容C22、C23设置过电流检测延迟时间控制端，以免出现场效应管Q2的误操作，对于不同产品的工作电流要求不同，通过调节电阻SR1，SR2阻值来实现。
2.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于 所述的锂电池管理保护芯片U3 S8254在3、4组电池的切换通过电阻R36，R37，R38实现，装 配R36，不装配R37，R38用于4节串联电池组，反之不装配R36，装配R37，R38适用于3节串 联电池组，每节电池输入端需加RC滤波电路。
3.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于 所述的场效应管Q2为P沟道的低内阻金属氧化物半导体场效应晶体管，位于充电器电芯正 极和电池包正极之间，通过并联多个场效应晶体管实现更大的载流能力。
4.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于 所述的充电控制模块通过外置热敏电阻监测环境温度，当温度超过设定值时，充电过程停 止。
5.根据权利要求1所述嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，其特征在于 所述的印刷电路板为环氧树脂基板。
专利摘要本实用新型嵌入可编程开关式充电功能的锂电池保护模块，是一种装置于充电器内且适合于3-4节锂离子电池组的带充电控制的保护模块，属于电池技术领域。本实用新型用于锂离子可充电电池组的充放电保护和充电控制装置，由分别与单片机芯片连接的充电控制模块和保护模块构成，所有元件采用贴片式或插件式封装，装在印刷线路板上或封装在不同的线路板上，通过单片机编程驱动充电电路，单片机U2驱动的一脉宽调制芯片U1(MCP1631HV)和电池管理保护芯片U3S8254构成的二模块。与现有的单一充电或保护的保护板相比，拥有更强大的功能，适用范围更广，对各种不同特性的锂离子电池具有良好的适应性。
文档编号H02H7/18GK201667547SQ20102010652
公开日2010年12月8日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者张树望, 曾明球, 邬伟 申请人:上海长园维安电子线路保护股份有限公司