大功率锂电池保护器的制作方法

本发明属于锂电池保护技术领域，具体地来说，是一种大功率锂电池保护器。

背景技术：

锂电池，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。其中，锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。

随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展，目前已成为锂电池的主流产品。

锂电池无记忆效应，因而循环次数多、使用寿命长。与此同时，锂电池也存在一些缺陷，例如不能出现过充或过放，否则将极大地损害锂电池的使用寿命。

特别地，对于大功率锂电池而言，该情况将更为严重。为此，需要对锂电池的充放电过程进行保护。现有的大功率锂电池保护，由于结构所限，多采用单一的控制判断单元，容易出现信号冲突而影响判断的精确度，造成保护效果不佳。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种大功率锂电池保护器，控制判断准确、可靠性高。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种大功率锂电池保护器，包括采集单元、控制单元、驱动单元、执行单元：

所述采集单元用于采集锂电池包的充放电电流、所述锂电池包中单体锂电池的电压及所述锂电池包与充电器及负载的通断状态，并将采集到的数据输出至所述控制单元；

所述控制单元包括欠压保护控制模块、短路保护控制模块、过流保护控制模块、过充保护控制模块，用于根据所述采集到的数据与预定阈值对比，根据对比结果向所述驱动单元发出指令信号；

所述驱动单元用于根据所述指令信号，驱动所述执行单元执行动作；

所述执行单元用于执行对所述锂电池包及所述单体锂电池的通断切换。

作为上述技术方案的改进，所述采集单元包括：

电压监测器，用于采集所述单体锂电池的电压；

电流监测器，用于采集所述锂电池包的充放电电流。

作为上述技术方案的进一步改进，所述欠压保护控制模块包括欠压比较器、欠压信号发生器与欠压控制器：

所述欠压比较器用于将所述电压监测器的检测值与欠压阈值比较；

所述欠压信号发生器根据所述欠压比较器的比较结果而产生控制电平信号；

所述欠压控制器包括一NPN型三极管，所述NPN型三极管的基极通过一电阻器与所述欠压信号发生器的输出端连接，所述NPN型三极管的基极与发射极之间连接有一电容器，所述NPN型三极管的集电极与所述驱动单元连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述短路保护控制模块包括一NPN型三极管，所述NPN型三极管的发射极与所述锂电池包的负极连接，所述NPN型三极管的基极通过一电容器与所述锂电池包的负极连接，所述NPN型三极管的集电极与所述驱动单元连接，所述NPN型三极管的基极通过一电阻器与所述单体电池的负极连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述过流保护控制模块包括过流比较器、过流信号发生器与过流控制器：

所述过流比较器用于将所述电压监测器的检测值与过流阈值比较；

所述过流信号发生器根据所述过流比较器的比较结果而产生控制电平信号；

所述过流控制器包括至少一个用于控制所述驱动单元的NPN型三极管。

作为上述技术方案的进一步改进，所述过充保护控制模块包括过充比较器、过充信号发生器与过充控制器：

所述过充比较器用于将所述电压监测器的检测值与过充阈值比较；

所述过充信号发生器根据所述过充比较器的比较结果而产生控制电平信号，并将所述控制电平信号输出至所述过充控制器；

所述过充控制器包括至少一个用于控制所述驱动单元的NPN型三极管。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动单元包括至少一个充电驱 动半桥，所述充电驱动半桥包括一NPN型三极管与一PNP型三极管：

所述NPN型三极管的发射极与所述PNP型三极管的发射极连接；

所述NPN型三极管的基极与所述PNP型三极管的发射极连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动单元包括至少一个放电驱动半桥，所述放电驱动半桥包括一NPN型三极管与一个PNP型三极管：

所述NPN型三极管的发射极与所述PNP型三极管的发射极连接；

所述NPN型三极管的基极与所述PNP型三极管的发射极连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述执行单元包括至少一个充电执行器与至少一个放电执行器：

所述充电执行器用于接通/切断所述锂电池包与所述单体锂电池的充电电路；

所述放电执行器用于接通/切断所述锂电池包与所述单体锂电池的放电电路。

作为上述技术方案的进一步改进，所述充电执行器包括多个并联连接的充电侧MOS管，所述充电侧MOS管的栅极与所述驱动单元连接，所述充电侧MOS管的源极与所述充电器的负极连接，所述充电侧MOS管的漏极与所述锂电池包的负极连接。

和/或，所述放电执行器包括多个并联连接的放电侧MOS管，所述放电侧MOS管的栅极与所述驱动单元连接，所述放电侧MOS管的源极与所述单体锂电池的负极连接，所述放电侧MOS管的漏极与所述锂电池包的负极连接。

本发明的有益效果是：通过设置采集单元、控制单元、驱动单元、执行单元，控制单元包括独立设置的欠压保护控制模块、短路保护控制模块、 过流保护控制模块、过充保护控制模块，控制驱动单元而驱动执行单元实现对锂电池包及单体电池的充放电电路的通断切换，不会出现信号冲突和干扰，提供了一种控制判断准确、可靠性高的大功率锂电池保护器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的总体结构图；

图2是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的采集单元的结构图；

图3是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的控制单元的第一示意图；

图4是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的欠压保护控制模块的连接示意图；

图5是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的控制单元的第二示意图；

图6是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的控制单元的第三示意图；

图7是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的控制单元的第四示意图；

图8是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的控制单元的第五示意图；

图9是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的控制单元的第六示意图；

图10是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的控制单元的第七示意图；

图11是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的放电驱动半桥的结构图；

图12是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的执行单元的结构图；

图13是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的充电执行器的结构图；

图14是本发明实施例1提供的大功率锂电池保护器的放电执行器的结构图。

主要元件符号说明：

1000-大功率锂电池保护器，0100-采集单元，0110-电压监测器，0120-电流监测器，0200-控制单元，0210-欠压保护控制模块，0211-欠压比较器，0212-欠压信号发生器，0213-欠压控制器，0213a-欠压NPN型三极管，0213b-欠压电阻器，0213c-欠压电容器，0220-短路保护控制模块，0221-短路NPN型三极管，0222-短路电阻器，0223-短路电容器，0230-过流保护控制模块，0231-过流比较器，0232-过流信号发生器，0233-过流控制器，0233a-过流NPN型三极管，0233b-过流第二NPN型三极管，0240-过充保护控制模块， 0241-过充比较器，0242-过充信号发生器，0243-过充控制器，0243a-过充NPN型三极管，0300-驱动单元，0310-充电驱动半桥，0311-充电侧NPN型三极管，0312-充电侧PNP型三极管，0320-放电驱动半桥，0321-放电侧NPN型三极管，0322-放电侧PNP型三极管，0400-执行单元，0410-充电执行器，0411-充电侧MOS管，0420-放电执行器，0421-放电侧MOS管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对大功率锂电池保护器进行更全面的描述。附图中给出了大功率锂电池保护器的优选实施例。但是，大功率锂电池保护器可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对大功率锂电池保护器的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。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。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在大功率锂电池保护器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，不是旨在限制本发明。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。

实施例1

请参阅图1，大功率锂电池保护器1000包括采集单元0100、控制单元0200、驱动单元0300、执行单元0400：

采集单元0100用于采集锂电池包的充放电电流、锂电池包中单体锂电池的电压及锂电池包与充电器及负载的通断状态，并将采集到的数据输出至控制单元0200；

控制单元0200包括欠压保护控制模块0210、短路保护控制模块0220、过流保护控制模块0230、过充保护控制模块0240，用于根据采集到的数据与预定阈值对比，根据对比结果向驱动单元0300发出指令信号；

驱动单元0300用于根据指令信号，驱动执行单元0400执行动作；

执行单元0400用于执行对锂电池包及单体锂电池的通断切换。

请参阅图2，优选地，采集单元0100包括：

电压监测器0110，用于采集单体锂电池的电压；

电流监测器0120，用于采集锂电池包的充放电电流。

进一步优选，采集单元0100还包括：

充电器监测器0130，用于监测锂电池包与充电器的通断状态；

负载监测器0140，用于检测锂电池包与负载的连接状态。

具体而言，锂电池包根据电量的需要，常常需要通过多个单体锂电池串联或并联组成。为此，电压监测器0110分别连接于各个单体锂电池的正负极，对各个单体锂电池的电压进行采集。

请结合参阅图3、图4与图5，优选地，欠压保护控制模块0210包括欠压比较器0211、欠压信号发生器0212与欠压控制器0213：

欠压比较器0211用于将0110的检测值与欠压阈值比较；

欠压信号发生器0212根据欠压比较器0211的比较结果而产生控制电平信号；

欠压控制器0213包括一欠压NPN型三极管0213a，欠压NPN型三极管0213a的基极通过一欠压电阻器0213b与欠压信号发生器0212的输出端连接，欠压NPN型三极管0213a的基极与发射极之间连接有一欠压电容器0213c，欠压NPN型三极管0213a的集电极与驱动单元0300连接。

请参阅图6，优选地，短路保护控制模块0220包括一短路NPN型三极管0221，短路NPN型三极管0221的发射极与锂电池包的负极连接，短路NPN型三极管0221的基极通过一短路电容器0223与锂电池包的负极连接，短路NPN型三极管0221的集电极与驱动单元0300连接，短路NPN型三极管0221的基极通过一短路电阻器0222与单体电池的负极连接。

请结合参阅图7与图8，优选地，过流保护控制模块0230包括过流比较器0231、过流信号发生器0232与过流控制器0233：

过流比较器0231用于将电流监测器0120的检测值与过流阈值比较；

过流信号发生器0232根据过流比较器0231的比较结果而产生控制电平信号；

过流控制器0233包括至少一个用于控制驱动单元0300的过流NPN型三极管0233a。

优选地，过流控制器0233还包括一个连接于过流信号发生器0232与过流NPN型三极管0233a之间的过流第二NPN型三极管0233b。

请结合参阅图9与图10，优选地，过充保护控制模块0240包括过充比较器0241、过充信号发生器0242：

过充比较器0241用于将电压监测器0110的检测值与过充阈值比较；

过充信号发生器0242根据过充比较器0241的比较结果而产生控制电平信号，并将控制电平信号输出至过充控制器0243；

过充控制器0243包括至少一个用于控制驱动单元0300的过充NPN型三极管0243a。

请结合参阅图10与图11，驱动单元0300具有至少一个充电驱动半桥0310和/或放电驱动半桥0320。具体而言，充电驱动半桥0310、放电驱动半桥0320的数量取决于大功率锂电池的具体功率。

优选地，放电驱动半桥0320分别与欠压NPN型三极管0213a的集电极、短路NPN型三极管0221的集电极、过流NPN型三极管0233a的集电极连接。

当充电驱动半桥0310为多个时，多个充电驱动半桥0310并联连接，分别用以驱动锂电池包内不同部分的若干个单体电池。同理，当放电驱动半桥0320为多个时，多个放电驱动半桥0320并联连接，分别用以驱动锂电池包内不同部分的若干个单体电池。

由此，仅需通过简单的驱动半桥电路，即可实现对执行单元0400的驱动，无需采用专用驱动芯片，进一步降低了大功率锂电池保护器1000的制造难度与成本。

优选地，充电驱动半桥0310包括充电侧NPN型三极管0311与充电侧PNP型三极管0312：

充电侧NPN型三极管0311的发射极与充电侧PNP型三极管0312的发射极连接；

充电侧NPN型三极管0311的基极与充电侧PNP型三极管0312的发射极连接。

进一步优选，过充NPN型三极管0243a的集电极与充电侧NPN型三 极管0311的基极连接，过充NPN型三极管0243a的发射极与充电侧PNP型三极管0312的集电极连接。

由此，通过简单的电路结构，过充保护控制模块0240可实现对过充的保护判断控制。优选地，当充电驱动半桥0310为多个(2个以上)时，多个充电驱动半桥0310之间并联连接。

优选地，放电驱动半桥0320包括放电侧NPN型三极管0321与放电侧PNP型三极管0322：

放电侧NPN型三极管0321的发射极与放电侧PNP型三极管0322的发射极连接；

放电侧NPN型三极管0321的基极与放电侧PNP型三极管0322的发射极连接。

进一步优选，欠压NPN型三极管0213a的集电极与放电侧NPN型三极管0321的基极连接，欠压NPN型三极管0213a的发射极与放电侧PNP型三极管0322的集电极连接。

同理，短路NPN型三极管0221的集电极与与放电侧NPN型三极管0321的基极连接，短路NPN型三极管0221的发射极与放电侧PNP型三极管0322的集电极连接。

同理，过流NPN型三极管0233a的集电极与与放电侧NPN型三极管0321的基极连接，过流NPN型三极管0233a的发射极与放电侧PNP型三极管0322的集电极连接。

由此，可通过结构简单的电路，实现对欠压、短路、过流状态的独立判断控制，互不冲突或干扰。

优选地，当放电驱动半桥0320为多个(2个以上)时，多个放电驱动半桥0320之间并联连接。

请结合参阅图12、图13与图14，优选地，执行单元0400包括至少一个充电执行器0410与至少一个放电执行器0420：

充电执行器0410用于接通/切断锂电池包与单体锂电池的充电电路；

放电执行器0420用于接通/切断锂电池包与单体锂电池的放电电路。

优选地，充电执行器0410为多个，以匹配大功率锂电池的电压与电流状态。多个充电执行器0410之间并联连接，分别对应不同的单体电池，进一步提高大功率锂电池保护器1000的灵活性。

优选地，放电执行器0420为多个，以匹配大功率锂电池的电压与电流状态。多个放电执行器0420之间并联连接，分别对应不同的单体电池，进一步提高大功率锂电池保护器1000的灵活性。

优选地，充电执行器0410包括多个并联连接的MOS管(金属-氧化物半导体场效应晶体管)，亦即充电侧MOS管0411。充电侧MOS管0411的栅极与驱动单元0300连接，充电侧MOS管0411的源极与充电器的负极连接，充电侧MOS管0411的漏极与锂电池包的负极连接。进一步优选，充电侧MOS管0411的源极与漏极之间连接有二极管，避免充电侧MOS管0411受到反向电压的冲击，起到保护作用。

优选地，充电侧MOS管0411为N沟道MOS管。充电侧MOS管0411的栅极分别通过不同阻值的电阻与充电侧NPN型三极管0311的发射极、过充NPN型三极管0243a的集电极连接，充电侧MOS管0411的源极与过充NPN型三极管0243a的发射极连接。

进而，充电侧NPN型三极管0311的集电极与基极之间设有一调压电阻，充电时，充电侧NPN型三极管0311的集电极接以高电平，得以保持导通。由此，充电侧MOS管0411的栅极与源极之间具有一电压差，使充电侧MOS管0411保持导通，锂电池包得以进行充电。

当过充时，电压监测器0110采集的电压高于充电阈值，过充信号发生器0242向过充NPN型三极管0243a的基极发出高电平信号，使过充NPN型三极管0243a保持接通。进而，充电侧PNP型三极管0312得以导通，充电侧MOS管0411的栅源电荷快速释放，充电侧MOS管0411断开，使充电电路切断而不会过充。

优选地，放电执行器0420包括多个并联连接的MOS管，亦即放电侧MOS管0421。放电侧MOS管0421的栅极与驱动单元0300连接，放电侧MOS管0421的源极与单体锂电池的负极连接，放电侧MOS管0421的漏极与锂电池包的负极连接。进一步优选，放电侧MOS管0421的源极与漏极之间连接有二极管，避免放电侧MOS管0421受到反向电压的冲击，起到保护作用。

优选地，放电侧MOS管0421为N沟道MOS管。放电侧MOS管0421的栅极分别与放电侧NPN型三极管0321的发射极、放电侧PNP型三极管0322的发射极连接，放电侧MOS管0421的源极与欠压NPN型三极管0213a的发射极、短路NPN型三极管0221的发射极、过流NPN型三极管0233a的发射极连接。

进而，放电侧NPN型三极管0321的集电极与基极之间设有一调压电阻，放电时，放电侧NPN型三极管0321的集电极接以高电平，得以保持导通。由此，放电侧MOS管0421的栅极与源极之间具有一电压差，使放电侧MOS管0421保持导通，锂电池包得以进行放电。

当欠压(即过放)时，电压监测器0110采集的电压高于放电阈值，欠压信号发生器0212向欠压NPN型三极管0213a的基极发出高电平信号，使欠压NPN型三极管0213a保持接通。进而，放电侧PNP型三极管0322得以导通，放电侧MOS管0421的栅源电荷快速释放，放电侧MOS管0421断开，使放电电路切断而不会过放。

当短路时，单体电池的负极发出一电压信号。该电压信号经短路电阻器0222与短路电容器0223延时后而到达短路NPN型三极管0221的基极，使短路NPN型三极管0221保持导通。进而，放电侧PNP型三极管0322得以导通，放电侧MOS管0421的栅源电荷快速释放，放电侧MOS管0421断开，使放电电路切断而不会发生短路损害。

特别地，通过调节短路电阻器0222与短路电容器0223即可对延时时间进行调节，进一步提高同步性与灵敏度。

当过流时，电流监测器0120采集的电流高于过流阈值，过流信号发生器0232向过流NPN型三极管0233a发出电平信号，使过流NPN型三极管0233a保持导通。进而，放电侧PNP型三极管0322得以导通，放电侧MOS管0421的栅源电荷快速释放，放电侧MOS管0421断开，使放电电路切断而不会造成过流损害。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

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