一种充电锁定电路及其锂电池电源保护板的制作方法

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种充电锁定电路及其锂电池电源保护板。

背景技术：

锂电池由于具有体积小、质量轻、比能量大，比功率高，无记忆效应，自放电小，循环使用寿命长，可快速放电，且效率高等优点，而且锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成二次污染，逐渐成为动力电池的主流。但是由于锂离子电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性，因此在应用时需要进行一定的管理。另外锂电池对充放电的要求很高，当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度上升，严重破坏锂电池性能，导致电池寿命缩短。当锂电池串联使用于动力设备中时，由于各单节锂电池间内部特性的不一致，会导致各节锂电池充、放电的不一致。一节性能恶化时，整个电池组的行为特征都会受到此电池的限制，降低整体电池组性能。为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能，延长使用寿命，必须要对锂电池在充、放电时进行实时监控，提供过压、过流、温度保护和电池间能量均衡。

锂电池一般通过锂电池组管理系统BMS进行管理，BMS安装在锂电池组的内部，以单片机为控制核心，在实现对各节锂电池能量均衡的同时，还可以实现过充、过放、过流、温度保护及短路保护，通过LCD显示电池组的各种状态，并可以通过预留的通信端口读取各节锂电池的历史性能状态。如图1所示，锂电池智能管理系统BMS主要由充电模块、数据采集模块(包括电压、电流、温度数据采集)、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块组成；整个系统以单片机为主控制器，通过采集电流信息，判断出电池组是在充电、放电还是在闲置状态及是否有过流现象，并对其状态做出相应处理。对各节电池电压进行采集分析后，系统决定是否启动均衡模块对整个电池组进行能量均衡，同时判断是否有过充或过放现象。温度的采集主要用于系统的过温保护。整个系统的工作状态、电流、各节电压、剩余电量及温度信息都会通过液晶显示模块实时显示。

现有的锂电池组管理系统BMS一般利用保护IC芯片，MCU处理器，充电MOS，放电MOS，充电电流检测电路以及负载检测电路等构成电池保护板。但是电池保护板没有充电锁定电路，这会使锂电池在夜间充电存在起火爆炸风险，因为电池保护板在充电过程中会对锂电池单串电压进行过压保护，而锂电池会在充电过压保护瞬间电压下降，当电压低于电池保护板的过压保护恢复电压时，充电器未拔出的情况下继续对电池充电，这样长时间反复充电会使得电池电压偏高，尤其是在夜间无人值守或大电流快充的情况下，很容易发生过压起火爆炸。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种充电锁定电路及其锂电池电源保护板，针对由于长时间反复充电使得电池电压偏高，容易带来锂电池爆炸危险的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种充电锁定电路，包括放大电路单元、N型MOS管Q3以及P型MOS管Q4，锂电池充电器的负极电压通过所述放大电路单元放大后通过连接到所述N型MOS管Q3的源极，所述N型MOS管Q3的漏极与锂电池保护IC芯片的充电MOSFET控制管脚连接；所述放大电路单元放大后的所述负极电压连接到所述P型MOS管Q4的漏极连接，所述P型MOS管Q4的源极与所述锂电池保护IC芯片的放电MOSFET控制管脚连接。

进一步的，所述二级放大电路包括晶体管Q1和晶体管Q2，所述晶体管Q1的发射极和所述晶体管Q2的集电极连接后与负极电压连接，所述晶体管Q1的集电极与所述晶体管Q2的基极连接，所述晶体管Q1的基极与所晶体管Q1的发射极之间连接一阻抗电容C1，所述晶体管Q1的基极连接一偏置电阻R1后接地；所述晶体管Q2的发射极输出放大的所述负极电压信号。

进一步的，所述阻抗电容C1并联一二极管D1，所述二极管D1的正极与所述晶体管Q1的发射极连接，所述二极管D1的负极与所述晶体管Q1的基极连接；所述二极管D1上并联一控制开关J3。

可选地，所述晶体管Q1是PNP型三极管，所述晶体管Q2是NPN型三极管。

进一步的，所述晶体管Q2的集电极与所述N型MOS管Q3的源极连接，所述N型MOS管Q3的源极和栅极之间并联设置有偏置电阻R2、阻抗电容C2以及；所述N型MOS管Q3的漏极连接一二极管D3，所述二极管D2的正极与所述锂电池保护IC芯片的充电MOSFET控制管脚连接。

进一步的，所述N型MOS管Q3的栅极与所述P型MOS管Q4的漏极连接，所述P型MOS管Q4的源极和栅极之间并联有偏置电阻R4和阻抗电容C3，所述P型MOS管Q4的源极串联一电阻R5后与所述锂电池保护IC芯片的放电MOSFET控制管脚连接。可选地，所述N型MOS管Q3的栅极与所述P型MOS管Q4的漏极之间还串联电阻R3和二极管D4，所述二极管D4的正极与所述P型MOS管Q4的漏极连接。

根据本发明的一个方面，提供的一种锂电池电源保护板，包括锂电池保护IC芯片、充电MOS控制电路、放电MOS控制电路以及过压欠压比较电路，所述锂电池保护IC芯片通过所述过压欠压比较电路与电池组连接，所述充电MOS控制电路与所述锂电池保护IC芯片的充电MOSFET控制管脚连接，所述放电MOS控制电路与所述锂电池保护IC芯片的放电MOSFET控制管脚连接；所述锂电池保护IC芯片的充电MOSFET控制管脚和放电MOSFET控制管脚之间还设置有上述的充电锁定电路。

进一步的，所述充电MOS控制电路是由分别连接锂电池充电器的负接头与所述充电MOSFET控制管脚的晶体管QC1组成；所述放电MOS控制电路是由分别连接负载的负接头与所述放电MOSFET控制管脚的晶体管QD1组成。

进一步的，所述锂电池电源保护板还包括负载与充电检测电路，所述负载与充电检测电路一端与充电器或者负载的负接头连接，另一端与所述锂电池保护IC芯片的充电器检测引脚和负载检测引脚连接。

进一步的，所述锂电池电源保护板还包括温度检测电路和保护延时电路，所述温度检测电路和所述保护延时电路分别连接所述锂电池保护IC芯片的温度检测引脚和延时引脚。

进一步的，所述过压欠压比较电路一端连接到锂电池的正极和负极，另一端连接到所述锂电池保护IC芯片的电芯正端引脚。

本发明的有益效果：

本发明实施例的充电锁定电路及其锂电池电源保护板，通过在充电过压瞬间能快速锁定充电回路断开的电路，它可以锁定电池保护板充电回路MOS管的断开，使得电池不会被反复充电而过压。该充电锁定电路结构简单，物料成本低廉，只有电容电阻、二极管、三极管和小MOS管组成，生产方便且成本低，不用去烧录程序，可直接像常规的电池保护板一样测试，尤其在功耗方面，做到了超低功耗(此电路为1uA，在充电锁定的状态下耗电为充电器的电量而非电池电量)。在抗干扰方面，由于此电路非MCU高频电路，抗干扰能力极强。

此外，加入了两级放大电路来增强拉低CHG的能力，以免在充电截止后电池负接头GND与充电器负接头C-压差过小，驱动能力不足，导致在CHG有输出的时候不能完全拉至C-，充电回路不能有效的截止，不能起到杜绝充电器反复对电池充电的目的；而此电路充电截止后锁定效果明显。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的一种锂电池管理系统结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种充电锁定电路原理结构图；

图3为本发明实施例提供的一种锂电池电源保护板结构框图；

图4为本发明实施例提供的第二种充电锁定电路原理结构图；

图5为本发明实施例提供的一种锂电池保护IC芯片引脚图；

其中，10-锂电池保护IC芯片，20-充电MOS控制电路、30-放电MOS控制电路、40-充电锁定电路，50-负载与充电检测电路，60-温度检测电路，70-过压欠压比较电路，80-保护延时电路。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

BMS是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的第一个字母简称组合，称之谓电池管理系统。俗称之为电池保姆或电池管家；电池管理系统(BMS)主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。锂电池组管理系统安装在锂电池组的内部，以单片机为控制核心，在实现对各节锂电池能量均衡的同时，还可以实现过充、过放、过流、温度保护及短路保护。通过LCD显示电池组的各种状态，并可以通过预留的通信端口读取各节锂电池的历史性能状态。如图1所示，锂电池智能管理系统主要由充电模块、数据采集模块(包括电压、电流、温度数据采集)、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块组成。整个系统以单片机为主控制器，通过采集电流信息，判断出电池组是在充电、放电还是在闲置状态及是否有过流现象，并对其状态做出相应处理。对各节电池电压进行采集分析后，系统决定是否启动均衡模块对整个电池组进行能量均衡，同时判断是否有过充或过放现象。温度的采集主要用于系统的过温保护。整个系统的工作状态、电流、各节电压、剩余电量及温度信息都会通过液晶显示模块实时显示。

现有的防治锂电池反复充电的方式是使用MCU对电池电压和充电器检查来实现的，即当电池电压达到充电截止电压时，MCU切断充电回路，并且检测充电器是否拔出，拔出就不会继续充电，未拔出也不会继续充电，只有拔出重新插入充电器且电池电压低于过压保护恢复电压才能充电。通过采用MCU来实现此功能，在物料成本和生产成本会比较高，在抗干扰能力上也不高，最大的问题来自MCU的自耗电大，大大减少电池的容量和寿命，一旦功耗过大会使得电池耗电成0V，永久无法使用。

采用MCU实现上述功能存在功耗大和对其他保护功能的影响，如MCU工作时达mA级别，如过放和过流短路、过放解除过流短路解除功能不能实现，如不能一次在充电过压保护瞬间锁定等等。

实施例1

如图2所示，本发明的实施例提供了一种充电锁定电路，包括放大电路单元、N型MOS管Q3以及P型MOS管Q4，锂电池充电器的负极电压通过所述放大电路单元放大后通过连接到所述N型MOS管Q3的源极，所述N型MOS管Q3的漏极与锂电池保护IC芯片的充电MOSFET控制管脚连接；所述放大电路单元放大后的所述负极电压连接到所述P型MOS管Q4的漏极连接，所述P型MOS管Q4的源极与所述锂电池保护IC芯片的放电MOSFET控制管脚连接。

其中，所述二级放大电路包括晶体管Q1和晶体管Q2，所述晶体管Q1的发射极和所述晶体管Q2的集电极连接后与负极电压连接，所述晶体管Q1的集电极与所述晶体管Q2的基极连接，所述晶体管Q1的基极与所晶体管Q1的发射极之间连接一阻抗电容C1，所述晶体管Q1的基极连接一偏置电阻R1后接地；所述晶体管Q2的发射极输出放大的所述负极电压信号。

其中，所述阻抗电容C1并联一二极管D1，所述二极管D1的正极与所述晶体管Q1的发射极连接，所述二极管D1的负极与所述晶体管Q1的基极连接；所述二极管D1上并联一控制开关J3。

可选地，所述晶体管Q1是PNP型三极管，所述晶体管Q2是NPN型三极管。

其中，所述晶体管Q2的集电极与所述N型MOS管Q3的源极连接，所述N型MOS管Q3的源极和栅极之间并联设置有偏置电阻R2、阻抗电容C2以及；所述N型MOS管Q3的漏极连接一二极管D3，所述二极管D2的正极与所述锂电池保护IC芯片的充电MOSFET控制管脚连接。

其中，所述N型MOS管Q3的栅极与所述P型MOS管Q4的漏极连接，所述P型MOS管Q4的源极和栅极之间并联有偏置电阻R4和阻抗电容C3，所述P型MOS管Q4的源极串联一电阻R5后与所述锂电池保护IC芯片的放电MOSFET控制管脚连接。可选地，所述N型MOS管Q3的栅极与所述P型MOS管Q4的漏极之间还串联电阻R3和二极管D4，所述二极管D4的正极与所述P型MOS管Q4的漏极连接。

如图5所示，型号为SH367107的锂电池保护IC芯片引脚图，采用上述型号的锂电池保护IC芯片能够实现电源保护板的构建，当然，不限于上述型号的IC芯片。

实施例2

根据本发明的一个方面，如图3所示，提供的一种锂电池电源保护板，包括锂电池保护IC芯片10、充电MOS控制电路20、放电MOS控制电路30以及过压欠压比较电路70，所述锂电池保护IC芯片10通过所述过压欠压比较电路70与电池组连接，所述充电MOS控制电路20与所述锂电池保护IC芯片10的充电MOSFET控制管脚CHG连接，所述放电MOS控制电路30与所述锂电池保护IC芯片10的放电MOSFET控制管脚DSG连接；所述锂电池保护IC芯片10的充电MOSFET控制管脚CHG和放电MOSFET控制管脚DSG之间还设置有上述的充电锁定电路40。

如图4所示，所述充电锁定电路40也可以是简单的一级放大电路，所述一级放大电路有一个晶体管Q1构成，所述晶体管Q1的基极与所晶体管Q1的发射极之间连接一阻抗电容C1，所述晶体管Q1的基极连接一偏置电阻R1后接地；所述阻抗电容C1并联一二极管D1，所述二极管D1的正极与所述晶体管Q1的发射极连接，所述二极管D1的负极与所述晶体管Q1的基极连接；所述晶体管Q1的源极输出放大的所述负极电压信号。

如图2所示，所述充电MOS控制电路20是由分别连接锂电池充电器的负接头C-与所述充电MOSFET控制管脚CHG的晶体管QC1组成；所述放电MOS控制电路30是由分别连接负载的负接头P-与所述放电MOSFET控制管脚DSG的晶体管QD1组成。

其中，所述锂电池电源保护板还包括负载与充电检测电路50，所述负载与充电检测电路50一端与充电器或者负载的负接头C-/P-连接，另一端与所述锂电池保护IC芯片10的充电器检测引脚和负载检测引脚连接。

其中，所述锂电池电源保护板还包括温度检测电路60和保护延时电路80，所述温度检测电路60和所述保护延时电路80分别连接所述锂电池保护IC芯片10的温度检测引脚和延时引脚。

其中，所述过压欠压比较电路70一端连接到锂电池的正极和负极，另一端连接到所述锂电池保护IC芯片10的电芯正端引脚。

具体地，锂电池在充电的过程中电压慢慢升高，当电压达到电池保护板的充电截止电压时，IC会关闭充电MOS管QC1来切断充电回路，当充电回路切断后，由于电池的本身特性，电压会下降，当电压下降到保护板过充恢复电压后，IC会输出高电平来打开QC1，这是常规的保护板功能。加入本申请的充电锁定电路后，当IC关闭QC1且电池电压下降至与C-有0.5V以上电压后，发明电路中的Q1导通，在IC输出高电平来打开QC1之前，CHG信号是被拉低至C-的，当IC检测到电池电压下降至过充恢复电压值以下，IC输出高电平，然后直接经过Q3被Q2拉低至C-，即充电MOS管G极和S极短接，来达到锁定充电MOS截止的目的。

本发明实施例的充电锁定电路及其锂电池电源保护板，通过在充电过压瞬间能快速锁定充电回路断开的电路，它可以锁定电池保护板充电回路MOS管的断开，使得电池不会被反复充电而过压。该充电锁定电路结构简单，物料成本低廉，只有电容电阻、二极管、三极管和小MOS管组成，生产方便且成本低，不用去烧录程序，可直接像常规的电池保护板一样测试，尤其在功耗方面，做到了超低功耗(此电路为1uA，在充电锁定的状态下耗电为充电器的电量而非电池电量)。在抗干扰方面，由于此电路非MCU高频电路，抗干扰能力极强。

此外，加入了两级放大电路来增强拉低CHG的能力，以免在充电截止后电池负接头GND与充电器负接头C-压差过小，驱动能力不足，导致在CHG有输出的时候不能完全拉至C-，充电回路不能有效的截止，不能起到杜绝充电器反复对电池充电的目的；而此电路充电截止后锁定效果明显。

在本发明专利的描述中，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”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“排”、“列”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专利和简化描述，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发明专利新型的限制。

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。在本发明专利的描述中，“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。

在发明专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”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；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发明专利中的具体含义。

在本发明专利中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。