一种锂电池保护电路的制作方法

本实用新型涉及锂电池控制电路设计技术领域，尤其是一种锂电池保护电路。

背景技术：

锂电池是新能源行业的焦点，具有能量密度高，体积小的优点，但锂电池由于稳定、安全方面的问题需要增加电池管理及保护。随着锂电池化学技术、生产装备配套技术、商业模式的快速发展，锂电池应用技术也愈发的渗入到生活的方方面面，特别是在家用领域产品上普及使用，锂电池在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，且因用户误操作、使用环境、使用场景等原因导致的电路损坏、负载损坏、电池损坏、起火、爆炸、工具伤人等安全问题越来越多，因此需要对电池配置一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。

目前，在市场上出现了许多家用、车载用吸尘器及电动工具，而电动工具往往具有较大的容性负载，在连接锂电保护板时会出现瞬间放电，导致锂电保护板出现短路保护而无输出的现象，针对现有的对锂电池控制板，特别是对于有较高智能化的家电、工业电动工具主控制板，其电路可靠性、复杂程度、生产加工难度和成本的快速升高，难以满足当下人们对电力产品简洁美观、操作简易、性价比高的使用需求，因此，已经成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的之一在于针对现有技术的缺陷和不足，提供智能化、人性化、低成本的、可靠性好，实现均基于准确的系统电路采集功能和逻辑控制的一种锂电池保护电路。

本实用新型的技术方案如下：

一种锂电池保护电路，与锂电池组、充电器、电源、负载连接，包括mcu控制器、充电电路、放电电路、温度检测电路、led指示电路、电池电压检测电路、电源控制电路；充电电路、放电电路、温度检测电路、led指示电路、电池电压检测电路、电源控制电路分别连接mcu控制器，所述电池电压检测电路的检测端接入锂电池组，所述充电电路的输入端连接充电器，所述放电电路输出端连接负载；

所述充电电路包括具有mos管m1、电阻r3、电阻r10的充电主回路，具有电阻r1、电阻r8、电阻r6、电阻r53、滤波电容c1的充电电流检测电路，具有电阻r53、电阻r54、钳位二极管z2、滤波电容c20的充电电压检测电路，具有电阻r9、电阻r13、电阻r16、三极管q1的充电控制电路；

所述放电电路包括具有mos管m3、电阻r36、电容c15、电容c14、二极管d5的放电主回路，具有电阻r32、电阻r25、电阻r21、电阻r19、电容c16、三极管q4的放电电流检测电路，具有电阻r30、电阻r26、电阻r24、电阻r22、电阻r34、电阻r20、电阻r23、电阻r33、电阻r31、三极管q3、三极管q7、三极管q5、三极管q6放电控制电路。

进一步地，mcu控制器为新唐n76e003单片机，所述mcu控制器内部集成上电复位电路。

进一步地，所述电阻r3一端分别连接mos管m1的源极与充电器输出电压vin，所述mos管m1漏极与电源p+端相连，所述电阻r9一端分别连接电阻r3另一端与mos管m1栅极，所述电阻r9另一端与所述三极管q1的集电极相连，所述电阻r16一端分别连接电阻r13一端与三极管q1的基极，所述电阻r13另一端与mcu控制器的引脚ctl_chg相连，所述电阻r16另一端与三极管q1的发射极分别接地，所述电阻r8一端分别连接电阻r10一端与充电器输出电压vin，所述电阻r10另一端接地，所述电阻r8另一端分别连接电阻r1一端与电阻r6一端，所述电阻r1另一端接电源，所述电阻r6另一端分别连接电容c1与mcu控制器的i_chg，所述电容c1另一端接地，所述电阻r53一端连接充电器输入端vin，所述电阻r53另一端分别连接电阻r54一端、钳位二极管z20一端、电容c20一端、mcu控制器的ad_vin，所述电容c20另一端、电阻r54另一端、钳位二极管z20另一端分别接地。

进一步地，所述电阻r36一端分别连接mos管m3的源极、电阻r32一端、电阻r25一端，所述电阻r36的另一端接地，所述mos管m3漏极分别连接电容c15一端、电容c14一端、二极管的d5的阳极、负载的负端，所述电容c15另一端接地，所述二极管d5阴极分别连接电容c14另一端与负载的正端、电源p+端，所述电阻r32另一端分别连接电容c16一端与mcu控制器的i_ad端口，所述电容c16另一端接地，所述电阻r25另一端分别连接电阻r21与三极管q4的基极，所述电阻r21另一端连接电源，所述三极管q4的集电极分别连接电阻r19一端与mcu控制器的m_short端口，所述三极管q4的发射极接地，所述电阻r19另一端接电源，所述的mos管m3的栅极分别连接电阻r30一端与电阻r26一端，另外一端连接所述mos管m3的栅极，所述电阻r30另一端接地，所述电阻r26另一端分别连接三极管q7的发射极与电阻r24一端，所述三极管q7的基极分别连接电阻r34、电阻r22、三极管q5的集电极，所述三极管q7集电极与电阻r34另一端分别接地，所述电阻r24另一端与三极管q3的发射极相连，所述三极管q3的基极与电阻r22另一端相连，所述三极管q3的集电极分别连接电池的正端、三级管q5的发射极、电阻r20一端，所述三极管q5的基极与电阻r23一端连接，所述电阻r23另一端分别连接电阻r20与三极管q6的集电极，所述三极管q6的基极分别连接电阻r33一端与电阻r31一端，所述电阻r31另一端连接到mcu控制器的ctl_dsg端口，所述三极管q6的集电极与电阻r33另一端分别接地。

进一步地，所述温度检测电路包括电阻r44、电阻r46、热敏电阻ntc1、电容c17，所述电阻r46一端分别连接电容c17一端与mcu控制器的temp_ad端口，所述电阻r46另一端分别连接电阻r44一端与热敏电阻ntc1一端，所述电阻r44另一端连接电源，所述热敏电阻ntc1另一端接地。

进一步地，所述led指示电路包括led1、led2、led3三个发光电路，所述led1、led2、led3三个发光电路中的led均为双片包装的发光二极管，所述的led1电路上设有电阻r27与电阻r28插接在mcu控制器的ra0端；所述的led2电路上设有电阻r29与电阻r40插接在mcu控制器的ra1端；所述的led3电路上设有电阻r41与电阻r42插接在mcu控制器的ra2端。

进一步地，所述电池电压检测电路包括电阻r39、电阻r45、电阻r50、电阻r49、电阻r68，电阻r47、电阻r48、电阻r51、mos管m4、mos管m5、电容c18、电容c19，保险丝f1，所述电阻r39一端分别连接到第二节电池正端与保险丝f1，所述保险丝f1另一端连接锂电池组放电端口p+，所述电阻r39另一端与mos管m4的漏极连接，所述mos管m4的栅极与电阻r45相连，所述电阻r45另一端与电源控制电路的bh+相连，所述mos管m4的源极分别连接电阻r49一端与电阻r50一端，所述电阻r50另一端分别连接电容c18一端与mcu控制器vc2端口，所述电容c18另一端与电阻r49另一端分别接地；所述电阻r43一端连接到第一节电池正端，所述电阻r43另一端与mos管m5的漏极连接；所述mos管m5的栅极与电阻r47一端相连，所述电阻r47另一端与电源控制电路的bh+相连，所述mos管m5的源极分别连接电阻r48一端与电阻r51一端，所述的电阻r48另一端分别连接电容c19一端与mcu控制器vci端口，所述的电容c19另一端与电阻r51另一端分别接地。

进一步地，所述电源控制电路包括电阻r17、电阻r18、电阻r12、电阻r5、电阻r7、电阻r11、电阻r4、电阻r2、电容c11、电容c3、电容c5、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、钳位二极管z1、三极管q2、mos管m2、ldo稳压器u1、按键sw1，所述电阻r17一端连接mcu控制器power_on端口，所述电阻r17另一端分别连接所述电容c11一端、电阻r18一端、三极管q2的基极；所述电容c11另一端、电阻r18另一端、三极管q2的发射极分别相连接地；所述三极管q2的集电极与电阻r12一端相连；所述电阻r12另一端分别连接电阻r7、电阻r5、mos管m2漏极；所述电阻r5另一端与mos管m2的源极相连接电池端p+，所述mos管m2栅极分别连接bh+、二极管d2阳极、电阻r4一端，所述电阻r4另一端接地；所述二极管d2阴极分别连接二极管d1阴极与电阻r2一端；所述二极管d1阳极与vin的充电输入端相连；所述电阻r2另一端分别连接电容c3一端与ldo稳压器u1输入端；所述ldo稳压器输出端与电容c5一端相连；所述电容c3另一端、电容c5另一端、ldo调整端相连接地；所述电阻r7另一端与二极管d3阳极相连；所述二极管d3阴极分别连接二极管d4的阴极与按键sw1一端相连；所述按键sw1另一端接地；所述二极管d4的阳极分别连接钳位二极管z1的阴极与电阻r11一端；所述电阻r11另一端节接电源；所述钳位二极管z1的阳极接地。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：具有充电器电压、电池总电压、单节电池电压、充电电流、放电电流、系统温度、系统状态检测检测功能，结合mcu软件逻辑控制实现对锂电池的充电高温保护、放电高温保护、充电低温保护、放电低温保护、温度线断线保护、电池断线保护、电池损坏保护、放电欠压保护、一级过流保护、二级过流保护、短路保护、充电过充保护、充电过流保护、涓流充电、系统异常状态指示、电量指示、简易用户按键操作、按键操作卡死防呆、系统状态识别自动休眠等功能，实现全面识别系统电路中出现的异常状态，保护负载、电路、电池、操作人员安全。具有智能化、人性化、低成本的、可靠性好的优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路结构的框图。

图2为本实用新型实施例的充电电路图。

图3为本实用新型实施例的放电电路图。

图4为本实用新型实施例的温度检测电路图。

图5为本实用新型实施例的mcu控制器引脚图。

图6为本实用新型实施例的led指示电路图。

图7为本实用新型实施例的电池电压检测电路图。

图8为本实用新型实施例的电源控制电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的实施例中的一种锂电池保护电路，与锂电池组、充电器、电源、负载连接，所述锂电池保护电路包括mcu控制器1、充电电路2、放电电路3、温度检测电路4、led指示电路5、电池电压检测电路6、电源控制电路7；充电电路2、放电电路3、温度检测电路4、led指示电路5、电池电压检测电路6、电源控制电路7分别连接mcu控制器1，mcu控制器1为新唐n76e003单片机，所述mcu控制器1内部集成上电复位电路，所述电池电压检测电路6的检测端接入锂电池组，所述充电电路2的输入端连接充电器，所述放电电路3输出端连接负载。

结合图2和图5所示，所述充电电路2包括具有mos管m1、电阻r3、电阻r10的充电主回路；具有电阻r1、电阻r8、电阻r6、电阻r53、滤波电容c1的充电电流检测电路；具有电阻r53、电阻r54、钳位二极管z2、滤波电容c20的充电电压检测电路；具有电阻r9、电阻r13、电阻r16、三极管q1的充电控制电路；所述电阻r3一端分别连接mos管m1的源极与充电器输出电压vin，所述mos管m1漏极与电源p+端相连，所述电阻r9一端分别连接电阻r3另一端与mos管m1栅极，所述电阻r9另一端与所述三极管q1的集电极相连，所述电阻r16一端分别连接电阻r13一端与三极管q1的基极，所述电阻r13另一端与mcu控制器1的引脚ctl_chg相连，所述电阻r16另一端与三极管q1的发射极分别接地，所述电阻r8一端分别连接电阻r10一端与充电器输出电压vin，所述电阻r10另一端接地，所述电阻r8另一端分别连接电阻r1一端与电阻r6一端，所述电阻r1另一端接电源，所述电阻r6另一端分别连接电容c1与mcu控制器1的i_chg，所述电容c1另一端接地，所述电阻r53一端连接充电器输入端vin，所述电阻r53另一端分别连接电阻r54一端、钳位二极管z20一端、电容c20一端、mcu控制器的ad_vin，所述电容c20另一端、电阻r54另一端、钳位二极管z20另一端分别接地。

在上述电路中，mcu控制器1引脚ctl_chg通过驱动三极管q1进一步驱动充电mos管m1的导通与关断；可以实现充电的导通与关断，在电池电压较低的情况下，可以通过pwm的控制形式，实现电池的涓流充电，以防止电池直接充电导致电池爆炸。系统的充电器的接入和拔除识别通过ad_vin输入的电压信号的大小来完成；可以通过检测到的电压大小识别并判断充电是否符合电压范围，充电器是否接入或者拔除；默认条件下系统会关闭所述mos管m1，但是电池电压会通过m1中的寄生二极管有一个电压输入到ad_vin，在m1关闭的情况下，若接入充电器，系统可以识别到该电压的升高，或者充电电压大于电池电压，该信号可以作为充电器接入识别信号；充电器拔除时，系统可以通过充电电流的检测i_chg来判断充电拔除。充电电流的大小通过i_chg进行检测，通过判断其数值的大小进一步实现充电过流保护功能，也可以用于充电拔除的辅助识别。

结合图3和图5所示，所述放电电路3包括具有mos管m3、电阻r36、电容c15、电容c14、二极管d5的放电主回路；具有电阻r32、电阻r25、电阻r21、电阻r19、电容c16、三极管q4的放电电流检测电路；具有电阻r30、电阻r26、电阻r24、电阻r22、电阻r34、电阻r20、电阻r23、电阻r33、电阻r31、三极管q3、三极管q7、三极管q5、三极管q6放电控制电路；所述电阻r36一端分别连接mos管m3的源极、电阻r32一端、电阻r25一端，所述电阻r36的另一端接地，所述mos管m3漏极分别连接电容c15一端、电容c14一端、二极管的d5的阳极、负载的负端，所述电容c15另一端接地，所述二极管d5阴极分别连接电容c14另一端与负载的正端、电源p+端，所述电阻r32另一端分别连接电容c16一端与mcu控制器1的i_ad端口，所述电容c16另一端接地，所述电阻r25另一端分别连接电阻r21与三极管q4的基极，所述电阻r21另一端连接电源，所述三极管q4的集电极分别连接电阻r19一端与mcu控制器1的m_short端口，所述三极管q4的发射极接地，所述电阻r19另一端接电源，所述的mos管m3的栅极分别连接电阻r30一端与电阻r26一端，另外一端连接所述mos管m3的栅极，所述电阻r30另一端接地，所述电阻r26另一端分别连接三极管q7的发射极与电阻r24一端，所述三极管q7的基极分别连接电阻r34、电阻r22、三极管q5的集电极，所述三极管q7集电极与电阻r34另一端分别接地，所述电阻r24另一端与三极管q3的发射极相连，所述三极管q3的基极与电阻r22另一端相连，所述三极管q3的集电极分别连接电池的正端、三级管q5的发射极、电阻r20一端，所述三极管q5的基极与电阻r23一端连接，所述电阻r23另一端分别连接电阻r20与三极管q6的集电极，所述三极管q6的基极分别连接电阻r33一端与电阻r31一端，所述电阻r31另一端连接到mcu控制器1的ctl_dsg端口，所述三极管q6的集电极与电阻r33另一端分别接地。

在上述电路中，放电主回路中的r36是采样电阻，当电流流过该电阻时，电阻r32的电压会被抬高，此时mcu控制器1可以通过i_ad端口检测到系统的放电电流，系统通过放电电流的检测用于负载拔除检测、过流保护、短路保护的实现。由于在负载的短路瞬间会产生非常大的电流，所以需要系统能够快速的识别该状态，并迅速关闭放电，防止烧坏mos或者其他电子元器件。系统引入了放电快速驱动电路，由所述放电控制电路实现放电mos管m3栅极控制电平的快速变换。通过mcu控制器1外部中断引脚实现系统的短路状态快速检测。系统负载或电机持续放电电流一般为5~9a，根据负载的状态放电电流会稍微变化，若放电电流异常，则此时的数值会大于一般放电电流的数值，系统会触发电流保护功能，对于更高的电流数值，系统会根据电流的数值调整保护的延时时间，电流值越大，则保护时间越短，若电流的数值大到一定的程度则通过mcu控制器1的m_short引脚触发mcu控制器的引脚中断，进入短路保护状态，通过所述放电控制电路驱动mos管m3关闭，此时的保护时间为us级别，通过实现分电流值阶段式响应功能，系统的安全性能显著提高。

在本实施例中，结合图4和图5所示，所述温度检测电路4包括电阻r44、电阻r46、热敏电阻ntc1、电容c17；所述电阻r46一端分别连接电容c17一端与mcu控制器1的temp_ad端口，所述电阻r46另一端分别连接电阻r44一端与热敏电阻ntc1一端，所述电阻r44另一端连接电源，所述热敏电阻ntc1另一端接地。温度检测电路实现了充电高温、充电低温、放电高温、放电低温、温度电阻断线等保护功能，结合系统充放电状态分别实现保护及恢复。

在本实施例中，结合图6和图5所示，所述led指示电路5包括led1、led2、led3三个发光电路；所述led1、led2、led3三个发光电路中的led均为双片包装的发光二极管，所述的led1电路上设有电阻r27与电阻r28插接在mcu控制器的ra0端；所述的led2电路上设有电阻r29与电阻r40插接在mcu控制器的ra1端；所述的led3电路上设有电阻r41与电阻r42插接在mcu控制器的ra2端，有效节约成本，减少mcu控制器1引脚的使用，通过分时复用io的形式进行led驱动，每隔1ms点亮一次其中的一个灯，由于人体视觉不能分辨500hz的闪烁，所以看起来处于两个led都被点亮的状态。

在本实施例中，以电动工具中最常使用的锂电池组为两节电池串联为例，结合图7和图5所示，所述电池电压检测电路6包括电阻r39、电阻r45、电阻r50、电阻r49、电阻r68，电阻r47、电阻r48、电阻r51、mos管m4、mos管m5、电容c18、电容c19，保险丝f1；所述电阻r39一端分别连接到第二节电池正端与保险丝f1，所述mos管m4与mos管m5为高gs阻抗型，所述保险丝f1另一端连接锂电池组放电端口p+，所述电阻r39另一端与mos管m4的漏极连接，所述mos管m4的栅极与电阻r45相连，所述电阻r45另一端与电源控制电路的bh+相连，所述mos管m4的源极分别连接电阻r49一端与电阻r50一端，所述电阻r50另一端分别连接电容c18一端与mcu控制器1的vc2端口，所述电容c18另一端与电阻r49另一端分别接地；所述电阻r43一端连接到第一节电池正端，所述电阻r43另一端与mos管m5的漏极连接；所述mos管m5的栅极与电阻r47一端相连，所述电阻r47另一端与电源控制电路的bh+相连，所述mos管m5的源极分别连接电阻r48一端与电阻r51一端，所述的电阻r48另一端分别连接电容c19一端与mcu控制器1的vci端口，所述的电容c19另一端与电阻r51另一端分别接地。

为使得静态功耗能够在一个较低的范围，所述mos管m4、mos管m5由电源控制电路7中的bh+来控制，在关机状态下，所述mos管m4、mos管m5关闭，以节省静态功耗。所述mos管m4、mos管m5必须选取较高gs阻抗的型号，以减少mos由于g端漏电流而导致的分压后电池电压信号不准确。所述vc2即为mcu控制器1的总电压采样端口，所述vc1为第一节电池的采样端口；电池电压的数值可以用于判断系统的电池过充、电池过放、电池断线、电池损坏等异常状态，以此关闭并保护电路，通过led提示用户状态。

在本实施例中，结合图8和图5所示，所述电源控制电路7包括电阻r17、电阻r18、电阻r12、电阻r5、电阻r7、电阻r11、电阻r4、电阻r2、电容c11、电容c3、电容c5、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、钳位二极管z1、三极管q2、mos管m2、ldo稳压器u1、按键sw1，所述电阻r17一端连接mcu控制器1的power_on端口，所述电阻r17另一端分别连接所述电容c11一端、电阻r18一端、三极管q2的基极；所述电容c11另一端、电阻r18另一端、三极管q2的发射极分别相连接地；所述三极管q2的集电极与电阻r12一端相连；所述电阻r12另一端分别连接电阻r7、电阻r5、mos管m2漏极；所述电阻r5另一端与mos管m2的源极相连接电池端p+，所述mos管m2栅极分别连接bh+、二极管d2阳极、电阻r4一端，所述电阻r4另一端接地；所述二极管d2阴极分别连接二极管d1阴极与电阻r2一端；所述二极管d1阳极与vin的充电输入端相连；所述电阻r2另一端分别连接电容c3一端与ldo稳压器u1输入端；所述ldo稳压器输出端与电容c5一端相连；所述电容c3另一端、电容c5另一端、ldo调整端相连接地；所述电阻r7另一端与二极管d3阳极相连；所述二极管d3阴极分别连接二极管d4的阴极与按键sw1一端相连；所述按键sw1另一端接地；所述二极管d4的阳极分别连接钳位二极管z1的阴极与电阻r11一端；所述电阻r11另一端节接电源；所述钳位二极管z1的阳极接地。在按下按键后，所述mos管m2打开，p+电源可以通过m2供给到所述ldo稳压器u1，此时单片机上电，并保持power_on的输出；所述mos管m2打开后，bh+供电正常，此时系统可以打开放电电路、电池电压检测电路；在关闭状态下，若接入充电器；所述二极管d1可以供电给所述ldo稳压器u1，此时单片机能正常工作，并检测到充电接入，并保持power_on的输出，进一步打开所述mos管m2，打开bh+供电功能。

具体的，系统具有四种状态，分别为充电模式、放电模式、空闲模式、休眠模式。充电状态：mcu控制器1在检测到充电检测端口信号升高时，那么可以判断系统有充电器的接入，充电过程中led全部为为白色状态，当充电满时，所有的白色led全亮，充电mos关断。放电状态：在关闭状态下按下按键打开放电负载，系统会被唤醒。在打开放电前，系统需要先检查充电状态、电池电压、温度及其他异常后，再判断否能能够打开放电。空闲状态：以上两种模式都不满足时，进入空闲模式。关机状态：到正常待机10s后，或者电池触发欠压保护、放电触发过流或者短路保护、负载拔除（无电流）后关闭所述power_on信号，进入关机休眠模式。

通过上述技术方案，本实用新型具有充电器电压、电池总电压、单节电池电压、充电电流、放电电流、系统温度、系统状态检测检测功能，结合mcu软件逻辑控制实现对锂电池的充电高温保护、放电高温保护、充电低温保护、放电低温保护、温度线断线保护、电池断线保护、电池损坏保护、放电欠压保护、一级过流保护、二级过流保护、短路保护、充电过充保护、充电过流保护、涓流充电、系统异常状态指示、电量指示、简易用户按键操作、按键操作卡死防呆、系统状态识别自动休眠等功能，实现全面识别系统电路中出现的异常状态，保护负载、电路、电池、操作人员安全。具有智能化、人性化、低成本的、可靠性好的优点。

以上所述的仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。