一种带通信功能的锂电池保护板的制作方法

本实用新型属于电子技术领域，涉及锂电池保护，为一种带通信功能的锂电池保护板。

背景技术：

锂电池因其能量密度大的优点广泛的应用于笔记本、手机等产品中，出于对锂电池安全性能的考虑，对锂电池保护板的要求越来越多。

现有的锂电池保护板多以专用锂电池保护芯片或以MCU作为控制中心。但是以专用锂电池保护芯片实现锂电池保护的方案，都存在以下缺点：①专用锂电池保护芯片功能固化，保护电压和电流值固定，对于不同的使用者需要选择不同的芯片与之对应，无法做到通用，应用较为麻烦。②目前集成的锂电池芯片多为3、4、5串的芯片，多串的锂电池保护板需要用到多片锂电池保护芯片进行级联，方案复杂，成本较高。而以MCU为控制核心的锂电池保护板方案，则存在功耗较高的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种带通信功能的锂电池保护板，在实现锂电池过充、过放、过流、负载短路和过温保护的同时，可适用不同锂电池保护，并且降低功耗。

本实用新型的技术方案为：一种带通信功能的锂电池保护板，包括充电控制模块、充电采样电阻、放电采样电阻、采样单元、MCU、供电模块、人机交互模块、通信模块、放电控制模块、均衡控制模块和均衡电路阵列，充电控制模块以及充电采样电路串接在锂电池组的充电回路上，放电采样电阻和放电控制模块串接在锂电池组的放电回路上，充电采样电阻和放电采样电阻采集的电信号输入采样模块，采样单元用于采集锂电池组的电压、温度和电流参数，采样模块与MCU连接，将采集的参数发送给MCU，MCU的输出连接均衡控制模块，均衡控制模块的输出连接均衡电路阵列，对应单个锂电池并联有一个均衡电路，所述均衡电路构成均衡电路阵列，均衡控制模块用于控制均衡电路的通断；人机交互模块与通信模块分别与MCU数据连接，MCU的输出还连接充电控制模块以及放电控制模块的输入，充电控制模块以及放电控制模块用于控制充电回路及放电回路的通断，MCU还发出信号给供电模块，用于控制供电模块向采样单元供电。

进一步的，锂电池保护板还包括检测模块，检测模块的输出连接至MCU，所述检测模块包括充电器检测模块和负载检测模块，充电器检测模块用于检测充电回路是否通电，负载检测模块用于检测放电回路是否通电。

作为优选方式，所述采样模块包括电压采样模块、温度采样模块、电流采样模块；所述电压采样模块采集锂电池组中各个锂电池的端电压信号，并通过电性连接将信号传递至MCU；所述温度采样模块包括温度传感器，温度传感器紧贴于锂电池组电芯表面；所述电流采样模块用于采集充电采样电阻中流经的充电电流信号以及放电采样电阻中流经的放电电流信号，并通过电性连接将信号传递至所述MCU。

进一步的，所述人机交互模块用于输入锂电池组保护用的参数阈值，以及显示锂电池组的电压、电流、温度状态。

进一步的，所述通信模块用于将MCU与上位机通信连接。

本实用新型利用采样模块采集到的电压、电流与温度信号与通过人机交互模块或通信模块预设的电压、电流与温度阈值进行比较，当采样到的信号超过阈值时，锂电池保护板进行保护状态。

本实用新型中，充电器检测模块和负载检测模块分别用于检测锂电池组是否在充电或是否有负载，将检测信号传递给MCU；在充电或有负载时，MCU被唤醒工作，如没有充电或无负载，MCU的输入输出关闭，自身处于休眠模式，可有效的降低锂电池保护板的功耗，等待下次检测模块传递的检测信号。

当MCU处于工作模式下，通过人机交互模块或通信模块将预设的过放保护电压阈值、过放恢复电压阈值、过充保护电压阈值、过充恢复电压阈值、电量均衡开启电压阈值、电量均衡关闭电压阈值、充电过流保护阈值、放电过流保护阈值、短路电流保护阈值、高温保护阈值、高温恢复阈值、低温保护阈值、低温恢复阈值以及对应的过放保护延时时间、过放恢复延时时间、过充保护延时时间、过充恢复延时时间、电量均衡开启延时时间、电量均衡关闭延时时间、充电过流保护延时时间、放电过流保护延时时间、短路保护延时时间等参数传递到MCU中，用于设置对锂电池组的具体保护内容。

本实用新型考虑到现有锂电池保护板方案中存在专用锂电池保护芯片保护电压、电流以及以MCU为控制核心方案中功耗过高的缺点，在实现对锂电池过放、过放、充放电过流、负载短路以及高低温保护的基础上，增加了充电器、负载检测功能，结合保护参数值可设的功能，从而使锂电池保护板可以应用于不同的锂电池系统且有效的降低了系统的功耗，延长了使用时间。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构图。

图2为本实用新型实施例中电压采样模块电路图。

图3为本实用新型实施例中供电模块电路图。

图4为本实用新型实施例中充电器检测模块的电路图。

图5为本实用新型实施例中负载检测模块的电路图。

图6为本实用新型实施例中均衡控制模块的电路图。

图7为本实用新型实施例中均衡电路阵列的电路图。

具体实施方式

本实用新型包括充电控制模块、充电采样电阻、放电采样电阻、采样单元、MCU、供电模块、人机交互模块、通信模块、放电控制模块、均衡控制模块和均衡电路阵列，充电控制模块以及充电采样电路串接在锂电池组的充电回路上，放电采样电阻和放电控制模块串接在锂电池组的放电回路上，充电采样电阻和放电采样电阻采集的电信号输入采样模块，采样单元用于采集锂电池组的电压、温度和电流参数，采样模块与MCU连接，将采集的参数发送给MCU，MCU的输出连接均衡控制模块，均衡控制模块的输出连接均衡电路阵列，对应单个锂电池并联有一个均衡电路，所述均衡电路构成均衡电路阵列，均衡控制模块用于控制均衡电路的通断；人机交互模块与通信模块分别与MCU数据连接，MCU的输出还连接充电控制模块以及放电控制模块的输入，充电控制模块以及放电控制模块用于控制充电回路及放电回路的通断，MCU还发出信号给供电模块，用于控制供电模块向采样单元供电。锂电池保护板还包括检测模块，检测模块的输出连接至MCU，所述检测模块包括充电器检测模块和负载检测模块，充电器检测模块用于检测充电回路是否通电，负载检测模块用于检测放电回路是否通电。本实用新型中，MCU由锂电池组经LDO降压后来供电。

下面通过具体实施例来说明本实用新型电路的实现。

如图1所示，本实用新型保护板包括充电采样电阻4、采样模块5、放电采样电阻9、供电模块10、充电控制模块11、MCU12、人机交互模块13、放电控制模块14、检测模块16、均衡控制模块19、均衡电路阵列20和通信模块21，锂电池组1设置在充电器负极(C-)3和充电器正极(C+)15之间，以及负载正极(L+)2、负载负极(L-)22之间。

采样模块5包括电压采样模块6、温度采样模块7、电流采样模块8；所述电压采样模块6采集锂电池组1中各个锂电池的端电压信号，并通过电性连接将信号传递至MCU12；温度采样模块7的温度检测部分紧贴于锂电池组1电芯表面以便准确检测充放电过程中所述锂电池组1的电芯温度；电流采样模块8采集充电过程中所述充电采样电阻4中流经的充电电流信号，以及放电过程中所述放电采样电阻9中流经的放电电流信号，并通过电性连接将信号传递至MCU12；MCU12控制供电模块10提供采样模块5正常工作的电压信号。

检测模块16包括充电器检测模块17、负载检测模块18；所述充电器检测模块17检测所述充电器正极(C+)15与充电器负极(C-)3之间是否连接至充电器,并将检测信号传递给MCU12；负载检测模块18检测所述负载正极(L+)2与负载负极(L-)22之间是否连接至负载,并将检测信号传递给所述MCU12。

人机交互模块13用于输入锂电池保护的参数阈值，包括过放保护电压阈值、过放恢复电压阈值、过充保护电压阈值、过充恢复电压阈值、1路充电均衡开启电压阈值、2路充电均衡开启电压阈值、3路充电均衡开启电压阈值、1路充电均衡关闭电压阈值、2路充电均衡关闭电压阈值、3路充电均衡关闭电压阈值、1路放电均衡开启电压阈值、2路放电均衡开启电压阈值、3路放电均衡开启电压阈值、充电过流保护阈值、放电过流保护阈值、短路电流保护阈值、充电高温保护阈值、充电高温恢复阈值、充电低温保护阈值、充电低温恢复阈值、放电高温保护阈值、放电高温恢复阈值、放电低温保护阈值、放电低温恢复阈值以及对应的过放保护延时时间、过放恢复延时时间、过充保护延时时间、过充恢复延时时间、电量均衡开启延时时间、电量均衡关闭延时时间、充电过流保护延时时间、放电过流保护延时时间和短路保护延时时间，这些参数阈值设置到MCU中，与采样模块和检测模块的数据进行比较，比较结果用于发出控制信号触发充放电控制模块、均衡控制模块的工作，实现对锂电池组的保护。同时人机交互模块13通过参数设置，还可用于根据具体环境情况选择需要实现的保护功能，以便更好的应用在不同的外部条件下；所述人机交互模块13将设置的参数值输入到所述MCU12中；MCU12将采样模块5采集到的锂电池组1每节锂电池的电压、充放电电流、锂电池电芯温度值以及实时状态输出到人机交互模块13并显示出来。

通信模块21将从MCU12读取到的信息传递到上位机、或上位控制器，或将上位机、上位控制器上设置的参数值、对应的延时时间等参数传递给MCU12，与上述人机交互模块的工作模式相同，实现对锂电池组的保护。

充电控制模块11、放电控制模块14的控制端连接至所述MCU12的输出端，充电控制模块11的控制端信号控制其输入端与输出端的开启与断开，及充电回路的通断，放电控制模块14的控制端信号控制其输入端与输出端的开启与断开，即放电回路的通断。

均衡控制模块19的输入端连接至MCU12的输出端；均衡控制模块15的输出端连接至均衡电路阵列20的控制端，所述均衡电路阵列20的均衡电路并联在单个锂电池的两端。

充电回路中，充电器正极(C+)15经充电控制模块11、充电采样电阻4连接至锂电池组1的正极，锂电池组1的负极连接至充电器负极(C-)3；放电回路中，负载正极(L+)2经锂电池组1的正极、锂电池组1的负极、放电采样电阻9、放电控制模块14连接至负载负极(L-)22。

下面详细说明各模块电路的实现。

如图2所示，电压采样模块6包括电阻R20、电阻R22、电阻R24、电阻R25、NMOS管Q10、电容C1，电阻R22串接在供电模块10的输出端VDD和NMOS管Q10的栅极之间，电阻R24串接在NMOS管Q10的栅极和GND之间，电阻R20串接在BAT+和NMOS管Q10的漏极之间，BAT+表示锂电池组1的正极，同时也是锂电池组中第1颗锂电池电芯的正极，NMOS管Q10的源极连接MCU12的输入端ADC BAT1，同时通过电阻R25和电容C1组成的RC电路连接GND，GND表示所述锂电池组1的负极。

如图3，所述供电模块10包括电阻R19、电阻R21、电阻R23、电阻R26、PNP三极管Q9和NPN三极管Q11，电阻R23连接在MCU的输出端和三极管Q11的基极之间，三极管Q11的基极和发射极之间串接电阻R26，三极管发射极接GND，三极管Q11的集电极经电阻R21连接至PNP三极管Q9的基极，电阻R19串接在三极管Q9的基极和发射极之间，三极管Q9的发射极连接BAT+，PNP三极管Q9的发射极为所述供电模块10的输出端VDD。

如图4，所述充电器检测模块17包括电阻R1、电阻R3、电阻R5和NPN三极管Q1，电阻R3串接在充电器正极(C+)15和三极管Q1的基极之间，电阻R5串接在三极管Q1的基极和发射极之间，Q1的发射极接GND，三极管Q1的集电极经电阻R1输出，即为充电器检测模块17的输出端IO CHGIn，输出端IO CHGIn接至MCU，以起到在充电时唤醒MCU的功能。

如图5，所述负载检测模块18包括电阻R2、电阻R4、电阻R6和NPN三极管Q2，电阻R4串接在负载负极(L-)22和三极管Q2的基极之间，电阻R6串接在三极管Q2的基极与发射极之间，三极管Q2的发射极接GND，三极管Q2的集电极经电阻R2输出，即为负载检测模块18的输出端IO LOADIn，输出端IO LOADIn接至MCU，以起到有负载时唤醒MCU的功能。

下面以锂电池组有3个锂电池为例，对均衡控制模块和均衡电路阵列进行说明。

如图6，均衡控制模块19对应锂电池组分为3路均衡控制电路，三路电路结构相同，以第1路为例进行说明。第1路均衡控制电路包括电阻R7、电阻R10、电阻R16和NPN三极管Q6，MCU12的输出经R10连接至三极管Q6的基极，电阻R16串接在三极管Q6的基极和发射极之间，Q6的发射极连接至GND，Q6的集电极经电阻R7后输出，即为第1路均衡控制电路的输出端Drive1，输出端Drive1连接至均衡电路阵列20中的第1路均衡电路的控制端；第2、3路均衡控制电路结构相同，第2路均衡控制电路的输出端Drive2、第3路均衡控制电路的Drive3分别连接至均衡电路阵列的第2、3路均衡电路的控制端。

如图7，均衡电路阵列20对应锂电池组分为3路均衡电路，三路电路结构相同，以第1路为例进行说明。第1路均衡电路包括PMOS管Q3和均衡电阻R13，Q3的栅极连接均衡控制电路的对应的输出端Drive1，Q3的源极连接至BAT+，Q3的漏极经均衡电阻R13连接至BAT1，BAT1为第1节锂电池电芯的负极，也是第2节锂电池电芯的正极；第2、3路均衡电路的输入分别对应接受均衡控制模块的输出端Drive2、输出端Drive3的输出，均衡电路的输出均连接至BAT1。

对应上述实施例，对本实用新型保护板的工作过程说明如下：

当充电器正极C+与充电器负极C-之间连接了充电器后，充电器正极的高电压使NPN三极管Q1导通，充电器检测模块输出低电平检测信号并将该信号传递给MCU；或者当负载正极L+与负载负极L-之间连接了负载后，因负载正极L+连接至锂电池组的正极，且放电回路未工作时，负载负极L-也为高电位，此时负载负极L-的高电位将NPN三极管Q2导通，负载检测模块同样输出低电平检测信号并将该信号传递给所述MCU；而当MCU的输入端检测到检测模块发出的低电平有效信号时，MCU从休眠模式中被唤醒，MCU发出高电平信号使供电模块的输出端VDD输出高电压，从而控制采样模块进行信号采样；而当充电器正极C+与充电器负极C-之间没有连接充电器，负载正极L+与负载负极L-之间也没有连接负载，即检测模块未能发出低电平有效信号给MCU时，MCU进入休眠模式，关闭MCU的输入端与输出端，进而关闭采样模块，因此可有效的降低锂电池保护板的功耗，等待下次检测模块传递来的低电平有效信号；

当MCU处于工作模式下，通过人机交互模块输入，或通过通信模块将上位机、上位控制器上预设保护参数阈值输入MCU，用于根据锂电池组的实时电参数比较，进而保护锂电池组；同时也可通过人机交互模块或通信模块的参数设置，来选择性的进行过放保护、过充保护、充电均衡、放电均衡、充电过流保护、放电过流保护、短路保护、充电高温保护、充电低温保护、放电高温保护、放电低温保护中所需的保护功能，以便应用于不同的外部环境。

当充电器检测模块检测到充电器连接时，即锂电池组处于充电状态时，当锂电池组中部分锂电池端电压高于1路电量均衡开启电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡开启延时时间时，MCU发出高电平信号使第1路均衡控制电路中的Q6开启，第1路均衡控制电路输出的低电平有效信号使第1路均衡电路中的Q3导通，使得该锂电池通过第1路均衡电路中的均衡电阻R13进行放电，降低该锂电池电压增加的速率，减小该锂电池与其他锂电池端电压的差异；当该锂电池端电压继续上升至2路电量均衡开启电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡开启延时时间时，MCU发出高电平信号使第2路均衡控制电路中的Q7开启，第2路均衡控制电路输出的低电平有效信号使第2路均衡电路中的Q4导通，使得该锂电池通过第2路均衡电路中的均衡电阻R14进行放电，进一步降低该锂电池电压增加的速率；当该锂电池端电压继续上升至3路电量均衡开启电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡开启延时时间时，MCU发出高电平信号使第3路均衡控制电路中的Q8开启，第3路均衡控制电路输出的低电平有效信号使第3路均衡电路中的Q5导通，使得该锂电池通过第3路均衡电路中的均衡电阻R15进行放电，更进一步降低该锂电池电压增加的速率；而当该锂电池端电压低于3路电量均衡关闭电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡关闭延时时间时，MCU发出低电平信号控制第3路均衡电路关闭；当该锂电池端电压低于2路电量均衡关闭电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡关闭延时时间时，MCU发出低电平信号控制第2路均衡电路关闭；当该锂电池端电压低于1路电量均衡关闭电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡关闭延时时间时，MCU发出低电平信号控制第1路均衡电路关闭。

当锂电池组中部分锂电池端电压高于过充保护电压阈值，且该过程持续的时间达到过充保护延时时间时，MCU发出过充保护信号控制充电控制模块关闭，切断充电回路，进入过充保护状态；当该锂电池端电压低于过充恢复电压阈值，且该过程持续的时间达到过充恢复延时时间时，MCU发出过充保护解除信号控制充电控制模块开启，退出过充保护状态，进入正常状态。

在充电过程中，当充电电流超过充电过流保护阈值，且该过程持续的时间达到充电过流保护延时时间时，MCU发出充电过流保护信号控制充电控制模块关闭，切断充电回路，进入充电过流保护状态；当移去外部充电器时，退出充电过流保护状态，MCU开启充电控制模块，进入正常状态；

在充电过程中，当温度采样模块采集到的所述锂电池组的电芯表面温度高于高温保护阈值时，MCU发出高温保护信号控制充电控制模块关闭，进入高温保护状态；当温度采样模块再次采集到的所述锂电池组的电芯表面温度低于高温恢复阈值时，MCU发出退高温保护信号控制充电控制模块开启，退出高温保护状态，进入正常状态。当温度采样模块采集到的所述锂电池组的电芯表面温度低于低温保护阈值时，MCU发出低温保护信号控制充电控制模块关闭，进低温保护状态；当温度采样模块再次采集到的所述锂电池组的电芯表面温度高于低温恢复阈值时，MCU发出退低温保护信号控制充电控制模块开启，退出低温保护状态，进入正常状态。放电过程中的温度保护同理。

当负载检测模块检测到负载连接时，即所述锂电池组处于放电状态时，当锂电池组中部分锂电池端电压低于过放保护电压阈值，且该过程持续的时间达到过放保护延时时间时，MCU发出过放保护信号控制放电控制模块关闭，切断放电回路，进入过放保护状态；当该锂电池端电压高于过放恢复电压阈值，且该过程持续的时间达到过放恢复延时时间时，MCU发出过放保护解除信号控制放电控制模块开启，退出过放保护状态，进入正常状态。

当所述锂电池组进入过放保护状态下，剩余锂电池端电压大于过放保护电压阈值时，当检测到该电压值大于3路放电均衡开启电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡开启延时时间时，均衡电路阵列中的3路均衡电路均开启，锂电池通过均衡电阻R13、R14、R15进行放电；当检测到该电压值大于2路放电均衡开启电压阈值时，且该过程持续的时间达到电量均衡开启延时时间时，均衡电路阵列中的第1路和第2路均衡电路开启，锂电池通过均衡电阻R13、R14进行放电；当检测到该电压值大于1路放电均衡开启电压阈值时，且该过程持续的时间达到电量均衡开启延时时间时，均衡电路阵列中的第1路均衡电路开启，锂电池通过均衡电阻R13进行放电；在3路均衡电路均开启的情况下，当该锂电池端电压下降到3路放电均衡开启电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡关闭延时时间时，关闭第3路均衡电路；当该锂电池端电压下降到2路放电均衡开启电压阈值，且该过程持续的时间达到电量均衡关闭延时时间时，关闭第2路均衡电路；当该锂电池端电压低于过放保护电压阈值，且该过程持续的时间达到过放保护延时时间时，关闭第3路均衡电路，至此均衡电路阵列关闭；在放电均衡开启过程中，如果所述MCU检测到外部充电器连接到充电器正极C+和充电器负极C-，即处于充电状态时，MCU关闭均衡电路阵列，结束放电均衡过程。

在放电过程中，当放电电流超过放电过流保护阈值，且该过程持续的时间达到放电过流保护延时时间时，MCU发出放电过流保护信号控制放电控制模块关闭，切断放电回路，进入放电过流保护状态；当移去外部负载时，退出放电过流保护状态，MCU开启放电控制模块，进入正常状态；当发生负载短路，且该过程持续的时间达到短路保护延时时间时，MCU发出负载短路保护信号控制放电控制模块关闭，切断放电回路，进入负载短路保护状态；当移去外部负载时，退出负载短路保护状态，MCU开启放电控制模块，进入正常状态。

在充放电过程中，MCU将通过所述采集模块采集到的各锂电池端电压、充放电电流、电芯温度以及锂电池保护板当前状态传递给所述人机交互模块或通过通信模块传递给上位机、上位控制器，以便使用者可以了解锂电池的参数情况。