两电芯锂离子电池充放电保护器的制作方法

1.本发明涉及锂离子电池的电池管理系统，特别是涉及一种两电芯的锂离子电池的充放电保护器。


背景技术：

2.锂离子电池具有能量密度较高、安全性能好、循环寿命长的优点，广泛应用于新能源汽车行业、启动电源、储能市场以及军事领域中。但是锂离子电池若出现过充现象，电解液等材料会分解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓胀破裂，进而爆炸；如果电芯电压过低，电芯内部分材料就会开始被破坏，又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低；另外，充电电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面，这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，产生锂枝晶，发生电池内部短路。因此，对锂离子电池至少要进行过充、过放、过流的三项保护。
3.中国专利cn112234689b公开了一种充放电保护电路及锂离子电池保护系统，采用了两个比较器采集锂离子电池电压，通过多个数字集成电路构成充放电控制电路，结构比较复杂，由于仅采用一个mosfet做功率开关，仅能对充电进行控制，如果要对放电进行控制，该发明还需设计一个mosfet作为放电功率开关。
4.专利号cn 104682355 b公开了一种锂离子电池保护电路，需要专门的多路开关和电压比较电路，还需要多个数字集成芯片组成逻辑电路，为了实现充放电控制采用了四个场效应管，控制逻辑非常复杂。
5.此外，目前锂离子电池的充放电保护，多采用集成的电压采集及控制电路，成本较高，需要通过上位机配置控制参数，使用过程比较复杂，不利于两电芯锂离子电池，或者不同种类的锂离子电池的应用。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术存在的不足，提出一种两电芯锂离子电池充放电保护器，与现有技术相比，本发明具有较少的器件，不需要专门的电压测量集成电路、不需要额外的辅助供电电源。能够独立对过充电、过放电进行保护，以及单体电芯的均衡控制。针对不同种类的锂离子电池的充放电电压参数的不同，可以方便地对充电截止电压、放电截止电压和均衡电压进行设置。
7.本发明采取的技术方案为：
8.为了达到上述目的，本发明的两电芯锂离子电池充放电保护器，包括第一均衡单元、第二均衡单元、放电驱动电阻、充电控制单元、放电控制单元、充电检测单元、第一放电检测单元、第二放电检测单元、第一电芯、第二电芯；所述第一电芯、第二电芯串联组成电池组，第一电芯的正极与pack+相连，第二电芯的负极与充电控制单元的输入端相连，充电控制单元的输出端与放电控制单元的输出端相连，放电控制单元的输入端与pack
‑
相连；第一均衡单元、第二均衡单元分别与第一电芯、第二电芯并联，第一放电检测单元、第二放电检
测单元的检测端分别与第一电芯、第二电芯并联；第一放电检测单元、第二放电检测单元的输出端首尾串联，其中第一放电检测单元的输出正端与放电驱动电阻串联后接到pack+端，第二放电检测单元的输出负端与放电控制单元的控制端相连；充电检测单元的检测端分别接到pack+端和pack
‑
端，输出端与充电控制单元的控制端相连；所述两电芯锂电池充放电保护器可以设置充电截止电压e
c
、放电截止电压e
d
和均衡电压e
b
，防止充放电过程中出现过充或过放的现象，以及电芯的不均衡现象。
9.所述第一均衡单元与第二均衡单元电路结构完全相同，包括第一检测电阻、第二检测电阻、第一限流电阻、第一稳压器、三极管、均衡电阻；所述第一检测电阻与第二检测电阻串联成为第一支路，第一限流电阻与第一稳压器串联成为第二支路，三极管与均衡电阻串联成为第三支路，所述三个支路均与相应电芯的正负极并联，三极管的基极与第一限流电阻、第一稳压器串联支路的中点相连，第一稳压器的反馈端与第一检测电阻、第二检测电阻串联支路的中点相连。
10.所述充电检测单元包括第三检测电阻、第四检测电阻、第二稳压器，第二限流电阻，所述第三检测电阻与第四检测电阻串联，然后再并联在pack+和pack
‑
两端，第二稳压器、第二限流电阻串联支路与第三检测电阻、第四检测电阻串联支路并联，第二稳压器的反馈端与第三检测电阻、第四检测电阻串联支路中点相连。
11.所述第一放电检测单元和第二放电检测单元电路结构完全相同，包括第五检测电阻、第六检测电阻、第三稳压器、二极管，所述二极管的阴极与对应电芯负极相连，第五检测电阻与第六检测电阻串联后与对应电芯的正极和电芯负极相连，第三稳压器的阳极与二极管的阳极相连作为输出负端，第三稳压器阴极作为输出正端，第三稳压器的反馈端与第五检测电阻、第六检测电阻的中点相连。
12.所述充电控制单元包括第一功率开关、第一门极电阻、第一稳压管，所述第一功率开关为n沟道mosfet，其漏极为输入端，第一功率开关的门极为控制端，第一功率开关的源极为输出端，第一门极电阻并联在第一功率开关的门极和源极上，第一稳压管与第一门极电阻并联。
13.所述放电控制单元包括第二功率开关、第二门极电阻、第二稳压管，所述第二功率开关为n沟道mosfet，其漏极为输入端，二功率开关的门极为控制端，二功率开关的源极为输出端，第二门极电阻并联在二功率开关的门极和源极上，第二稳压管与第二门极电阻并联。
14.所述三极管为pnp型三极管，优选地三极管为p沟道mosfet。
15.所述充电截止电压e
c
由第三检测电阻与第四检测电阻的阻值r3、r4，以及第二稳压器参考电压v2决定，即e
c
＝v2(r3+r4)/r4。
16.所述的第一放电检测单元和第二放电检测单元，其特征在于，所述放电截止电压e
d
，由第五检测电阻和第六检测电阻的阻值r5、r6，以及第三稳压器参考电压v3决定，即e
d
＝v3(r5+r6)/r6。
17.所述的第一均衡单元与第二均衡单元，其特征在于，所述均衡电压e
b
由第一检测电阻和第二检测电阻的阻值r1、r2，以及第一稳压器参考电压v1决定，即e
b
＝v1(r1+r2)/r2。
18.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
19.本发明的一个效果在于，每个单体锂离子电池电芯均有独立的放电检测单元及均
衡单元，结构非常简单，且价格非常低，适合两电芯锂离子电池组的保护控制。
20.本发明的一个效果在于，锂离子电池的电压检测与保护控制是一体化的，不需要额外单独的辅助电源，因此成本低、体积重量小。
21.本发明的一个效果在于，充电检测单元与均衡单元共同对电芯的充电进行控制和保护，并能够使每个电芯都能够充满，从而提高电池组的容量。
22.本发明的一个效果在于，充电截止电压、放电截止电压，以及均衡电压可以通过电阻值调节，使用方便。
附图说明
23.图1是本发明中两电芯锂电池充放电保护器结构示意图；
24.图2是本发明中两电芯锂电池充放电保护器原理图；
25.图3是本发明中均衡单元原理图；
26.图4是本发明中充电检测单元原理图；
27.图5是本发明中放电检测单元原理图；
28.图6是本发明中充电控制单元原理图；
29.图7是本发明中放电控制单元原理图。
30.附图中，各标号所代表的部件：
31.1、第一均衡单元，2、第二均衡单元，3、放电驱动电阻，4、充电控制单元，5、放电控制单元，6、充电检测单元，7、第一放电检测单元，8、第二放电检测单元，9、第一电芯，10、第二电芯，101、第一检测电阻，102、第二检测电阻，103、第一限流电阻，104、第一稳压器，105、三极管，106、均衡电阻，401、第一功率开关，402、第一门极电阻，403、第一稳压管，501、第二功率开关，502、第二门极电阻，503、第二稳压管，601、第三检测电阻，602、第四检测电阻，603、第二稳压器，604、第二限流电阻，701、第五检测电阻，702、第六检测电阻，703、第三稳压器，704、二极管。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步的介绍。
33.为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
34.图1是本发明中两电芯锂电池充放电保护器结构示意图，两电芯锂电池充放电保护器包括第一均衡单元1、第二均衡单元2、放电驱动电阻3、充电控制单元4、放电控制单元5、充电检测单元6、第一放电检测单元7、第二放电检测单元8、第一电芯9、第二电芯10。在小型电动工具中，通常可以采用两个18650的电芯串联作为电源供电，应用范围较广。因此本发明采用一种低成本的设计方案，对电池进行保护和管理，提高其使用寿命、可靠性、安全性。由于不采用任何集成电路检测模块和数字控制模块，因此成本较低，适合通用电动工具产品。综上所述，本发明中每个单体锂离子电池电芯均有独立的放电检测单元及均衡单元，结构非常简单，且价格非常低，适合两电芯锂离子电池组的保护控制。
35.通过将电压检测和驱动一体化设计，使得锂离子电池的电压检测与保护控制成为一体化结构，不需要额外单独的辅助电源，因此成本低、体积重量小。
36.其中所述第一电芯9、第二电芯10串联组成电池组，第一电芯9的正极与pack+相连，作为电池组的正输出端。第二电芯10的负极与充电控制单元4的输入端相连，充电控制单元4的输出端与放电控制单元5的输出端相连，放电控制单元5的输入端与pack
‑
相连，作为电池组的负输出端。
37.第一均衡单元1并联在第一电芯9两端，用于对第一电芯9的被动均衡控制。第二均衡单元2并联在第二电芯10两端，对第二电芯10进行被动均衡控制。
38.第一放电检测单元7并联在第一电芯9两端，用于检测第一电芯9的电压。第二放电检测单元8并联在第二电芯10两端，用于检测第二电芯10的电压。第一放电检测单元7和第二放电检测单元8根据检测得到的电压对放电控制单元5进行控制，防止每个电芯过放电，避免对电芯造成损坏，或者影响电芯的寿命和安全。由于需要对每个单元进行控制，因此第一放电检测单元7和第二放电检测单元8的输出是“与”的关系，只有第一电芯9和第二电芯10的电压均高于放电截止电压e
d
，才允许放电控制单元5导通，使电池组对负载放电。一旦任意一个电芯电压低于放电截止电压e
d
，都会将放电控制单元5关断，禁止电池对外放电，但是不影响充电状态。
39.本实施例中，第一放电检测单元7与第二放电检测单元8的输出端首尾串联，形成逻辑“与”的关系，其中第一放电检测单元7的输出正端与放电驱动电阻3串联后接到pack+端。第二放电检测单元8的输出负端与放电控制单元5的控制端相连。当所有电芯的电压高于放电截止电压e
d
时，电池电压通过放电驱动电阻3、第一放电检测单元7输出端、第二放电检测单元8的输出端加到放电控制单元5的控制端，使放电控制单元5导通。如果有任何一个电芯电压低于放电截止电压e
d
时，控制回路断开，则放电控制单元5关断。
40.本实施例中，充电检测单元6的检测端分别接到pack+端和pack
‑
端，用于检测充电器的充电电压。充电检测单元6的输出端与充电控制单元4的控制端相连。当充电电压高于充电截止电压e
c
电压时，充电检测单元6的输出端控制充电控制单元4断开，停止充电，避免电池过充电。通过本实施例可知，充电检测单元6与均衡单元1共同对电芯的充电进行控制和保护，均衡单元1使能量多的电芯适当降低能量，充电检测单元6控制充电控制单元4，使每个电芯都能够充满，从而提高电池组的容量。并且使每个电芯都不会过充电。
41.图2为本实施例中的两电芯锂电池充放电保护装置原理图，模块化设计可以有效降低成本，使结构更简单。
42.图3为均衡单元原理图，本实施例中的第一均衡单元1与第二均衡单元2电路结构完全相同，都包括第一检测电阻101、第二检测电阻102、第一限流电阻103、第一稳压器104、三极管105、均衡电阻106。
43.所述第一检测电阻101与第二检测电阻102串联成为第一支路，第一限流电阻103与第一稳压器104串联成为第二支路，三极管105与均衡电阻106串联成为第三支路，所述三个支路均与相应电芯的正负极并联，三极管105的基极与第一限流电阻103、第一稳压器104串联支路的中点相连，第一稳压器104的反馈端与第一检测电阻101、第二检测电阻102串联支路的中点相连。
44.本实施例中的三极管105可以选用pnp型三极管，也可以选用p沟道mosfet代替，其作用相同。第一检测电阻101、第二检测电阻102对电芯电压进行分压，当某个电芯电压高于均衡电压e
b
时，图3中a点电压就会高于第一稳压器104的参考电压v1。因此，第一稳压器104
导通，将三极管105的基极拉低，使三极管105导通，该电芯的电能通过三极管105和均衡电阻106释放，直到该电芯电压低于均衡电压e
b
。某个电芯电压低于均衡电压e
b
时，第一稳压器104关断，第一限流电阻103将三极管105的基极和发射极电压拉平，使三极管关断，停止均衡操作。通过反复均衡，可以使第一电芯9与第二电芯10的电压趋于相同，达到了电芯均衡的目的。
45.本实施例中，均衡电压e
b
由第一检测电阻101和第二检测电阻102的阻值r1、r2，以及第一稳压器104参考电压v1决定，即e
b
＝v1(r1+r2)/r2。通过调节r1、r2可以调节不同的均衡电压e
b
，以便适合不同类型的电池。优选地r1、r2的阻值大于50kω。均衡电流的大小由均衡电阻106的阻值决定，可以任意调节。
46.图4为充电检测单元6的原理图。充电检测单元6包括第三检测电阻601、第四检测电阻602、第二稳压器603，第二限流电阻604。所述第三检测电阻601与第四检测电阻602串联，然后再并联在pack+和pack
‑
两端，第二稳压器603、第二限流电阻604串联支路与第三检测电阻601、第四检测电阻602串联支路并联，第二稳压器603的反馈端与第三检测电阻601、第四检测电阻602串联支路中点相连。
47.本实施例中，充电截止电压e
c
由第三检测电阻601与第四检测电阻602的阻值r3、r4，以及第二稳压器603参考电压v2决定，即e
c
＝v2(r3+r4)/r4。
48.第三检测电阻601与第四检测电阻602串联对充电电压进行分压，当充电电压高于充电截止电压e
c
时，b点电压高于第二稳压器603参考电压v2，第二稳压器603导通，从而将充电控制单元4的控制端电压拉低，使充电控制单元4断开充电回路，保证电池组不会过充电。
49.如果充电电压低于充电截止电压e
c
时，第二稳压器603关断，高电压通过pack+、第二限流电阻604施加到充电控制单元4的控制端，使充电控制单元4保持充电状态。
50.图5为放电检测单元原理图。第一放电检测单元7和第二放电检测单元8电路结构完全相同，包括第五检测电阻701、第六检测电阻702、第三稳压器703、二极管704。
51.所述二极管704的阴极与对应电芯负极相连，第五检测电阻701与第六检测电阻702串联后与对应电芯的正极和电芯负极相连，第三稳压器703的阳极与二极管704的阳极相连作为输出负端，第三稳压器703阴极作为输出正端，第三稳压器703的反馈端与第五检测电阻701、第六检测电阻(702)的中点相连。
52.第五检测电阻701与第六检测电阻702串联对电芯进行分压，当电芯电压低于放电截止电压e
d
时，c点电压低于第三稳压器703参考电压v3，第三稳压器703关断，使输出控制回路断开，从而切断了驱动放电控制单元5的控制信号，于是把放电回路断开。只有所有的电芯电压均高于放电截止电压e
d
时，驱动电压通过pack+、放电驱动电阻3、第一放电检测单元7、第二放电检测单元8、放电控制单元5控制端，使放电控制单元5导通，从而允许电池组放电。
53.本实施例中，放电截止电压e
d
由第五检测电阻701与第六检测电阻702的阻值r5、r6，以及第三稳压器703参考电压v3决定，即e
d
＝v3(r5+r6)/r6。
54.图6为充电控制单元原理图，充电控制单元4受充电检测单元6控制。第一门极电阻402与第一稳压管403一起并联在第一功率开关401门极和源极之间，第一功率开关401的门极为控制端，漏极为输入端，源极为输出端。第一稳压管403作用是防止第一功率开关401门极电压超过额定值而损坏。
55.当第一功率开关401的门极为高电平时，第一功率开关401导通，接通充电回路。当第一功率开关401的门极电压被拉低到参考地时，第一功率开关401关断，断开充电回路，但是放电回路通过第一功率开关401中的反并联二极管不受影响。
56.图7为放电控制单元5的原理图。放电控制单元5受第一放电检测单元7和第二放电检测单元8共同控制。第二门极电阻502与第二稳压管303一起并联在第二功率开关501门极和源极之间，第二功率开关501的门极为控制端，源极为输入端，漏极为输出端。第二稳压管303作用是防止第二功率开关501门极电压超过额定值而损坏。
57.当第二功率开关501的门极为高电平时，第二功率开关501导通，接通放电回路。当第二功率开关501的门极断开时，第二功率开关501关断，断开放电回路，但是充电回路通过第二功率开关501中的反并联二极管不受影响。
58.对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。