CN104158156A - 一种锂电池保护板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池保护板。根据各种锂电池保护板隐患的分析，重新确立了控制过程的运算规则，选择最为体现隐患特征的FET功耗累积量作为控制指标，构造新型锂电池保护板。所发明控制电路用8位MCU采集信号、A/D变换和数据处理，最终通过FET控制电气设备。本发明还构造了旧有锂电池保护板的二次保护模块，该模块采集原有保护板信号，做A/D变换，处理数据，并将控制控制信号送回原保护板，该模块由链接键与原电池保护板链接，获取模拟信号，获取工作电源，反馈控制信号。经测试，新型锂电池保护板和接口控制模块成功地保护了FET，免受功耗累积过量而引起的烧管现象，可以避免起火和/或***一类的安全事故。

Description

一种锂电池保护板

技术领域

本发明涉及锂电池应用领域，尤其涉及一种为锂电池保护板提供二次保护的运算规则和控制电路。

背景技术

在以专用集成电路构成的锂电池保护板中，大功率晶体管通常作为开关器件（以下称之为“电子开关”或“FET”），以此来实现电器设备的运转。相对于机械开关器件，电子器件具有很多优点，首先电子器件尺码总是比同样功能机械器件的尺码小得多；其次电子开关可以无限次开关动作，具有不因频繁开关影响使用寿命的优势；再有，电子开关可以快速动作，时间量级达到微秒级；还有，机械开关动作时有电火花和拉弧现象，电子开关则完全根绝这种危险因子。这是电子开关被广泛使用的四个根本原因。可是，与良好触点的机械开关相比，电子开关总是有一个不为0的导通电阻Ron，少则几个mΩ,多则几十个mΩ。Ron带来额外功耗，大电流运行时，电子开关会急剧发热，散热措施不力，累积时间久了就会烧毁管子，甚至引发安全事故。

目前，锂电池保护板通常设有一种大电流保护机制，把电子开关的工作电流限制在某一个极值Imax之下，电流达到或超过Imax,保护功能方才启动，否则那怕电子开关长时间工作在稍小于Imax的状态，保护机制也不会启动。实际上，现有的这种保护机制仅仅是起到了限制瞬间大电流的作用。实际情形却是这样的：瞬间大电流几乎不对锂电池、电子开关和电器设备形成破环作用。Ron引起的功耗累积数十秒或更长时间，才是挥刀砍向锂电池、电子开关和电器设备的杀手。想用电流阈值保护机制杜绝这个危险因子，只能将Imax取得足够低，这样一来，每当电流不太大的上涌，那怕上涌只是瞬间的，过流保护都会立即启动。如此一来，保护板可能会频繁做出保护动作，可以说这样的动作是一种误操作。

那么，Imax只能取大，一般都选得远高于正常运行电流，比如一种锂电池手电钻，平均工作电流是6～7A,Imax通常设置为20A。如果取小一些比如15A，作业时的小小阻碍，或是启动阶段的瞬间电流就可能启动保护。如果电钻数十秒或更长时间内工作在14A～20A-ε之间，可能锂电池和/或电子开关和/或电器设备已经过热，甚至烧毁了，电流保护机制也不会启动。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于锂电池保护板的补充保护措施——电子开关功耗过载保护，以弥补现有保护板的普遍存在的漏洞。本发明依据对现有保护板的缺陷查验，首创“二次保护”概念；本发明测量功耗的具体手段是计算功耗时段累积量；本发明用微控制器计算功耗时段累积量并输出控制信号。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种锂电池保护板，包括4节锂电池电位B4、B3、B2、B1、放电P沟道FET漏极电位Vd、采样电阻上端电位Vsen=I*Rsen,共6路信号分别输入微控制器MCU的6路接口In0～In5，MCU的A/D变换单元将6个模拟信号转换为数据，微控制器将B1、B2、B3、B4这4个信号进行A/D变换，并计算出4节电池的输出电压V1、V2、V3、V4，检测是循环滚动的，决定充电关断的控制逻辑是：一旦V1、V2、V3、V4的任何一个达到或超过一个既定的上限Vmax，并且持续了一段时间Tx，微控制器就将输出端Out0常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使充电场效应管从导通状态跳变为关断状态，充电停止；与此类似，决定放电关断的控制逻辑是：一旦V1、V2、V3、V4的任何一个达到或低于一个既定的下限Vmin，并且持续了一段时间Tn，微控制器就将输出端Out1常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止；放电场效应管FET压降Vsd(=B4–Vd)与Vsen(=I*Rsen)进行积分计算，得到一个特定时段内的I*Vsd的累积量，积分时间由MCU内部计时器设置；累积量超过一定的量值Pmax，微控制器就将输出端Out1常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止，从而避免了电池、放电场效应管和用电器长时段工作在大电流状态。

一种锂电池保护板，即旧模式电流保护板，将锂电池保护板放电FET漏极电位Vd、采样电阻上端电位Vsen、GND和 B4输给接口板，经MCU处理得出控制信号送回FET栅极G；微控制器将Vd和Vsen这两个信号进行A/D变换，放电场效应管FET压降Vsd(=B4–Vd)与Vsen(=I*Rsen)进行积分计算，得到一个特定时段内的I*Vsd的累积量，积分时间由MCU内部计时器设置。累积量超过一定的量值Pmax，微控制器就将输出端Out0常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止，从而避免了电池、放电场效应管和用电器长时段工作在大电流状态。Out0端口输出信号通过一只二极管送到原保护板中FET的栅极G，这样接口板就不会干扰原保护板的其它工作过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提出保护板自身也需要更上一层次的保护，我们把这种上一层次保护称之为“二次保护”，二次保护不应该仅仅针对FET，还应该面向锂电池和电气设备，为达此目的必须通过电气参数，经数据处理输出控制信号，而不能通过相应部位温度测试来实现二次保护，更何况多数情况中的锂电池、FET和电气设备的核心发热部位是不能设置测温点的，保护命令的下达应该依据能够方便测量的，方便A/D转换的电气参数，动力锂电池驱动的电器设备的工作状态常常是起伏不定的，二次保护应该是一种时间累积量，经过反复帅选，本发明把电子开关功耗在特定时段内的累积量用作控制参量，测量信号和数据处理是一个时段接着一个时段地滚动作业的，分时段作业是由微控制器指挥完成的。

附图说明：

图1是通行锂电池保护板的结构示意图；

图2是本发明设计的新型锂电池保护板的结构示意图；

图3是本发明为旧模式电流保护板设计的二次保护模块的结构示意图；

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

图1所示通行锂电池保护板，负载电流I流经采样电阻Rsen，采样电阻上位电压Vsen=I*Rsen，Vsen送给专用集成电路的过流保护测试管脚。选择集成电路，其过流阈值为Imax*Rsen。一旦I>Imax,专用集成电路输出过流保护触发信号，放电P沟道FET切断负载电流表1所示实验是给锂电池保护板接入一个负载电阻。此负载远大于正常负载（2.5倍左右），又小于过流时的负载（3/4左右），测试记录表明通行锂电池保护板的过流保护是怎么失灵的。本发明做这样的测试是基于对电子开关发热机理的分析，实测验证了这种分析，由此就得到了本发明提出的“二次保护”概念。

表1  锂电池保护板FET大电流破坏实验记录(过热温度125℃)

名    称	电池组合方式	Imax(A)	总电压(V)	负载电阻(Ω)	过热时间(S)	冒烟时间(S)
							直流枪钻保护板	3串	30	12.5	0.50	15	22
自行车纯硬件保护板	13串2并	40	48.2	1.25	12	18
							智能BMS	13串	26	48.5	2.0	17	25

表1是三种通行锂电池保护板FET破坏过程的实测记录，破坏是因输出累积大电流引起的，而此时电流并没有超越保护阈值Imax；

一种锂电池保护板，包括4节锂电池电位B4、B3、B2、B1、放电P沟道FET漏极电位Vd、采样电阻上端电位Vsen=I*Rsen,共6路信号分别输入微控制器MCU的6路接口In0～In5，MCU的A/D变换单元将6个模拟信号转换为数据，微控制器将B1、B2、B3、B4这4个信号进行A/D变换，并计算出4节电池的输出电压V1、V2、V3、V4，检测是循环滚动的，决定充电关断的控制逻辑是：一旦V1、V2、V3、V4的任何一个达到或超过一个既定的上限Vmax，并且持续了一段时间Tx，微控制器就将输出端Out0常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使充电场效应管从导通状态跳变为关断状态，充电停止；与此类似，决定放电关断的控制逻辑是：一旦V1、V2、V3、V4的任何一个达到或低于一个既定的下限Vmin，并且持续了一段时间Tn，微控制器就将输出端Out1常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止；放电场效应管FET压降Vsd(=B4–Vd)与Vsen(=I*Rsen)进行积分计算，得到一个特定时段内的I*Vsd的累积量，积分时间由MCU内部计时器设置；累积量超过一定的量值Pmax，微控制器就将输出端Out1常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止，从而避免了电池、放电场效应管和用电器长时段工作在大电流状态。

图2是本发明所设计的改进型锂电池保护板结构示意图；表2是本发明所设计保护电路板的测试结果，测试负载条件与表1相同，FET温度升高，但没有超过通常所要求的75℃。本发明设计的锂电池保护板有效地保护了锂电池、保护板自身和电气设备的安全。

表2 本发明锂电池保护板FET大电流过载实验记录

名    称	电池组合方式	常态负载电阻Ω	过载电阻Ω	累积时段间隔S	时段内功耗J	过载保护时间S	极限温度℃
								直流钻枪保护板	3串	2.0	0.50	10	15	10	58
自行车纯硬件保护板	13串2并	4.0	1.25	8	24	8	62
								智能BMS	13串	8.0	2.0	11	16	11	61

一种锂电池保护板，将锂电池保护板放电FET漏极电位Vd、采样电阻上端电位Vsen、GND和 B4输给接口板，经MCU处理得出控制信号送回FET栅极G；微控制器将Vd和Vsen这两个信号进行A/D变换，放电场效应管FET压降Vsd(=B4–Vd)与Vsen(=I*Rsen)进行积分计算，得到一个特定时段内的I*Vsd的累积量，积分时间由MCU内部计时器设置。累积量超过一定的量值Pmax，微控制器就将输出端Out0常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止，从而避免了电池、放电场效应管和用电器长时段工作在大电流状态。Out0端口输出信号通过一只二极管送到原保护板中FET的栅极G，这样接口板就不会干扰原保护板的其它工作过程。

对于已经使用了旧模式电流保护的，且不方便更换保护***的用户，本发明提供了二次保护方案，这样，新的电流保护模式就比较方便地在旧板子上实现了；该方案将放电FET漏极电位Vd和采样电阻上端电位Vsen 输给接口板，经MCU处理得出控制信号送回FET栅极G；其中的过渡二极管D确保控制高电平可以有效减小源栅电压Vsg,而当接口输出低电平时，又不对旧板的其它控制过程产生影响；表3是图3所示方案的测试结果，与表2所列测试条件和测试过程完全一致，结果显示接口板（二次保护板）与图2所示结构效果相当。

表3  二次保护板FET大电流过载实验记录

名    称	电池组合方式	常态负载电阻Ω	过载电阻Ω	累积时段间隔S	时段内功耗J	过载保护时间S	极限温度℃
								直流钻枪保护板	3串	2.0	0.50	10	15	10	58
自行车纯硬件保护板	13串2并	4.0	1.25	8	24	8	62
								智能BMS	13串	8.0	2.0	11	16	11	61

Claims (2)

1.一种锂电池保护板，其特征在于：包括4节锂电池电位B4、B3、B2、B1、放电P沟道FET漏极电位Vd、采样电阻上端电位Vsen=I*Rsen,共6路信号分别输入微控制器MCU的6路接口In0～In5，MCU的A/D变换单元将6个模拟信号转换为数据，微控制器将B1、B2、B3、B4这4个信号进行A/D变换，并计算出4节电池的输出电压V1、V2、V3、V4，检测是循环滚动的，决定充电关断的控制逻辑是：一旦V1、V2、V3、V4的任何一个达到或超过一个既定的上限Vmax，并且持续了一段时间Tx，微控制器就将输出端Out0常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使充电场效应管从导通状态跳变为关断状态，充电停止；与此类似，决定放电关断的控制逻辑是：一旦V1、V2、V3、V4的任何一个达到或低于一个既定的下限Vmin，并且持续了一段时间Tn，微控制器就将输出端Out1常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止；放电场效应管FET压降Vsd(=B4–Vd)与Vsen(=I*Rsen)进行积分计算，得到一个特定时段内的I*Vsd的累积量，积分时间由MCU内部计时器设置；累积量超过一定的量值Pmax，微控制器就将输出端Out1常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止，从而避免了电池、放电场效应管和用电器长时段工作在大电流状态。

2.一种锂电池保护板，其特征在于：将锂电池保护板放电FET漏极电位Vd、采样电阻上端电位Vsen、GND和 B4输给接口板，经MCU处理得出控制信号送回FET栅极G；微控制器将Vd和Vsen这两个信号进行A/D变换，放电场效应管FET压降Vsd(=B4–Vd)与Vsen(=I*Rsen)进行积分计算，得到一个特定时段内的I*Vsd的累积量，积分时间由MCU内部计时器设置，累积量超过一定的量值Pmax，微控制器就将输出端Out0常态化的高电平变为低电平，这样一个负跳变，将使放电场效应管从导通状态跳变为关断状态，放电停止，从而避免了电池、放电场效应管和用电器长时段工作在大电流状态，Out0端口输出信号通过一只二极管送到原保护板中FET的栅极G，这样接口板就不会干扰原保护板的其它工作过程。