CN109347154B - 锂电池充放电驱动保护*** - Google Patents
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Abstract
本案公开一种锂电池充放电驱动保护***，包括由电源模块、程控模块和电池充放电管理模块合成的芯片，所述程控模块连接有充放电电流检测模块、短路检测模块、电池温度监测模块、充放电驱动模块和若干外部接口，所述电池充放电管理模块中集成有电压检测模块和用于均衡各单节电芯储存电量的均衡模块。本申请实例所提供的锂电池充放电驱动保护***，是一种***电路简单、保护功能完善、功耗低、可靠性提高、功能增强、可编程控制、保密性增强、成本降低的集成电路芯片***。
Description
技术领域
本发明涉及充电保护技术领域，更具体地说，本发明涉及一种锂电池充放电驱动保护***。
背景技术
随着吸尘器家电和园林工具的不断发展，用户对无线产品的认可越来越高，于是衍生出便携类产品。其中，锂电池类产品以其体积小、能量密度高、循环寿命长、快速充放电、储存寿命长、无记忆效应、绿色环保和自放电率低等优异特性，是未来电池发展的趋势所在。近年来，越来越多的便携式产品采用锂电池作为主要电源，例如吸尘器和园林工具等。
由于锂电池的化学特性，电池在过度放电的情形下，电解液因分解而导致电池特性劣化，而过度充电会造成电池寿命的缩短，电池性能受到严重破坏，甚至发生***。正因如此，为保证锂电池的性能、寿命和使用安全等问题，所有的锂电池使用时都需要一个保护电路来实现过充、过放、过电流等一系列的保护功能。
锂电池保护控制电路的基本功能包括过电压充电保护，过电压放电保护，放电过流保护，短路保护。此外，锂电池经过长时间正常的充、放电之后可能会引起各个单电池之间的电压不一致，需要采用电量均衡技术来对蓄电池中的单电池进行均衡操作。
目前常用的锂电池保护电路，一般由锂电池保护集成电路芯片AFE/DFE、主控MCU及其驱动电路、电源电路、电量状态显示电路、开关按键检测电路、充电MOS及驱动电路和放电MOS及驱动电路等构成。锂电池保护集成电路芯片AFE/DFE监视电池的电压，并与主控MCU通信；主控MCU根据当前充放电状态和电池电压，通过MOS驱动电路控制充放电MOS的通断调速。
如中国专利申请号是201711158460.7，发明名称是锂电池保护控制ASIC芯片***，这种芯片***的集成度不高，功能有限，且不具有可编程能力，因此本发明在此在先申请专利的基础上进行改进。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种锂电池充放电驱动保护***，是一种专门针对锂电池供电***的、***电路简单、保护功能完善、功耗低、可靠性提高、功能增强、可编程控制、保密性增强、成本降低的集成电路芯片***。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种锂电池充放电驱动保护***，包括由电源模块、程控模块和电池充放电管理模块合成的芯片，所述程控模块连接有充放电电流检测模块、短路检测模块、电池温度监测模块、充放电驱动模块和若干外部接口，所述电池充放电管理模块中集成有电压检测模块和用于均衡各单节电芯储存电量的均衡模块。
优选的，所述芯片上设置有一提供可编程下载控制的软件接口。
优选的，所述电源模块输入端连接锂电池，所述电源模块的输出端通过一LDO输出模块分别与程控模块、电池充放电管理模块以及芯片的***电路模块连接，所述***电路模块连接在所述外部接口上。
优选的，所述芯片提供所述充放电驱动模块的控制信号，所述充放电驱动模块控制所述锂电池的充放电过程；
所述充放电驱动模块包括多路充电MOS管驱动模块和多路放电MOS管驱动模块，所述充放电驱动模块包括P型MOS管驱动模块和N型MOS管驱动模块，所述充放电驱动模块具有PWM调节的充放电模式；
其中，所述充电MOS管驱动模块为所述锂电池提供充电管理，所述放电MOS管驱动模块为所述锂电池提供放电管理。
优选的，所述外部接口上连接有通用I/O模块、用于控制开关档位的开关按键及充放电显示模块、用于与外部模块通信的通讯模块以及电量显示模块。
优选的，所述电量显示模块用于显示所述电芯的电量；电量显示模式为多个LED灯分档电量显示或百分比数字电量显示。
优选的，所述电压检测模块和均衡模块分别与各个所述电芯连接，所述电压检测模块的输出端以及均衡模块的控制端分别与所述程控模块连接。
优选的，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块集成在所述电池充放电管理模块内部，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输入端与所述锂电池连接，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输出端与所述程控模块连接。
优选的，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块作为独立模块设置在所述电池充放电管理模块外部，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输入端与所述锂电池连接，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输出端与所述程控模块连接。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明提供的锂电池充放电驱动保护***，含有单节过充保护、单节过放保护、充电过流保护、放电过流保护、短路保护、电池温度监测模块、通讯模块、开关按键及充放电显示模块、电量显示模块、PWM输出模块、LDO输出模块、多路充放电MOS管驱动模块和均衡电路模块等功能，是一种***电路简单、保护功能完善、功耗低、可靠性提高、功能增强、可编程控制、保密性增强、成本降低的集成电路芯片***。尤其适合吸尘器家电/园林工具等产品对充电锂电池和低功耗的要求。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的锂电池充放电驱动保护***的芯片架构图；
图2为本发明保护***的模块框图；
图3为本发明保护***在实施例中的应用示意图；
图中：100、锂电池；200、电池充放电管理模块(AFE/DFE)；210、单节电压检测模块；220、均衡模块；230、电池电量检测模块；240、电池温度监测模块；250、充放电电流检测模块；260、短路检测模块；300、程控模块(MCU)；310、外部接口；400、电源模块；410、LDO输出；500、***电路；510、充电MOS管驱动模块；520、放电MOS管驱动模块；530、电量显示模块；540、通用I/O模块；550、开关按键及充放电显示模块；560、通讯模块；600、人机交互界面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明的锂电池充放电驱动保护***，包括程控模块(MCU)300、电池充放电管理模块(AFE/DFE)200以及电源模块400，电源模块400用于提供稳定电源，为程控模块(MCU)300、电池充放电管理模块(AFE/DFE)200供电。
如图1所示，保护***的芯片架构为电池充放电管理模块(AFE/DFE)200与程控模块(MCU)300两部分合成的芯片主架构。
<实施例一>
如图1-3所示，程控模块(MCU)300分别通信连接有多路充电MOS管驱动模块510、通用I/O模块540、多路放电MOS管驱动模块520、电池电量检测模块230、用于控制开关和档位以及充放电显示的开关按键及充放电显示模块550、用于通信的通讯模块560以及用于过流保护的充放电电流检测模块250。
所述锂电池充放电驱动保护***可以为作为上述实施方式的进一步优选，电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内集成有电池电压检测模块210和用于均衡各单节电芯电量的均衡模块220。
单节电压检测模块210一端与单节电芯正极相连，用于读取单节电压。同时，单节电压检测模块210其用于检测单节电芯充放电过程中电压的限值。
电池电量检测模块230的输入端与锂电池100连接，电池电量检测模块230输出端与程控模块(MCU)300相连。
所述均衡模块220与各个所述电芯连接，均衡模块220输出端程控模块(MCU)300相连，用于控制电芯电量均衡电流。
作为上述实施方式的进一步优选，所述芯片提供所述充放电驱动模块的控制信号，所述充放电驱动模块控制所述锂电池的充放电过程；锂电池充放电驱动保护***还包括电量显示模块530。电量显示模块530输入端与程控模块(MCU)300相连；程控模块(MCU)300控制电量显示模块530显示。电量显示模式为多个LED灯分档电量显示或百分比数字电量显示。
作为上述实施方式的进一步优选，充放电驱动模块包括多路充电MOS管驱动模块510和多路放电MOS管驱动模块520，所述充电MOS管驱动模块510包括P型MOS管驱动模块和N型MOS管驱动模块，其为一路或多路充电管理模块，具有PWM调节的充电模式。
所述放电MOS管驱动模块520包括P型MOS管驱动模块和N型MOS管驱动模块；其为一路或多路放电管理模块，可以具有PWM调节的放电模式。
作为上述实施方式的进一步优选，锂电池充放电驱动保护***还包括LDO输出410模块。LDO输出410模块的输入端与电源模块400相连，用于提供高精度电压的电源。所述电源模块400输入端连接锂电池100，所述电源模块400的输出端通过LDO输出模块410分别与程控模块300、电池充放电管理模块200以及芯片的***电路模块500连接，所述***电路模块500连接在所述外部接口310上。
作为上述实施方式的进一步优选，所述芯片上设置有一提供可编程下载控制的软件接口，外部控制程序可通过该软件接口下载到芯片中，芯片根据下载的外部控制程序进行执行相应命令。
作为上述实施方式的进一步优选，锂电池充放电驱动保护***还包括短路检测模块260。
所述电池电量检测模块230、短路检测模块260、电流检测模块250以及电池温度监测模块240集成在所述电池充放电管理模块内部，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输入端与所述锂电池连接，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输出端与所述程控模块连接。
当电池电量检测模块230集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部时，电池电量检测模块230将检测到的电芯电量数据实时输出至所述程控模块(MCU)300；程控模块(MCU)300通过其内部软件算法计算电池电量。
电池温度监测模块240集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部，输出端与程控模块(MCU)300相连，用于检测电芯温度。
所述充放电电流检测模块250集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部，输出端与程控模块(MCU)300相连，用于检测充放电电流；其输出端与程控模块(MCU)300相连。
短路检测模块260集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部，其输入端与其内部集成的充放电电流检测模块250相连，输入端与程充放电电流检测模块250相连；输出端与程控模块(MCU)300相连；所述程控模块(MCU)300内设置所述短路检测模块260的保护电流和保护时间。
<实施例二>
与实施例一不同点在于，如图2中的虚线圈所示，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块作为独立模块设置在所述电池充放电管理模块外部，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输入端与所述锂电池连接，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输出端与所述程控模块连接。
<具体实施过程>
如图3所示，结合上述实施方式，下面给出本发明的具体实施例。
锂电池充放电驱动保护***与若干节锂电池100电芯相连，每节电芯均有单节检测导线连接至芯片引脚。人机交互界面600与锂电池充放电驱动保护***连接，包含外部输入与显示输出等部分，如：开关按键及充放电显示模块550示例为按键输入以及充放电显示，电量显示模块530示例为LED显示或数字输出等。多路充电MOS管驱动模块510可通过芯片控制实现对锂电池100电芯充电功能，其包括一路或多路P型MOS管驱动模块或N型MOS管驱动模块，同时可以具有PWM调节的充电模式；多路放电MOS管驱动模块520包括一路或多路MOS驱动模块，其包括一路或多路P型MOS管驱动模块或N型MOS管驱动模块，同时可以具有PWM调节的放电模式；可驱动若干路电机，尤其适合双电机的吸尘器家电/园林工具。
锂电池100的充放电保护及控制主要由锂电池充放电驱动保护***控制和实现的。
充电状态下，多路充电MOS管驱动模块510与程控模块(MCU)300通信，程控模块(MCU)300将根据程序设定，实时检测单节电压检测模块210采集的电压值，程控模块(MCU)300根据当前设置输出相应PWM占空比给一路或多路充电MOS驱动电路部分，控制充电方式。当电芯电压高于预设值时，控制P型MOS管驱动模块或N型MOS管驱动模块停止充电。电池充放电管理模块(AFE/DFE)200同时包含有硬件电路，当单节过压时同样会控制电路停止充电。
充放电电流检测模块250，可以集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部，也可以为独立模块，其输出端与程控模块(MCU)300相连，用于检测充放电电流；其输出端与程控模块(MCU)300相连。充放电电流检测模块250将充电的电流实时输出至程控模块(MCU)300，程控模块(MCU)300将根据程序设定，检测电流大小去进行充电过流保护，并通过判定充电截止电流来判断是否充电结束保护锂电池100。
放电状态下，多路充电MOS管驱动模块510停止输出驱动信号，程控模块(MCU)300根据当前档位控制输出相应PWM占空比给一路或多路放电MOS驱动电路部分，控制其调速和软启动等状态。充放电电流检测模块250将放电电流输出至程控模块(MCU)300，程控模块(MCU)300将根据程序设定，检测放电电流值，根据程序设定进行放电过流保护。短路检测电路的保护电流和保护时间由程序设定，由程控模块(MCU)300控制，放电回路均有短路保护。短路检测电路与程控模块(MCU)300和放电电流检测模块相连，实时将当前放电电流传输到程控模块(MCU)300，程控模块(MCU)300根据程序判定当前电流是否需要保护，并及时关闭一路或多路输出MOS驱动部分。
电池温度监测模块240，其可以集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部，也可以为独立模块，其输出端与程控模块(MCU)300相连，用于检测电芯温度。电池温度监测模块240***电路500可接NTC等感温元器件，程控模块(MCU)300将根据程序设定，根据检测到的温度数据，判断是否需要停止充电或放电，保证电芯和***安全。
锂电池充放电驱动保护***还具有电池电量检测功能，电池电量检测模块230，其可以集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部，也可以为独立模块，其输出端与程控模块(MCU)300相连。当集成在电池充放电管理模块(AFE/DFE)200内部时，电池电量检测模块230将检测到的电芯电量数据实时输出至所述程控模块(MCU)300；当作为独立模块时，程控模块(MCU)300与电池电量检测模块230输出端相连，电池电量检测模块230将检测到的电池电压信息传送至程控模块(MCU)300，程控模块(MCU)300通过其内部软件算法计算电池电量。程控模块(MCU)300根据程序将数据传送至电量显示模块530，同时可通过通讯模块560输出数字电量数据，人机交互模块可将电量显示出来，便于用户实时了解电芯状态。
均衡电路模块与电池充放电管理模块(AFE/DFE)200和程控模块(MCU)300相连，可通过电池充放电管理模块(AFE/DFE)200同时对锂电池100充电状态进行检测，将检测到的锂电池100电芯的状态输出至程控模块(MCU)300；当其中最高电压的一节电池达到均衡点时，程控模块(MCU)300就控制对其进行分流放电，降低其充电速度，随着充电的进行，会继续对其他达到均衡点的电池进行分流放电，逐渐就实现了全部电芯的电量均衡。
本发明提供的一种锂电池充放电驱动保护***，包括程控模块(MCU)300；电池充放电管理模块(AFE/DFE)200以及电源模块400。其中，程控模块(MCU)300还分别连接多路充电MOS管驱动模块510、多路放电MOS管驱动模块520、通用I/O模块540、电池温度监测模块240、用于控制开关档位和显示状态的开关按键及充放电显示模块550、用于通信的通讯模块560、用于检测充放电电流的电流检测模块、电池电量检测模块230以及电量显示模块530；电池充放电管理模块(AFE/DFE)200，其包含电池电压检测模块210、电池电量检测模块230、用于均衡各单节电芯电量的均衡模块220、用于检测充放电电流的电流检测模块以及电池温度监测模块240；电源模块400，其与各模块连接，用于提供稳定电源。
由上所述，本申请实例所提供的锂电池充放电驱动保护***，是一种***电路简单、保护功能完善、功耗低、可靠性提高、功能增强、可编程控制、保密性增强、成本降低的集成电路芯片***。尤其适合吸尘器家电/园林工具等产品对充电锂电池和低功耗的要求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种锂电池充放电驱动保护***，其特征在于，包括由电源模块、程控模块和电池充放电管理模块合成的芯片，所述程控模块连接有充放电电流检测模块、短路检测模块、电池温度监测模块、充放电驱动模块和若干外部接口，所述电池充放电管理模块中集成有电压检测模块和用于均衡各单节电芯储存电量的均衡模块；所述芯片上设置有一提供可编程下载控制的软件接口，所述软件接口与所述程控模块连接，所述电压检测模块和均衡模块分别与各个所述电芯连接，所述电压检测模块的输出端以及均衡模块的控制端分别与所述程控模块连接，电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输入端与所述锂电池连接，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块的输出端与所述程控模块连接。
2.如权利要求1所述的锂电池充放电驱动保护***，其特征在于，所述电源模块输入端连接所述锂电池，所述电源模块的输出端通过一LDO输出模块分别与程控模块、电池充放电管理模块以及芯片的***电路模块连接，所述***电路模块连接在所述外部接口上。
3.如权利要求1或2所述的锂电池充放电驱动保护***，其特征在于，所述芯片提供所述充放电驱动模块的控制信号，所述充放电驱动模块控制所述锂电池的充放电过程；
所述充放电驱动模块包括多路充电MOS管驱动模块和多路放电MOS管驱动模块，所述充放电驱动模块包括P型MOS管驱动模块和N型MOS管驱动模块，所述充放电驱动模块具有PWM调节的充放电模式；
其中，所述充电MOS管驱动模块为所述锂电池提供充电管理，所述放电MOS管驱动模块为所述锂电池提供放电管理。
4.如权利要求2所述的锂电池充放电驱动保护***，其特征在于，所述外部接口上连接有通用I/O模块、用于控制开关档位的开关按键及充放电显示模块、用于与外部模块通信的通讯模块以及电量显示模块。
5.如权利要求4所述的锂电池充放电驱动保护***，其特征在于，所述电量显示模块用于显示所述电芯的电量；电量显示模式为多个LED灯分档电量显示或百分比数字电量显示。
6.如权利要求1所述的锂电池充放电驱动保护***，其特征在于，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块集成在所述电池充放电管理模块内部。
7.如权利要求1所述的锂电池充放电驱动保护***，其特征在于，所述电池电量检测模块、短路检测模块、电流检测模块以及电池温度监测模块作为独立模块设置在所述电池充放电管理模块外部。
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