一种锂电池双重保护电路的制作方法

一种锂电池双重保护电路
[技术领域]
[0001]
本发明涉及一种锂电池双重保护电路。
[

背景技术：
]
[0002]
现有锂电池因其自身的化学特性，在使用的过程中若电池超规格使用，会有热失控、着火或爆炸的风险，因此对于电芯组成的电池组中，就需要一块电路板对每一颗电芯进行保护管理，确保在使用的过程中不会发生严重的安全事故。
[0003]
对于一般使用场景的电池组，一般采用一级电路板保护方案，若当一级保护电路因不可控因素失效，则所有保护功能失效，电芯随时处于超规格使用的风险；对于要求更严格的使用场景，则一般使用双重保护电路方案，即当一级保护电路板失效，还有第二级电路进行保护，增加系统的冗余性，提高系统的安全。
[0004]
目前市面上常用的双重保护硬件保护电路有三种：
[0005]
第一种：ic控制器 mos fuse或ptc组成的硬件保护电路，但存在如下缺点，1、保护功能不全，无双重电压保护；2、目前的技术ptc做不到大电压和大电流，且ptc多次保护后，会有内阻变大的缺点，存在一定的局限性；3、fuse选型困难，fuse选型较小，则在短路的过程中fuse优先于mos动作，造成电池组不可恢复使用的缺点；若fuse选型较大，则在安规认证中，mos和采样电阻优先于fuse失效，造成着火的风险，且fuse本身个体差异参数较大，因此设计选型较为困难；4设计上，很难通过fuse对电池组进行充放电过流保护。
[0006]
第二种：ic控制器 二级控制器 mos 三端fuse组成的硬件保护电路，但存在如下缺点，1、功能不全，无过放二级保护，无温度双重保护，基本无电流双重保护；2、三端fuse同样存在选型困难的问题，参考第一种方案中的3和4。
[0007]
第三种：ic控制器 ic控制器 mos mos组成的硬件保护电路，但存在如下缺点，在大电流充放电或短路等极端情况下，充放电mos和ic会有失效的风险。
[0008]
常规双重保护电路结构如图1所示，当放电过流过大或短路时，由于电路存在寄生等效电感，其感应电压u＝l*di/dt，因此当电流足够大时，第一mos电路中的放电mos管关断时其ds两端的感应电压会达到电池组自身的数倍电压值，例如电池组12v，则第一mos电路中的放电mos管关断时的感应电压高达30-50v。
[0009]
图1的电路中，若放电的过程中出现大电流，若第一mos电路中的放电mos管此时关断，则根据u＝l*di/dt，在该放电mos管的ds两端会产生一个极高的感应电压，而此感应电压会导致第二mos电路中的充电mos管的vgs超
±
20v，导致第二mos电路中的充电mos管失效的风险；同时感应的能量会随下图中的红色曲线箭头方向流入第二控制芯片电路中的控制ic，导致该控制ic的充电控制端损坏。
[0010]
图1的电路中，若充电的过程中出现异常高电压和电流，若第三mos电路中的充电mos管此时关断，则p-对gnd会出现一个较高的负电压，若此时第四mos电路中的放电mos管还未关断，则该放电mos管的vgs的电压会超出
±
20v，导致该放电mos管的mos失效。
[

技术实现要素：
]
[0011]
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种锂电池双重保护电路，解决了现有锂电池双重保护电路中在极端情况下保护失效的问题，实现了锂电池全面的双重电压保护功能。
[0012]
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
[0013]
一种锂电池双重保护电路，包括有控制放电的第一mos管电路和第二mos管电路、用于控制充电的第三mos管电路和第四mos管电路、第一控制芯片电路和第二控制芯片电路，第一控制芯片电路和第二控制芯片电路可检测锂电池温度信息、电压及电流信息以及控制锂电池充放电，锂电池负极端通过电阻r1与第一mos管电路的源极端连接，第一mos管电路的漏极端与第二mos管电路的源极端连接，第二mos管电路的漏极端与第三mos管电路的漏极端，第三mos管电路的源极端与第四mos管电路的漏极端连接，第四mos管电路的源极端与负载的负极输出端连接，第一控制芯片电路的放电控制端与第一mos管电路的栅极端连接，第一控制芯片电路的充电控制端与第三mos管电路的栅极端连接，第二控制芯片电路的充电控制端与第四mos管电路的栅极端连接，其特征在于：第二控制芯片电路的放电控制端与第二mos管电路的栅极端之间连接有用于保护第二控制芯片电路的隔离电路，第二控制芯片电路的放电控制端连接有用于采样第二控制芯片电路放电控制信号的控制信号采样电路、用于对第二控制芯片电路放电控制端输出电压降压的降压电路，控制信号采样电路连接有用于控制第二mos管电路快速通断的驱动控制电路，降压电路连接有用于储能并向驱动控制电路供电的电源储能供电电路，第二mos管电路的栅极端与源极端之间连接有用于保护第二mos管电路的mos能量泄放电路，第四mos管电路的栅极端与源极端之间连接有用于保护第四mos管电路的稳压控制电路。
[0014]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：第二mos管电路包括有mos管q6，mos管q6源极端分别与第一mos管电路漏极端、电阻r37一端连接，mos管q6漏极端与第三mos管电路漏极端连接，mos管q6栅极端分别与电阻r37另一端、电阻r40一端连接，电阻r40另一端通过电阻r35与第二控制芯片电路的放电控制端连接。
[0015]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：隔离电路为二极管d2，二极管d2正极端与第二控制芯片电路的放电控制端连接，二极管d2负极端与电阻r35。
[0016]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：驱动控制电路包括有mos管q9和mos管q10，mos管q9漏极端连接于电阻r40与电阻r35之间，mos管q9源极端接地，mos管q9栅极端分别与电阻r41一端、电阻r49一端连接，电阻r41另一端接地，电阻r49另一端与mos管q10漏极端连接，mos管q10源极端分别与电阻r50一端、电源储能供电电路连接，mos管q10栅极端分别与电阻r50另一端、控制信号采样电路连接。
[0017]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：控制信号采样电路包括有二极管d8，二极管d8负极端与第二控制芯片电路放电控制端连接，二极管d8正极端通过电阻r52与mos管q10栅极端连接。
[0018]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：电源储能供电电路包括有储能电容c5，储能电容c5一端分别与电阻r48一端、mos管q10源极端连接，电阻48另一端与降压电路连接，储能电容c5另一端接地。
[0019]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：降压电路为二极管d7，二极管
d7正极端与第二控制芯片电路放电控制端连接，二极管d7负极端电阻r48连接。
[0020]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：mos能量泄放电路为二极管d6，二极管d6正极端与mos管q6源极端连接，二极管d6负极端与mos管q6栅极端连接。
[0021]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：第四mos管电路包括有mos管q8，mos管q8漏极端与第三mos管电路源极端连接，mos管q8源极端与负载的负极输出端连接，mos管q8栅极端与三极管q12集电极连接，三极管q12基极通过电阻r39接地，三极管q12发射极通过电阻r32与第二控制芯片电路充电控制端连接。
[0022]
如上所述的一种锂电池双重保护电路，其特征在于：稳压控制电路为稳压二极管d5，稳压二极管d5正极端与mos管q8源极端连接，稳压二极管d5负极端与mos管q8栅极端连接。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
1、本发明采用双ic 双mos方案，实现双重保护功能，即使一级电路发生失效也有第二重电路实现对电芯的保护，提高电池组系统的安全性、可靠性。
[0025]
2、本发明摒弃传统方案中fuse、三端fuse、ptc的选择，简化设计、测试，节省大量设计和测试时间。
[0026]
3、本发明解决传统电路中大电流易烧fuse的问题，从而彻底解决fuse带来的电池组永久性损坏的问题。
[0027]
4、本发明解决了因ptc限制不能在高电压、大电流使用的场景问题，解决了因使用ptc带来内阻过大的问题。
[0028]
5、本发明解决了传统双重保护电路中，大电流异常时芯片和mos易失效的问题，彻底解决安规认证中出现的各类问题，提高产品的可靠性。
[附图说明]
[0029]
图1为现有技术锂电池双重保护电路示意图；
[0030]
图2为本发明原理图；
[0031]
图3为本发明电路图之一；
[0032]
图4为本发明电路图之二。
[具体实施方式]
[0033]
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0034]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示诸如上、下、左、右、前、后
…
仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“优选”、“次优选”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“优选”、“次优选”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
[0035]
如图2-4所示，一种锂电池双重保护电路，包括有控制放电的第一mos管电路1和第二mos管电路2、用于控制充电的第三mos管电路3和第四mos管电路4、第一控制芯片电路5和第二控制芯片电路6，第一控制芯片电路5和第二控制芯片电路6可检测锂电池温度信息、电
压及电流信息以及控制锂电池充放电，锂电池负极端通过电阻r1与第一mos管电路1的源极端连接，第一mos管电路1的漏极端与第二mos管电路2的源极端连接，第二mos管电路2的漏极端与第三mos管电路3的漏极端，第三mos管电路3的源极端与第四mos管电路4的漏极端连接，第四mos管电路4的源极端与负载的负极输出端连接，第一控制芯片电路5的放电控制端与第一mos管电路1的栅极端连接，第一控制芯片电路5的充电控制端与第三mos管电路3的栅极端连接，第二控制芯片电路6的充电控制端与第四mos管电路4的栅极端连接。
[0036]
第二控制芯片电路6的放电控制端与第二mos管电路2的栅极端之间连接有用于保护第二控制芯片电路6的隔离电路7，第二控制芯片电路6的放电控制端连接有用于采样第二控制芯片电路6放电控制信号的控制信号采样电路8、用于对第二控制芯片电路6放电控制端输出电压降压的降压电路9，控制信号采样电路8连接有用于控制第二mos管电路2快速通断的驱动控制电路10，降压电路9连接有用于储能并向驱动控制电路10供电的电源储能供电电路11，第二mos管电路2的栅极端与源极端之间连接有用于保护第二mos管电路2的mos能量泄放电路12，第四mos管电路4的栅极端与源极端之间连接有用于保护第四mos管电路4的稳压控制电路13。
[0037]
本发明第一控制芯片电路5和第二控制芯片电路6中，采用2个完全相同的控制芯片，分别为控制芯片u2和控制芯片u1；第一mos管电路1、第二mos管电路2、第三mos管电路3、第四mos管电路4中，采用4个完全相同的n型mos管，分别为mos管q5、mos管q6、mos管q7、mos管q8，易于大批量采购，降低成本；同时考虑系统的更安全可靠，保护ic1和ic2也可以选用不同型号，mos也可选取不同的型号。
[0038]
本案中，控制芯片u1和控制芯片u2实现的功能相同，因此所有对电芯的保护监控都是双重，包含温度、电压、电流等各种信息监测。如图3所示，第二控制芯片电路6中的温度传感器r13和第一控制芯片电路5中的温度传感器r17均用于检测锂电池的温度；第二控制芯片电路6中的连接端子j2与锂电池正极端连接，连接端子j6与锂电池负极端连接，用于给控制芯片u1和控制芯片u2供电；连接端子j3-j5分别用于与单节电池连接，用于控制芯片u1和控制芯片u2检测各单节电池的电压信息；第二控制芯片电路6中的is连接端、第一控制芯片电路5中的is连接端分别与锂电池负极端连接，用于检测锂电池电流信息。
[0039]
第一控制芯片电路5中的控制芯片u2，控制第一mos管电路1中放电mos管q5和控制第三mos管电路3中充电mos管q7；第二控制芯片电路6中的控制芯片u1，控制第二mos管电路2中放电mos管q6和控制第四mos管电路4中充电mos管q8。
[0040]
当电芯温度出现异常时，控制芯片u1和控制芯片u2对电芯都进行监控，两个控制芯片任一或两者都会控制相应的mos管进行关断保护。
[0041]
当电压出现异常时，2个控制芯片对电芯都进行监控，两个控制芯片任一或两者都会控制相应的mos管进行关断保护。
[0042]
当大电流放电时，2个控制芯片对电芯都进行监控，两个控制芯片任一或两者都会控制相应的mos进行关断保护。
[0043]
在第二mos管电路2中放电mos管q6先保护时，系统正常保护，若第一mos管电路1中放电mos管q5先进行保护时，本案电路工作如下：
[0044]
当第一mos管电路1中放电mos管q5关断时，由于电路板和元器件寄生电感的存在，在放电mos管q5的漏极d和源极s两端会产生很高的感应电压，此电压的理论计算公式u＝l*
di/dt，从此公式可知u的值随寄生电感的大小、di的大小、dt的大小所影响，一般电路驱动电阻不变，寄生电感随着电路的设计固话也不会发生很大的变化，即dt变化不大，因此电路中唯一存在较大的变化是di，若负载过重，则di的值会很大，导致u的值很高。
[0045]
当u的值很高时，隔离电路7起作用，将高电压u与第二控制芯片电路6中的控制芯片u1的充电控制端隔离，因此控制芯片u1不会损坏。
[0046]
但由于设置了隔离电路7，控制芯片u1控制的放电mos管q6仅能快速开通不能快速关断，若关断的速度过慢，会导致放电mos管q6断时的关断损耗过高，从而导致放电mos管q6的损坏，因此设置隔离电路7的基础上，再设置控制信号采样电路8、降压电路9、驱动控制电路10、电源储能供电电路11，实现对m2的快速关断。
[0047]
上述解决了控制芯片u1与u的高电压隔离、放电mos管q6的快速开通和关断，但还存在u过高导致放电mos管q6栅极和源极之间的电压vgs超
±
20上下限值，因此在放电mos管q6的栅极g与源极s之间设置mos能量泄放电路12，实现mos管q6的vgs不会超规格值。
[0048]
另一方面，当大电流异常高电压充电时，控制芯片u1和控制芯片u2对电芯都进行监控，两个控制芯片任一或两者都会控制相应的mos进行关断保护。当第四mos管电路4中充电mos管q8先保护时，系统正常保护；若控制第三mos管电路3中充电mos管q7先进行保护时，充电mos管q8还未关断，此时p-对gnd出现一个极高的负电压，此负电压会导致充电mos管q8栅极与源极之间的电压vgs超出
±
20的上下限值，因此在充电mos管q8的栅极g与源极s之间设置稳压控制电路13，即当充电mos管q7先关断时，也能保证充电mos管q8的vgs不会超
±
20v上下限值，保证系统的可靠性。
[0049]
如图3-4所示，具体地，第二mos管电路2包括有mos管q6，mos管q6源极端分别与第一mos管电路1漏极端、电阻r37一端连接，mos管q6漏极端与第三mos管电路3漏极端连接，mos管q6栅极端分别与电阻r37另一端、电阻r40一端连接，电阻r40另一端通过电阻r35与第二控制芯片电路6的放电控制端连接。
[0050]
具体地，隔离电路7为二极管d2，二极管d2正极端与第二控制芯片电路6的放电控制端连接，二极管d2负极端与电阻r35。
[0051]
具体地，驱动控制电路10包括有mos管q9和mos管q10，mos管q9漏极端连接于电阻r40与电阻r35之间，mos管q9源极端接地，mos管q9栅极端分别与电阻r41一端、电阻r49一端连接，电阻r41另一端接地，电阻r49另一端与mos管q10漏极端连接，mos管q10源极端分别与电阻r50一端、电源储能供电电路11连接，mos管q10栅极端分别与电阻r50另一端、控制信号采样电路8连接。
[0052]
具体地，控制信号采样电路8包括有二极管d8，二极管d8负极端与第二控制芯片电路6放电控制端连接，二极管d8正极端通过电阻r52与mos管q10栅极端连接。
[0053]
具体地，电源储能供电电路11包括有储能电容c5，储能电容c5一端分别与电阻r48一端、mos管q10源极端连接，电阻48另一端与降压电路9连接，储能电容c5另一端接地。
[0054]
具体地，降压电路9为二极管d7，二极管d7正极端与第二控制芯片电路6放电控制端连接，二极管d7负极端电阻r48连接。
[0055]
具体地，mos能量泄放电路12为二极管d6，二极管d6正极端与mos管q6源极端连接，二极管d6负极端与mos管q6栅极端连接。
[0056]
具体地，第四mos管电路4包括有mos管q8，mos管q8漏极端与第三mos管电路3源极
端连接，mos管q8源极端与负载的负极输出端连接，mos管q8栅极端与三极管q12集电极连接，三极管q12基极通过电阻r39接地，三极管q12发射极通过电阻r32与第二控制芯片电路6充电控制端连接。
[0057]
具体地，稳压控制电路13为稳压二极管d5，稳压二极管d5正极端与mos管q8源极端连接，稳压二极管d5负极端与mos管q8栅极端连接。
[0058]
如图3-4所示，本案各电路保护作用分别如下：
[0059]
如图4所示，隔离电路7保护作用为，当锂电池组短路时，若第一mos管电路1中放电mos管q5先关闭，电路板和元器件寄生电感的存在，则放电mos管q5的漏极d对b-会产生一个极高的电压值u，此时隔离电路7起作用，二极管d2具有单向导电性，电流只能从二极管d2的阳极流向阴极，因为高电压u不会超过二极管的耐压，因此电流无法从二极管的阴极流向阳极，使高电压u与第二控制芯片电路6中控制芯片u1放电控制端实现隔离，实现保护控制芯片u1的功能。
[0060]
如图4所示，mos能量泄放电路12保护作用为，当锂电池组短路时，若第一mos管电路1中放电mos管q5先关闭，电路板和元器件寄生电感的存在，则放电mos管q5的漏极d对b-会产生一个极高的电压值u，此时mos能量泄放电路12发挥相应的作用，泄放mos管能量。
[0061]
当电池组短路时，在第二mos管电路2中放电mos管q6的栅极与源极gs之间和栅极与漏极gd之间，由于有寄生电容的存在，若短时间有极大的电压值，此时放电mos管q6的gs的电压和gd的电压按等效阻抗进行分压，在实际测试中此值往往会超出gs的极限耐压值
±
20v；mos能量泄放电路12中，通过二极管d6把放电mos管q6的gs进行短接，高电压u的能量直接通过gd极进行释放，gs两端电压会被钳位在二极管d6导通并压降-0.6v左右，实现保护放电mos管q6的gs及不会损坏。而常规的办法是在放电mos管q6的gs端增加稳压二极管和tvs，但在实际测试中都无法实现好的电压钳位，因此设置mos能量泄放电路12虽然电路简单，但是实现的思路和保护的效果是极好的，且成本低廉。
[0062]
如图3-4所示，关于隔离电路7、控制信号采样电路8、降压电路9、驱动控制电路10、电源储能供电电路11对第二mos管电路2中放电mos管q6保护作用为：
[0063]
当第二控制芯片电路6中的控制芯片u1的do1输出高电平时，do1的驱动电流会通过二极管d2最终流向第二mos管电路2中放电mos管q6的gs极，放电mos管q6正常打开；
[0064]
此时do1的驱动电流还会沿着二极管d7、电阻r48给储能电容c5进行充电，由于二极管d7管压降的存在，此储能电容c5最终充满电后的电压值比do1低0.3-0.5v左右，因此正常开通时mos管q10的s极的电流无法通过g极流回do1，在开通时有很好的抗干扰能力，不会出现mos管q10误导通导致放电mos管q6误关的情况出现；
[0065]
当do1输出低电平时，由于二极管d2的存在，放电mos管q6的gs两端的电压无法通过do1直接实现快速泄放；do1此时为0v，而mos管q10的s极由于储能电容c5和二极管d7的存在，储能电容c5的能量不会被do1释放掉，此时mos管q10的s极电压高于mos管q10的g极电压，mos管q10实现导通，把储能电容c5的能量释放到mos管q9的gs极，实现mos管q9的快速导通，从而把放电mos管q6的gs的电压快速释放，实现快速关断；当储能电容c5的能量和mos管q9的能量消耗完毕后，放电mos管q6的gs两端的电压被电阻r37下拉，实现长时间关断，不会出现悬浮电压。
[0066]
如图4所示，稳压控制电路13保护作用为，当高电压和高电流异常充电时，若第一
控制芯片电路5中的控制芯片u2的co2先关，第二控制芯片电路6中的控制芯片u1的co1未关闭时；则第四mos管电路4中充电mos管q8的gs两端的电压会超出
±
20v，通过增加一个稳压二极管d5，钳位在稳压二极管d5的电压值，可以实现对mos管gs的保护；
[0067]
因此本案电路实现了第二mos管电路2中放电mos管q6的正常的快速开通和关断功能；第一mos管电路1中放电mos管q5关断时，实现了对控制芯片和mos管的保护；实现了第三mos管电路3中充电mos管q7先关闭时对第四mos管电路4中充电mos管q8的保护。
[0068]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。