用于锂电池的保护装置的制作方法

本实用新型涉及锂电池技术领域，具体地涉及一种用于锂电池的保护装置。

背景技术：

随着锂电池技术的发展及环保的要求，越来越多的设备，如电动自行车、电动摩托车、便携式照明设备等，都采用锂电池作为供电电源。用电设备的多样化，也使电池朝着多样化发展以配合设备的不同电压、不同功率、不同容量等要求。如：电动自行车可能因功率或里程的要求，而有24V、36V、48V、60V系列的车型，电池也会搭配不同电压的电池、充电器与车配套；某些场合或某些用户可能有多款充电器及电池，不同电压的电池/充电器也可能采用了相同类型的充电输入/输出接口，从而导致使用错误的充电器给电池充电成为可能。当充电器使用不正确时，如充电器的电压比电池标配的充电电压高且还能正常充电时，不易被用户发现，电池过充发生事故的危险系数增加。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种安全性高、检测及时的用于锂电池的保护装置。

本实用新型公开的一种用于锂电池的保护装置采用的技术方案是：

一种用于锂电池的保护装置，包括用于过充、过流、过放保护的保护检测电路，所述保护检测电路并联在锂电池的正负极之间，还包括充电电压保护电路，所述充电电压保护电路并联在充电端的充电正端和充电负端之间。

所述充电电压保护电路包括主控电路、通讯隔离电路、电流采集电路和电压检测电路，所述通讯隔离电路包括芯片U2，所述主控电路的输入端连接所述电流采集电路的输出端，所述主控电路和所述通讯隔离电路之间通过I2C总线连接，所述通讯隔离电路和所述电压检测电路之间通过I2C总线连接，所述电压检测电路并联在所述充电正端和充电负端之间。

所述主控电路包括芯片U1、第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路的控制端连接所述芯片U1的引脚1，所述第一开关电路的输出端连接所述芯片U2的引脚1，所述第二开关电路的控制端连接所述芯片U1的引脚5，所述芯片U1和所述芯片U2的通讯端口之间还通过I2C总线连接。

所述电压检测电路包括模数转换器U6、并联在充电正端和充电负端之间的电阻R9和电阻R10，所述模数转换器U6的引脚1连接在所述电阻R9和所述电阻R10之间，所述模数转换器U6的引脚6连接所述电阻R10的另一端，所述模数转换器U6和所述芯片U2的通讯端口之间通过I2C总线连接。

所述保护检测电路包括第三开关电路，所述第三开关电路包括场效应管Q2，所述场效应管Q2的栅极连接所述第二开关电路的输出端，所述场效应管Q2为N沟道场效应管。

作为优选方案，所述第一开关电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极串联有电阻R2然后连接芯片U1的引脚1，所述三极管Q1的集电极连接所述芯片U2的引脚1。

作为优选方案，所述第二开关电路包括连接芯片U1的引脚5的光电耦合器OP1，所述光电耦合器OP1的发光二极管的正极串联有电阻R6然后连接所述芯片U1，所述光电耦合器OP1的三极管端的集电极连接所述场效应管Q2的栅极，所述光电耦合器OP1的三极管端的发射极连接所述场效应管Q2的源极。

作为优选方案，所述第三开关电路还包括场效应管Q3，所述场效应管Q3的栅极连接所述保护检测电路的输出端，所述场效应管Q3的漏极连接所述场效应管Q2的漏极，所述场效应管Q3的源极连接锂电池的负极。

作为优选方案，所述电流采集电路包括比较器U5，还包括串联在锂电池负极和所述场效应管Q3的源极之间的电阻R1，所述比较器U5的引脚3串联有电阻R11然后连接所述电阻R1的一端，所述比较器U5的引脚1串联有电阻R12然后连接所述电阻R1的另一端，所述比较器U5的引脚1和引脚5之间还并联有电阻R13，所述比较器U5的引脚4连接所述芯片U1的引脚3。

作为优选方案，所述芯片U1和芯片U2之间的I2C总线上设置有上拉电阻R4和上拉电阻R5，所述上拉电阻R4和上拉电阻R5汇合的一端连接在所述三极管Q1的集电极和所述芯片U2的引脚1之间，所述上拉电阻R4的另一端连接在所述芯片U1的引脚6和芯片U2的引脚3之间的I2C总线上，所述上拉电阻R5的另一端连接在所述芯片U1和芯片U2之间的I2C总线上。

作为优选方案，所述芯片U2和所述模数转换器U6之间的I2C总线设置有上拉电阻R7和上拉电阻R8，所述上拉电阻R7和上拉电阻R8汇合的一端连接在所述芯片U2的引脚8和所述模数转换器U6的引脚5之间，所述上拉电阻R7的另一端连接在所述芯片U2的引脚6和所述模数转换器U6的引脚3之间的I2C总线上，所述上拉电阻R8的另一端连接在所述芯片U2的引脚7和所述模数转换器U6的引脚4之间的I2C总线上。

作为优选方案，还包括有第一稳压芯片U3，所述第一稳压芯片U3的输入端连接在锂电池的正负极之间，所述第一稳压芯片U3的输出端连接所述芯片U1的引脚8和所述第一开关电路的三级管Q1的发射极。

作为优选方案，还包括有第二稳压芯片U4，所述第二稳压芯片U4的输入端连接所述充电正端，所述第二稳压芯片U4的输出端连接在所述芯片U2的引脚8和所述模数转换器U6的引脚5之间。

本实用新型提供一种用于锂电池的保护装置，当电池连接充电电源进行充电时，电流采集电路开始采集电路中的电流信号并且反馈给主控电路的芯片U1。芯片U1输出一个控制信号给第一开关电路，导通第一开关电路后给芯片U2供电，并且通过l2C总线将模数转换器U6初始化为连续转换模式。模数转换器U6开始不断的读取充电正端和充电负端之间的电阻R9和电阻R10的分压电压，并且将其反馈给芯片U1，从而来获取充电正负端的输入电压。芯片U1的引脚5输出控制信号给第二开关电路使其导通，第二开关电路导通拉低场效应管Q2栅极的电平，场效应管Q2截止从而使锂电池和充电端不构成回路，此时模数转换器U6读取到的充电端的输入电压为空载电压。通过检测充电端的空载电压，及时检测初始充电电压的大小，防止充电过程中发生安全事故。直到充电电压满足设定的范围，芯片U1才会输出一个控制信号给第二开关电路使其截止，然后第三开关电路的场效应管Q2栅极的电平被拉高，场效应管Q2导通，使锂电池和充电端构成回路，否则芯片U1一直将第二开关电路导通从而控制第三开关电路的场效应管Q2截止。本实用新型不仅能够检测出初始充电状态时的充电电压，还会实时检测充电过程中的充电电压。在充电过程中芯片U1会进入间歇式检测模式，到达设定时间后芯片U1就会导通第二开关电路从而控制第三开关电路的场效应管Q2截止，然后读取模数转换器U6反馈来的信息，当此时充电电压处于设定范围内时，芯片U1就会输出控制信号截止第二开关电路从而导通第三开关电路的场效应管Q2，当此时充电电压未处于设定范围内时，芯片U1就会输出控制信号导通第二开关电路从而截止第三开关电路的场效应管Q2，直到芯片U1读取到模数转换器U6反馈来的充电电压信号达到设定的范围内，芯片U1才会恢复场效应管Q2导通从而使锂电池和充电端构成完整的充电回路然后进行充电。本实用新型通过充电电压保护电路提高了设备的安全性能。

附图说明

图1是本实用新型的用于锂电池的保护装置的结构示意图。

图2是本实用新型的用于锂电池的保护装置的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本实用新型做进一步阐述和说明：

请参考图1、2，一种用于锂电池的保护装置，包括用于过充、过放、过流保护的保护检测电路，所述保护检测电路并联在锂电池的正负极之间，还包括充电电压保护电路，所述充电电压保护电路并联在充电端的充电正端和充电负端之间。

所述充电电压保护电路包括主控电路、通讯隔离电路、电流采集电路和电压检测电路，所述通讯隔离电路包括芯片U2，所述主控电路的输入端连接所述电流采集电路的输出端，所述主控电路和所述通讯隔离电路之间通过I2C总线连接，所述通讯隔离电路和所述电压检测电路之间通过I2C总线连接，所述电压检测电路并联在所述充电正端和充电负端之间。

所述主控电路包括芯片U1、第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路的控制端连接所述芯片U1的引脚1，所述第一开关电路的输出端连接所述芯片U2的引脚1，所述第二开关电路的控制端连接所述芯片U1的引脚5，所述芯片U1和所述芯片U2的通讯端口之间还通过I2C总线连接。

所述电压检测电路包括模数转换器U6、并联在充电正端和充电负端之间的电阻R9和电阻R10，所述模数转换器U6的引脚1连接在所述电阻R9和所述电阻R10之间，所述模数转换器U6的引脚6连接所述电阻R10的另一端，所述模数转换器U6和所述芯片U2的通讯端口之间通过I2C总线连接。

所述保护检测电路包括第三开关电路，所述第三开关电路包括场效应管Q2，所述场效应管Q2的栅极连接所述第二开关电路的输出端，所述场效应管Q2为N沟道场效应管。

具体的，所述第一开关电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极串联有电阻R2然后连接芯片U1的引脚1，所述三极管Q1的集电极连接所述芯片U2的引脚1。

所述第二开关电路包括连接芯片U1的引脚5的光电耦合器OP1，所述光电耦合器OP1的发光二极管的正极串联有电阻R6然后连接所述芯片U1，所述光电耦合器OP1的三极管端的集电极连接所述场效应管Q2的栅极，所述光电耦合器OP1的三极管端的发射极连接所述场效应管Q2的源极。

所述第三开关电路还包括场效应管Q3，所述场效应管Q3的栅极连接所述保护检测电路的输出端，所述场效应管Q3的漏极连接所述场效应管Q2的漏极，所述场效应管Q3的源极连接锂电池的负极。

具体的，所述电流采集电路包括比较器U5，还包括串联在电池负极和所述场效应管Q3的源极之间的电阻R1，所述比较器U5的引脚3串联有电阻R11然后连接所述电阻R1的一端，所述比较器U5的引脚1串联有电阻R12然后连接所述电阻R1的另一端，所述比较器U5的引脚1和引脚5之间还并联有电阻R13，所述比较器U5的引脚4连接所述芯片U1的引脚3。

所述芯片U1和芯片U2之间的I2C总线上设置有上拉电阻R4和上拉电阻R5，所述上拉电阻R4和上拉电阻R5汇合的一端连接在所述三极管Q1的集电极和所述芯片U2的引脚1之间，所述上拉电阻R4的另一端连接在所述芯片U1的引脚6和芯片U2的引脚3之间的I2C总线上，所述上拉电阻R5的另一端连接在所述芯片U1和芯片U2之间的I2C总线上。

所述芯片U2和所述模数转换器U6之间的I2C总线设置有上拉电阻R7和上拉电阻R8，所述上拉电阻R7和上拉电阻R8汇合的一端连接在所述芯片U2的引脚8和所述模数转换器U6的引脚5之间，所述上拉电阻R7的另一端连接在所述芯片U2的引脚6和所述模数转换器U6的引脚3之间的I2C总线上，所述上拉电阻R8的另一端连接在所述芯片U2的引脚7和所述模数转换器U6的引脚4之间的I2C总线上。

还包括有第一稳压芯片U3，所述第一稳压芯片U3的输入端连接在锂电池的正负极之间，所述第一稳压芯片U3的输出端连接所述芯片U1的引脚8和所述第一开关电路的三级管Q1的发射极。

还包括有第二稳压芯片U4，所述第二稳压芯片U4的输入端连接所述充电正端，所述第二稳压芯片U4的输出端连接在所述芯片U2的引脚8和所述模数转换器U6的引脚5之间。

需要说明的是，主控电路的芯片U1采用8位MCU，如Atmel的tiny13A，主控电路的芯片U1与模数转换电路U6通讯采用I2C的通讯方式，通讯隔离电路的U2采用ADum1250来实现，模数转换电路U6采用I2C接口的ADS1110系列元件来实现，主控电路的芯片U1通过引脚1“PWR”引脚控制Q1给U2隔离电路供电。

电流采集电路由R12、R13组成的分压电路，来获取一个电压基准V1。V1＝VDD1*R12/(R12+R13)。V1的取值应满足大于比较器失调电压且尽可能小，以便充电状态检测电路可以检测出足够小的充电电流，V1电压基准可以确保电池没有充电时，比较器处于稳定输出高电平的状态。当电池在充电时，电流I从R1流过，方向为电池端流向充电器端，充电电流在R1上产生的电压V2＝R1*I。当V2大于V1时，比较器输出由高电平变为低电平，指示电池当前处于充电状态。

第二开关电路由R6和OP1构成。芯片U1的引脚5“CTL”脚输出高电平时，OP1导通，场效应管Q2被关断；芯片U1的引脚5“CTL”脚输出低电平时，场效应管Q2导通与否由用于过充、过放、过流保护的保护检测电路控制。

模数转换器U6通过读取接在充电输入端口上的R9、R10电阻分压电压，来获取充电器的输入电压。

当锂电池处于非充电状态时：比较器U5输出高电平，指示电池当前不在充电状态；芯片U1处于休眠状态，芯片U1的引脚1“PWR”脚输出高电平，关断芯片U2的供电；芯片U1的引脚5“CTL”输出低电平，场效应管Q2导通与否由用于过充、过放、过流保护的保护检测电路控制。

当锂电池刚接上充电端进行充电时：充电电流在采样电阻R1上产生的压降，使比较器U5输出低电平；比较器U5输出的下降沿将芯片U1从休眠状态唤醒；芯片U1唤醒后将引脚1“PWR”设置为低电平，场效应管Q1导通，给通讯隔离电路的芯片U2供电；芯片U1通过I2C通讯，将模数转换器U6初始化为连续转换模式，使模数转换器U6不停地读取充电端口的电压；芯片U1置引脚5“CTL”脚输出高电平，将场效应管Q2截止；在芯片U1的引脚5“CTL”脚输出高电平延时约20毫秒左右后，已可以确保场效应管Q2可靠截止，此时模数转化器U6读到的电压为充电器的空载电压；芯片U1再等待模数转换器U6的转换延时时间约20毫秒后，再去读取模数转换器U6转换的AD值；芯片U1根据AD值计算充电电压是否在可接受的范围内，如电压正常，芯片U1置引脚5“CTL”脚输出低电平恢复场效应管Q2导通，否则芯片U1保持引脚5“CTL”脚输出高电平将场效应管Q2持续截止。

当充电端电压初始正常时，充电端电压的检测进入间歇式的检测模式：间歇的时间可以按需要设置，比如设置为30秒钟检测一次；30秒时间到时，芯片U1置引脚5“CTL”脚输出高电平，将场效应管Q2截止；等待场效应管Q2关断及AD转换时间40毫秒后，芯片U1读取模数转换器U6的转换值；芯片U1根据AD值计算充电电压是否在可接受的范围内，如电压正常，芯片U1置引脚5“CTL”脚输出低电平恢复场效应管Q2导通，否则芯片U1保持引脚5“CTL”脚输出高电平将场效应管Q2持续截止。

当检测到充电电压异常时，芯片U1会持续检测充电电压是否可以恢复正常：如持续一定时间充电电压都不能恢复正常，芯片U1将置引脚5“CTL”脚为低电平，置引脚1“PWR”脚为高电平，并进入休眠模式。芯片U1只有充电状态检测电路新输出一个充电脉冲信号时才再次被唤醒；如果在设定时间内充电电压恢复正常，则芯片U1会置引脚5“CTL”脚为高电平，并等待下一个检测30秒周期的到来。

当芯片U1检测到充电状态检测电路为不充电状态，且该状态维持一定时间均为不充电状态时，芯片U1将置引脚5“CTL”脚为低电平，置引脚1“PWR”脚为高电平，并进入休眠模式。芯片U1只有充电状态检测电路新输出一个充电脉冲信号时才再次被唤醒。

本实用新型提供一种用于锂电池的保护装置，当电池连接充电电源进行充电时，电流采集电路开始采集电路中的电流信号并且反馈给主控电路的芯片U1。芯片U1输出一个控制信号给第一开关电路，导通第一开关电路后给芯片U2供电，并且通过I2C总线将模数转换器U6初始化为连续转换模式。模数转换器U6开始不断的读取充电正端和充电负端之间的电阻R9和电阻R10的分压电压，并且将其反馈给芯片U1，从而来获取充电正端的输入电压。芯片U1的引脚5输出控制信号给第二开关电路使其导通，第二开关电路导通拉低场效应管Q2栅极的电平，场效应管Q2截止从而使锂电池和充电端不构成回路，此时模数转换器U6读取到的充电端的输入电压为空载电压。通过检测充电端的空载电压，及时检测初始充电电压的大小，防止充电过程中发生安全事故。直到充电电压满足设定的范围，芯片U1才会输出一个控制信号给第二开关电路使其截止，然后第三开关电路的场效应管Q2栅极的电平被拉高，场效应管Q2导通，使锂电池和充电端构成回路，否则芯片U1一直将第二开关电路导通从而控制第三开关电路的场效应管Q2截止。本实用新型不仅能够检测出初始充电状态时的充电电压，还会实时检测充电过程中的充电电压。在充电过程中芯片U1会进入间歇式检测模式，到达设定时间后芯片U1就会导通第二开关电路从而控制第三开关电路的场效应管Q2截止，然后读取模数转换器U6反馈来的信息，当此时充电电压处于设定范围内时，芯片U1就会输出控制信号截止第二开关电路从而导通第三开关电路的场效应管Q2，当此时充电电压未处于设定范围内时，芯片U1就会输出控制信号导通第二开关电路从而截止第三开关电路的场效应管Q2，直到芯片U1读取到模数转换器U6反馈来的充电电压信号达到设定的范围内，芯片U1才会恢复场效应管Q2导通从而使锂电池和充电端构成完整的充电回路然后进行充电。本实用新型通过充电电压保护电路提高了设备的安全性能。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。