电池充放电保护装置及过放保护方法与流程

1.本发明涉及电源保护技术领域，具体涉及一种电池充放电保护装置及过放保护方法。


背景技术：

2.锂离子电池有较高的能量密度、较高的电池电压、自放电少、周期寿命较长、环保等很多优点，广泛应用于各种电子产品中，但是相较于磷酸铁锂电池来说，寿命（循环次数）偏短，造成了很大的浪费，因此提高其使用寿命有着重要的意义。
3.《科技信息》2009年第2卷记载了“延长锂电池寿命的充电方法”，通过降低充电电压和选择合适的充电终止电流可以提高锂电池的周期寿命，《汽车科技》2016年第03期公开了“放电深度对电池使用寿命的影响”，其中数据分析表明，当在dod（20%
‑
80%）、soc（25%
‑
75%）条件下使用电池时，电池在充放电过程中充电交流内阻与放电交流内阻增幅均较小约25%，充放电循环500周，电池厚度、交流内阻仅增加约3.78%、2.08%，容量仅衰减约2.8%。然而，为实现上述目的，现有技术采用设计专用的低压充电器，兼容性差，额外增加了成本，并且没有针对深度放电的保护措施。


技术实现要素：

4.本发明提供一种电池充放电保护装置及过放保护方法，以解决现有的电池管理无法保证电池寿命、兼容性不足的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：设计一种电池充放电保护装置，包括电池管理模块、控制模块、开关模块、分压模块，开关模块和分压模块并联形成第一节点和第二节点，第一节点和被保护的电池相连接，第二节点连接放电端口/充电端口，电池管理模块的输入端和电池相连接，其输出端和控制模块的输入端对应连接，开关模块包括和控制模块对应连接的开关控制端，开关模块导通能够使得分压模块被短路。
6.进一步的，开关模块为nmos型开关管q3，其漏极和第一节点相连接，其源极和第二节点相连接，其栅极为上述开关控制端。
7.进一步的，控制模块和nmos型开关管q3之间连接有低功耗的驱动电路，驱动电路的输出端和nmos型开关管q3的栅极相连接，其输入端和控制模块的输出端相连接。
8.进一步的，分压模块为二极管，其正极和第二节点相连接，其负极和第一节点相连接。
9.进一步的，电池管理模块的输出端连接有充电开关和放电开关，充电开关包括充电控制端和充电通路，放电开关包括放电控制端和放电通路，充电控制端和放电控制端连接于电池管理模块的输出端，充电通路和放电通路相连接并设置于电池和第一节点之间。
10.进一步的，充电开关为mos管q1，放电开关为mos管q2。
11.进一步的，控制模块包括usb接口和smbus接口。usb接口用于连接电脑更新程序，
smbus接口则输出电池信息，充电器或者用电设备（例如摄像机）可以通过smbus读取电池信息。
12.还设计一种电池过放保护方法，利用上述电池充放电保护装置，包括：对电池进行充电，达到电池满电电压后，断电搁置，若搁置前后电池电压不变，则将此电压记为100%电压，若搁置前后电池电压改变，则继续充电，搁置，直至电池电压不变；对电池进行放电，至设定的终止电压后，断电搁置，若搁置前后电池电压不变，则将此电压记为0%电压，若搁置前后电池电压改变，则继续放电，搁置，直至电池电压不变；重复进行上述充、放电2个循环以上，用于电池管理模块修正内部参数；当电池放电至终止电压时，断开电池供电以实现电池的过放保护。
13.进一步的，电池为4组，每组的满电电压为3.6v。
14.进一步的，充电过程中，充电电压为16.8v，充电倍率设置为0.2c，充电至电流小于0.2a，充电后搁置时间为2h；放电过程中，放电倍率为0.2c，放电后搁置时间为5h。
15.与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：1.本发明设置和电池内的管理芯片通信的微控制器及控制器连接的mos管和二极管，即可完成低压充电的功能，用户无需更换充电器，就可以实现提升电池寿命的需求，兼容性强。
16.2.本发明基于阻抗跟踪技术，优化电量计参数设计，提高电池组0容量电压阈值和放电截止电压阈值，在延长电池寿命的同时，也可以确保电池组由100%放电至0%过程中，恒功率模式下实时容量和百分比的放电斜率一致，防止出现单一提高放电截止电压导致的电池组的电量指示严重偏差，在放电过程的末期出现容量下降过快等影响终端用户的体验的现象，避免造成终端设备异常关机等故障。
附图说明
17.图1为本发明电池充放电保护装置的电路图。
18.图2为本发明智能电池管理电路的电路图。
19.图3为本发明mos驱动电路的电路图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
21.以下实施例中所涉及或依赖的程序均为本技术领域的常规程序或简单程序，本领域技术人员均能根据具体应用场景做出常规选择或者适应性调整。
22.以下实施例中所涉及的单元模块、零部件、结构、机构或传感器等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。
23.在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请涉及的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
24.实施例1：一种电池充放电保护装置，参见图1，智能电池管理电路bq40z50，输入端连接电池组，用于获取电池组的电压和内阻，上方两个输出端分别连接充电mos（q1）和放电mos（q2），右侧的输出端连接微控制器的输入端，微控制器的输出端连接mos驱动电路的输入端，mos驱动电路的输出端连接主回路开关q3的栅极。mos管q3和二极管d1并联，q3的漏极和d1的负极连接形成第一节点，q3的源极和d1的正极连接形成第二节，第一节点和q2的源极相连，第二节点和供电端口pack+相连。微控制器的smbus通讯接口和充电器或者用电设备相连，输出其由智能电池管理电路处获取的电池信息。
25.上述微控制器采用stm32f103rct6单片机，具备低功耗模式，并且带有usb功能，可以连接电脑usb接口直接更新程序。
26.上述q3是nmos管irfh7004，需要一种nmos专用驱动ltc7004，参见图3，nmos的导通电阻更小，更适合用于大电流放电的应用场景。d1采用低正向电压的肖特基二极管，因为合适的正向压降可以实现理想的充满电电压，并且低的正向压降可以减少充电时的发热。
27.电池电压过低需要充电时，使用标准充电器开始充电，q3正常接通，由于q3的导通电阻较二极管d1小的多，相当于二极管d1被短路；微控制器实时从智能电池管理电路中读取电池组信息，当电池组充电到设定电压值后，微控制器发出指令通过mos驱动电路1断开q3，切换至二极管旁路充电，由于二极管的正向压降，分压后使得加到电池组的电压相对降低，实现降低充电电压。而且二极管正向导通的压降为定值，不影响充电电流，若采用电阻等常规分压器件，随着充电电流的变化，电阻的压降变化较大，无法完成供电。当充满电时电流为0，那么电阻两端的压降也会是0，就起不到为电池组降低充电电压的目的。
28.上述智能电池管理电路提高电池组的放电欠压保护阈值，放电到设定阈值时，关闭 q2避免电池过放。通过降低电池组的充电过压保护阈值，充电到设定阈值时，关闭 q1避免电池过充。
29.实施例2：电池组使用4组锂离子电池串联组合（电芯型号为松下ncr18650ga，标称电压3.6v），q1和q2使用psmn1r5
‑
30ylc（vds为30v，导通电阻为1.55mω），d1使用pmeg060v100epd（1a时正向压降0.325v），q3使用irfh7004（vds为40v，导通电阻为1.1mω），pcak+充电电压16.8v，智能电池管理电路设定的放电欠压保护阈值为11v，当放电过程中电池电压低于11v，则关闭q2防止过放电。充电过压保护阈值时16.5v，当充电过程中电池电压高于16.5v，则关闭q1防止过充电。当智能电池管理电路检测到电池电压为16.4v时，表明充电即将完成，此时切断q3采取降压充电以延长电池寿命。
30.使用前需要进行bq40z50的内部配置参数修正，具体的：a、使用pack+16.8v进行充电，充电倍率设置为0.2c，充电至电流小于0.2a，然后电池处于搁置状态，保持2h。b、然后开始进行放电，放电倍率设置为0.2c，放电至终止电压后停止放电，然后电池处于搁置状态，保持5h。步骤a和b整体称为1个循环，电池进行2个循环后，bq40z50的内部配置参数修正完毕。如果只是单纯的提高放电截止电压，电池组的电量指示会出现严重偏差，在放电过程的末期出现容量下降过快等影响终端用户的体验的现象，甚至造成终端设备异常关机等故障。而采用上述参数配置方法之后，提高了电池组0容量电压阈值和放电截止电压阈值，在延长电池寿命的同时，也可以确保电池组由100%放电至0%过程中，恒功率模式下实时容量和百分比的放电斜率一致。
31.上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人
员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。