專利名稱：一種加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為鋰電池保護板的擴展性應(yīng)用，適用于各種鋰電池組系統(tǒng)，并在大電流動
力場合下使用，特別是一種加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)。
背景技術(shù)：
目前，鋰電池在手機、MP3、 MP4、筆記本電腦及其他便攜式電子產(chǎn)品中已經(jīng)得到廣 泛應(yīng)用。隨著鋰電池制造技術(shù)的進步及應(yīng)用領(lǐng)域的增加，大容量、高倍率動力型鋰電池的研 究和推廣也已取得長足發(fā)展，已經(jīng)大量地應(yīng)用到電動自行車、電動汽車、電動工具等領(lǐng)域。
由于鋰電池結(jié)構(gòu)特性的內(nèi)在原因所致，決定了在鋰電池實際使用中，必須加有一 個管理電池的安全特性的保護系統(tǒng)，在電池出現(xiàn)過充電、過放電、短路、過流等異常情況下， 關(guān)斷充電或者放電回路，有效地保護電池的使用安全。通常的電池的保護系統(tǒng)分為兩個部 分，一部分為取樣、處理和驅(qū)動輸出的管理集成電路(IC)部分，用于檢測電池的工作狀態(tài)， 在電池的各個工作項目正常的情況下，IC通過對需要檢測的項目進行取樣，輸出的驅(qū)動信 號為正常信號，一旦IC檢測到電池的異常信號，輸出的驅(qū)動信號將發(fā)生改變。另一個部分 是保護動作的執(zhí)行部分，采用了兩個MOS管，其中一個MOS用于管理電池充電狀態(tài)導(dǎo)通或關(guān) 斷。正常情況下，該MOS處于導(dǎo)通狀態(tài)，一旦出現(xiàn)過充，則該MOS將關(guān)斷。另外一個M0S用 于管理電池的放電狀態(tài)導(dǎo)通或關(guān)斷。正常情況下，該MOS處于導(dǎo)通狀態(tài)，一旦出現(xiàn)過放電、 短路、過流的異常情況，該M0S將關(guān)斷。 在電池實際使用中，特別是大容量電池在使用中，在電池和用電器之間，通常需要 增加一個用于控制電源通斷的開關(guān)，用于控制用電器是否導(dǎo)通。比如一個電動自行車系統(tǒng)， 通常會增加一個機械開關(guān)，用于控制是否給電機供電，在非工作狀態(tài)，通常會關(guān)斷機械開 關(guān)，主要目的是在靜態(tài)情況下，電動自行車的控制器，同樣會有靜態(tài)的電流，這個靜態(tài)電流 對于采用以電池作為電源的系統(tǒng)而言，會造成能量的無謂消耗，切斷電路可以杜絕對電池 電源的消耗。 對于由電池供電的系統(tǒng)中，電池系統(tǒng)的主要參數(shù)包括電池的額定容量、電池的內(nèi) 阻、電池的標(biāo)稱電壓、電池的額定輸出電流、電池的最大工作電流、電池的循環(huán)壽命等幾項 主要的技術(shù)參數(shù)。對于用電器而言，涉及到的最主要的參數(shù)是配套用電器的使用功率，由此 可以推出第一，和電池系統(tǒng)配套的是用電器的額定工作電壓，要求一定與電池的標(biāo)稱電壓 相匹配，并且，用電器可以工作的電壓范圍和電池的實際工作范圍需要匹配，這一項，可以 通過對電池使用串聯(lián)的方式做到；第二，用電器的工作電流需要和電池相匹配，在電池的容 量一定的情況下，對于電池而言，盡量選用較小的放電倍率，達到延長電池的壽命的目的； 第三，要顧及到用電器實際使用時間的要求，這涉及到電池組的設(shè)計容量，理論上，電池的 容量越大，用電設(shè)備可與工作的時間越長，但電池的成本將越高，實際選用電池時，將按照 實際工作時間的要求，合理選用電池的容量。在選擇了電池的容量、串并聯(lián)數(shù)量后，實際使 用中在電池組正常工作的情況下，U二U' +Ir，其中U為電池組總的電壓，U'為加在負載兩 端的有用電壓，I為系統(tǒng)的工作電流，r為電池組及線路上的內(nèi)阻。從上述公式可以看出，在負載工作電流一定的情況下，系統(tǒng)的內(nèi)阻越大，加在負載兩端的有效電壓將越低，消耗的無 用功就越低，這部分能量將被白白的浪費掉，電池組輸出的功率將不能得到有效的發(fā)揮，而 且，電池組的工作電流越大，消耗的無用功將越大。 在電池組實際使用中，特別是在高電壓，大功率的動力使用領(lǐng)域，比如電動工具、 電動自行車使用中，實際使用中都加上了一個機械開關(guān)，通過機械開關(guān)的通斷，控制用電器 是否為后級負載供電。在實際使用中，使用機械開關(guān)作為后級電機的控制開關(guān)，存在以下一 些問題 1、機械開關(guān)本身存在一定的使用壽命在應(yīng)用到電動工具，電動自行車等領(lǐng)域時， 由于工作電流比較大，使用環(huán)境比較惡劣，相對的增加了開關(guān)的故障率。 2、機械開關(guān)會增加電池組的內(nèi)阻機械開關(guān)采用了金屬觸點接觸或斷開的方式控
制是否導(dǎo)通，這些機械觸點必將存在接觸電阻，而且這個內(nèi)阻會逐步增加。 3、機械開關(guān)在使用中會逐步劣化機械開關(guān)在大電流、高電壓情況下使用，機械開
關(guān)會出現(xiàn)打火現(xiàn)象，逐步的在金屬觸點兩端出現(xiàn)了積炭現(xiàn)象，并進一步的增加接觸電阻，隨
著接觸電阻增加，觸點的發(fā)熱量會進一步增加，并最終導(dǎo)致開關(guān)失效。 4、機械開關(guān)增加了成本機械開關(guān)的成本，是隨著工作電流和電壓的增加而增加， 大電流應(yīng)用情況下，機械開關(guān)的成本增加不可忽視。 5、使用機械開關(guān)，可擴展性低由于使用了機械開關(guān)，實現(xiàn)自動控制功能比較困 難，比如遙控功能的實現(xiàn)等。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述傳統(tǒng)機械開關(guān)的不足，本發(fā)明提出了一種加在鋰電池組保護板上的電子 開關(guān)。 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的 —種加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于在鋰電池組保護板上增加 電子開關(guān)，取代原有的機械開關(guān)。 所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于該保護板的保護回路由 兩個M0SFET和一個保護IC外加一些阻容元件構(gòu)成；該M0SFET包括Q1A和Q1B，它們在電 路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷；Q1A的柵極G和源極S之 間，增加了一個電阻R3，在保護IC的D0端和Q1A的柵極之間，增加一個電子開關(guān)；該電子 開關(guān)是MOSFET管Q2， Q2的漏極連接到保護控制IC即Ul的D0輸出端，源極連接到放電控 制M0SFET的Q1A的柵極，Q2的柵極通過電阻R4連接到高低電平控制輸入端Portl端，Q2 的源極連接到高低電平輸入端Port2端。 所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于所述的IC為S8261-G2J。
所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于所述的保護回路包括延 時電容C3。 所述的所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于通過在控制IC的 上的一個IO端口，作為一個使能端，通過高低電平進行控制，達到打開或者關(guān)斷放電回路 的目的。


圖1是傳統(tǒng)帶有保護板的電池組的電路圖。
圖2是增加電子開關(guān)鋰離子電池組的電路圖。
圖3是使用高低電平控制的電池組的電路圖。
圖4是多串動力電池的控制電路的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明通過如下設(shè)計，達到了在帶有保護板的電池組中增加電子開關(guān)，構(gòu)成了具
有電子開關(guān)電池組，達到節(jié)省控制電池組導(dǎo)通與關(guān)斷的機械開關(guān)的目的。 由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進行電能與化學(xué)能相互
轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)部
發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇后，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣
體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個
保護電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以
防止對電池發(fā)生損害。 如圖l所示，是常規(guī)的單只電池使用的保護板的線路圖，該保護回路由兩個 MOSFET(Q1A、Q1B)和一個控制IC(U1)外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂艻C負責(zé)監(jiān)測電池電壓 與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回 路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C3為延時電容，該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流 保護與短路保護功能。保護IC(U1)通過5腳VDD端連接電池的正極B+端，通過6腳VSS 端連接電池的負極B-端，監(jiān)測電池的電壓，在電池的電壓在正常工作范圍內(nèi)時，保護IC通 過1腳D0端輸出高電平，使得Q1A的源極Sl和柵極Gl之間的電壓，達到MOSFET的導(dǎo)通電 壓，使得Q1A導(dǎo)通，打開放電回路；同時保護IC通過3腳C0端輸出高電平，輸出高電平驅(qū)動 MOSFET管Q1B的柵極G2，使得Q1B的源極S2和柵極G2之間的電壓，達到MOSFET的導(dǎo)通電 壓，使得Q1B導(dǎo)通，打開充電回路。當(dāng)保護IC檢測到電池出現(xiàn)電壓低于保護IC的設(shè)定電壓， 或者出現(xiàn)電流大于設(shè)定值以及出現(xiàn)短路的異常情況，并且達到一定的延遲時間后，保護IC 的1腳DO端將輸出低電平，使得Q1A的源極Sl和柵極Gl之間的電壓，低于MOSFET的導(dǎo)通 電壓，使得QIB關(guān)閉，關(guān)斷放電回路，電池組不再輸出電壓。當(dāng)充電電壓高于設(shè)定值時，關(guān)斷 充電回路的原理和關(guān)斷放電回路的原理相同，在此不再詳細闡述。
從以上對保護板的原理分析，可以得到如下信息
1、放電回路的全部電流，都會流過放電控制MOSFET。 2、放電控制開關(guān)MOSFET切斷后，整個放電回路即被關(guān)斷，電池組將不再對外供 電。 3、放電控制MOSFET的導(dǎo)通與否，取決于其控制柵極和源極之間的電平關(guān)系，柵極 和源極之間是高電平，MOSFET導(dǎo)通，反之，柵極和源極之間是低電平，MOSFET將關(guān)閉。
通過以上分析，只要控制放電MOSFET柵極和源極之間的電平，即可控制放電回路 是否打開，即可以通過控制放電MOSFET是否打開，控制放電回路是否導(dǎo)通，放電MOSFET，可 以作為一個電子開關(guān)來控制電池電路是否有輸出。按照以上思路，將上述圖1中的電路變 更為可以增加電子開關(guān)的電路。請見圖2。
為了便于描述，按照電池和保護板都處于正常狀態(tài)進行電路分析。圖2中，在Q1A 的柵極G和源極S之間，增加了一個電阻R3，在保護IC的1腳DO端和Q1A的柵極之間，增 加了一個開關(guān)K，開關(guān)k用于控制MOSFET是否打開。 當(dāng)開關(guān)K閉合時，將保護IC的1腳DO輸出的信號直接連接到Q1A的柵極G，由于 正常情況下，保護IC的1腳DO端輸出的是高電平，所有Q1A的柵極G和源極S之間是高電 平，MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于整個電池組對外可以供電。此時，保護板具有通常的過放 電、過流和短路的保護功能，其中增加的電阻R3的阻值非常大，不會因為分流影響保護IC 的輸出信號對MOSFET的控制，即增加的元件不會影響保護板的保護性能，在實際使用中， 出現(xiàn)過放電、過流或者短路等異常情況下，保護板可以切斷放電回路，不會影響保護功能。
當(dāng)開關(guān)K斷開時，保護IC的l腳的DO端輸出的高電平被切斷，放電控制MOSFET 的Q1A的柵極電平，被電阻R3拉低到和源極S相同，Q1A的柵極和源極之間處于低電平，放 電控制MOSFET管Q1A的漏極D和源極S處于關(guān)閉狀態(tài)，切斷了放電回路。
上述分析可以看出，通過開關(guān)K的切斷或?qū)?，就可以控制放電MOSFET導(dǎo)通或切 斷，即可以通過打開或關(guān)斷這個小的機械開關(guān)，來達到控制放電回路是否打開或者是關(guān)斷 的目的。由于MOSFET管是通過電壓控制，流過開關(guān)K的電流極其微小，在微安級以下。即 通過一個小電流的控制開關(guān)，達到控制大電流的開關(guān)的目的。 在圖2中使用中是采用小型機械開關(guān)來控制MOS的導(dǎo)通和關(guān)斷，達到了使用小功 率開關(guān)實現(xiàn)大電流控制的目的。實際上也可以通過其他方式來實現(xiàn)同樣的功能，實際應(yīng)用 中，可以采用高低電平進行控制，或者是通過單片機的使能端進行控制的方式，進行控制電 流開關(guān)的目的。 圖3是使用高低電平對電源進行控制的目的。圖3中，用MOSFET管Q2代替小型機 械開關(guān)，Q2的漏極連接到保護控制IC即Ul的1腳DO輸出端，源極連接到放電控制MOSFET 的Q1A的柵極，Q2的柵極通過電阻R4連接到高低電平控制輸入端Portl端，Q2的源極連接 到高低電平輸入端Port2端，當(dāng)Portl端和Port2端輸入電壓為低電平時，Q2的柵極和源 極之間的電壓由于輸入的電壓為低電平，沒有達到開啟電壓，Q2的漏極和源極之間處于關(guān) 斷狀態(tài)，保護控制IC的1腳DO輸出的高電平無法到達開關(guān)控制MOSFET的Q1A的柵極，Q1A 由于G1和S1之間的低電平，Q1A處于關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷電池組輸出電壓。這種情況相當(dāng)于圖 2中的K是斷開狀態(tài)，可以同樣達到關(guān)斷電池組輸出電壓的目的。同理，當(dāng)Portl和Port2 之間輸入的為高電平時，Q2的柵極和源極之間是高電平，Q2的漏極和源極導(dǎo)通，相當(dāng)于圖 2中的開關(guān)K接通，從而Q1A處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池組打開處于電源打開狀態(tài)。從以上分析可 以看出，可以通過高低電平的方式，大都控制電源開關(guān)的目的。實際上，對于現(xiàn)在的保護控 制電路，如果采用了單片機的方式，通過編程的方式達到電池組保護的控制IC的，可以在 單片機的上預(yù)留一個使能端，通過編程方式，同樣可以實現(xiàn)本功能，由于涉及的保護控制IC 的開發(fā)設(shè)計，所以在此不做過多說明。 圖4是應(yīng)用到多串電池組的控制電路的框圖，框圖中電池由B1到Bn構(gòu)成，其中 n代表不同的串聯(lián)電池的數(shù)量。方框內(nèi)是控制IC及其外圍電路，可以是采用不同的控制 IC及其外圍電路構(gòu)成，例如常見的02公司的0Z890DS，構(gòu)成5_13串的電池組，或精工的 S-8209A，構(gòu)成多串的電池組，實際使用中，可以同樣采用在放電控制MOSFET管的柵極G和 保護控制IC的輸出控制端之間增加一個小型機械開關(guān)，通過小型機械開關(guān)控制電池組電
6源的開關(guān)，原理圖紙采用的是小型機械開關(guān)，實際上，同樣可以使用圖3中的方式，通過一 個開關(guān)MOSFET，使用高低電平，控制電池組電源開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。原理上和上面的分析， 在此將不再進行詳細的描述。 本發(fā)明的目的在于，提供一種利用二次鋰電池的內(nèi)置保護板，使用一個小功率開 關(guān)或者是其他設(shè)備輸送的高低電平，控制保護板內(nèi)放電控制MOS，達到接通或切斷放電回路 的目的 本發(fā)明具有以下優(yōu)點。 1、不會影響原有電池組保護板功能由于電子開關(guān)是在使用時，通過電平控制放 電M0S導(dǎo)通和關(guān)斷，在電子開關(guān)打開放電回路后，一旦保護IC判斷出現(xiàn)過放點、短路、過流 等異常時，保護板的控制IC同樣可以控制MOS關(guān)斷，電子開關(guān)不會影響電池組保護功能的 實現(xiàn)。即增加電子開關(guān)，只是將保護板的功能進行了擴展，并沒有影響保護板功能的實現(xiàn)。
2、降低了電池組的內(nèi)阻帶有電子開關(guān)的電池組，電子開關(guān)和保護板的放電輸出 保護控制是采用同一個M0S，系統(tǒng)中將不在具有傳統(tǒng)的機械開關(guān)串聯(lián)到主回路中，所以電池 組的動力來源可以直接連接到電池組，回路中不再具有機械開關(guān)和配套連接導(dǎo)線的內(nèi)阻。
3、提升產(chǎn)品可靠性傳統(tǒng)的機械開關(guān)中是串聯(lián)到電流的主回路中，實際應(yīng)用到較 大的電流和較高的電壓的場合，在電源通斷的瞬間，必然會出現(xiàn)開關(guān)打火，產(chǎn)生開關(guān)觸點出 現(xiàn)熔蝕和積炭現(xiàn)象，機械開關(guān)會逐步出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象并最終影響到產(chǎn)品的壽命，而電子 開關(guān)消除了這方面的影響。
4、降低產(chǎn)品成本對于鋰離子電池組而言，使用的保護板是必然的伴隨品，而保護
板內(nèi)部必須使用可以關(guān)斷充放電回路的MOS開關(guān)，利用這個MOS作為電源開關(guān)，可以直接省
略傳統(tǒng)的機械開關(guān)，而提高開關(guān)信號的開關(guān)，由于是在低電壓，極小電流情況下應(yīng)用，可以
使用小電流開關(guān)，這樣無疑可以節(jié)省串聯(lián)回路的大電流的機械開關(guān)，降低了成本。 5、增加系統(tǒng)安全性在電池組增加了電子開關(guān)后，在加工生產(chǎn)過程、運輸、保管時，
可以將電池組輸出端關(guān)斷，電池組的輸出端實際上處于關(guān)斷狀態(tài)，此時，電池組不再有輸
出，輸出端即使是出現(xiàn)短路等現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)打火，大大提高了電池組的安全性。 6、提高電池使用效率由于降低了回路的電阻，降低了回路電阻上的壓降，提高了
負載兩端的電壓，提高了電池的效率，特別是在大電流應(yīng)用的場合，使用效果更加明顯。
7、簡化生產(chǎn)程序，提高生產(chǎn)效率由于去掉了機械開關(guān)，電池組的輸出端，直接連
接到了負載或者是輸出插座的兩端，中間省略了機械開關(guān)的連接，可以簡化連接方式，提高
了生產(chǎn)效率。 8、提升電池安全性。本設(shè)計具有防爆特性，可以直接應(yīng)用到有防爆要求的領(lǐng)域由 于采用電子開關(guān)，沒有機械開關(guān)在開關(guān)電源時的打火現(xiàn)象，可以直接應(yīng)用到防爆領(lǐng)域。
9、具有擴展性強的優(yōu)點由于電子開關(guān)是依靠高低電平進行轉(zhuǎn)換，所以可以很方 便的進行功能擴展，只要輸入一個高低電平信號就可以控制電池組是否有電源輸出。
上面所述的示例，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范 圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
一種加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于在鋰電池組保護板上增加電子開關(guān)，取代原有的機械開關(guān)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于該保護板的保護回路由兩個M0SFET和一個保護IC外加一些阻容元件構(gòu)成；該MOSFET包括Q1A和 Q1B，它們在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷；QIA的柵 極G和源極S之間，增加了一個電阻R3，在保護IC的DO端和Q1A的柵極之間，增加一個電 子開關(guān)；該電子開關(guān)是MOSFET管Q2，Q2的漏極連接到保護控制IC即Ul的DO輸出端，源極 連接到放電控制MOSFET的Q1A的柵極，Q2的柵極通過電阻R4連接到高低電平控制輸入端 Portl端，Q2的源極連接到高低電平輸入端Port2端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于所述的IC 為S8261-G2J。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于所述 的保護回路包括延時電容C3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的所述的加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)，其特征在于 通過在控制IC的上的一個IO端口，作為一個使能端，通過高低電平進行控制，達到打開或 者關(guān)斷放電回路的目的。
全文摘要
本發(fā)明是一種加在鋰電池組保護板上的電子開關(guān)。它是在鋰電池組保護板上增加電子開關(guān)，取代原有的機械開關(guān)。它為鋰電池保護板的擴展性應(yīng)用，適用于各種鋰電池組系統(tǒng)，并在大電流動力場合下使用。
文檔編號H02J7/00GK101741121SQ20091024757
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者呂成學(xué), 吳江峰, 陳瑤, 高學(xué)鋒 申請人:上海德朗能電池有限公司