CN117955223B - 集成mppt控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，包括MPPT控制器、第一控制开关、第二控制开关、保护电路、鼓包检测电路、控制芯片和保护芯片。MPPT控制器输入端接第一连接器，输出端接电芯正负极和第二连接器，第一控制开关设置于MPPT控制器与电芯正极之间，第二控制开关设置于MPPT控制器与电芯负极之间，保护电路设置于第一控制开关与电芯正极之间，鼓包检测电路设置于第二连接器与第二控制开关之间。本发明解决了独立MPPT控制器适配范围小和效率低的问题；解决了储能设备系统端无法检测电芯是否发生鼓包的问题；此外集成度更高节省了生产成本和改善了组装过程中空间占用的问题。

Description

集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路

技术领域

本发明涉及电池管理系统技术领域，尤其涉及一种集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路。

背景技术

随着储能设备的大量普及，储能设备的充电方式也由传统的市电充电模式逐渐转向使用绿色能源进行充电，其中太阳能作为取之不尽的绿色能源，既环保又经济，越来越符合大众、市场的需求及长远发展。尤其在户外，能够方便获得太阳能为储能设备补能或直接供系统端用电器使用，可以最大化的丰富了我们户外的出行。

经历了普通太阳能控制器及PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）太阳能控制器的发展后，MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）太阳能控制器（以下简称MPPT控制器）可实时监测光伏电池阵列的电压及电流，不断追踪最大功率，始终以最大功率给电池端充电。

当前MPPT控制器仅作为一个单独模块，可通过连接器连接储能设备对其进行充电，也可通过连接器连接系统端直接给用电器供电。该工作模式下的MPPT控制器会带来以下问题：

（1）MPPT控制器作为一个单独模块，需要通过中转连接器来连接储能设备或系统端用电器，经过接口转换和两块PCB布局的走线等因素后，MPPT控制器的效率会有所降低。

（2）在MPPT控制器给储能设备充电时，所产生的高频信号对PCB上的低频信号会产生强烈干扰，尤其是电池和系统端的通讯信号。如若处理不当，非但不能在复杂的较强EMI的工作环境下进行正常通讯，甚至可能连正常室温条件下都无法正常工作，因此无法适用绝大数常见的储能设备。

（3）MPPT控制器通常工作在强光线和高温度的环境中，对于绝大数只有电流、电压和温度检测的储能设备，无法检测电芯是否发生鼓包。

（4）MPPT控制器作为一个单独模块，增加了生产成本，组装过程中还需要考虑占有空间，需要考虑与保护电路PCBA之间的衔接。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，所述电池包保护电路中将MPPT控制器集成在电池包PCB上，通过第一控制开关和第二控制开关的配合实现MPPT控制器在连接储能设备充电和连接系统端直接供电之间切换，适用范围更广，且提高了MPPT控制器的效率。还将鼓包检测电路也集成在电池包PCB上，有效解决了电芯鼓包的问题。

本发明采用的技术方案具体是：根据本发明实施例的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，包括MPPT控制器、第一控制开关、第二控制开关、保护电路、鼓包检测电路、控制芯片和保护芯片，所述MPPT控制器输入端接第一连接器，输出端接电芯正负极和第二连接器；所述第一控制开关设置于MPPT控制器输出端正极与电芯正极之间，所述第二控制开关设置于MPPT控制器输出端负极与电芯负极之间，所述电芯负极接地；所述保护电路设置于第一控制开关与电芯正极之间，所述鼓包检测电路设置于第二连接器与第二控制开关之间；所述控制芯片与第一控制开关、保护电路、电芯和第二连接器连接，所述保护芯片接MPPT控制器输出端正极，并与第二控制开关，鼓包检测电路和第二连接器连接。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述第一控制开关包括漏极互接的第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管栅极串接第一电阻后接控制芯片，串接第二电阻后接源极；所述第二NMOS管栅极串接第三电阻后接控制芯片，串接第四电阻后接源极。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述第二控制开关包括漏极互接的第三NMOS管和第四NMOS管，所述第三NMOS管栅极串接第五电阻后接保护芯片，串接第六电阻后接源极；所述第四NMOS管栅极串接第七电阻后接保护芯片，串接第八电阻后接源极。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述电池包保护电路还包括串接在MPPT控制器输出端正极的第五NMOS管，所述第五NMOS管漏极接MPPT控制器输出端正极，栅极接控制芯片，源极和栅极之间接有第九电阻。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述保护电路还包括保险丝和第六NMOS管，保险丝串接在线芯正极，第六NMOS管漏极接保险丝，源极接地，栅极接控制芯片，源极和栅极之间连接有第十电阻。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述鼓包检测电路由带有成对触点的FPC构成，触点一端通过第二控制开关接电芯负极，另一端接保护芯片和第二连接器。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述第一控制开关和保护电路之间还串接有第一电流检测电阻，第一电流检测电阻两端接控制芯片。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述第二控制开关和电芯负极之间还串接有第二电流检测电阻，第二电流检测电阻两端接保护芯片。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述控制芯片外围还设置有金属屏蔽罩。

作为本发明技术方案的一种可选方案，所述控制芯片与第二连接器通过三根信号线连接，包括：时钟信号线、数据信号线和时钟数据信号线。

本发明所取得的有益效果：本发明所提供的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，将MPPT控制器集成在电池包PCB上，通过第一控制开关和第二控制开关的配合实现MPPT控制器在连接储能设备充电和连接系统端直接供电之间切换，解决了独立MPPT控制器适配范围小和MPPT控制器效率低的问题。将鼓包检测电路集成在电池包PCB上，解决了系统端无法及时检测电芯是否发生鼓包的问题。集成度更高，节省了生产成本和改善了组装过程中空间占用的问题。

本发明的效果不限于如上的效果，本领域技术人员可以从以下的说明中得出上文中未记载的效果。

附图说明

图1是根据本发明实施例的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路系统方图。

图2是根据本发明实施例的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路整体电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，以下具体实施例仅用于解释本发明，而并不用于限定本发明。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明，在本发明的说明中，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加，并且仅是为了便于描述本发明的简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。在实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示为本发明实施例的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路系统方图。MPPT控制器右侧输入端接第一连接器，第一连接器用于连接太阳能板，MPPT控制器左侧输出端连接电芯正负极和第二连接器，第二连接器用于连接系统端。MPPT控制器输出端正极与电芯正极之间设置有第一控制开关，第一控制开关与电芯正极之间设置有保护电路，MPPT控制器输出端负极与电芯负极之间设置有第二控制开关。控制芯片连接第一控制开关控制第一控制开关的开启和关闭，控制芯片连接保护电路控制保护电路的通断，控制芯片连接电芯检测电芯温度等参数，控制芯片连接第二连接器接收系统端数据。保护芯片连接MPPT控制器输出端正极供电，同时连接鼓包检测电路和第二连接器接收鼓包检测数据和系统端数据，保护芯片连接第二控制开关控制第二控制开关的开启和关闭，鼓包检测电路另一端接于MPPT控制器输出端负极和第二控制开关之间。

上述电路中，通过控制芯片和保护芯片接收第二连接器端的系统端数据，判断并控制第一控制开关和第二控制开关的开启和关闭，实现太阳能电池板给电芯充电、太阳能电池板给系统端供电和电芯给系统端供电三种工况下的转换。控制芯片监控电芯运行数据来决定保护电路的通断、控制开关的开启和关闭，保护芯片监控鼓包检测电路数据来决定电路的通断。

如图2所示为本发明实施例的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路示意图。第一控制开关包括漏极互接的第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2，第一NMOS管Q1栅极串接第一电阻R1后接控制芯片U1，第一NMOS管Q1源极和栅极之间还连接有第二电阻R2；第二NMOS管Q2栅极串接第三电阻R3后接控制芯片U1，第二NMOS管Q2源极和栅极之间还连接有第四电阻R4。当控制芯片U1给第一NMOS管Q1栅极和第二NMOS管Q2栅极提供高电平时，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2导通开启；当控制芯片U1给第一NMOS管Q1栅极和第二NMOS管Q2栅极提供低电平时，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2截断关闭。第二控制开关包括漏极互接的第三NMOS管Q3和第四NMOS管Q4，第三NMOS管Q3栅极串接第五电阻R5后接保护芯片U2，第三NMOS管Q3源极和栅极之间还连接有第六电阻R6；第四NMOS管Q4栅极串接第七电阻R7后接保护芯片U2，第四NMOS管Q4源极和栅极之间还连接有第八电阻R8。当保护芯片U2给第三NMOS管Q3栅极和第四NMOS管Q4栅极提供高电平时，第三NMOS管Q3和第四NMOS管Q4导通开启；当保护芯片U2给第三NMOS管Q3栅极和第四NMOS管Q4栅极提供低电平时，第三NMOS管Q3和第四NMOS管Q4截断关闭。

如图2所示，MPPT控制器输出端正极还串接有第五NMOS管Q5，第五NMOS管Q5漏极接MPPT控制器输出端正极，栅极接控制芯片U1，源极和栅极之间接有第九电阻R9。当控制芯片U1给第五NMOS管Q5栅极提供高电平时，第五NMOS管Q5导通开启；当控制芯片U1给第五NMOS管Q5栅极提供低电平时，第五NMOS管Q5截断关闭。

如图2所示，保护电路包括保险丝FUSE和第六NMOS管Q6，保险丝FUSE串联在电芯正极，并与第六NMOS管Q6漏极连接，第六NMOS管Q6源极接地，栅极接控制芯片U1。当控制芯片U1给第六NMOS管Q6栅极提供高电平时，第六NMOS管Q6导通，保险丝FUSE接地熔断。

如图2所示，鼓包检测电路由带有成对触点的FPC构成，触点B为裸露状态，一端通过第二控制开关导通后接地，另一端接保护芯片U2连接MPPT控制器输出端正极，同时通过电芯鼓包检测信号SIG4连接第二连接器。触点B成对贴在电芯表面，当电芯发生鼓包，触点B与金属外壳接触而连接发生导通，保护芯片U2供电端瞬间接地，第三NMOS管Q3和第四NMOS管Q4关闭，同时系统端发送电芯鼓包信号给控制芯片U1熔断保险丝FUSE，电芯停止充放电。优选地，触点数量和位置可以根据实际需求进行调整。

如图2所示，第一控制开关和保护电路之间还串接有第一电流检测电阻SR1，第一电流检测电阻SR1两端接控制芯片U1，用于检测高边电流，当高边电流超过预设阈值，控制芯片U1则控制关闭第一控制开关。第二控制开关和电芯负极之间还串接有第二电流检测电阻SR2，第二电流检测电阻SR2两端接保护芯片U2，用于检测低边电流，当低边电流超过预设阈值，保护芯片U2则控制关闭第二控制开关。控制芯片U1外围还设置有金属屏蔽罩A，屏蔽罩A为内层涂银的铜屏蔽罩，用于防止MPPT控制器产生的高频信号带来的干扰。控制芯片U1与第二连接器通过三根信号线连接，分别为时钟信号SIG1、数据信号SIG2和时钟数据信号SIG3，用于系统端对时钟信号和数据信号连接的不同需求。

综上描述了本发明所述的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路的详细布局，接下来通过阐述该保护电路的工作原理来进一步说明。

第一连接器连接太阳能板，通过MPPT控制器对外输出；第二连接器连接系统端，包括用电器和控制模块。当系统端未接用电器时，系统端发出空载信号，此时控制芯片U1输出高电平至第五NMOS管Q5栅极和第二NMOS管Q2栅极，输出低电平至第一NMOS管Q1栅极，保护芯片U2输出高电平至第四NMOS管Q4栅极，输出低电平至第三NMOS管Q3栅极。使得第五NMOS管Q5、第二NMOS管Q2和第四NMOS管Q4导通，第一NMOS管Q1和第三NMOS管Q3关闭。此时MPPT控制器对电芯进行充电，由于第一NMOS管Q1和第三NMOS管Q3体二极管的作用，电芯无法反向输出。

当系统端接用电器并需要MPPT控制器直接给用电器供电时，系统端发出负载直供信号，此时控制芯片U1输出低电平至第一NMOS管Q1栅极和第二NMOS管Q2栅极，输出高电平至第五NMOS管Q5栅极，保护芯片U2输出低电平至第三NMOS管Q3栅极和第四NMOS管Q4栅极。使得第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第三NMOS管Q3和第四NMOS管Q4关闭，第五NMOS管Q5导通。此时MPPT控制器直接给系统端供电。

当系统端接用电器并需要电芯给用电器供电时，系统端发出负载电芯供电信号，此时控制芯片U1输出高电平至第一NMOS管Q1栅极和第二NMOS管Q2栅极，输出低电平至第五NMOS管Q5栅极，保护芯片U2输出高电平至第三NMOS管Q3栅极和第四NMOS管Q4栅极。使得第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第三NMOS管Q3和第四NMOS管Q4导通，第五NMOS管Q5关闭。此时由电芯给系统端供电。

综上所述通过控制第一控制开关、第二控制开关和第五NMOS管Q5实现太阳能电池板给电芯充电、太阳能电池板给系统端供电和电芯给系统端供电三种工况下的转换。

此外，在MPPT控制器给电芯充电的过程中或在电芯放电的过程中，当控制芯片U1检测到电芯温度过高或发生短路时，控制芯片U1给第六NMOS管Q6栅极提供高电平，第六NMOS管Q6导通，保险丝FUSE接地熔断，电芯停止充放电。当第一电流检测电阻SR1检测到高边电流超过预设阈值，控制芯片U1则控制关闭第一控制开关，电芯停止充放电；当第二电流检测电阻SR2检测到低边电流超过预设阈值，保护芯片U2则控制关闭第二控制开关，电芯停止充放电。当电芯发生鼓包，触点B与金属外壳接触而导通，保护芯片U2供电端瞬间接地，导通信号通过电芯鼓包检测信号SIG4发送至系统端，系统端再发给控制芯片U1，使其熔断保险丝FUSE，同时保护芯片U2关闭第三NMOS管Q3和第四NMOS管Q4，电芯停止充放电。

综上所述的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，该保护电路能够带来的有益效果包括但不限于如下：

（1）MPPT控制器与电池包保护电路集成到一起后，减少了中转连接器的使用，降低了经过接口转换和两块PCB布局走线等因素的影响，提高了MPPT控制器的效率。同时也减小了占用空间，节省了中转连接器的使用成本。

（2）MPPT控制器与电池包保护电路集成到一起后，通过控制第一控制开关、第二控制开关和第五NMOS管Q5实现太阳能电池板给电芯充电、太阳能电池板给系统端供电和电芯给系统端供电三种工况下的转换。提高了MPPT控制器与电池包的使用便捷性。

（3）焊接在控制芯片U1上的内层涂银的铜屏蔽罩有效防止MPPT控制器产生的高频信号带来的干扰。而且，电池包保护电路中的时钟信号SIG1、数据信号SIG2、时钟数据信号SIG3和电芯鼓包检测信号SIG4均采取差分走线且进行埋地处理，进一步削弱噪声干扰。

（4）在电池包保护电路中增加鼓包检测电路，当电芯在充放电过程中胀气鼓包时能够及时切断充放电电路，进一步提高电池包的安全系数。

本发明的效果不限于以上列出的效果，本领域技术人员可以从说明中得出上文中未记载的效果。

以上记载的关于集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路的实施例仅仅是示意性的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，其特征在于，所述电路包括：

MPPT控制器，所述MPPT控制器输入端接第一连接器，输出端接电芯正负极和第二连接器；

第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关设置于MPPT控制器输出端正极与电芯正极之间，所述第二控制开关设置于MPPT控制器输出端负极与电芯负极之间，所述电芯负极接地；

保护电路和鼓包检测电路，所述保护电路设置于第一控制开关与电芯正极之间，所述鼓包检测电路设置于第二连接器与第二控制开关之间；

控制芯片和保护芯片，所述控制芯片与第一控制开关、保护电路、电芯和第二连接器连接，所述保护芯片接MPPT控制器输出端正极，并与第二控制开关，鼓包检测电路和第二连接器连接；

其中，所述第一控制开关包括漏极互接的第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管栅极串接第一电阻后接控制芯片，串接第二电阻后接源极；所述第二NMOS管栅极串接第三电阻后接控制芯片，串接第四电阻后接源极；所述第二控制开关包括漏极互接的第三NMOS管和第四NMOS管，所述第三NMOS管栅极串接第五电阻后接保护芯片，串接第六电阻后接源极；所述第四NMOS管栅极串接第七电阻后接保护芯片，串接第八电阻后接源极；所述保护电路包括保险丝和第六NMOS管，保险丝串接在线芯正极，第六NMOS管漏极接保险丝，源极接地，栅极接控制芯片，源极和栅极之间连接有第十电阻；所述鼓包检测电路由带有成对触点的FPC构成，触点一端通过第二控制开关接电芯负极，另一端接保护芯片和第二连接器。

2.如权利要求1所述的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，其特征在于，还包括串接在MPPT控制器输出端正极的第五NMOS管，所述第五NMOS管漏极接MPPT控制器输出端正极，栅极接控制芯片，源极和栅极之间接有第九电阻。

3.如权利要求1所述的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，其特征在于，所述第一控制开关和保护电路之间还串接有第一电流检测电阻，第一电流检测电阻两端接控制芯片。

4.如权利要求1所述的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，其特征在于，所述第二控制开关和电芯负极之间还串接有第二电流检测电阻，第二电流检测电阻两端接保护芯片。

5.如权利要求1所述的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，其特征在于，所述控制芯片外围还设置有金属屏蔽罩。

6.如权利要求1所述的集成MPPT控制器及电芯鼓包检测的电池包保护电路，其特征在于，所述控制芯片与第二连接器通过三根信号线连接，包括：时钟信号线、数据信号线和时钟数据信号线。