專利名稱：電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板的制作方法
技術領域：
本發明涉及到鋰電池應用領域，特別是一種電動自行車內置電機內置鋰電池和保 護板。景技術
現有電動自行車，其整體結構都是車架、電機、電池組、控制器幾大主要部件構成， 這幾個大件，分別需要將控制器、電池組、電機等放置到電動自行車的不同位置，構成了不 同類型的電動自行車。目前常見的不同的車型，有將電池放置到車架前端的，有放置到腳踏 板下的，也有將電池組放置在座位下的中梁位置的，部分小型電動自行車，也有將電池放置 到車架內部的設計方式的。其電機控制器，一般情況下，是放置在腳踏的周圍，距離地面很 近，很容易因為進水導致控制器失效。從目前情況看，這種電池自行車的結構，沒有明顯的 改變，相應的車型也沒有大的變化。即使是一些車廠使用鋰電池的電動自行車，其車的結 構，也同樣沒有大的變化，在傳統的應用領域中，由于使用的是鉛酸電池，由于電池的體積 和重量都很大，必須設計一個放置電池的電池盒，將電池成組后，放置到電池盒中，其整體 的結構必須是使用電池盒，電機、控制器分立的結構。隨著電池加工技術的進步，以鋰電池為代表的二次電池，已經大量的應用到電動 自行車甚至電動車領域，由于電池采用新型的鋰電池等二次電池，電池方面具有體積小、重 量輕、壽命長的優點。更加突出的是目前新型的磷酸鐵鋰鋰電池，電池組的循環壽命可以達 到1000次以上，其使用壽命是鉛酸電池的三到五倍，具有良好的環保特性，使用中不會造 成環境污染。隨著鋰電池的體積和重量的減小，已經將電池放置到電機的內部，從而簡化了 電動自行車的結構。目前新型的鋰電池電動自行車，在應用鋰電池時，都需要增加一個電池組保護系 統，用于對電池進行安全管理，以保護電池的使用安全。傳統的鋰電池的保護電路請見圖 1 (以四串電池組為例)，BMS系統由電池電壓檢測系統和充放電開關控制系統兩部分構成， 圖1中，集成電路S-8254承擔著電池電壓檢測的功能，其12-15腳分別連接四顆串聯的電 池組。在充電過程中，一旦任何一個電池的電壓高于IC設定的電壓，出現充電電壓異常，集 成電路的COP端(1腳)，由低電平輸出為高電平，通過電阻Rcop關斷充電用FET，切斷充電 回路；放電時一旦集成電路檢測到任何一個電池的電壓低于設定的電壓，并且延遲一定時 間，集成電路的DOP腳(3腳)，由低電平轉換為高電平，關斷放電回路。傳統的保護電路系統，應用到動力系統后，有著一些不可避免的問題問題一傳統的保護電路，使用的專用集成電路，常見的都是適用于三、四串鋰電 池電池組用途的，而應用到電動自行車系統時，大多都要用到7-12串的結構，傳統的集成 電路想要應用到動力系統，則需要三到四個圖一的集成電路進行級聯，必須對充放電控制 信號，去統一控制充放電開關M0S。由于原有的電路是針對三或四串電池組設計的，集成電 路本身并沒有考慮多個IC疊加級聯問題，這個級聯電路由于電路本身并沒有設計，就必須 通過外接電路進行充放電信號轉換后，才能實現統一控制同一個充放電控制輸出的目的。 導致電路復雜，并進一步導致保護板的可靠性降低。還有常規的集成電路，是以傳統的小電流、低干擾的數碼類電池組的應用為主，在電動自行車的動力場合應用時，傳統的集成電路 已經無法適應動力電機強電磁干擾的環境，造成保護電路失效或者損壞，所以這樣的保護 電路，不但無法起到保護電池的作用，反而容易成為造成電池失效或損壞的殺手。
發明內容
本發明的目的在于提供一種電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板的方案，它 是將二次電池內置到電機內部后，同時將二次電池的保護電路同樣內置到電機的內部的解 決方案，達到有效保護電機內部的鋰電池的目的。為解決上述技術問題，本發明是這樣實現的一種電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于電機由定子部分、放 置在定子上的電池組、充當外殼的轉子、放置在電機內部的電池保護系統構成。所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于定子部分由電池 支架和外圈的定位線圈的硅鋼片構成，在定子上沿軸線方向對稱的開孔，用于放置電池，定 子的中心為帶有定位卡的通孔構成，用于將定子固定在電機的中軸上。所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于可以使用圓柱形 二次電池，構成二次電池的材料可以是鈷酸鋰或者是磷酸鐵鋰、鎳氫等材料。圓柱電池組的 形狀設計為等邊三角形或者為菱形，放置在電機內部的配套電池倉中。所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于將保護板直接放 置在定子部分的側面，對電池的電壓進行取樣，完成電池的過充和過放保護功能，在充放電 異常的情況下，對電池促進性過充和過放保護，保護電路同時內置了電池充電均衡電路。所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于每個串聯電池組 單獨并聯一個具有過充、過放取樣的保護電路，電路本身具有級聯信號的功能，通過最高或 最低電位的電池的保護電路，輸出高低電平的信號，通過信號控制充、放電回路的導通和關 斷。所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于其二次電池保護 電路控制放電電路的特征是電池組正常工作的信號和過充、過放的狀態的信號，傳遞到控 制器的控制信號端，決定控制器是否停止工作；該信號也可以用于控制位于電機內部的開 關管(MOS)直接關斷放電回路。
圖1是傳統的鋰電池的保護電路。圖2是本發明電池在電機定子內部放置的示意圖。圖3是本發明的一種保護電路電路圖。圖4是鋰電池保護電路的電路圖。
具體實施例方式本發明通過如下結構設計，達到將電池以及電池保護板電路內部的目的常規的電動自行車電機，采樣通常分為24V、36V等電壓值，配套的電池的額定電壓的范圍也應該滿足電機的配套需要。為了敘述方便，后續的示例中提到的電池和保護電路，都以圓柱型磷酸鐵鋰電池為例進行說明，這種電池的直徑為26mm，高度為65mm，單只電 池的標稱電壓為3. 2V，額定容量為3Ah。用于電動車時，可以使用3并8串，構成額定電壓 為25. 4V的電池組，用來匹配24V電機；或者使用3并12串，構成38. 4V的電池組，用來匹 配36V電機。如圖2所示，定子部分的一種結構設計圖，其中1為電池倉的支架，選用金屬沖壓 或者是鑄造的方式制作，中心為固定軸的位置，并預留定位銷，中間部分預留六個60°圓角 等邊三角形孔用于放置電池組，放下六組電池2，每個電池倉中可以放置6只電池，放置3并 12串的36V電池組，支架的外部固定上沖孔的硅鋼片3，用于制作電機的繞組。按照這種結 構設計，這種含有電池倉的定 子部分，包含電池部分的電池倉，尺寸可以做到IOOmm的半徑 以內，滿足電動自行車使用的電機需要。通常，配套的鋰二次電池鋰電池都需要加有保護系統。請參閱圖3，圖中為鋰電池 保護電路的電路圖，圖中使用的IC是精工公司的專用集成電路S-8209A，具有過充、過放以 及均衡控制功能，集成電路，可以根據串聯電池的數量，將控制IC進行級聯，達到控制電池 的過充、過放的目的，。以S-8209A為例，說明基礎電路工作情況每一個電池的正負極兩端，都連接一個 專用集成電路，其中集成電路的VDD腳，通過一個470 Ω的電阻連接到電池的正極，集成電 路的VSS腳，直接連接到電池的負極(電路圖中為了區分不同位置的集成電路，分別以1、 2,3...等標識，對應的VDD和VSS腳分別以VDD1、VSS1等后加數字標識)，集成電路的VDD 腳和VSS腳用于檢測電池的電壓。過充過程說明在電池組充電中，假設圖中的3號電池BAT3，電壓達到集成電路設定的過充電壓， 并延遲一定時間，集成電路S-8209(3)的過充控制腳C03端，由低電平轉變為轉換為高電 平。該信號經過Ik電阻，連接到集成電路S-8209(2)的CTLC2，S-8209(2)的C02端依次轉 換為低電平，該電平信號依次向上傳輸到最上端的S-8209 (1)，從S-8209 (1)的COl輸出控 制信號到三極管，并控制CFET關斷，防止因為過充電導致電池組失效。過放電控制原理說明電池組放電時，同樣假設圖中的3號電池BAT3，電池電壓達到集成電路設定的過 放電壓，并延遲一定時間，集成電路S-8209(3)的過放控制腳D03端，由低電平轉變為轉換 為高電平。該信號經過Ik電阻，連接到集成電路S-8209 (2)的CTLD2，S-8209(2)的D02端 依次轉換為低電平，該電平信號依次向上傳輸到最上端的S-8209(l)，從S-8209(l)的DOl 輸出控制信號到三極管，并控制DFET關斷，防止因為過放電導致電池組失效。該過放信號也可以輸送到控制器的剎車控制端，通過控制器的集成電路，關斷控 制器的電機控制輸出端，同樣可以達到防止電池過放的功能。S-8209可以根據串聯電池組多少的需要，級聯到串聯的數量，這里以三串為例進 行說明，實際上，這個電路可以適用于從兩串到任意多串的電池組的級聯。本電路在具體實施時，可以設計成兩種方式方式一，電路板分散設計方案使用集成電路S-8209，將集成電路及外圍電路元 件，按照每一個串聯電池組為一個單元，設計成一個單獨的小板子。即在每個串聯電池組上 并聯一個保護線路板，由線路板負責對該組電池進行充放電管理，采集電池的電壓信號，正常工作信號、過充、和過放信號，從集成電路的CO和DO端輸出，再通過插頭和插座，級聯到 上一級保護電路的CTLC和，最終通過最上端的保護板輸出總的控制信號。每個電池組放置 在電池倉中對應圖4中的4的位置。
這種設計方法的優點是，每個線路板都可以設計的很小，線路板的尺寸可以設計 到10X30mm，小的線路板可以放置在電池相切的凹陷處，或者是電池的一端的空隙中，不會 影響到整個電池組的體積，更不會影響到電池組和定子之間的配合。這種設計方法的優點還有，可以分散發熱電池組進行充電時，集成電路的將根據 設定的電壓判斷電池是否過充，如果某一組或幾組電池電壓高于設定值，均衡電路開啟，通 過旁路電阻分流，處于均衡狀態時，電阻將發熱。由于電路板采用分散設計，相應的發熱電 阻處于分散的線路板上，這樣熱量將分散到整個電機內部，不會出現熱量無法散失，導致溫 度異常升高，影響保護電路和電池的壽命。方式二，電路板整體設計方案將所有的元器件設計到一塊線路板上，內部的級聯 通過線路板內部連接，串聯電池組的電壓信號通過插頭線引入。具體的線路板可以采用長 方形，將線路板放置到電池的狹縫中，參閱圖4中5的位置。或者將線路板設計為中空的圓 形，線路板套接在電機的中軸上參閱圖4中6的位置。方式二的優點是整個電路需要的元件都集中到一塊線路板上，各個電路之間的 連接非常簡單，增加了電路的可靠性，同時也減少組合的加工難度。采樣方式二另外一個優點是可以采樣集成度更高的集成電路，由單片IC構成的 電池管理系統，成熟的電路有0Z890，這類電路具有過充、過放管理、短路、過流保護功能，電 路自身帶有充電均衡功能。這個電路的另外一個優點是，可以實現I2C通信，可以通過上 位機顯示電池的電壓、電流等信息，可以大大擴展電路的應用范圍，不足之處是目前成本較 尚ο本發明具有以下優點是本發明的內置電池及保護板的電機結構，優化了電動自行車的系統結構。由于電 機、電池和保護板構成了一體設計，將原來的必須分離的兩個系統，整合到一個電機的殼體 內部，從而簡化了電動車系統的結構，使得電動車改變了電池必須單獨設計電池盒的體系， 并優化整個電動自行車的系統結構。本發明的內置電池及保護板的電機結構，提高了電池系統可靠性。本發明將電池 及保護電路同時內置到電機的內部，電池本身具有了過充和過放保護，同時具有均衡功能， 可以有效的對電池進行保護，提高了電池系統的可靠性。 本發明的內置電池及保護板的電機結構，提高了電池系統安全性。電機采用的是 鋁合金外殼，由于需要承重，外殼的厚度會遠遠的大于常規的電池盒的厚度，電機外殼的強 度會遠遠的大于原有的電池盒的強度，提高了電池抗外部沖擊的能力。同時、由于電機外殼 的強度增加，可以有效的防護在極端情況下，電池出現異常時發生燃燒、爆炸的危險，大大 提高了電池的安全等級。本發明的內置電池及保護板及保護電路的電機結構，有效的節省了成本電池集 成到電機內部后，去掉了傳統電動自行車必備的電池盒，完全節省掉了電池盒的成本，使得 電動自行車的成本得以降低。本發明的內置電池及及保護板的電機結構，提高了電池的防水等級由于電池內置到電機內部，而電機本身就是密封設計，這種設計可以有效的保證電池的密封性，和普通 電池盒的防淋濺的防水等級相比較，防水效果更好，達到有效防水的目的。本發明的內置電池及保護板的電機結構，簡化了電動自行車的設計由于去掉了 電池盒，在電動自行車的設計中，不再需要考慮電池盒的放置位置，大大簡化了電動自行車 的設計，可以更加靈活的設計電動自行車從款式。本發明的內置電池及保護板的電機結構，可以簡化電動自行車的 生產過程，提高 電動自行車的生產效率內置電池的電機，與放置電機的前輪或者后輪實際上是一體結構， 這樣電動自行車實際上就變成了前后輪、車架的結構，電動自行車的生產就變成了傳統的 自行車生產，可以大大提高電動自行車的生產效率。本發明的內置電池及保護板的結構，簡化了電機和電池之間的連接關系，減少了 連線的電阻，從而減少了系統導線上的損耗，提高了電池的利用效率，提高了電動車的行駛里程。本發明的內置電池及保護板的的結構，由于增加了電機定子驅動部分的半徑，有 效的提高了驅動力矩，可以提高電機的爬坡和載重能力。綜上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用來限定本發明的實施范圍。即凡 依本發明申請專利范圍的內容所作的等效變化與修飾，都應為本發明的技術范疇。
權利要求
一種電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于電機由定子部分、放置在定子上的電池組、充當外殼的轉子、放置在電機內部的電池保護系統構成。
2.根據權利要求1所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于定 子部分由電池支架和外圈的定位線圈的硅鋼片構成，在定子上沿軸線方向對稱的開孔，用 于放置電池，定子的中心為帶有定位卡的通孔構成，用于將定子固定在電機的中軸上。
3.根據權利要求1所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于可 以使用圓柱形二次電池，構成二次電池的材料可以是鈷酸鋰或者是磷酸鐵鋰、鎳氫等材料。 圓柱電池組的形狀設計為等邊三角形或者為菱形，放置在電機內部的配套電池倉中。
4.根據權利要求1所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其特征在于將 保護板直接放置在定子部分的側面，對電池的電壓進行取樣，完成電池的過充和過放保護 功能，在充放電異常的情況下，對電池促進性過充和過放保護，保護電路同時內置了電池充 電均衡電路。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其 特征在于每個串聯電池組單獨并聯一個具有過充、過放取樣的保護電路，電路本身具有級 聯信號的功能，通過最高或最低電位的電池的保護電路，輸出高低電平的信號，通過信號控 制充、放電回路的導通和關斷。
6.根據權利要求1或2或3或4所述的電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板，其 特征在于其二次電池保護電路控制放電電路的特征是電池組正常工作的信號和過充、過 放的狀態的信號，傳遞到控制器的控制信號端，決定控制器是否停止工作；該信號也可以用 于控制位于電機內部的開關管(M0S)直接關斷放電回路。
全文摘要
本發明涉及一種電動自行車內置電機內置鋰電池和保護板。電機由定子部分、放置在定子上的電池組、充當外殼的轉子、放置在電機內部的電池保護系統構成。它是將二次電池內置到電機內部后，同時將二次電池的保護電路同樣內置到電機的內部的解決方案，達到有效保護電機內部的鋰電池的目的。
文檔編號B62M6/80GK101830269SQ20101013612
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者呂成學, 呂松檢, 陳龍 申請人:呂成學;呂松檢;陳龍