CN106646248A - 一种bms电流检测及过流保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种BMS电流检测及过流保护电路，其特征在于，包括：电池组、继电器开关、电流取样电阻、负载、电流采样模块、过流保护模块、MCU微控单元。电流采样模块对电流取样电阻上的工作电流进行采集和放大并输入至MCU微控单元，过流保护模块对电流取样电阻上的工作电流大小进行判断，当超过工作电流超出规定值时，过流保护模块会输出低电平信号至MCU微控单元，MCU微控单元立即响应保护，切断继电器开关，从而启到过流保护的目的，保护电路中关键器件不会受到大电流的冲击而损坏。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理系统领域，特别是涉及一种BMS电流检测及过流保护电路。
背景技术
电动汽车、储能系统或者电动工具用电池管理系统最基本也是最重要的功能，就是对系统微弱信号的采集，比如电压信号、电流信号以及温度信号，还应包含一些保护功能机制，以达到对应用系统物理信号的实施检测以及异常情况下及时响应保护的目的，保证系统安全有效的运行。BMS电流采集一般通过分流器或霍尔传感器先把电流信号转换成电压信号，然后对电压信号进行处理，常规使用前端模拟集成IC或者专用电流采集芯片处理，再将放大信号传输至微控单元MCU，MCU将预设定电流参数与采集放大后的电流参数做比对运算，作相应的控制输出保护信号，切断主回路，此保护机制属于软件保护类型，运算需要一定的时间，响应不够快速，不能及时有效的过流异常进行限制，对灵敏度要求较高的场合不太适用，使用集成专用IC使系统方案成本增加，不利于批量推广。
根据中国公开专利文件CN201220518559.X的一种电动汽车车载光伏充电装置，其技术方案通过电流采样电路放大电流信号后传送给数字信号处理器，当放大后的电流信号超出预设值时，数字信号处理器将会输出一个电平信号给过流保护电路，控制过流保护电路断开，从完成对电路的保护工作。但由于电流信号是先通过放大在进行比对的，若放大环节出错或者出现故障，输出数据有错误，拿错误的数据再来进行比较保护，会数字信号处理器的判断失误，使其技术方案具有一定的局限性。同样，在中国公开专利文件CN201310701829.X的一种太阳能光伏控制器用的过流保护及启动恢复电路，其技术方案是通过先放大电流信号再进行比较，也是具有一定的局限性，再者，其技术方案是采用同相比例放大器，其精度以及抗扰能力都没有差分运算放大器优秀。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种BMS电流检测及过流保护电路。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种BMS电流检测及过流保护电路，包括：电池组、继电器开关SW、电流取样电阻Rs、负载M、电流采样模块(10)、过流保护模块(20)、MCU微控单元，
所述电池组的总正端依次串联继电器开关SW、负载M、电流取样电阻Rs后接电池组的总负端；
所述电流采样模块(10)的两个输入端分别与所述电流取样电阻Rs的两端连接，输出端与所述MCU微控单元的A/D转换输入端连接；
所述过流保护模块(20)的输入端与所述电流取样电阻Rs的采样端连接，输出端与所述MCU微控单元的I/O输入端连接。
在其中一个实施例中，所述电流采样模块(10)包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一运算放大器U1a，其中所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的一端分别作为所述电流采样模块(10)的两个输入端，所述第一运算放大器U1a的输出端作为所述电流采样模块(10)的输出端；
所述第一电阻R1的另一端串联所述第三电阻R3后接所述第一运算放大器U1a的反相输入端；
所述第二电阻R2的另一端串联第四电阻R4后接所述第一运算放大器U1a的正相输入端；
所述第五电阻的一端连接所述第一运算放大器U1a的反相输入端，另一端连接所述第一运算放大器U1a的输出端；
所述第六电阻R6的一端连接与所述第一运算放大器U1a的正相输入端，另一端与第一参考电源Vref连接。
在其中一个实施例中，所述电流采样模块(10)还包括：与所述第五电阻R5并联的第二电容C2。
在其中一个实施例中，所述电流采样模块(10)还包括：与所述第六电阻R6并联的第三电容C3。
在其中一个实施例中，所述电流采样模块(10)还包括：第一电容C1和第四电容C4，所述第一电容C1跨接在第一电阻R1与第三电阻R3的连接节点和第二电阻R2与第四电阻R4的连接节点之间；
所述第四电容C4的一端连接所述第一运算放大器U1a的输出端，另一端连接参考地GND。
在其中一个实施例中，所述过流保护模块(20)包括：第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11及第二运算放大器U1b，其中所述第十电阻R10的一端作为所述过流保护模块(20)的输入端，所述第二运算放大器U1b的输出端作为所述过流保护模块(20)的输出端；
所述第七电阻R7的一端连接第一电源Vcc，另一端分别与所述第二运算放大器U1b的正相输入端和第八电阻R8的一端连接；
所述第八电阻R8的另一端连接参考地GND；
所述第九电阻R9的一端连接第一电源Vcc，另一端连接所述第二运算放大器的反相输入端；
所述第十一电阻R11的一端连接第一电源Vcc，另一端连接所述第二运算放大器U1b的输出端；
所述第二运算放大器U1b的电源输入端连接第一电源Vcc，接地端连接参考地GND。
在其中一个实施例中，所述过流保护模块(20)还包括：第一稳压二极管ZD1，所述第一稳压二极管ZD1的阴极连接第一电源Vcc，阳极连接参考地GND。
在其中一个实施例中，所述过流保护模块(20)还包括：与第八电阻R8并联的第五电容C5。
在其中一个实施例中，所述过流保护模块(20)还包括：第六电容C6，所述第六电容C6的一端连接所述第二运算放大器U1b的反相输入端，另一端连接参考地GND。
在其中一个实施例中，所述过流保护模块(20)还包括：第十二电阻R12和第七电容C7，所述第十二电阻R12的一端连接所述第二运算放大器U1b的输出端，另一端连接所述第七电容C7的一端；
所述第七电容的另一端连接参考地GND。
本技术方案对比于现有技术有以下有益效果：
1.硬件过流保护响应速度快于软件过流保护，可对系统异常过流进行快速的保护，提高系统的可靠性。
2.使用高精度运算放大器，对系统工作放电电流进行精密采集，取样误差小，较专用采集IC成本低。
3.使用两个运算放大器即可同时达到电流采集和过流保护的双重目的。
4.电流采集和过流保护使用独立的双运放，信号相对独立，互不干扰，提高电路的稳定性和安全性。
附图说明
图1为本实施例中的BMS电流检测及过流保护电路框架图；
图2为本实施例中的BMS电流检测及过流保护电路原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示为BMS电流检测及过流保护电路框架图，请一并结合参照图2，包括：电池组、继电器开关SW、电流取样电阻Rs、负载M、电流采样模块10、过流保护模块20、MCU微控单元，电池组的一端连接继电器开关SW的一端，其另一端连接连接电流取样电阻Rs的一端；
电池组的总正端依次串联继电器开关SW、负载M、电流取样电阻Rs后接电池组的总负端；
电流采样模块10的两个输入端分别与电流取样电阻Rs的两端连接；输出端与MCU微控单元的A/D转换输入端连接；
过流保护模块20的输入端与电流取样电阻Rs的采样端连接，输出端与MCU微控单元的I/O输入端连接。
需要说明的是，电池组是由单体电芯以不同的串并联方式组成的电池组。
具体地，电流采样模块10包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6及第一运算放大器U1a，其中第一电阻R1和第二电阻R2的一端分别作为所述电流采样模块10的两个输入端，第一运算放大器U1a的输出端作为电流采样模块10的输出端；
第一电阻R1的另一端串联第三电阻R3串联后接于第一运算放大器U1a的反相输入端；
第二电阻R2的另一端串联第四R4后接于第一运算放大器U1a的正相输入端；
第五电阻的一端连接第一运算放大器U1a的反相输入端，另一端连接第一运算放大器U1a的输出端；
第六电阻R6与第一运算放大器U1a的正相输入端连接，另一端与第一参考电源Vref连接。
需要说明的是，电流采样模块10中的电阻阻值选取要合适，即可对转换后微弱的电压信号进行一定倍数的放大输出，且第一电阻R1的阻值和第二电阻R2相等，第三电阻R3的阻值和第四电阻R4的相等，以保证正相输入与负相输入平衡，减小差模干扰；放大倍数ξ＝R5/(R1+R3)，放大信号Vol＝Vref-Is*Rs*(R5/(R1+R3))，放大信号Vol的幅值需要保持在MCU微控单元的A/D转换输入端能处理的范围内，即可完成对电流信号的转换、放大、采集。
进一步地，电流采样模块10还包括：与第五电阻R5并联的第二电容C2。
需要说明的是，第五电阻R5与第二电容C2形成负反馈网络，其中第二电容C2起到补偿作用，用来提升信号的放大倍数。
进一步地，电流采样模块10还包括：与第六电阻R6并联的第三电容C3。
需要说明的是，第六电阻R6与第三电容C3构成差分放大网络，其中第三电容C3起到补偿的作用，用于提升信号的放大倍数。
进一步地，电流采样模块10还包括：第一电容C1和第四电容C4，第一电容C1跨接在第一电阻R1与第三电阻R3的连接节点和第二电阻R2与第四电阻R4的连接节点之间；
第四电容C4的一端连接第一运算放大器U1a的输出端，另一端连接参考地GND。
需要说明的是，第一电容C1为差分电容，用于消除电路工作时主回路电流引进的差模噪声对取样信号的干扰；第四电容C4对MCU微控单元的I/O输入端启去耦的效果。
还需要说明的是，第一运算放大器U1a的正相输入线路与负相输入线路保持平行等间距走线，用来消除系统工作时主回路电流引进的差模噪声对取样信号的干扰。
具体地，过流保护模块20包括：第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11及第二运算放大器U1b，其中第十电阻R10的一端作为所述过流保护模块20的输入端，第二运算放大器U1b的输出端作为过流保护模块20的输出端；
第七电阻R7的一端连接第一电源Vcc，另一端分别与第二运算放大器U1b 的正相输入端和第八电阻R8的一端连接；
第八电阻R8的另一端连接参考地GND；
第九电阻R9的一端连接第一电源Vcc，另一端连接所述第二运算放大器的反相输入端；
第十一电阻R11的一端连接第一电源Vcc，另一端连接第二运算放大器U1b的输出端；
第二运算放大器U1b的电源输入端连接第一电源Vcc，其接地端连接参考地GND。
需要说明的是，根据运放特性，如第九电阻R9＝10K，第十电阻R10＝5.1K，则有(R10-V6)/10K＝(V6-Va)/12K，其中Va为A点处的电压、V6为第二运算放大器的负相输入端的电压(下同)，可得出V6＝1.69+Va*10/R10，，如第一电源Vcc＝5.1V，第七电阻R7＝第八电阻R8＝10K，则V5＝2.55V，其中V5为第二运算放大器的正相输入端的电压(下同)，要使输出信号Vo2为低电平输出，则需V6>V5＝2.55V，可求出Va>0.438V，如电流取样电阻Rs的阻值为10mΩ，可由欧姆定律得出，Is>43.8A，即放电模块的工作电流如超过43.8A，如果是交流网络还需要除以2^(1/2)，第二运算放大器U1b的输出端即可输出低电平保护信号至MCU微控单元的I/O输入端，MCU微控单元立即响应保护型号，快速关断主回路的继电器开关SW，切断主回路，从而起到过流保护的作用，保护系统关键器件不受大电流的冲击与损坏。
还需要说明的是，第十一电阻R11为上拉电阻，对第二运算放大器U1b的输出端起上拉作用，可以是在不确定状态下，使其输出端在上电后保持高电平。
进一步地，过流保护模块20还包括：第一稳压二极管ZD1，第一稳压二极管ZD1的阴极连接第一电源Vcc，其阳极连接参考地GND。
需要说明的是，第一稳压二极管ZD1为第一电源Vcc进行稳压后而供给后级分压电路，防止电源跳变或者干扰而引起输入比较电压的偏差，导致MCU微控单元误判而报警过流。
进一步地，过流保护模块20还包括：与第八电阻R8并联的第五电容C5。
需要说明的是，第五电阻R5对第二运算放大器U1b正相输入端进行去耦降噪。
进一步地，过流保护模块20还包括：第六电容C6，第六电容C6的一端连接第二运算放大器U1b的反相输入端，另一端连接参考地GND。
需要说明的是，第六电容C6对第二运算放大器U1b的反相输入端进行去耦降噪。
进一步地，过流保护模块20还包括：第十二电阻R12和第七电容C7，第十二电阻R12的一端连接第二运算放大器U1b的输出端，另一端连接所述第七电容C7的一端；
第七电容的另一端连接参考地GND。
需要说明的是，第十二电阻R12和第七电容C7组成的一阶低通滤波单元，对第二运算放大器U1b输出信号进行高频噪声的滤除。
本发明公开了一种BMS电流检测及过流保护电路，通过使用两个运算放大器完成对电流信号的采集和过流保护。其中一个高精度的运算放大器构成差分电路对主回路的工作电流进行采集，并可实现放大倍数可调。另一个运算放大器为比较器，当主回路的电流超出阈值时，比较器的输出端会输出一个数字信号至MCU微控单元，MCU微控单元立即响应切断主回路中的继电器开关SW，实现对硬件的过流保护。
以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种BMS电流检测及过流保护电路，其特征在于，包括：电池组、继电器开关SW、电流取样电阻Rs、负载M、电流采样模块(10)、过流保护模块(20)、MCU微控单元，
所述电池组的总正端依次串联继电器开关SW、负载M、电流取样电阻Rs后接电池组的总负端；
所述电流采样模块(10)的两个输入端分别与所述电流取样电阻Rs的两端连接，输出端与所述MCU微控单元的A/D转换输入端连接；
所述过流保护模块(20)的输入端与所述电流取样电阻Rs的采样端连接，输出端与所述MCU微控单元的I/O输入端连接。
2.根据权利要求1所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述电流采样模块(10)包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6及第一运算放大器U1a，其中所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的一端分别作为所述电流采样模块(10)的两个输入端，所述第一运算放大器U1a的输出端作为所述电流采样模块(10)的输出端；
所述第一电阻R1的另一端串联所述第三电阻R3后接所述第一运算放大器U1a的反相输入端；
所述第二电阻R2的另一端串联第四电阻R4后接所述第一运算放大器U1a的正相输入端；
所述第五电阻的一端连接所述第一运算放大器U1a的反相输入端，另一端连接所述第一运算放大器U1a的输出端；
所述第六电阻R6的一端连接与所述第一运算放大器U1a的正相输入端，另一端与第一参考电源Vref连接。
3.根据权利要求2所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述电流采样模块(10)还包括：与所述第五电阻R5并联的第二电容C2。
4.根据权利要求2所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述电流采样模块(10)还包括：与所述第六电阻R6并联的第三电容C3。
5.根据权利要求2所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述电流采样模块(10)还包括：第一电容C1和第四电容C4，所述第一电容C1跨接在第一电阻R1与第三电阻R3的连接节点和第二电阻R2与第四电阻R4的连接节点之间；
所述第四电容C4的一端连接所述第一运算放大器U1a的输出端，另一端连接参考地GND。
6.根据权利要求1所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述过流保护模块(20)包括：第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11及第二运算放大器U1b，其中所述第十电阻R10的一端作为所述过流保护模块(20)的输入端，所述第二运算放大器U1b的输出端作为所述过流保护模块(20)的输出端；
所述第七电阻R7的一端连接第一电源Vcc，另一端分别与所述第二运算放大器U1b的正相输入端和第八电阻R8的一端连接；
所述第八电阻R8的另一端连接参考地GND；
所述第九电阻R9的一端连接第一电源Vcc，另一端连接所述第二运算放大器的反相输入端；
所述第十一电阻R11的一端连接第一电源Vcc，另一端连接所述第二运算放大器U1b的输出端；
所述第二运算放大器U1b的电源输入端连接第一电源Vcc，接地端连接参考地GND。
7.根据权利要求6所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述过流保护模块(20)还包括：第一稳压二极管ZD1，所述第一稳压二极管ZD1的阴极连接第一电源Vcc，阳极连接参考地GND。
8.根据权利要求6所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述过流保护模块(20)还包括：与第八电阻R8并联的第五电容C5。
9.根据权利要求6所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述过流保护模块(20)还包括：第六电容C6，所述第六电容C6的一端连接所述第二运算放大器U1b的反相输入端，另一端连接参考地GND。
10.根据权利要求6所述的BMS电流及硬件过流保护电路，其特征在于，所述过流保护模块(20)还包括：第十二电阻R12和第七电容C7，所述第十二电阻R12的一端连接所述第二运算放大器U1b的输出端，另一端连接所述第七电容C7的一端；
所述第七电容的另一端连接参考地GND。
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