CN110768328B - 一种多串电池保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多串电池保护系统，其包括：采集模块，用于采集电芯电压、电芯充放电过程中的充放电电流以及电芯充放电过程中的电芯温度；主控模块，耦接于采集模块，用于接收电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号；通讯模块，耦接于主控模块与外部充放电装置，用于识别管理充放电次数。本发明具有对多串电池充放电过程进行监控包括，延长多串电池使用寿命的效果。

Description

一种多串电池保护系统

技术领域

本发明涉及电池保护的技术领域，尤其是涉及一种多串电池保护系统。

背景技术

目前随着一些便携数码设备、电动工具、电动汽车、移动电源和分布式能源等 的发展普及，蓄电池受到越来越多的关注。在单体或单模组电池具有一定规格的条件下，为满足不同使用场合和应用需求，经常需要将单体电池串并联组成电池组使用。多节电池组系统发生过流、甚至短路时，可能造成电池组充放电安全性问题。

现有的多串电池不能承受过充过放，并且当电池串并联数目较多时，会出现电池不均衡等新问题，必须对电池组进行均衡。电池性能随温度变化明显，低温下电极的反应速率下降，电池组吸收和输出功率的能力都会下降，高温下蓄电池的化学反应加快，电解液蒸发快，极板 易损坏，严重影响电池使用寿命。因此电池正常工作离不开电池保护系统，完善的电池保护系统可以保护电池、提高充放电效率、延长循环寿命和保证应用的安全。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多串电池保护系统，能够对多串电池充放电过程进行监控包括，延长多串电池使用寿命。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种多串电池保护系统，包括：

采集模块，用于采集电芯电压、电芯充放电过程中的充放电电流以及电芯充放电过程中的电芯温度，当检测电芯电压时，输出电压检测信号；当检测到充放电电流时输出电流检测信号；当检测到电芯温度时，输出温度检测信号；

主控模块，耦接于采集模块，用于接收电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号；当接收到电压检测信号、电流检测信号或温度检测信号时，信号进行分析并输出第一控制信号和第二控制信号以改变电芯充放电状态；

通讯模块，耦接于主控模块与外部充放电装置，用于识别管理充放电次数；当与外部充放电装置耦接而导通时，对充放电次数进行储存。

通过采用上述技术方案，采集模块对电芯充放电过程中的电流、电压以及温度情况进行采集，随后通过主控模块对电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号进行分析，并根据分析结果输出控制信号以实现对电芯充放电过程的控制，并对充放电次数进行存储记录，从而避免电芯因过压过流或温度过高造成的寿命缩短，延长了电池的使用寿命；同时通过对充放电次数进行及记录，方便使用人员及时更换电池。

本发明进一步设置为：所述采集模块包括电流检测单元、电压检测单元、温度检测单元以及采集控制单元；

所述电流检测单元耦接于电芯和采集控制单元，用于采集电芯电量与回路电流；

所述电压检测单元耦接于电芯和采集控制单元，用于采集电芯电压；

所述温度检测单元与电芯和采集控制单元相连接，用于采集电芯温度；

所述采集控制单元耦接于电流检测单元、电压检测单元以及温度检测单元以及主控模块，当采集到电芯电量以及回路电流时，输出电流检测信号；当采集到电芯电压时，输出电压检测信号；当检测到电芯温度时，输出温度检测信号。

通过采用上述技术方案，当电流检测单元采集到电芯电量以及回路电流时，采集控制单元输出电流检测信号；当电压检测单元采集到电芯电压时，输出电压检测信号；当温度检测单元检测到电芯温度时，输出温度检测信号，实现对电芯充放电过程电流、电压、温度情况的检测，方便对电芯的充放电过程进行控制。

本发明进一步设置为：所述电流检测单元包括检测开关端子以及与检测开关端子的输出端相耦接的保护电路，所述检测开关端子的输入端分别与主控模块相耦接；所述保护电路的一端经一电阻与采集控制单元相耦接；所述检测开关端子的一端与温度检测单元的输出端相耦接。

通过采用上述技术方案，当电芯充放电的电流等于标准值时，检测开关端子导通，且采集控制单元输出第一电流检测信号；当电芯充放电的电流大于标准值时，检测开关端子导通，且采集控制单元输出第二电流检测信号；当电芯充放电的电流小于标准值时检测开关端子不导通，随后采集控制单元输出第三电流检测信号，从而实现对电芯充放电电流的检测。

本发明进一步设置为：所述电压检测单元包括多个与电芯耦接的检测端子，所述另一端与采集控制单元相耦接。

通过采用上述技术方案，多个检测端子分别对不同电芯进行检测，从而提高检测精度；当检测端子检测到电芯电压小于等于标准值时，采集控制单元输出第一电压检测信号；当检测端子检测到电芯电压大于标准值时，采集控制单元输出第二电压检测信号，实现对电芯充放电过程的电压检测。

本发明进一步设置为：所述温度检测单元包括与采集控制单元相耦接的温度检测探头。

通过采用上述技术方案，当温度检测探头检测到电芯温度小于等于标准值时，采集控制单元输出第一温度检测信号；当温度检测探头检测到电芯温度大于标准值时，采集控制单元输出第二温度检测信号，实现对电芯充放电过程中温度的检测。

本发明进一步设置为：所述主控模块包括：

主控管理单元，耦接于采集控制单元，用于接收电流检测信号、电压检测信号以及温度检测信号，当所述主控管理单元接收到电流检测信号、电压检测信号以及温度检测信号时，输出第一充放电控制信号和第二充放电控制信号；

驱动单元，耦接于主控管理单元，用于接收第一充放电控制信号和第二充放电控制信号；当接收到第一充放电控制信号时，输出第一驱动信号；当接收到第二充放电控制信号时，输出第二驱动信号；

控制单元，包括多组耦接于驱动单元的开关管，用于接收第一驱动信号和第二驱动信号；当接收到第一驱动信号时，开关管开闭使电芯充放电；当接收到第二驱动信号时，开关管开闭使电芯充电。

通过采用上述技术方案，当主控管理单元接收到第二电流检测信号或第二电压检测信号或第二温度检测信号时，输出第一充放电控制信号和第二充放电控制信号，随后驱动单元输出第一驱动信号和第二驱动信号，使控制单元的部分开关管开闭，从而减少电芯的充放电量，从而避免因过电造成的损坏，延长了电芯的使用寿命。

本发明进一步设置为：所述主控管理单元的一个与电流检测单元相耦接的输出端与电流检测单元的一个输入端之间设有动作电路，所述动作电路包括相耦接基极与主控管理单元相耦接的第一动作三极管以及基极与第一动作三极管的集电极相耦接的第二动作三极管，所述第二动作三极管的集电极与检测开关端子的一个输入端相耦接，第一动作三极管的集电极与第二动作三极管连接点处与外部电源相耦接，且第二动作三极管的发射极与外部电源相耦接，第一动作三极管的发射极以及第二动作三极管的集电极均耦接有指示灯。

通过采用上述技术方案，当外部电源正常供电时且主控管理单元导通时，第一动作三极管导通，第一动作三极管的发射极输出高电平，同时电流检测单元导通时，第二动作三极管的集电极输出高电平，从而使指示灯发光，从而能够使工作人员直观了解到主控管理单元以及电流检测单元是否正常工作。

本发明进一步设置为：所述控制单元包括：

主回路控制单元，包括若干组第一MOS管，所述第一MOS管的源极相互耦接，且同一组第一MOS管的漏极均与驱动单元的同一输出端相耦接；当接收到第一驱动信号时，第一MOS管开闭使电芯充放电；

并充控制单元，包括多个漏极与电压检测单元的检测端子相耦接的第二MOS管，第二MOS管与检测端子一一对应，且第二MOS管的栅极与驱动单元的一个输出端相耦接；当接收到第二驱动信号时，第二MOS管开闭使电芯充电。

通过采用上述技术方案，当主回路控制单元接收到第一驱动信号时，部分第一MOS管关闭，使与该第一MOS管相耦接的电芯不导通而停止充放电；当并充控制单元接收到第二驱动信号时，第二MOS管不导通，使与该第二MOS管相耦接的电芯停止充电，避免电芯受到损坏，延长电芯使用寿命。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1.通过设置采集模块、主控模块和通讯模块，能够实现对电芯充放电过程的智能化管理，延长电池的使用寿命；

2.通过设置动作电路，能够对采集模块和驱动单元的连接状态进行检测，保证检测正常进行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中采集模块的电路示意图。

图3是本发明中主控管理单元的电路示意图。

图4是本发明中动作电路的电路示意图。

图5是本发明中驱动单元的电路示意图。

图6是本发明中主回路控制单元的电路示意图。

图7是本发明中并充控制单元的电路示意图。

图8是本发明中通讯模块的电路示意图。

图9是本发明中供电模块的电路示意图。

图中，1、采集模块；11、电流检测单元；12、电压检测单元；13、温度检测单元；14、采集控制单元；2、主控模块；21、主控管理单元；211、动作电路；22、驱动单元；23、控制单元；231、主回路控制单元；232、并充控制单元；3、通讯模块；4、供电模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，为本发明公开的一种多串电池保护系统，包括：

采集模块1，用于采集电芯电压、电芯充放电过程中的充放电电流以及电芯充放电过程中的电芯温度，当检测电芯电压时，输出电压检测信号；当检测到充放电电流时输出电流检测信号；当检测到电芯温度时，输出温度检测信号；

主控模块2，耦接于采集模块1，用于接收电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号；当接收到电压检测信号、电流检测信号或温度检测信号时，主控模块2进行数据处理和SOC估算，并输出第一控制信号和第二控制信号以改变电芯充放电状态；

通讯模块3，包括型号为BQ78350DBTR-R1的通信芯片U3（参照图8），通信芯片U3分别与主控模块2与外部充放电装置，用于识别管理充放电次数；当与外部充放电装置耦接而导通时，对充放电次数进行储存。

供电模块4，包括型号为ME6203A50PG的稳压芯片U5和ME6210A33PG的稳压芯片U6（参照图9），稳压芯片U5和稳压芯片U6分别耦接于采集模块1、主控模块2以及通讯模块3，用于向采集模块1、主控模块2以及通讯模块3提供稳定电压，保证采集模块1、主控模块2以及通讯模块3正常工作。

采集模块1对电芯充放电过程中的电流、电压以及温度情况进行采集，随后通过主控模块2对电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号进行分析和估算，并根据分析结果输出控制信号以实现对电芯充放电过程的控制，从而避免电芯因过压过流或温度过高造成的寿命缩短，延长了电池的使用寿命，并通过通讯模块3对充放电次数进行存储记录，方便使用人员及时更换电池。

参照图2，采集模块1包括采集控制单元14以及分别与采集控制单元14相耦接的电流检测单元11、电压检测单元12和温度检测单元13，电流检测单元11用于检测电芯充放电过程中的电流，电压检测单元12用于检测电芯充放电过程中的电压，温度检测单元13用于检测电芯充放电过程中的温度；其中，采集控制单元14设置为型号为BQ7693000BTR的控制芯片，且采集控制单元14的CHG管脚和DHG管脚与主控模块2相耦接。

参照图2，电压检测单元12包括多个与电芯耦接的检测端子B-~B6，检测端子B-~B6分别与采集控制单元14的管脚VC0~VC10相耦接，且B-~B6与采集控制单元14之间均耦接有保护电阻R6~R12；当检测端子检测到电芯电压小于等于标准值时，采集控制单元14输出第一电压检测信号；当检测端子检测到电芯电压大于标准值时，采集控制单元14输出第二电压检测信号，实现对电芯充放电过程的电压检测。

参照图2，电流检测单元11包括第一检测开关端子、第二检测开关端子以及与检测开关端子的输出端相耦接的保护电路，第一检测开关端子和第二检测开关端子均设置为型号为DFN5*6的MOS管，两个检测开关端子的栅极相互耦接且耦接点与主控模块2的一个输出端相耦接，两个检测开关端子的源极相耦接且耦接点与保护电路的一个输入端相耦接，两个检测开关端子的源极的耦接点还经一单极二极管与两个检测开关端子的栅极耦接点相耦接；两个检测开关端子的漏极相耦接，且第一检测开关端子的漏极与外部输入端相耦接，第二检测开关端子的漏极与主控模块2的一个输出端相耦接；保护电路包括两条支路，两支路之间耦接并联有电阻RES1和RES2以及电容C6，两支电路上分别串联有电阻R3和R4，电阻R3和R4经电容C6并联，且电阻R3和R4与电容C6的耦接点处分别耦接有电容C4和C7，电容C4和C7的另一端接地；其中一条支路的输入端与两个检测开关端子的栅极相耦接，且输出端与采集控制电路的SRN管脚相耦接；另一条支路的输入端与温度检测单元的输出端相耦接，该支路的输出端与采集控制电路的SRP管脚相耦接。

当电芯充放电的电流等于标准值时，两个检测开关端子导通，且采集控制单元14的输出第一电流检测信号；当电芯充放电的电流大于标准值时，两个检测开关端子导通，且采集控制单元14输出第二电流检测信号；当电芯充放电的电流小于标准值时两个检测开关端子不导通，随后采集控制单元14输出第三电流检测信号，从而实现对电芯充放电电流的检测。

参照图2，温度检测单元13包括与采集控制单元14的管脚TS1相耦接的温度检测探头NTC2，温度检测探头的另一端与管脚VC5X相耦接；管脚TS1经一二极管D3与主控模块2相耦接，二极管的两端分别并联有电阻R39和电容C21，电容C21与电阻39串联，且电容C21与电阻39的耦接点与一电阻R38的一端并联，二极管D3和电容C21的耦接点与电阻R38的另一端相耦接。

当温度检测探头NTC2检测到电芯温度小于等于标准值时，采集控制单元14输出第一温度检测信号；当温度检测探头NTC2检测到温度大于标准值时，采集控制单元14输出第二温度检测信号，实现对电芯充放电过程中温度的检测。

参照图1、图3以及图5，主控模块2包括与采集控制单元14相耦接的主控管理单元21、与主控管理单元21相耦接的驱动单元22、与驱动单元22相耦接的控制单元23，当主控管理单元21接收到第二电流检测信号或第二电压检测信号或第二温度检测信号时，输出第一充放电控制信号和第二充放电控制信号，随后驱动单元22输出第一驱动信号和第二驱动信号，使控制单元23对电芯的充放电进行控制，从而减少电芯的充放电量，避免因电芯损坏；其中，主控管理单元21设置为型号为STM32F030-20P的控制芯片，驱动单元22设置为型号为BQ76200的驱动芯片，驱动单元22的管脚PCHG经一MOS管Q18的源极与控制电路23相耦接。

参照图4，主控管理单元21的管脚CON1经一动作电路211与电流检测单元11中两个检测开关端子的源极和栅极相耦接，动作电路211包括基极与主控管理单元21的CON1管脚相耦接的NPN型的第一动作三极管Q5以及基极与第一动作三极管Q5的集电极相耦接的PNP型的第二动作三极管Q14，第二动作三极管Q14的集电极与两个检测开关端子的源极和栅极相耦接相耦接，第一动作三极管Q5的集电极与第二动作三极管Q14连接点处与外部电源相耦接，且第二动作三极管Q14的发射极与外部电源相耦接，第一动作三极管Q5的发射极以及第二动作三极管Q14的集电极均耦接有指示灯。

当外部电源正常供电且主控管理单元21导通时，第一动作三极管Q5导通，第一动作三极管的Q5发射极输出高电平，同时电流检测单元11导通时，第二动作三极管Q14的集电极输出高电平，从而使指示灯发光，从而能够使工作人员直观了解到主控管理单元21以及电流检测单元11是否正常工作。

参照图1、图6及图7，控制电路23包括：

主回路控制单元231，包括若干组第一MOS管Q1~Q4，第一MOS管Q1~Q4的源极相互耦接，且第一MOS管Q1~Q2均与驱动单元22的E_DSG管脚相耦接，第一MOS管Q3~Q4均与驱动单元22的E_CHG管脚相耦接，当接收到第一驱动信号时，第一MOS管Q1~Q4开闭使电芯充放电；

并充控制单元232，包括多个漏极与电压检测单元12的检测端子相耦接的第二MOS管Q6、Q9、Q11、Q13，第二MOS管Q6、Q9、Q11、Q13与检测端子一一对应，且第二MOS管的栅极与驱动单元22的PCHG管脚相耦接；当接收到第二驱动信号时，第二MOS管开闭使电芯充电。

当主回路控制单元231接收到第一驱动信号时，第一MOS管Q1~Q2关闭，使与第一MOS管Q1~Q2相耦接的电芯不导通而停止充放电；当并充控制单元232接收到第二驱动信号时，第二MOS管Q6、Q9、Q11、Q13均不导通，使与第二MOS管Q6、Q9、Q11、Q13相耦接的电芯停止充电，避免电芯受到损坏，延长电芯使用寿命。

本实施例的实施原理为：当检测端子检测到电芯电压小于等于标准值时，采集控制单元14输出第一电压检测信号；当检测端子检测到电芯电压大于标准值时，采集控制单元14输出第二电压检测信号；当电芯充放电的电流大于标准值时，两个检测开关端子导通，且采集控制单元14输出第二电流检测信号；当电芯充放电的电流小于标准值时两个检测开关端子不导通，随后采集控制单元14输出第三电流检测信号；当温度检测探头NTC2检测到电芯温度小于等于标准值时，采集控制单元14输出第一温度检测信号；当温度检测探头NTC2检测到温度大于标准值时，采集控制单元14输出第二温度检测信号；

当主控管理单元21接收到第二电流检测信号或第二电压检测信号或第二温度检测信号时，输出第一充放电控制信号和第二充放电控制信号，随后驱动单元22输出第一驱动信号和第二驱动信号；当主回路控制单元231接收到第一驱动信号时，第一MOS管Q1~Q2关闭，使与第一MOS管Q1~Q2相耦接的电芯不导通而停止充放电；当并充控制单元232接收到第二驱动信号时，第二MOS管Q6、Q9、Q11、Q13均不导通，使与第二MOS管Q6、Q9、Q11、Q13相耦接的电芯停止充电。

本发明通过设置采集模块1、主控模块2和通讯模块3，能够实现对电芯充放电过程的智能化管理，延长电池的使用寿命。通过设置动作电路211，能够对采集模块1和驱动单元22的连接状态进行检测，保证检测正常进行。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多串电池保护系统，其特征在于，包括：

采集模块(1)，用于采集电芯电压、电芯充放电过程中的充放电电流以及电芯充放电过程中的电芯温度，当检测电芯电压时，输出电压检测信号；当检测到充放电电流时输出电流检测信号；当检测到电芯温度时，输出温度检测信号；

主控模块(2)，耦接于采集模块(1)，用于接收电压检测信号、电流检测信号和温度检测信号；

通讯模块(3)，耦接于主控模块(2)与外部充放电装置，用于识别管理充放电次数；当与外部充放电装置耦接而导通时，对充放电次数进行储存；

所述采集模块(1)包括电流检测单元(11)、电压检测单元(12)、温度检测单元(13)以及采集控制单元(14)；所述电流检测单元(11)耦接于电芯和采集控制单元(14)，用于采集电芯电量与回路电流；所述电压检测单元(12)耦接于电芯和采集控制单元(14)，用于采集电芯电压；所述温度检测单元(13)与电芯和采集控制单元(14)相连接，用于采集电芯温度；所述采集控制单元(14)耦接于电流检测单元(11)、电压检测单元(12)以及温度检测单元(13)以及主控模块(2)，当采集到电芯电量以及回路电流时，输出电流检测信号；当采集到电芯电压时，输出电压检测信号；当检测到电芯温度时，输出温度检测信号；

所述电流检测单元(11)包括检测开关端子以及与所述检测开关端子的输出端相耦接的保护电路，所述检测开关端子配置为MOS管，其栅极相互耦接且耦接点与主控模块(2)的一个输出端相耦接，源极相耦接且耦接点与所述保护电路的一个输入端相耦接，漏极相耦接且第一检测开关端子的漏极与外部输入端相耦接，第二检测开关端子的漏极与主控模块(2)的一个输出端相耦接；所述保护电路的一端经一电阻与采集控制单元(14)相耦接；所述检测开关端子的一端与温度检测单元(13)的输出端相耦接；当电芯充放电的电流等于标准值时，所述检测开关端子导通，且所述采集控制单元(14)输出第一电流检测信号；当电芯充放电的电流大于标准值时，所述检测开关端子导通，且所述采集控制单元(14)输出第二电流检测信号；当电芯充放电的电流小于标准值时所述检测开关端子不导通，随后所述采集控制单元(14)输出第三电流检测信号，从而实现对电芯充放电电流的检测；

所述电压检测单元(12)包括多个与电芯耦接的检测端子，所述检测端子的另一端与采集控制单元(14)相耦接；

所述主控模块(2)包括：

主控管理单元(21)，耦接于采集控制单元(14)，用于接收电流检测信号、电压检测信号以及温度检测信号，当所述主控管理单元(21)接收到所述电流检测信号、所述温度检测信号以及所述电压检测信号时，输出第一充放电控制信号和第二充放电控制信号；

驱动单元(22)，耦接于主控管理单元(21)，用于接收所述第一充放电控制信号和所述第二充放电控制信号；当接收到所述第一充放电控制信号时，输出第一驱动信号；当接收到所述第二充放电控制信号时，输出第二驱动信号；

控制单元(23)，包括多组耦接于驱动单元(22)的开关管，用于接收所述第一驱动信号和所述第二驱动信号；

所述控制单元(23)包括：

主回路控制单元(231)，包括若干组第一MOS管，所述第一MOS管的源极相互耦接，且同一组第一MOS管的漏极均与驱动单元(22)的同一输出端相耦接；当主回路控制单元(231)接收到所述第一驱动信号时，部分所述第一MOS管开闭，使与该第一MOS管相耦接的电芯不导通而停止充放电；

并充控制单元(232)，包括多个漏极与电压检测单元(12)的检测端子相耦接的第二MOS管，所述第二MOS管与所述检测端子一一对应，且所述第二MOS管的栅极与驱动单元(22)的一个输出端相耦接；当并充控制单元(232)接收到所述第二驱动信号时，所述第二MOS管不导通，使与该第二MOS管相耦接的电芯停止充电；

主控管理单元(21)的管脚经动作电路(211)与电流检测单元(11)中两个检测开关端子的源极和栅极相耦接；通过动作电路(211)的设置，能够对采集模块(1)和驱动单元(22)的连接状态进行检测。

2.根据权利要求1所述的多串电池保护系统，其特征在于，所述温度检测单元(13)包括与采集控制单元(14)相耦接的温度检测探头。

3.根据权利要求1所述的多串电池保护系统，其特征在于，所述主控管理单元(21)的一个与电流检测单元(11)相耦接的输出端与电流检测单元(11)的一个输入端之间设有动作电路(211)，所述动作电路(211)包括相耦接基极与主控管理单元(21)相耦接的第一动作三极管以及基极与第一动作三极管的集电极相耦接的第二动作三极管，所述第二动作三极管的集电极与所述检测开关端子的一个输入端相耦接，所述第一动作三极管的集电极与所述第二动作三极管连接点处与外部电源相耦接，且所述第二动作三极管的发射极与外部电源相耦接，所述第一动作三极管的发射极以及所述第二动作三极管的集电极均耦接有指示灯；当外部电源正常供电时且主控管理单元(21)导通时，所述第一动作三极管导通，所述第一动作三极管的发射极输出高电平，同时电流检测单元(11)导通时，所述第二动作三极管的集电极输出高电平，从而使所述指示灯发光，以确认主控管理单元(21)以及电流检测单元(11)是否正常工作。

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