CN111030234B - 一种新型的硬件电池冗余保护装置及其工作方法 - Google Patents

一种新型的硬件电池冗余保护装置及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的硬件电池冗余保护装置，保护装置与电池连接，保护装置上设有充放电接口，所述保护装置是由空气开关、BMS系统组成，所述BMS系统是由CPU控制模块、电源控制模块、通信模块、电压采集模块、温度采样模块、功能保护模块、电流采样模块组成，其特征在于：所述BMS系统中还设有故障处理模块，所述空气开关为带有分励器空气开关，带有分励器空气开关中设有分励式驱动模块，所述电压采集模块中设有电压保护IC模块,所述温度采样模块中设有温度比较模块。本发明揭示了一种新型的硬件电池冗余保护装置，实现电池的冗余保护，提高保护装置的安全性、可靠性，提高保护装置的快速响应，保护负载。

Description

一种新型的硬件电池冗余保护装置及其工作方法
技术领域
本发明属于及电池利用技术领域，具体涉及一种新型的硬件电池冗余保护装置及其工作方法。
背景技术
直流断路器是直流电力系统中的一种重要的电器开关。当回路出现过流、短路等故障时，它能自动断开回路，对回路及设备起到保护作用。通常直流电力系统中控制断路器用保护装置主要是单CPU为核心的方案。
现有技术中保护装置由电压采集模块（MAX14921ECS）、温度采样模块(CD74HC4067M)和电流采样模块采集电池数据传输给CPU，CPU收集采集到的数据进行处理并与程序内部写入的数据做对比，数据正常则继续运行，数据异常则发出控制信号给功能保护模块，由功能保护模块控制充放电回路的开关断开，达到保护系统的功能，在这种冗余保护装置中系统运行过程中出现故障时，无法切断切断电池与负载的连接，而且这种处理方式响应慢，常规电池冗余保护装置已无法满足需要。
实用新型内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，在原有电池冗余保护装置中BMS系统和空气开关的基础上增加故障处理装置，当BMS系统故障时，由故障处理装置断开功能保护模块中的开关和空气开关，确保在CPU处理或者程序出现Bug时，电池正常关断与电源/负载的联系，实现电池的冗余保护。
技术方案：本发明所述的一种新型的硬件电池冗余保护装置，一种新型的硬件电池冗余保护装置，保护装置与电池连接，保护装置上设有充放电接口，所述保护装置是由空气开关、BMS系统组成，所述BMS系统是由CPU控制模块、电源控制模块、通信模块、电压采集模块、温度采样模块、功能保护模块、电流采样模块组成，所述BMS系统中还设有故障处理模块，所述空气开关为带有分励器空气开关，带有分励器空气开关中设有分励式驱动模块，所述电压采集模块中设有电压保护IC模块,所述温度采样模块中设有温度比较模块；所述带有分励器空气开关中的驱动模块与故障处理模块输出端口连接，故障处理模块输出端口还与功能保护模块连接，所述电压采集模块对电池的电压进行采集保护，电压保护IC模块输出端口与故障处理模块的输入端口连接，所述温度采样模块对电池的温度进行采集比较，温度比较模块的输出端与故障处理模块的输入端连接。
优选的，所述空气开关的输入端与电池的正负极串联，空气开关输出端与充放电接口通过连接线连接，所述空气开关输出端与充放电接口之间其中一条连接线上串联功能保护模块和电流采样模块。
优选的，所述CPU控制模块通过空气开关检测电路与空气开关输出端口线连接。
优选的，所述CPU控制模块的输出端分别与功能保护模块、通信模块、电源控制模块连接，所述CPU控制模块的输入端分别与电压采集模块、电流采样模块、温度采样模块连接。
优选的，所述功能保护装置中自带电源。
优选的，所述电源控制模块中设有按钮。
一种新型的硬件电池冗余保护装置工作方法，所述方法具体如下：
电压采集模块、温度采样模块和电流采样模块采集电池数据传输给CPU控制模块，CPU控制模块收集采集到的数据进行处理并与程序内部写入的数据做对比，数据正常则继续运行，数据异常则发出控制信号给功能保护模块，由功能保护模块控制充放电回路的开关断开，达到保护的功能，电压采集模块中的电压保护IC模块，采集处理电压数据，传输信号给故障判断模块，温度采样模块中的温度比较模块，采集处理温度数据，传输信号给故障判断模块，故障判断模块处理收集的信号，判断有无异常情况，传输结果给分励驱动模块和功能保护模块，有异常的情况下，直接控制分励驱动模块驱动空气开关断开和功能保护模块驱动电子开关断开。
有益效果：本发明揭示了一种新型的硬件电池冗余保护装置，通过在BMU系统中增加故障处理模块、空气开关选用分励式空气开关、电压采集模块中带有电压保护IC模块、所述温度采样模块中带有温度比较模块、以及功能保护模块之间的配合，实现了冗余保护，在BMU系统运行过程中CPU控制模块出现故障时，可以通过故障处理模块的切断电池与负载的连接，实现电池的冗余保护，提高保护装置的安全性、可靠性，提高保护装置的快速响应，保护负载。
附图说明
图1为发明的结构图；
图2为发明的保护装置原理图；
图3为发明的保护装置工作系统图；
图4为发明的工作原理图；
图5为发明的电压采集模块电路图；
图6为发明的温度采样模块电路图；
图7为发明的电流采样模块电路图；
图8为发明的电压采集模块系统图；
图9为发明的工作温度比较模块电路图；
图10为发明的故障处理模块电路图；
图11为发明的分励驱动模块电路图；
1、空气开关11、分励式驱动模块2、BMS系统21、CPU控制模块22、电源控制模块23、通信模块24、电压采集模块25、温度采样模块26、功能保护模块27、电流采样模块28、故障处理模块29、充放电接口3、电池4、空气开关检测电路。
具体实施方式
如图1到图11所示，一种新型的硬件电池3冗余保护装置，保护装置与电池3连接，保护装置上设有充放电接口29，所述保护装置是由空气开关1、BMS系统2组成，所述BMS系统2是由CPU控制模块21、电源控制模块22、通信模块23、电压采集模块24、温度采样模块25、功能保护模块26、电流采样模块27组成，所述BMS系统2中还设有故障处理模块28，所述空气开关1为带有分励器空气开关1，带有分励器空气开关1中设有分励式驱动模块11，所述电压采集模块24中设有电压保护IC模块,所述温度采样模块25中设有温度比较模块；所述带有分励器空气开关中的驱动模块与故障处理模块28输出端口连接，故障处理模块28输出端口还与功能保护模块26连接，所述电压采集模块24对电池3的电压进行采集保护，电压保护IC模块输出端口与故障处理模块28的输入端口连接，所述温度采样模块25对电池3的温度进行采集比较，温度比较模块的输出端与故障处理模块28的输入端连接。
本实例中，所述空气开关1的输入端与电池3的正负极串联，空气开关1输出端与充放电接口29通过连接线连接，所述空气开关1输出端与充放电接口29之间其中一条连接线上串联功能保护模块26和电流采样模块27。
本实例中，所述CPU控制模块21通过空气开关检测电路4与空气开关1输出端口线连接。
本实例中，所述CPU控制模块21的输出端分别与功能保护模块26、通信模块23、电源控制模块22连接，所述CPU控制模块21的输入端分别与电压采集模块、电流采样模块27、温度采样模块25连接。
本实例中，所述功能保护装置中自带电源。
本实例中，所述电源控制模块22中设有按钮。
如图5所述电压采集模块24，电压采集模块主要由MAX14921ECS芯片构成，可采集4-16节电芯电压，单体电压不得超过5V。
如图6所述，温度采样模块25：TMP01引脚、TMP02引脚、TMP03引脚、TMP04引脚、TMP05引脚和TMP06引脚分别连接外置NCT与电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6分压，U16（CD74HC4067M）采集每路上的电压值处理传输给MCU。
如图7所示，电流采样模块27，在充放电总线上串联一个高精度低阻值的电阻R1，设置U7(运算放大器)放大比例输出结果给MCU，由MCU处理计算出实际电流值。
如图8所示，电压采集模块24：电压采集由四个电池3保护IC(S-8204B)级联组成（可用1-4个芯片，采集3-16节电芯电压），芯片采集电压值，与内部设定值比较，采样电压值大于设定禁止充电电压值，芯片充电信号管脚输出低电平给故障处理模块28，采样电压值小于设定禁止放电电压值，芯片充电信号管脚输出低电平给故障处理模块28。
如图9所示，温度比较模块：温度比较模块由三个双通道比较器LMV393构成，芯片管脚2和管脚6输入基值电压，芯片管脚3和管脚5输入采样温度电压值，通过芯片处理，管脚1和管脚7输出结果，当温度存在异常时输出低电平，温度正常时输出高电平，由故障处理模块28处理。
如图10所示，故障处理模块28：其中C-MOS为充电驱动的信号，D-MOS为放电驱动的信号，C为温度传输的信号，故障处理模块28由或门和电子开关组成，当出现故障时与门U33的输入存在低电平，输出也为低电平，U33输出的低电平驱动开关Q89、开关Q88、开关Q90闭合，开关Q89驱动放电电子开关断开，开关Q88驱动充电电子开关断开，开关Q90驱动分励开关信号，以此分励开关驱动空气开关1断开，以此断开电池3和电源/负载的联系。
如图11所示，分励驱动模块，SHT为驱动信号，+24V为驱动借口，当达到保护条件时，SHT变为低电平，光耦隔离芯片的受光器导通，Q76的G管脚变为低电平Q76为PMOS，则Q76导通驱动电路导通。
一种新型的硬件电池冗余保护装置工作方法，所述方法具体如下：
电压采集模块、温度采样模块25和电流采样模块27采集电池3数据传输给CPU控制模块21，CPU控制模块21收集采集到的数据进行处理并与程序内部写入的数据做对比，数据正常则继续运行，数据异常则发出控制信号给功能保护模块26，由功能保护模块26控制充放电回路的开关断开，达到保护的功能，电压采集模块中的电压保护IC模块，采集处理电压数据，传输信号给故障判断模块，温度采样模块中的温度比较模块，采集处理温度数据，传输信号给故障判断模块，故障判断模块处理收集的信号，判断有无异常情况，传输结果给分励驱动模块和功能保护模块26，有异常的情况下，直接控制分励驱动模块驱动空气开关1断开和功能保护模块26驱动电子开关断开，以此达到保护系统的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种新型的硬件电池冗余保护装置，保护装置与电池连接，保护装置上设有充放电接口，所述保护装置是由空气开关、BMS系统组成，所述BMS系统是由CPU控制模块、电源控制模块、通信模块、电压采集模块、温度采样模块、功能保护模块、电流采样模块组成，其特征在于：所述BMS系统中还设有故障处理模块，所述空气开关为带有分励器空气开关，带有分励器空气开关中设有分励式驱动模块，所述电压采集模块中设有电压保护IC模块,所述温度采样模块中设有温度比较模块；所述带有分励器空气开关中的驱动模块与故障处理模块输出端口连接，故障处理模块输出端口还与功能保护模块连接，所述电压采集模块对电池的电压进行采集保护，电压保护IC模块输出端口与故障处理模块的输入端口连接，所述温度采样模块对电池的温度进行采集比较，温度比较模块的输出端与故障处理模块的输入端连接；
所述电流采样模块，在充放电总线上串联一个高精度低阻值的电阻R1，设置运算放大器U7放大比例输出结果给MCU，由MCU处理计算出实际电流值；
所述电压采集模块由MAX14921ECS芯片构成；
所述温度采样模块由CD74HC4067M芯片构成，所述CD74HC4067M芯片的TMP01引脚、TMP02引脚、TMP03引脚、TMP04引脚、TMP05引脚和TMP06引脚分别连接外置NCT且分别与电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6分压，所述CD74HC4067M芯片采集每路上的电压值处理传输给MCU；
在所述电压采集模块中，电压采集由四个电池保护芯片S-8204B级联组成，芯片采集电压值，与内部设定值比较，采样电压值大于设定禁止充电电压值，芯片充电信号管脚输出低电平给故障处理模块，采样电压值小于设定禁止放电电压值，芯片充电信号管脚输出低电平给故障处理模块；
所述温度比较模块由三个双通道比较器LMV393构成，LMV393芯片的管脚2和管脚6输入基值电压，LMV393芯片的管脚3和管脚5输入采样温度电压值，通过芯片处理，管脚1和管脚7输出结果，当温度存在异常时输出低电平，温度正常时输出高电平，由故障处理模块处理；
在故障处理模块中，C-MOS为充电驱动的信号，D-MOS为放电驱动的信号，C为温度传输的信号，故障处理模块由或门和电子开关组成，当出现故障时与门U33的输入存在低电平，输出也为低电平，U33输出的低电平驱动开关Q89、开关Q88、开关Q90闭合，开关Q89驱动放电电子开关断开，开关Q88驱动充电电子开关断开，开关Q90驱动分励开关信号，以此分励开关驱动空气开关断开，以此断开电池和电源/负载的联系。
2.根据权利要求1所述的一种新型的硬件电池冗余保护装置，其特征在于：所述空气开关的输入端与电池的正负极串联，空气开关输出端与充放电接口通过连接线连接，所述空气开关输出端与充放电接口之间其中一条连接线上串联功能保护模块和电流采样模块。
3.根据权利要求1所述的一种新型的硬件电池冗余保护装置，其特征在于：所述CPU控制模块通过空气开关检测电路与空气开关输出端口线连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型的硬件电池冗余保护装置，其特征在于：所述CPU控制模块的输出端分别与功能保护模块、通信模块、电源控制模块连接，所述CPU控制模块的输入端分别与电压采集模块、电流采样模块、温度采样模块连接。
5.根据权利要求1所述的一种新型的硬件电池冗余保护装置，其特征在于：所述功能保护装置中自带电源。
6.根据权利要求1所述的一种新型的硬件电池冗余保护装置，其特征在于：所述电源控制模块中设有按钮。
7.一种根据权利要求1所述的新型的硬件电池冗余保护装置的工作方法，其特征在于：
所述方法具体如下：
电压采集模块、温度采样模块和电流采样模块采集电池数据传输给CPU控制模块，CPU控制模块收集采集到的数据进行处理并与程序内部写入的数据做对比，数据正常则继续运行，数据异常则发出控制信号给功能保护模块，由功能保护模块控制充放电回路的开关断开，达到保护的功能，电压采集模块中的电压保护IC模块，采集处理电压数据，传输信号给故障判断模块，温度采样模块中的温度比较模块，采集处理温度数据，传输信号给故障判断模块，故障判断模块处理收集的信号，判断有无异常情况，传输结果给分励驱动模块和功能保护模块，有异常的情况下，直接控制分励驱动模块驱动空气开关断开和功能保护模块驱动电子开关断开。
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