CN111190118B - 电池管理系统及其开关模块栅极驱动电压的故障检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电池管理系统及其开关模块栅极驱动电压的故障检测电路。所述故障检测电路包括：分压模块，其输入端用以连接所述电池管理系统的开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压过压或欠压时对其进行分压；比较模块，其输入端连接所述分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将分压后的开关模块栅极驱动电压与预设电压值加以比对，并根据比对结果向所述逻辑电路发送检测信号。本发明解决了现有电池管理系统无法检测栅源电压出现异常的问题，从而为电池提供了更加完善的保护措施。

Description

电池管理系统及其开关模块栅极驱动电压的故障检测电路
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，特别是涉及电池管理系统及其开关模块栅极驱动电压的故障检测电路。
背景技术
锂电池作为新型的储能设备，凭借其优良的充放电性能、高性价比、无污染等诸多优点正逐步取代铅锡电池，在电动汽车、电动工具、电脑、备用电源等领域的应用越来越广泛。
人们在不断完善电池自身性能的同时，也在对电池的管理技术及使用方式进行不断的研究，以增加电池使用的安全性，提高电池的效率及寿命，从而最大限度地发挥电池性能。
通常在锂电保护系统中串联有充电控制MOSFET、放电控制MOSFET，由逻辑控制器控制充电MOSFET及放电MOSFET的开与关，从而实现电池与充电器及用电设备的通断。
在BMS系统(Battery Management System，电池管理系统)应用中，某些突发异常会导致栅极驱动电压出现过高或者过低的现象。栅源电压过高，则会造成栅源击穿使MOSFET失效；而栅源电压过低，则会造成MOSFET导通不完全、漏源电阻增加，从而造成能源浪费、电路过热失效，甚至引发火灾。
然而，现有锂电保护系统缺少栅源电压检测功能，当栅源电压发生异常时不能及时检出，更无法及时提供保护措施。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供电池管理系统及其开关模块栅极驱动电压的故障检测电路，用于解决现有技术中的以上问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电池管理系统的开关模块栅极驱动电压的故障检测电路，包括：分压模块，其输入端用以连接所述电池管理系统的开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压过压或欠压时对其进行分压；比较模块，其输入端连接所述分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将分压后的开关模块栅极驱动电压与预设电压值加以比对，并根据比对结果向所述逻辑电路发送检测信号。
于本发明一实施例中，所述分压模块包括：第一分压模块；所述比较模块包括：过压比较模块；其中，所述第一分压模块，其输入端用以连接所述开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压过压时对其进行分压；所述过压比较模块，其输入端连接所述第一分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将经所述第一分压模块分压后的开关模块栅极驱动电压与第一预设电压值加以比对，并在超过所述第一预设电压值时向所述逻辑电路发送检测信号。
于本发明一实施例中，所述第一分压模块包括多个阻值相同的电阻。
于本发明一实施例中，所述过压比较模块采用分流式电压基准或比较器；所述分流式电压基准或所述比较器在输入端电压高于所述第一预设电压值时输出低电平，以作为所述检测信号。
于本发明一实施例中，所述分压模块包括：第二分压模块；所述比较模块包括：欠压比较模块；其中，所述第二分压模块，其输入端用以连接所述开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压欠压时对其进行分压；所述欠压比较模块，其输入端连接所述第二分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将经所述第二分压模块分压后的开关模块栅极驱动电压与第二预设电压值加以比对，并在低于所述第二预设电压值时向所述逻辑电路发送检测信号。
于本发明一实施例中，所述第二分压模块包括多个阻值相同的电阻。
于本发明一实施例中，所述欠压比较模块采用分流式电压基准或比较器；所述分流式电压基准或所述比较器在输入端电压低于所述第二预设电压值时输出低电平，以作为所述检测信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电池管理系统包括：如上所述的开关模块栅极驱动电压的故障检测电路。
于本发明一实施例中，所述故障检测电路包括：所述第一分压模块、所述第二分压模块、所述过压比较模块、及所述欠压比较模块；其中，所述电池管理系统的逻辑电路在检测到所述过压比较模块输出低电平时，判定所述开关模块出现过压故障；所述电池管理系统的逻辑电路在检测到所述欠压比较模块输出高电平且给所述电池管理系统的驱动模块的信号为高电平时，判定所述开关模块出现欠压故障。
于本发明一实施例中，所述逻辑电路在判定所述开关模块出现过压故障或欠压故障时，令所述驱动模块关闭或间歇开启。
于本发明一实施例中，所述开关模块分别包括多个并联支路；各所述并联支路分别包括开关元件及与其串联的电阻。
如上所述，本发明的电池管理系统及其开关模块栅极驱动电压的故障检测电路，包括：分压模块，其输入端用以连接所述电池管理系统的开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压过压或欠压时对其进行分压；比较模块，其输入端连接所述分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将分压后的开关模块栅极驱动电压与预设电压值加以比对，并根据比对结果向所述逻辑电路发送检测信号。本发明解决了现有电池管理系统无法检测栅源电压出现异常的问题，从而为电池提供了更加完善的保护措施。
附图说明
图1显示为现有技术中的电池管理系统的结构示意图。
图2显示为本发明一实施例中的电池管理系统的结构示意图。
图3显示为本发明另一实施例中的电池管理系统的结构示意图。
图4显示为本发明又一实施例中的电池管理系统的结构示意图。
图5显示为本发明再一实施例中的电池管理系统的结构示意图。
图6显示为本发明电池管理系统在各关键点处的波形示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，显示为现有技术中的BMS系统的方框示意图。BMS系统的开关模块分为充电控制模块和放电控制模块。通常，充电控制模块和放电控制模块皆采用了MOSFET器件。在现有技术方案中，当开关模块的栅极驱动电压过压时，依靠限压模块分流限压，达到限制开关模块栅极驱动电压作用；当开关模块的栅极驱动电压欠压时，BMS系统则无法检测出这一情况，也就无法给予相应的保护措施。开关模块栅极驱动电压欠压会造成MOSFET导通不完全、漏源电阻增加等不良后果，从而造成能源浪费、电路过热失效，甚至引发火灾。
如图2所示，本实施例提供一种新型的电池管理系统，例如：单节锂电池保护系统、多阶锂电池保护系统、同口锂电池保护系统、分口锂电池保护系统等，特别的，该电池管理系统具有开关模块栅极驱动电压的故障诊断功能，能够及时检出当栅源电压出现的异常情况，进而及时提供电池保护措施。
所谓的故障诊断功能由新增的开关模块栅极驱动电压的故障检测电路来实现，结构简单、易于实现、稳定可靠，有利于大范围推广使用。以下将以充电控制模块为例，详细阐述本实施例的具体实现方式。放电控制模块的具体实现方式则可参照充电控制模块，于此不再展开介绍。
详细而言，本实施例中的故障检测电路包括与充电控制模块连接的分压模块11及比较模块12。分压模块11的输入端连接充电控制模块的输出端，以在充电控制模块的栅极驱动电压过压或欠压时对其进行分压；比较模块12的输入端连接分压模块11的输出端，而输出端连接电池管理系统的逻辑电路，以将分压后的栅极驱动电压与预设电压值加以比对，并根据比对结果向所述逻辑电路发送检测信号。
参阅图2，在一较佳的实施方式中，分压模块11包括第一分压模块111、第二分压模块112，比较模块12包括过压比较模块121、欠压比较模块122。
第一分压模块111的输入端连接充电控制模块的输出端，以在其栅极驱动电压过压时对其进行分压；第二分压模块112的输入端连接充电控制模块的输出端，以在其栅极驱动电压欠压时对其进行分压。过压比较模块121的输入端连接第一分压模块111的输出端，且输出端连接电池管理系统的逻辑电路，以将经第一分压模块111分压后的栅极驱动电压与第一预设电压值加以比对，并在超过第一预设电压值时向逻辑电路发送检测信号，如输出低电平；欠压比较模块122的输入端连接第二分压模块112的输出端，且输出端连接电池管理系统的逻辑电路，以将经第二分压模块112分压后的栅极驱动电压与第二预设电压值加以比对，并在低于第二预设电压值时向逻辑电路发送检测信号，如输出高电平。所述第一预设电压值及第二预设电压值可以不同也可以相同，例如2.5V。
电池管理系统的逻辑电路在检测到过压比较模块121输出低电平时，判定充电控制模块出现过压故障；电池管理系统的逻辑电路在检测到欠压比较模块122输出高电平且给其驱动模块2的信号为高电平时，判定充电控制模块出现欠压故障。
电池管理系统的逻辑电路在判定充电控制模块出现过压故障或欠压故障时，向驱动模块2发送指令，以令驱动模块2关闭或间歇性开启，从而达到保护充电控制模块的目的。
在一实施例中，第一分压模块111和第二分压模块112分别由多个阻值相同的电阻构成，以对栅极驱动电压做等比例分压。参阅图3，在图3所示的实施例中，第一分压模块111由串联的电阻R3和R4构成，第二分压模块112由串联的电阻R5和R6构成。
在一实施例中，过压比较模块121和欠压比较模块122分别采用分流式电压基准。参阅图3，在图3所示的实施例中，过压比较模块121采用TL431分流式电压基准U1，欠压比较模块122采用TL431分流式电压基准U2。分流式电压基准U1在其输入端电压高于第一预设电压值时输出低电平，作为检测信号发送至逻辑电路；分流式电压基准U2在其输入端电压低于第二预设电压值时输出高电平，作为检测信号发送至逻辑电路。
在一实施例中，过压比较模块121和欠压比较模块122分别采用比较器。参阅图4，在图4所示的实施例中，过压比较模块121采用LM393比较器U3，欠压比较模块122采用LM393比较器U4。比较器U3在其输入端电压高于第一预设电压值时输出低电平，作为检测信号发送至逻辑电路；比较器U4在其输入端电压低于第二预设电压值时输出高电平，作为检测信号发送至逻辑电路。
在图3和图4所示实施例中，充电控制模块包括电阻R11及增强型场效应管Q1。在其他实施例中，如图5所示，充电控制模块采用多管并联的方式，即Q1和R13串联所构成的支路与Q2和R14串联所构成的支路相并联，能够有效减小Q1和Q2的同步开启时差。
如图6所示，展示为前述的逻辑电路、驱动模块、过压比较模块、欠压比较模块分别在过压状态、正常状态、欠压状态下的关键点波形示意图。
综上所述，本发明的电池管理系统及其开关模块栅极驱动电压的故障检测电路，当充电控制模块开关模块栅极驱动电压过压时，通过分压模块分压、过压比较模块比较得到的逻辑信号输入给逻辑电路，逻辑电路做出相应的保护处理；当充电控制模块开关模块栅极驱动电压欠压时，通过分压模块分压、欠压比较模块比较得到的逻辑信号输入给逻辑电路，逻辑电路做出相应的处理；放电控制模块同理，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种电池管理系统的开关模块栅极驱动电压的故障检测电路，其特征在于，包括：
分压模块，其输入端用以连接所述电池管理系统的开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压过压或欠压时对其进行分压，所述开关模块包括充电控制模块和放电控制模块，所述充电控制模块包括相互并联的支路，各所述支路包括相互串联的电阻和增强型场效应管；
比较模块，其输入端连接所述分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将分压后的开关模块栅极驱动电压与预设电压值加以比对，并根据比对结果向所述逻辑电路发送检测信号；
所述分压模块包括第一分压模块和第二分压模块，所述比较模块包括过压比较模块和欠压比较模块，其中：
所述第一分压模块，其输入端用以连接所述开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压过压时对其进行分压；
所述过压比较模块，其输入端连接所述第一分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将经所述第一分压模块分压后的开关模块栅极驱动电压与第一预设电压值加以比对，并在超过所述第一预设电压值时向所述逻辑电路发送检测信号；
所述第二分压模块，其输入端用以连接所述开关模块，以在所述开关模块的栅极驱动电压欠压时对其进行分压；
所述欠压比较模块，其输入端连接所述第二分压模块的输出端，其输出端用以连接所述电池管理系统的逻辑电路，以将经所述第二分压模块分压后的开关模块栅极驱动电压与第二预设电压值加以比对，并在低于所述第二预设电压值时向所述逻辑电路发送检测信号；
所述电池管理系统的逻辑电路在检测到所述过压比较模块输出低电平时，判定所述充电控制模块出现过压故障，所述电池管理系统的逻辑电路在检测到所述欠压比较模块输出高电平且给其驱动模块的信号为高电平时，判断所述充电控制模块出现欠压故障；
所述电池管理系统的逻辑电路在判定所述充电控制模块出现过压故障或欠压故障时，向所述电池管理系统的驱动模块发送指令，以令所述电池管理系统的驱动模块关闭或间歇性开启。
2.根据权利要求1所述的故障检测电路，其特征在于，所述第一分压模块包括多个阻值相同的电阻。
3.根据权利要求1所述的故障检测电路，其特征在于，所述过压比较模块采用分流式电压基准或比较器；所述分流式电压基准或所述比较器在输入端电压高于所述第一预设电压值时输出低电平，以作为所述检测信号。
4.根据权利要求1所述的故障检测电路，其特征在于，所述第二分压模块包括多个阻值相同的电阻。
5.根据权利要求1所述的故障检测电路，其特征在于，所述欠压比较模块采用分流式电压基准或比较器；所述分流式电压基准或所述比较器在输入端电压低于所述第二预设电压值时输出低电平，以作为所述检测信号。
6.一种电池管理系统，其特征在于，包括：如权利要求1~5中任一项所述的开关模块栅极驱动电压的故障检测电路。
7.根据权利要求6所述的电池管理系统，其特征在于，所述故障检测电路包括：所述第一分压模块、所述第二分压模块、所述过压比较模块、及所述欠压比较模块；其中，
所述电池管理系统的逻辑电路在检测到所述过压比较模块输出低电平时，判定所述开关模块出现过压故障；
所述电池管理系统的逻辑电路在检测到所述欠压比较模块输出高电平且给所述电池管理系统的驱动模块的信号为高电平时，判定所述开关模块出现欠压故障。
8.根据权利要求7所述的电池管理系统，其特征在于，所述逻辑电路在判定所述开关模块出现过压故障或欠压故障时，令所述驱动模块关闭或间歇开启。
9.根据权利要求6所述的电池管理系统，其特征在于，所述开关模块分别包括多个并联支路；各所述并联支路分别包括开关元件及与其串联的电阻。
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