CN111934306B - Bms系统中电池采样线错接保护电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BMS系统中电池采样线错接保护电路和方法，包括以下步骤，步骤S1：BMS系统实时检测感应信号；步骤S2：BMS系统获取感应信号后输出控制信号以此关断所有串接在每根采样线中的MOS开关单元。在步骤S1中，每个单体电池正负极均并接一继电器单元，所有继电器单元的感应输出端共同连接，任一采样线连接错误时，该感应输出端都能产生感应信号。在步骤S2中，设置使能控制单元，在BMS系统输出控制信号时输出使能信号使驱动单元输出驱动电压，以及在BMS系统未输出控制信号时输出非使能信号使驱动单元关闭输出；设计驱动单元的驱动电压，使输出驱动电压时每个MOS开关单元处于导通状态，否则每个MOS开关单元处于截止状态。

Description

BMS系统中电池采样线错接保护电路和方法

技术领域

本发明涉及BMS系统，尤其涉及一种BMS系统中电池采样线错接保护电路和方法。

背景技术

在动力电池系统中，利用多节电池串联实现大电压输出，由于单体电池数量众多，且每个单体电池的性能参数存在差异，这对动力电池的安全性和寿命造成很大影响。参见图1，现有技术中通常采用电池管理系统(BMS)来同步每个单体电池的充电和放电，保证每节单体电池的剩余容量基本一致，目前最常用的就是电池均衡技术。每个单体电池的正负两端均通过采样线和BMS系统相连接，n个单体电池就有n+1根采样线。由于采样线众多，在BMS系统组装过程中如果出现采样线连接错误的情况，BMS系统就会产生负电压，会导致均衡模块无法正常工作。因此，必须采取保护措施防止由于采样线连接错误对BMS系统造成破坏。

为了解决电池正负反接技术问题，现有技术通常的解决方案在电池的正端或者负端串接MOS开关电路，如图2所示。当单体电池线路正常连接时，设计开关电路使P-MOS管的栅极电压低于源极电压，开关管导通；当单体电池线路连接反向时，PMOS栅极电压高于源极电压，开关管截止，从而起到保护作用。然而，该技术方案仅适用于防护单输出电源线的反接，而在BMS系统中，电池采样线众多，当单体电池之间的采样线跨串反接时，图2的技术方案将无法起到防护左右。参见图3,假设在4串单体电池的应用场景中，当采样线B1和B4接错时，由各支路MOS开关管各极的电势关系可知，虽然B2和B4支路的开关管截止，但B1和B3支路的开关管仍会导通，会导致采样线B3与B1之间出现负压，容易导致电路损坏。另外，图3中各个支路MOS开关的驱动电压取自单节电池，而单节电池电压都较低，启动困难，无法保证全SOC范围内有效应用。

因此，针对BMS系统的应用场景，需要重新设计采样线错接保护电路以满足实际实用的需求。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种BMS系统中电池采样线错接保护电路和方法，BMS能够快速检测采样线错接情况，并控制切断所有支路的MOS开关，从而彻底断开BMS与电池之间的联系，确保BMS系统安全。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种BMS系统中电池采样线错接保护电路，每个单体电池正负极均通过采样线与BMS系统相连接，该电路至少包括控制模块、使能控制单元、驱动单元、MOS开关单元和继电器单元，其中，每个单体电池正负极均并接一继电器单元，所有继电器单元的感应输出端共同与所述控制模块的第一引脚相连接，任一采样线连接错误时，该感应输出端都能产生感应信号；所述控制模块获取感应信号后控制第二引脚输出控制信号；

所述使能控制单元与控制模块的第二引脚和驱动单元相连接，用于在控制信号未来临时输出使能信号使所述驱动单元输出驱动电压，以及在控制信号来临时输出非使能信号使所述驱动单元关闭输出；

每根采样线中均串接一MOS开关单元，所述驱动单元与所有MOS开关单元相连接，当驱动单元输出驱动电压时所有MOS开关单元均导通，否则所有MOS开关单元均截止；

所述继电器单元采用电压继电器，继电器的输入端并接在单体电池两端，在其输入回路串接第三电阻R3和第一二极管D1；继电器的输出端一端与第一地端相连接，其另一端作为感应输出端与控制模块的第一引脚相连接；

所述第三电阻R3采用PTC热敏电阻。

作为进一步的改进方案，所述使能控制单元包括光耦U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一MOS管，所述光耦U1的发光器受控于控制信号，所述光耦U1的受光器一端与第二地端相连接，其另一端与所述第一MOS管的栅极和第一电阻R1的一端相连接,第一电阻R1的另一端与电源VDD端相连接；所述第一MOS管的源极与第二地端相连接，所述第一MOS管的漏极与所述驱动单元的使能端相连接。

作为进一步的改进方案，所述MOS开关单元采用NMOS或PMOS实现。

作为进一步的改进方案，所述控制模块集成设置在BMS系统中。

作为进一步的改进方案，光耦U1采用PhotoMOS耦合器。

作为进一步的改进方案，所述驱动单元采用开关电源。

作为进一步的改进方案，所述控制模块采用单片机实现，其第一引脚配置为外部中断触发，感应信号产生时，所述控制模块马上触发中断程序。

本发明还公开了一种BMS系统中电池采样线错接保护方法，包括以下步骤：

步骤S1：BMS系统实时检测感应信号；

步骤S2：BMS系统获取感应信号后输出控制信号以此关断所有串接在每根采样线中的MOS开关单元。

在所述步骤S1中，每个单体电池正负极均并接一继电器单元，所有继电器单元的感应输出端共同连接，任一采样线连接错误时，该感应输出端都能产生感应信号。

在所述步骤S2中，设置使能控制单元，在BMS系统输出控制信号时输出使能信号使驱动单元输出驱动电压，以及在BMS系统未输出控制信号时输出非使能信号使驱动单元关闭输出；设计驱动单元的驱动电压，使输出驱动电压时每个MOS开关单元处于导通状态，否则每个MOS开关单元处于截止状态。

与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：

1、本发明采用电压继电器，能够直接利用单体电池的压差实现控制；同时在继电器输入回路串接PTC热敏电阻，在采样线跨多串电池错接时，仍然能够保证继电器工作在安全电压范围内，提高电路在极端情况下的可靠性；

2、本发明采用驱动单元输出驱动电压控制所有MOS开关单元，控制模块仅需一个引脚控制驱动单元的使能端便可以实现同步控制所有采样线MOS开关单元的连接，大大简化硬件结构；同时，控制模块通过光耦和驱动单元隔离，电池端的任何状态变化均不会影响到BMS系统，大大提高了BMS系统的安全性能；

3、MOS开关单元由驱动单元独立控制，其导通或截止状态仅由驱动电压决定，与电池类型及SOC状态无关，可以快速启动和方便调节。

附图说明

图1为电池组采样线接错示意图。

图2为现有技术的原理示意图。

图3为现有技术中多节电池反接的原理示意图。

图4为本发明BMS系统中电池采样线错接保护电路的原理示意图。

图5为本发明中继电器单元的原理示意图。

图6为本发明电路在多节电池反接时的原理框图。

图7为本发明BMS系统中电池采样线错接保护方法的流程框图。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。

在BMS系统中，每个单体电池均通过独立采样线与BMS系统相连接，由于采样线较多，线束连接难免会出现接错的现象，尤其是当采样线跨多串电池接错时，往往会对BMS系统造成严重影响，然而现有技术方案还未能有效解决此类技术问题。

为了解决上述技术问题，参见图4，所示为本发明提出的BMS系统中电池采样线错接保护电路的原理示意图，每个单体电池正负极均通过采样线与BMS系统相连接，在其之间设置保护电路，该电路至少包括控制模块、使能控制单元、驱动单元、MOS开关单元和继电器单元，其中，每个单体电池正负极均并接一继电器单元，所有继电器单元的感应输出端共同与控制模块的第一引脚相连接，任一采样线连接错误时，该感应输出端都能产生感应信号；控制模块获取感应信号后控制第二引脚输出控制信号；其中，控制模块集成设置在BMS系统中，从而能够共享BMS系统的控制资源，无需额外增加控制芯片。

参见图5，所示为继电器单元的原理示意图，本发明采用继电器产生感应信号，其原理是，继电器的输入端并接在单体电池两端，在其输入回路串接第一二极管D1，第一二极管D1反接在单体电池正负极两端，当采样线连接正常时，第一二极管D1截止，整个输入回路截止，不产生额外的功耗。而当采样线反接时，第一二极管D1导通，输入回路开启工作，继电器输入端线圈产生磁场，吸合继电器输出端开关，进而产生感应信号；图5电路中，继电器的输出端一端与第一地端相连接，其另一端作为感应输出端与控制模块的第一引脚相连接；当采样线连接正常时，继电器输出端开关截止，由于第四电阻R4上拉至电源VCC端，控制模块的第一引脚为高电平；当采样线反接时，继电器输出端开关吸合，导致控制模块的第一引脚为低电平，也即产生了感应信号。在一种优选实施方式中，控制模块的第一引脚配置为外部中断触发，感应信号产生时，第一引脚从高电平变为低电平触发中断事件，控制模块马上执行中断程序，控制其第二引脚输出控制信号，使所有MOS开关截止，切断所有采样线的连接。

上述技术方案中，当所有电池采样线都正常连接时，所有输入回路中二极管的阴极电压都高于阳极电压，继电器全部关闭，MOS开关均导通。而任何两根采样线接反，或者多于两根采样线接错，都至少有一只继电器输入回路导通，产生感应信号。

上述技术方案中，继电器单元采用电压继电器，直接利用单体电池的压差就控制继电器，同时，电压继电器具有较大的线圈内阻，输入回路工作电流小，可以有效保护继电器。实际中，采样线可能跨多个电池接反，参见图6所示，以4个电池串为例，当B1、B3两根采样线接反时，继电器J2和J3的输入电压反接，继电器输入回路导通，进而输出感应信号，控制模块获取感应信号后执行相应的控制，切断所有采样线的连接，彻底隔离电池和BMS的连接，有效保护BMS系统。

但由于电池组采样线接错是随机的，实际中采样线可能跨n串电池接错，可能是相邻两根采样线接错，继电器输入回路的输入电压为单节电池电压；采样线也可能是跨接好几个电池错接，当采样线跨2串或3串电池接错时，某一电压继电器承受2-3倍单体电池的反向电压，由于电压继电器具有较大的线圈内阻，也可以让工作电流在额定范围内。在极端情况下，可能是总正、总负接反，此时继电器的输入电压为整个电池组的电压，实际电压远超继电器的额定电压，会造成继电器损坏。

然而，为了能够适用实际中采样线接错的不确定性，继电器的输入电压必须保证：一节电池电压能够开启继电器，n节电池电压时继电器工作电压仍在其额定范围以内。为此，继电器输入回路还串接第三电阻R3，并采用PTC热敏电阻，热敏电阻的阻值随着电路工作温度正变化，也即，常温时，PTC热敏电阻阻值较小，分压较小，一节电池电压也能控制继电器；当输入回路有较大的反接电压时，电流值也很大，大的电流值使热敏电阻R3发热，阻值变大，其两端的电压变大，从而降低线圈两端的电压使其处于安全范围内，从而有效保护继电器，提高电路在极端情况下的可靠性。

在一种优选实施方式中，继电器的线圈采用PTC材料，线圈内阻能随着线圈温度正变化，当采样线跨n串电池接错时，回路电流变大导致线圈温度升高，进而导致线圈内阻变大，使回路电流变小。线圈采用PTC材料能够有效提高继电器输入电压的动态范围，保证继电器在较高电压输入时仍能处于安全的工作范围。

图4中通过使能控制单元控制驱动单元的使能端进而控制驱动单元的输出状态。使能控制单元与控制模块的第二引脚和驱动单元相连接，用于在控制信号未来临时输出使能信号使所述驱动单元输出驱动电压，以及在控制信号来临时输出非使能信号使所述驱动单元关闭输出；每根采样线中均串接一MOS开关单元，所述驱动单元与所有MOS开关单元相连接，当驱动单元输出驱动电压时所有MOS开关单元均导通，否则所有MOS开关单元均截止。在一种优选实施方式中，使能控制单元包括光耦U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一MOS管，所述光耦U1的发光器受控于控制信号，所述光耦U1的受光器一端与第二地端相连接，其另一端与所述第一MOS管的栅极和第一电阻R1的一端相连接,第一电阻R1的另一端与电源VDD端相连接；所述第一MOS管的源极与第二地端相连接，所述第一MOS管的漏极与所述驱动单元的使能端相连接。采样线正常连接时，控制模块第二引脚无输出，光耦U1不导通，第一MOS管的栅极电位由第一电阻R1上拉至电源VDD电压，第一MOS管导通，驱动单元使能并输出驱动电压以开启所有的MOS开关单元；而任一采样线接错时，第二引脚输出控制信号时，光耦U1的发光二极管发光使光耦U1的光敏三极管导通，第一MOS管的栅极变成低电平进而使第一MOS管截止，驱动单元不使能，不输出驱动电压，所有MOS开关单元均截止。

上述技术方案中，采用驱动单元输出驱动电压控制所有MOS开关单元，控制模块仅需一个引脚控制驱动单元的使能端便可以实现所有MOS开关单元的控制，实现了同步控制所有采样线的连接，并大大简化硬件结构，否则n个MOS开关理论上需要n个引脚实现开关控制。同时，MOS开关单元的状态完全由驱动单元的输出电压决定，只要设置合理的驱动电压就能快速启动和关闭MOS开关，和电池自身的电压无关，适用于不同类型电池，不同电池SOC状态；在安全范围内可适当调整驱动电压，降低支路开关的导通电阻，降低损耗和温升；另外，控制模块通过光耦和驱动单元隔离，电池端的任何状态变化均不会影响到BMS系统，大大提高了BMS系统的安全性能。

在一种优选实施方式中，光耦U1采用PhotoMOS耦合器。

在一种优选实施方式中，驱动单元采用开关电源，通过控制开关电源的使能端(或者接地端)实现。

在一种优选实施方式中，MOS开关单元采用NMOS或PMOS实现，其中，MOS管的源极和漏极串接在采样线中，MOS管的栅极与驱动单元的输出端相连接，实际应用时，设计驱动单元输出的驱动电压与电池输入正极电压的压差满足MOS开关管的门极启动电压。由于采用MOS开关，电流可以双向流动，对BMS系统均衡控制没有影响；上述技术方案，理论上可适用于任何串数的电池组，只要电池组总压在MOS开关的安全耐压范围内即可。

参见图7，所示为本发明一种BMS系统中电池采样线错接保护方法的流程框图，包括以下步骤：

步骤S1：BMS系统实时检测感应信号；

步骤S2：BMS系统获取感应信号后输出控制信号以此关断所有串接在每根采样线中的MOS开关单元。

在所述步骤S1中，每个单体电池正负极均并接一继电器单元，所有继电器单元的感应输出端共同连接，任一采样线连接错误时，该感应输出端都能产生感应信号。

在所述步骤S2中，设置使能控制单元，在BMS系统输出控制信号时输出使能信号使驱动单元输出驱动电压，以及在BMS系统未输出控制信号时输出非使能信号使驱动单元关闭输出；设计驱动单元的驱动电压，使输出驱动电压时每个MOS开关单元处于导通状态，否则每个MOS开关单元处于截止状态。

本发明方法是利用图4设计保护电路实现，具体原理可参照上述描述。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种BMS系统中电池采样线错接保护电路，每个单体电池正负极均通过采样线与BMS系统相连接，其特征在于，该电路至少包括控制模块、使能控制单元、驱动单元、MOS开关单元和继电器单元，其中，每个单体电池正负极均并接一继电器单元，所有继电器单元的感应输出端共同与所述控制模块的第一引脚相连接，任一采样线连接错误时，该感应输出端都能产生感应信号；所述控制模块获取感应信号后控制第二引脚输出控制信号；

所述使能控制单元与控制模块的第二引脚和驱动单元相连接，用于在控制信号未来临时输出使能信号以使所述驱动单元输出驱动电压，以及在控制信号来临时输出非使能信号以使所述驱动单元关闭输出；

每根采样线中均串接一MOS开关单元，所述驱动单元与所有MOS开关单元相连接，当驱动单元输出驱动电压时所有MOS开关单元均导通，否则所有MOS开关单元均截止；

所述继电器单元采用电压继电器，继电器的输入端并接在单体电池两端，在其输入回路串接第三电阻R3和第一二极管D1；继电器的输出端一端与第一地端相连接，其另一端作为感应输出端与控制模块的第一引脚相连接；

所述第三电阻R3采用PTC热敏电阻；

所述使能控制单元包括光耦U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第一MOS管，所述光耦U1的发光器受控于控制信号，所述光耦U1的受光器一端与第二地端相连接，其另一端与所述第一MOS管的栅极和第一电阻R1的一端相连接,第一电阻R1的另一端与电源VDD端相连接；所述第一MOS管的源极与第二地端相连接，所述第一MOS管的漏极与所述驱动单元的使能端相连接；

光耦U1采用PhotoMOS耦合器。

2.根据权利要求1所述的BMS系统中电池采样线错接保护电路，其特征在于，所述MOS开关单元采用NMOS或PMOS实现。

3.根据权利要求1所述的BMS系统中电池采样线错接保护电路，其特征在于，所述控制模块集成设置在BMS系统中。

4.根据权利要求1所述的BMS系统中电池采样线错接保护电路，其特征在于，所述驱动单元采用开关电源。

5.根据权利要求1所述的BMS系统中电池采样线错接保护电路，其特征在于，所述控制模块的第一引脚配置为外部中断触发，感应信号产生时，所述控制模块马上触发中断程序。

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