CN112186853A - 一种具有多重保护的电源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多重保护的电源管理系统，包括：电池组；电流采集模块、电压采集模块、保险模块、开关模块、二次保护模块、温度采集模块、单节电压采集模块、前端模块以及主控模块，通过实现防止过充、过放、过流、短路以及高温充放电的保护功能，使得锂电池在充放电过程中不会出现过充电、过放电的状态，保护电池的使用寿命，保护锂电池组处于良好的运行工作状态；通过实现的防止过流、短路保护以及高温充放电的保护功能，保护锂电池组在使用过程中出现异常时，及时进行阻止，避免异常的进一步严重，从而实现使用的安全性。

Description

一种具有多重保护的电源管理系统
技术领域
本发明涉及BMS(Battery Management System，电池管理系统)技术领域，特别是涉及一种船用锂电池的具有多重保护的电源管理系统。
背景技术
传统的船用电池一般采用铅酸蓄电池，为船舶提供动力、照明、通信、信号和应急电源使用，然而，这种铅酸蓄电池存在如下缺点：安全性能上，使用过程总有爆炸隐患；环保性能上，这种铅酸蓄电池由于含铅，对人体有害；智能性能上，需要依据充电器的智能程度；循环寿命方面，一般300-350次循环使用，使用寿命较短；充放电效率方面，仅约为80％，而且还有记忆效应，充电时间长，相对锂电池而言能量密度低。
锂离子电池由于其工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等优点，已成为21世纪发展的理想能源。随着锂电池行业的发展，大型锂电池组也逐渐扩展，逐步被应用于电动车、电动船等各类动力驱动领域，但在现有技术中，锂电池在使用过程中仍会存在一些问题，例如过充、过放、过流、短路以及高温时充放电等，虽然目前也有技术可能会解决其中的一种或部分问题，但尚没有能够提供多重保护以解决所有问题的技术，因此，需要对锂电池组提供多重保护，以使锂电池在使用过程中有更长久的循环使用寿命、使用更安全。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种具有多重保护的电源管理系统，以避免锂电池在使用过程中过充、过放、过流、短路以及高温时充放电，从而使得锂电池在使用过程中有更长久的循环使用寿命，使用更安全。
为达上述及其它目的，本发明提出一种具有多重保护的电源管理系统，包括：
由多个单节电池串联组成的电池组；
电流采集模块，串联在电源主回路上形成较低电压压降并将经过隔离保护和滤波后的电压压降传输至前端模块的电流测量输入端(RS1、RS2)；
电压采集模块,用于将滤除纹波的所述电池组电压安全可靠传输至前端模块；
保险模块，用于串联于所述电池组正极主输出通路以在主控模块或前端模块工作异常或开关模块的NMOS开关管异常而不能正常动作时在二次保护模块的保险控制输出端(FV1)的控制下开启或关闭电流通路；
开关模块，用于在前端模块输出的第一和第二开关控制信号的控制下通过开启或关闭NMOS开关管来开启或关闭电流通路；
二次保护模块，用于通过对所述电池组的每一个单节电池进行电压和电流采集以在主控模块和前端模块失效时给予所述电池组额外保护；
温度采集模块，用于对所述电池组和所述开关模块的NMOS开关管的温度进行监控并将测量电压传输至前端模块进行数字化，以在主控模块的控制下与预设温度曲线进行比较以防止所述电池组和NMOS开关管温度过高或过低；
单节电压采集模块，用于对所述电池组的单节电池的电压进行采样并输出至前端模块；
前端模块，用于将所述电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块以及单节电压采集模块的模拟输出数字化并传输至主控模块，并输出第一和第二开关控制信号至所述开关模块；
主控模块，用于接收所述前端模块数字化的电压、电流、温度数据以实现过流、过压、欠压保护并防止温度过高或过低。
优选地，所述电流采集模块包括第一至第四采样电阻(R90-R93)、第一至第三电流测量滤波电容(C32-C34)以及第一、第二保护隔离电阻(R87、R98)，所述第一至第四采样电阻(R90-R93)并联后串联在控制板负极回路上，利用电流流经采样电阻形成电压降进行电流采样，测量4个采样电阻两端电压值，第一、第二保护隔离电阻(R87、R98)分别串联到测量线路上，第一至第三电流测量滤波电容(C32-C34)并联在测量电路两端和地之间实现滤波以稳定测量电压值，滤波后的两路测量电压(RS1、RS2)连接至所述前端模块的前端芯片的电流采样输入端(RS1、RS2)。
优选地，所述第一至第四采样电阻(R90-R93)采用的是高精度低阻值的贴片电阻。
优选地，所述电压采集模块采集时通过两个限流电阻串联保护二极管进行保护，并通过将两个滤波电容串联起来实现分压和滤波，以稳定地测量当前电池的两端电压值。
优选地，所述电压采集模块包括第一限流电阻(R109)、第二限流电阻(R108)、保护二极管(D32)和第一、第二滤波电容(C56、C57)，所述第一限流电阻(R109)的一端连接至所述电池组的正极B+，其另一端连接所述保护二极管(D32)的阳极和第一滤波电容(C56)的一端，所述保护二极管(D32)的阴极连接至第二限流电阻(R108)的一端，第二限流电阻(R108)的另一端连接至所述前端模块的电压采集输入端，所述第一滤波电容(C56)的另一端连接至第二滤波电容(C57)的一端，所述第二滤波电容(C57)的另一端接地。
优选地，所述保险模块由四个三端保险丝并联组成，四个三端保险丝的一端连接所述电池组的正极B+，四个三端保险丝的另一端接控制板的正极P+，四个三端保险丝的控制端连接至所述二次保护模块的保险控制输出端FV1，并联的四个三端保险丝串联在控制板正极主输出电路中。
优选地，所述开关模块包括第一并联子开关阵串联第二并联子开关阵，所述第一并联子开关阵包括偏置电阻(R4-R12)以及第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)，第二并联子开关阵包括偏置电阻(R26-R34)、以及第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)组成，所述第一开关控制信号(P3)通过偏置电阻(R4-R12)分别连接至第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)的栅极，第二开关控制信号(P4)通过偏置电阻(R26-R34)分别连接至第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)的栅极，控制板负极P-连接至第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)的漏极，第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)的源极连接至第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)的漏极，第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)的源极相连组成所述开关模块的输出负极P2。
优选地，所述二次保护模块包括二次保护专用芯片(U3)、若干隔离电阻(R61-R68)、第三限流电阻(R60)、第四限流电阻(R69)、若干滤波电容(C17-C26)、第一偏置电阻(R42)、NMOS偏置管(Q23)、保护二极管(D11)、第二偏置电阻(R38)、第三偏置电阻(R39)、滤波电容(C7)和保险丝驱动开关管(Q21)，所述电池组的各单节电池的正极(B8-B1)分别通过隔离电阻(R61-R68)连接至所述二次保护专用芯片(U3)的输入端VC1-VC8，滤波电容(C19、C20、C21、C22)跨接在VC1与VC2、VC2与VC3、VC3与VC4、VC4与B4间，滤波电容(C23、C24、C25、C26)跨接在VC5与VC6、VC6与VC7、VC7与VC8、VC8与地间，B8通过第三限流电阻(R60)连接至所述二次保护专用芯片(U3)的第一电源输入端VDD1，B4通过第四限流电阻(R69)连接至二次保护专用芯片(U3)的第二电源输入端VDD，滤波电容(C18)跨接在二次保护专用芯片(U3)的第一电源输入端VDD1与B4间，滤波电容(C17)跨接在二次保护专用芯片(U3)的第二电源输入端VDD与地间；所述二次保护专用芯片(U3)的第一输出OUT通过保护二极管(D11)连接至保险丝驱动开关管(Q21)的栅极，第二偏置电阻(R38)与第三偏置电阻(R39)的公共端和滤波电容(C7)的一端接保险丝驱动开关管(Q21)的栅极，第三偏置电阻(R39)的另一端、滤波电容(C7)的另一端和保险丝驱动开关管(Q21)的源极接地，保险丝驱动开关管(Q21)的漏极为所述保险控制输出端FV1；第二偏置电阻(R38)的另一端接NMOS偏置管(Q23)的源极，二次保护专用芯片(U3)的第二输出OUT1接NMOS偏置管(Q23)的漏极。
优选地，所述温度采集模块包括隔离电阻(R99-R100)、滤波电阻(C37-C38v以及第一、第二温度传感器(NTC1-NTC2)，所述第一、第二温度传感器(NTC1-NTC2)的一端分别通过隔离电阻(R99-R100)连接至所述前端模块的两个温度采集输入端，滤波电阻(C37-C38)分别连接在第一温度传感器(NTC1)和隔离电阻(R99)的公共端、第一温度传感器(NTC1)与隔离电阻(R99)的公共端与地间，所述第一、第二温度传感器(NTC1-NTC2)的另一端、滤波电阻(C37-C38)另一端接地。
优选地，所述主控模块包括微处理器MCU、测试开关(S1)、隔离电阻(R41及R51)、保护二极管(D12及D14)、滤波电容(C14)、复位电阻(R76)、复位电容(C12)、串口隔离电阻(R94-R95)、串口保护二极管(D20-D21)以及串口插座(JP3)、编程插座(JP1)，所述微处理器MCU串口接收RXD、串口发送TXD分别通过串口隔离电阻(R94-R95)连接至串口插座(JP3)，同时并联串口保护二极管(D20-D21)到地，CHGD信号通过隔离电阻(R41)连接至保护二极管(D12)的阳极，保护二极管(D12)的阴极通过测试开关(S1)接地，微处理器U4的一端口KEY-M通过隔离电阻(R51)连接至保护二极管(D14)的阳极，保护二极管(D14)的阴极通过测试开关(S1)接地，编程插座(JP1)连接电源电压VDD和地，并与微处理器U4的编程端口连接，滤波电容(C14)跨接在微处理器U4的电源端和地间，复位电容(C12)跨接在微处理器U4的复位端RESET和地间，复位电阻(R76)跨接在微处理器U4的复位端RESET和电源VDD间。
与现有技术相比，本发明一种具有多重保护的电源管理系统通过实现防止过充、过放、过流、短路以及高温充放电的保护功能，使得锂电池在充放电过程中不会出现过充电、过放电的状态，保护电池的使用寿命，保护锂电池组处于良好的运行工作状态；其实现的防止过流、短路保护以及高温充放电的保护功能，可保护锂电池组在使用过程中出现异常时，及时进行阻止，避免异常的进一步严重，从而实现使用的安全性。
附图说明
图1为本发明一种具有多重保护的电源管理系统的电路结构图；
图2为本发明具体实施例中电流采集模块10的细节电路图；
图3为本发明具体实施例中电压采集模块20的细节电路图；
图4为本发明具体实施例中保险模块30的细节电路图；
图5为本发明具体实施例开关模块40的细节电路图；
图6为本发明具体实施例二次保护电路50的细节电路图；
图7为本发明具体实施例温度采集模块60的细节电路图；
图8为本发明具体实施例主控模块70的细节电路图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图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示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种具有多重保护的电源管理系统的电路结构图。如图1所示，本发明一种具有多重保护的电源管理系统，包括：电流采集模块10、电压采集模块20、保险模块30、开关模块40、二次保护模块50、温度采集模块60、主控模块70、前端模块80、单节电压采集模块90和电池组100。
其中，电流采集模块10由多个高精度低阻值采样电阻、电流测量滤波电容C32-C34和保护隔离电阻R87、R98组成，如图2所示，用于串联在电源主回路上形成较低电压压降并将经过隔离保护和滤波后的电压压降传输至前端模块80的电流测量输入端RS1、RS2。
电压采集模块20由第一限流电阻R109、第二限流电阻R108、保护二极管D32和滤波电容C56、C57组成，如图3所示，用于将滤除纹波的电池组电压安全可靠传输至前端模块80；
保险模块30，连接在电池组100与电压采集模块20之间，由多个三端保险丝组成，在本发明具体实施例中，采用4个三端保险丝F1-F4，如图4所示，用于串联于电池组正极主输出通路以在主控模块70或前端模块80工作异常(如电压异常、电流异常)或NMOS开关管异常而不能正常动作时，在二次保护模块50的保险控制输出端FV1的控制下开启或关闭电流通路；
开关模块40多个并联子开关阵串联组成，在本发明具体实施例中，其由第一并联子开关阵(偏置电阻R4-R12以及NMOS开关管Q2-Q10)串联第二并联子开关阵(偏置电阻R26-R34、NMOS开关管Q12-Q20)组成，每个并联子开关阵由9个MOS开关管(WSD75100微硕)组成，如图5所示，用于在前端模块80输出的开关控制信号P3-P4的控制下通过开启或关闭NMOS开关管来开启或关闭电流通路；
二次保护模块50由专用芯片U3(SH367206)、隔离电阻R61-R68、第三限流电阻R60、第四限流电阻R69、滤波电容C17-C26、第一偏置电阻R42、NMOS偏置管Q23、保护二极管D11、第二偏置电阻R38、第三偏置电阻R39、滤波电容C7和保险丝驱动开关管Q21组成，如图6所示，用于通过对电池组100的每一个单节电池进行电压和电流采集以在主控模块70和前端模块80失效时给予电池组100额外保护；
温度采集模块60由隔离电阻R99-R100、滤波电阻C37-C38和温度传感器NTC1-NTC2组成，如图7所示，用于对电池组和NMOS开关管的温度进行监控并将测量电压传输至前端模块80进行数字化，以在主控模块70的控制下与预设温度曲线进行比较以防止电池组100和NMOS开关管温度过高或过低；
主控模块70由微处理器MCU(U4，SH79F6441)、测试开关S1、隔离电阻R41及R51、保护二极管D12及D14、滤波电容C14、复位电阻R76、复位电容C12、串口隔离电阻R94-R95、串口保护二极管D20-D21以及串口插座JP3、编程插座JP1组成，如图8所示，用于接收前端模块80数字化的电压、电流、温度数据以实现过流、过压、欠压保护并防止温度过高或过低，同时灵活设置过流、过压、欠压保护以及温度过高或过低保护的阈值；
前端模块80，用于将电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块以及单节电压采集模块90的模拟输出数字化并传输至主控模块70并输出第一、第二开关控制信号P3、P4；
单节电压采集模块90，用于对电池组100的单节电池的电压进行采样并输出至前端模块80；
电池组100由多个单节电池串联组成，用于给船用系统供电，在本发明具体实施例中，电池组100使用8节锂电池串联组成。
具体地，电池组100对应的第8到第1节单节电池正负极依次为B8、……、B2、B1、B0，8节单节电池依次串联，第8节的正极B8串联正极保护电阻R149(0R)后形成电池组的正极B+，第1节电池的负极B0经串联的负极保护电阻R147-R148(0R)后形成电池组的负极B-，隔离电阻R147-R148(0R)的公共端接地，需说明的是，本发明除非特别指出，各控制模块的电源负端接地；第8到第1节单节电池正极B8、……、B2、B1连接至二次保护模块50的输入端，二次保护模块50的保险控制输出端FV1连接至保险模块30的控制端，保险模块30的输入端连接电池组的正极B+，保险模块30的输出端连接控制板(本发明的控制板指除保险模块30、二次保护模块50、电池组100外所组成的电路，简单来说，电池组100的输出为B+、B-，B+经过保险模块30是为P+，B-经过电流采集模块10和开关模块40是为P-)正极P+；电压采集模块20的输出端连接至前端模块80的电压采集输入端；控制板负极P-连接至开关模块40的输入端，开关模块40的输出负极P2连接电流采集模块10的输入端；电流采集模块10串联在负载电源的主回路上即其电流输入端接负载的主回路即开关模块40的输出负极P2，电流采集模块10的电流输出端连接至电池组的负极B-；温度采集模块60的温度传感器NTC1-NTC2分别紧贴在电池组100和开关模块40的散热板上以检测各自的温度，温度采集模块60的温度采集输出连接至前端模块80的温度采集输入端；第8到第1节单节电池正极B8、……、B2、B1还连接至单节电压采集模块90的输入端，单节电压采集模块90的多路输出连接至前端模块80的单节电池电压采集输入端；前端模块80通过通信口(串口UART或两线I2C协议等)与主控模块70连接。
图2为本发明具体实施例中电流采集模块10的细节电路图。在本发明具体实施例中，电流采集模块10由四个高精度低阻值采样电阻、电流测量滤波电容C32-C34和保护隔离电阻R87、R98组成，这四个高精度低阻值采样电阻采用的是4个3mR(3毫欧)高精度康铜丝R90-R93，4个贴片电阻并联后串联在控制板负极回路上，利用电流流经采样电阻形成电压降进行电流采样，测量4个采样电阻两端电压值，两个保护隔离电阻(R87、R98)分别串联到测量线路上实现保护功能，三个电流测量滤波电容C32-C 34并联在测量电路两端和地之间实现滤波以稳定测量电压值，保证测量的稳定与正确性，滤波后的两路测量电压RS1、RS2连接至前端模块的前端芯片的电流采样输入端，再用前端芯片对采样电阻二端的测量电压进行量化并由MCU进行运算，从而求出当前的电流大小。
图3为本发明具体实施例中电压采集模块20的细节电路图。在本发明具体实施例中，电压采集模块20由第一限流电阻R109、第二限流电阻R108、保护二极管D32和滤波电容C56、C57组成，第一限流电阻R109的一端连接至电压组的正极B+，其另一端连接保护二极管D32的阳极和滤波电容C56的一端，保护二极管D32的阴极连接至第二限流电阻R108的一端，第二限流电阻R108的另一端连接至前端模块80的电压采集输入端，滤波电容C56的另一端连接至滤波电容C57的一端、滤波电容C57的另一端接地。采集时通过两个电阻串联二极管进行保护，将两个滤波电容串联起来实现分压和滤波，可以稳定地测量当前电池的二端电压值。
图4为本发明具体实施例中保险模块30的细节电路图。在本发明具体实施例中，保险模块30由4个三端保险丝并联组成，4个三端保险丝的一端连接电池组的正极B+，4个三端保险丝的另一端接控制板的正极P+(插座J1)，4个三端保险丝的控制端连接至二次保护模块50的保险控制输出端FV1，并联的4个三端保险丝串联在控制板正极主输出电路中，当主控模块70或前端模块80工作异常(如电压异常、电流异常)、或NMOS开关管异常等情况下而不能正常动作时，就会启动三端保险丝，断开主输出电路，保护锂电池安全。
图5为本发明具体实施例中开关模块40的细节电路图。在本发明具体实施例中，开关模块40由由第一并联子开关阵(偏置电阻R4-R12以及NMOS开关管Q2-Q10)串联第二并联子开关阵(偏置电阻R26-R34、NMOS开关管Q12-Q20)组成，NMOS开关管是整个电路开关的重要部分，是整个保护板(指包括本发明所有电路的电路板)的执行动作器件，其中用18颗WSD75100(微硕)NMOS开关管进行并联，形成一个可以承受峰值电流、大电流的开关，具体地，第一开关控制信号P3通过偏置电阻R4-R12分别连接至NMOS开关管Q2-Q10的栅极，第二开关控制信号P4通过偏置电阻R26-R34分别连接至NMOS开关管Q12-Q20的栅极，控制板负极P-连接至NMOS开关管Q2-Q10的漏极，NMOS开关管Q2-Q10的源极连接至NMOS开关管Q12-Q20的漏极，NMOS开关管Q2-Q10的源极相连组成开关模块40的输出负极P2。
图6为本发明具体实施例中二次保护模块50的细节电路图。在本发明具体实施例中，二次保护模块50由专用芯片U3(SH367206)、隔离电阻R61-R68、第三限流电阻R60、第四限流电阻R69、滤波电容C17-C26、第一偏置电阻R42、NMOS偏置管Q23、保护二极管D11、第二偏置电阻R38、第三偏置电阻R39、滤波电容C7和保险丝驱动开关管Q21组成，其与前端模块、MCU形成了双重并联保护，它也是对每一组电池的电压进行采集电压电流。当MUC前端芯片有异常情况下，二次保护模块50是属于整个锂电池保护的最后屏障。电池组的各单节电池的正极B8-B1分别通过隔离电阻R61-R68连接至二次保护专用芯片U3(SH367206)的输入端VC1-VC8，滤波电容C19、C20、C21、C22跨接在VC1与VC2、VC2与VC3、VC3与VC4、VC4与B4间，滤波电容C23、C24、C25、C26跨接在VC5与VC6、VC6与VC7、VC7与VC8、VC8与地间，B8通过第三限流电阻R60连接至二次保护专用芯片U3(SH367206)的第一电源输入端VDD1，B4通过第四限流电阻R69连接至二次保护专用芯片U3(SH367206)的第二电源输入端VDD，滤波电容C18跨接在二次保护专用芯片U3(SH367206)的第一电源输入端VDD1与B4间，滤波电容C17跨接在二次保护专用芯片U3(SH367206)的第二电源输入端VDD与地间；专用芯片U3(SH367206)的第一输出OUT通过保护二极管D11连接至保险丝驱动开关管Q21的栅极，第二偏置电阻R38与第三偏置电阻R39的公共端和滤波电容C7的一端接保险丝驱动开关管Q21的栅极，第三偏置电阻R39的另一端、滤波电容C7的另一端和保险丝驱动开关管Q21的源极接地，保险丝驱动开关管Q21的漏极为保险控制输出端FV1；第二偏置电阻R38的另一端接NMOS偏置管Q23的源极，专用芯片U3(SH367206)的第二输出OUT1接NMOS偏置管Q23的漏极。
温度也是影响锂电池放电容量、放电速度等等重要因素，当然最重要的是安全，由于锂电池属于化学品物品，虽然大部分会很稳定，但是为了防范于未然，也需要对锂电池的内部温度、NMOS管的温度进行监控。图7为本发明具体实施例中温度采集模块60的细节电路图。在本发明具体实施例中，温度采集模块60由隔离电阻R99-R100、滤波电阻C37-C38和温度传感器NTC1-NTC2组成，温度传感器NTC1、NTC2的一端分别通过隔离电阻R99、R100连接至前端模块80的两个温度采集输入端，滤波电容C37、C38分别连接在温度传感器NTC1和隔离电阻R99的公共端、温度传感器NTC1与隔离电阻R99的公共端与地间，温度传感器NTC1、NTC2的另一端、滤波电容C37、C38另一端接地。本发明的温度测量是通过二个NTC温度采样，通过MCU温度运算，与温度曲线进行比较，以判断当前的温度是否过高或过低，当然，温度曲线也是通过MCU预先运算，以保证测量的温度的准确性。
图8为本发明具体实施例中主控模块70的细部结构图。如图8所示，主控模块70由微处理器MCU(U4，SH79F6441)、测试开关S1、隔离电阻R41及R51、保护二极管D12及D14、滤波电容C14、复位电阻R76、复位电容C12、串口隔离电阻R94-R95、串口保护二极管D20-D21以及串口插座JP3、编程插座JP1组成，微处理器MCU为整个锂电池保护板智能的大脑，MCU起到数据存储、数据运算、算法均衡、参数配置和软件控制等功能，通过持续对锂电池的实时监测实现智能保护以保证电池和负载安全，其中软件控制部分如过压保护、欠压保护、过流保护、温度保护等都是通过外部采样，MCU运算、设置、判断来实现自动保护。
具体地，微处理器MCU(U4，SH79F6441)为最小系统设置，串口接收RXD、串口发送TXD分别通过串口隔离电阻R94、R95连接至串口插座JP3，同时并联串口保护二极管D20-D21到底，CHGD信号通过隔离电阻R41连接至保护二极管D12的阳极，保护二极管D12的阴极通过测试开关S1接地，微处理器U4之一端口KEY-M通过隔离电阻R51连接至保护二极管D14的阳极，保护二极管D14的阴极通过测试开关S1接地，编程插座JP1连接电源电压VDD和地，并与微处理器U4的编程端口TCK、TDI、TMS、TDO连接，滤波电容C14跨接在微处理器U4的电源端和地间，复位电容C12跨接在微处理器U4的复位端RESET和地间，复位电阻R76跨接在微处理器U4的复位端RESET和电源VDD间。
可见，本发明通过上述具有多重保护的BMS系统的电压、电流、温度采集，可以通过设置MCU芯片内部的各个保护参数具体数字，再通过前端模块的前端芯片控制开关模块的NMOS管，可以达到过流、过压、温度过高过低、欠压时进行保护，也可以灵活配置保护电流、电压、温度等等具体的参数，相对市场固定，硬件控制的相比较，只要通过配置参数就能灵活应用多种锂电池保护。
综上所述，本发明一种具有多重保护的电源管理系统通过实现防止过充、过放、过流、短路以及高温充放电的保护功能，使得锂电池在充放电过程中不会出现过充电、过放电的状态，保护电池的使用寿命，保护锂电池组处于良好的运行工作状态；其实现的防止过流、短路保护以及高温充放电的保护功能，可保护锂电池组在使用过程中出现异常时，及时进行阻止，避免异常的进一步严重，从而实现使用的安全性。
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。任何本领域技术人员均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与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种具有多重保护的电源管理系统，包括：
由多个单节电池串联组成的电池组；
电流采集模块，串联在电源主回路上形成较低电压压降并将经过隔离保护和滤波后的电压压降传输至前端模块的电流测量输入端(RS1、RS2)；
电压采集模块,用于将滤除纹波的所述电池组电压安全可靠传输至前端模块；
保险模块，用于串联于所述电池组正极主输出通路以在主控模块或前端模块工作异常或开关模块的NMOS开关管异常而不能正常动作时在二次保护模块的保险控制输出端(FV1)的控制下开启或关闭电流通路；
开关模块，用于在前端模块输出的第一和第二开关控制信号的控制下通过开启或关闭NMOS开关管来开启或关闭电流通路；
二次保护模块，用于通过对所述电池组的每一个单节电池进行电压和电流采集以在主控模块和前端模块失效时给予所述电池组额外保护；
温度采集模块，用于对所述电池组和所述开关模块的NMOS开关管的温度进行监控并将测量电压传输至前端模块进行数字化，以在主控模块的控制下与预设温度曲线进行比较以防止所述电池组和NMOS开关管温度过高或过低；
单节电压采集模块，用于对所述电池组的单节电池的电压进行采样并输出至前端模块；
前端模块，用于将所述电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块以及单节电压采集模块的模拟输出数字化并传输至主控模块，并输出第一和第二开关控制信号至所述开关模块；
主控模块，用于接收所述前端模块数字化的电压、电流、温度数据以实现过流、过压、欠压保护并防止温度过高或过低。
2.如权利要求1所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述电流采集模块包括第一至第四采样电阻(R90-R93)、第一至第三电流测量滤波电容(C32-C34)以及第一、第二保护隔离电阻(R87、R98)，所述第一至第四采样电阻(R90-R93)并联后串联在控制板负极回路上，利用电流流经采样电阻形成电压降进行电流采样，测量4个采样电阻两端电压值，第一、第二保护隔离电阻(R87、R98)分别串联到测量线路上，第一至第三电流测量滤波电容(C32-C34)并联在测量电路两端和地之间实现滤波以稳定测量电压值，滤波后的两路测量电压(RS1、RS2)连接至所述前端模块的前端芯片的电流采样输入端(RS1、RS2)。
3.如权利要求2所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述第一至第四采样电阻(R90-R93)采用高精度低阻值的贴片电阻。
4.如权利要求2所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述电压采集模块采集时通过两个限流电阻串联保护二极管进行保护，并通过将两个滤波电容串联起来实现分压和滤波，以稳定地测量当前电池的两端电压值。
5.如权利要求4所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述电压采集模块包括第一限流电阻(R109)、第二限流电阻(R108)、保护二极管(D32)和第一、第二滤波电容(C56、C57)，所述第一限流电阻(R109)的一端连接至所述电池组的正极B+，其另一端连接所述保护二极管(D32)的阳极和第一滤波电容(C56)的一端，所述保护二极管(D32)的阴极连接至第二限流电阻(R108)的一端，第二限流电阻(R108)的另一端连接至所述前端模块的电压采集输入端，所述第一滤波电容(C56)的另一端连接至第二滤波电容(C57)的一端，所述第二滤波电容(C57)的另一端接地。
6.如权利要求5所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述保险模块由四个三端保险丝并联组成，四个三端保险丝的一端连接所述电池组的正极B+，四个三端保险丝的另一端接控制板的正极P+，四个三端保险丝的控制端连接至所述二次保护模块的保险控制输出端FV1，并联的四个三端保险丝串联在控制板正极主输出电路中。
7.如权利要求6所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述开关模块包括第一并联子开关阵串联第二并联子开关阵，所述第一并联子开关阵包括偏置电阻(R4-R12)以及第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)，第二并联子开关阵包括偏置电阻(R26-R34)、以及第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)组成，所述第一开关控制信号(P3)通过偏置电阻(R4-R12)分别连接至第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)的栅极，第二开关控制信号(P4)通过偏置电阻(R26-R34)分别连接至第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)的栅极，控制板负极P-连接至第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)的漏极，第二至第十NMOS开关管(Q2-Q10)的源极连接至第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)的漏极，第十二至第二十NMOS开关管(Q12-Q20)的源极相连组成所述开关模块的输出负极P2。
8.如权利要求7所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述二次保护模块包括二次保护专用芯片(U3)、若干隔离电阻(R61-R68)、第三限流电阻(R60)、第四限流电阻(R69)、若干滤波电容(C17-C26)、第一偏置电阻(R42)、NMOS偏置管(Q23)、保护二极管(D11)、第二偏置电阻(R38)、第三偏置电阻(R39)、滤波电容(C7)和保险丝驱动开关管(Q21)，所述电池组的各单节电池的正极(B8-B1)分别通过隔离电阻(R61-R68)连接至所述二次保护专用芯片(U3)的输入端VC1-VC8，滤波电容(C19、C20、C21、C22)跨接在VC1与VC2、VC2与VC3、VC3与VC4、VC4与B4间，滤波电容(C23、C24、C25、C26)跨接在VC5与VC6、VC6与VC7、VC7与VC8、VC8与地间，B8通过第三限流电阻(R60)连接至所述二次保护专用芯片(U3)的第一电源输入端VDD1，B4通过第四限流电阻(R69)连接至二次保护专用芯片(U3)的第二电源输入端VDD，滤波电容(C18)跨接在二次保护专用芯片(U3)的第一电源输入端VDD1与B4间，滤波电容(C17)跨接在二次保护专用芯片(U3)的第二电源输入端VDD与地间；所述二次保护专用芯片(U3)的第一输出OUT通过保护二极管(D11)连接至保险丝驱动开关管(Q21)的栅极，第二偏置电阻(R38)与第三偏置电阻(R39)的公共端和滤波电容(C7)的一端接保险丝驱动开关管(Q21)的栅极，第三偏置电阻(R39)的另一端、滤波电容(C7)的另一端和保险丝驱动开关管(Q21)的源极接地，保险丝驱动开关管(Q21)的漏极为所述保险控制输出端FV1；第二偏置电阻(R38)的另一端接NMOS偏置管(Q23)的源极，二次保护专用芯片(U3)的第二输出OUT1接NMOS偏置管(Q23)的漏极。
9.如权利要求8所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述温度采集模块包括隔离电阻(R99-R100)、滤波电阻(C37-C38v以及第一、第二温度传感器(NTC1-NTC2)，所述第一、第二温度传感器(NTC1-NTC2)的一端分别通过隔离电阻(R99-R100)连接至所述前端模块的两个温度采集输入端，滤波电阻(C37-C38)分别连接在第一温度传感器(NTC1)和隔离电阻(R99)的公共端、第一温度传感器(NTC1)与隔离电阻(R99)的公共端与地间，所述第一、第二温度传感器(NTC1-NTC2)的另一端、滤波电阻(C37-C38)另一端接地。
10.如权利要求9所述的一种具有多重保护的电源管理系统，其特征在于：所述主控模块包括微处理器MCU、测试开关(S1)、隔离电阻(R41及R51)、保护二极管(D12及D14)、滤波电容(C14)、复位电阻(R76)、复位电容(C12)、串口隔离电阻(R94-R95)、串口保护二极管(D20-D21)以及串口插座(JP3)、编程插座(JP1)，所述微处理器MCU串口接收RXD、串口发送TXD分别通过串口隔离电阻(R94-R95)连接至串口插座(JP3)，同时并联串口保护二极管(D20-D21)到地，CHGD信号通过隔离电阻(R41)连接至保护二极管(D12)的阳极，保护二极管(D12)的阴极通过测试开关(S1)接地，微处理器U4的一端口KEY-M通过隔离电阻(R51)连接至保护二极管(D14)的阳极，保护二极管(D14)的阴极通过测试开关(S1)接地，编程插座(JP1)连接电源电压VDD和地，并与微处理器U4的编程端口连接，滤波电容(C14)跨接在微处理器U4的电源端和地间，复位电容(C12)跨接在微处理器U4的复位端RESET和地间，复位电阻(R76)跨接在微处理器U4的复位端RESET和电源VDD间。
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