CN112332664B - 用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法及电路。主要由电源电路及辅助电源管理芯片构成，在所述电源电路及辅助电源管理芯片之间还包含有一个开关电路，该开关电路能控制所述电源电路在需要时给辅助电源管理芯片供电；其中，所述开关电路主要包含:第一、第二开关管及定时时钟芯片，电源电路的输出电压通过二极管与第一开关管的源极连接，且第一开关管的源极与栅极之间连接有电阻，第一开关管的漏极与辅助电源管理芯片的电源连接，第一开关管的栅极通过二极管与第二开关管的漏极连接，第二开关管的栅极通过一个电阻与电源电路的5V连接；定时时钟芯片的电源与中断引脚之间设有上拉电阻，且中断引脚与第二开关管的源极电气连接。

Description

用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，尤指一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法及电路。
背景技术
电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时使用12或24块电池，有时则需要更多。而在纯电动新能源汽车中，动力电池成本占据了整车成本的1/2左右，属于纯电动汽车中及其重要的零部件。若动力电池出现亏电的情况，将会对电池造成不可逆的损伤，甚至失效，这就会对整车造成极大损失。为此，纯电动汽车一般配有一款动力电池监控电源，该电源具有定时自唤醒功能，唤醒后给BMS(电池管理系统)供电，由此BMS可以检测动力电池信息，上报给后台监控。由于此监控电源的供电由动力电池提供且自整车出厂之日起一直不断电，故监控电源的待机功耗需要越小越好。
现有的技术中，是使动力电池监控电源在没有使能信号输入时处于待机状态，只有给定使能信号或达到自唤醒时间时，才会退出待机状态进入唤醒工作状态。但待机时，监控电源还需要实现计时功能，而计时功能电路须由动力电池高压电平转换为其适合的5V低电平，这个转换的过程需用到专门的转换电路，业界用的最多的电路为单端反激电路(该电路将高压电800V电压转换为低压5V电平)，而应用这样的电路实现待机时的功耗，其最低功耗也在1.5W左右，这个功耗对于动力电池而言，显然是过高的，这部分损耗，对于长期停滞的纯电动汽车而言同样会造成动力电池亏电，损坏电池，车辆无法启动。
因而为了降低其待机功耗，急需一种能应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路。以解决监控电源待机时功耗高的弊端。
发明内容
为解决上述问题，本发明主要目的在于，提供一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法及其电路，其能够大幅降低待机功耗，减少因待机功耗过大导致的动力蓄电池亏电，其次一目的在于能提供一种更为简单的方法及电路。
为实现上述目的，本发明提供了一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路,主要由电源电路及辅助电源管理芯片(U1)构成，其特征在于，在所述电源电路及辅助电源管理芯片之间还包含有一个开关电路，该开关电路能控制所述电源电路在需要时给辅助电源管理芯片U1供电；
其中，所述开关电路主要包含:第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)及定时时钟芯片(U2)，电源电路的输出电压通过二极管D2与第一开关管(Q1)的源极(S)连接，且第一开关管(Q1)的源极(S)与栅极(G)之间连接有电阻(R3)，第一开关管(Q1)的漏极(D)与辅助电源管理芯片(U1)的电源(VCC)连接，第一开关管(Q1)的栅极(G)通过二极管(D3)与第二开关管(Q2)的漏极(D)连接，第二开关管(Q2)的栅极(G)通过一个电阻R4与电源电路的5V连接；
定时时钟芯片(U2)的电源(VDD)与中断引脚(INT)之间设有上拉电阻(R5)，且中断引脚(INT)与第二开关管(Q2)的源极(S)电气连接。
较佳的，所述待机电路在监控电源在待机时，能将第一开关管(Q1)关断，使辅助电源管理芯片(U1)断电。
较佳的，所述电源电路包含分压电阻(R1、R2)、稳压二极管D1、电解电容(CD1)和稳压芯片(V1)，所述电源电路输入与动力电池连接，分压电阻(R1、R2)和稳压二极管D1串联于输入电压端及地(GND)之间，稳压二极管D1与电解电容(CD1)并联；
其中输入的电压，经由分压电阻(R1、R2)和稳压二极管D1分压，然后连接于稳压芯片(V1)，将电压转换为5V电平。而且由于稳压二极管D1为16V的稳压管，且电解电容CD1与其并联，这样电解电容CD1的电压Ucd1为16V，即输出电压为16V。
所述定时芯片U2的引脚SCL和SDA用于接收外部数据，以根据数据定时要求，进行待机和唤醒的状态区分。
本发明还提供了一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法，应用于上述任一权利要求的电路，其控制方法：监控电源在待机时，时钟芯片(U2)的中断引脚INT由于外部5V及上拉电阻(R5)的作用，第二开关管Q2的栅极(G)极为5V,由于第二开关管(Q2)的栅极也是通过串联电阻R4与外部5V连接，所以第二开关管(Q2)的栅极也是5V,这时，第二开关管(Q2)关断，进而导致第一开关管(Q1)的栅源极之间不能充电，使第一开关管(Q1)也关断，辅助电源管理芯片(U1)供电引脚7脚不能供电，反激电路不能工作，以降低了损耗；
而定时芯片(U2)从监控电源待机时刻起就开始计时，唤醒时间到，定时芯片中断引脚(INT)输出低电平，此时第二开关管(Q2)的栅极为低电平，故5V通过电阻R4给第二开关管(Q2)栅源极充电，则其导通，二极管D3阴极被拉低为GND.此时，电容(CD1)通过二极管D2、电阻R3、二极管D3给第一开关管Q1的栅源极充电，使其漏源及导通，电容(CD1)通过二极管D2、第一开关管(Q1)给辅助电源管理芯片(U1)供电，从而使监控电源被唤醒进入正常工作；
由此就完成了由待机到唤醒的过程，等到需要待机时，定时芯片(U2)的中断引脚(INT)输出高电平，则第一及第二开关管(Q2、Q1)均关断，则辅助电源管理芯片U1供电断开，监控电源进入休眠状态。
本发明有益效果在于，借助上述技术方案，提供了一款超低功耗待机电路,该电路最大待机功耗<60mW。其仅使用1颗LDO芯片(低压差线性稳压器)，1颗RTC芯片(实时时钟芯片)和一些简单的外围器件来实现监控电源的待机电路，能够大幅降低待机功耗，减少因待机功耗过大导致的动力蓄电池亏电。
附图说明
图1为本发明的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路。
其中：
Vin 动力电池输入(高压800V)
V1 为5V稳压芯片
U1 辅助电源管理芯片
U2 定时时钟芯片。
R1、R2 电阻
D1 稳压二极管
CD1 电解电容
Ucd1 电解电容CD1的电压
D2 二极管
Q1 MOS管。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
经仔细分析，为解决待机时处于低功耗的状态，本发明需要解决如下五个问题：
1)在待机时，将主要损耗部分(内部供电)断开；以实现待机时低损耗；
2)但需要解决在正常工作时，内部能恢复工作(否则，一直低功耗，无法正常工作，失去了产品的价值)；
3)既然需要能决定或判断待机和开机的状态，内部需要有判断的机制；
4)如需要能进行判断的机制，内部便需要有供电，此供电在断开内部供电时，要有额外的供电，并需要特殊处理：1.供电电压不能过高导致损坏内部器件，也不能过低不能满足正常供电要求；
2.此部分供电需要设计好损耗，待机状态下(内部供电已经切断)存在的损耗，其实就是用于判断机制的供电需要产生的损耗；损耗太大无法实现待机状态的低功耗；损耗太小无法满足供电需要；
5)为能实现尽可能的低功耗，需要选择功率需求尽可能低的并适用于进行判断和控制的器件(要有合适的电压需求和功率需要)
为此，发明人提供了本发明的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路，其为一个硬件电路，能实现动力电池监控电源待机时的低功耗。其电路原理图如图1所示。
本发明的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路，主要是由5V稳压芯片V1、定时时钟芯片U2、辅助电源管理芯片U1、MOS管Q1(第一开关管)、及MOS管Q2(第二开关管)构成。
其中，是以5V稳压芯片V1为主构成电源电路，该电源电路将动力电池输入的电压转换为16V输出及给供定时时钟芯片U2供电的5V电压；
如图1所示，电源电路的16V输出电压是通过二极管D2以及MOS管Q1与辅助电源管理芯片U1电气连接，并由定时时钟芯片U2控制Q1导通和关断以在需要时给辅助电源管理芯片U1供电。
电源电路的16V输出电压通过二极管D2与第一开关管Q1的源极S连接，且第一开关管Q1的源极S与栅极G之间连接有电阻R3，第一开关管Q1的漏极D与辅助电源管理芯片U1的电源VCC连接，第一开关管Q1的源极S通过二极管D3与第二开关管Q2的漏极D连接，第二开关管Q2的栅极G通过一个电阻R4与电源电路的5V连接。
定时时钟芯片U2的电源VDD与中断引脚INT之间设有上拉电阻R5，且中断引脚INT与第二开关管Q2的源极S电气连接。
其中，在本具体实施例中，具有开关作用的第一开关管Q1选为P沟道MOS管。可在监控电源在待机时，将第一开关管Q1关断，这样待机时辅助电源管理芯片U1(反激电路控制芯片)就会断电，从而在整个监控电源的待机损耗中，将反激电路引起的损耗去除，从而大大降低待机损耗。
而控制第一开关管Q1的导通和关断是由定时时钟芯片U2通过断引脚INT及上拉电阻R2控制第二开关MOS管Q2(一般选取N沟道MOS)进行控制。
该电路的具体工作方式为：动力电池输入高压800V，经由电阻R1、R2和稳压二极管D1分压，由于稳压二极管D1为16V的稳压管，且电解电容CD1与其并联，这样电解电容CD1的电压Ucd1为16V。此电压一路连接于稳压芯片V1，将16V电平转换为5V电平，给供定时时钟芯片U2供电；另一路连接于二极管D2以及MOS管Q1，给辅助电源管理芯片U1供电。Q1一般选取为P沟道MOS管，具有开关作用。选用Q1的目的就是利用其开关作用，使得监控电源待机时Q1关断，这样待机时辅助电源管理芯片U1(反激电路控制芯片)就会断电，从而将整个监控电源的待机损耗中，就可以去除反激电路引起的损耗，这样就能大大降低待机损耗。控制Q1导通和关断的器件为定时时钟芯片U2。
具体的控制方式为：
监控电源在待机时，时钟芯片U2的中断引脚INT由于外部5V及上拉电阻R5的作用，MOS管Q2(一般选取N沟道MOS)的S极为5V,由于Q2的栅极也是由外部5V串联电阻R4，所以Q2的栅极也是5V,所以这时，Q2是关断的。由于Q2的关断，导致Q1的栅源极之间不能充电，所以Q1也是关断的，故此U1供电引脚7脚不能供电，反激电路不能工作，降低了损耗。
定时芯片U2从监控电源待机时刻起就开始计时，唤醒时间到，定时芯片中断引脚INT输出低电平，此时Q2的S极为低电平，故5V通过R4给Q2栅源极充电，则Q2导通，二极管D3阴极被拉低为GND.此时，电容CD1(16V)就可以通过D2、R3、D3给Q1的栅源极充电，此时Q1的漏源及导通。这时CD1的通过D2、Q1给U1供电，此时，监控电源被唤醒进入正常工作。其中，定时芯片U2是通过引脚SCL和SDA接收外部数据，根据数据定时要求，进行待机和唤醒的状态区分。在本具体实施例中是使用是通过I2C总线与产品主控制芯片(如DSP芯片)进行数据传输。
另外，如对成本要求不高，亦可结合实际应用，此芯片可采用其他产品MCU或DSP芯片替代(实际功耗与选择的芯片功耗直接相关)。
由此就完成了由待机到唤醒的过程，等到需要待机时，定时芯片U2的中断引脚INT输出高电平，则Q2、Q1均关断，则U1供电断开，监控电源进入休眠状态。
待机功耗计算：Vin*(Vin-16)/(R1+R2)＝800*786/12000000＝52.26mW。
由此可见，该电路将原来的待机损耗1.5W，降低为52.26mW,对动力电池而言，大大降低了其待机损耗，减小了其亏电风险。
为了解决待机功耗的问题，本发明专门设计的上述低功耗的待机电路，使得动力电池监控电源待机时的功耗不超过60mW。将待机功耗降低为原来的3.75％左右，从而大大的降低了待机功耗。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路,主要由电源电路及辅助电源管理芯片(U1)构成，其特征在于，在所述电源电路及辅助电源管理芯片之间还包含有一个开关电路，该开关电路能控制所述电源电路在需要时给辅助电源管理芯片(U1)供电；
其中，所述开关电路主要包含:第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)及定时时钟芯片(U2)，电源电路的输出电压通过二极管D2与第一开关管(Q1)的源极(S)连接，且第一开关管(Q1)的源极(S)与栅极(G)之间连接有电阻R3，第一开关管(Q1)的漏极(D)与辅助电源管理芯片(U1)的电源(VCC)连接，第一开关管(Q1)的栅极(G)通过二极管D3与第二开关管(Q2)的漏极(D)连接，第二开关管(Q2)的栅极(G)通过一个电阻R4与电源电路的5V连接；
定时时钟芯片(U2)的电源(VDD)与中断引脚(INT)之间设有上拉电阻(R5)，且中断引脚(INT)与第二开关管(Q2)的源极(S)电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路，其特征在于，所述待机电路在监控电源在待机时，能将第一开关管(Q1)关断，使辅助电源管理芯片(U1)断电。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路，其特征在于，所述电源电路包含分压电阻(R1、R2)、稳压二极管D1、电解电容(CD1)和稳压芯片(V1)，所述电源电路输入与动力电池连接，分压电阻(R1、R2)和稳压二极管D1串联于输入电压端及地(GND)之间，稳压二极管D1与电解电容(CD1)并联；
其中输入的电压，经由分压电阻(R1、R2)和稳压二极管D1分压，然后连接于稳压芯片(V1)，将电压转换为5V电平。
4.根据权利要求3所述的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机电路，其特征在于，所述稳压二极管D1为16V的稳压管。
5.一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法，应用于上述任一权利要求的电路，其特征在于：监控电源在待机时，定时时钟芯片(U2)的中断引脚(INT)由于外部5V及上拉电阻(R5)的作用，第二开关管(Q2)的栅极(G)极为5V,由于第二开关管(Q2)的栅极也是通过串联电阻R4与外部5V连接，所以第二开关管(Q2)的栅极也是5V,这时，第二开关管(Q2)关断，进而导致第一开关管(Q1)的栅源极之间不能充电，使第一开关管(Q1)也关断，辅助电源管理芯片(U1)供电引脚7脚不能供电，反激电路不能工作，以降低了损耗；
而定时时钟芯片(U2)从监控电源待机时刻起就开始计时，唤醒时间到，定时芯片中断引脚(INT)输出低电平，此时第二开关管(Q2)的栅极为低电平，故5V通过电阻R4给第二开关管(Q2)栅源极充电，则其导通，二极管D3阴极被拉低为地(GND)，此时，电容(CD1)通过二极管D2、电阻R3、二极管D3给第一开关管(Q1)的栅源极充电，使其漏源及导通，电容(CD1)通过二极管D2、第一开关管(Q1)给辅助电源管理芯片(U1)供电，从而使监控电源被唤醒进入正常工作；
由此就完成了由待机到唤醒的过程，等到需要待机时，定时时钟芯片(U2)的中断引脚(INT)输出高电平，则第一及第二开关管(Q2、Q1)均关断，则辅助电源管理芯片(U1)供电断开，监控电源进入休眠状态。
6.根据权利要求5所述的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法，其特征在于，所述定时时钟芯片(U2)是通过引脚SCL和SDA接收外部数据，根据所接收的数据定时要求，进行待机和唤醒的状态区分。
7.根据权利要求6所述的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法，其特征在于，所述的外部数据是通过I2C总线与产品主控制芯片进行数据传输。
8.根据权利要求7所述的一种应用于纯电动汽车动力电池监控电源的低功耗待机方法，其特征在于，所述产品主控制芯片为DSP芯片或MCU芯片。
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