CN112671244B - 一种bms主动均衡系统的过流保护装置、方法和汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种BMS主动均衡系统的过流保护装置、方法和汽车，该装置包括：采样单元，对BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样并转换为电压，作为采样电压；保护单元，在采样电压大于参考电压上限值或小于参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号；控制单元，被配置为根据第一保护信号控制双向DC/DC变换器停止工作；在设定时长内未接收到第一保护信号的情况下，若采样电压大于设定电压上限值或小于设定电压下限值，则生成第二保护信号，并根据根据第二保护信号控制双向DC/DC变换器停止工作。该方案，通过在BMS主动均衡系统中的双向反激变换器出现过流时及时进行保护，能够提升电池供电的安全性。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种BMS主动均衡系统的过流保护装置、方法和汽车，尤其涉及一种BMS(即电池管理系统)主动均衡过流保护电路、方法和汽车。
背景技术
随着经济的发展，石油等化石燃料的使用量不断增加，导致环境问题日益严重，寻找污染小、清洁的能源是解决环境问题的主要途径。电动汽车代替燃油车是当今社会发展的主要趋势，而电池作为电动汽车的能量存储设备，必不可少，电池的性能直接关系着电动汽车的性能，亦决定着电动汽车的发展前景，亦对减少环境污染有着及其重要的作用。
由于电池是由多个单节电芯串并联组成，所以电池的寿命与每节电芯有着密切的关系。其中，电芯，是指单个含有正、负极的电化学电芯，一般不直接使用；电池含有保护电路和外壳，可以直接使用。长时间运行，电芯的不一致性问题日益严重，久而久之，整个动力电池的寿命将会大大减少。
解决电芯不一致性问题最好的方法是寻找新材料，制造耐久性更久、一致性更好的材料。但是材料革新是非常困难的。因此，需增加措施提高电芯的一致性，均衡技术油然而生。双向反激变换器是解决主动均衡的相关电路，但是当其出现过流问题时，若没有过流保护机制或者保护速度响应慢，容易造成危险，甚至影响乘客生命安全。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种BMS主动均衡系统的过流保护装置、方法和汽车，以解决BMS主动均衡系统中的双向反激变换器，出现过流时没有过流保护机制或者保护速度响应慢，容易造成危险的问题，达到通过在BMS主动均衡系统中的双向反激变换器出现过流时及时进行保护，能够提升电池供电的安全性的效果。
本发明提供一种BMS主动均衡系统的过流保护装置，包括：采样单元、控制单元和保护单元；其中，所述采样单元，被配置为对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，作为采样电压；所述保护单元，被配置为设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号；所述控制单元，被配置为在接收到所述第一保护信号的情况下，根据所述第一保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作；在设定时长内未接收到所述第一保护信号的情况下，确定所述采样电压是否大于设定电压上限值或小于设定电压下限值；若所述采样电压大于所述设定电压上限值或小于所述设定电压下限值，则生成第二保护信号，并根据根据所述第二保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作。
在一些实施方式中，所述采样单元，包括：采样模块、第一运放模块和第二运放模块；所述采样单元，对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，包括：所述采样模块，被配置为对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压；所述第一运放模块，被配置为对由采样得到的电流转换得到的电压进行第一运放处理，并将所述第一运放处理得到的电压作为所述采样电压；所述第二运放模块，被配置为对直流电源提供的电压进行第二运放处理，为所述第二运放模块提供偏置电压。
在一些实施方式中，所述第一运放模块，包括：第一比例模块、第二比例模块和第一运放器件；所述第二运放模块，包括：第一分压模块和第二运放器件；其中，所述第一比例模块，设置在所述采样模块和所述第一运放器件的同相输入端之间，还连接至所述第二运放器件的反相输入端；所述第二比例模块，设置在所述第一运放器件的反相输入端和所述第一运放器件的输出端之间；所述第一分压模块，设置在直流电源与所述第二运放器件的同相输入端之间，所述第二运放器件的反相输入端还连接至所述第二运放器件的输出端。
在一些实施方式中，所述第一运放模块，还包括：第一滤波模块；所述第一滤波模块，设置在所述第一运放器件的输出端。
在一些实施方式中，所述第二运放模块，还包括：第二滤波模块；所述第二滤波耐磨块，设置在所述第二运放器件的同相输入端。
在一些实施方式中，所述保护单元，包括：参考电压设置模块、第一比较模块和第二比较模块；其中，所述保护单元，被配置为设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号，包括：所述参考电压设置模块，被配置为对直流电源进行第一分压，得到第一分压电压，作为参考电压上限值；对直流电源进行第二分压，得到第二分压电压，作为参考电压下限值；所述第一比较模块，被配置为对所述采样电压和所述参考电压上限值进行比较，输出第一比较结果；所述第二比较模块，被配置为对所述采样电压和所述参考电压下限值进行比较，输出第二比较结果；其中，在所述第一比较为所述采样电压大于所述参考电压上限值或所述第二比较结果为所述采样电压小于所述参考电压下限值的情况下，所述第一比较模块和所述第二比较模块的输出信号为所述第一保护信号。
在一些实施方式中，所述参考电压设置模块，包括：第二分压模块、第三分压模块和第四分压模块；所述第二分压模块、所述第三分压模块和所述第四分压模块串联设置；所述第一分压模块和所述第二分压模块的公共端，输出所述参考电压上限值；所述第二分压模块和所述第三分压模块的公共端，输出所述参考电压下限值。
在一些实施方式中，所述第一比较模块，包括：第一比较器；所述第二比较模块，包括：第二比较器；其中，所述第一比较器的反相输入端，能够输入所述采样电压；所述第一比较器的同相输入端，能够输入所述参考电压上限值；所述第二比较强的同反相输入端，能够输入所述采样电压；所述第二比较器的反相输入端，能够输入所述参考电压下限值；所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端相连。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种汽车，包括：以上所述的BMS主动均衡系统的过流保护装置。
与上述汽车相匹配，本发明再一方面提供一种汽车的BMS主动均衡系统的过流保护方法，包括：通过采样单元，对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，作为采样电压；通过保护单元，设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号；通过控制单元，在接收到所述第一保护信号的情况下，根据所述第一保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作；通过控制单元，在设定时长内未接收到所述第一保护信号的情况下，确定所述采样电压是否大于设定电压上限值或小于设定电压下限值；若所述采样电压大于所述设定电压上限值或小于所述设定电压下限值，则生成第二保护信号，并根据根据所述第二保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作。
由此，本发明的方案，通过采样BMS主动均衡系统中的双向反激变换器的电流，在该电流过流的情况下利用软件保护机制和硬件保护机制中的一种保护机制控制双向反激变换器停止工作，实现过流保护，通过在BMS主动均衡系统中的双向反激变换器出现过流时及时进行保护，能够提升电池供电的安全性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的BMS主动均衡系统的过流保护装置的一实施例的结构示意图；
图2为主动均衡控制系统的一实施例的结构示意图；
图3为双向DC/DC变换器的一实施例的结构示意图；
图4为BMS主动均衡过流保护电路的一实施例的结构示意图；
图5为本发明的BMS主动均衡系统的过流保护方法的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种BMS主动均衡系统的过流保护装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。所述BMS主动均衡系统，包括：设置在蓄电池与电芯之间的双向DC/DC变换器。蓄电池是电动汽车上的常火，额定电压为24V，最低电压为18V，最高电压为32V，主动均衡工作原理：如果电芯的电压过低，则蓄电池通过双向DC/DC变换器给电芯充电。如果电芯的电压过高，则电芯通过双向DC/DC变换器给蓄电池充电，即电芯放电。采集双向DC/DC变换器上的电流，输入至MCU，MCU经过判断后是否继续输出驱动PWM。若由于负载短路或者双向DC/DC变换器中的MOS管损坏，导致双向DC/DC变换器电流过大，此时系统必须要停止运行。
所述BMS主动均衡系统的过流保护装置，包括：采样单元(如电流采样模块)、控制单元(如MCU)和保护单元。
其中，所述采样单元，被配置为对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，作为采样电压。
在一些实施方式中，所述采样单元，包括：采样模块、第一运放模块和第二运放模块。
所述采样单元，对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，包括：
所述采样模块，被配置为对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压。所述采样模块，包括：采样电阻(如电阻R)。
所述第一运放模块，被配置为基于所述第二运放模块提供的偏置电压，对由采样得到的电流转换得到的电压进行第一运放处理，并将所述第一运放处理得到的电压作为所述采样电压。
所述第二运放模块，被配置为对直流电源提供的电压进行第二运放处理，为所述第二运放模块提供偏置电压，以使所述第一运放模块，基于所述第二运放模块提供的偏置电压，对由采样得到的电流转换得到的电压进行第一运放处理，并将所述第一运放处理得到的电压作为所述采样电压。
具体地，利用电动汽车上的24V蓄电池与电芯之间进行能量的交换实现主动均衡。而能量的变换是通过变压器T实现的，变压器T的作用：一是起到隔离的作用。二是能量的变换，且为双向。即，若电芯的电压过高，则需要电芯的能量给蓄电池方向传递，即电芯放电。反之，蓄电池的能量给电芯方向传递，即电芯充电。因为存在能量双向流动的状态，所以由采样得到的电流转换得到的电压V存在双极性。
电芯放电时，此时放出来的电量要通过双向DC/DC变换器给蓄电池充电，工作过程为：首先MCU输出PWM波开通功率开关管K4和功率开关管K5一段时间，给变压器T的副边绕组进行励磁充电，然后关闭功率开关管K4和功率开关管K5，立即开通功率开关管K2和功率开关管K3一段时间，此时流过电阻R电流方向是从右至左，以蓄电池负极为参考点，V为负值。
如果给电芯充电，工作过程为：首先开通功率开关管K和功率开关管K1一段时间，给变压器T的原边绕组励磁，然后关闭功率开关管K和功率开关管K1，立即开通功率开关管K4和功率开关管K5，此时流过电阻R的电流方向从左至右，一蓄电池负极为参考点，V为正值。由此可见电压V有正负极性，所以在设计保护电路时，要考虑负值。通过第二运放模块提供偏置电压，相当于把0点定到得到的偏置电压。
因为采集电阻R上的电压为高频脉冲，所以运放器件的高带宽至少在所检测的频率的5倍以上，经过运放器件之后，波形畸变率低，采样更加精准。
在一些实施方式中，所述第一运放模块，包括：第一比例模块(如由第一组电阻R1和电阻R2构成的比例模块)、第二比例模块(如由第二组电阻R1和电阻R2构成的比例模块)和第一运放器件(如运放器件U1-1)。
所述第二运放模块，包括：第一分压模块(如由电阻R3和电阻R4构成的分压模块)和第二运放器件(如运放器件U1-2)。
其中，所述第一比例模块，设置在所述采样模块和所述第一运放器件的同相输入端之间，还连接至所述第二运放器件的反相输入端。所述第二比例模块，设置在所述第一运放器件的反相输入端和所述第一运放器件的输出端之间。
所述第一分压模块，设置在直流电源与所述第二运放器件的同相输入端之间，所述第二运放器件的反相输入端还连接至所述第二运放器件的输出端。直流电源，可以是VCC电源。
在一些实施方式中，所述第一运放模块，还包括：第一滤波模块(如电阻R5和电容C6构成的低通滤波器)。所述第一滤波模块，设置在所述第一运放器件的输出端。
在一些实施方式中，所述第二运放模块，还包括：第二滤波模块(如电容C)。所述第二滤波耐磨块，设置在所述第二运放器件的同相输入端。
具体地，U1-1和U1-2是运放器件。因为V有正负极性，但芯片只能处理正极性的信号，所以运放必须设置偏置电压。电源VCC经过分压电阻R3和电阻R4之后，得到电压V5，电容C具有滤波旁路作用，使得电压V5的电压更加稳定。电压V5接入运放器件U1-2的同相端，运放器件U1-2的负相端做反馈，即电压跟随器，电压V5＝电压V4，那么，电压V4就作为运放的偏置电压，相当于把0点定到偏置电压V4。
两组电阻R1和电阻R2中，电阻R1和电阻R2是比例运放放大电阻，运放的放大系数为R2/R1。电压V先经过运放器件U1-1的比例放大得到电压V6，如果V为正值，那么，运放器件U1-1的输出就是在电压V4基础上增加电压V6。反之，减掉电压V6。运放器件U1-1的输出值后经过电阻R5和电容C6组成的低通滤波器，得到稳定干扰小的电压V3，如果不加该低通滤波器，输出可能会有很大波动，进而引发误保护。电压V3输入到主芯片MCU中会经过软件处理，软件中会设立相应的上限和下限值，上限值标识正电压最大限值，下限值表示负电压最大限值，如果MCU判断出超过任何一个限值，则主芯片MCU认为就会触发过流保护机制，停止输出PWM，则功率开关管K1等开关管不再动作，均衡也将停止运行。
所述保护单元，被配置为设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号至所述控制单元。当然，在所述采样电压不大于所述参考电压上限值、且不小于所述参考电压下限值的情况下，则不需输出第一保护信号。
所述控制单元，被配置为在接收到所述第一保护信号的情况下，根据所述第一保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作。
所述控制单元，还被配置为在设定时长内未接收到所述第一保护信号的情况下，确定所述采样电压是否大于设定电压上限值或小于设定电压下限值。若所述采样电压大于所述设定电压上限值或小于所述设定电压下限值，则生成第二保护信号，并根据根据所述第二保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作。当然，在所述采样电压不大于所述设定电压上限值、且不小于所述设定电压下限值的情况下，则不需输出第二保护信号。其中，设定电压上限值，可以与参考电压上限值相同或不同。设定电压下限值，可以与参考电压下限值相同或不同。该设定时长，可以是软件处理的时间，可长可短。
由此，通过保护单元与控制单元如MCU结合，增加了电流采样模块和过流检测，当拓扑出现过流故障时，需启动保护电路，均衡系统停止运行。还能够将采集的电流输入至MCU，MCU内部程序做出判断比较，实现软硬件的双重保护功能，使得保护更充分，更有效。
在一些实施方式中，所述保护单元，包括：参考电压设置模块、第一比较模块和第二比较模块。
其中，所述保护单元，被配置为设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号，包括：
所述参考电压设置模块，被配置为对直流电源进行第一分压，得到第一分压电压，作为参考电压上限值。对直流电源进行第二分压，得到第二分压电压，作为参考电压下限值。
所述第一比较模块，被配置为对所述采样电压和所述参考电压上限值进行比较，输出第一比较结果。
所述第二比较模块，被配置为对所述采样电压和所述参考电压下限值进行比较，输出第二比较结果。
其中，在所述第一比较为所述采样电压大于所述参考电压上限值或所述第二比较结果为所述采样电压小于所述参考电压下限值的情况下，所述第一比较模块和所述第二比较模块的输出信号为所述第一保护信号。
由此，通过采用运放采集电流转化为电压，采用窗口比较器实现电流保护，采用电阻分压做出参考电压，采集的电压与参考电压作比较，实现硬件过流保护，具有电路简单，成本低，保护速度快优点。
在一些实施方式中，所述参考电压设置模块，包括：第二分压模块、第三分压模块和第四分压模块(如电阻R7、电阻R8和电阻R9)。所述第二分压模块、所述第三分压模块和所述第四分压模块串联设置。所述第一分压模块和所述第二分压模块的公共端，输出所述参考电压上限值。所述第二分压模块和所述第三分压模块的公共端，输出所述参考电压下限值。
具体地，VCC经过电阻R7、电阻R8、电阻R9分压后的到上限值V1和下限值V2。通过三电阻分压设定上下限值，利用MCU的故障引脚高电平能正常工作，而低电平自行停止工作的特点，实现硬件保护，响应速度快。
在一些实施方式中，所述第一比较模块，包括：第一比较器(如比较器U2-1)。所述第二比较模块，包括：第二比较器(如比较器U2-2)。其中，
所述第一比较器的反相输入端，能够输入所述采样电压。所述第一比较器的同相输入端，能够输入所述参考电压上限值。
所述第二比较强的同反相输入端，能够输入所述采样电压。所述第二比较器的反相输入端，能够输入所述参考电压下限值。所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端相连。
具体地，U2-1和U2-2为比较器，输出端必须为集电极开路的器件，其他形式的器件不能用。采用输出端集电极开路的比较器器件，输出可直接短接，后输出到MCU，简单低成本。电压V3接入MCU的同时，电压V3也同时接入到比较器U2-1的反相端和比较器U2-2的同相端，作为硬件保护电路。电流正常状态下，电压V3的值在电压V1和电压V2之间，如果是过流，电压V3会超出电压V1和电压V2的范围。通过三电阻分压设定上下限值，利用MCU的故障引脚高电平能正常工作，而低电平自行停止工作的特点，实现硬件保护，响应速度快。
电压V3接入比较器U2-1的反相端，同时接入比较器U2-2的同相端。上限值电压V1接在比较器U2-1的同相端，下限值电压V2接入U2-2的反相端。在电流正常的状态下，电压V3大于下限值电压V2，所以比较器U2-2输出高电平，电压V3小于上限值V1，比较器U2-1输出高电平，两个比较器输出短接后呈现逻辑“与”关系，所以输出到芯片MCU的信号为高电平，也就是电流正常时，比较器U2-1和比较器U2-2输出高电平。当出现过流时，电压V3会超出上限值电压V1和下限值电压V2的范围，可能是电压V3大于上限值电压V1，或者电压V3小于下限值电压V2，此时两个比较器中的一个输出为低电平，此时两个比较器“线与”之后就会出现低电平。比较器输出接入MCU的故障引脚(定义TZ)，此引脚低电平有效，高电平时，MCU正常发送PWM。当低电平时，MCU停止发送PWM。所以比较器一旦出现低电平，MCU迅速停止发送PWM，主均衡功能停止运行，起到过流保护的作用。此动作为硬件保护，保护响应迅速且可靠。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过采样BMS主动均衡系统中的双向反激变换器的电流，在该电流过流的情况下利用软件保护机制和硬件保护机制中的一种保护机制控制双向反激变换器停止工作，实现过流保护，通过在BMS主动均衡系统中的双向反激变换器出现过流时及时进行保护，能够提升电池供电的安全性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于BMS主动均衡系统的过流保护装置的一种汽车。该汽车可以包括：以上所述的BMS主动均衡系统的过流保护装置。
均衡技术分为主动均衡与被动均衡。被动均衡是高电压的电池消耗能量，从而降低电压，但是电压低的电池无法实现补充，虽然结构简单，但是局限性大、效率低。主动均衡不仅能够实现高低电压电芯的均衡，且功率损耗更低，效率高。因此，主动均衡技术能够很好地解决电芯不一致问题，增加电池的寿命。双向反激变换器是解决主动均衡的相关电路，但是当其出现过流问题时，应该能够及时保护、拓扑停止运行，此时需要用到过流保护电路。
在一些实施方式中，为了使主动均衡系统安全可靠的运行，设计一种BMS主动均衡过流保护电路，采用高带宽比例放大电路实时采集均衡拓扑电流进入MCU，然后与软件设定的上下限值比较大小，确定是否启动保护机制。通过与MCU结合，将采集的电流输入至MCU，MCU内部程序做出判断比较，实现软件保护，实现双重保护功能，使得保护更充分，更有效。
下面结合图2至图4所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
图2为主动均衡控制系统的一实施例的结构示意图。如图2所示，主动均衡控制系统，包括：蓄电池、双向DC/DC变换器、电芯、驱动电路、MCU和电流采样模块。蓄电池、电芯、驱动电路和电流采样模块，分别连接至双向DC/DC变换器。电流采样模块还经MCU连接至驱动电路。
在图2所示的例子中，蓄电池是电动汽车上的常火，额定电压为24V，最低电压为18V，最高电压为32V，主动均衡工作原理：如果电芯的电压过低，则蓄电池通过双向DC/DC变换器给电芯充电；如果电芯的电压过高，则电芯通过双向DC/DC变换器给蓄电池充电，即电芯放电。采集双向DC/DC变换器上的电流，输入至MCU，MCU经过判断后是否继续输出驱动PWM。
若由于负载短路或者双向DC/DC变换器中的MOS管损坏，导致双向DC/DC变换器电流过大，此时系统必须要停止运行。在图2所示的例子中，增加了电流采样模块和过流检测，当拓扑出现过流故障时，需启动保护电路，均衡系统停止运行。若没有过流保护机制或者保护速度响应慢，容易造成危险，甚至影响乘客生命安全。
图3为双向DC/DC变换器的一实施例的结构示意图。如图3所示，双向DC/DC变换器，包括：变压器T，功率开关管K、K1、K2、K3、K4、K5，电阻R，电容C1、C2，蓄电池。变压器T的原边绕组的第一绕组的同名端，连接至功率开关管K1中二极管的阴极，功率开关管K1中二极管的阳极连接至功率开关管K中二极管的阳极，功率开关管K中二极管的阴极经电容C1和电阻R后连接至变压器T的原边绕组的第一绕组的异名端。蓄电池与电容C1并联。变压器T的原边绕组的第二绕组的同名端，连接至变压器T的原边绕组的第一绕组的异名端。变压器T的原边绕组的第二绕组的异名端，连接至功率开关管K3中二极管的阴极，功率开关管K3中二极管的阳极，连接至功率开关管K2中二极管的阳极，功率开关管K2中二极管的阴极，连接至功率开关管K中二极管的阴极。变压器T的副边绕组的同名端，连接至功率开关管K4中二极管的阴极，功率开关管K4中二极管的阳极，连接至功率开关管K5中二极管的阳极，功率开关管K5中二极管的阴极，经电容C2后连接至变压器T的副边绕组的异名端。
在图3所示的例子中，K、K1、K2、K3、K4、K5为功率开关管，可以是MOS管或者IGBT等。V表示电阻R两端电压。因为电芯的充放电电流为固定值，所以电阻R上的电压V是一个有范围的值，如果超出这个范围，则触发保护机制。
图4为BMS主动均衡过流保护电路的一实施例的结构示意图。如图3所示，BMS主动均衡过流保护电路，包括：
本发明的方案，是利用电动汽车上的24V蓄电池与电芯之间进行能量的交换实现主动均衡。而能量的变换是通过变压器T实现的，变压器T的作用：一是起到隔离的作用；二是能量的变换，且为双向。即，若电芯的电压过高，则需要电芯的能量给蓄电池方向传递，即电芯放电；反之，蓄电池的能量给电芯方向传递，即电芯充电。因为存在能量双向流动的状态，所以图4中的电压V存在双极性。在图4所示的例子中，所有GND都与蓄电池的负极为同一电位。即蓄电池的负极为参考地。
电芯放电时，此时放出来的电量要通过双向DC/DC变换器给蓄电池充电。工作过程如下：首先MCU输出PWM波开通功率开关管K4和功率开关管K5一段时间，给变压器T的副边绕组进行励磁充电，然后关闭功率开关管K4和功率开关管K5，立即开通功率开关管K2和功率开关管K3一段时间，此时流过电阻R电流方向是从右至左，以蓄电池负极为参考点，V为负值。
如果给电芯充电，工作过程如下：首先开通功率开关管K和功率开关管K1一段时间，给变压器T的原边绕组励磁，然后关闭功率开关管K和功率开关管K1，立即开通功率开关管K4和功率开关管K5，此时流过电阻R的电流方向从左至右，一蓄电池负极为参考点，V为正值。由此可见电压V有正负极性，所以在设计保护电路时，要考虑负值。
在图4所示的例子中，U1-1和U1-2是运放器件。本发明的方案中，BMS主动均衡过流保护电路应用于BMS主动均衡电流检测，因为采集电阻R上的电压为高频脉冲，所以运放器件的高带宽至少在所检测的频率的5倍以上，经过运放器件之后，波形畸变率低，采样更加精准。
因为V有正负极性，但芯片只能处理正极性的信号，所以运放必须设置偏置电压。电源VCC经过分压电阻R3和电阻R4之后，得到电压V5，电容C具有滤波旁路作用，使得电压V5的电压更加稳定。电压V5接入运放器件U1-2的同相端，运放器件U1-2的负相端做反馈，即电压跟随器，电压V5＝电压V4，那么，电压V4就作为运放的偏置电压，相当于把0点定到偏置电压V4。
两组电阻R1和电阻R2中，电阻R1和电阻R2是比例运放放大电阻，运放的放大系数为R2/R1。电压V先经过运放器件U1-1的比例放大得到电压V6，如果V为正值，那么，运放器件U1-1的输出就是在电压V4基础上增加电压V6；反之，减掉电压V6。运放器件U1-1的输出值后经过电阻R5和电容C6组成的低通滤波器，得到稳定干扰小的电压V3，如果不加该低通滤波器，输出可能会有很大波动，进而引发误保护。电压V3输入到主芯片MCU中会经过软件处理，软件中会设立相应的上限和下限值，上限值标识正电压最大限值，下限值表示负电压最大限值，如果MCU判断出超过任何一个限值，则主芯片MCU认为就会触发过流保护机制，停止输出PWM，则功率开关管K1等开关管不再动作，均衡也将停止运行。
U2-1和U2-2为比较器，输出端必须为集电极开路的器件，其他形式的器件不能用。采用输出端集电极开路的比较器器件，输出可直接短接，后输出到MCU，简单低成本。
电压V3接入MCU的同时，电压V3也同时接入到比较器U2-1的反相端和比较器U2-2的同相端，作为硬件保护电路。VCC经过电阻R7、电阻R8、电阻R9分压后的到上限值V1和下限值V2。电流正常状态下，电压V3的值在电压V1和电压V2之间，如果是过流，电压V3会超出电压V1和电压V2的范围。通过三电阻分压设定上下限值，利用MCU的故障引脚高电平能正常工作，而低电平自行停止工作的特点，实现硬件保护，响应速度快。
在图4所示的例子中，电压V3接入比较器U2-1的反相端，同时接入比较器U2-2的同相端。上限值电压V1接在比较器U2-1的同相端，下限值电压V2接入U2-2的反相端。在电流正常的状态下，电压V3大于下限值电压V2，所以比较器U2-2输出高电平，电压V3小于上限值V1，比较器U2-1输出高电平，两个比较器输出短接后呈现逻辑“与”关系，所以输出到芯片MCU的信号为高电平，也就是电流正常时，比较器U2-1和比较器U2-2输出高电平；当出现过流时，电压V3会超出上限值电压V1和下限值电压V2的范围，可能是电压V3大于上限值电压V1，或者电压V3小于下限值电压V2，此时两个比较器中的一个输出为低电平，此时两个比较器“线与”之后就会出现低电平。比较器输出接入MCU的故障引脚(定义TZ)，此引脚低电平有效，高电平时，MCU正常发送PWM；当低电平时，MCU停止发送PWM。所以比较器一旦出现低电平，MCU迅速停止发送PWM，主均衡功能停止运行，起到过流保护的作用。此动作为硬件保护，保护响应迅速且可靠。
本发明的方案，采用高速比较器，硬件设定电流上下限值，经过比例放大电路后得到的电流值与硬件设定值比较大小来确定是否启动保护机制。通过采用运放采集电流转化为电压，采用窗口比较器实现电流保护，采用电阻分压做出参考电压，采集的电压与参考电压作比较，实现硬件过流保护，具有电路简单，成本低，保护速度快优点。并且，通过软件和硬件同时参与保护，属于双重保护，稳定可靠，更加安全可靠。其中，硬件比软件保护更迅速，且结构简单，成本低。
由于本实施例的汽车所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过采样BMS主动均衡系统中的双向反激变换器的电流，在该电流过流的情况下利用软件保护机制和硬件保护机制中的一种保护机制控制双向反激变换器停止工作，实现过流保护，保护方式简便，成本低。
根据本发明的实施例，还提供了对应于汽车的一种汽车的BMS主动均衡系统的过流保护方法，如图5所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该汽车的BMS主动均衡系统的过流保护方法可以包括：步骤S110至步骤S140。
在步骤S110处，通过采样单元，对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，作为采样电压。
在步骤S120处，通过保护单元，设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号至所述控制单元。当然，在所述采样电压不大于所述参考电压上限值、且不小于所述参考电压下限值的情况下，则不需输出第一保护信号。
在步骤S130处，通过控制单元，在接收到所述第一保护信号的情况下，根据所述第一保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作。
在步骤S140处，通过控制单元，在设定时长内未接收到所述第一保护信号的情况下，确定所述采样电压是否大于设定电压上限值或小于设定电压下限值；若所述采样电压大于所述设定电压上限值或小于所述设定电压下限值，则生成第二保护信号，并根据根据所述第二保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作。当然，在所述采样电压不大于所述设定电压上限值、且不小于所述设定电压下限值的情况下，则不需输出第二保护信号。其中，设定电压上限值，可以与参考电压上限值相同或不同。设定电压下限值，可以与参考电压下限值相同或不同。
由此，通过保护单元与控制单元如MCU结合，增加了电流采样模块和过流检测，当拓扑出现过流故障时，需启动保护电路，均衡系统停止运行；还能够将采集的电流输入至MCU，MCU内部程序做出判断比较，实现软硬件的双重保护功能，使得保护更充分，更有效。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述汽车的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过采样BMS主动均衡系统中的双向反激变换器的电流，在该电流过流的情况下利用软件保护机制和硬件保护机制中的一种保护机制控制双向反激变换器停止工作，实现过流保护，通过软件和硬件同时参与保护，属于双重保护，稳定可靠，更加安全可靠。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种BMS主动均衡系统的过流保护装置，其特征在于，包括：采样单元、控制单元和保护单元；其中，
所述采样单元，被配置为对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，作为采样电压；所述采样单元，包括：采样模块、第一运放模块和第二运放模块；所述采样单元，对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，包括：所述采样模块，被配置为对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压；所述第一运放模块，被配置为对由采样得到的电流转换得到的电压进行第一运放处理，并将所述第一运放处理得到的电压作为所述采样电压；所述第二运放模块，被配置为对直流电源提供的电压进行第二运放处理，为所述第二运放模块提供偏置电压；
所述保护单元，被配置为设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号；所述保护单元，包括：参考电压设置模块、第一比较模块和第二比较模块；其中，所述保护单元，被配置为设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号，包括：所述参考电压设置模块，被配置为对直流电源进行第一分压，得到第一分压电压，作为参考电压上限值；对直流电源进行第二分压，得到第二分压电压，作为参考电压下限值；所述第一比较模块，被配置为对所述采样电压和所述参考电压上限值进行比较，输出第一比较结果；所述第二比较模块，被配置为对所述采样电压和所述参考电压下限值进行比较，输出第二比较结果；其中，在所述第一比较为所述采样电压大于所述参考电压上限值或所述第二比较结果为所述采样电压小于所述参考电压下限值的情况下，所述第一比较模块和所述第二比较模块的输出信号为所述第一保护信号；所述参考电压设置模块，包括：第二分压模块、第三分压模块和第四分压模块；所述第二分压模块、所述第三分压模块和所述第四分压模块串联设置；所述第一分压模块和所述第二分压模块的公共端，输出所述参考电压上限值；所述第二分压模块和所述第三分压模块的公共端，输出所述参考电压下限值；
所述控制单元，被配置为在接收到所述第一保护信号的情况下，根据所述第一保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作；
在设定时长内未接收到所述第一保护信号的情况下，确定所述采样电压是否大于设定电压上限值或小于设定电压下限值；若所述采样电压大于所述设定电压上限值或小于所述设定电压下限值，则生成第二保护信号，并根据所述第二保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作；
通过采用运放采集电流转化为电压，采用窗口比较器实现电流保护，采用电阻分压做出参考电压，采集的电压与参考电压作比较，实现硬件过流保护；通过保护单元与控制单元如MCU结合，增加了电流采样模块和过流检测，当拓扑出现过流故障时，需启动保护电路，均衡系统停止运行；还能够将采集的电流输入至MCU，MCU内部程序做出判断比较，实现软硬件的双重保护功能。
2.根据权利要求1所述的BMS主动均衡系统的过流保护装置，其特征在于，所述第一运放模块，包括：第一比例模块、第二比例模块和第一运放器件；
所述第二运放模块，包括：第一分压模块和第二运放器件；
其中，
所述第一比例模块，设置在所述采样模块和所述第一运放器件的同相输入端之间，还连接至所述第二运放器件的反相输入端；所述第二比例模块，设置在所述第一运放器件的反相输入端和所述第一运放器件的输出端之间；
所述第一分压模块，设置在直流电源与所述第二运放器件的同相输入端之间，所述第二运放器件的反相输入端还连接至所述第二运放器件的输出端。
3.根据权利要求2所述的BMS主动均衡系统的过流保护装置，其特征在于，所述第一运放模块，还包括：第一滤波模块；所述第一滤波模块，设置在所述第一运放器件的输出端。
4.根据权利要求2所述的BMS主动均衡系统的过流保护装置，其特征在于，所述第二运放模块，还包括：第二滤波模块；所述第二滤波耐磨块，设置在所述第二运放器件的同相输入端。
5.根据权利要求1所述的BMS主动均衡系统的过流保护装置，其特征在于，所述第一比较模块，包括：第一比较器；所述第二比较模块，包括：第二比较器；其中，
所述第一比较器的反相输入端，能够输入所述采样电压；所述第一比较器的同相输入端，能够输入所述参考电压上限值；
所述第二比较强的同反相输入端，能够输入所述采样电压；所述第二比较器的反相输入端，能够输入所述参考电压下限值；所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端相连。
6.一种汽车，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任一项所述的BMS主动均衡系统的过流保护装置。
7.一种如权利要求6所述的汽车的BMS主动均衡系统的过流保护方法，其特征在于，包括：
通过采样单元，对所述BMS主动均衡系统中双向DC/DC变换器的电流进行采样，并将采样得到的电流转换为电压，作为采样电压；
通过保护单元，设置参考电压上限值与参考电压下限值，并在所述采样电压大于所述参考电压上限值或小于所述参考电压下限值的情况下，输出第一保护信号；
通过控制单元，在接收到所述第一保护信号的情况下，根据所述第一保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作；
通过控制单元，在设定时长内未接收到所述第一保护信号的情况下，确定所述采样电压是否大于设定电压上限值或小于设定电压下限值；若所述采样电压大于所述设定电压上限值或小于所述设定电压下限值，则生成第二保护信号，并根据所述第二保护信号控制所述双向DC/DC变换器停止工作。
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