CN112910052B - 一种锂电池组自动休眠保护控制装置 - Google Patents

一种锂电池组自动休眠保护控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电池组自动休眠保护控制装置，包括稳压电路、运放比较电路以及唤醒电路，锂电池组的电池输出电压通过所述稳压电路给电池管理系统内部稳压供电，基准电压和电池输出电压经过运放比较电路后输出上电唤醒信号SlefDown_Ctrl，唤醒电路实现接通以及切断锂电池组对外供电。本发明的优点在于：提出一种适用于电池管理系统的锂电池组处于欠压保护后或亏电模式下的控制装置，若电池管理系统的锂电池组在亏电状态下，面板开关忘记断开，导致锂电池处于深度亏电甚至到达0V，而电池组欠压保护后还会继续消耗电池的能量，本发明对其进行保护控制，使得电池组欠压保护后切断锂电池组对外供电以及整个系统的供电电路损耗，增加了现有电池管理系统(BMS)的保护机制。

Description

一种锂电池组自动休眠保护控制装置
技术领域
本发明关于电池管理领域，特别是关于电池管理系统。
背景技术
在电池管理系统（BMS）的技术领域里，大部分电池管理系统(BMS)是主要功能包括：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。在电池充放电过程中，实时采集锂电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。
在军用UPS电源上，此电源包括AC/DC充电电源、DC/DC直流电源、DC/AC逆变电源；因UPS电源要实现不间断供电，在有市电/柴油发电机的情况下，UPS电源可通过AC/DC充电电源来给锂电池组进行充电，当无市电/柴油发电机情况下，锂电池组可以给直流或交流设备进行不间断供电。
在UPS电源工作时，大部分情况下都是无人值守的，电池管理系统（BMS）一直处于工作状态，一般的电池管理系统对只针对电池欠压进行保护，无自动休眠保护功能；针对无人值守的产品，存在工作后忘记关闭UPS系统电源开关以及锂电池组开关，随着UPS后备电源电源开关闭合的时间长短不同，会导致内部锂电池组电压亏电的程度不一，甚至会导致内部锂电池组电压为0V，严重影响了锂电池组的寿命；也有部分电池管理系统（BMS）对于亏电的锂电池组有进入低功耗模式，所谓的低功耗模式，也是有功率消耗的，这种低功率模式，只能延长锂电池组的待机时间，不能达到零功耗模式。
如申请号为201620428481.0公开的一种电池管理系统休眠控制电路，包括：主电源(U1)、休眠控制器(U2)和充电连接检测电路；主电源(U1)的输入端通过车载钥匙电连接于车载电源，休眠电源(U2)电连接于车载电源，充电连接检测电路被配置成电连接于充电枪以感应充电信号，且被配置成电连接于休眠电源(U2)以得到工作电压，充电连接检测电路还连接于主电源(U1)，在感应到充电信号的情况下，充电连接检测电路输出唤醒信号至主电源(U1)以启动主电源(U1)。该电池管理系统休眠控制电路克服现有技术中，BMS一般没有休眠电路，即使拥有休眠电路，BMS也常常需要通过手动开关来唤醒，使用极其不方便的问题。
上述专利201620428481.0一种电池管理系统休眠控制电路，专利中介绍进入休眠模式下，只是主电源(U1)进入了休眠状态，而休眠电源(U2)一直还在处于低功耗运行模式，没有真正进入系统休眠模式，随着时间推移，休眠电源(U2)也一直会损耗车载电源的功率，没有实现休眠零功耗模式。申请号为201721755248.4的专利公开了一种无功耗休眠电池系统，包括用于储存电能的电池组；用于管理电池组充放电状态的电池管理部；用于传输控制信号控制电池组和电池管理部工作状态的通信端口；所述通信端口与电池管理部电性连接；所述电池组与电池管理部之间设置有用于传输电能的电力传输导线和用于传输信号的信号导线，所述电力传输导线上设置与通信端口电性连接并受通信端口控制工作状态的半导体开关；所述导体开关与通信端口之间连接的导线上设置有调节电压的变压器。通过在电池和电源单元之间增加半导体开关，并增加滤波电容，通信端口的时钟信号作为半导体开关的启动驱动，对外信号连接只有通信线，系统接线少，电源系统在电池组长时间不使用时，实现无功耗休眠，能够大大提高系统中电池组的存电时间。
上述专利201721755248.4一种无功耗休眠电池系统，此专利中的Q1 MOSFET管内有体二极管，当MOSFET管不开通时，内部的体二极管也会将电池与电池管理单元形成回路，同时会有漏电流，不能做到零功耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何防止电池管理系统忘记关机后锂电池组电压亏电时间长的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种电池组自动休眠保护控制装置，包括稳压电路、运放比较电路以及唤醒电路，锂电池组的电池输出电压通过所述稳压电路给电池管理系统内部稳压供电，基准电压和电池输出电压经过运放比较电路后输出上电唤醒信号SlefDown _Ctrl，唤醒电路实现接通以及切断锂电池组对外供电以及BMS自身供电；
所述唤醒电路包括MOS管U2、光耦E1、继电器K1以及锂电池组前面板自锁按钮开关，锂电池组前面板自锁按钮开关按下吸合，继电器K1的5脚、6脚接入电池输入供电端，当继电器K1吸合后，继电器K1的7脚、8脚输出端作为电池输出供电端，同时给系统稳压电路和所述运放比较电路供电，MOS管U2的2脚（IN）连接到光耦E1的输出端，MOS管U2的3脚连接SWWake Up-电池电压，MOS管U2的4脚通过电阻R9接地，MOS管U2的5脚通过电阻R8接地，MOS管U2的1脚和5脚相连后连接到继电器K1的端口1，光耦E1的信号输入端连接所述运放比较电路的输出端，输入所述运放比较电路输出的上电唤醒信号SlefDown _Ctrl。
本发明设计了一种休眠保护控制电路，并且采用继电器将锂电池组与BMS管理系统以及外部电路进行物理隔离，真正实现了锂电池组休眠模式下的零功耗。
作为进一步具体的技术方案，所述光耦E1的1脚通过电阻R6接稳压电路输出端，光耦E1的2脚连接所述运放比较电路的输出端，光耦E1的2脚通过电容C12接地，光耦E1的3脚接地，光耦E1的4脚通过电阻R7连接MOS管U2的2脚。
作为进一步具体的技术方案，所述光耦E14的4脚连接到并联的电容C10和C11的一端，并联的电容C10和C11的另一端接地。
作为进一步具体的技术方案，二极管V5并联在继电器K1的两端。
作为进一步具体的技术方案，所述稳压电路包括稳压块U1、电容C1、C4、二极管V1和V2，以及电感L1，其中二极管V1的阳极连接电池输出端，阴极连接电容C1和C4并联的一端以及稳压块U1的端口1，电容C1和C4并联的另一端接地，稳压块U1的端口3和5接地，稳压块U1的端口2连接到电感L1的一端和二极管V2的阴极，二极管V2的阳极接地，稳压块U1的端口4连接到电感L1的另一端，作为直流电压输出端。
作为进一步具体的技术方案，所述电感L1的另一端同时连接到并联的电容C5、C2、C3、C6的一端，且该连接点作为直流电压输出端，并联的电容C5、C2、C3、C6的另一端接地。
作为进一步具体的技术方案，所述运放比较电路包括运算放大器N1A、电阻R1至R3、电容C8、二极管V3和V4，电阻R1的一端接稳压电路输出端，另一端接可控精密稳压源V4的阴极和电阻R2的一端，可控精密稳压源V4的阳极接地，电容C8并联在可控精密稳压源V4的两端，电阻R2的另一端连接运算放大器N1A的反向输入端，电池输出端连接运算放大器N1A的正向输入端，运算放大器N1A的基准电压端接稳压电路输出端，运算放大器N1A的输出端通过串联的电阻R3和电容C9接地，二极管V3的阳极连接在电阻R3和电容C9之间，二极管V3的阴极作为运放比较电路的输出端，输出上电唤醒信号SlefDown_ Ctrl。
作为进一步具体的技术方案，所述运放比较电路还包括电阻R4和R5，电池输出端通过串联的电阻R4和R5接地，连接运算放大器N1A的正向输入端连接在电阻R4和R5之间。
作为进一步具体的技术方案，电阻R1与可控精密稳压源V4组成2.5V稳压源输出作为运算放大器N1A的基准电源。
作为进一步具体的技术方案，该电池组自动休眠保护控制装置工作过程如下：电池面板按钮开关K1吸合后，首先通过MOS管U2的3脚接入电压后，MOS管U2内部电路工作后，MOS管U2的2脚高电平，此时MOS管U2的1脚、5脚的OUT输出高电平，直流继电器K1吸合；将电池输入通过继电器K1接通后给稳压块U1进行供电，输出+5V直流电，给运放比较电路以及唤醒电路供电，电池输出送到运放比较电路，因电池组如果输出一直在带载的模式下，输出电压会一直下降，直到运放比较电路输出上电唤醒信号SlefDown _Ctrl由高电平翻转为低电平，光耦E1的信号输入端此时为低电平，光耦E1的输出端与MOS管U2的2脚为低电平，MOS管U2的2脚为高阻态，MOS管U2的1脚、5脚的OUT输出为低电平，直流继电器K1断开；则切断了锂电池组对外供电以及整个系统的供电电路损耗。
本发明的优点在于：本发明提出一种适用于电池管理系统的锂电池组处于欠压保护后或亏电模式下的控制装置，若电池管理系统的电池组在亏电状态下，面板开关忘记断开，导致电池处于深度亏电甚至到达0V，而电池组欠压保护后还会继续消耗电池的能量，本发明对其进行保护控制，使得电池组欠压保护后切断锂电池组对外供电以及整个系统的供电电路损耗，增加了现有电池管理系统（BMS）的保护机制。
本发明一种锂电池组自动休眠保护控制装置相对于201620428481.0一种电池管理系统休眠控制电路的专利申请，实现了电池组休眠模式下的全部电源的零功耗；相对于201721755248.4一种无功耗休眠电池系统专利申请，主要采用继电器将锂电池组与BMS管理系统以及外部电路进行物理隔离，真正实现了锂电池组休眠模式下的零功耗。
附图说明
图1是本发明中稳压电路的电路图；
图2是本发明中运放比较电路的电路图；
图3是本发明中唤醒电路的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
本发明锂电池组自动休眠保护控制装置适用于电池管理系统，包括稳压电路、运放比较电路、唤醒电路、MOS管开关电路、继电器物理隔离电路。请参阅图1所示，所述稳压电路包括稳压块U1：LM2576HVS-5.0V、电容C1至C6、二极管V1和V2，以及电感L1，其中二极管V1的阳极连接电池输出端，阴极连接电容C1和C4并联的一端以及稳压块U1的端口1（Vin），电容C1和C4并联的另一端接地，稳压块U1的端口3(GND)和5(ON/OFF)接地，稳压块U1的端口2(Vo)连接到电感L1的一端和二极管V2的阴极，二极管V2的阳极接地，稳压块U1的端口4(FB)连接到电感L1的另一端，且电感L1的另一端连接到并联的电容C5、C2、C3、C6的一端，且该连接点作为直流电压输出端，并联的电容C5、C2、C3、C6的另一端接地。
所述稳压电路的工作原理如下：
在UPS电源系统上的锂电池组正极输出端经过锂电池组前面板自锁按钮开关由防反接二极管V1后经过电容C1和C4组成的滤波电路；将锂电池组电压接入到稳压块U1后，经稳压块U1、电感L1稳压输出DC5V电压后，再经过并联的电容C2、C3、C5、C6滤波后输出+5V平稳的直流电压。
请参阅图2所示，所述运放比较电路包括运算放大器N1A、电阻R1至R5、电容C8、二极管V3以及可控精密稳压源V4，电阻R1的一端接+5V电压，另一端接可控精密稳压源V4的阴极和电阻R2的一端，可控精密稳压源V4的阳极接地，电容C8并联在可控精密稳压源V4的两端，电阻R2的另一端连接运算放大器N1A的反向输入端，电池输出端通过串联的电阻R4和R5接地，连接运算放大器N1A的正向输入端连接在电阻R4和R5之间，运算放大器N1A的基准电压端接+5V电压，运算放大器N1A的输出端通过串联的电阻R3和电容C9接地，二极管V3的阳极连接在电阻R3和电容C9之间，二极管V3的阴极作为运放比较电路的输出端，输出上电唤醒信号SlefDown _Ctrl。运算放大器N1A的可选型号为OPA2365。
所述运放比较电路的工作原理如下：
电阻R1与可控精密稳压源V4组成2.5V稳压源输出作为基准电源，锂电池组电池输出经过串联的电阻R4、R5分压后经过运算放大器N1A输出高低电平，高低电平经过电阻R3输出经电容C9滤出干扰信号，通过二极管V3输出上电唤醒信号SlefDown _Ctrl。
请参阅图3所示，所述唤醒电路包括MOS管U2、光耦E1、电容C10至C12、电阻R6至R9，继电器K1以及电池面板按钮开关K1，光耦E1的1脚通过电阻R6接+5V电压，光耦E1的2脚连接所述运放比较电路的输出端，即所述运放比较电路输出的上电唤醒信号SlefDown _Ctrl输入光耦E1的2脚，且光耦E1的2脚通过电容C12接地，光耦E1的3脚接地，光耦E1的4脚连接到并联的电容C10和C11的一端以及电阻R7的一端，并联的电容C10和C11的另一端接地，电阻R7的另一端连接MOS管U2的2脚（IN），通过前面板自锁按钮开关给定电源信号SW Wake Up-电池电压到MOS管U2的3脚（Vbb）， MOS管U2的4脚（IS）通过电阻R9接地，MOS管U2的5脚（OUT）通过电阻R8接地，MOS管U2的1脚（OUT）和5脚（OUT）相连后连接到继电器。光耦E1的可选型号为TL281，MOS管U2的可选型号为BTS6163D。
所述唤醒电路的工作原理如下：
通过前面板自锁面板按钮开关接通后SW Wake Up_电池电压输入到MOS管U2的3脚，MOS管U2内部经过限流输出到2脚给电容C10、C11两端充电，当MOS管U2的2脚高电平，同时将光耦E1的4脚高电平，MOS管U2的1脚、5脚的OUT输出高电平，继电器K1吸合。通过上述描述可以理解，图1、图2、图3中的电池输出是指电池输入后经过K1继电器后的电压，图3中的电池输入是指锂电池组本身电压经过前面板自锁按钮开关后的输入。
再参阅图1和2，锂电池组前面板自锁面板按钮开关吸合后，首先通过MOS管U2的3脚接入前面板自锁按钮开关给定电源信号SW Wake Up-电池电压后，MOS管U2内部电路工作后，MOS管U2的2脚为高电平，此时MOS管U2的1脚、5脚的OUT输出高电平，继电器K1吸合；将电池输入通过继电器接通后给稳压块U1进行供电，输出+5V直流电，给运算放大器N1A供电以及作为运算放大器N1A的基准电压，以及给光耦E1供电，当电池输出经过电阻R4、R5分压后送到运算放大器N1A的3脚，通过调节电阻R4与R5的阻值可以改变锂电池组的休眠电压点；因锂电池组如果输出一直在带载的模式下，输出电压会一直下降，直到运算放大器N1A的3脚电压低于2.5V时，那么运算放大器N1A的1脚由高电平翻转为低电平，光耦E1的2脚此时为低电平，光耦E1的4脚与MOS管U2的2脚为低电平，MOS管U2的1脚、5脚的OUT输出为低电平，继电器K1断开；则物理切断了锂电池组对外供电以及整个系统的供电电路的损耗。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：包括稳压电路、运放比较电路以及唤醒电路，锂电池组的电池输出电压通过所述稳压电路给电池管理系统内部稳压供电，基准电压和电池输出电压经过运放比较电路后输出上电唤醒信号SlefDown _Ctrl，唤醒电路实现接通以及切断锂电池组对外供电以及BMS自身供电；
所述唤醒电路包括MOS管U2、光耦E1、继电器K1以及锂电池组前面板自锁按钮开关，MOS管U2的2脚连接到光耦E1的输出端，MOS管U2的4脚通过电阻R9接地，MOS管U2的5脚通过电阻R8接地，MOS管U2的1脚和5脚相连后连接到继电器K1的端口1，光耦E1的信号输入端连接所述运放比较电路的输出端，输入运放比较电路输出的上电唤醒信号SlefDown _Ctrl，继电器K1的5脚、6脚接入电池输入供电端，锂电池组前面板自锁按钮开关按下吸合，MOS管U2的3脚接入前面板自锁按钮开关给定电源信号SW Wake Up-电池电压，MOS管U2的2脚高电平，此时MOS管U2的1脚、5脚的OUT输出高电平，继电器K1吸合，继电器K1的7脚、8脚输出端作为电池输出供电端，同时给系统稳压电路和所述运放比较电路供电，锂电池组输出一直在带载的模式下，输出电压会一直下降，直到输出电压低于基准电压时上电唤醒信号SlefDown _Ctrl由高电平翻转为低电平，MOS管U2的2脚为低电平，MOS管U2的1脚、5脚的OUT输出为低电平，继电器K1断开。
2.如权利要求1所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：所述光耦E1的1脚通过电阻R6接稳压电路输出端，光耦E1的2脚连接所述运放比较电路的输出端，光耦E1的2脚通过电容C12接地，光耦E1的3脚接地，光耦E1的4脚通过电阻R7连接MOS管U2的2脚。
3.如权利要求2所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：所述光耦E1的4脚连接到并联的电容C10和C11的一端，并联的电容C10和C11的另一端接地。
4.如权利要求1所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：二极管V5并联在继电器K1的两端。
5.如权利要求1所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：所述稳压电路包括稳压块U1、电容C1、C4、二极管V1和V2，以及电感L1，其中二极管V1的阳极连接电池输出端，阴极连接电容C1和C4并联的一端以及稳压块U1的端口1，电容C1和C4并联的另一端接地，稳压块U1的端口3和5接地，稳压块U1的端口2连接到电感L1的一端和二极管V2的阴极，二极管V2的阳极接地，稳压块U1的端口4连接到电感L1的另一端，作为直流电压输出端。
6.如权利要求5所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：所述电感L1的另一端同时连接到并联的电容C5、C2、C3、C6的一端，且该连接点作为直流电压输出端，并联的电容C5、C2、C3、C6的另一端接地。
7.如权利要求1所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：所述运放比较电路包括运算放大器N1A、电阻R1至R3、电容C8、二极管V3和V4，电阻R1的一端接稳压电路输出端，另一端接可控精密稳压源V4的阴极和电阻R2的一端，可控精密稳压源V4的阳极接地，电容C8并联在可控精密稳压源V4的两端，电阻R2的另一端连接运算放大器N1A的反向输入端，电池输出端连接运算放大器N1A的正向输入端，运算放大器N1A的基准电压端接稳压电路输出端，运算放大器N1A的输出端通过串联的电阻R3和电容C9接地，二极管V3的阳极连接在电阻R3和电容C9之间，二极管V3的阴极作为运放比较电路的输出端，输出上电唤醒信号SlefDown_ Ctrl。
8.如权利要求7所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：所述运放比较电路还包括电阻R4和R5，电池输出端通过串联的电阻R4和R5接地，连接运算放大器N1A的正向输入端连接在电阻R4和R5之间。
9.如权利要求7所述的电池组自动休眠保护控制装置，其特征在于：电阻R1与可控精密稳压源V4组成2.5V稳压源输出作为运算放大器N1A的基准电源。
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