CN113253159B - 电池包负载识别和电压检测电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池包负载识别和电压检测电路及其工作方法，该电路控制单元、电压检测单元以及负载识别单元，控制单元，用于输出信号至负载识别信号；负载识别单元，用于根据负载识别信号断开充放电，采集负载是否接入的信号并反馈至控制单元；电压检测单元，用于当负载接入时，采集负载的两端电压，并输入至控制单元；通过控制单元输出电平信号，采用负载识别单元对负载的两个端脚是否存在电平进行检测，并将信号反馈至控制单元，以进行有无负载的接入的检测，当有负载接入时，利用电压检测单元对负载两端电压的检测，并将信号反馈至控制单元。本发明整个电路采用基础元件构成，成本低，实用性强。

Description

电池包负载识别和电压检测电路及其工作方法

技术领域

本发明涉及负载检测电路，更具体地说是指电池包负载识别和电压检测电路及其工作方法。

背景技术

目前新能源电池包内的电芯使用较多的一般有铅酸电池和锂电池两种，而锂电池包内一般都集成BMS（电池管理系统，BATTERY MANAGEMENT SYSTEM）保护板，电池包的使用场景有两/三轮电动车、四轮电动车、储能电站以及通讯基站等，为了功能安全并有效的提供电池的使用效率，电池包充放电负载的智能识别变得尤为重要。比如换电市场车子上的欠电的电池包经常并取下并给车子换上满电的电池包，这个过程中打火现象是不允许发生的；还比如电池包被插上充电机时需要检测电池包两端的电压，以防止充电机和电池电压不匹配而发生安全事故的情况。

现有的技术对于负载的识别和充电机的输出电压所采用的电子元器件较为复杂，且成本较高，并没有对负载端的电压进行精准检测，在综合使用上限制性较大。

因此，有必要设计一种新的电路，实现精准识别负载，并对负载端的电压进行精准检测，且成本低，实用性强。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供电池包负载识别和电压检测电路及其工作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：电池包负载识别和电压检测电路，包括控制单元、电压检测单元以及负载识别单元，所述控制单元，用于负载识别信号至负载识别单元；所述负载识别单元，用于根据所述负载识别信号断开充放电，采集负载是否接入的信号并反馈至所述控制单元；所述电压检测单元，用于当负载接入时，采集负载的两端电压，并输入至所述控制单元；通过所述控制单元输出电平信号，采用所述负载识别单元对负载的两个端脚是否存在电平进行检测，并将所述信号反馈至所述控制单元，以进行有无负载的接入的检测，当有负载接入时，利用电压检测单元对负载两端电压的检测，并将信号反馈至所述控制单元。

其进一步技术方案为：还包括供电电源，所述负载识别单元包括放电开关元件、充电开关元件、第一开关元件以及第二开关元件，所述放电开关元件与所述充电开关元件连接，所述放电开关元件与所述控制单元连接；所述充电开关元件与所述负载连接，所述控制单元与所述第二开关元件连接，所述第二开关元件与所述第一开关元件连接，所述第一开关元件分别与所述控制单元以及所述供电电源连接；所述控制单元输出电平信号，所述充电开关元件和所述放电开关元件断开，当控制单元输入的信号与所述控制单元的电平信号相反时，表示有负载接入；当控制单元输入的信号与所述控制单元的电平信号相同时，表示无负载接入。

其进一步技术方案为：所述第一开关元件包括三极管Q3。

其进一步技术方案为：所述第二开关元件包括三极管Q6，所述三极管Q3的基极与所述负载连接，所述三极管Q3的发射极与所述三极管Q6的集电极连接，所述三极管Q6的发射极接地，所述三极管Q6的基极与所述控制单元连接。

其进一步技术方案为：所述三极管Q6的基极与所述控制单元之间连接有电阻R12，所述三极管Q6的集电极与所述三极管Q6的发射极之间并联有滤波电容C2，所述滤波电容C2并联有电阻R15，所述三极管Q6的集电极与所述三极管Q3的基极之间连接有电阻R9。

其进一步技术方案为：所述三极管Q3的基极与所述负载之间连接有电阻R6，所述三极管Q3的集电极与所述供电电源之间连接有电阻R2，所述控制单元与所述电阻R2连接。

其进一步技术方案为：所述电压检测单元包括钳位子单元、分压子单元以及转换子单元，所述钳位子单元与所述控制单元连接，所述分压单元与所述负载连接，所述分压子单元与所述转换子单元连接，所述转换子单元与所述钳位子单元连接，所述钳位子单元与所述放电开关元件连接。

其进一步技术方案为：所述分压子单元包括电阻R7以及电阻R10，所述电阻R7以及所述电阻R10串联，所述电阻R7的一端连接有三极管Q1，所述三极管Q1的发射极与负载连接，所述电阻R10的另一端通过二极管D3分别与所述充电开关元件以及所述负载连接。

其进一步技术方案为：所述转换子单元包括电阻R4，所述钳位子单元包括三极管Q4以及三极管Q5，所述三极管Q4的发射极通过所述电阻R4连接在所述三极管Q1的集电极与电阻R7之间；所述三极管Q4的集电极与所述三极管Q5的基极连接，所述三极管Q5的集电极与所述三极管Q4的发射极连接，所述三极管Q5的发射极与所述控制单元连接，所述三极管Q5的发射极通过电阻R13接地。

其进一步技术方案为：所述三极管Q1的发射极通过电阻R1与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的基极通过电阻R3连接有三极管Q2，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极与所述控制单元连接。

本发明还提供了电池包负载识别和电压检测电路的工作方法，包括：

通过控制单元输出电平信号，采用负载识别单元对负载的两个端脚是否存在电平进行检测，并将信号反馈至所述控制单元，以进行有无负载的接入的检测，当有负载接入时，利用电压检测单元对负载两端电压的检测，并将信号反馈至控制单元。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过设置控制单元、电压检测单元以及负载识别单元，利用负载识别单元在BMS系统处于有电或掉电状态结合控制单元实现负载是否接入的识别，可精准识别负载，利用电压检测单元检测负载端的电压进行精准检测，整个电路采用基础元件构成，成本低，且实用性强。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例提供的电池包负载识别和电压检测电路的示意性框图；

图2为本发明具体实施例提供的负载识别单元的具体电路原理图；

图3为本发明具体实施例提供的电压检测单元的具体电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

如图1～3所示的具体实施例，本实施例提供的电池包负载识别和电压检测电路，可以运用在两/三轮电动车、四轮电动车、储能电站以及通讯基站等，只需要电池包PACK+和PACK- 两根动力线而无需其他辅助信号线，其组成部分包括低功耗单片机、低功耗高精度电压转换电路、负载接入移除检测电路，由单片机、二极管、三极管、阻容件等简单器件组成，具备成本低、逻辑简单、灵活性高、实用性强等优点。

请参阅图1，上述的电池包负载识别和电压检测电路，包括控制单元10、电压检测单元30以及负载识别单元20，控制单元10，用于负载识别信号至负载识别单元；负载识别单元20，用于根据负载识别信号断开充放电，采集负载是否接入的信号并反馈至控制单元10；电压检测单元30，用于采集负载的两端电压，并输入至控制单元10。

在本实施例中，通过控制单元10输出电平信号，采用负载识别单元20对负载的两个端脚是否存在电平进行检测，并将信号反馈至控制单元10，以进行有无负载的接入的检测，另外，当有负载接入时，利用电压检测单元20对负载两端电压的检测，并将信号反馈至所述控制单元10，实现各种应用场景的电池包负载识别。

在一实施例中，上述的电池包负载识别和电压检测电路还包括供电电源，负载识别单元20包括放电开关元件、充电开关元件、第一开关元件以及第二开关元件，放电开关元件与充电开关元件连接，放电开关元件与控制单元10连接；充电开关元件与负载连接，控制单元10与第二开关元件连接，第二开关元件与第一开关元件连接，第一开关元件分别与控制单元10以及供电电源连接。控制单元10输出电平信号，充电开关元件和放电开关元件断开，当控制单元10输入的信号与所述控制单元10的电平信号相反时，表示有负载接入；当控制单元10输入的信号与所述控制单元10的电平信号相同时，表示无负载接入。

当BMS系统有电时，控制单元10可以置高电平信号Load_Check_CTRL使能；也就是控制单元10输入第二开关元件高电平信号，该电路断开充电开关元件和放电开关元件，当负载连接的端脚“PACK-”有对GND的高电压时，输入至控制单元10的Load_Check_MCU信号为低电平信号，中断通知控制单元10负载接入；当负载连接的端脚“PACK-”对GND无高电压时，输入至控制单元10的Load_Check_MCU信号为高电平，表明无负载接入；当BMS系统掉电时，此时充电开关元件和放电开关元件都是断开的，那么当有负载接入时，利用滤波电容C2的交流特性，此时第一开关元件的基极将会有短时间的电流流入而进入饱和态，输入至控制单元10的Load_Check_MCU信号被拉为低电平信号，进而中断通知控制单元10有负载接入。

在一实施例中，请参阅图2，上述的第一开关元件包括三极管Q3，第二开关元件包括三极管Q6，三极管Q3的基极与负载连接，三极管Q3的发射极与三极管Q6的集电极连接，三极管Q6的发射极接地，三极管Q6的基极与控制单元10连接。

具体地，三极管Q6的基极与控制单元10之间连接有电阻R12，三极管Q6的集电极与三极管Q6的发射极之间并联有滤波电容C2，滤波电容C2并联有电阻R15，三极管Q6的集电极与三极管Q3的基极之间连接有电阻R9，上述的三极管Q6的基极通过电阻R14接地。

在一实施例中，请参阅图2，上述的三极管Q3的基极与负载之间连接有电阻R6，三极管Q3的集电极与供电电源之间连接有电阻R2，控制单元10与电阻R2连接。

在本实施例中，请参阅图2，当BMS系统有电时，Load_Check_CTRL为高电平时，若Load_Check_MCU的状态为控制单元10输出高电平，则表明无负载接入，若Load_Check_MCU的状态为控制单元10输出低电平，则表明有负载接入；Load_Check_CTRL的状态为控制单元10输出低电平时，若Load_Check_MCU的状态为控制单元10输出高电平，则表明无负载接入，若Load_Check_MCU的状态为控制单元10输出低电平，则表明有负载接入；当BMS系统掉电时，此时Load_Check_CTRL无输入，若Load_Check_MCU的状态为控制单元10输出高电平，则表明无负载接入，若Load_Check_MCU的状态为控制单元10输出低电平，则表明有负载接入。

负载识别单元20采用的均是基础元件，成本很低功耗很低而且使用灵活，通过简单的三极管信号放大并用结合逻辑控制及判断，实现满足各种应用场景的电池包负载识别功能需求的解决方案。

在一实施例中，上述的电压检测单元30包括钳位子单元、分压子单元以及转换子单元，钳位子单元与控制单元10连接，分压单元与负载连接，分压子单元与转换子单元连接，转换子单元与钳位子单元连接，钳位子单元与放电开关元件连接。

在一实施例中，请参阅图3，上述的分压子单元包括电阻R7以及电阻R10，电阻R7以及电阻R10串联，电阻R7的一端连接有三极管Q1，三极管Q1的发射极与负载连接，电阻R10的另一端通过二极管D3分别与充电开关元件以及负载连接。

转换子单元包括电阻R4，钳位子单元包括三极管Q4以及三极管Q5，三极管Q4的发射极通过电阻R4连接在三极管Q1的集电极与电阻R7之间；三极管Q4的集电极与三极管Q5的基极连接，三极管Q5的集电极与三极管Q4的发射极连接，三极管Q5的发射极与控制单元10连接，三极管Q5的发射极通过电阻R13接地。

在一实施例中，请参阅图3，上述的三极管Q1的发射极通过电阻R1与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的基极通过电阻R3连接有三极管Q2，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极与控制单元10连接。

具体地，当充电开关元件和放电开关元件断开后，控制单元10置高信号Load_Volt_CTL使能该电路，即控制单元10设置三极管Q2的基极的信号为高电平，容性负载或充电机电压先通过电阻R7和电阻R10分压，将电阻R7上电压同步转换到电阻R4上，因为电阻R4上的电流和电阻R13上电流基本相同，所以电阻 R3上的电压被控制单元10的AD采集后，经过运算而得出容性负载或充电机上的电压；等效运算关系为

；此处忽略了对三极管Q1、三极管Q4、三极管Q5上压降的计算，因为三极管饱和CE电压极小基本为0.1V可以忽略，如果一定要精细计算需要把理论CE电压加入公式，并通过实际标定给出偏差系数K，即

实际 =

理论* K，K值和电路参数及使用环境有关，一般情况K约等于1。利用达林顿三极管的高放大倍数特性，使得三极管Q4的基极B电流近乎为0.1uA相较于电阻R7上的30uA的电流可以忽略,使得电阻R7上的电压直接按电阻R7和电阻R10分压计算，由此计算得到负载的两端电压。且电压检测单元30所采用的器件均是基础原件，通过简单的三极管信号放大、三极管电平转换、控制单元10模拟电压采样等电路，并用结合逻辑控制及判断，实现满足各种应用场景的电池包负载识别功能需求，成本很低功耗很低而且使用灵活。

利用电容C2的交流特性，三极管Q4、三极管Q5组成的达林顿三极管及电压钳位作用，及负载接入移除检测电路与容性负载/充电机电压检测电路的使用逻辑配合，从而可以实现各种应用场景的电池包负载识别功能。

在本实施例中，上述的放电开关元件为但不局限于开关管，比如三极管等，上述的充电开关件为但不局限于开关管，比如三极管等。

另外，在本实施例中，上述的三极管Q2的基极通过电阻R5与控制单元10连接，上述的三极管Q2的基极与三极管Q2的发射极通过电阻R8连接，上述的三极管Q2的发射极接地。

在本实施例中，上述的控制单元10包括单片机，单片机实现信号采集，逻辑控制，逻辑判断等功能。该单片机的型号为但不局限于8051。

以车电结合防打火设计为例，因为容性负载电压可以被检测到，当电池和车子没有分离时，放电开关元件以及充电开关元件断开后，2000-3000uF的电控输入电容上的电是不可能瞬间降到0V的，需要只是ms以上级的放电过程，而这个过程被控制单元10捕捉到，则可以判断电池包和车子没有分离；如果车子和电池包分离了，那么当放电开关元件以及充电开关元件断开后PACK-相当于悬空，即便控制单元10可以捕获容性负载电压下降过程，因为时间时us级的，则可以判定为电池包和车子已经分开了，结合负载接入移除检测电路的功能，当电池包再次和车子结合时可以被控制单元10识别到，那么只需要延时200ms左右就可以闭合放电开关元件以及充电开关元件了，因为200ms足够车电结合完成时间，从而实现了车电结合防打火的功能，整个电路课用于新能源电池行业各种应用场景的智能电池包负载识别功能需求的场景中，涵盖两/三轮电动车的防打火设计，电池包容性负载预充电，电池包短路保护等应用。

在本实施例中，上述的负载可以为容性负载或者充电机。

上述的电池包负载识别和电压检测电路，通过设置控制单元10、电压检测单元30以及负载识别单元20，利用负载识别单元20在BMS系统处于有电或掉电状态结合控制单元10实现负载是否接入的识别，可精准识别负载，利用电压检测单元30检测负载端的电压进行精准检测，整个电路采用基础元件构成，成本低，且实用性强。

在一实施例中，还提供了电池包负载识别和电压检测电路的工作方法，包括：

通过控制单元10输出电平信号，采用负载识别单元20对负载的两个端脚是否存在电平进行检测，并将信号反馈至控制单元10，以进行有无负载的接入的检测，当有负载接入时，利用电压检测单元20对负载两端电压的检测，并将信号反馈至所述控制单元10。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述电池包负载识别和电压检测电路的工作方法的具体实现过程，可以参考前述的电池包负载识别和电压检测电路实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (1)

1.电池包负载识别和电压检测电路，其特征在于，包括控制单元、电压检测单元以及负载识别单元，所述控制单元，用于负载识别信号至负载识别单元；所述负载识别单元，用于根据所述负载识别信号断开充放电，采集负载是否接入的信号并反馈至所述控制单元；所述电压检测单元，用于当负载接入时，采集负载的两端电压，并输入至所述控制单元；通过所述控制单元输出电平信号，采用所述负载识别单元对负载的两个端脚是否存在电平进行检测，并将所述信号反馈至所述控制单元，以进行有无负载的接入的检测，当有负载接入时，利用电压检测单元对负载两端电压的检测，并将信号反馈至所述控制单元；

还包括供电电源，所述负载识别单元包括放电开关元件、充电开关元件、第一开关元件以及第二开关元件，所述放电开关元件与所述充电开关元件连接，所述放电开关元件与所述控制单元连接；所述充电开关元件与所述负载连接，所述控制单元与所述第二开关元件连接，所述第二开关元件与所述第一开关元件连接，所述第一开关元件分别与所述控制单元以及所述供电电源连接；所述控制单元输出电平信号，所述充电开关元件和所述放电开关元件断开，当控制单元输入的信号与所述控制单元的电平信号相反时，表示有负载接入；当控制单元输入的信号与所述控制单元的电平信号相同时，表示无负载接入；

所述第一开关元件包括三极管Q3；

所述第二开关元件包括三极管Q6，所述三极管Q3的基极与所述负载连接，所述三极管Q3的发射极与所述三极管Q6的集电极连接，所述三极管Q6的发射极接地，所述三极管Q6的基极与所述控制单元连接；

所述三极管Q6的基极与所述控制单元之间连接有电阻R12，所述三极管Q6的集电极与所述三极管Q6的发射极之间并联有滤波电容C2，所述滤波电容C2并联有电阻R15，所述三极管Q6的集电极与所述三极管Q3的基极之间连接有电阻R9；

所述三极管Q3的基极与所述负载之间连接有电阻R6，所述三极管Q3的集电极与所述供电电源之间连接有电阻R2，所述控制单元与所述电阻R2连接；

所述电压检测单元包括钳位子单元、分压子单元以及转换子单元，所述钳位子单元与所述控制单元连接，所述分压单元与所述负载连接，所述分压子单元与所述转换子单元连接，所述转换子单元与所述钳位子单元连接，所述钳位子单元与所述放电开关元件连接；

所述分压子单元包括电阻R7以及电阻R10，所述电阻R7以及所述电阻R10串联，所述电阻R7的一端连接有三极管Q1，所述三极管Q1的发射极与负载连接，所述电阻R10的另一端通过二极管D3分别与所述充电开关元件以及所述负载连接；

所述转换子单元包括电阻R4，所述钳位子单元包括三极管Q4以及三极管Q5，所述三极管Q4的发射极通过所述电阻R4连接在所述三极管Q1的集电极与电阻R7之间；所述三极管Q4的集电极与所述三极管Q5的基极连接，所述三极管Q5的集电极与所述三极管Q4的发射极连接，所述三极管Q5的发射极与所述控制单元连接，所述三极管Q5的发射极通过电阻R13接地；

所述三极管Q1的发射极通过电阻R1与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的基极通过电阻R3连接有三极管Q2，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极与所述控制单元连接。

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