CN113659642A - 一种车载12v锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载12V锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车。该输出开关电路包括输出开关通道和控制电路，其中输出开关通道包括第一输出开关通道和与其并联连接的第二输出开关通道，第一输出开关通道和所述第二输出开关通道并联连接，其中，第一输出开关通道包括常开继电器，该常开继电器由G高边MOSFET管驱动并控制其导通或断开，第二输出开关通道包括第一PMOS管和与该第一PMOS管背靠背连接的第二PMOS管，在整车处于唤醒状态的情况下，第一输出开关通道导通，在整车处于休眠状态的情况下，第一输出开关通道断开并且第二输出开关通道导通；控制电路包括MCU模块、第一电流采集模块和第二电流采集模块。

Description

一种车载12V锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车

技术领域

本发明涉及车载设备领域，具体而言，本发明涉及一种车载12V锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车。

背景技术

目前随着整车油耗指标的日趋严苛，整车需要在满足安全的前提下进一步进行轻量化，而12V蓄电池作为低压电子系统中重量最大的零件，有着很大的轻量化空间。现有的方案中采用12V锂电池能最大程度减轻重量，而适用于整车12V网络主电源的锂电池目前在市场上的应用较少。

其中由于12V锂电池相较于传统12V铅酸蓄电池，化学反应较为剧烈，对其过充/过放的功能安全等级要求相对较高，需要通过输出开关对其进行保护。目前整车上锂电池的输出开关应用主要是基于48V和350V高压锂电池的应用，此类应用中的锂电池输出开关都是常开形式，需要根据整车提供的使能型号进行导通和断开之间的切换。而12V网络主电池为了满足部分模块在的整车休眠期间的用电需求，其输出开关需要满足常闭需求，只有在12V锂电池处于过充、过放时才会将其断开，相对常开开关而言功能安全要求更加严格，相关应用场景较为复杂。现有的整车锂电池输出开关策略无法完全满足12V锂电池的所有使用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种车载12V锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车。该输出开关电路基于电池管理系统，以用于适配整车12V锂电池模组的所有整车应用场景。

实现以上目的的一个或多个，本发明提供以下技术方案。

根据本发明的第一方面，提供一种车载12V锂电池的输出开关电路，所述输出开关电路包括输出开关通道和控制电路，其中：所述输出开关通道包括第一输出开关通道和第二输出开关通道，所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道并联连接，其中，所述第一输出开关通道包括常开继电器，所述常开继电器由G高边MOSFET管驱动并控制其导通或断开，所述第二输出开关通道包括第一PMOS管和与所述第一PMOS管背靠背连接的第二PMOS管，在整车处于唤醒状态的情况下，所述第一输出开关通道导通，在整车处于休眠状态的情况下，所述第一输出开关通道断开并且所述第二输出开关通道导通；所述控制电路包括MCU模块、第一电流采集模块和第二电流采集模块。

根据本发明一实施例的输出开关电路，其中，所述MCU模块配置成发送控制信号以用于切换所述输出开关通道。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述第一电流采集模块配置以用于检测模组电池电流信号，并将所述模组电池电流信号发送到所述MCU模块。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块进一步配置成根据所述模组电池电流信号切换所述输出开关通道，以用于实现外部充电设备充电唤醒以及外部用电设备放电唤醒。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述第二电流采集模块配置以用于检测所述第二输出开关通道的第二通道电流信号，并将所述第二通道电流信号发送到所述MCU模块。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块配置成在所述整车处于所述休眠状态的情况下，定期对所述常开继电器进行先导通后断开的操作，通过计算所述模组电池电流信号和所述第二通道电流信号的差值而判断所述常开继电器是否发生粘连。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块配置成当所述车载12V锂电池在整车处于休眠状态的情况下外接到充放电设备时，通过所述第二电流采集模块检测所述第二通道电流信号，其中，如果所述第二通道电流信号大于正常休眠电流阈值，则导通所述第一输出开关通道并且断开所述第二输出开关通道，同时所述整车进入所述唤醒状态。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块进一步配置成当所述车载12V锂电池断开与所述充放电设备的外接时，通过所述第一电流采集模块检测所述模组电池电流信号，其中，如果所述模组电池电流信号长时间小于正常唤醒电流阈值，则所述MCU模块通过发送所述控制信号而导通所述第二输出开关通道并且断开所述第一输出开关通道，同时所述整车进入所述休眠状态。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块配置成在检测到所述车载12V锂电池处于过充或过放状态时，通过发送所述控制信号而断开所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块进一步配置成在接收到所述整车发出的硬件保护触发信号时，通过发送所述控制信号而断开所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块配置成判断所述车载12V锂电池和电池输出外部状态，以用于在断开所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道后实现自检复位。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块配置成在检测到所述车载12V锂电池处于深度馈电状态时，通过所述充放电设备使所述输出开关电路进入所述唤醒状态，并通过判断所述车载12V锂电池和所述电池输出外部状态判断所述车载12V锂电池可否被维护。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的输出开关电路，其中所述MCU模块进一步配置成在判断所述车载12V锂电池可被维护后，通过发送所述控制信号而断开导通第一输出开关通道。

根据本发明的第二方面，提供一种车载12V锂电池电源系统，包括多个通过串并联连接的锂电池单体，其中，所述电源系统设置有根据前述任一项权利要求所述的输出开关电路。

根据本发明的第三方面，提供一种汽车，其中设置有根据权利要求14所述的车载12V锂电池电源系统。

根据本发明的车载12V锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车的第一方面的优点在于：采用微控制单元（MCU）与继电器、PMOS管组合的模式，无需购置大型放电保护设备，有效降低了电池管理系统（BMS）的综合成本。同时，本方案的车载12V锂电池的输出开关电路的结构相对简单，有利于批量生产。

根据本发明的车载12V锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车的第二方面的优点在于：本方案采用重量更轻的12V锂电池代替传统的12V铅酸蓄电池，大大减少了BMS的重量，使得BMS装置更加便携，同时也提高了电池使用寿命。

根据本发明的车载12V锂电池的输出开关电路、电源系统以及汽车的第三方面的优点在于：本案提出的输出开关电路可以满足12V锂电池的所有使用场景，包括但不限于，整车正常唤醒休眠切换工况、12V锂电池外接设备充/放电工况、12V锂电池第一输出开关通道功率继电器粘连检测功能、12V锂电池输出开关通道过充/过放保护功能、输出开关通道保护断开后的自检复位功能、输出开关通道在电池深度馈电情况下的外部设备维护功能等。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示。附图包括：

图1为根据本发明一实施例的车载12V锂电池的输出开关电路100的示意性框图；

图2为根据本发明另一实施例的车载12V锂电池电源系统200的示意性框图。

具体实施方式

在本说明书中，参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的各实施例旨在使本文的披露全面完整，以将本发明的保护范围更为全面地传达给本领域技术人员。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

下文参考根据本发明实施例的方法和系统的流程图说明、框图和/或流程图来描述本发明。将理解这些流程图说明和/或框图的每个框、以及流程图说明和/或框图的组合可以由计算机程序指令来实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器以构成机器，以便由计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的这些指令创建用于实施这些流程图和/或框和/或一个或多个流程框图中指定的功能/操作的部件。

可以将这些计算机程序指令加载到计算机或其它可编程数据处理器上以使一系列的操作步骤在计算机或其它可编程处理器上执行，以便构成计算机实现的进程，以使计算机或其它可编程数据处理器上执行的这些指令提供用于实施此流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能或操作的步骤。还应该注意在一些备选实现中，框中所示的功能/操作可以不按流程图所示的次序来发生。例如，依次示出的两个框实际可以基本同时地执行或这些框有时可以按逆序执行，具体取决于所涉及的功能/操作。

在参考图1，图1为根据发明一实施例的车载12V锂电池的输出开关电路100的示意性框图。输出开关电路100包括接后级负载的输出开关通道和控制其导通闭合、状态检测、功能保护的控制电路。其中输出开关通道包括第一输出开关通道110和第二输出开关通道120，第一输出开关通道110和第二输出开关通道并联连接120，其中，第一输出开关通道110包括常开继电器111，常开继电器111由G高边MOSFET管驱动并控制其导通或断开。第二输出开关通道120包括第一PMOS管和与第一PMOS管背靠背连接的第二PMOS管。在整车处于唤醒状态的情况下，第一输出开关通道110导通，在整车处于休眠状态的情况下，第一输出开关通道110断开并且第二输出开关通道120导通。控制电路包括MCU模块130、第一电流采集模块140和第二电流采集模块150。

该12V 锂电池输出开关从常闭通道120切换到第一输出开关通道110所包括的触发条件包括：MCU模块130发出的控制信号控制通道切换用以实现总线唤醒、馈电维护等工况；模组电流采样信号控制通道切换，用以实现外部充电设备充电唤醒、外部用电设备放电唤醒。

第一输出开关通道110具有继电器触点粘连诊断功能。MCU模块130通过定期在第一输出开关通道110的非工作时间通断一次继电器，并在其再次断开时测试此时的第一输出开关通道110是否有电流通过，从而判断继电器触点是否能完全断开，是否存在粘连风险。

车载12V锂电池的输出开关电路100具有外部充/放电设备唤醒功能。当电池桩头外接充放电设备时，MCU模块130在未接收到整车唤醒使能指令的情况下通过第一电流检测模块150检测模组电池电流信号，自主进行第二输出开关通道120至第一输出开关通道110的切换，以及充电结束后第一输出开关通道110至第二输出开关通道120的切换。

输出开关电路100还配置成具有所有工况下的过充/过放保护断开功能。即，在保护触发时同时断开第一输出开关通道110和第二输出开关通道120，保护触发条件包括：MCU模块130判定12V锂电池模组过充/过放状态触发；硬件保护触发。

输出开关电路100还配置成具有通道保护断开后的自检复位功能，即MCU模块130通过判断12V锂电池模组和电池输出外部状态，实现通道保护后的自检复位。

输出开关电路100还配置成具有在电池深度馈电情况下的外部设备维护功能。MCU模块130在12V锂电池馈电且第一输出开关通道110和第二输出开关通道120断开的情况下，可以借由外部充电设备的输出电压唤醒输出开关电路100，并通过判断12V锂电池馈电情况、外部充电设备输出情况决定12V锂电池是否可被维护，并在允许维护后导通第一输出开关通道110进行维护。

在参考图2，图2为根据本发明另一实施例的车载12V锂电池电源系统200的示意性框图。

如下文中将详细描述的，该系统200在以下整车工况下可以实现不同的功能。

第一，整车正常唤醒休眠切换工况。在整车处于休眠状态的情况下，第四PMOS管（在图中示出为“Q4”）的门极连接到12V锂电池模组的电源正极以用于实现Q4的常导通。12V锂电池系统的第一输出开关通道通过Q4直接接地，从而实现该工况下的第一输出开关通道的常闭功能。

当整车向系统200发送唤醒信号时，MCU模块接收到唤醒信号后向分别向第一输出开关通道、第二输出开关通道发送第一MCU控制信号置高、第二MCU控制信号拉低的动作信号，即导通第一输出开关通道，当第一输出开关通道导通后断开第二输出开关通道，由此完成整车唤醒后的12V锂电池输出通道的切换流程。

当整车即将进入休眠模式时，整车向系统200发送休眠信号，MCU模块接收到休眠信号后向分别向第一输出开关通道、第二输出开关通道发送第一MCU控制信号拉低、第二MCU控制信号置高的动作信号，即导通第二输出开关通道，当第二输出开关通道导通后断开第一输出开关通道，由此完成整车休眠时的12V锂电池输出通道切换流程。此时由于系统200进入休眠状态，第二输出开关通道通过门极常拉高的第四PMOS管导通至地，又由于PMOS管本身导通所需的功耗极小，由此实现12V锂电池输出开关电路在整车休眠工况下的低功耗常导通功能。

第二，12V锂电池外接设备充/放电工况。当12V锂电池电源系统200在休眠状态下外接充放电设备时，常闭的第二输出开关通道回路的第二分流器（在图中示出为“分流器2”）识别模组电源此时电流的变化，如果所识别的电流信号大于正常休眠电流阈值，则判定此时12V锂电池模组外接充放电设备，系统通过第二电流采集模块的输出信号（即，第二通道电流信号）导通第一输出开关通道，断开第二输出开关通道。同时系统200借由该信号实现唤醒，进入可控状态。当移除外接充放电设备时，第一分流器（在图中示出为“分流器1”）输出模组电池电流信号，如该信号长时间小于唤醒阈值，则MCU模块分别向第一输出开关通道、第一输出开关通道发送第一MCU控制信号拉低、第二MCU控制信号置高的动作信号，即导通第一输出开关通道，并在第一输出开关通道导通后断开第一输出开关通道，由此实现系统200在外部充电完成后的休眠动作。

第三，12V锂电池第一输出开关通道的功率继电器粘连检测功能。12V锂电池电源系统200在整车休眠期间定期进行第一输出开关通道的功率继电器的触点粘连检查。系统200在第二输出开关通道常闭的情况下，导通第一输出开关通道，再将第一输出开关通道断开。系统200将该过程中的模组电池电流信号减去第二通道电流信号的差值作为第一输出开关通道的电流信号。如果整个过程中第一输出开关通道的电流信号有较为明显的先变大再变小（回到初始值）的过程，则证明第一输出开关通道的功率继电器触点可正常通断，不存在粘连情况。

第四，12V锂电池输出开关通道过充/过放保护功能。12V锂电池电源系统200在检测到12V锂电池模组出现过充/过放时，由MCU模块分别向第一输出开关通道、第二输出开关通道发送第一MCU控制信号置高、第二MCU控制信号拉低的动作信号，即同时断开第一输出开关通道、第二输出开关通道。

当12V锂电池电源系统200进入过充/过放保护模式后，系统200定期检测电池模组内外状态，评定系统复位条件，并在复位条件达成时导通相应输出开关通道。

当系统200处于过充状态，系统200通过定期检测外部电压和12V锂电池模组的实时荷电状态（SOC），判断外部充电工况是否消失，如满足外部环境不会对12V锂电池进行充电的条件，则系统200控制第一输出开关通道导通。如此时判断整车处于休眠状态，则MCU模块控制第二输出开关通道导通、第一输出开关通道断开，使系统200进入休眠状态。

其中，SOC也称剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0至1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。

当系统200处于过放状态，系统200通过检测系统通过定期检测外部电压和12V锂电池模组的实时SOC，判定此时外部放电工况是否已消失，并处于充电待机工况，如满足系统外部处于充电待机模式，则系统200通过外部充电电源供电，并由MCU模块控制第一输出开关通道导通以用于进行对锂电池的充电维护。

提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明按照本技术及其特定应用的实施例，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。

Claims (15)

1.一种车载12V锂电池的输出开关电路，其特征在于，所述输出开关电路包括输出开关通道和控制电路，其中：

所述输出开关通道包括第一输出开关通道和第二输出开关通道，所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道并联连接，其中，

所述第一输出开关通道包括常开继电器，所述常开继电器由G高边MOSFET管驱动并控制其导通或断开，

所述第二输出开关通道包括第一PMOS管和与所述第一PMOS管背靠背连接的第二PMOS管，

在整车处于唤醒状态的情况下，所述第一输出开关通道导通，

在整车处于休眠状态的情况下，所述第一输出开关通道断开并且所述第二输出开关通道导通；

所述控制电路包括MCU模块、第一电流采集模块和第二电流采集模块。

2.根据权利要求1所述的输出开关电路，其特征在于，所述MCU模块配置成发送控制信号以用于切换所述输出开关通道。

3.根据权利要求2所述的输出开关电路，其特征在于，

所述第一电流采集模块配置以用于检测模组电池电流信号，并将所述模组电池电流信号发送到所述MCU模块。

4.根据权利要求3所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块进一步配置成根据所述模组电池电流信号切换所述输出开关通道，以用于实现外部充电设备充电唤醒以及外部用电设备放电唤醒。

5.根据权利要求4所述的输出开关电路，其特征在于，

所述第二电流采集模块配置以用于检测所述第二输出开关通道的第二通道电流信号，并将所述第二通道电流信号发送到所述MCU模块。

6.根据权利要求5所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块配置成在所述整车处于所述休眠状态的情况下，定期对所述常开继电器进行先导通后断开的操作，通过计算所述模组电池电流信号和所述第二通道电流信号的差值而判断所述常开继电器是否发生粘连。

7.根据权利要求5所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块配置成当所述车载12V锂电池在整车处于休眠状态的情况下外接到充放电设备时，通过所述第二电流采集模块检测所述第二通道电流信号，其中，

如果所述第二通道电流信号大于正常休眠电流阈值，则导通所述第一输出开关通道并且断开所述第二输出开关通道，同时所述整车进入所述唤醒状态。

8.根据权利要求7所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块进一步配置成当所述车载12V锂电池断开与所述充放电设备的外接时，通过所述第一电流采集模块检测所述模组电池电流信号，其中，

如果所述模组电池电流信号长时间小于正常唤醒电流阈值，则所述MCU模块通过发送所述控制信号而导通所述第二输出开关通道并且断开所述第一输出开关通道，同时所述整车进入所述休眠状态。

9.根据权利要求5所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块配置成在检测到所述车载12V锂电池处于过充或过放状态时，通过发送所述控制信号而断开所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道。

10.根据权利要求5所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块进一步配置成在接收到所述整车发出的硬件保护触发信号时，通过发送所述控制信号而断开所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道。

11.根据权利要求9或10所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块配置成判断所述车载12V锂电池和电池输出外部状态，以用于在断开所述第一输出开关通道和所述第二输出开关通道后实现自检复位。

12.根据权利要求11所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块配置成在检测到所述车载12V锂电池处于深度馈电状态时，通过所述充放电设备使所述输出开关电路进入所述唤醒状态，并通过判断所述车载12V锂电池和所述电池输出外部状态判断所述车载12V锂电池可否被维护。

13.根据权利要求12所述的输出开关电路，其特征在于，

所述MCU模块进一步配置成在判断所述车载12V锂电池可被维护后，通过发送所述控制信号而断开导通第一输出开关通道。

14.一种车载12V锂电池电源系统，包括多个通过串并联连接的锂电池单体，其特征在于，所述电源系统设置有根据前述任一项权利要求所述的输出开关电路。

15.一种汽车，其特征在于，设置有根据权利要求14所述的车载12V锂电池电源系统。

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