CN115275391A - 一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统及其工作方法，具有锂离子电池组和与锂离子电池组连接的主控单元；主控单元包括主芯片MCU以及与主芯片MCU连接的AFE采集电路及多重电压、电流及温度采样电路；电压采样电路包括AFE电压采样电路和运放电压采样电路；电流采样电路主要包括检流电阻采样电路和霍尔电流采样电路。本专利克服现有技术存在的缺陷，完善目前使用的常规产品，增加功能使用的安全，降低使用过程的风险，着重从锂电池的电流、电压及温度这三个关键因素考虑，在锂电池使用过程中，通过双重采样电路来对比确认电压、电流及温度的精度，或某路采样电路失效后，备份采样电路仍可继续工作，避免锂电池的不正常工作。

Description

一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及通信基站电池管理系统设计技术领域，具体涉及一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统及其工作方法。

背景技术

随着现代工业的需求和生态可持续发展的大环境下，相比传统的铅酸电池和镍氢电池，锂离子电池更加环保，能量比更高，寿命更长。近年来疫情大环境的影响，国家继续加强基建建设，随着4G的普及，以及5G的发展，通讯基站成倍地增长，其中锂离子电池便是通讯基站可靠的后续能量保障，在市电断电情况下保证通讯的连续性，保障了大家的日常交流。但伴随着锂离子电池在通讯基站上的频繁使用，其不稳定性，往往会出现过流、短路起火、过充涨包和过温充电等一系列的问题，这些问题轻则导致锂离子电池涨包漏气，无法使用；重则起火爆炸，烧毁通讯基站，造成经济损失甚至危害到生命安全，锂离子电池的安全隐患便成了业界最关心的问题点。

锂电池使用过程中，最关键的三个因素：电流、电压及温度，故管控好这三个因素，就是管控好锂电池安全使用的根本。再进一步深究，锂电池管理系统能准确地采样到当前锂电池的电流、电压及温度，才是作出精准处理的关键。现有锂电池在实际工作过程中会出现以下两大问题：

1、锂电池工作过程中，常规的电压采样为AFE单独对单节电芯电压进行采样，然后将累加的电芯电压上传至主芯片MCU。出于功能安全考虑，当AFE采样到电芯电压出现偏差或者AD采样口出现故障，导致主芯片MCU接收到采样的电池电压与实际电池电压存在较大的误差，即电压采样存在失效。若电池此时处于较高荷电态，那么应及时切断充电回路停止充电，否则会导致锂电池过充至电芯鼓包，更严重的话，会导致电芯漏液或起火。若电池此时处于较低荷电态，应及时补电，否则会导致锂电池过放至电芯馈电，锂电池电压无法唤醒电池管理系统，从而导致整组锂电池故障。

2、锂电池工作过程中，常规电流采样电路为多个检流电阻并联。当电流流经检流电阻时，通过检流电阻两端的电压来计算其电流值。以检流电阻为电流采样电路虽然应用广泛，其可靠性在一定程度也较好，但是以下问题仍无法避免。即当锂电池一直处于大电流充放过程中，检流电阻温度持续上升，其电阻值受到一定影响，从而导致检测的电流值精度受到影响。同时若检流电阻出现极端的情况，则会发生短路或断路，导致检流电阻两端无法正常采集到电压，电流采样电路完全崩溃。若此时锂电池以超出其承受范围内的电流工作，从安全角度考虑，模组内部会因过流工作的情况而发生变化，电芯间焊接连接的极耳难以承受高温，同时固定电芯上的电压采样线也会存在脱落的风险，导致锂电池成为一个严重的安全隐患。

发明内容

为了解决目前现有通讯基站锂电池管理系统存在以上的问题，本发明设计一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统及其工作方法，着重从锂电池的电流、电压及温度这三个关键因素考虑。在锂电池使用过程中，通过双重采样电路来对比确认电压、电流及温度的精度，或某路采样电路失效后，备份采样电路仍可继续工作，避免锂电池的不正常工作。

一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统，包括锂离子电池组、主控单元、电流采样电路、电压采样电路以及温度采样电路，主控单元包括主芯片MCU和AFE，电流采样电路主要包括检流电阻采样电路和霍尔电流采样电路，电压采样电路主要包括AFE电压采样电路和运放电压采样电路。

优选的，AFE电压采样电路一端与单体电芯相连，另一端与AFE相连；运放电压采样电路一侧直接采集电池组两端电压，一侧与主芯片MCU相连，将采集到电池总压直接上报到主芯片MCU；检流电阻采样电路一端连在电池组的负极，一端连在放电MOSFET前端，即串入在充放电回路中；霍尔电流采样电路套在锂离子电池组的负极，将检测到电流上传至AFE。

优选的，电压采样电路对锂离子电池组总压进行采集上传至主芯片MCU控制锂电池工作。

优选的，霍尔电流采样电路在锂离子电池组负极的线缆周围产生磁场，其大小和流过导线的电流大小成正比，霍尔元件通过将磁芯气隙周围检测电流大小及方向转变成电压信号进行处理传输到主芯片MCU。

优选的，温度采样电路采用热敏电阻，热敏电阻预埋在电芯内，电芯具有多个温度检测点，热敏电阻随温度的变化其阻值也随之变化，将采集到温度值直接上传至AFE。

一种通讯基站高安全采样锂电池管理工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：电压采样：首先主芯片MCU收集AFE采样单元通过电压采样电路采集到电池电压值；然后通过运放电压采样电路，双路的采压电路在锂电池工作过程中，实时采样对比两者差值，正常情况下，AFE采压较运放采压存在100mv以内的误差；若以上两者采样误差大于1V，则主芯片MCU判断触发总压自检失效，此时AFE采压值和运放采压差值远超出误差范围内，而运放的可靠性较高，此时将AFE电压采样电路故障反馈至主芯片MCU并及时切断锂电池充电或放电，锂电池停止工作；

步骤二：电流采样：首先主芯片MCU收集通过检流电阻采样电路采集到的电流值；然后通过霍尔电流采样电路，双路的电流采样电路在锂电池工作过程中，检流电阻采样电路和霍尔电流采样电路实时采样电流值传输至主芯片MCU；若电流正常充放电情况下，两者采样电流值相差无几，若检流电阻发生短路或断路，其两端电压为零；当检流电阻采样电流采样到电流值为零，此时霍尔电流采样电路准确地采集到电流值传输至主芯片MCU并做出有效判断，若大电流冲击或电池过载放电的情况发生时，则会及时切断电池充放电，锂电池停止工作；

步骤三：温度采样：首先通过温度采样电路的热敏电阻进行采样，预埋在电芯内的热敏电阻受到温度影响其电阻值也发生变化，从而上传电压信号至AFE进一步处理；当采样误差较其他温度采样值较大时，锂电池立刻停止工作；若此温度采样值可自动恢复接近其他温度采样值后，锂电池会自动解除保护，继续工作；若差值较大并且不恢复，需手动确认该电池是否存在电芯热失控的情况，排除故障后，将其继续投入使用。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1、现有技术中常规的电压采样为AFE单独对单节电芯电压进行采样，然后将累加的电芯电压上传至主芯片MCU，会导致锂电池过充至电芯鼓包，更严重的话，会导致电芯漏液或起火，本发明增加一路电压采样电路，即运放电压采样电路，通过对电池总压进行采集，上传至主芯片MCU来控制锂电池工作，其好处运放电压采样电路可靠性高，同时和AFE采样电压实时比对，两者采样值若存在一定差值，则说明此时AFE采样电路存在一定故障，需要停止工作，这样更加安全；

2、现有技术中常规电流采样电路为多个检流电阻并联。当电流流经检流电阻时，通过检流电阻两端的电压来计算其电流值，不仅仅导致检测的电流值精度受到影响而且会存在严重的安全隐患，本发明从安全角度出发，当极端情况的出现，锂电池管理系统能及时检测到异常电流并作出判断，停止工作，在锂电池的负极增加一路备份电流采样电流——霍尔电流采样电路，霍尔电流采样电路主要依靠电流流出锂电池的负极，那么便在负极线缆周围产生磁场，其大小和流过导线的电流大小成正比，而霍尔元件通过将磁芯气隙周围检测电流大小及方向转变成电压信号进行处理传输到主芯片MCU，这样就能有效避免当检流电阻采样电路出现失效带来的使用风险，备份的霍尔电流采样电路能一直采样回路中的电流并在不正常电流工作情况下，及时切断回路，大大地增加了锂电池的安全性；

3、本发明采用温度采样电路，主要是通过热敏电阻来实现的。预埋在电芯内的热敏电阻受到温度影响其电阻值也发生变化，从而上传电压信号至AFE进一步处理，因电芯温度检测点较多，故当单一检测点失效后，检测到某一温度偏离过大，软件判断需要对失效温度点进行修复，否则无法工作，从而保证了锂电池在工作时的安全；

4、本发明的工作方法较现有管理系统的工作方法来说更加保证了锂电池的安全，关于电压采样的工作方法，现有技术太局限于AFE的可靠性，而本发明主芯片MCU除了收集AFE通过电压采样电路采集到的电池电压外，还存在运放采压电路，双路的采压电路能避免锂电池在器件失效情况下工作从而避免火灾等情况的发生，关于电流采样的工作方法，现有技术中单一的电流采样电路具有局限性，而本发明主芯片MCU除了收集通过检流电阻采样电路采集到的电流值外，还存在霍尔电流采样电路，双路的电流采样电路避免安全事故的发生，关于温度采样，本发明通过单一热敏电阻异常后，能准确判断是否热敏电阻真实失效并作出判断，总而言之，本锂电池管理系统的工作方法从电压、电流、温度进行双重采样，某一失效后，电池也能作出准确地判断从而增加安全性。

附图说明

图1为本发明一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统限流充电示意图；

图2为AFE电压采样电路图；

图3为运放采样总压电路图；

图4为检流电阻采样电路图；

图5为霍尔电流采样电路图；

图6为温度采样电路图。

其中：1、锂离子电池组；21、主芯片MCU；22、AFE；31、AFE电压采样电路；32、运放电压采样电路；33、霍尔电流采样电路；34、检流电阻采样电路；35、温度采样电路。

具体实施方式

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。

请参阅图1～图6所示，本发明提供一种技术方案：一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统，包括锂离子电池组1、主控单元、电流采样电路、电压采样电路以及温度采样电路35，主控单元包括主芯片MCU21和AFE22，电流采样电路主要包括检流电阻采样电路34和霍尔电流采样电路33，电压采样电路主要包括AFE电压采样电路31和运放电压采样电路32。

进一步的，AFE电压采样电路31一端与单体电芯相连，另一端与AFE22相连；运放电压采样电路一侧直接采集电池组两端电压，一侧与主芯片MCU21相连，将采集到电池总压直接上报到主芯片MCU21；检流电阻采样电路34一端连在电池组的负极，一端连在放电MOSFET前端，即串入在充放电回路中；霍尔电流采样电路33套在锂离子电池组1的负极，将检测到电流上传至AFE22。

进一步的，电压采样电路对锂离子电池组总压进行采集上传至主芯片MCU21控制锂电池工作。增加一路电压采样电路，即运放电压采样电路，通过对电池总压进行采集，上传至主芯片MCU21来控制锂电池工作，其好处运放电压采样电路可靠性高，同时和AFE采样电压实时比对，两者采样值若存在一定差值，则说明此时AFE采样电路存在一定故障，需要停止工作，这样更加安全。

进一步的，霍尔电流采样电路33在锂离子电池组1负极的线缆周围产生磁场，其大小和流过导线的电流大小成正比，霍尔元件通过将磁芯气隙周围检测电流大小及方向转变成电压信号进行处理传输到主芯片MCU21。在锂电池的负极增加一路备份电流采样电流——霍尔电流采样电路33，霍尔电流采样电路主要依靠电流流出锂电池的负极，那么便在负极线缆周围产生磁场，其大小和流过导线的电流大小成正比，而霍尔元件通过将磁芯气隙周围检测电流大小及方向转变成电压信号进行处理传输到主芯片MCU21。这样就能有效避免当检流电阻采样电路出现失效带来的使用风险，备份的霍尔电流采样电路33能一直采样回路中的电流并在不正常电流工作情况下，及时切断回路，大大地增加了锂电池的安全性。

进一步的，温度采样电路35采用热敏电阻，热敏电阻预埋在电芯内，电芯具有多个温度检测点，热敏电阻随温度的变化其阻值也随之变化，将采集到温度值直接上传至AFE22。采用温度采样电路35主要是通过热敏电阻来实现的，预埋在电芯内的热敏电阻受到温度影响其电阻值也发生变化，从而上传电压信号至AFE22进一步处理。因电芯温度检测点较多，故当单一检测点失效后，检测到某一温度偏离过大，软件判断需要对失效温度点进行修复，否则无法工作，从而保证了锂电池在工作时的安全。

进一步的，热敏电阻的具体型号为MF52E-103F3950FAL14.2，MCU具体型号为STM32F100VCT6B，AFE具体型号为BQ7694003DBT。

一种通讯基站高安全采样锂电池管理工作方法，常规通信锂电池在基站正常工作时，主芯片MCU首先会检测当前电池电压是否处于正常范围内，来执行下一步工作，比如：电池电压水平较高时，切断充电MOSFET停止充电；电池电压水平较低时，切断放电MOSFET停止充电，但这太局限于AFE的可靠性。而本专利较传统方案提升具体执行如下：主芯片MCU除了收集AFE通过电压采样电路采集到的电池电压外，还存在运放采压电路，双路的采压电路在锂电池工作过程中，实时采样对比两者差值，正常情况下，AFE采压较运放采压存在100mv以内的误差。而高安全采样管理方法表现为若两者采样误差大于1V，则主芯片MCU判断触发总压自检失效，说明此时AFE采压值和运放采压差值远超出误差范围内，而运放的可靠性较高，此时能及时有效地将AFE电压采样电路故障反馈至主芯片MCU并及时切断锂电池充电或放电，避免锂电池在器件失效情况下工作从而避免火灾等情况的发生。

常规通信锂电池在基站进行充放电时，电流流经串入到充放电回路的检流电阻采样电路通过检流电阻两端的电压来转换成电流值，最终传送至主芯片MCU。同时单一的电流采样电路具有局限性。若并联的检流电阻发生短路或断路，那么锂电池的电流采样完全失效，造成的情况为锂电池在基站充放电过程中，而主芯片MCU接收到信息为电流值为零，即电池不充放电，尤其是在大电流冲击或电池过载放电时，存在极大的安全隐患。而本专利较传统方案提升具体执行如下：主芯片MCU除了收集通过检流电阻采样电路采集到的电流值外，还存在霍尔电流采样电路，双路的电流采样电路在锂电池工作过程中，具体表现如下：锂电池工作过程中，检流电阻采样电路和霍尔电流采样电路实时采样电流值至主芯片MCU。若电流正常充放电情况下，两者采样电流值相差无几。若检流电阻发生短路或断路，其两端电压为零。检流电阻采样电流采样到电流值为零，而此时霍尔电流采样电路能准确地采集到电流值至主芯片MCU并做出有效判断，若大电流冲击或电池过载放电，能及时切断电池充放电，避免安全事故的发生。

常规通信锂电池在基站工作时，通常预埋4组热敏电阻至电芯间，其温度采样通过预埋在电芯间热敏电阻的电阻值变化来反馈当前电芯温度。而本专利较传统方案提升具体执行如下：主要为软件程序控制，当单一热敏电阻采样误差较其他温度采样值较大，锂电池立刻停止工作，若此温度采样值可自动恢复接近其他温度采样值后，锂电池会自动解除保护，可继续工作；若差值较大并且不恢复，需要手动确认该电池是否存在电芯热失控的情况，排除故障后，才能将其继续投入使用。在单一热敏电阻异常后，能准确判断是否热敏电阻真实失效并作出判断。

一种通讯基站高安全采样锂电池管理工作方法从电压、电流、温度双重采样电路，某一失效后，电池能作出准确地判断从而增加安全性。

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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统，包括锂离子电池组、主控单元、电流采样电路、电压采样电路以及温度采样电路，其特征在于：所述主控单元包括主芯片MCU和AFE，所述电流采样电路主要包括检流电阻采样电路和霍尔电流采样电路，所述电压采样电路主要包括AFE电压采样电路和运放电压采样电路。

2.根据权利要求1所述的一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统，其特征在于：所述AFE电压采样电路一端与单体电芯相连，另一端与AFE相连；所述运放电压采样电路一侧直接采集电池组两端电压，一侧与主芯片MCU相连，将采集到电池总压直接上报到主芯片MCU；所述检流电阻采样电路一端连在电池组的负极，一端连在放电MOSFET前端，即串入在充放电回路中；霍尔电流采样电路套在锂离子电池组的负极，将检测到电流上传至AFE。

3.根据权利要求1所述的一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统，其特征在于：所述电压采样电路对锂离子电池组总压进行采集上传至主芯片MCU控制锂电池工作。

4.根据权利要求1所述的一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统，其特征在于：所述霍尔电流采样电路在锂离子电池组负极的线缆周围产生磁场，其大小和流过导线的电流大小成正比，霍尔元件通过将磁芯气隙周围检测电流大小及方向转变成电压信号进行处理传输到主芯片MCU。

5.根据权利要求1所述的一种通讯基站高安全采样锂电池管理系统，其特征在于：所述温度采样电路采用热敏电阻，热敏电阻预埋在电芯内，电芯具有多个温度检测点，热敏电阻随温度的变化其阻值也随之变化，将采集到温度值直接上传至AFE。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的一种通讯基站高安全采样锂电池管理工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：电压采样：首先主芯片MCU收集AFE采样单元通过电压采样电路采集到电池电压值；然后通过运放电压采样电路，双路的采压电路在锂电池工作过程中，实时采样对比两者差值，正常情况下，AFE采压较运放采压存在100mv以内的误差；若以上两者采样误差大于1V，则主芯片MCU判断触发总压自检失效，此时AFE采压值和运放采压差值远超出误差范围内，而运放的可靠性较高，此时将AFE电压采样电路故障反馈至主芯片MCU并及时切断锂电池充电或放电，锂电池停止工作；

步骤二：电流采样：首先主芯片MCU收集通过检流电阻采样电路采集到的电流值；然后通过霍尔电流采样电路，双路的电流采样电路在锂电池工作过程中，检流电阻采样电路和霍尔电流采样电路实时采样电流值传输至主芯片MCU；若电流正常充放电情况下，两者采样电流值相差无几，若检流电阻发生短路或断路，其两端电压为零；当检流电阻采样电路采样到电流值为零，此时霍尔电流采样电路准确地采集到电流值传输至主芯片MCU并做出有效判断，若大电流冲击或电池过载放电的情况发生时，则会及时切断电池充放电，锂电池停止工作；

步骤三：温度采样：首先通过温度采样电路的热敏电阻进行采样，预埋在电芯内的热敏电阻受到温度影响其电阻值也发生变化，从而上传电压信号至AFE进一步处理；当采样误差较其他温度采样值较大时，锂电池立刻停止工作；若此温度采样值可自动恢复接近其他温度采样值后，锂电池会自动解除保护，继续工作；若差值较大并且不恢复，需手动确认该电池是否存在电芯热失控的情况，排除故障后，将其继续投入使用。

Images