CN117175723A - 一种固态电池的多功能保护系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了固态电池保护技术领域内的一种固态电池的多功能保护系统及其控制方法，包括固态电池、多功能保护板、外部控制器以及负载，固态电池的正极接多功能保护板的In端，多功能保护板的Out端接负载的正极，外部控制器的COMM端接多功能保护板的COMM端，固态电池的负极、多功能保护板的负极、负载的负极连接在一起，本发明解决了现有电池保护板的保护误动作，电池电压与负载不匹配等问题。
Description
技术领域
本发明涉及固态电池保护技术领域，特别涉及一种固态电池保护系统。
背景技术
固态电池是锂电池的一种，具有高性能，高功率密度，同时具有较高的安全性，是近年来电池发展的方向。虽然固态电池具有较高的安全性，但是为了进一步提高固态电池的安全性，同时满足用户的需求，通常需要设置保护板。目前市场上的保护板基本只具有开关、过流、短路等保护，然而由于有不同类型负载的存在，如阻性、感性、容性，应有不同的保护特性，特别是感性与容性负载最为复杂，在启动瞬间具有较大的电流，会引起保护板的误动作。同时由于电池充放电的特性，导致在电池充满电的时候比负载正常的工作电压高几伏的电压，对负载是无益的，特别是对精密设备有可能造成损坏。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种固态电池的多功能保护系统，以解决现有电池保护板的保护误动作，电池电压与负载不匹配等问题。
本发明的目的是这样实现的：一种固态电池的多功能保护系统，包括固态电池、多功能保护板、外部控制器以及负载，所述固态电池的正极接多功能保护板的In端，多功能保护板的Out端接负载的正极，外部控制器的COMM端接多功能保护板的COMM端，固态电池的负极、多功能保护板的负极、负载的负极连接在一起。
作为本发明所述一种固态电池的多功能保护系统的优选技术方案，所述多功能保护板包括内部开关、开关驱动电路、电流采样单元、电压采样单元、比较器、控制芯片、通信接口电路以及辅助电源；
多功能保护板外部接口In端与内部开关的D端连接，与辅助电源的正极连接；内部开关的S端与电流采样单元的正极连接，电流采样单元的负极与多功能保护板外部接口Out端连接；控制芯片的DAC端与开关驱动电路的In端连接，开关驱动电路的Vgs端与内部开关的G端连接；控制芯片的GPIO端与比较器的Out端连接，比较器的In端与电流采样单元的Out端连接并与控制芯片的ADC1端连接；控制芯片的ADC2端与电压采样单元的Out端连接，电压采样单元的正极与电流采样单元的负极连接，电压采样单元的负极与多功能保护板外部接口的负极连接；控制芯片的COMM端与通信接口电路的In端连接，通信接口电路的Out端与多功能保护板外部接口的COMM端连接；辅助电源的负极与多功能保护板外部接口的负极连接，辅助电源的Out1端与开关驱动电路的Vcc端连接，辅助电路的Out2端与电流采样单元的Vcc端以及比较器的Vcc端连接，辅助电源的Out3端与控制芯片的VDD端连接。
作为本发明所述一种固态电池的多功能保护系统的优选技术方案，所述控制芯片的DAC端为数字模拟转化器，用以控制开关驱动电路的输出电平；控制芯片的GPIO端为输入口，用以检测比较器的高低电平，比较器用以将电流采样单元检测到的电流与设定值进行比较，如果大于设定值则输出高电平，否则输出低电平；控制芯片的ADC1端为模拟数字转换器，用以检测电流数值；控制芯片的ADC2端为模拟数字转换器，用以检测输出电压的大小；控制芯片的COMM端为通信接口，用以和外界通信；控制芯片的VDD端为控制芯片供电端。
作为本发明所述一种固态电池的多功能保护系统的优选技术方案，所述通信接口电路可以与外部控制器进行通信，可以设置电流的过流、稳压的电压值以及开关指令，同时多功能保护板的各种状态也可以通过通信接口电路传递给外部控制器。
一种固态电池的多功能保护系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1）外部控制器下发闭合指令时，控制芯片控制内部开关闭合，然后检测输出端电压，当输出端电压小于设定的稳压数值时，则进行电流的检测，当检测的电流数值比设定的电流限值小时，则检测控制芯片的GPIO端电平，当控制芯片的GPIO端电平为低电平时，则继续检测输出端电压，一直进行循环检测、判断；
步骤2）当输出电压比设定的稳压电压高时，进行稳压控制算法，调节控制芯片的DAC的输出，进而控制开关驱动电路，调节输出电压；
步骤3）当检测的电流数值比设定的电流限值大时，首先进行控制芯片GPIO端口的检测，当GPIO端口的电平为低电平时，对输出百分比进行检测，即（当前电流值-前一次电流值）/前一次电流值*100%，当输出百分比一直变大时，则判断过流，关闭开关；当输出百分比一直变小时，则不判断为过流；
步骤4）当控制芯片的GPIO端电平为高电平时，关闭开关。
作为本发明所述一种固态电池的多功能保护系统的控制方法，步骤2）中稳压控制算法采用模糊比例积分法，当输出的电压与设定的稳压差e(k)较大时，则对比例系数kp进行提高，然后进行PI计算，得出控制所需数值，控制DAC的输出，进而控制开关驱动电路，调节输出电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明能够满足对固态电池的放电保护，防止固态电池的短路、误过流等，使得固态电池的使用更加安全；同时能够限制电池的输出电压，对负载进行有效的保护，特别是对电压敏感的负载（感性或者容性负载），同时由于没有开关电源器件，更加适用于电磁兼容要求高的场所。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明中多功能保护系统结构框图。
图2为本发明中多功能保护板内部结构框图。
图3为本发明中控制方法流程图。
图4为本发明中稳压算法流程图。
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。
如图1-2所示的一种固态电池的多功能保护系统，包括固态电池、多功能保护板、外部控制器以及负载，固态电池的正极接多功能保护板的In端，多功能保护板的Out端接负载的正极，外部控制器的COMM端接多功能保护板的COMM端，固态电池的负极、多功能保护板的负极、负载的负极连接在一起。
多功能保护板包括内部开关、开关驱动电路、电流采样单元、电压采样单元、比较器、控制芯片、通信接口电路以及辅助电源；
多功能保护板外部接口In端与内部开关的D端连接，与辅助电源的正极连接；内部开关的S端与电流采样单元的正极连接，电流采样单元的负极与多功能保护板外部接口Out端连接；控制芯片的DAC端与开关驱动电路的In端连接，开关驱动电路的Vgs端与内部开关的G端连接；控制芯片的GPIO端与比较器的Out端连接，比较器的In端与电流采样单元的Out端连接并与控制芯片的ADC1端连接；控制芯片的ADC2端与电压采样单元的Out端连接，电压采样单元的正极与电流采样单元的负极连接，电压采样单元的负极与多功能保护板外部接口的负极连接；控制芯片的COMM端与通信接口电路的In端连接，通信接口电路的Out端与多功能保护板外部接口的COMM端连接；辅助电源的负极与多功能保护板外部接口的负极连接，辅助电源的Out1端与开关驱动电路的Vcc端连接，辅助电路的Out2端与电流采样单元的Vcc端以及比较器的Vcc端连接，辅助电源的Out3端与控制芯片的VDD端连接。
控制芯片的DAC端为数字模拟转化器，用以控制开关驱动电路的输出电平；控制芯片的GPIO端为输入口，用以检测比较器的高低电平，比较器用以将电流采样单元检测到的电流与设定值进行比较，如果大于设定值则输出高电平，否则输出低电平；控制芯片的ADC1端为模拟数字转换器，用以检测电流数值；控制芯片的ADC2端为模拟数字转换器，用以检测输出电压的大小；控制芯片的COMM端为通信接口，用以和外界通信；控制芯片的VDD端为控制芯片供电端。
通信接口电路可以与外部控制器进行通信，可以设置电流的过流、稳压的电压值以及开关指令，同时多功能保护板的各种状态也可以通过通信接口电路传递给外部控制器。
具体的，内部开关为艾赛斯公司的IXTN200N10L2的金氧半场效晶体管（MOSFET管），控制芯片为极海科技的APM32F103RCT6，辅助电源采用金升阳公司的LD03-20B12WG，电压采样单元采用分压电阻，电流采样单元采用意瑞公司的CH704050CT，比较器采用德州仪器的OPA2171AIDR运算放大器进行搭设；控制芯片的DAC端与APM32F103RCT6的PA4引脚连接，GPIO端与APM32F103RCT6的PA1引脚连接，ADC1端与APM32F103RCT6的PC0引脚连接，ADC2端与APM32F103RCT6的PC1引脚连接，COMM端与APM32F103RCT6的PA9、PA10引脚连接，VDD端与APM32F103RCT6的VDD引脚连接，
固态电池的单体电压3.65V，工作电压范围2.75～4.30V，额定电压25.55V，工作电压19.25V～30.10V。
如图3-4所示的一种固态电池的多功能保护系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1）外部控制器下发闭合指令时，控制芯片控制内部开关闭合，然后检测输出端电压，当输出端电压小于设定的稳压数值时，则进行电流的检测，当检测的电流数值比设定的电流限值小时，则检测控制芯片的GPIO端电平，当控制芯片的GPIO端电平为低电平时，则继续检测输出端电压，一直进行循环检测、判断；
步骤2）当输出电压比设定的稳压电压高时，进行稳压控制算法，调节控制芯片的DAC的输出，进而控制开关驱动电路，调节输出电压，稳压控制算法采用模糊比例积分法，当输出的电压与设定的稳压差e(k)较大时，则对比例系数kp进行提高，然后进行PI计算，得出控制所需数值，控制DAC的输出，进而控制开关驱动电路，调节输出电压；
步骤3）当检测的电流数值比设定的电流限值大时，首先进行控制芯片GPIO端口的检测，当GPIO端口的电平为低电平时，对输出百分比进行检测，即（当前电流值-前一次电流值）/前一次电流值*100%，当输出百分比一直变大时，则判断过流，关闭开关；当输出百分比一直变小时，则不判断为过流；
步骤4）当控制芯片的GPIO端电平为高电平时，关闭开关。
闭合开关指令：55 06 00 01 00 01 14 1E。
断开开关指令：55 06 00 02 00 00 25 DE。
设置稳压数值指令：55 06 00 03 09 c4 73 DD。
设置限流数值指令：55 06 00 04 13 88 C8 89。
具体的，当外部控制器下发以上命令时，则多功能保护板设置为输出25V，限流50A；当固态电池充满电时，电压为30.10V，多功能保护板设定的输出电压为25V，则控制器通过模糊比例积分算法，调节APM32F103RCT6的PA4引脚电平，进而调节MOSFET管的门极与源极（Vgs）两端的电压，从而控制IXTN200N10L2进入线性区的程度，达到了控制输出电压的目的。
当负载电流超过50A时，控制芯片通过PC0引脚检测电流，其数值与50A进行比较，当比50A大时，控制芯片通过控制PA4引脚电平，进而调节MOSFET管的Vgs，从而控制IXTN200N10L2进入截止区，达到了断开输出的目的。
当负载短路时，由于固态电池的可高倍率放电的特性，短路电流将达到1000A以上，在本方案中，为了快速检测短路状态，当电流达到200A就认为是短路状态。电流采样值通过比较器与固定电流值（200A）进行比较，当达到200A以上时，比较器则为高电平，即短路状态，控制芯片PA1引脚检测到高电平则会立即关闭MOSFET管的gs两端电压，使得MOSFET管快速关闭，达到短路保护的目的。
当负载为感性或者容性负载时，由于负载特性，容易使得多功能保护板过流，然而由负载特性知，虽然负载电流在短时间超过50A，但是由于增长的速度放缓，由此可以通过检测负载电流上升的斜率，降低多功能保护板的误过流动作；
容性负载具体为：当负载输入电容C为1000uF，初始电压为0V，输入电阻R为0.25Ω时，固态电池电压U为25V，根据电容的充电特性，可知i=U/R*e(-t/τ),τ（时间常数）= RC=0.25ms，I=U/R=100A，在t=3*τ=0.75ms时，充电电流接近0A；在初始阶段，主控制芯片APM32F103RCT6通过ADC1检测到电流传感器CH704050CT的电流值，和设定值50A进行比较，得出目前处于过流状态；主控制芯片APM32F103RCT6通过检测GPIO的高低电平，来判断是否处于短路状态，短路状态的设定值是200A，本实施例最大电流是100A，故而得出GPIO是低电平状态；主控制芯片APM32F103RCT6通过一直检测电流传感器CH704050CT的电流值，并对电流的上升趋势进行判断，得出电流上升速度一直处于放缓状态，故而不判断是过流状态，保证了供电的可靠性；
感性负载具体为：当负载是直流电机时，规格为24V，400W，正常工作电流为17A，但是由于电机的工作特性，在启动阶段，Ist=(Un-Ea)/Ra,启动时转速n=0,电枢电势Ea=nCeФ=0，而Ra不变（Ist：电机启动电流；Un：电机启动电压；Ea：电枢电势；Ce：电势常数；Ra：电机内阻；Ф：磁通；n：转速），所以将额定电压直接加在电枢两端同样，会有5～7倍的启动电流，即85A～119A。在初始阶段，主控制芯片APM32F103RCT6通过ADC1检测到电流传感器CH704050CT的电流值，和设定值50A进行比较，得出目前处于过流状态。主控制芯片APM32F103RCT6通过检测GPIO的高低电平，来判断是否处于短路状态，短路状态的设定值是200A，本实施例最大电流是119A，故而得出GPIO是低电平状态。主控制芯片APM32F103RCT6通过一直检测电流传感器CH704050CT的电流值，并对电流的上升趋势进行判断，得出电流上升速度一直处于放缓状态，故而不判断是过流状态，保证了供电的可靠性。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种固态电池的多功能保护系统，包括固态电池、多功能保护板、外部控制器以及负载，其特征在于，所述固态电池的正极接多功能保护板的In端，多功能保护板的Out端接负载的正极，外部控制器的COMM端接多功能保护板的COMM端，固态电池的负极、多功能保护板的负极、负载的负极连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种固态电池的多功能保护系统，其特征在于，所述多功能保护板包括内部开关、开关驱动电路、电流采样单元、电压采样单元、比较器、控制芯片、通信接口电路以及辅助电源；
多功能保护板外部接口In端与内部开关的D端连接，与辅助电源的正极连接；内部开关的S端与电流采样单元的正极连接，电流采样单元的负极与多功能保护板外部接口Out端连接；控制芯片的DAC端与开关驱动电路的In端连接，开关驱动电路的Vgs端与内部开关的G端连接；控制芯片的GPIO端与比较器的Out端连接，比较器的In端与电流采样单元的Out端连接并与控制芯片的ADC1端连接；控制芯片的ADC2端与电压采样单元的Out端连接，电压采样单元的正极与电流采样单元的负极连接，电压采样单元的负极与多功能保护板外部接口的负极连接；控制芯片的COMM端与通信接口电路的In端连接，通信接口电路的Out端与多功能保护板外部接口的COMM端连接；辅助电源的负极与多功能保护板外部接口的负极连接，辅助电源的Out1端与开关驱动电路的Vcc端连接，辅助电路的Out2端与电流采样单元的Vcc端以及比较器的Vcc端连接，辅助电源的Out3端与控制芯片的VDD端连接。
3.根据权利要求2所述的一种固态电池的多功能保护系统，其特征在于，所述控制芯片的DAC端为数字模拟转化器，用以控制开关驱动电路的输出电平；控制芯片的GPIO端为输入口，用以检测比较器的高低电平，比较器用以将电流采样单元检测到的电流与设定值进行比较，如果大于设定值则输出高电平，否则输出低电平；控制芯片的ADC1端为模拟数字转换器，用以检测电流数值；控制芯片的ADC2端为模拟数字转换器，用以检测输出电压的大小；控制芯片的COMM端为通信接口，用以和外界通信；控制芯片的VDD端为控制芯片供电端。
4.根据权利要求2所述的一种固态电池的多功能保护系统，其特征在于，所述通信接口电路可以与外部控制器进行通信，可以设置电流的过流、稳压的电压值以及开关指令，同时多功能保护板的各种状态也可以通过通信接口电路传递给外部控制器。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的固态电池的多功能保护系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）外部控制器下发闭合指令时，控制芯片控制内部开关闭合，然后检测输出端电压，当输出端电压小于设定的稳压数值时，则进行电流的检测，当检测的电流数值比设定的电流限值小时，则检测控制芯片的GPIO端电平，当控制芯片的GPIO端电平为低电平时，则继续检测输出端电压，一直进行循环检测、判断；
步骤2）当输出电压比设定的稳压电压高时，进行稳压控制算法，调节控制芯片的DAC的输出，进而控制开关驱动电路，调节输出电压；
步骤3）当检测的电流数值比设定的电流限值大时，首先进行控制芯片GPIO端口的检测，当GPIO端口的电平为低电平时，对输出百分比进行检测，即（当前电流值-前一次电流值）/前一次电流值*100%，当输出百分比一直变大时，则判断过流，关闭开关；当输出百分比一直变小时，则不判断为过流；
步骤4）当控制芯片的GPIO端电平为高电平时，关闭开关。
6.根据权利要求5所述的一种固态电池的多功能保护系统的控制方法，其特征在于，步骤2）中稳压控制算法采用模糊比例积分法，当输出的电压与设定的稳压差e(k)较大时，则对比例系数kp进行提高，然后进行PI计算，得出控制所需数值，控制DAC的输出，进而控制开关驱动电路，调节输出电压。
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