CN204068376U - 可扩展通信后备电源锂电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可扩展通信后备电源锂电池管理系统，该系统包括至少两个分管理模块，分管理模块相互并联后分别与充电机、负载连接，分管理模块之间通过串口通信，所述分管理模块包括主控单元、以及分别与主控单元连接的充放电器反接单元、主通道单元、外部控制单元、通信单元、前级控制单元、前级信号采样单元、分管理模块供电单元；所述前级控制单元还与前级信号采用单元连接，本实用新型适应了现代通讯设备对后备电源的要求，具有极低的待机功耗、系统可自动切换电池组使系统稳定性极大提高。

Description

可扩展通信后备电源锂电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及新能源技术领域，尤其涉及电池管理系统，更具体的说涉及可扩展通信后备电源锂电池管理系统。

背景技术

传统的通讯设备后备电源采用阀控式铅酸电池，这种电源存在使用寿命短、维护成本高等缺点，而3G通信时代大背景下基站部署规模增加而且更加灵活，传统的铅酸蓄电池占地面积大、维护困难，难以满足需求。锂电池相对铅酸电池使用寿命是其3倍多，相同容量的铁锂电池的体积和重量是铅酸蓄电池的1/3，而且可以任意连接摆放，对建筑空间、承重等都没有特殊要求，大大降低了场地租用成本。锂电池代替铅酸电池作为通讯后备电源已是产业发展趋势。

电池管理系统是锂电池组应用的必配组件。目前的锂电池管理系统(BMS)技术主要集中电动汽车领域。主要关注点包括：单节电池电压采样精度、电池组的温度采样及其与电池剩余容量(SOC)的关系、电池组的充放电特性、电池组SOC的精度、电池组的均衡能力、电池本身的安全性等。

虽然通讯设备后备电源所占的空间也是希望越小越好，但相对与汽车来说其可占用的空间要宽松的多，这就给设计具有冗余特性后备电源系统提供可能。对于电动汽车，其充电电流越大充电时间就会越短，电动汽车用的BMS一般不会限流充电，这种方式对电池会降低电池的使用寿命。由于对于通信后备电源来讲对充电时间没有要求，本实用新型提出了充电限流技术。对于电动汽车用BMS，即使当系统由于欠压进入休眠状态以后，也具有强制电池组放电功能。对于通信用后备电源当系统进入休眠状态以后，不需要强制放点功能。基于这一特点，本实用新型提出一种休眠状态极低功耗解决方案。有关文献中提到系统最终功耗达到145uA，本专利系统最终达到4.5uA。本身功耗越低，通讯后备电源的使用效率就越高且系统的发热也越少，系统安全性、可靠性就会提高。

发明内容

针对相关技术领域文献和以上现有技术的不足，在大量现有文献研究和长期在相关领域研发实践的基础上，根据通信设备的特点，本实用新型提出“低功耗可扩展通信后备电源管理系统”，使锂电池组更好的应用于通讯行业。克服了现有锂电池管理系统、无冗余、待机功耗较高等缺点，并且实现了系统充电限流、过流报警、短路保护等功能；同时具有了冗余、可扩展特性从而提高了系统稳定性。

为实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种低功耗可扩展通信后备电源锂电池管理系统，该系统包括至少两个分管理模块，系统实现冗余特性，分管理模块相互并联后分别与充电机、负载连接，分管理模块进行通信。所述分管理模块外部接口设有四个拨码开关；所述分管理模块设有多用途按钮；所述分管理模块设有运行、报警、电池容量指示灯。所述分管理模块包括主控单元、以及分别与主控单元连接的充放电器反接单元、主通道单元、外部控制单元、通信单元、前级控制单元、前级信号采样单元、分管理模块供电单元；所述前级控制单元还与前级信号采用单元连接。所述主通道单元包括放电控制回路、充电限流控制、过流短路信号锁定、过流短路信号检测、过流短路信号反馈；放电时从电池组正端流出经过负载，从负载流出到充电隔离开关，进入放电开关、放电取样电阻最后回到电池组负端形成放电回路；充电时电流从充电机PARK+流出进入电池组，从电池组负端流出，从电感L1流出经放电隔离二极管进入充电开关后入充电取样电阻，最后回到充电机PARK-端形成充电回路，充放电通道相互独立，实现充电限流功能。所述放电控制回路控制放电开关的通断，过流短路信号检测并联到放电开关上，过流短路信号锁定、过流短路信号反馈连接到过流短路信号检测。所述分管理模块供电单元在系统处于休眠状态时自动停止电源工作，在系统接入充电机后会主动唤醒，转入正常工作状态。所述前级采样单元与主控单元设有隔离电路。

一种可扩展通信后备电源锂电池管理系统方法，包括以下步骤：步骤一、系统外设初始化并系统自检；步骤二、进入程序主循环；步骤三、电池组信息采集；步骤四、电池容量SOC计算；步骤五、系统状态报警。所述的主循环，是一种类型于多任务软件管理机制，就是采用为系统中每项任务处理分配一定时间。所述电池容量SOC计算通过电流积分法计算，包括以下步骤，步骤一、电流采样；步骤二、电流采样时间获取；步骤三、积分计算；步骤四、获取电压、温度、充电值；步骤五、确定修正参数；步骤六、获取当前电量。以上步骤随主循环一起循环。

本实用新型具备的有益效果是：本实用新型适应了现代通讯设备对后备电源的要求，具有极低的待机功耗、系统可自动切换电池组使系统稳定性极大提高。通过整个电池组的冗余设计、提高系统的稳定性和可靠性；采用特殊设计方案实现了系统待机极低功耗功能；根据流过放电回路电流等级的不同分别采用软硬件方式实现过流报警和短路保护功能；采用通用芯片实现充电限流技术，更好适应通信后备电源的技术要求。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例的整体方案原理图；

图2为本实用新型具体实施例的模块内部工作原理图；

图3为本实用新型具体实施例的主通道工作原理图；

图4为本实用新型具体实施例的放电回路原理图；

图5为本实用新型具体实施例的模块内部工作原理图；

图6为本实用新型具体实施例的模块自身供电原理图；

图7为本实用新型具体实施例的前级采样电路；

图8为本实用新型具体实施例的前级复位及供电控制电路；

图9为本实用新型具体实施例的前级采样与主控隔离电路；

图10为本实用新型具体实施例的系统软件框图；

图11为本实用新型具体实施例的系统工作流程图；

图12为本实用新型具体实施例的系统SOC执行流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式如所涉及的控制系统，相互间的连接关系，及实施方法，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

方案原理图如图1所示：采用模块化设计，模块之间采用RS485通信，每个模块进行并联。这种结构最大程度保证电池组输出电压的稳定，同时系统实现级联，提高系统的冗余。通过RS485可以将系统数据输出。每个模块外部接口设计四个拨码开关，用于设置模块的硬件地址，一共可设为16个；每个模块设置一个多用途按钮用于完成模块开机/激活、关机/休眠、复位功能；每个模块设置运行(RUN)、报警(ALM)、电池容量(SOC)指示灯；其中RUN、ALM各设置1个指示灯，SOC设置4个指示灯。每个模块内部的工作原理图。如图2所示：由7个部分组成，主通道部分完成模块的充、放电控制，也包含恒流充电、过流短路保护等功能；通讯部分完成模块之间的通讯，可以形成链式网络；前级采样部分主要完成对本电池组基础信息的采样，包括实时电池电压、温度等信息采样；前级控制模块主要完成主控部分对前级采样单元的控制，包括复位、电平转换、各个模块采样信息归一化等；外部控制主要完成模块的人机交互功能；系统电源管理为模块提供稳定电源和实现各种低功耗功能；防反接主要用于防止充电机与电池组反接。

主控芯片采用STM32F101单片机作为主控芯片，此芯片具有外部接口丰富、芯片休眠功耗、价格便宜等有点。为了能够对模块历史数据记录单片机外部采用AT24C02A扩展一片EEPROM。设置一组4位拨码开关用于模块的地址设置，

主通道主要完成充、放电控制。通道的原理图如图3所示：主要包括由放电控制回路、充电限流控制、过流短路信号锁定、过流短路信号检测、过流短路信号反馈等。图中虚线箭头表示放电流向；电流从电池组正端流出经过负载，从负载流出到充电隔离开关，进入放电开关、放电取样电阻最后回到电池组负端。在此回路中放电控制回路由单片机控制其通断；在回路发生过流或短路时，过流短路信号检测部分必须通过硬件将回路切断；同时过流短路信号锁定硬件电路将过流短路信号锁定；过流短路信号反馈电路将过流短路信号反馈给单片机；放电取样电阻就是用来获取过流短路信号；图中实线箭头表示充电流向；电流从充电机

PARK+流出进入电池组，从电池组负端流出，由于存在充电隔离开关，电流只能流向L1，从L1流出经放电隔离二极管进入充电开关，充电开关在充电限流控制电路发出PWM信号的作用下限制充电电流；充电电流从充电开关出来进入充电取样电阻，最后流入充电机。

放电回路设计，放电时电流会从网络VP-场管Q6、Q7流向Q8、Q9，最后到BAT-。每个场管内阻5mΩ，场管的发热量如式(1)所示，场管的温升不仅与发热有关还和其散热能力有关。可以通过增加回路中并联的场管数量或增大场管散热片面积的方式提高回路的通电流能力。放电开关与充电隔离开关要相一致，因为回路电流一样。由单片机发出Mcu_Discharge_Ctrl高电平使的场管Q15导通，从而使Q16导通，Discharge_Mosfet_Ctrl变为高电平，Q8、Q9导通放电允许。电阻RF1为检流电阻，网络SRN、SRP为前级采样模块使用。电阻R126、R110和场管Q19构成放电过流短路关断回路。当回路放电电流允许范围内，由R126、R110构成的分压电路不足以打开场管Q19，当发生短路过流时候R126、R110两端电压迅速上升，其分压值得到Q19的导通门槛值使Q19导通，Q19导通将Discharge_Ctrl网络拉低，从而关断放电开关回路并将Q19状态锁定。由Q24、Q25构成的回路可以将Discharge_Ctrl网络状态反馈给单片机。由Q21、Q22、Q45构成的回路可以使网络DSG同样可以将Discharge_Ctrl网络拉低并锁定。这样就实现了过流短路回路的双重锁定。DSG由前级采样主芯片OZ8920提供。网络SRN、SRP为OZ8920电流采样端。

Q＝I²R    (1)

充电回路设计：由于充电需要限流而放电不限流，必然要求充、放电需要不同通道。充电回路如图5所示。充电限流采用TL494芯片完成，TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路。主要用于各种开关电源系统中。电阻R81、R82构成限流设定值，Vref为TL494自身产生的一个参考电压+5V。H_Samp网络为充电电流采样；TL494的9、10脚为脉宽调制输出，经一对场管推挽输出控制充电通道Q1和Q2。由H_Samp的电压与R81、R82所设置的电压值进行比较结果来决定9、10脚输出脉宽的占空比。实现限流充电。

低功耗设计：每个模块要求休眠功耗在μ级，模块自身功耗已经超过这个等级，为了满足系统休眠功耗要求必须在系统处于休眠状态时每个模块主动停止自身电源工作，这样系统休眠时只有漏电流，可以满足系统休眠功耗要求。如图6所示：JP18连接电池组BAT+，由场管Q34控制电池组供电是否关断；Q34导通条件是其栅极为低电平，Q34栅极低电平的条件是Q33导通，Q33导通只要D14、D15、D29其一输出为高电平就可以。JP17接上充电机时，Q32光耦导通，D14输出为高；同理，RST_KEY按下复位，D29输出为高电平；在D14、D29未输出高电平的条件下，单片机输出网络2U_MCU_POWER_CON可以主动关断Q33从而实现系统进入休眠状态。系统接上充电器或长时间按下复位开关将系统唤醒后，单片机工作输出2U_MCU_POWER_CON为高电平就可以锁定系统进入工作状态。外部复位开关状态通过OUTSIDE_RST_CTRL反馈给单片机，单片机根据此信号的长度来决定是否锁定系统工作电源。

前级采样电路设计：前级采样电路主要完成模块内电池电压采样、温度采样、电池均衡等功能。采用的主控芯片为OZ8920，一个模块可以管理8节电池。如图7所示：BAT8为模块内最高节电池的正端，通过电阻RF8被OZ8920采样；电阻R8/4、R8/3为均衡电阻，OZ8920发均衡控制信号CB8通过场管Q8进行放电均衡；由于系统要求极低的功耗，对OZ8920本身供电也需要进行控制，当系统进入休眠状态时必须切断OZ8920的供电。图7中网络POWER_SW由主控芯片STM32F101通过光耦控制，主控部分的电平与采样前级的电平不一致；如图8所示；OZ8920通电复位后采样的数据才有效，当多个模块并联使用是就需要进行统一复位，有主控STM32F101通过网络MCU_RSTN来同一复位，如图8所示；前级采样的数据通过I²C通讯发送给STM32F101，由于前级电平与主控电平不一致，所以也需要进行隔离传输，采用ADUM1250芯片进行隔离设计，如图9所示；

系统实测：由于本系统实测项目很多，本实用新型只给出休眠功耗测试和放电过流报警测试结果。当系统进入休眠状态，单片机将外部所有电源切断，系统只有漏电流，系统的功耗只有4.29μ，满足设计要求。将BMS放电过流保护值设为55A，对电池进行56.686A放电，BMS放电过流告警，也满足设计要求。

系统软件：本系统软件包括两部分：一部分为运行在PC机上的监控软件，另一部分为运行于单片机里的嵌入式软件。监控软件完成人机接口功能，主要用于系统参数如系统模块数、模块保护门槛等设置和实时监视系统运行状态。嵌入式软件配合硬件完成系统的主要功能。软件结构框图如图10所示：主要包括两个部分，其一为单片机外设驱动，其二为系统应用程序。软件运行流程图如图11所示：其中电池容量SOC主要采用电流积分法为基础，参考电压、温度以及充电次数参数进行修正的办法设计。如图12所示。

专业人员还可以进一步意识到，本实用新型的创新点在于系统的结构创新，软件程序部分属于现有公知技术，同时结合本实用新型中所公开的实施例描述的执行步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

本实用新型并不局限于上述特定实施例，在不脱离本实用新型精神及其实质情况下，本领域的普通技术人员可根据本实用新型做出各种相应改变和变形，这些相应对本实用新型进行的修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护的范围当中。

Claims (7)

1.一种可扩展通信后备电源锂电池管理系统，其特征在于：该系统包括至少两个分管理模块，分管理模块相互并联后分别与充电机、负载连接，分管理模块之间通过串口通信。

2.根据权利要求1所述的可扩展通信后备电源锂电池管理系统，其特征在于：所述分管理模块外部接口设有拨码开关、多用途按钮和指示灯。

3.根据权利要求1所述的可扩展通信后备电源锂电池管理系统，其特征在于：所述分管理模块包括主控单元、以及分别与主控单元连接的充放电器反接单元、主通道单元、外部控制单元、通信单元、前级控制单元、前级信号采样单元、分管理模块供电单元；所述前级控制单元还与前级信号采用单元连接。

4.根据权利要求3所述的可扩展通信后备电源锂电池管理系统，其特征在于：所述主通道单元包括放电控制回路、充电限流控制、过流短路信号锁定、过流短路信号检测、过流短路信号反馈；放电时从电池组正端流出经过负载，从负载流出到充电隔离开关，进入放电开关、放电取样电阻最后回到电池组负端形成放电回路；充电时电流从充电机PARK+流出进入电池组，从电池组负端流出，从电感L1流出经放电隔离二极管进入充电开关后入充电取样电阻，最后回到充电机PARK-端形成充电回路，充放电通道相互独立。

5.根据权利要求4所述的可扩展通信后备电源锂电池管理系统，其特征在于：所述放电回路控制放电开关的通断，过流短路信号检测并联到放电开关上，过流短路信号锁定、过流短路信号反馈连接到过流短路信号检测。

6.根据权利要求3所述的可扩展通信后备电源锂电池管理系统，其特征在于：所述分管理模块供电单元在系统处于休眠状态时自动停止电源工作，在系统接入充电机后会主动唤醒，转入正常工作状态。

7.根据权利要求3所述的可扩展通信后备电源锂电池管理系统，其特征在于：所述前级采样单元与主控单元设有隔离电路。