CN205029329U - 一种具有二次保护功能的模拟均衡bms保护板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有二次保护功能的模拟均衡BMS保护板，所述模拟均衡BMS保护板包括：锂电保护主芯片IC1、锂电保护冗余芯片IC2、充电开关、放电开关、检流电阻、均衡开关电路、熔断式保护电路，所述模拟均衡BMS保护板用于对电动自行车的电池组进行过充放保护,且当电池组单体电池达到主芯片预设均衡开启电压时，控制均衡电路实现单体电池间的均衡，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态，使电池组发挥最大的功效。本实用新型使用单体保护电压等级不同的冗余锂电保护IC和熔断式电路实现二次保护功能；当锂电保护IC和MOS管失效，异常充放电时，可及时切断回路，充分保护锂电池包的安全性和可靠性。

Description

一种具有二次保护功能的模拟均衡BMS保护板

技术领域

本实用新型涉及电池保护电路领域，具体涉及用于电动自行车的电池管理系统(BMS)保护板。

背景技术

电池管理系统用于实时监测单体电池电压、电流大小和温度的变化，防止电池出现过充电和过放电以及充放电大电流的产生，能够提高电池的利用率，延长电池的使用寿命。

模拟均衡BMS保护板为其中一种保护板，硬件电路实现，采用集成锂电管理IC及扩展功率MOS管的管理方式。集成锂电管理IC检测对应的单体锂电池的电压、温度、及电池组电流，依据既定参数实时判别电池组状态，给出正常或者保护(过充、过放、过温、过流)信号，当单体电池达到主芯片预设均衡开启电压时控制均衡电路实现单体电池间的均衡，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态，使电池组发挥最大的功效，功率MOS管根据集成锂电管理IC给出的信号执行导通或者关断主充、放电回路，从而实现对锂电池的保护。

传统BMS保护板在出现充放电电流过大时，容易对锂电池性能造成不良影响。针对这一问题，目前常用的一种方式是在保护板外充放电回路线上串接保险，防止异常大电流出现时，可及时切断回路，保护锂电池的安全，这种保护板如图1。

但是，目前采用的保护板存在如下缺陷：

1、方式比较单一，当保护板主芯片或MOS管等器件失效时，无法起保护作用，会引起锂电池起火爆炸等安全事故；

2、锂电池出现异常充放电(电流异常、保护板在锂电保护IC设定单体电压保护范围内未保护)时保护板无法起到切断回路作用。

因此，目前所采用的用于电动自行车的电池管理系统的均衡BMS保护板存在很严重的安全隐患，不能在异常充放电或者保护板主芯片或MOS管等器件失效时有效地保护电池及周边环境的安全。

实用新型内容

针对目前电池管理系统保护板所存在的问题，本发明的目的是提供新的保护板，其能够：

1、当电池发生异常放电(低于锂电保护IC设定的单体过放保护电压值)时，通过二次保护电路实现切断回路并保护

2、当电池发生异常充电(高于锂电保护IC设定的单体过充保护电压值)时通过二次保护电路实现切断回路并保护；

3、当保护板主芯片或MOS管等器件失效时，仍然能够及时切断电路，实现对电池的保护。

具体而言，本实用新型提供一种具有二次保护功能的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述模拟均衡BMS保护板包括：锂电保护主芯片IC1、锂电保护冗余芯片IC2、充电开关、放电开关、检流电阻、均衡开关电路、熔断式保护电路，所述模拟均衡BMS保护板用于对电动自行车的电池组进行过充过放保护，

所述充电开关用于控制所述充电器与所述电池组之间的导通与关断；

所述放电开关用于控制所述负载与所述电池组之间的导通与关断；

所述检流电阻与所述电池组串联连接，用于将所述电池组的充放电流反馈至所述锂电保护主芯片IC1；

所述熔断式保护电路串联连接在所述电池组的充放电回路中；

所述锂电保护主芯片IC1和所述锂电保护冗余芯片IC2分别接收来自所述电池组的每个节点的电压信号，并获取每节电池的电压值，所述锂电保护主芯片IC1分别与所述充电开关和所述放电开关相连，并用于控制其开关，所述锂电保护冗余芯片IC2与所述熔断式保护电路相连，用于控制所述熔断式保护电路的熔断；

所述均衡开关电路包括多个均衡开关和放电电阻，所述电池组中的每节电池两端连接一个均衡开关，所述锂电保护主芯片IC1分别与每个均衡开关相连，用于控制相应均衡开关的通断，进而对电池单体进行均衡充电。

优选地，所述均衡开关电路中的每个均衡开关与所述锂电保护主芯片IC1的一个输出端口相连，当所述电池组中的任意一个单体电池电压达到所述锂电保护主芯片IC1设定的均衡开启电压值且单体间压差达到其预设值时，所述锂电保护主芯片IC1控制相应均衡开关开启。

优选地，所述模拟均衡BMS保护板还包括RC滤波电路，所述锂电保护主芯片IC1和所述锂电保护冗余芯片IC2通过所述RC滤波电路监测所述电池组中每个单体电池的电压。

优选地，所述模拟均衡BMS保护板还包括温度开关，所述温度开关用于监测保护板以及周围环境的温度，当所述温度开关测得的温度超过温度阈值时，所述温度开关导通并向所述锂电保护主芯片IC1提供反馈，

所述锂电保护主芯片IC1基于所述温度开关提供的反馈信号、所述电池组中每个单体电池的电压、所述检流电阻反馈的所述电池组的充放电流控制所述放电开关和所述放电开关的导通与关断。

优选地，所述锂电保护主芯片IC1和所述锂电保护冗余芯片IC2针对所述电池组中每个单体电池的电压设定单体过充过放保护电压相应阈值，并且所述锂电保护冗余芯片IC2的单体过充过放保护电压阈值范围宽于所述锂电保护主芯片IC1。

优选地，所述熔断式保护电路还包括熔断开关，当所述电池组中任意一个单体电池的电压超过所述锂电保护主芯片IC1设定的单体过充过放保护电压阈值并达到所述锂电保护冗余芯片IC2设定的单体过充过放保护电压阈值时，所述锂电保护冗余芯片IC2控制所述熔断开关导通，以使得所述熔断式保护电路熔断。

优选地，所述放电开关为放电MOS管，所述充电开关为充电MOS管。

优选地，所述锂电保护主芯片IC1采用BYD3451TNDC和所述锂电保护冗余芯片IC2采用BYD3451VJDC。

优选地，所述熔断式保护电路还包括第一熔断保险F1、第二熔断保险F2、逻辑电路，所述第一熔断保险F1、第二熔断保险F2与所述电池组串联连接，所述熔断开关一端连接在所述第一熔断保险F1和第二熔断保险F2的连接点，另一端接地，所述逻辑电路用于控制所述熔断开关。

有益效果

1、本实用新型使用单体保护电压等级不同的冗余锂电保护IC2和熔断式电路实现二次保护功能，同时本实用新型的保护板能够实现对电池组中各电池的充电的均衡；

2、熔断式电路采用T型双保险电路，出现异常大电流(超过保护板设定的最大电流值)保护锂电池的同时，也可保护充电器；

3、当锂电保护IC和MOS管失效时，异常充放电(超出保护板设定的单体保护电压值范围)时，可及时切断回路，充分保护锂电池包的安全性和可靠性。

附图说明

图1示出了现有技术中所采用的保护板的结构示意图；

图2示出了本实用新型的保护板的电路结构示意图；

图3示出了本实用新型的保护板的工作流程示意图。

具体实施方式

本发明一个实施例的原理示意图如图2所示。保护板(或称保护电路)包括锂电保护主芯片IC1、冗余芯片IC2、放电MOS管G2、充电MOS管G3、检流电阻、熔断式保护电路、均衡开关电路等。

如图中所示，本实施例在原有硬件保护电路的基础上，加了一重熔断式保护电路，采用两套单体充放电电压保护值等级不同的锂电保护IC(BYD3451TNDC)，IC2(BYD3451VJDC)实时监测单体电池电压并控制熔断式保护电路。

如图所示，电池组(或称电池包)、检流电阻、放电MOS管G2、充电MOS管G3依次串联连接。充电MOS管G3连接充电器的一个输入，充电器的另一输入经熔断式保护电路连接电池组的正极。放电MOS管的漏极连接负载的一端，负载的另一端经熔断式保护电路连接电池组的正极。

IC1和IC2均接收来自电池各个节点的电压信号，这里所提到的电池节点指的是任意两节电池之间的节点，以及电池组两端的节点，通过这些节点可以确定每节电池的电压。

IC1输出两路驱动信号放电驱动信号DO1和充电驱动信号CO1，二者分别控制放电MOS管G2、充电MOS管G3，电池组正常工作时，放电MOS管G2与充电MOS管G3常通。IC1BYD3451TNDC与IC2(BYD3451VJDC)采用不同型号的芯片，但是IC2比IC1设置更宽的单体过充过放保护电压阈值范围。在本实施例中，IC1中设定的具体阈值为单体过充电压4.25V、过放2.8V、均衡开启条件(部分单体电压达到4.19V)、充电过流12±4A、放电过流45±5A、温度保护75±5℃。而IC2中设定的各种阈值分别为：单体过充电压4.3V、单体过放电压2.7V。

锂电保护主芯片IC1还与均衡开关电路相连接，均衡开关电路包括多个均衡开关和放电电阻。一个均衡开关可以对应一个放电电阻，或者也可以多个均衡开关共用一个放电电阻。电池组中的每节电池两端连接一个均衡开关，锂电保护主芯片IC1分别与每个均衡开关相连，用于控制相应均衡开关的通断，进而对电池单体进行均衡充电。一旦某一节电池的充电发生异常，比如电压高于其它电池平均电压超过一个预定值，则锂电保护主芯片IC1控制相应均衡开关闭合，对该电池进行放电，实现均衡充电。

IC2也输出两路驱动信号放电驱动信号DO2和充电驱动信号CO2，两路驱动型经逻辑电路用于控制熔断开关G1，逻辑电路的工作方式为：当放电驱动信号DO2和充电驱动信号CO2均为高电平时，输出低电平，当两路信号中的一路为低电平时，输出高电平。一旦逻辑电路输出高电平，则G1导通，使得电池组暂时短路并熔断保险丝F1。

所述检流电阻用于将电池组的充放电流反馈至所述锂电保护主芯片IC1。此外，保护板还可以包括RC滤波电路，锂电保护主芯片IC1通过所述RC滤波电路监测所述电池组中每个单体电池的电压。

保护板还可以包括温度开关，温度开关用于监测保护板以及周围环境的温度，当温度开关测得的温度超过温度阈值时，温度开关导通并向所述锂电保护主芯片IC1提供反馈。锂电保护主芯片IC1基于温度开关提供的反馈信号、电池组中每个单体电池的电压、检流电阻反馈的所述电池组的充放电流控制放电开关和放电开关的导通与关断。

本实施例中的保护板的具体工作流程如下：

1)正常情况下：锂电池充放电可控，即单体达到锂电保护IC1既定参数(过充4.25V、过放2.8V、充电过流12±4A、放电过流45±5A、温度保护75±5℃)时由IC1控制可实现保护，电池包连接保护板后IC1驱动信号D01与DO2位高电平，控制放电MOS管G2、充电MOS管G3导通

放电过程：电池包连接负载进行放电，当达到锂电保护IC1设定的单体过放保护电压值时，驱动信号DO1变为低电平，放电MOS管G2关闭，停止放电；此外，放电电流经6毫欧的检流电阻反馈给锂电保护芯片IC1的Is脚，当放电电流过大，达到Is脚设定的放电电流保护值时，MOS管G2也会关闭，电池包停止向负载放电。

充电过程：电池包连接36V充电器进行充电，当IC1测得电池组中任意一节电池达到锂电保护IC1设定的单体过充保护电压值时，驱动信号CO1变为低电平，充电MOS管G3关闭，停止充电，此时如果单体电池电压达到IC1均衡开启设定值时，均衡开关电路开启，将此节电池电压放到均衡开启电压以下，充电MOS管G3一直打开充电，当所有电池单体达到满充时，充电MOS管G3关闭，停止充电；此外，由于充电电流经检流电阻反馈给锂电保护IC1的Is脚，当放电电流过大，达到Is脚设定的充电电流保护值时，MOS管G3也会关闭，保护板切断回路，充电器停止向电池包充电。

此外，还可以对保护板温度以及周围环境进行测量，当温度超过预定阈值时，IC1也控制CO1和DO1输出低电平，使放电MOS管G2与充电MOS管G3关断。

2)异常情况下(这里所提到的异常情况指的是电流或电压超过IC1所设定的阈值，但却无法关断MOS管G2或MOS管G3的情况)：锂电保护冗余芯片IC2实时检测单体异常充放电压(既定参数：单体电压异常过放电压最低为2.7V、单体电压异常过充电压最高为4.3V)，正常情况锂电保护冗余芯片IC2的充电MOS管驱动信号CO2和放电MOS管驱动信号DO2为高电平，

异常放电过程：当锂电保护IC1或放电MOS管失效不受控(即一直导通无法关闭)时，无法切断回路，电池包会一直放电，当电池包中单体电压达到最低电压2.7V时，则属于异常放电情况，此时锂电保护芯片IC2放电驱动信号DO2会变为低电平，经逻辑电路(由三极管搭建的电平转换电路)控制MOS管G1导通，保险丝F1熔断，切断主回路，实现放电保护；当放电电流超过保险可承受电流时，锂电保护芯片IC2放电驱动信号DO2也会变为低电平，保险丝F1熔断，实现放电保护。

异常充电过程：情况1：当锂电保护IC1或充电MOS管失效不受控时(即一直导通无法关闭)时，无法切断回路，充电器会一直给电池包充电，当电池包中单体电压达到最高电压4.3V时，则属于异常充电情况，此时锂电保护芯片IC2充电驱动信号CO2会变为低电平，经逻辑电路(由三极管搭建的电平转换电路)控制MOS管G1导通，保险丝熔断，实现充电保护；

情况2：若充电器异常，出现大电流，保险丝F2会直接熔断，实现充电保护。

本发明的方案与现有技术不同，现有技术大多采用在充电与放电回路线上串接保险方式实现大电流保护，但这种方式不能解决如放电MOS管不受控时，且未出现大电流，此时保护板无法起到保护作用，电池会持续放电，对电池性能造成影响。由于采用两套IC，即使出现上述情况，当电池单体电压达到IC2过充过放电压保护值时，IC2会发出控制信号，切断回路，实现保护。

虽然上面结合本实用新型的优选实施例对本实用新型的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本实用新型的示意性实现方式的解释，并非对本实用新型包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本实用新型范围的限制，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本实用新型保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有二次保护功能的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述模拟均衡BMS保护板包括：锂电保护主芯片IC1、锂电保护冗余芯片IC2、充电开关、放电开关、检流电阻、均衡开关电路、熔断式保护电路，所述模拟均衡BMS保护板用于对电动自行车的电池组进行过充过放保护，

所述充电开关用于控制所述充电器与所述电池组之间的导通与关断；

所述放电开关用于控制所述负载与所述电池组之间的导通与关断；

所述检流电阻与所述电池组串联连接，用于将所述电池组的充放电流反馈至所述锂电保护主芯片IC1；

所述熔断式保护电路串联连接在所述电池组的充放电回路中；

所述锂电保护主芯片IC1和所述锂电保护冗余芯片IC2分别接收来自所述电池组的每个节点的电压信号，并获取每节电池的电压值，所述锂电保护主芯片IC1分别与所述充电开关和所述放电开关相连，并用于控制其开关，所述锂电保护冗余芯片IC2与所述熔断式保护电路相连，用于控制所述熔断式保护电路的熔断；

所述均衡开关电路包括多个均衡开关和放电电阻，所述电池组中的每节电池两端连接一个均衡开关，所述锂电保护主芯片IC1分别与每个均衡开关相连，用于控制相应均衡开关的通断，进而对电池单体进行充电均衡。

2.根据权利要求1所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述均衡开关电路中的每个均衡开关与所述锂电保护主芯片IC1的一个输出端口相连，当所述电池组中的任意一个单体电池电压达到所述锂电保护主芯片IC1设定的均衡开启电压值且单体间压差达到其预设值时，所述锂电保护主芯片IC1控制相应均衡开关开启。

3.根据权利要求2所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述模拟均衡BMS保护板还包括RC滤波电路，所述锂电保护主芯片IC1和所述锂电保护冗余芯片IC2通过所述RC滤波电路监测所述电池组中每个单体电池的电压。

4.根据权利要求3所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述模拟均衡BMS保护板还包括温度开关，所述温度开关用于监测保护板以及周围环境的温度，当所述温度开关测得的温度超过温度阈值时，所述温度开关导通并向所述锂电保护主芯片IC1提供反馈，

所述锂电保护主芯片IC1基于所述温度开关提供的反馈信号、所述电池组中每个单体电池的电压、所述检流电阻反馈的所述电池组的充放电流控制所述放电开关和所述放电开关的导通与关断。

5.根据权利要求4所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述锂电保护主芯片IC1和所述锂电保护冗余芯片IC2针对所述电池组中每个单体电池的电压设定单体过充过放保护电压相应阈值，并且所述锂电保护冗余芯片IC2的单体过充过放保护电压阈值范围宽于所述锂电保护主芯片IC1。

6.根据权利要求5所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述熔断式保护电路还包括熔断开关，当所述电池组中任意一个单体电池的电压超过所述锂电保护主芯片IC1设定的单体过充过放保护电压阈值并达到所述锂电保护冗余芯片IC2设定的单体过充过放保护电压阈值时，所述锂电保护冗余芯片IC2控制所述熔断开关导通，以使得所述熔断式保护电路熔断。

7.根据权利要求1所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述放电开关为放电MOS管，所述充电开关为充电MOS管。

8.根据权利要求1所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述锂电保护主芯片IC1采用BYD3451TNDC和所述锂电保护冗余芯片IC2采用BYD3451VJDC。

9.根据权利要求6所述的模拟均衡BMS保护板，其特征在于，所述熔断式保护电路还包括第一熔断保险F1、第二熔断保险F2、逻辑电路，所述第一熔断保险F1、第二熔断保险F2与所述电池组串联连接，所述熔断开关一端连接在所述第一熔断保险F1和第二熔断保险F2的连接点，另一端接地，所述逻辑电路用于控制所述熔断开关。