CN205029381U - 一种具有二次保护功能的数字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数字BMS保护板，所述数字BMS保护板包括：锂电池电压采集芯片IC、单片机MCU、充电开关、放电开关、检流电阻、熔断式保护电路、降压电路，所述数字BMS保护板用于对电动自行车的电池组进行过充过放保护以及充放电过流保护。本实用新型使用电池电压采集芯片加MCU和熔断式电路实现二次保护功能；熔断式电路采用T型双保险电路，出现异常大电流保护锂电池的同时，也可保护充电器；当锂电电池电压采集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数字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。

数字BMS保护板为其中一种保护板，数字电路实现，采用锂电池采集IC和MCU及扩展功率MOS管的管理方式。锂电池采集IC实时检测对应的单体锂电池的电压及电池组电流等参数，并将数据传递给MCU，MCU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，控制整个系统的运行，以保证锂电池工作在稳定的状态，延长锂电池的使用寿命。

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，当异常大电流出现时，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，其主要针对数字BMS保护板进行了改进，能够：

1、当电池发生异常放电(低于MCU设定的正常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MCU设定的正常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、当保护板电压采集芯片或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数字BMS保护板，其特征在于，所述数字BMS保护板包括：锂电池电压采集芯片IC、单片机MCU、充电开关、放电开关、检流电阻、熔断式保护电路、降压电路，所述数字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池电压采集芯片IC，所述MCU接收所述锂电池电压采集芯片IC所采集的数据并输出控制信号给所述锂电池电压采集芯片IC；

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；

所述降压电路用于降低电池组的总电压提供给MCU供电(降为3.3V)；

所述锂电池电压采集IC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，并将采集数据传递给MCU，所述锂电池电压采集芯片IC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MCU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。

优选地，所述数字BMS保护板还包括RC滤波电路，所述锂电池电压采集芯片IC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，并将数据传递给MCU。

优选地，所述数字BMS保护板还包括负温度系数的热敏电阻及分压电阻R1，所述热敏电阻用于监测保护板以及周围环境的温度，热敏电阻与分压电阻R1分压，热敏电阻随温度增加而变小，分压电阻R1上的电压增大。

优选地，所述MCU基于锂电池采集芯片传递的所述电池组中每个单体电池的电压、所述检流电阻测的所述电池组的充放电流以及热敏电阻阻值变化反馈给MCU的信号控制所述放电开关和所述放电开关的导通与关断。

优选地，电池电压采集IC实时集采电池单体电压，所述MCU中设置两个单体过充过放保护电压阈值范围：正常工作保护范围电压与异常工作保护范围电压。

优选地，所述熔断式保护电路还包括熔断开关。

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，所述锂电池电压采集IC采用ML5238和所述单片机MCU采用STM8L051F3P6。

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，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MCU用于控制所述熔断开关。

当所述电池组中任意一个单体电池的电压超过MCU设定的正常工作保护范围电压阈值并达到MCU设定的异常工作保护范围电压阈值时，所述MCU控制所述熔断开关G1导通，以使得所述熔断式保护电路熔断，且当出现充电器异常出现大电流时(超过F2设定的允许最大电流)，所述熔断式电路中保险F2熔断，保护电池组与充电器。

单体正常过充过放保护电压阈值与单体异常过充过放保护电压阈值，均由MCU设定，具有可调性，通用性比较强的特点。

有益效果

1、本实用新型使用电池电压采集IC加MCU和熔断式电路实现二次保护功能；

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、当锂电电压采集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)包括锂电池采集IC、单片机MCU、放电MOS管G2、充电MOS管G3、热敏电阻、熔断式保护电路、降压电路等。

如图中所示，本实施例在原有数字保护电路的基础上，加了一重熔断式保护电路，采用锂电池采集IC(ML5238)实时监测单体电池电压以及充放电电流并将数据传递给MCU(STM8L051F3P6)，MCU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)信号通过采集芯片检测异常充放电电压，MCU读取异常电压并发出控制信号来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。

锂电池采集IC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。

IC输出两路驱动信号：放电驱动信号DO和充电驱动信号CO，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。

MCU设置两个单体过充过放保护电压阈值范围。在本实施例中，MCU设定的正常阈值为单体过充电压4.25V、过放2.8V、充电过流12±4A、放电过流45±5A、温度保护75±5℃。异常阈值为单体异常过充电压4.5V、单体异常过放电压2V。

MCU输出信号控制熔断开关G1，当MCU读取到的充放电电压达到其设定的异常充放电电压值时，MCU输出高电平，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采集芯片IC，所述锂电采集芯片IC再将数据传递给单片机MCU，此外，保护板还可以包括RC滤波电路，锂电池电压采集IC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。

保护板还可以包括负温度系数的热敏电阻、分压电阻R1。热敏电阻用于监测保护板以及周围环境的温度，当热敏电阻随温度的升高阻值随之降低，则反馈给MCU的电压升高，当测得温度准换成电压超过MCU预设的温度电压阈值时，MCU则输出控制信号向所述锂电池电压采集片IC。锂电池采集IC基于MCU发出的控制信号(过充、过放、过流、过温等)控制放电开关和充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MCU设定参数(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MCU输出控制信号给锂电池采集IC控制放电开关和充电开关可实现保护，电池包连接保护板后驱动信号CO与DO为高电平，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MCU设定的单体过放保护电压值时，驱动信号DO变为低电平，放电MOS管G2关闭，停止放电；此外，放电电流经3.3毫欧的检流电阻反馈给锂电池电压采集IC的Is脚(图中为画出)，并将电流数据再传递给MCU做处理，当放电电流过大，达到MCU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IC测得电池组中任意一节电池达到MCU设定的单体过充保护电压值时，驱动信号CO变为低电平，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池电压采集IC的Is脚，并将电流数据再传递给MCU做处理，当充电电流过大，达到MCU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，MCU也会发出信号给电压采集芯片IC控制CO和DO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MCU所设定的阈值，但却无法关断MOS管G2或G3的情况)：锂电池电压采集IC实时检测单体充放电压(MCU设定参数：单体电压异常过放电压最低为2V、单体电压异常过充电压最高为5V)，正常情况MCU控制熔断开关G1的信号为低电平，

异常放电过程：

情况1：当锂电池电压采集IC正常工作，当电池包单体电压达到放电保护电压时，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2V时，则属于异常放电情况，MCU控制信号则变为高电平控制MOS管G1导通，电池包暂时短路，出现大电流，熔断保险丝F1，切断主回路，实现放电保护；

情况2：当锂电池电压采集IC失效，则MCU接收不到IC反馈的信息，同时MCU控制信号变为高电平控制MOS管G1导通，电池包暂时短路，出现大电流，熔断保险丝F1，切断主回路，实现放电保护；

情况3：当放电电流超过保险丝可承受电流时，保险丝F1熔断，实现放电保护。

异常充电过程：

情况1：当锂电池电压采集IC正常工作，当电池包单体电压达到充电保护电压值4.25V时，充电MOS管失效不受控(即一直导通无法关闭)时，无法切断回路，电池包会一直充电，当电池包中单体电压达到最低电压5V时，则属于异常充电情况，MCU控制信号则变为高电平，进而控制MOS管G1导通，电池包暂时短路，出现大电流，熔断保险丝F1，切断主回路，实现充电保护；

情况2：当锂电池电压采集IC失效，则MCU接收不到IC反馈的信息，同时MCU控制信号变为高电平控制MOS管G1导通，电池包暂时短路，出现大电流，熔断保险丝F1，切断主回路，实现充电保护

情况3：当充电器异常，充电电流超过保险丝可承受电流时，保险丝F2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充放电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，电池会持续充放电，对电池性能造成影响。由于MCU软件控制，即使出现上述情况，当电池单体电压达到MCU设定的异常过充过放电压保护值时，MCU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数字BMS保护板，其特征在于，所述数字BMS保护板包括：锂电池电压采集芯片IC、单片机MCU、充电开关、放电开关、检流电阻、熔断式保护电路、降压电路，所述数字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池电压采集芯片IC，所述单片机MCU接收所述锂电池电压采集芯片IC所采集的数据并输出控制信号给所述锂电池电压采集芯片IC；

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；

所述降压电路用于降低所述电池组的总电压提供给所述单片机MCU供电；

所述锂电池电压采集IC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，并将采集数据传递给所述单片机MCU，所述锂电池电压采集芯片IC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，所述单片机MCU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。

2.根据权利要求1所述的数字BMS保护板，其特征在于，所述数字BMS保护板还包括RC滤波电路，所述锂电池电压采集芯片IC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，并将该电压传递给所述单片机MCU。

3.根据权利要求2所述的数字BMS保护板，其特征在于，所述数字BMS保护板还包括负温度系数的热敏电阻及分压电阻R1，所述热敏电阻用于监测保护板以及周围环境的温度，热敏电阻与分压电阻R1分压，热敏电阻随温度增加而变小，分压电阻R1上的电压增大。

4.根据权利要求3所述的数字BMS保护板，其特征在于，

所述MCU基于锂电池采集芯片IC传递的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以及热敏电阻阻值变化反馈给所述单片机MCU的信号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所述的数字BMS保护板，其特征在于，

电池电压采集IC实时集采电池单体电压，所述单片机MCU中设置两个单体过充过放保护电压阈值范围：正常工作保护范围电压与异常工作保护范围电压。

6.根据权利要求5所述的数字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。

7.根据权利要求1所述的数字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所述的数字BMS保护板，其特征在于，所述锂电池电压采集IC采用ML5238和所述单片机MCU采用STM8L051F3P6。

9.根据权利要求6所述的数字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，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MCU用于控制所述熔断开关。