CN206807051U - 一种具有低功耗的电控管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型具有低功耗的电控管理系统，由电池组调压至12V作为系统电源，由MCU控制电池组充、放电和充、放电电路实时监控和保护，并估算电池组的SOC状态，采用TPS40210芯片设计的反激式开关电源电路和低功耗控制电路，设定负载激活电阻的电阻窗口值和充电器激活电压的电压窗口值，当整个系统处于关机时，MCU控制反激式开关电源电路进入关机模式；MCU上电后，控制并保持系统电源上电，系统继续工作；脉冲信号结束后，该激活信号不能再次影响到已经工作的系统。本实用新型可通过设定电池组的串数在6串到24串之间，通过MOSFET阵列来管理电池组，可自动进入下电模式，并能够通过连接负载或是充电器等方式自动激活。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种具有低功耗的电控管理系统，属动力锂离子电池的管理系统，特别是6串到24串的动力型锂离子电池系统。
背景技术
在动力锂离子电池作为一种清洁、高效的新能源，具有环保、比能量密度高、安全等特点，逐渐被广大消费者接受和认可的情况下，被广泛应用在各类交通工具、物流工具、自动物流工具和电动玩具上，如电动汽车、电动游艇、电动摩托车、电动自行车、物流车、电动滑板和无人机等。随着动力锂离子电池在纯电动驱动方面的应用，也就是动力锂离子电池作为唯一的驱动能源装置。动力锂离子电池即作为动力能源装置，也作为辅助控制系统的能源装置。这就要求电控管理系统消耗的能量尽可能的小，提高锂离子电池空载待机时间，提高锂离子电池利用效率。
现有技术存在电控管理系统在设备关机时不能进行下电，或是下电后需要开关等方式进行手动方式给锂离子电池管理上电的技术难题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种具有低功耗的电控管理系统，以解决现有电控管理系统在设备关机时不能进行下电，或是下电后需要开关等方式进行手动方式给锂离子电池管理上电的问题。
本实用新型提供一种具有低功耗的电控管理系统，由电池组调压至12V作为系统电源，包括充电器连接检测电路，负载连接检测电路，由MCU/CPU控制电池组充、放电和充、放电电路实时监控和保护，并估算电池组的SOC状态，还包含有一反激式开关电源的DC/DC电路和低功耗控制电路，采用TPS40210芯片设计的反激式开关电源，设定负载激活电阻的电阻窗口值和充电器激活电压的电压窗口值，电池组总电压作为它的输入电压，输出12V直流电压，TPS3847085是一电压监控器，它通过电阻网络采样电池组电压和充电器电压，输出低压信号激活反激式开关电源电路，所述TPS40210芯片的控制使能信号由CPU直接控制和电压监控器信号激活，一路电压监控器电路的输入电阻网络取样电池组的输出端（也是充电端），当连接的充电器电压高于设定电压时，电压监控器输出信号反转，通过一个电容产生一个宽脉冲信号激活反激式开关电源电路；另一路电压监控器电路的输入电阻网络取样MOSFET阵列两端，当连接一个负载时，它的直流阻抗提供了回路，当直流阻抗小于设定值时，电压监控器输出信号反转，通过一个电容产生一个宽脉冲信号激活反激式开关电源电路，当整个系统处于关机的时候，MCU控制这个反激式开关电源电路进入关机模式；MCU上电后，控制并保持系统电源上电，系统继续工作；脉冲信号结束后，该激活信号不能再次影响到已经工作的系统。将锂离子管理系统的消耗降至最低，以此达到提高待机时间和驱动效率的目的。
本实用新型通过反激式开关电源设计，可以在设备关机的情况下，系统本身自动下电，已达到最低功耗，且可以自动被充电器或是负载激活，而不需要额外的开关。
在上述方案基础上，利用BQ34Z100-G1集成电路估算电池组的SOC状态，所述的BQ34Z100-G1由一路独立于反激式开关电源的12V输出的线性稳压器供电，12V再经过一个线性稳压器稳压到3.3V。
一基于电量监测芯片BQ34Z100-G1的电池组的SOC估算电路，由一个低压差线性稳压器（LDO）HT7533-2提供BQ34Z100-G1的工作电压，电量监测芯片BQ34Z100-G1通过采样电池组的总电压和总电流，然后使用TI的阻抗追踪算法估算电池组的SOC状态，SRN和SRP是电流采样电阻阵列两端的电压信号，这个信号在BQ34Z100-G1内部有一个数字放大比例，以减少输出数据长度，开关管Q52和开关管Q30组成了控制电池组高压输入的开关，电阻R284、R285和R287组成电阻分压网络，将电池组电压按比例减少后作为BQ34Z100-G1的输入信号，SCL和SDA是IIC接口，连接到MCU，进行实时数据传输。
利用ISL94212芯片实时采样电池组单体电压和电池组模块电压，并且实时采样电池组内部的多点温度，它将采集到模拟量数字化后通过模数转换接口传递给MCU。
在上述方案基础上，所述的TPS40210是输入电压4.5-52V的宽输入电压电流模式异步升压控制器，TPS40210的控制使能信号由MCU直接控制和电压监控器信号激活。
所述的反激式开关电源电路以TPS40210作为输入电流模式的BOOST控制器，采用1：1双绕组功率电感，由开关管Q23控制关断，其中，三极管Q31和Q32是开关管Q23的推挽驱动电路；电阻R202是检流电阻，保护双绕组功率电感的峰值电流不超过设定值；电容C140至C142是DC/DC电路的输出电容；TPS40210的1脚连接有RC电路，这个RC设定了振荡频率，3脚是DIS/EN，控制着TPS40210的工作模式。
在上述方案基础上，在一路电压监控器电路中，电压监控器采用TPS3847085设在充电器连接检测电路中，阈值电压是8.5V，滞迟宽度是0.85V；一光耦由三极管和发光二极管组成，由开关管Q25导通，当开关管Q25导通时，光耦的发光二极管导通，光耦的输出端的三极管导通；由R232和R238组成电阻分压网路，将充电器的输出电压按比例减少作为TPS3847085的输入电压，当充电器电压高于设定值，TPS3847085的1脚电压反转，会形成一个脉冲通过电容C198，这个脉冲使开关管Q25导通，接着光耦也导通，激活DC/DC电路，MCU开始工作，并维持了DC/DC工作在正常模式，一次充电结束后，自动进入掉电模式，重新插拔充电器，会形成新一个脉冲信号激活DC/DC电路。
在上述方案基础上，由大功率管IRFP4568PBF组成了MOSFET阵列Q34至Q51，控制动力回路电流的通过与截止，SR1至SR6电流采样电阻阵列，由大功率TVS管（Z3）保护MOSFET阵列抵抗一定的感性负载，电容C152和C157提供了静电回路；通过电阻R286和D23/D24稳定连接一个可靠的地，防止动力回路的电流流过信号地面。
8、根据权利要求1所述的具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：在另外一路电压监控器电路中，芯片TPS3847085作为电压监控器，电阻R239和R244组成电路分压网络，检测连接负载的大小和电池电压的大小，当负载电阻小的时候，分压后电压监控器TPS3847085的输入电压大于设定值，电压监控器TPS3847085的1脚的状态将反转，形成一个脉冲，这个脉冲通过电容C197，使得开关管Q27导通，激活DC/DC电路，MCU开始工作，并维持了DC/DC工作在正常模式，当停止带负载后，自动进入掉电模式，重新连接负载将再次形成一个脉冲信号激活DC/DC电路。
基于OPA2364设计的运算放大器采样双向电流。
运算放大器输出信号同时也是比较器MCP6542的输入信号，快速检测浪涌电流的流入和流出。
本实用新型连接到锂离子的电池组后，即在掉电模式中，通过连接充电器、连接负载和轻触按键三种方式中的任意一种方式激活反激式开关电路；在处于工作模式的时候，当电流在一个没有负载和充电完成后的很窄的一个窗口内，或者电池组电压低于设计的掉电电压阈值，或者出现定义需要掉电的故障时，又或者是接受到一个掉电的命令时，在这些任意条件达到后的10分钟后，进入到掉电模式。
本实用新型的有益效果是，可以通过设定电池组的串数在6串到24串之间；可以控制MOSFET阵列管理电池组；可以实时采样电池组的电压、温度和电流等数据；可以提供基于CAN总线的信息广播；可以估算电池组的SOC状态；可以提供多种诊断，并通过MOSFET阵列来管理电池组；可以自动进入下电模式，并能够通过连接负载或是充电器等方式自动激活。
附图说明
下面通过附图和实施例对本实用新型进行进一步说明。
图1是本实用新型的原理图A；
图2是本实用新型的原理图B；
图3是反激式开关电源电路原理图；
图4是一路电压监控器电路图；
图5是另外一路电压监控器电路图；
图6是BQ34Z100-G1的电路原理图；
图7是MOSFET阵列原理图；
图8是MCU工作流程图。
具体实施方式
一种具有低功耗的电控管理系统，由电池组调压至12V作为系统电源，包括充电器连接检测电路，负载连接检测电路，由MCU/CPU控制电池组充、放电和充、放电电路实时监控和保护，并估算电池组的SOC状态，还包含有一反激式开关电源的DC/DC电路和低功耗控制电路，采用TPS40210芯片设计的反激式开关电源，设定负载激活电阻的电阻窗口值和充电器激活电压的电压窗口值，电池组总电压作为它的输入电压，输出12V直流电压，TPS3847085是一电压监控器，它通过电阻网络采样电池组电压和充电器电压，输出低压信号激活反激式开关电源电路，所述TPS40210芯片的控制使能信号由CPU直接控制和电压监控器信号激活，一路电压监控器电路的输入电阻网络取样电池组的输出端（也是充电端），当连接的充电器电压高于设定电压时，电压监控器输出信号反转，通过一个电容产生一个宽脉冲信号激活反激式开关电源电路；另一路电压监控器电路的输入电阻网络取样MOSFET阵列两端，当连接一个负载时，它的直流阻抗提供了回路，当直流阻抗小于设定值时，电压监控器输出信号反转，通过一个电容产生一个宽脉冲信号激活反激式开关电源电路，当整个系统处于关机的时候，MCU控制这个反激式开关电源电路进入关机模式；MCU上电后，控制并保持系统电源上电，系统继续工作；脉冲信号结束后，该激活信号不能再次影响到已经工作的系统。
如图1所示，是电池参数采集板的原理方框图，其中BAL是被动均衡电路，AFE1和AFE2是模拟前端集成方案，集成电路型号是ISL94212。ISL94212的主要功能是采集电池组的单体电压、模块电压和通过温度传感器测量电池组温度，它将采集到模拟量数字化后通过4线制的SPI接口传递给MCU。ISL94212集成了多种故障诊断功能，如单体过电压、单体欠电压、高温、低温，以及自身故障等。本实用新型将ISL94212提供的故障诊断信息列为二级故障。本实用新型多种故障具有冗余诊断。
如图2所示，是系统控制板的原理框图，其中Power Supply是本实用新型的主要部分，包含有反激式开关电源的DC/DC电路，充电器连接检测电路，负载连接检测电路和低功耗控制电路。MCU部分是算法和策略的核心部件。Power Switch MOSFET是MOSFET阵列，是控制电路的开关。
如图3所示，是反激式开关电路原理图，U5是TPS40210芯片，TPS40210是输入电流模式的BOOST控制器，它是固定频率的电流模式控制器；双绕组功率电感T1是1：1；Q23是开关管，Q31和Q32是Q23的推挽驱动电路；R202是检流电阻，保护双绕组功率电感T1的峰值电流不超过设定值；电容C140至C142是DC/DC电路的输出电容；U5的1脚连接有RC电路，这个RC设定了振荡频率。3脚是DIS/EN，它控制着TPS40210芯片U5的工作模式。
如图4所示，是充电器连接检测电路，TPS3847085芯片U23是一款电压监控器，阈值电压是8.5V，滞迟宽度是0.85V；一光耦U16主要是解决充电器和电池组不同地的情况，隔离高压信号的；当开关管Q25导通时，光耦U16的发光二极管导通，光耦U16的输出端的三极管导通；电阻R232和R238组成电阻分压网路，将充电器的输出电压按比例减少作为TPS3847085芯片U23的输入电压，当充电器电压高于设定值，TPS3847085芯片U23的1脚电压反转，会形成一个脉冲通过电容C198，这个脉冲使开关管Q25导通，接着光耦U16也导通。激活DC/DC电路，MCU开始工作，并维持了DC/DC工作在正常模式。一次充电结束后，本实用新型会自动进入掉电模式。重新插拔充电器，会形成一个新脉冲信号激活DC/DC电路。
图5是负载连接检测电路，TPS3847085芯片U22是一款电压监控器。电阻R239和R244组成电路分压网络，检测连接负载的大小和电池电压的大小。当负载电阻小的时候，分压后TPS3847085芯片U22的输入电压大与设定值，TPS3847085芯片U22的1脚的状态将反转，形成一个脉冲，这个脉冲通过电容C197，使得开关管Q27导通，激活DC/DC电路，MCU开始工作，并维持了DC/DC工作在正常模式。当停止带负载后，本实用新型自动进入掉电模式。重新连接负载将再次形成一个脉冲信号激活DC/DC电路。
图6是基于BQ34Z100-G1的电池组的SOC估算电路。HT7533-2芯片U14是一个LDO，提供了BQ34Z100-G1芯片U20的工作电压。BQ34Z100-G1芯片U20主要是通过采样电池组的总电压和总电流，然后使用TI的阻抗追踪算法估算电池组的SOC状态；SRN和SRP是电流采样电阻阵列两端的电压信号，这个信号在BQ34Z100-G1芯片U20内部有一个数字放大比例，以减少输出数据长度。开关管Q52和Q30组成了控制电池组高压输入的开关，电阻R284、R285和R287组成电阻分压网络，将电池组电压按比例减少后作为BQ34Z100-G1芯片U20的输入信号；SCL和SDA是IIC接口，连接到MCU，实时数据传输。
图7是MOSFET阵列及电流采样电阻阵列的电路，由IRFP4568PBF组成了MOSFET阵列，控制动力回路的电流的通过与截止；SR1至SR6为电流采样电阻阵列；大功率TVS管Z3保护MOSFET阵列抵抗一定的感性负载，电容C152和C157提供了静电回路；电阻R286和二极管D23/D24是稳定连接一个可靠的地，又可以防止动力回路的电流流过信号地面。
图8是本实用新型的程序流程图。从MCU上电时开始到维持工作。包括了硬件初始化，控制DC/DC电源，参数配置，到事件循环。
本实用新型具有两种工作模式，及工作模式和掉电模式。工作模式消耗最大，执行了各类的参数采集，故障诊断，实时通讯，数据运算，SOC估算等。掉电模式消耗最小，仅执行SOC估算，没有执行其它的。本实用新型连接到锂离子的电池组后，即在掉电模式。在这个模式中可以通过连接充电器、连接负载和轻触按键等三种方式中的任意一种方式激活。在处于工作模式的时候，当电流在一个很小的窗口内（一般将这个窗口调教到没有负载和充电完成后的很窄的一个窗口），或者电池组电压低于设计的掉电电压阈值，或者是出现定义需要掉电的故障时，又或者是接受到一个掉电的命令时，在这些任意条件达到后的10分钟后，进入到掉电模式。
Claims (9)
1.一种具有低功耗的电控管理系统，由电池组调压至12V作为系统电源，包括充电器连接检测电路，负载连接检测电路，由MCU/CPU控制电池组充、放电和充、放电电路实时监控和保护，并估算电池组的SOC状态，其持征在于：还包含有一反激式开关电源的DC/DC电路和低功耗控制电路，采用TPS40210芯片设计的反激式开关电源，设定负载激活电阻的电阻窗口值和充电器激活电压的电压窗口值，电池组总电压作为它的输入电压，输出12V直流电压，TPS3847085是一电压监控器，它通过电阻网络采样电池组电压和充电器电压，输出低压信号激活反激式开关电源电路，所述TPS40210芯片的控制使能信号由CPU直接控制和电压监控器信号激活，一路电压监控器电路的输入电阻网络取样电池组的输出端也是充电端，当连接的充电器电压高于设定电压时，电压监控器输出信号反转，通过一个电容产生一个宽脉冲信号激活反激式开关电源电路；另一路电压监控器电路的输入电阻网络取样MOSFET阵列两端，当连接一个负载时，它的直流阻抗提供了回路，当直流阻抗小于设定值时，电压监控器输出信号反转，通过一个电容产生一个宽脉冲信号激活反激式开关电源电路，当整个系统处于关机的时候，MCU控制这个反激式开关电源电路进入关机模式；MCU上电后，控制并保持系统电源上电，系统继续工作；脉冲信号结束后，该激活信号不能再次影响到已经工作的系统。
2.根据权利要求1所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：利用BQ34Z100-G1集成电路估算电池组的SOC状态，所述的BQ34Z100-G1由一路独立于反激式开关电源的12V输出的线性稳压器供电，12V再经过一个线性稳压器稳压到3.3V。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：一基于电量监测芯片BQ34Z100-G1（U20）的电池组的SOC估算电路，由一个低压差线性稳压器HT7533-2（U14）提供BQ34Z100-G1（U20）的工作电压，BQ34Z100-G1（U20）通过采样电池组的总电压和总电流，然后使用TI的阻抗追踪算法估算电池组的SOC状态，SRN和SRP是电流采样电阻阵列两端的电压信号，这个信号在BQ34Z100-G1（U20）内部有一个数字放大比例，以减少输出数据长度，开关管Q52和开关管Q30组成了控制电池组高压输入的开关，电阻R284、R285和R287组成电阻分压网络，将电池组电压按比例减少后作为BQ34Z100-G1（U20）的输入信号，SCL和SDA是IIC接口，连接到MCU，进行实时数据传输。
4.根据权利要求1所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：利用ISL94212芯片实时采样电池组单体电压和电池组模块电压，并且实时采样电池组内部的多点温度，它将采集到模拟量数字化后通过模数转换接口传递给MCU。
5.根据权利要求1所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：所述的TPS40210是输入电压4.5-52V的宽输入电压电流模式异步升压控制器，TPS40210的控制使能信号由MCU直接控制和电压监控器信号激活。
6.根据权利要求1或5所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：所述的反激式开关电源电路以TPS40210（U5）作为输入电流模式的BOOST控制器，采用1：1双绕组功率电感（T1），由开关管Q23控制关断，其中，三极管Q31和Q32是开关管Q23的推挽驱动电路；电阻R202是检流电阻，保护双绕组功率电感（T1）的峰值电流不超过设定值；电容C140至C142是DC/DC电路的输出电容；TPS40210（U5）的1脚连接有RC电路，这个RC设定了振荡频率，3脚是DIS/EN，控制着TPS40210（U5）的工作模式。
7.根据权利要求1所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：在一路电压监控器电路中，电压监控器采用TPS3847085（U23）设在充电器连接检测电路中，阈值电压是8.5V，滞迟宽度是0.85V；一光耦（U16）由三极管和发光二极管组成，由开关管Q25导通，当开关管Q25导通时，光耦（U16）的发光二极管导通，光耦（U16）的输出端的三极管导通；由R232和R238组成电阻分压网路，将充电器的输出电压按比例减少作为TPS3847085（U23）的输入电压，当充电器电压高于设定值，TPS3847085（U23）的1脚电压反转，会形成一个脉冲通过电容C198，这个脉冲使开关管Q25导通，接着光耦（U16）也导通，激活DC/DC电路，MCU开始工作，并维持了DC/DC工作在正常模式，一次充电结束后，自动进入掉电模式，重新插拔充电器，会形成新一个脉冲信号激活DC/DC电路。
8.根据权利要求1所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：由大功率管IRFP4568PBF组成了MOSFET阵列Q34至Q51，控制动力回路电流的通过与截止，SR1至SR6电流采样电阻阵列，由大功率TVS管（Z3）保护MOSFET阵列抵抗一定的感性负载，电容C152和C157提供了静电回路；通过电阻R286和D23/D24稳定连接一个可靠的地，防止动力回路的电流流过信号地面。
9.根据权利要求1所述的一种具有低功耗的电控管理系统，其特征在于：在另外一路电压监控器电路中，芯片TPS3847085（U22）作为电压监控器，电阻R239和R244组成电路分压网络，检测连接负载的大小和电池电压的大小，当负载电阻小的时候，分压后电压监控器TPS3847085（U22）的输入电压大于设定值，电压监控器TPS3847085（U22）的1脚的状态将反转，形成一个脉冲，这个脉冲通过电容C197，使得开关管Q27导通，激活DC/DC电路，MCU开始工作，并维持了DC/DC工作在正常模式，当停止带负载后，自动进入掉电模式，重新连接负载将再次形成一个脉冲信号激活DC/DC电路。
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Cited By (2)
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| CN112087007A (zh) * | 2019-06-12 | 2020-12-15 | 苏州宝时得电动工具有限公司 | 一种电池包 |
| CN115622202A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-01-17 | 永安行科技股份有限公司 | 一种智能中控电源系统的节能控制电路及节能控制方法 |
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Address after: Room 806, 8th floor, 125 Liuying Road, Hongkou District, Shanghai 200083 Patentee after: Shanghai Weian Electronics Co.,Ltd. Address before: 806, 8th floor, 125 Liuying Road, Hongkou District, Shanghai 200083 Patentee before: Shanghai Wei'an Electronic Co.,Ltd. |