CN207490547U - 一种电池管理系统及其切换开关过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池管理系统及其切换开关过压保护电路，该保护电路包括由N个串联连接的电池组成的电池组和电压采样模块；电压采样模块包括切换开关组、AD变换器和供电模块；电压采样单元还包括设置在电池组正极侧的第一过压保护单元，第一过压保护单元设置包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，第一稳压二极管和第二稳压二极管的通过各自的阳极侧串接，第一稳压二极管的阴极侧连接电池组的第1个电池的正极，第二稳压二极管的阴极侧与供电单元的接地端连接。本实用新型解决了电池串数增加对开关耐压偏高的问题，合理利用降额幅度，增加开关耐压利用率。

Description

一种电池管理系统及其切换开关过压保护电路

技术领域

本实用新型涉及电池管理系统及其切换开关过压保护电路。

背景技术

锂离子电池等新型电池在串联使用时，为了保证电池的安全使用，一般需要配置电池管理系统(BMS)。BMS的作用主要用来实时检测电池单体的电压，随着电动汽车市场发展，乘用车和商用车对车辆续航里程有了更高的目标，车辆需要的电池串数不断增加，目前市场上以总压100v、300v、600v和900v量级为主，也出现有其他类似云轨、有轨电车等新兴项目，电池电压等级更高。在电池电压等级不断升级过程中，电池串数会随之升高，对BMS管理电池串数有了更高一等的要求，由最初的12串、24串到后来的48串甚至60串。

BMS作为一个电池管理模块，当单一模块管理串数不断增加时候，面对的电压等级和安规等级不断提高，同时车辆总压升高也对BMS耐压等级有了更高的要求，为了降低BMS成本，提高单一BMS的电池管理串数势在必行，同时在增加电池串数时候面对的高压问题随之而来。对电池采样过程中的切换开关耐压要求不断提高，导致成本增加。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

本实用新型目的在于提出一种电池管理系统及其切换开关过压保护电路，以解决上述现有技术存在的切换开关耐压要求不断提高的技术问题。

为此，本实用新型提出一种用于电池管理系统切换开关过压保护电路，包括由N个串联连接的电池的电池组和电压采样模块；所述电压采样模块包括切换开关组、AD变换器和供电模块；所述切换开关组包括N+1个切换开关，前N 个切换开关的第一端依次连接N个串联连接的电池的正极，第N+1个切换开关的第一端连接第N个电池的负极；N+1个切换开关的第二端依次交替连接AD 变换器的正输入端、负输入端；N+1个切换开关的第二端还连接有供电单元，所述供电单元为AD变换器供电，所述电压采样单元还包括设置在所述电池组正极侧的第一过压保护单元，所述第一过压保护单元设置包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，所述第一稳压二极管和第二稳压二极管通过各自的阳极侧串接，所述第一稳压二极管的阴极侧连接所述电池组的第1个电池的正极，所述第二稳压二极管的阴极侧与所述供电单元的接地端连接。

优选地，本实用新型还可以具有如下技术特征：

N+1个所述切换开关中第奇数个所述切换开关连接正输入端，第偶数个所述切换开关连接负输入端。

包括分压单元，所述分压单元包括第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻一端与第奇数个所述切换开关连接，另一端与正输入端连接；所述第二分压电阻一端与第偶数个所述切换开关连接，另一端与负输入端连接。

所述分压单元包括第三分压电阻和第四分压电阻，所述第三分压电阻一端与正输入端连接，另一端与所述供电单元的接地端连接；所述第四分压电阻一端与负输入端连接，另一端与所述供电单元的接地端连接。

所述供电单元包括低压电源、变压器和整流电路；所述低压电源与所述变压器一次侧连接，所述变压器实现隔离和降压；所述整流电路包括整流二极管和整流电容器，所述二极管的阳极侧与所述变压器的二次侧的一端连接，阴极侧与所述整流电容器一端连接，所述整流电容器的另一端和所述变压器二次侧的另一端与接地端连接。

所述电压采样单元还包括设置所述电池组负极侧的第二过压保护单元，所述第二过压保护单元包括第三稳压二极管和第四稳压二极管，所述第三稳压二极管和第四稳压二极管通过各自的阳极侧串接，所述第三稳压二极管的阴极侧连接所述电池组的第N个电池的负极，第四稳压二极管的阴极侧与供电单元的接地端连接。

此外，本实用新型还提出了一种电池管理系统，包括如上任一所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路。

本实用新型与现有技术对比的有益效果包括：本实用新型通过第一过压保护单元，可最大限度利用切换开关耐压值，提升电池串数，由此解决了电池串数增加对开关耐压偏高的问题，合理利用降额幅度，增加开关耐压利用率。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式的结构图。

图2是本实用新型具体实施方式的变通实施方式的结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

如图1所示，本具体实施方式包括由N个串联连接的电池(B1～Bn)组成的电池组和电压采样模块；所述电压采样模块包括切换开关组、AD变换器(图中未示出)和供电模块；所述切换开关组包括N+1个切换开关(S1～Sn+1)，前N 个切换开关的第一端依次连接N个串联连接的电池的正极，第N+1个切换开关的第一端连接第N个电池的负极；N+1个切换开关的第二端依次交替连接AD 变换器的正输入端、负输入端(AD port)；N+1个切换开关的第二端还连接有供电单元，所述供电单元为AD变换器供电，所述电压采样模块还包括设置在所述电池组正极侧的第一过压保护单元，所述第一过压保护单元设置包括第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2，所述第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2 通过各自的阳极侧串接，所述第一稳压二极管D1的阴极侧连接所述电池组的第1个电池B1的正极，所述第二稳压二极管D1的阴极侧与所述供电单元的接地端GND连接。

N+1个所述切换开关中第奇数个所述切换开关连接正输入端，第偶数个所述切换开关连接负输入端，如图1或图2所示，切换开关S1、S3、…、Sn连接正输入端口；切换开关S2、…、Sn+1连接负输入端口。

为了能使的AD变换器能对电池组的电压进行采样，还包括分压单元，所述分压单元包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，第一分压电阻R1一端与第奇数个所述切换开关(S1、S3、…、Sn)连接，另一端与正输入端连接；所述第二分压电阻R2一端与第偶数个所述切换开关(S2、…、Sn+1)连接，另一端与负输入端连接。

同时，所述分压单元还包括第三分压电阻R3和第四分压电阻R4，所述第三分压电阻R3一端与正输入端连接，另一端与所述供电单元的接地端GND连接；所述第四分压电阻R4一端与负输入端连接，另一端与所述供电单元的接地端连接。

所述供电单元包括低压电源、变压器TR和整流电路；所述低压电源与所述变压器TR一次侧连接，所述变压器TR实现隔离和降压；所述整流电路包括整流二极管D5和整流电容器C1，所述二极管D5的阳极侧与所述变压器TR的二次侧的一端连接，阴极侧与所述整流电容器C1一端连接，所述整流电容器C1 的另一端和所述变压器TR二次侧的另一端与接地端GND连接。

为了提高耐压效率，本实施的的一变通实施例如图2所示：

所述电压采样模块还包括设置所述电池组负极侧的第二过压保护单元，所述第二过压保护单元包括第三稳压二极管D3和第四稳压二极管D4，所述第三稳压二极管D3和第四稳压二极管D4通过各自的阳极侧串接，所述第三稳压二极管D3的阴极侧连接所述电池组的第N个电池Bn的负极，第四稳压二极管D4 的阴极侧与供电单元的接地端GND连接。

本实施例还提出了一种电池管理系统，可包括如上任一所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路。

如图1所示，在采样过程中，切换开关承受的最大电压为N个串联的电池的总压，即Vbat＝(Vbat+-Vbat-)，按照国标要求，图中所示的耐压高压边和耐压低压边需要设计承受安规电压为2(Vbat+-Vbat-)+1000v，耐压高压边为电池组端，耐压低压边为低压电源端，低压电源端可以是车上的12v供电或24V蓄电池供电。按照现有车辆电压等级，当系统电压为900v时，则需要耐压2800v。如图中所示，则需要变压器和开关组承受电压2800v，即Vsw+Vt＝2800v，Vsw 为开关组承受的电压，Vt是变压器承受的电压，第N个切换开关承受的电压为Vswn，第N+1个切换开关承受的电压为Vswn+1。在工作的过程中，开关组承受电压最高可达到2800v，如果要选型隔离电压达到2800v的开关，成本会很高，在工程设计应用上不合理。

由此，本实用新型提出的一个实施方式中，在所述电池组正极侧Vbat+的增加第一过压保护单元，第一过压保护单元包括第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2，第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2的电压需要高于一个BMS 采样电池的总压，但是要低于切换开关能承受的总压，第一过压保护单元的电压为Vd1。由此可以解决开关组的耐压问题。

然而，每个切换开关在应用过程中，如果第一切换开关的承受电压为Vsw1，则第N+1个切换开关的承受电压为Vsw1-Vbat；而Vsw1可以为正压，也可以为负压，所以切换开关承受电压需要大于Vd1+Vbat，此时开关耐压使用效率小于50％，效率依然不高。

为此本实用新型，提出了另一变形实施例，在开关组的正极侧和负极侧各增加一个过压保护单元，如图2所示，过压保护单元的电压值小于开关组耐压且大于电池组总压，在采样过程中切换开关承受电压和过压保护单元承受电压都小于各自额定值。

在耐压测试过程和整车系统中，过压保护单元可以有效保护切换开关承受电压小于自身额定电压，最大为过压保护单元的动作电压。即：

当Vd1为正电压时候，大于钳位二极管额定电压后，Vd1端钳位二极管导通，起到保护作用，第N+1个切换开关耐压为Vd1-Vbat，承受耐压最大为第1 个切换开关，电压为Vd1端电压。

当Vd1为负电压时候，Vd2最先到达钳位电压值，最先起到保护作用。此时承受最大电压的切换开关为第N+1个切换开关Sn+1，承受电压为Vd2。第1 个切换开关S1承受电压为(Vd2-Vbat v)。

耐压测试过程说明：

当Vd2为正电压时候，Vd1最先达到钳位二极管额定电压值，第一过压保护单元起到保护作用，此时承受最大耐压的为第1个切换开关S1，电压承受值最大为钳位二极管额定电压值。第N+1个切换开关Sn+1承受电压为Vd1-Vbat。

当Vd2为负电压时候，大于钳位二极管额定电压值，则V第二过压保护单元起到保护作用，此时第N+1个切换开关承受最大电压，电压值最大为第二过压保护单元的额定电压值。第1个切换开关S1承受最小电压为Vd2-Vbat。

该变通方案应用于多串数电池采集系统中，成功提高开关电压耐压利用率，可以提高到85％左右。有效降低设计成本和产品系统使用成本。

该采样系统可应用到包括乘用车、商用车、有轨电车、云轨、储能等项目中。

本实施例解决了电池串数增加对开关耐压偏高的问题，合理利用降额幅度，增加开关耐压利用率。

主要包括以下优点：

1、增加开关保护钳位二极管，最大限度利用切换开关耐压值，提升采样电池串数。

2、在总正和总负都增加钳位二极管，在开关承受正压和反压时候都可以利用钳位二极管来进行保护。

3、可以通过外部简单连接一根线，就可灵活配置随意的电池串数采样。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例和附图仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本实用新型的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本实用新型的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本实用新型的教义，而不会脱离在此描述的本实用新型中心概念。所以，本实用新型不受限于在此披露的特定实施例，但本实用新型可能还包括属于本实用新型范围的所有实施例及其等同物。

Claims (7)

1.一种用于电池管理系统切换开关过压保护电路，其特征在于：包括由N个串联连接的电池组成的电池组和电压采样模块；所述电压采样模块包括切换开关组、AD变换器和供电模块；所述切换开关组包括N+1个切换开关，前N个切换开关的第一端依次连接N个串联连接的电池的正极，第N+1个切换开关的第一端连接第N个电池的负极；N+1个切换开关的第二端依次交替连接AD变换器的正输入端、负输入端；N+1个切换开关的第二端还连接有供电单元，所述供电单元为AD变换器供电，所述电压采样模块还包括设置在所述电池组正极侧的第一过压保护单元，所述第一过压保护单元设置包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，所述第一稳压二极管和第二稳压二极管通过各自的阳极侧串接，所述第一稳压二极管的阴极侧连接所述电池组的第1个电池的正极，所述第二稳压二极管的阴极侧与所述供电单元的接地端连接。

2.如权利要求1所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路，其特征在于：N+1个所述切换开关中第奇数个所述切换开关连接正输入端，第偶数个所述切换开关连接负输入端。

3.如权利要求2所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路，其特征在于：包括分压单元，所述分压单元包括第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻一端与第奇数个所述切换开关连接，另一端与正输入端连接；所述第二分压电阻一端与第偶数个所述切换开关连接，另一端与负输入端连接。

4.如权利要求3所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路，其特征在于：所述分压单元包括第三分压电阻和第四分压电阻，所述第三分压电阻一端与正输入端连接，另一端与所述供电单元的接地端连接；所述第四分压电阻一端与负输入端连接，另一端与所述供电单元的接地端连接。

5.如权利要求1所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路，其特征在于：所述供电单元包括低压电源、变压器和整流电路；所述低压电源与所述变压器一次侧连接，所述变压器实现隔离和降压；所述整流电路包括整流二极管和整流电容器，所述二极管的阳极侧与所述变压器的二次侧的一端连接，阴极侧与所述整流电容器一端连接，所述整流电容器的另一端和所述变压器二次侧的另一端与接地端连接。

6.如权利要求1所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路，其特征在于：所述电压采样模块还包括设置所述电池组负极侧的第二过压保护单元，所述第二过压保护单元包括第三稳压二极管和第四稳压二极管，所述第三稳压二极管和第四稳压二极管通过各自的阳极侧串接，所述第三稳压二极管的阴极侧连接所述电池组的第N个电池的负极，第四稳压二极管的阴极侧与供电单元的接地端连接。

7.一种电池管理系统，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的用于电池管理系统切换开关过压保护电路。