CN208782541U - 基于智能化和信息化的电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于智能化和信息化的电池管理系统，包括充电管理模块，电池串模块、电池管理系统模块和单片机数据处理模块；充电管理模块的输入端与输入电压相连，将输入电压降压为电池电压；充电管理模块的输出端与电池管理系统模块相连，当输出电压电流在电池管理系统模块设定范围内时给电池充电；电池串模块主要由电池串联组成，与电池管理系统模块相连，在满足电池管理系统模块各参数阈值时正常充放电；电池管理系统模块，实时采集电池信息，并发送给单片机数据处理模块；单片机数据处理模块分别与电池管理系统模块和外部主机相连，并将电池信息发送给外部主机。本实用新型是电池各个功能的结合体，擅长信息量方面的收集与处理。

Description

基于智能化和信息化的电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于智能化和信息化的电池管理系统，属于电池管理技术领域。

背景技术

电池管理系统(BMS)作为实时监控、自动均衡、智能充放电的电子部件，起到保障安全、延长寿命、估算剩余电量等重要功能，是动力和储能电池组中不可或缺的重要部件，它通过一系列的管理和控制，保障设备的正常运行。

随着科技的发展，锂电池的运用领域越来越广，主要应用在消费类产品、数码类产品、动力产品、医疗产品等，但是不同的应用领域对电池的要求各不相同。通信设备和电子设备对电池要求不高，要求电池具备基本的充电管理功能即可，而工业仪器和医疗设备以及动力设备对电池要求比较高，大多要求电池具备通讯功能，不仅如此，通讯方式又有所不同，如RS323通讯、RS485通讯、I2C通讯等。

目前，电池管理系统各个模块的研发设计是分开完成的，例如：电池充电管理模块交给做充电器公司去开发，BMS给到PACK厂去开发，通讯方面给交给软件公司去开发。如此一来，客户需要找不同行业的公司共同配合才能完成一个电池管理系统方案，不但很不方便，还很容易出现配合不好而影响项目进度的情况，而且动用资源较多，成本较高。

上述情况对电池厂商来说是个巨大挑战，如何设计一个全能电池方案使之可以应用于各个领域就显得十分必要了。

发明内容

针对上述现存的技术问题，为了面向不同客户不同设备，本实用新型提供一种基于智能化和信息化的电池管理系统，以达到较为全方位的服务客户，缩短客户项目开发时间，间接降低成本跟资源的技术目的。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于智能化和信息化的电池管理系统，包括充电管理模块，电池串模块，电池管理系统模块和单片机数据处理模块；充电管理模块的输入端与输入电压相连，将输入电压降压为电池电压；充电管理模块的输出端与电池管理系统模块相连，当输出电压电流在电池管理系统模块设定范围之内时给电池串充电；电池串模块主要由电池串联组成，电池串模块与电池管理系统模块相连，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时进行正常充电或者放电；电池管理系统模块，实时采集电池信息，并发送给单片机数据处理模块；单片机数据处理模块分别与电池管理系统模块和外部主机相连，处理电池管理系统模块发送来的电池信息，并将电池信息发送给外部主机。

上述技术方案中：充电管理模块为电池充电，只有系统在充电状态下才工作，其它状态下处于休眠模式；电池管理系统模块实时采集电池串电压、电流等信息，实时监督电池工作情况，实时监督电管理模块给电池串充电电压跟电流大小，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时进行正常充电或者放电，如触发安全条件时，电池管理系统模块会及时关闭主回路开关电路，起到保护电池串作用。单片机数据处理模块负责处理电池管理系统模块发送来的电池信息并传送给外部设备。

进一步，所述的充电管理模块主要由输入电压过压保护电路、降压电路、温度检测电路和最小IC BQ24133组成；外部输入电压通过输入端与输入电压过压保护电路连接；输入电压过压保护电路与最小IC BQ24133连接，输入电压过压保护电路受最小IC BQ24133控制；降压电路与最小IC BQ24133连接，用于将外部输入电压降压为电池电压；温度检测电路分别与最小单片机BQ24133和电池串模块连接，用于实时检测充电状态下电池温度；最小单片机IC BQ24133用于监控输入端电压和电池温度，控制输出端电压电流。

更进一步，所述的输入电压过压保护电路主要由N-MOS、电阻以及电容组成，通过N-MOS导通与关闭来控制输入电压是否需要切断；所述的降压电路主要由电感、电容以及内置在最小集合IC BQ24133同步整流电路组成，把输入端15V±0.1V降压为8.4V±0.1V的两串电池电压，当输入端电压不在设定范围之内，最小单片机IC BQ24133切断充电回路；所述的温度检测电路主要由电阻和热敏电阻组成，当充电状态下电池温度高于45℃时，最小单片机BQ24133关闭降压电路使输出电压为0V。

进一步，所述的电池管理系统模块主要由电压采集电路、电流采集电路、主回路开关电路、I2C通讯电路和最小集成电路IC芯片BQ40Z50组成；电压、电流采集电路分别与电池串模块相连，分别用于采集电池电压、电流，通过最小集成电路IC芯片BQ40Z50的AD转换将模拟电压、电流信号转化成数字信号，为数据处理提供电池电压、电流信号；主回路开关电路输出端与充电管理模块输出端相连，同时也是整个系统放电输出端口，主回路开关电路输入端与电池串正极相连接，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时，主回路开关电路处于导通状态，否则处于关闭状态；I2C通讯电路分别连接最小集成电路IC芯片BQ40Z50和单片机数据处理模块，用于电池管理系统模块与单片机数据处理模块之间的通讯；最小集成电路IC芯片BQ40Z50用于监测电池电压、电流和温度信息，当电压、电流、温度超过设定值时控制主回路开关电路关闭。

更进一步，所述的电压采集电路主要由电阻、电容组成；所述的电流采集电路主要由合金电阻、电容组成；所述的主回路开关电路主要由N-MOS管、电阻和电容组成，通过控制N-MOS晶体管的导通和关闭来控制电池的开关；所述的最小集成电路IC芯片BQ40Z50监测电压、电流、温度超过设定值时，控制N-MOS晶体管关闭；所述的I2C通讯电路主要由稳压管AZ23C5V6、电阻组成。

进一步，所述的单片机数据处理模块主要由LDO电路、串口通讯电路、显示灯电路和最小单片机系统MSP430G2553组成；所述的LDO电路输入端与电池串模块相连，LDO电路输出端与最小单片机系统MSP430G2553相连，为最小单片机系统MSP430G2553供电；所述的最小单片机系统MSP430G2553与电池管理系统模块相连，用于从电池管理系统模块获取电池信息；所述的通讯电路分别连接最小单片机系统MSP430G2553和外部主机，通过串口通讯把电池信息传给外部主机；所述的显示灯电路用来显示电池电量。

更进一步，所述的LDO电路主要由MD7133H芯片、TVS管、电阻、电容组成，把电池串电压转为3.3V±0.1V；所述的串口通讯电路主要由稳压管AZ23C5V6、电阻组成；所述的显示灯电路主要由LED发光二极管、电阻组成。

上述技术方案中，单片机数据处理模块作为电池管理系统模块的补充功能模块。电池管理系统模块中的BQ40Z50是集合度高且固化功能IC，这既是它的优点同时也是它的缺点，由于BQ40Z50通讯方式是SMB模式，这就导致一些领域的设备很难运用，例如一些设备的通讯模式是RS323或者是RS485，所以引入单片机数据处理模块来弥补这个不足。单片机数据处理模块可以跟BQ40Z50进行通讯，获取有用的信息，处理信息后，通过串口技术传送到设备，设备根据自身参数标准进行安全、准确的作业。使电池功能更全面跟灵活多变，是一种智能化和信息化的结合。

综上，本实用新型是电池各个功能的结合体，主要服务于中高端产品(或设备)，对电池性能要求比较高，尤其擅长信息量方面的收集与处理。相比现有技术，具备如下技术优势：

1、适合于不同领域不同产品或设备，在通讯方式上几乎兼容了目前各产品或设备的主流通讯模式。

2、更好的服务于客户，避免客户在开发项目时寻找多家供应商开发不同模块的情况，有利于加速客户项目上市的进度，节省客户的成本以及资源。

附图说明

图1为本实用新型整体原理框图；

图2为本实用新型输入电压过压保护电路图；

图3为本实用新型温度检测电路图；

图4为本实用新型最小集IC BQ24133系统图；

图5为本实用新型主回路开关电路图；

图6为本实用新型I2C通讯电路图；

图7为本实用新型最小集成电路IC(BQ40Z50)电路图；

图8为本实用新型LDO电路图；

图9为本实用新型最小单片机系统MSP430G2553电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

以下结合附图及附图标记对本实用新型的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人在研读本说明书后能据以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本智能化和信息化的电池管理系统包括充电管理模块，电池串模块、电池管理系统模块和单片机数据处理模块。充电管理模块通过接口与输入电压相连，将输入电压降压为电池电压，充电管理模块输出口与电池管理系统模块相连，经过电池管理系统模块主回路给电池充电，如果系统不处于充电状态下，充电管理模块将不工作。电池串模块主要由电池串联组成，电池串模块与电池管理系统模块相连，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时进行正常充电或者放电，否则电池串被禁止充电或者放电，从而起到安全保护作用。电池管理系统模块与电池串模块相连，实时采集电池电压、电流等信息，实时监督电池工作情况，且电池管理系统模块与充电管理模块输出端相连，实时监督电管理模块给电池串充电电压跟电流大小。单片机数据处理模通过I2C通讯电路与电池管理系统模块相连，处理电池管理系统模块发送过来的电池信息，并通过串口通讯电路与外部主机相连，将电池信息发送给外部主机。本系统所选IC及元器件都是现有的，可以根据客户功能要求而进行方案匹配。

一、充电管理模块主要由输入电压过压保护电路，降压电路，温度检测电路和最小IC BQ24133组成。

其中：如图2所示，输入电压过压保护电路由N-MOS、电阻、电容组成，通过N-MOS导通与关闭来控制输入电压是否需要切断。外部输入电压通过接口与输入电压过压保护电路连接，输入电压过压保护电路与最小IC BQ24133连接，输入电压过压保护电路受最小ICBQ24133控制，当输入电压大于18V时，最小IC BQ24133控制输入电压过压保护电路中的N-MOS关闭，使充电管理模块没有电压输出，从而保护充电管理模块不受高压损坏。

降压电路与最小IC BQ24133连接，降压电路将输入电压降压为电池电压，为电池串准备充电。降压电路主要由电感、电容以及内置在最小集合IC BQ24133同步整流电路组成，通过降压电流，能够把输入端15V±0.1V降压为8.4V±0.1V的两串电池电压，为电池串充电。

如图3所示图，温度检测电路连接最小单片机BQ24133和电池串模块，主要由热敏电阻、电阻、电容组成，通过RT热敏电阻电压差信号采集电池温度，实时监控充电状态下电池温度，并把温度传送给最小单片机BQ24133系统，一旦电池温度过高时(高于45℃)，最小IC BQ24133控制降压电路，使充电管理模块没有电压输出，从而保护电池避免因高温引发事故。实施时，当电池温度高于45℃时，最小单片机BQ24133关闭降压电路使输出电压为0V；当电池温度小于45℃条件下，降压电路才能将电池电压8.4V±0.1V为两节电池串准备充电，具有保护电池的作用。

如图4所示，最小集合IC BQ24133是充电管理模块的核心，通过最小集合ICBQ24133对充电信息处理，控制各个电路执行任务，具有控制充电电压、充电限流，温度保护等功能。如最小集合IC BQ24133监控输入端电压，如果输入端电压不在设定范围之内，则关闭场效应管MOS切断充电回路，起到保护作用，同时还控制充电管理模块输出电压，电流大小。此外，最小集成电路IC芯片BQ40Z50可以根据客户不同产品匹配不同参数，使得电池管理系统模块具备过充、过放、过温、低温、过流、短路等保护功能，还具备记录触发保护事件时各个参数。

二、电池串模块主要由电池串联组成，是整个系统的储能跟供电源，电池串模块与电池管理系统模块相连，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时进行正常充电或者放电，否则电池串被禁止充电或者放电，从而起到安全保护作用。

三、电池管理系统模块由电压采集电路、电流采集电路、主回路开关电路、I2C通讯电路和最小集成电路IC芯片BQ40Z50组成。

其中：电压、电流采集电路与电池串相连，用来采集电池串电压、电流，通过最小集成电路IC芯片BQ40Z50的AD转换将模拟电压、电流信号转化成数字信号，为数据处理提供电池串电压、电流信号。其中，电压采集电路由电阻、电容组成；电流采集电路由合金电阻、电容组成。

如图5所示，主回路开关电路主要由NMOS、电阻、电容组成，通过控制N-MOS晶体管的导通和关闭来控制电池的开关。主回路开关电路输出端与充电管理模块输出端口相连，同时也是整个系统放电输出端口，主回路开关电路输入端与电池串正极相连接，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时，主回路开关电路处于导通状态，否则处于关闭状态。

如图6所示，I2C通讯电路分别连接最小集成电路IC(BQ40Z50)和最小单片机系统MSP430G2553，主要由电阻、稳压管AZ23C5V6组成，用于电池管理系统(BMS)模块与单片机数据处理模块之间的通讯，是电池管理系统(BMS)模块跟单片机数据处理模块通讯桥梁。

如图7所示，最小集成电路IC(BQ40Z50)负责采集电池的电压、电流、温度等信息，其中有4个NTC温度检测端口，用于读取温度参数，并通过对比各项安全数据，如果超过安全参数，控住主回路开关电路图来切断电池放电或者充电。BQ40Z50实时监控电池的电压、电流、温度情况，估算剩余电量，自动均衡，具有过充过放，充电过流、放电过流、短路等保护功能，具有庞大的电芯数据处理能力，并且可以把处理过的数据通过通讯方式发送给外部设备。

四、单片机数据处理模块主要由LDO电路，串口通讯电路，显示灯电路和最小单片机系统MSP430G2553组成。

其中：如图8所示，LDO电路输入端连接电池串，LDO输出端连接最小单片机系统MSP430G2553，主要由MD7133H芯片、电阻、电容、TVS管组成，将电池串的输出电压转变为3.3V±0.1V，为单片机数据处理模块供电。

串口通讯主要由稳压管AZ23C5V6、电阻组成，通过串口通讯，把电池信息发送给外部主机。

如图9所示，最小单片机系统MSP430G2553是是单片机数据处理模块核心部分，数据发送与接收都由最小单片机系统MSP430G2553执行，最小单片机系统MSP430G2553通过I2C通讯从电池管理系统(BMS)模块获取电池信息，处理后再以串口通讯方式传送给外部设备，并根据外部设备要求传送所需数据。外部主机可以设置加密，指定授权的电池供应商才能为主机供电。

除此之外，单片机数据处理模块还可以将传回来的剩余容量(SOC)转化成显示灯形式直观表现出来。显示灯电路由LED发管二极管跟电阻组成，用于显示电池电量。单片机数据处理模块在自耗电方面也可以发挥作用，可以通过开机键，使电池在不适用情况下进入低功耗模式，要使用时按开机键唤醒电池，这样能大大降低电池自耗电跟延长电池使用寿命。可见，单片机数据处理模块引入能使电池功能更全面跟灵活多变，是一种智能化和信息化的结合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.基于智能化和信息化的电池管理系统，其特征在于，包括充电管理模块，电池串模块，电池管理系统模块和单片机数据处理模块；

充电管理模块的输入端与输入电压相连，将输入电压降压为电池电压；充电管理模块的输出端与电池管理系统模块相连，当输出电压电流在电池管理系统模块设定范围之内时给电池充电；

电池串模块主要由电池串联组成，电池串模块与电池管理系统模块相连，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时进行正常充电或者放电；

电池管理系统模块，实时采集电池信息，并发送给单片机数据处理模块；

单片机数据处理模块分别与电池管理系统模块和外部主机相连，处理电池管理系统模块发送来的电池信息，并将电池信息发送给外部主机。

2.根据权利要求1所述的基于智能化和信息化的电池管理系统，其特征在于，所述的充电管理模块主要由输入电压过压保护电路、降压电路、温度检测电路和最小IC BQ24133组成；外部输入电压通过输入端与输入电压过压保护电路连接；输入电压过压保护电路与最小IC BQ24133连接；降压电路与最小IC BQ24133连接，用于将外部输入电压降压为电池电压；温度检测电路分别与最小单片机BQ24133和电池串模块连接，用于实时检测充电状态下电池温度；最小单片机IC BQ24133用于监控输入端电压和电池温度，控制输出端电压电流。

3.根据权利要求2所述的基于智能化和信息化的电池管理系统，其特征在于，所述的输入电压过压保护电路主要由N-MOS、电阻以及电容组成，通过N-MOS导通与关闭来控制输入电压是否需要切断；所述的降压电路主要由电感、电容以及内置在最小集合ICBQ24133同步整流电路组成，把输入端15V±0.1V降压为8.4V±0.1V的两串电池电压，当输入端电压不在设定范围之内，最小单片机IC BQ24133切断充电回路；所述的温度检测电路主要由电阻和热敏电阻组成，当充电状态下电池温度高于45℃时，最小单片机BQ24133关闭降压电路使输出电压为0V。

4.根据权利要求1或2所述的基于智能化和信息化的电池管理系统，其特征在于，所述的电池管理系统模块主要由电压采集电路、电流采集电路、主回路开关电路、I2C通讯电路和最小集成电路IC芯片BQ40Z50组成；电压、电流采集电路分别与电池串模块相连，分别用于采集电池电压、电流，通过最小集成电路IC芯片BQ40Z50的AD转换将模拟电压、电流信号转化成数字信号，为数据处理提供电池电压、电流信号；主回路开关电路输出端与充电管理模块输出端相连，是整个系统放电输出端口，主回路开关电路输入端与电池串正极相连接，在满足电池管理系统模块各个参数阈值时，主回路开关电路处于导通状态；I2C通讯电路分别连接最小集成电路IC芯片BQ40Z50和单片机数据处理模块，用于电池管理系统模块与单片机数据处理模块之间的通讯；最小集成电路IC芯片BQ40Z50用于监测电池电压、电流和温度信息，当电压、电流、温度超过设定值时控制主回路开关电路关闭。

5.根据权利要求4所述的基于智能化和信息化的电池管理系统，其特征在于，所述的电压采集电路主要由电阻、电容组成；所述的电流采集电路主要由合金电阻、电容组成；所述的主回路开关电路主要由N-MOS管、电阻和电容组成，通过控制N-MOS晶体管的导通和关闭来控制电池的开关；所述的最小集成电路IC芯片BQ40Z50监测电压、电流、温度超过设定值时，控制N-MOS晶体管关闭；所述的I2C通讯电路主要由稳压管AZ23C5V6、电阻组成。

6.根据权利要求1或2所述的基于智能化和信息化的电池管理系统，其特征在于，所述的单片机数据处理模块主要由LDO电路、串口通讯电路、显示灯电路和最小单片机系统MSP430G2553组成；所述的LDO电路输入端与电池串模块相连，LDO电路输出端与最小单片机系统MSP430G2553相连，为最小单片机系统MSP430G2553供电；所述的最小单片机系统MSP430G2553与电池管理系统模块相连，用于从电池管理系统模块获取电池信息；所述的通讯电路分别连接最小单片机系统MSP430G2553和外部主机，通过串口通讯把电池信息传给外部主机；所述的显示灯电路用来显示电池电量。

7.根据权利要求6所述的基于智能化和信息化的电池管理系统，其特征在于，所述的LDO电路主要由MD7133H芯片、TVS管、电阻、电容组成，把电池串电压转为3.3V±0.1V；所述的串口通讯电路主要由稳压管AZ23C5V6、电阻组成；所述的显示灯电路主要由LED发光二极管、电阻组成。