CN218829200U - 一种电池bms支持多机并联充放电的控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置。所述BMS模块包括电池、MCU、MOS三极管Q1、MOS三极管Q2、熔断器F1和AFE模块，所述MCU分别与AFE模块、MOS三极管Q2、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块相连接，所述AFE模块分别与电池、熔断器F1和MOS三极管Q1相连接。本实用新型用以解决现有技术中成本高或安全风险的问题。

Description

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置

技术领域

本实用新型属于电池技术领域；具体涉及一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置。

背景技术

锂离子电池需要经过BMS进行充放电管理后才能被安全使用。否则超规格使用有一定的安全风险。锂离子电池通过BMS和PACK后被称为锂离子电池包，简称电池包。正常电池包只能被单独连接负载和充电器使用，无法并联进行充放电。但消费类市场经常需要多个电池包进行灵活的并联扩容，以满足不同消费者的容量需求。但电池包一般属于不受控电源，BMS一般无电压、电流限制功能，只进行电压和电流保护。不同的电池包存在可能存在不同的状态，如不同的SOC状态，不同的保护状态，多个电池包直接并联时可能会导致多个电池包不受控互相灌大电流，有安全风险。同时应对不同负载时并联电池也需要都能正常工作，如对于电机类或感性负载并联后的电池要保证具备随时吸收回充电能量，确保不会有未被吸收的高压导致总线器件损坏。

现有市场方案一般有以下几种：第一种方法，使用普通电池包，若需要多个电池并联时，则需要一个外置的控制板子，来对两个电池进行管理，以及限制两个电池之间的互灌风险。这个板子由功率板模块以及管理MCU和通讯模块组成。该板子通常需要较大的尺寸因为电池包的大电流回路都要通过这个板子，上面需要有功率器件来对电池的回路进行通断控制。每个电池接入都需要一个单独的功率回路控制，越多的电池并联需要越多的功率控制回路。一般的产品中很有空间再加入这个板子，同时该板子的成本会远超过BMS的成本，造成产品的单价上升。

第二种方法，电池包内置或者外置限流模块，将允许的充放电电流限制到允许的承受范围内，使得电池包成为受控电源。一般该限流模块都是双向的DCDC模块，大电流使用的电池包该DCDC模块需要很大的功率，有很大的体积以及成本和发热问题。同时对于电机类的负载由于其有回馈充电(如电动自行车刹车或者下坡时)，由于该DCDC有限流功能无法完全吸收回馈能量，会导致端口的电压极具升高，最终高压击穿电性能器件完成能量释放，有极大的安全风险。

第三种方法：在第一种方法的基础上去除功率模块，保留MCU和通讯模块，主要对并联的电池包进行通讯，了解电池包的状态，然后通过通讯命令来协调电池包BMS上的功率开关进行并机的逻辑。该方案成本较低，但仍需额外电路板进行安装，同时对该控制板子的稳定性以及软件逻辑的可靠性有很高的要求，如果信息交互延时，通讯链路故障，软件逻辑错误等，则会使得并联电池陷入极大的安全隐患中。

实用新型内容

本实用新型提供了一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，用以解决现有技术中成本高或安全风险的问题。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，每个所述控制装置包括BMS模块、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块；

所述BMS模块包括电池、MCU、MOS三极管Q1、MOS三极管Q2、熔断器F1和AFE模块，所述MCU分别与AFE模块、MOS三极管Q2、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块相连接，所述AFE模块分别与电池、熔断器F1和MOS三极管Q1相连接。

所述电压比较模块，用于比较电池的内部电压和P+/C+、P-/C-输出电压的电压差；

所述输出开关模块，在电池在运输过程中充电和放电功能都应关闭，即充放电MOS都应关闭；当在负载系统中连接好时，应有输出开关信号告知电池包此时可以打开输出；

所述充电器识别模块，用于充电器接入时传入一个信号给BMS，进行识别确认充电器已经正常接入；

所述单向弱放电模块电路，保证仅能通过该电路进行弱放电，不能充电；

BMS模块的AFE模块，与MCU进行通讯连接，进行信息交互。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，所述BMS模块包括电池、MCU、MOS三极管Q1、MOS三极管Q2、熔断器F1和AFE模块，所述AFE模块的1号端分别与电池的一端、熔断器F1的一端相连接，所述熔断器F1的另一端与P+\C+端相连接；所述AFE模块的2号端分别与电池的另一端、接地端、MOS三极管Q1的S极和单向弱放电模块的一端相连接，所述MOS三极管Q1的G极与AFE模块的10号端相连接，所述MOS三极管Q1的D极与MOS三极管Q2的S极相连接，所述MOS三极管Q2的G极与AFE模块的9号端相连接，所述MOS三极管Q2的D极分别与单向弱放电模块的另一端、电压比较模块的一端和P-\C-端相连接；

所述AFE模块的3号端分别与VCC和MCU的3号端相连接，所述AFE模块的4、5、6、7号端分别与MCU的4、5、6、7号端相连接，所述AFE模块的8号端分别与GND和MCU的8号端相连接,所述MCU的9号端与电压比较模块的另一端相连接，所述电压比较模块的第三端接地，所述MCU的1号端与充电器识别模块的一端相连接，所述充电器识别模块的另一端与充电器连接输入信号端相连接，所述MCU的2号端与输出开关模块的一端相连接，所述输出开关模块的另一端与电池输出开关信号端相连接。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，其所述单向弱放电模块包括MOS三极管Q3、电阻R1和二极管D1，所述MOS三极管Q3的S极分别与AFE模块的2号端、电池的另一端、接地端和MOS三极管Q1的S极相连接，所述MOS三极管Q3的G极与MCU的10号端相连接，所述MOS三极管Q3的D极与电阻R1的一端相连接，所述电阻R1的另一端与二极管D1的负极相连接，所述二极管D1的正极分别与MOS三极管Q2的D极、电压比较模块的一端和P-\C-端相连接。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，多个所述控制装置并联时，多个P+\C+端均相连接后引出一个P+\C+端，多个充电器连接输入信号端均相连接后引出一个充电器连接输入信号端，多个所述电池输出开关信号端均相连接后引出一个电池输出开关信号，多个P-\C-端均相连接后引出一个P-\C-端。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型安全的自主并联，无数量限制，无需要主机，无需额外的外置电路板，可以不需与其他电池进行信息交互，无通讯链路延时或故障带来的安全风险，并机逻辑简单安全可靠。

本实用新型每个电池包可自主实现并联控制，单台或者多台电池并联使用时都可以正常工作。

本实用新型实现真正的便捷电池容量扩容。

本实用新型可在任意负载下进行工作，对于有回馈充电的负载也能保证被并联后的电池进行吸收，无使用上的安全风险。

本实用新型电池并联放电时高电量电池会进行先放电，待电量接近时低电量电池0延时接入总线放电，实现电池均衡，容量扩容。

本实用新型充电时低电量电池会自动优先充电，待与高电量电池电量一致时并入总线进行均充；确保电池充放电过程中的电池间均衡。

附图说明

附图1是本实用新型的充放电的控制电路图。

附图2是本实用新型的充放电的控制的多个并联电路图。

附图3是本实用新型的工作模式示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，所述控制装置包括BMS模块、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块；

所述BMS模块包括电池、MCU、MOS三极管Q1、MOS三极管Q2、熔断器F1和AFE模块，所述MCU分别与AFE模块、MOS三极管Q2、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块相连接，所述AFE模块分别与电池、熔断器F1和MOS三极管Q1相连接；

所述电压比较模块，用于比较电池的内部电压和P+/C+、P-/C-输出电压的电压差；若输出电压比电池电压高则，VOL_DET信号输出信号通知MCU，对于负端保护，因为B+和P+/C+已经通过保险丝连接，因此只要对GND和P-/C-进行比较即可，GND比P-/C-高则代表输出电压比电池电压高，VOL_DET信号给MCU

所述输出开关模块，在电池在运输过程中充电和放电功能都应关闭，即充放电MOS都应关闭；当在负载系统中连接好时，应有输出开关信号告知电池包此时可以打开输出；一般为物理开关信号，开机时模块输出KEY信号给MCU进行识别；

所述充电器识别模块，用于充电器接入时传入一个信号给BMS，进行识别确认充电器已经正常接入；如一个5V或者其他电压信号，或者是一个开关信号供BMS识别充电器接入；经过该电路转换后输出充电器识别信号CHG_DET信号给BMS进行识别确认充电器已经正常接入；

所述单向弱放电模块电路，保证仅能通过该电路进行弱放电，不能充电；由MOS三极管Q3R1D1组成，由于有D1二极管的存在，该模块电路可以保证仅能通过该电路进行放电，不能充电；同时由于R1的存在一般取10R～100R以内的电阻，使得该回路仅能进行弱放电，而非强放电；MOS三极管Q3来控制该弱放电回路的通断；

BMS模块的AFE模块，与MCU进行通讯连接，进行信息交互。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，每个控制装置均包括BMS模块、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块；

所述BMS模块包括电池、MCU、MOS三极管Q1、MOS三极管Q2、熔断器F1和AFE模块，所述AFE模块的1号端分别与电池的一端、熔断器F1的一端相连接，所述熔断器F1的另一端与P+\C+端相连接；所述AFE模块的2号端分别与电池的另一端、接地端、MOS三极管Q1的S极和单向弱放电模块的一端相连接，所述MOS三极管Q1的G极与AFE模块的10号端相连接，所述MOS三极管Q1的D极与MOS三极管Q2的S极相连接，所述MOS三极管Q2的G极与AFE模块的9号端相连接，所述MOS三极管Q2的D极分别与单向弱放电模块的另一端、电压比较模块的一端和P-\C-端相连接；

所述AFE模块的3号端分别与VCC和MCU的3号端相连接，所述AFE模块的4、5、6、7号端分别与MCU的4、5、6、7号端相连接，所述AFE模块的8号端分别与GND和MCU的8号端相连接,所述MCU的9号端与电压比较模块的另一端相连接，所述电压比较模块的第三端接地，所述MCU的1号端与充电器识别模块的一端相连接，所述充电器识别模块的另一端与充电器连接输入信号端相连接，所述MCU的2号端与输出开关模块的一端相连接，所述输出开关模块的另一端与电池输出开关信号端相连接。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，所述单向弱放电模块包括MOS三极管Q3、电阻R1和二极管D1，所述MOS三极管Q3的S极分别与AFE模块的2号端、电池的另一端、接地端和MOS三极管Q1的S极相连接，所述MOS三极管Q3的G极与MCU的10号端相连接，所述MOS三极管Q3的D极与电阻R1的一端相连接，所述电阻R1的另一端与二极管D1的负极相连接，所述二极管D1的正极分别与MOS三极管Q2的D极、电压比较模块的一端和P-\C-端相连接。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，多个所述控制装置并联时，多个P+\C+端均相连接后引出一个P+\C+端，多个充电器连接输入信号端均相连接后引出一个充电器连接输入信号端，多个所述电池输出开关信号端均相连接后引出一个电池输出开关信号，多个P-\C-端均相连接后引出一个P-\C-端。

并机时参照图2，图2以双电池并联进行示例，电池1和电池2的P+/C+、P-/C-并联。充电器连接输入信号、电池输出开关信号也是并联连接，接到分别的识别信号。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置的工作方法，所述控制装置的工作方式具体包括空闲模式、放电模式和充电模式，当所述空闲模式有放电开关信号，无充电信号时转换为放电模式，当所述空闲模式无放电开关信号，有充电信号时转换为充电模式；

当所述放电模式无放电开关信号，无充电信号时转换为空闲模式；当充电模式无放电开关信号，无充电信号时转换为空闲模式；

当放电模式无放电开关信号，有充电信号时转换为为充电模式；当充电模式有放电开关信号，无充电信号时转换为放电模式。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置的工作方法，所述控制装置的工作方式具体包括空闲模式、放电模式和充电模式，

所述空闲模式具体为，电池未进入放电模式以及充电模式，MCU未检测到KEY以及充电器识别信号CHG_DET信号。电池的充放电都关闭，不具备充电以及放电能力；

所述放电模式具体为，电池接收到输出开关的信号，MCU检测到KEY信号，同时未识别到充电器即无充电器识别信号CHG_DET信号存在，电池处于具备放电能力的状态，但同时也具备吸收设备的回馈充电的能力；

所述充电模式具体为，充电器接入，MCU检测到充电器识别信号CHG_DET信号，电池将具备单向弱放电能力和充电能力，不具备强放电能力。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置的控制方法，所述控制方法具体为，

基于同口BMS架构，(所述同口BMS架构包括同口高边BMS架构与同口底边BMS架构；正常BMS所需的保险丝、AFE模块、MCU模块、由MOS三极管Q1和MOS三极管Q2构成的充放电控制，不属于本实用新型的范围，参照图1)增加电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块并组装；

当电池未接入到负载时且无输出开关信号接入，电池包处于空闲模式，电池包不能放电也不能充电，放电FETMOS三极管Q1、充电FETMOS三极管Q2以及单向弱放电MOS三极管Q3都关闭；此时多台电池并机无安全隐患。不存在电池互灌的可能。

当检测到电池输出信号，所有并联的电池都检测到KEY信号，电池包进入放电模式，则电池包都开启放电功能，MOS三极管Q1打开，但MOS三极管Q2、MOS三极管Q3关闭，防止不同电量电量之间的电池互灌；此时P+/C+、P-/C-总线的电压由高SOC状态的电池电压决定；

此时BMS检测电压比较模块，来比较当前电池与外部总线P+/C+、P-/C-的电压差；当外部电压比电池电压高的时候VOL_DET有信号输出，当前电池包就决策不开启MOS三极管Q2充电MOS，避免被其他电池包灌入大电流的可能；总线的高电量的电池包的电压比较电路未有VOL_DET信号，判定总线的电压与电池的电压接近或一致，安全开启MOS三极管Q2充电MOS，来吸收总线可能随时存在的回生充电电流；若总线连接的多个电池电压都一致，则所有电池都检测到总线电压与自己的电压接近一致，则都会开启充电MOS三极管Q2，进入完全的充放电并机状态。

因此并机的电池若电压都不一致，则总有一个最高的电池电压判定到电池电压大于等于总线电压而选择开启充电MOS进入完全导通状态，使得总线具备吸收回收充电能力，其他电池若低于总线电压则会选择关闭充电MOS，具备单向的放电能力，同时不会被总线的高电压灌入充电电流，若其他电池电压大于或等于总线电压则也可以开启充电MOS进入完全并机状态；

该过程为开机过程中的状态，一般在开机1S内就完成了该决策输出；之后并机后的电池若有放电电流则高电压的电池会被先放电，随后高电压电池电压逐步降低到与低电压电池一致，低电压电池因具备单向放电能力，

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置的控制方法，当前电池的电压与总线电压接近时，或者有瞬间大电流将总线拉低，其他低电压电池接近总线电压，低电量电池也会进入放电状态，有放电电流时会BMS会强制打开充电MOS三极管Q2，以降低回路温升，此时该电池的电压与总线已经一致，电压比较模块电路VOL_DET输出信号，充电MOS三极管Q2持续打开，进入完全并机状态。

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置的控制方法，当充电器接入同时BMS检测到充电器识别模块的充电器识别信号CHG_DET有信号，则BMS转入充电模式；若之前在放电模式，则BMS退出放电模式强制转入充电模式，充电模式具有最高优先权；之后BMS开启单向弱放电模块，同时关闭了MOS三极管Q1放电回路，充电器接入后，系统禁止骑行(安全法规)，同时为了系统供电，如仪表等的工作，需要由单向弱电放电模块继续工作维持系统运行；同时在充足的延时后，确保所有总线电池都完全关闭了放电MOS，一般为1s，之后所有的电池逐步打开其充电MOS三极管Q2；

此时系统上的电池全部变成了单向充电能力的电池，但不具备任何放电功能；此时充电器的电压输出会优先充电至低电量的电池，总线电压由低电量的电池决定，当前电池有充电电流时，随即打开放电MOS三极管Q1，以降低回路温升；电流消失时MOS三极管Q1也关闭，让总线持续保持单向的电流能力；随着最低的电池逐步充高，总线的电压也在不断的上升，当超过其他电池电压时，其他电池也会并入充电，最后所有的电池都会被一致性的充满；

一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置的控制方法，若在充电器插入之前BMS为空闲模式，则充电器识别信号CHG_DET唤醒了BMS同时开启单向弱放电模块，之后维持放电MOS三极管Q1关闭，开启充电MOS三极管Q2进入单向充电模式，有充电电流时会驱动打开放电MOS，降低回路压降和温升，没充电电流时及时关闭放电MOS；

若电池之前的模式为充电模式，但同时KEY检测到信号；当充电器移除充电器识别信号CHG_DET信号消失时，电池返回到放电模式，此时单向弱放电回路持续开启，维持住总线的电压使用需求，之后充电MOS三极管Q2关闭，放电MOS三极管Q1原本就处于关闭状态；此时总线的MOS三极管Q1和MOS三极管Q2都关闭，返回到空闲状态，不具备任何充放电能力，在充足的延时后，一般为1S，电池开启之前开机状态时的并机逻辑；

在空闲模式下电池的充电开关、放电开关、弱放电开关都处于关闭状态，以实现在并机安装时的安全可靠。

在识别到输出开关时，电池的放电开关打开，充电开关仅在有放电电流或电压比较模块无信号输出，即电池电压大于等于总线电压时。充电MOS打开，实现安全可靠的并机。不会存在电池间互灌的可能。同时总线最高的电池电压可以保证开启，可以随时吸收总线的回生充电能力。

在识别到充电器接入后，开启单向弱放电，维持总线的控制模块、仪表等的电源需求，同时关闭放电开关，短时延时后开启充电开关，进入单向的充电状态。有充电电流时，强制开启放电开关，无充电电流时关闭放电开关。

本实用新型BMS框架以负端同口保护为例，但不局限于该BMS框架，本实用新型同样适用于高边同口BMS。

本实用新型中电压比较模块也可以使用比较电路来实现电压比较，也可使用软件采集P+/C+、C+/C-电压，然后通过软件与电池总电压比较，来实现电压比较功能。使用该方法也属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，其特征在于，每个所述控制装置包括BMS模块、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块；

所述BMS模块包括电池、MCU、MOS三极管Q1、MOS三极管Q2、熔断器F1和AFE模块，所述MCU分别与AFE模块、MOS三极管Q2、电压比较模块、输出开关模块、充电器识别模块及单向弱放电模块相连接，所述AFE模块分别与电池、熔断器F1和MOS三极管Q1相连接。

2.根据权利要求1所述一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，其特征在于，所述BMS模块包括电池、MCU、MOS三极管Q1、MOS三极管Q2、熔断器F1和AFE模块，所述AFE模块的1号端分别与电池的一端、熔断器F1的一端相连接，所述熔断器F1的另一端与P+\C+端相连接；所述AFE模块的2号端分别与电池的另一端、接地端、MOS三极管Q1的S极和单向弱放电模块的一端相连接，所述MOS三极管Q1的G极与AFE模块的10号端相连接，所述MOS三极管Q1的D极与MOS三极管Q2的S极相连接，所述MOS三极管Q2的G极与AFE模块的9号端相连接，所述MOS三极管Q2的D极分别与单向弱放电模块的另一端、电压比较模块的一端和P-\C-端相连接；

所述AFE模块的3号端分别与VCC和MCU的3号端相连接，所述AFE模块的4、5、6、7号端分别与MCU的4、5、6、7号端相连接，所述AFE模块的8号端分别与GND和MCU的8号端相连接,所述MCU的9号端与电压比较模块的另一端相连接，所述电压比较模块的第三端接地，所述MCU的1号端与充电器识别模块的一端相连接，所述充电器识别模块的另一端与充电器连接输入信号端相连接，所述MCU的2号端与输出开关模块的一端相连接，所述输出开关模块的另一端与电池输出开关信号端相连接。

3.根据权利要求2所述一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，其特征在于，所述单向弱放电模块包括MOS三极管Q3、电阻R1和二极管D1，所述MOS三极管Q3的S极分别与AFE模块的2号端、电池的另一端、接地端和MOS三极管Q1的S极相连接，所述MOS三极管Q3的G极与MCU的10号端相连接，所述MOS三极管Q3的D极与电阻R1的一端相连接，所述电阻R1的另一端与二极管D1的负极相连接，所述二极管D1的正极分别与MOS三极管Q2的D极、电压比较模块的一端和P-\C-端相连接。

4.根据权利要求3所述一种电池BMS支持多机并联充放电的控制装置，其特征在于，多个所述控制装置并联时，多个P+\C+端均相连接后引出一个P+\C+端，多个充电器连接输入信号端均相连接后引出一个充电器连接输入信号端，多个所述电池输出开关信号端均相连接后引出一个电池输出开关信号，多个P-\C-端均相连接后引出一个P-\C-端。

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