CN219041445U - 电池管理系统及电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池管理系统及电器，所述电池管理系统包括与电池的电芯一一匹配设置的管理电路，且每个所述管理电路均连接到与之匹配的电芯的两端，每个所述管理电路均包括：一均衡电路，其与所述电芯连接，用于对所述电芯放电；一电压检测电路，其与所述电芯连接，用于检测所述电芯上的电压；一故障检测电路，其与所述均衡电路连接，用于检测所述均衡电路是否处于正常状态。与现有技术相比，本实用新型采用分立器件方案，成本低，具有较强的可替代性，同时本实用新型还能实时监测电池管理系统状态，判断各电芯是否存在断线问题，提高了电池组的可靠性和使用寿命。

Description

电池管理系统及电器

技术领域

本实用新型涉及电池领域，特别是一种电池管理系统及电器。

背景技术

在当今锂电池的广泛应用中，电池管理系统是重要组成部分，主要负责监测单体电池电压、单体电池温度、总电压、充/放电电流以及绝缘电阻等运行参数，估算电池的SOC、SOH及 SOP等状态，进行电池在线故障诊断，防止电池过充和过放等。

现阶段，电池检测设计思路主要有两种，一种是专用电池检测芯片方案，另一种是采用分立器件（电子元件及电子器件）搭建方案。由于分立器件搭建方案灵活，供货稳定，价格便宜，具有较强的可替代性，因此采用分立器件方案的电池管理系统逐渐得到了推广和应用。由于分立器件方案基于MCU进行搭建，存在受到环境影响较大，所以保证方案中高可靠性的系统自检功能和均衡控制是非常重要的。

因此，如何设计一种电池管理系统及电器，能实现自检功能和均衡控制，是业界亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对现有技术中，采用分立器件的方案会受到环境影响的问题，本实用新型提出了一种电池管理系统及电器。

本实用新型的技术方案为，提出了一种电磁管理系统，包括与电池的电芯一一匹配设置的管理电路，且每个所述管理电路均连接到与之匹配的电芯的两端，每个所述管理电路均包括：

一均衡电路，其与所述电芯连接，用于对所述电芯放电；

一电压检测电路，其与所述电芯连接，用于检测所述电芯上的电压；

一故障检测电路，其与所述均衡电路连接，用于检测所述均衡电路是否处于正常状态。

进一步，所述均衡电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、开关管S1-0、发光二极管D1；

所述电阻R1一端连接到所述电芯的正极、另一端连接到所述开关管S1-0的第一端，所述开关管S1-0的第二端连接到所述电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接到所述电芯的负极，所述电阻R2一端连接到所述开关管S1-0的第二端与所述电阻R3之间、另一端连接到所述发光二极管D1的正极，所述发光二极管D1的负极连接到所述电芯的负极，所述开关管S1-0的第三端连接到MCU控制器以用于接收控制信号。

进一步，所述管理电路还包括连接在所述均衡电路与所述MCU控制器之间的控制电路，所述控制电路包括：电阻R5、电阻R7、光耦U2；

所述光耦U2的控制端的第一端串联所述电阻R7后连接到所述MCU控制器、第二端接地，所述光耦U2的受控端的第一端连接到所述电芯的负极、第二端串联所述电阻R5后连接到所述开关管S1-0的第三端。

进一步，当所述MCU控制器发出高电平信号时，所述光耦U2工作，所述开关管S1-0导通；

当所述MCU控制器发出低电平信号时，所述光耦U2不工作，所述开关管

S1-0截止。

进一步，所述电压检测电路包括：电阻R1、电阻R8、光耦U3；

所述光耦U3的控制端的第一端串联所述电阻R8后连接到MCU控制器、第

二端接地，所述光耦U3的控制端的第一端串联所述电阻R1后连接到所述电芯的正极、第二端连接到ADC采样模块。

进一步，当所述MCU控制器发出高电平信号时，所述光耦U3工作，所述ADC采样模块采样与之连接的电芯上的电压；

当所述MCU控制器发出低电平信号时，所述光耦U3不工作，所述ADC采

样模块不工作。

进一步，当所述MCU控制器控制相邻的管理电路中均衡电路的导通状态不同时，所述ADC采样模块检测与处于断路状态的均衡电路连接的电芯的电压，且当检测的电压小于其门限电压时，所述电芯存在断线问题。

进一步，所述故障检测电路包括：电阻R4、电阻R6、光耦U1；

所述电阻R4一端连接到所述开关管S1-0与所述电阻R3之间、另一端连接

到所述光耦U1的控制端的第一端，所述光耦U1的控制端的第二端连接到所述电芯的负极，所述光耦U1的受控端的第一端连接一电源、第二端串联所述电阻R6后接地，所述MCU控制器连接到所述电阻R6与所述光耦U1的受控端的第二端之间。

进一步，当所述开关管S1-0导通，且所述均衡电路处于正常状态时，所述光耦U1工作，所述MCU控制器接收到高电平信号；

当所述开关管S1-0导通，且所述均衡电路处于异常状态时，所述光耦U1不

工作，所述MCU控制器接收到低电平信号。

本实用新型还提出了一种电器，所述电器具有上述电池管理系统。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型采用分立器件构成，成本低，具有较强的可替代性；

2、本实用新型能够实时检测电池的电芯上的电压，并通过均衡电路进行均衡控制，断开或关断均衡电路，从而避免电池过放电等问题的发生；

3、本实用新型能够对电芯进行断线检测，避免由此发生采样故障，此外，本实用新型还能检测均衡电路是否处于正常状态，提高了电路整体的可靠性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型整体的电路拓扑图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本实用新型的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本实用新型的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

下面结合附图以及实施例对本实用新型的原理及结构进行详细说明。

由于分立器件方案基于MCU进行搭建，存在受到环境影响较大，所以保证方案中高可靠性的系统自检功能和均衡控制是非常重要的。本实用新型的思路在于，通过增设均衡电路对电芯进行放电，从而避免电池出现的过放电问题，同时，本实用新型还设计有故障检测电路和电压检测电路，能够用于判断均衡电路是否正常以及电芯上电压是否正常，实现自检功能。

具体的，本实用新型所提出的电池管理系统，包括与电池的电芯一一匹配设置的管理电路，每个管理电路均连接到与之匹配的电芯两端。其中，对于每个管理电路，其均包括一个均衡电路、一个电压检测电路、以及一个故障检测电路。

其中，均衡电路与电芯连接，用于对电芯放电，从而实现均衡控制，避免电池过放电问题的发生；

电压检测电路与电芯连接，用于检测电芯上的电压，该电压反馈到MCU控制器中，MCU控制器能够根据该电压判断电芯是否出现断线问题，避免发生采样故障，同时MCU控制器还能够根据该采样电压获取电芯上的电压，从而判断电芯是否需要放电，避免电池过放电问题；

故障检测电路与均衡电路连接，用于检测均衡电路是否正常，从而提高电路的可靠性。

请参加图1，本实用新型中提出的均衡电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、开关管S1-0、发光二极管D1；

其中，电阻R1一端连接到电芯的正极、另一端连接到开关管S1-0的第一端，开关管S1-0的第二端连接到电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到电芯的负极，电阻R2一端连接到开关管S1-0的第二端与电阻R3之间、另一端连接到发光二极管D1的正极，发光二极管D1的负极连接到电芯的负极，开关管S1-0的第三端连接到MCU控制器以用于接收控制信号。

从图1中可以很明显地看出，当开关管S1-0导通后，电芯CELL0、电阻R1、开关管S1-0、电阻R3会形成一个回路，电芯CELL0、电阻R1、开关管S1-0、电阻R2、发光二极管D1会形成另一个回路，两个回路均能够对电芯CELL0进行放电，因此可以避免电池过放电问题的发生，此外，这里采用发光二极管D1也能够提醒用户，此时电池电压过高。

由于并非全部时间下都需要对电芯进行放电，因此需要保证均衡电路的可控性，使其能够根据实际控制其导通状态，对此，本实用新型还设计有与均衡电路连接的控制电路，其控制电路与MCU控制器连接，能够根据MCU控制器发出的信号控制均衡电路的通断状态，从而满足实际使用需求。

请参加图1，控制电路包括：电阻R5、电阻R7、光耦U2；

其中，光耦U2的控制端的第一端串联电阻R7后连接到MCU控制器、第二端接地，光耦U2的受控端的第一端连接到电芯的负极、第二端串联电阻R5后连接到开关管S1-0的第三端。

其中，控制电路的工作原理为，当MCU控制器发出高电平信号时，光耦U2的控制端会经过电阻R7接收到该高电平信号，根据光耦的工作特性（光耦的控制端为发光二极管，受控端为具有光感应能力的开关管，当发光二极管发光时，该开关管导通），当其控制端上电时，能够导通其受控端，因此光耦U2的受控端也导通，此时开关管S1-0能够通过电阻R5接收到光耦U2发出的信号，从而使得开关管S1-0导通，均衡电路开始工作；

反之，当MCU控制器发出低电平信号时，光耦U2的控制端经过电阻R7接收到低电平信号，其无法导通受控端，此时开关管S1-0的第三端无信号输入，处于截止状态，此时均衡电路不工作。

这里，采用光耦U2来传递MCU控制器的信号是用于起到隔离的作用。

请参加图1，电压检测电路包括：电阻R1、电阻R8、光耦U3；

其中，光耦U3的控制端的第一端串联电阻R8后连接到MCU控制器、第二端接地，光耦U3的控制端的第一端串联电阻R1后连接到电芯的正极、第二端连接到ADC采样模块。

这里，电压检测电路的工作与否也受到MCU控制器的控制，当MCU控制器发出高电平信号时，光耦U3的控制端通过电阻R8后接收到该高电平信号，从而使其受控端导通，在光耦U3的受控端导通后，电芯CELL0正极流出的电流能够依次经过电阻R1、光耦U3的受控端后，来到ADC采样模块，以此ADC采样模块可以获取电芯CELL0上的电压；

反之，当MCU控制器发出低电平信号时，光耦U3的控制端通过电阻R8接收到低电平信号，此时受控端处于截止状态，电芯CELL0流出的电流无法流入到ADC采样模块中，故ADC采样模块无法采样电芯CELL0的电压，此时ADC采样模块不工作。

此外，本实用新型中通过均衡电路和电压检测电路的配合，还能够用于检测电芯是否出现了断线问题（该检测动作一般设置在电芯电压的检测之前，以避免发生采样故障），其通过控制相邻的管理电路中均衡电路的导通状态不同（如图1中有多个电芯，分别为电芯CELL0、CELL1、……CELLn，其对应的均衡电路中的开关管分别为开关管S1-0、开关管S1-1、……开关管S1-n，在实现上述控制时，只用通过MCU控制器控制标号为奇数或者偶数的开关导通即可），然后检测电芯上的电压即可实现，当检测到电芯上的电压小于其门限值时，则表明电芯存在断线问题，需要修复，此时则不进入下一步电压检测动作。

进一步的，为提高本实用新型中均衡电路的可靠性，本实用新型还设计了故障检测电路，其包括：电阻R4、电阻R6、光耦U1；

其中，电阻R4一端连接到开关管S1-0与电阻R3之间、另一端连接到光耦U1的控制端的第一端，光耦U1的控制端的第二端连接到电芯的负极，光耦U1的受控端的第一端连接一电源、第二端连接串联电阻R6后接地，所述MCU控制器连接到电阻R6与光耦U1的受控端的第二端之间。

这里，MCU控制器能够根据其检测到的电压信号判断均衡电路是否异常，其具体判断为：当开关管S1-0导通，且均衡电路处于正常状态时，光耦U1工作，MCU控制器接收到高电平信号；

当开关管S1-0导通，且均衡电路处于异常状态时，光耦U1不工作，MCU控

制器接收到低电平信号。

其具体工作原理为：当开关管S1-0导通，且均衡电路处于正常状态时，此时电芯CELL0、电阻R1、开关管S1-0、电阻R4、光耦U1的控制端会形成一个回路，此时光耦U1的控制端接收到高电平信号，会使得光耦U1的受控端导通，此时电源（图1中为3.3V）能够通过光耦U1的受控端、电阻R6后导向地，由于MCU控制器连接到光耦U1的控制端，因此其能够接收到高电平信号；

反之，当开关管S1-0导通，且均衡电路处于异常状态时，此时电芯CELL0、电阻R1、开关管S1-0、电阻R4、光耦U1的控制端无法形成回路，此时光耦U1的控制端接收到低电平信号，使得光耦U1的受控端处于截止状态，电源无法为MCU控制器提高高电平信号，即MCU控制器接收到低电平信号。

需要说明的是，MCU控制器虽然判定的是均衡电路的异常状态，但当均衡电路出现异常时，其也有可能是控制电路出现异常导致的，因此在实际修复时，还需要对控制电路进行检修。

此外，由于本实用新型中每个管理电路的电路拓扑完全一致，因此本文中以第一个管理电路来进行说明，以便于理解。

下面对本实用新型整体的工作流程进行说明；

1、当电池组需要工作时，有MCU控制器发出断线检测指令（先断线检测，以避免后续电压采样故障），此时MCU控制器控制偶数组或者奇数组均衡开关（前文中的开关管S1-0、开关管S1-1、……开关管S1-n）闭合；

2、MCU控制器向光耦U3发出高电平信号，使电压检测电路开始采样，MCU控制器获取ADC采样模块采样的两组数据（一组为均衡开关断开下电芯上的电压、另一组为均衡开关闭合下电芯上的电压），然后判断均衡开关闭合下的电芯上电压是否小于其门限电压，从而确定是否断线（也即短路）；

3、当步骤2检测出并无问题时，MCU控制器控制全部的均衡开关断开，同时控制电压检测电路开始采样全部的电芯上的电压；

4、当电芯上的电压大于预设电压（此时电芯上电压压差高于规定的均衡压差），此时MCU控制器控制与电压高于预设电压的电芯连接的均衡开关闭合，形成放电回路，从而实现均衡控制。

5、在均衡开关处于闭合的过程中，MCU控制器通过故障检测电路实时判断均衡电路是否正常，并在均衡电路异常时触发报警。

本实用新型还提出了一种电器，其具有上述电池管理系统。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型采用分立器件构成，成本低，具有较强的可替代性；

2、本实用新型能够实时检测电池的电芯上的电压，并通过均衡电路进行均衡控制，断开或关断均衡电路，从而避免电池过放电等问题的发生；

3、本实用新型能够对电芯进行断线检测，避免由此发生采样故障，此外，本实用新型还能检测均衡电路是否处于正常状态，提高了电路整体的可靠性和安全性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.电池管理系统，包括与电池的电芯一一匹配设置的管理电路，且每个所述管理电路均连接到与之匹配的电芯的两端，其特征在于，每个所述管理电路均包括：

一均衡电路，其与所述电芯连接，用于对所述电芯放电；

一电压检测电路，其与所述电芯连接，用于检测所述电芯上的电压；

一故障检测电路，其与所述均衡电路连接，用于检测所述均衡电路是否处于正常状态。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述均衡电路包括：

电阻R1、电阻R2、电阻R3、开关管S1-0、发光二极管D1；

所述电阻R1一端连接到所述电芯的正极、另一端连接到所述开关管S1-0的第一端，所述开关管S1-0的第二端连接到所述电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接到所述电芯的负极，所述电阻R2一端连接到所述开关管S1-0的第二端与所述电阻R3之间、另一端连接到所述发光二极管D1的正极，所述发光二极管D1的负极连接到所述电芯的负极，所述开关管S1-0的第三端连接到MCU控制器以用于接收控制信号。

3.根据权利要求2所述的电池管理系统，其特征在于，所述管理电路还包括连接在所述均衡电路与所述MCU控制器之间的控制电路，所述控制电路包括：

电阻R5、电阻R7、光耦U2；

所述光耦U2的控制端的第一端串联所述电阻R7后连接到所述MCU控制器、第二端接地，所述光耦U2的受控端的第一端连接到所述电芯的负极、第二端串联所述电阻R5后连接到所述开关管S1-0的第三端。

4.根据权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，当所述MCU控制器发出高电平信号时，所述光耦U2工作，所述开关管S1-0导通；

当所述MCU控制器发出低电平信号时，所述光耦U2不工作，所述开关管

S1-0截止。

5.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述电压检测电路包括：电阻R1、电阻R8、光耦U3；

所述光耦U3的控制端的第一端串联所述电阻R8后连接到MCU控制器、第

二端接地，所述光耦U3的控制端的第一端串联所述电阻R1后连接到所述电芯的正极、第二端连接到ADC采样模块。

6.根据权利要求5所述的电池管理系统，其特征在于，当所述MCU控制器发出高电平信号时，所述光耦U3工作，所述ADC采样模块采样与之连接的电芯上的电压；

当所述MCU控制器发出低电平信号时，所述光耦U3不工作，所述ADC采

样模块不工作。

7.根据权利要求6所述的电池管理系统，其特征在于，当所述MCU控制器控制相邻的管理电路中均衡电路的导通状态不同时，所述ADC采样模块检测与处于断路状态的均衡电路连接的电芯的电压，且当检测的电压小于其门限电压时，所述电芯存在断线问题。

8.根据权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述故障检测电路包括：电阻R4、电阻R6、光耦U1；

所述电阻R4一端连接到所述开关管S1-0与所述电阻R3之间、另一端连接

到所述光耦U1的控制端的第一端，所述光耦U1的控制端的第二端连接到所述电芯的负极，所述光耦U1的受控端的第一端连接一电源、第二端串联所述电阻R6后接地，所述MCU控制器连接到所述电阻R6与所述光耦U1的受控端的第二端之间。

9.根据权利要求8所述的电池管理系统，其特征在于，当所述开关管S1-0导通，且所述均衡电路处于正常状态时，所述光耦U1工作，所述MCU控制器接收到高电平信号；

当所述开关管S1-0导通，且所述均衡电路处于异常状态时，所述光耦U1不

工作，所述MCU控制器接收到低电平信号。

10.电器，其特征在于，所述电器具有如权利要求1至9任意一项权利要求所述的电池管理系统。

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