CN220820491U - 一种开关机电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关机电路，所述电路包括：第一开关电路模块、第二开关电路模块和第三开关电路模块；第一开关电路模块分别与第二开关电路模块，以及MCU主控制器中的MCU检测输入端口连接，MCU主控制器中的MCU控制输出端口与第二开关电路模块连接，第二开关电路模块与第三开关电路模块连接；第三开关电路模块的一端与电源输入端连接，第三开关电路模块的另一端与电源输出端连接。本实用新型通过单片机接收开关按钮状态所产生的高或低电平信号，以及根据电池过放等状态，对系统实现智能化开关机控制，避免直接掉电的风险；还通过在软件电路上对硬件电路的设计，快速响应危险情况或者延迟关机，避免关机导致的不可控结果，提高了系统的安全性。

Description

一种开关机电路

技术领域

本实用新型涉及开关电路技术领域，尤其涉及一种开关机电路。

背景技术

随着国家大力发展储能，市场的需求越来越大，越来越多的企业进入此赛道，在保证储能系统本身性能实现的同时，系统的安全也越来越重要。在储能系统中，开关机的方式关乎着系统的安全性，目前设备的开关机电路一般有两种形式：一种是硬件控制开关机，另一种是软件控制开关机。其中，硬件控制开关机仅通过按键独立控制，即按键一触发，则设备即刻掉电，容易导致设备内部的信息无法及时存储，无法避免意外情况的发生。而软件控制开关机则是采用单片机的I/O口控制整机的开机与关机，但是这种方式没有针对按键误操作作出保护，比如频繁开关机可能会对系统造成损害。并且缺乏保护机制，电池状态异常时会向用户发出警报，但仍需要用户看到后再手动关机，等用户手动关机可能危险情况已经持续很久而导致组件损坏。

实用新型内容

针对上述现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种开关机电路，可以在点击关机后结合目前情况进行处理后再进入关机，而不会关机时直接掉电，产生不可控的结果；还可以在电池状态异常时通过切换开关电路模块的引脚高低电平而主动进入关机模式，大大提高了系统的安全性和稳定性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种开关机电路，包括：第一开关电路模块、第二开关电路模块和第三开关电路模块。其中，所述第一开关电路模块至少包括开关按钮。

其中，所述第一开关电路模块分别与所述第二开关电路模块，以及MCU主控制器中的MCU检测输入端口连接，MCU主控制器中的MCU控制输出端口与所述第二开关电路模块连接，所述第二开关电路模块与所述第三开关电路模块连接。

在本实用新型中，第三开关电路模块的一端与电源输入端连接，第三开关电路模块的另一端与电源输出端连接。

在本实用新型中，所述第一开关电路模块还包括：电阻R1、二极管D1和二极管D2。

进一步地，电阻R1的一端与所述MCU检测输入端口连接，电阻R1的另一端与输出电源正极端连接，所述电阻R1的一端还与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与二极管D1的负极连接，所述二极管D2的负极还与开关按钮的引脚一连接，开关按钮的引脚二接地。

在本实用新型中，所述第二开关电路模块包括：电阻R2、电阻R3和场效应管Q1。

进一步地，电阻R2的一端与所述MCU控制输出端口连接，电阻R2的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，所述电阻R2的另一端还与场效应管Q1的栅极连接，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的漏极与二极管D1的正极连接。

在本实用新型中，所述第三开关电路模块包括：二极管D3和继电器K1。

进一步地，二极管D3的负极与所述电源输入端连接，二极管D3的正极与所述场效应管Q1的漏极连接，所述二极管D3的负极还与继电器K1的引脚2连接，所述二极管D3的正极还与继电器K1的引脚1连接，所述电源输入端还与继电器K1的引脚3连接，所述电源输出端与继电器K1的引脚4连接。

与现有技术相比，本申请有益效果在于：

本实用新型提出了一种开关机电路，所述电路包括：第一开关电路模块、第二开关电路模块和第三开关电路模块；第一开关电路模块分别与第二开关电路模块，以及MCU主控制器中的MCU检测输入端口连接，MCU主控制器中的MCU控制输出端口与第二开关电路模块连接，第二开关电路模块与第三开关电路模块连接；第三开关电路模块的一端与电源输入端连接，第三开关电路模块的另一端与电源输出端连接。本实用新型通过单片机接收开关按钮状态所产生的高或低电平信号，以及根据电池过放等状态，对系统实现智能化开关机控制，避免直接掉电的风险；本实用新型还通过在软件电路上对硬件电路的设计，实现不需要等待用户手动操作就能快速响应危险情况或者延迟关机，避免关机导致的不可控结果，从而提高了系统的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种开关机电路的结构示意图。

图2为本实用新型提出的一种开关机电路的电路示意图。

图3为本实用新型提出的一种储能系统电源网络的架构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例对技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

实施例一：

如附图1所示，为解决上述问题，本实用新型提供了一种开关机电路，包括：第一开关电路模块、第二开关电路模块和第三开关电路模块。其中，所述第一开关电路模块至少包括开关按钮。

优选地，本实施例提供一个BMS中安全的开关机电路，通过单片机参与控制开关机，第一次按键按下使系统开机，再次按下持续一定时间后，单片机控制总正继电器、总负继电器、预充继电器断开，然后系统关机。即使手动按下按键关机，如果有特殊情况，单片机也可以结合目前情况进行处理后再进入关机。而不会关机时直接掉电，产生不可控的结果。而且单片机在检测到电池过放等情况，也可以通过切换引脚高低电平第一时间主动进入关机模式，而不需要用户看到后再手动关机，等用户手动关机可能危险情况已经持续很久。从而提高了系统的安全性。

其中，所述第一开关电路模块分别与所述第二开关电路模块，以及MCU主控制器中的MCU检测输入端口连接，MCU主控制器中的MCU控制输出端口与所述第二开关电路模块连接，所述第二开关电路模块与所述第三开关电路模块连接。

如附图2所示，需要说明的，MCU_DETECT相当于MCU检测输入端口，而MCU检测输入端口是MCU主控制器中的一个检测输入引脚，用于检测外部电路的状态，MCU_DETECT用于检测开关按键J2的状态，当J2按下时，MCU_DETECT检测到低电平，当J2弹起时，检测到高电平。

通过MCU检测输入端口，MCU主控制器可以通过电平的高低反映被检测电路的状态，从而根据实时监测外部电路的工作状态进行相应的控制操作。

需要说明的是，MCU_ON相当于是MCU控制输出端口，MCU控制输出端口是MCU主控制器中的一个控制输出端口，可以输出高低电平来控制外部电路。

当输出高电平时能够连接+12V_IN和+12V_OUT实现系统供电；当输出低电平时能够切断+12V_IN和+12V_OUT，从而实现智能断电。

通过改变MCU_ON的电平状态，MCU主控制器可以通过输出高低电平来控制外部电源电路的导通与断开。

在本实用新型中，第三开关电路模块的一端与电源输入端连接，第三开关电路模块的另一端与电源输出端连接。

需要说明的是，+12V_IN可以是储能系统输入的12V直流电源，它通过开关电路连接到+12V_OUT。+12V_OUT可以是储能系统中供给系统后级电路的12V直流电源输出，它由+12V_IN通过开关电路控制连接，均不限于此。

在本实用新型中，所述第一开关电路模块还包括：电阻R1、二极管D1和二极管D2。

进一步地，电阻R1的一端与所述MCU检测输入端口连接，电阻R1的另一端与输出电源正极端连接，所述电阻R1的一端还与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与二极管D1的负极连接，所述二极管D2的负极还与开关按钮的引脚一连接，开关按钮的引脚二接地。

需要说的是，第一开关电路模块通过电阻R1、二极管D1、D2将开关按钮的状态转换为MCU可检测的高低电平信号输入到MCU。

优选地，电阻R1采用0805封装的芯片电阻，其电阻值为2~10KΩ。二极管D1和二极管D2均可以采用SMA包装的普通硅二极管，型号为1N4148，额定电流为200mA，反向复原电压为100V。开关按钮可以采用自复式的按钮开关，最大额定电流为50mA，最大额定电压为24V，其中，开关按钮包括引脚1和引脚2。MCU检测输入端口可以采用STM32单片机的GPIO口，上拉输入。输出电源正极端可以采用+5V或+3.3V电源，其中，+3.3V给单片机等供电，+5V给单片机上外围电路，如：总压采集、电流采集、温度采集等供电，均不限于此。

其中，10KΩ电阻可以限流保护MCU输入口；1N4148二极管参数符合要求，价格低廉，自复式的按钮开关体积小，轻触动作灵敏；STM32 GPIO口可以准确检测开关状态变化。

优选地，假设开关按钮为一个正常开的按键开关，MCU检测输入端口配置为上拉输入。

当开关按钮没有按下时，开关按钮两端处于断开状态，此时R1将MCU检测输入端口上拉至高电平，MCU检测到高电平信号。

当开关按钮按下时，开关按钮导通，此时D2和D1串联导通，将MCU检测输入端口连接到地，形成一个低电平信号，MCU检测到低电平。

其中，二极管D1的作用是防止回灌，避免高低电平反接损坏MCU。二极管D2的作用是隔离电源的正极，避免对MCU输入端口过大的电流冲击。R1上拉使得开关断开时为确定的高电平，去抖动。

通过检测电平变化，MCU可以判断出开关按键的按下或弹起状态，同时就可以将开关状态转换为MCU可以准确检测的数字信号，从而实现开关状态的检测。

在本实用新型中，所述第二开关电路模块包括：电阻R2、电阻R3和场效应管Q1。

进一步地，电阻R2的一端与所述MCU控制输出端口连接，电阻R2的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，所述电阻R2的另一端还与场效应管Q1的栅极连接，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的漏极与二极管D1的正极连接。

需要说明的是，第二开关电路模块包含MCU控制端口、电阻R2、R3和MOS管Q1，MCU通过控制端口输出高低电平来控制Q1的导通断开，从而控制电源的连接。

优选地，电阻R2可以采用0805芯片电阻，电阻值为200Ω~1KΩ；电阻R3也可以采用0805芯片电阻，电阻值为1KΩ~10KΩ；场效应管Q1可以采用TO-220包装的功率MOSFET，型号为IRLZ44N，工作电压为55V，最大连续漏电流为49A。MCU控制输出端口可以采用STM32单片机的GPIO推挽输出口。

在本实施例中，1K和10K的电阻可以构成合适的栅极电压分压网络，使MOS管Q1在MCU输出高低电平时均能完全导通或截止。IRLZ44N功率MOSFET具有较大的导通电流，可以驱动大功率负载。STM32的GPIO口可以提供稳定的高低电平控制信号。

优选地，MCU控制输出端口输出高低电平来控制场效应管Q1的导通断开。电阻R2和R3构成了对Q1栅极的电压分压网络，使得Q1的栅极电压可以被MCU控制端口的高低电平所控制。

当MCU输出高电平时，Q1栅极电压升高，Q1导通；当MCU输出低电平时，Q1栅极电压降低，Q1截止。Q1的源极接地，漏极连接至后级电路，所以Q1在导通时将使得其漏极与源极(地)导通，实现对后级电路的控制。

当Q1导通时，第三开关电路中的继电器线圈通电，实现系统的通电；当Q1截止时，继电器线圈断电，系统断电。

通过MCU控制Q1的导通断开，可以实现对系统电源的控制。R2和R3的电阻值需要匹配Q1的参数，以控制合适的栅极电压范围。

综上，第二开关电路利用MCU控制Q1的导通断开来驱动第三电路实现系统的开关机控制。

在本实用新型中，所述第三开关电路模块包括：二极管D3和继电器K1。

进一步地，二极管D3的负极与所述电源输入端连接，二极管D3的正极与所述场效应管Q1的漏极连接，所述二极管D3的负极还与继电器K1的引脚2连接，所述二极管D3的正极还与继电器K1的引脚1连接，所述电源输入端还与继电器K1的引脚3连接，所述电源输出端与继电器K1的引脚4连接。

需要说明的是，第三开关电路模块包含二极管D3和继电器K1，用于在Q1导通时接通输入电源到输出电源，在Q1断开时切断电源。

优选地，二极管D3可以采用DO-41包装的超快恢复二极管，型号为MUR860，额定电流为8A，反向复原电压为600V。继电器K1可以采用G6H-2P DC12V 继电器，参数如下：额定线圈电压为直流12V；最大切换电流为10A；最大切换电压为交流250V；触点材料为银合金。

在本实施例中，MUR860大电流二极管可以防止回灌，G6H-2P 中功率继电器可以满足切换大电流的需求。

优选地，继电器K1用于在电源输入和输出端之间进行大电流的隔离断接。

当Q1导通时，K1的线圈通电，此时K1的常闭触点3和4闭合，实现电源输入端和输出端的连接。

当Q1截止时，K1线圈断电，常闭触点3和4断开，电源输入和输出端断开。

二极管D3用于防止回灌，当K1线圈断电时，避免产生高压脉冲对Q1造成损坏。D3的负极连接电源输入端，正极连接Q1漏极，当Q1导通时，D3导通为K1线圈通电。K1的触点需要满足电源电流需求，一般使用大功率继电器。

通过K1的吸合和断开，可以完成对系统电源的隔离切换。其中，继电器具有隔离作用，可以有效防止干扰和提高系统稳定性。

在本实施例中，第三开关电路使用继电器来实现系统电源的硬件控制与隔离切换。

需要说明的是，本实用新型还可以搭载在软件功能实现上，例如：MCU可以实时监测电池状态，如电压、电流、温度等参数。设置合理的阈值，当监测值超出阈值时，判断为异常情况，启动保护机制。

一旦检测到电池异常，MCU可以立即主动控制第二开关电路的MOS管切断，切断电源输出。实现快速保护性关机，不需要等待用户操作。

在用户按下开关按钮试图关机时，MCU可以检测当前工作状态，如果判断立即关机会产生问题，可以延迟一定时间后再输出控制信号断电。

优选地，MCU软件设定灵活的业务逻辑和延时，实现智能化的延迟关机。继电器的硬件隔离切断，可以快速切断大电流，迅速实现保护关机。

这样既实现了根据电池状态快速自动保护关机，也可以根据业务需要灵活延迟关机，提高了系统安全性。

综上，本实用新型通过单片机接收开关按钮状态所产生的高或低电平信号，以及根据电池过放等状态，对系统实现智能化开关机控制，避免直接掉电的风险；本实用新型还通过在软件电路上对硬件电路的设计，实现不需要等待用户手动操作就能快速响应危险情况或者延迟关机，避免关机导致的不可控结果，从而提高了系统的安全性和稳定性。

实施例二：

如附图3所示，为解决上述问题，本实用新型还提供了一种储能系统电源网络架构，所述储能系统电源网络架构至少包括如上任一所述的开关机电路。

需要说明的是，+120V~+800V为电池组总压输入；GND_HV为高压地；+12V隔离式DC-DC模块输出，+12V经LDO转为+5V，+5V再经LDO转为+3.3V，+3.3V给单片机等供电，+5V给单片机上外围电路（总压采集、电流采集、温度采集等）供电。GND_MCU为单片机GND；+5V_HV为高压侧+5V；GND_BUS为通信电路的地，+5V_BUS为通信电路供电电源。

当系统开机时，通过开关机电路+12V_IN与+12V_OUT导通，从而使得后级电路均有电源输入。当系统关机时，通过开关机电路+12V_IN与+12V_OUT断开，后面的电路均被断开，从而实现了系统关机，并且降低关机时系统功耗。

优选地，当系统开机时，开关机电路的开关按钮按下，使MCU_DETECT检测到低电平，MCU开始启动。MCU输出高电平到MCU_ON端口，使MOS管Q1导通，+12V_IN经过Q1与+12V_OUT连接。+12V_OUT供电给后级DC-DC转换模块，输出隔离的+12V、+5V、+3.3V电源。+3.3V供电给MCU和外围采集电路，+5V_BUS供电给通信电路。

当系统工作正常时，MCU实时监控电池电压、电流、温度等参数。

当需要关机时，MCU检测开关按钮按下，并根据电池状态判断是否可以安全关机。如果可以，MCU将MCU_ON设置为低电平，切断Q1，从而切断+12V_OUT的供电。后级DC-DC模块和电源均停止工作，系统实现软关机。

在本实施例中，开关机电路的实现原理为：J2开关按钮接自复式按钮开关，即按钮按下后会自动复位。当第一次按下时，此时J2的1、2脚导通。K1可以是普通电磁继电器、单刀双掷或单刀单掷等等。K1线圈没有电压时，引脚3和5 导通。当开关按钮第一下按下，此时K1线圈有+12V电压，使得K1动作，进而引脚3、4导通，+12V_IN与+12V_OUT连通，并且MCU_DETECT引脚检测到低电平。

此时+12V_OUT给到后级的+5V、+3.3V供电，单片机上电。单片机上电时，MCU_ON引脚持续输出高电平，进而维持+12V_IN与+12V_OUT连通；当开关按钮松开后，+12V_IN与+12V_OUT仍然连通，此时MCU_DETECT引脚检测到高电平。此时实现了系统开机上电的过程。

当第二次开关按钮按下时，MCU_DETECT引脚检测到了第二次低电平，系统开始准备关机，控制总正继电器、总负继电器断开，从而单片机开始将MCU_ON引脚由高电平切换为低电平。MCU_ON变为低电平后，场效应管Q1无法导通。当按钮松开后，K1线圈没有电压，进而K1的引脚3和4断开，接着3和5导通。+12V_IN与+12V_OUT断开，后续电源将全部断开，从而实现了系统关机。

综上，本实用新型提出的一种储能系统电源网络架构，通过开关电路、MCU控制和电源网络的配合，实现了储能系统的完整开关机控制流程。实现智能化和安全可控的开关机控制，同时电源网络实现了不同电压域的隔离，提高了系统稳定性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种开关机电路，其特征在于，包括：

第一开关电路模块、第二开关电路模块和第三开关电路模块；

所述第一开关电路模块分别与所述第二开关电路模块，以及MCU主控制器中的MCU检测输入端口连接，MCU主控制器中的MCU控制输出端口与所述第二开关电路模块连接，所述第二开关电路模块与所述第三开关电路模块连接；

第三开关电路模块的一端与电源输入端连接，第三开关电路模块的另一端与电源输出端连接；

其中，所述第一开关电路模块至少包括开关按钮。

2.根据权利要求1所述的一种开关机电路，其特征在于，

所述第一开关电路模块还包括：电阻R1、二极管D1和二极管D2。

3.根据权利要求2所述的一种开关机电路，其特征在于，

电阻R1的一端与所述MCU检测输入端口连接，电阻R1的另一端与输出电源正极端连接，所述电阻R1的一端还与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与二极管D1的负极连接，所述二极管D2的负极还与开关按钮的引脚一连接，开关按钮的引脚二接地。

4.根据权利要求3所述的一种开关机电路，其特征在于，

所述第二开关电路模块包括：电阻R2、电阻R3和场效应管Q1。

5.根据权利要求4所述的一种开关机电路，其特征在于，

电阻R2的一端与所述MCU控制输出端口连接，电阻R2的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，所述电阻R2的另一端还与场效应管Q1的栅极连接，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的漏极与二极管D1的正极连接。

6.根据权利要求5所述的一种开关机电路，其特征在于，

所述第三开关电路模块包括：二极管D3和继电器K1。

7.根据权利要求6所述的一种开关机电路，其特征在于，

二极管D3的负极与所述电源输入端连接，二极管D3的正极与所述场效应管Q1的漏极连接，所述二极管D3的负极还与继电器K1的引脚2连接，所述二极管D3的正极还与继电器K1的引脚1连接，所述电源输入端还与继电器K1的引脚3连接，所述电源输出端与继电器K1的引脚4连接。