CN113394849A - 一种多功能锂电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能锂电池管理系统，其设置有10V1关断单元、10V2补电单元、10V3输出单元以及10V4信号输出单元，并且，用户可通过所述10V1关断单元自主选择控制是否关断电池组的充电或者放电功能，从而解决了锂电池组因长时间未使用而处于低压时，导致所述电源模块无法启动，从而导致锂电池无法继续使用的技术问题；同时，也解决了锂电池处于运输或储存等过程中因无法避免电流持续输出而导致外部短路的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池的技术领域，特别是涉及一种锂电池管理系统。
背景技术
BMS即Battery Management System的英文首字母简称，其中文意义为电池管理系统。BMS一般可通俗地称之为电池保姆或电池管家，其主要功能是为了智能化地监控、管理以及维护各个电池单元，防止电池单元出现过充电和过放电的情况，从而延长电池单元的使用寿命。市面上常见的锂电池箱一般包括：壳体、电池模组、BMS模块以及显示屏，其中电池模组以及BMS模块均设置于壳体的内部，而显示屏则通常设置于壳体的外表面，并且，电池模组以及显示屏需要分别与BMS模块电性连接。目前的锂电池技术领域中，BMS模块一般包括：主控单元、电源模块和其他基础工作模块。常见的基础工作模块有：用于电池信息检测的模块或用于充放电控制的模块等等。其中，电源模块需要接入电池单元所输出的直流电，并且，电源模块需要对所输入的直流电进行降压等处理后才能输出至主控单元或其他的基础工作模块中。传统的BMS模块一般先将电池单元所接入的电压进行调压后再使用，以使得输出的电压满足BMS模块的工作需求。
然而，由于BMS模块的供电直接取自电池单元，所以只要BMS模块处于工作状态中就会存在静态功耗。当电池单元所储存的电能被BMS模块的静态功耗长时间地消耗时，就会出现电池单元被完成耗尽能源而无法恢复充电的情况。尤其当电池单元处于低电量状态时，上述静态消耗的情况会更显著。市面上也有通过采用在BMS模块中增加降压单元以及分压单元等模块的方案，但也只能使BMS模块的功耗降低以减小耗电量，并不能完全避免电池电量被耗尽的问题。此外，锂电池自完成生产组装后，无论是处于储存状态或者是运输过程中，都会有持续的电流输出，如果在上述的储存或运输的过程锂电池发生短路则容易导致安全隐患。再者，目前市面上的锂电池在应用的过程中也无法通过外部信号来对电池的输出和充电进行控制。
发明内容
基于此，有必要针对锂电池的管理系统持续耗电导致锂电池能源耗尽而无法继续使用以及锂电池在储存、运输和使用过程中所存在的问题，提供一种多功能锂电池管理系统。
一种多功能锂电池管理系统包括：电源模块、升压驱动单元、检测单元以及主控模块；所述电源模块包括电压检测单元、硬件保护单元、A/D转换单元、FET驱动单元以及I2C通讯单元；所述电压检测单元连接电池，所述硬件保护单元的输入端与所述电压检测单元的一输出端相连，所述FET驱动单元的输入端与所述硬件保护单元的输出端相连；所述A/D转换单元的输入端与所述电压检测单元的另一输出端相连，所述I2C通讯单元的输入端与A/D转换单元的输出端相连；所述主控模块包括10V1关断单元、10V2补电单元、10V3输出单元以及10V4信号输出单元；所述10V1关断单元连接所述电源模块，所述10V2补电单元连接所述电源模块，所述10V3输出单元连接所述电源模块，所述10V3输出单元连接所述电源模块；所述电源模块连接电池，所述升压驱动单元与所述电源模块相连后接入电池的正极，所述检测单元与所述电源模块相连后接入电池的负极，所述主控模块连接所述电源模块。
进一步的，所述10V1关断单元包括光电耦合器EL357、电阻R52、电阻R53、电阻R51、电阻R50、电路开关、场效应管2N7002K、电容C28、电阻R54以及电阻R55；所述光电耦合器EL357的PIN1分别连接所述电阻R52以及所述电阻R53后接入电池的正极，所述光电耦合器EL357的PIN4接入稳压电路，所述光电耦合器EL357的PIN3连接所述电阻R51，所述电阻R51与所述电阻R50串联后信号接地，所述电路开关连接所述电阻R51与所述电阻R50的公共端，所述光电耦合器EL357的PIN2连接所述场效应管2N7002K的一端；所述场效应管2N7002K的另一端接入电池的负极，所述电容C28以及所述电阻R54并联后分别连接所述场效应管2N7002K的两端；所述电阻R55连接所述电容C28以及所述电阻R54的公共端。
进一步的，本多功能锂电池管理系统还设置有DIP开关单元，所述DIP开关单元与所述10V1关断单元电性连接，所述DIP开关单元包括DIP1、DIP2以及DIP3。
具体的，所述DIP1设置有OFF1档以及ON1档。
具体的，所述DIP2设置有OFF2档以及ON2档。
具体的，所述DIP3设置有OFF3档以及ON3档。
进一步的，所述10V2补电单元包括二极管SS510以及保险丝K1；所述二极管SS510与所述保险丝K1串联后接入电池的正极。
进一步的，所述10V3输出单元包括二极管D10 UF2G、保险丝K2、场效应管M4NVR5124PL、电阻R19、电阻R23、场效应管M6 2N7002K、电阻R22以及电阻R16；所述二极管D10UF2G与所述保险丝K2串联后接入所述场效应管M4 NVR5124PL的一侧，所述场效应管M4NVR5124PL的另一侧与所述电阻R19并联后接入电池的正极，所述电阻R23连接所述电阻R19与所述场效应管M4 NVR5124PL的公共端后串联接入所述场效应管M6 2N7002K的一端，所述场效应管M6 2N7002K的另一端并联所述电阻R22后与电阻R16串联。
进一步的，所述10V4信号输出单元包括一电阻R32，所述电阻R32连接电池的正极。
本发明一种多功能锂电池管理系统设置有所述10V1关断单元、所述10V2补电单元、所述10V3输出单元以及10V4信号输出单元，并且，用户可通过所述10V1关断单元自主选择控制是否关断电池组的充电或者放电功能，从而解决了锂电池组因长时间未使用，而锂电池组处于低压时，导致所述电源模块无法启动，从而导致锂电池无法继续使用的技术问题；同时，也解决了锂电池处于运输或储存等过程中因无法避免电流持续输出而导致外部短路的技术问题。进一步的，本多功能锂电池管理系统还设置有DIP开关单元，并且，所述DIP开关单元与所述10V1关断单元电性连接，所述DIP开关单元允许用户在锂电池组的外部直接控制切换其工作模式，使本多功能锂电池管理系统更智能化。进一步的，本发明所设的10V2补电单元可以绕过电源模块直接给电池组进行补电，本发明所设的10V3输出单元可以直接从电池组上取电，上述方案解决了锂电池在以往的应用中无法通过外部信号对电池组的充电以及输出电流进行控制的技术问题。进一步的，本发明所设的10V4信号输出单元可以持续输出电压信号，以便用户实时监测电池组的使用状态。
附图说明
图1为本发明一种多功能锂电池管理系统的结构框图；
图2为10V1关断单元的电路原理图；
图3为10V2补电单元的电路原理图；
图4为10V3输出单元的电路原理图；
图5为10V4信号输出单元的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
请参阅图1，图1为本发明一种多功能锂电池管理系统的结构框图。本多功能锂电池管理系统包括：电源模块、升压驱动单元、检测单元以及主控模块。所述电源模块包括电压检测单元、硬件保护单元、A/D转换单元、FET驱动单元以及I2C通讯单元。所述电压检测单元连接电池，所述硬件保护单元的输入端与所述电压检测单元的一输出端相连，所述FET驱动单元的输入端与所述硬件保护单元的输出端相连。所述A/D转换单元的输入端与所述电压检测单元的另一输出端相连，所述I2C通讯单元的输入端与A/D转换单元的输出端相连。所述主控模块包括10V1关断单元、10V2补电单元、10V3输出单元以及10V4信号输出单元。所述10V1关断单元连接所述电源模块，所述10V2补电单元连接所述电源模块，所述10V3输出单元连接所述电源模块，所述10V3输出单元连接所述电源模块。所述电源模块连接电池，所述升压驱动单元与所述电源模块相连后接入电池的正极，所述检测单元与所述电源模块相连后接入电池的负极，所述主控模块连接所述电源模块。本发明一种多功能锂电池BMS管理系统通过引入10V1关断单元使得主控模块可以控制关断或者控制开启电源模块的工作电流，在不需要使用电源模块的情况下，例如当锂电池处于运输或者长时间储存等状态下时，可以由10V1关断单元控制电源模块的工作电流，从而使锂电池断开充电功能或放电功能，以避免因锂电池的能源被耗尽而无法继续工作，并且，10V1关断单元所关断的锂电池还可以避免其在运输或储存的过程中仍有电流输出，从而避免锂电池短路等安全风险。此外，电源模块所设置的的I2C通讯单元可以通过接收外部的信号来调整锂电池的充电或者放电的模式，使锂电池工作模式更加智能化。
请参阅图2，图2为10V1关断单元的电路原理图。所述10V1关断单元包括光电耦合器EL357、电阻R52、电阻R53、电阻R51、电阻R50、电路开关、场效应管2N7002K、电容C28、电阻R54以及电阻R55。所述光电耦合器EL357的PIN1分别连接所述电阻R52以及所述电阻R53后接入电池的正极，所述光电耦合器EL357的PIN4接入稳压电路，所述光电耦合器EL357的PIN3连接所述电阻R51，所述电阻R51与所述电阻R50串联后信号接地，所述电路开关连接所述电阻R51与所述电阻R50的公共端，所述光电耦合器EL357的PIN2连接所述场效应管2N7002K的一端。所述场效应管2N7002K的另一端接入电池的负极。所述电容C28以及所述电阻R54并联后分别连接所述场效应管2N7002K的两端。所述电阻R55连接所述电容C28以及所述电阻R54的公共端。所述10V1关断单元可以起到完全关闭电源模块的作用，以避免锂电池的电源模块持续消耗电源。当从外部输入一5V至20V的电压信号时，所述10V1关断单元被激活，从而本发明一种多功能锂电池管理系统可以完全关断所述电源模块的工作状态，使所述电源模块停止消耗锂电池组内所储存的电量。
进一步的，本发明一种多功能锂电池管理系统还可设置有DIP开关单元，所述的DIP开关单元与所述10V1关断单元电性连接。所述的DIP开关单元包括DIP1、DIP2以及DIP3。所述DIP1设置有OFF1档以及ON1档，当所述DIP1拨动至所述OFF1档时，外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元中，此时本多功能锂电池管理系统不工作，即电池既不能放电，也不能充电；当所述DIP1拨动至所述ON1档时，外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号，此时本多功能锂电池管理系统仍无法工作，即电池既不能放电，也不能充电。所述DIP2设置有OFF2档以及ON2档，当所述DIP2拨动至所述OFF2档时，外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元中，此时本多功能锂电池管理系统被关闭，即电池既不能放电，也不能充电；当所述DIP2拨动至所述ON2档时，外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元中，此时本多功能锂电池管理系统仅关闭电池的充电功能，电池仍可持续放电。所述DIP3设置有OFF3档以及ON3档，当所述DIP3拨动至所述OFF3档时，本多功能锂电池管理系统需要根据电池所处的状态以及上述DIP1以及DIP2所处的状态来判断电池是否允许充电以及是否自动调整电池的充电电流，当电池温度下降至0摄氏度或更低的温度时，本多功能锂电池管理系统切断电池的充电功能，即本多功能锂电池管理系统不允许电池处于0摄氏度及以下的温度范围内充电；当所述DIP3拨动至所述ON3档时，本多功能锂电池管理系统允许电池处于0摄氏度及以下的温度范围内进行涓流充电。
具体的，若以OFF1档、OFF2档或OFF3档表示为“0”，以ON1档、ON2档或ON3档表示为“1”，例如当所述DIP1拨动至OFF1档、所述DIP2拨动至OFF2档以及所述DIP3拨动至OFF3档时表示为“000”；同理，当所述DIP1拨动至ON1档、所述DIP2拨动至OFF2档以及所述DIP3拨动至OFF3档时表示为“100”；则所述DIP开关单元的功能状态可总结如下：
000：当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池既不能充电，亦不能放电；当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池既可以放电，亦可以充电，但此时电池不可在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
100：当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池既不能充电，亦不能放电；当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池既可以充电，亦可以放电，但此时电池不可在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
010：当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池不能充电，但可以放电；当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池可以放电，也可以充电，但此时电池不可在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
110：当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池不能充电，但可以放电；当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池可以放电，也可以充电，但此时电池不可在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
001：当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池既不能充电，亦不能放电；当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池既可以放电，亦可以充电，此时电池允许在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
101：当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池既不能充电，亦不能放电；当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池可以放电，也可以充电，此时电池允许在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
011：当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池不能充电，但允许放电；当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池可以放电，也可以充电，此时电池允许在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
111：当外部电路移除原接入10V1关断单元中的5V至20V的电压信号时，电池不能充电，但允许放电；当外部电路接入5V至20V的电压信号至10V1关断单元时，电池可以放电，也可以充电，此时电池允许在0摄氏度及以下的温度范围内被充电。
进一步的，上述的DIP开关单元可设置有便于操作的显示区域以及物理波动开关，以便于用户根据电池所处的运输、储存或者使用中等不同的状态来分别选择所需要的电池工作模式，从而避免电池的储存电量被耗尽，同时也能提升电池在运输或储存环境中因持续放电而容易短路，从而提升锂电池应用的安全性。
进一步的，请参阅图3，图3为10V2补电单元的电路原理图。所述10V2补电单元包括二极管SS510以及保险丝K1。所述二极管SS510与所述保险丝K1串联后接入电池的正极。所述10V2补电单元可以绕过电源模块控制直接给电池组进行补电，所述10V2允许输入2A的补电电流，所述二极管SS510可以避免充电电流反接，所述保险丝K12可以避免充电电流过大而导致电池过载，提升所述10V2补电单元的使用安全性。
进一步的，请参阅图4，图4为10V3输出单元的电路原理图。所述10V3输出单元包括二极管D10 UF2G、保险丝K2、场效应管M4 NVR5124PL、电阻R19、电阻R23、场效应管M62N7002K、电阻R22以及电阻R16。所述二极管D10 UF2G与所述保险丝K2串联后接入所述场效应管M4 NVR5124PL的一侧，所述场效应管M4 NVR5124PL的另一侧与所述电阻R19并联后接入电池的正极，所述电阻R23连接所述电阻R19与所述场效应管M4 NVR5124PL的公共端后串联接入所述场效应管M6 2N7002K的一端，所述场效应管M6 2N7002K的另一端并联所述电阻R22后与电阻R16串联。所述10V3输出单元主要由电池组的正极处引出一条线延伸设计而得，同时，上述由电池组正极处所引出的线上还串联有一200mA的保险丝K2。当所述10V3输出单元通过外部的接头与所述10V1关断单元进行短接时，可关闭所述电源模块的工作状态。当电池组的输出电压低于10V时，本多功能锂电池管理系统可关断所述10V3输出单元的输出功能。特别的，所述电源模块的工作状态与所述10V3输出单元的工作状态相互独立，即所述电源模块处于关断状态不会影响所述10V3输出单元的正常工作状态。进一步的，所述10V3输出单元中所设的二极管D10 UF2G可以防止用户在使用过程中误充。
进一步的，请参阅图5，图5为10V4信号输出单元的电路原理图。所述10V4信号输出单元包括一电阻R32，所述10V4信号输出单元直接连接电池组的正极线，并在该线上串联所述电阻R32，所述电阻R32持续输出电压信号，并且该电压信号保持常通。
综上所述，本发明一种多功能锂电池管理系统设置有所述10V1关断单元、所述10V2补电单元、所述10V3输出单元以及所述10V4信号输出单元，并且，用户可通过所述10V1关断单元自主选择控制是否关断电池组的充电或者放电功能，从而解决了锂电池组因长时间未使用，而锂电池组处于低压时，导致所述电源模块无法启动，从而导致锂电池无法继续使用的技术问题；同时，也解决了锂电池处于运输或储存等过程中因无法避免电流持续输出而导致外部短路的技术问题。进一步的，本多功能锂电池管理系统还设置有DIP开关单元，并且，所述DIP开关单元与所述10V1关断单元电性连接，所述DIP开关单元允许用户在锂电池组的外部直接控制切换其工作模式，使本多功能锂电池管理系统更智能化。进一步的，本发明所设的10V2补电单元可以绕过电源模块直接给电池组进行补电，本发明所设的10V3输出单元可以直接从电池组上取电，上述方案解决了锂电池在以往的应用中无法通过外部信号对电池组的充电以及输出电流进行控制的技术问题。进一步的，本发明所设的10V4信号输出单元可以持续输出电压信号，以便用户实时监测电池组的使用状态。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种多功能锂电池管理系统，其特征在于，本多功能锂电池管理系统包括：电源模块、升压驱动单元、检测单元以及主控模块；所述电源模块包括电压检测单元、硬件保护单元、A/D转换单元、FET驱动单元以及I2C通讯单元；所述电压检测单元连接电池，所述硬件保护单元的输入端与所述电压检测单元的一输出端相连，所述FET驱动单元的输入端与所述硬件保护单元的输出端相连；所述A/D转换单元的输入端与所述电压检测单元的另一输出端相连，所述I2C通讯单元的输入端与A/D转换单元的输出端相连；所述主控模块包括10V1关断单元、10V2补电单元、10V3输出单元以及10V4信号输出单元；所述10V1关断单元连接所述电源模块，所述10V2补电单元连接所述电源模块，所述10V3输出单元连接所述电源模块，所述10V3输出单元连接所述电源模块；所述电源模块连接电池，所述升压驱动单元与所述电源模块相连后接入电池的正极，所述检测单元与所述电源模块相连后接入电池的负极，所述主控模块连接所述电源模块。
2.根据权利要求1所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：所述10V1关断单元包括光电耦合器EL357、电阻R52、电阻R53、电阻R51、电阻R50、电路开关、场效应管2N7002K、电容C28、电阻R54以及电阻R55；所述光电耦合器EL357的PIN1分别连接所述电阻R52以及所述电阻R53后接入电池的正极，所述光电耦合器EL357的PIN4接入稳压电路，所述光电耦合器EL357的PIN3连接所述电阻R51，所述电阻R51与所述电阻R50串联后信号接地，所述电路开关连接所述电阻R51与所述电阻R50的公共端，所述光电耦合器EL357的PIN2连接所述场效应管2N7002K的一端；所述场效应管2N7002K的另一端接入电池的负极，所述电容C28以及所述电阻R54并联后分别连接所述场效应管2N7002K的两端；所述电阻R55连接所述电容C28以及所述电阻R54的公共端。
3.根据权利要求1或2所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：本多功能锂电池管理系统还设置有DIP开关单元，所述DIP开关单元与所述10V1关断单元电性连接，所述DIP开关单元包括DIP1、DIP2以及DIP3。
4.根据权利要求3所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：所述DIP1设置有OFF1档以及ON1档。
5.根据权利要求3所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：所述DIP2设置有OFF2档以及ON2档。
6.根据权利要求3所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：所述DIP3设置有OFF3档以及ON3档。
7.根据权利要求1所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：所述10V2补电单元包括二极管SS510以及保险丝K1；所述二极管SS510与所述保险丝K1串联后接入电池的正极。
8.根据权利要求1所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：所述10V3输出单元包括二极管D10 UF2G、保险丝K2、场效应管M4 NVR5124PL、电阻R19、电阻R23、场效应管M62N7002K、电阻R22以及电阻R16；所述二极管D10 UF2G与所述保险丝K2串联后接入所述场效应管M4 NVR5124PL的一侧，所述场效应管M4 NVR5124PL的另一侧与所述电阻R19并联后接入电池的正极，所述电阻R23连接所述电阻R19与所述场效应管M4 NVR5124PL的公共端后串联接入所述场效应管M6 2N7002K的一端，所述场效应管M6 2N7002K的另一端并联所述电阻R22后与电阻R16串联。
9.根据权利要求1所述的一种多功能锂电池管理系统，其特征在于：所述10V4信号输出单元包括一电阻R32，所述电阻R32连接电池的正极。
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