一種BMS電流檢測及過流保護電路的製作方法

2023-10-17 22:06:24

本發明涉及電池管理系統領域，特別是涉及一種BMS電流檢測及過流保護電路。

背景技術：

電動汽車、儲能系統或者電動工具用電池管理系統最基本也是最重要的功能，就是對系統微弱信號的採集，比如電壓信號、電流信號以及溫度信號，還應包含一些保護功能機制，以達到對應用系統物理信號的實施檢測以及異常情況下及時響應保護的目的，保證系統安全有效的運行。BMS電流採集一般通過分流器或霍爾傳感器先把電流信號轉換成電壓信號，然後對電壓信號進行處理，常規使用前端模擬集成IC或者專用電流採集晶片處理，再將放大信號傳輸至微控單元MCU，MCU將預設定電流參數與採集放大後的電流參數做比對運算，作相應的控制輸出保護信號，切斷主迴路，此保護機制屬於軟體保護類型，運算需要一定的時間，響應不夠快速，不能及時有效的過流異常進行限制，對靈敏度要求較高的場合不太適用，使用集成專用IC使系統方案成本增加，不利於批量推廣。

根據中國公開專利文件CN201220518559.X的一種電動汽車車載光伏充電裝置，其技術方案通過電流採樣電路放大電流信號後傳送給數位訊號處理器，當放大後的電流信號超出預設值時，數位訊號處理器將會輸出一個電平信號給過流保護電路，控制過流保護電路斷開，從完成對電路的保護工作。但由於電流信號是先通過放大在進行比對的，若放大環節出錯或者出現故障，輸出數據有錯誤，拿錯誤的數據再來進行比較保護，會數位訊號處理器的判斷失誤，使其技術方案具有一定的局限性。同樣，在中國公開專利文件CN201310701829.X的一種太陽能光伏控制器用的過流保護及啟動恢復電路，其技術方案是通過先放大電流信號再進行比較，也是具有一定的局限性，再者，其技術方案是採用同相比例放大器，其精度以及抗擾能力都沒有差分運算放大器優秀。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術中的不足之處，提供一種BMS電流檢測及過流保護電路。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種BMS電流檢測及過流保護電路，包括：電池組、繼電器開關SW、電流取樣電阻Rs、負載M、電流採樣模塊(10)、過流保護模塊(20)、MCU微控單元，

所述電池組的總正端依次串聯繼電器開關SW、負載M、電流取樣電阻Rs後接電池組的總負端；

所述電流採樣模塊(10)的兩個輸入端分別與所述電流取樣電阻Rs的兩端連接，輸出端與所述MCU微控單元的A/D轉換輸入端連接；

所述過流保護模塊(20)的輸入端與所述電流取樣電阻Rs的採樣端連接，輸出端與所述MCU微控單元的I/O輸入端連接。

在其中一個實施例中，所述電流採樣模塊(10)包括：第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第一運算放大器U1a，其中所述第一電阻R1和所述第二電阻R2的一端分別作為所述電流採樣模塊(10)的兩個輸入端，所述第一運算放大器U1a的輸出端作為所述電流採樣模塊(10)的輸出端；

所述第一電阻R1的另一端串聯所述第三電阻R3後接所述第一運算放大器U1a的反相輸入端；

所述第二電阻R2的另一端串聯第四電阻R4後接所述第一運算放大器U1a的正相輸入端；

所述第五電阻的一端連接所述第一運算放大器U1a的反相輸入端，另一端連接所述第一運算放大器U1a的輸出端；

所述第六電阻R6的一端連接與所述第一運算放大器U1a的正相輸入端，另一端與第一參考電源Vref連接。

在其中一個實施例中，所述電流採樣模塊(10)還包括：與所述第五電阻R5並聯的第二電容C2。

在其中一個實施例中，所述電流採樣模塊(10)還包括：與所述第六電阻R6並聯的第三電容C3。

在其中一個實施例中，所述電流採樣模塊(10)還包括：第一電容C1和第四電容C4，所述第一電容C1跨接在第一電阻R1與第三電阻R3的連接節點和第二電阻R2與第四電阻R4的連接節點之間；

所述第四電容C4的一端連接所述第一運算放大器U1a的輸出端，另一端連接參考地GND。

在其中一個實施例中，所述過流保護模塊(20)包括：第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11及第二運算放大器U1b，其中所述第十電阻R10的一端作為所述過流保護模塊(20)的輸入端，所述第二運算放大器U1b的輸出端作為所述過流保護模塊(20)的輸出端；

所述第七電阻R7的一端連接第一電源Vcc，另一端分別與所述第二運算放大器U1b的正相輸入端和第八電阻R8的一端連接；

所述第八電阻R8的另一端連接參考地GND；

所述第九電阻R9的一端連接第一電源Vcc，另一端連接所述第二運算放大器的反相輸入端；

所述第十一電阻R11的一端連接第一電源Vcc，另一端連接所述第二運算放大器U1b的輸出端；

所述第二運算放大器U1b的電源輸入端連接第一電源Vcc，接地端連接參考地GND。

在其中一個實施例中，所述過流保護模塊(20)還包括：第一穩壓二極體ZD1，所述第一穩壓二極體ZD1的陰極連接第一電源Vcc，陽極連接參考地GND。

在其中一個實施例中，所述過流保護模塊(20)還包括：與第八電阻R8並聯的第五電容C5。

在其中一個實施例中，所述過流保護模塊(20)還包括：第六電容C6，所述第六電容C6的一端連接所述第二運算放大器U1b的反相輸入端，另一端連接參考地GND。

在其中一個實施例中，所述過流保護模塊(20)還包括：第十二電阻R12和第七電容C7，所述第十二電阻R12的一端連接所述第二運算放大器U1b的輸出端，另一端連接所述第七電容C7的一端；

所述第七電容的另一端連接參考地GND。

本技術方案對比於現有技術有以下有益效果：

1.硬體過流保護響應速度快於軟體過流保護，可對系統異常過流進行快速的保護，提高系統的可靠性。

2.使用高精度運算放大器，對系統工作放電電流進行精密採集，取樣誤差小，較專用採集IC成本低。

3.使用兩個運算放大器即可同時達到電流採集和過流保護的雙重目的。

4.電流採集和過流保護使用獨立的雙運放，信號相對獨立，互不幹擾，提高電路的穩定性和安全性。

附圖說明

圖1為本實施例中的BMS電流檢測及過流保護電路框架圖；

圖2為本實施例中的BMS電流檢測及過流保護電路原理圖。

具體實施方式

為了便於理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施方式。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發明的公開內容理解的更加透徹全面。

需要說明的是，當元件被稱為「固定於」另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是「連接」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語「垂直的」、「水平的」、「左」、「右」以及類似的表述只是為了說明的目的，並不表示是唯一的實施方式。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1所示為BMS電流檢測及過流保護電路框架圖，請一併結合參照圖2，包括：電池組、繼電器開關SW、電流取樣電阻Rs、負載M、電流採樣模塊10、過流保護模塊20、MCU微控單元，電池組的一端連接繼電器開關SW的一端，其另一端連接連接電流取樣電阻Rs的一端；

電池組的總正端依次串聯繼電器開關SW、負載M、電流取樣電阻Rs後接電池組的總負端；

電流採樣模塊10的兩個輸入端分別與電流取樣電阻Rs的兩端連接；輸出端與MCU微控單元的A/D轉換輸入端連接；

過流保護模塊20的輸入端與電流取樣電阻Rs的採樣端連接，輸出端與MCU微控單元的I/O輸入端連接。

需要說明的是，電池組是由單體電芯以不同的串並聯方式組成的電池組。

具體地，電流採樣模塊10包括：第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6及第一運算放大器U1a，其中第一電阻R1和第二電阻R2的一端分別作為所述電流採樣模塊10的兩個輸入端，第一運算放大器U1a的輸出端作為電流採樣模塊10的輸出端；

第一電阻R1的另一端串聯第三電阻R3串聯後接於第一運算放大器U1a的反相輸入端；

第二電阻R2的另一端串聯第四R4後接於第一運算放大器U1a的正相輸入端；

第五電阻的一端連接第一運算放大器U1a的反相輸入端，另一端連接第一運算放大器U1a的輸出端；

第六電阻R6與第一運算放大器U1a的正相輸入端連接，另一端與第一參考電源Vref連接。

需要說明的是，電流採樣模塊10中的電阻阻值選取要合適，即可對轉換後微弱的電壓信號進行一定倍數的放大輸出，且第一電阻R1的阻值和第二電阻R2相等，第三電阻R3的阻值和第四電阻R4的相等，以保證正相輸入與負相輸入平衡，減小差模幹擾；放大倍數ξ＝R5/(R1+R3)，放大信號Vol＝Vref-Is*Rs*(R5/(R1+R3))，放大信號Vol的幅值需要保持在MCU微控單元的A/D轉換輸入端能處理的範圍內，即可完成對電流信號的轉換、放大、採集。

進一步地，電流採樣模塊10還包括：與第五電阻R5並聯的第二電容C2。

需要說明的是，第五電阻R5與第二電容C2形成負反饋網絡，其中第二電容C2起到補償作用，用來提升信號的放大倍數。

進一步地，電流採樣模塊10還包括：與第六電阻R6並聯的第三電容C3。

需要說明的是，第六電阻R6與第三電容C3構成差分放大網絡，其中第三電容C3起到補償的作用，用於提升信號的放大倍數。

進一步地，電流採樣模塊10還包括：第一電容C1和第四電容C4，第一電容C1跨接在第一電阻R1與第三電阻R3的連接節點和第二電阻R2與第四電阻R4的連接節點之間；

第四電容C4的一端連接第一運算放大器U1a的輸出端，另一端連接參考地GND。

需要說明的是，第一電容C1為差分電容，用於消除電路工作時主迴路電流引進的差模噪聲對取樣信號的幹擾；第四電容C4對MCU微控單元的I/O輸入端啟去耦的效果。

還需要說明的是，第一運算放大器U1a的正相輸入線路與負相輸入線路保持平行等間距走線，用來消除系統工作時主迴路電流引進的差模噪聲對取樣信號的幹擾。

具體地，過流保護模塊20包括：第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11及第二運算放大器U1b，其中第十電阻R10的一端作為所述過流保護模塊20的輸入端，第二運算放大器U1b的輸出端作為過流保護模塊20的輸出端；

第七電阻R7的一端連接第一電源Vcc，另一端分別與第二運算放大器U1b 的正相輸入端和第八電阻R8的一端連接；

第八電阻R8的另一端連接參考地GND；

第九電阻R9的一端連接第一電源Vcc，另一端連接所述第二運算放大器的反相輸入端；

第十一電阻R11的一端連接第一電源Vcc，另一端連接第二運算放大器U1b的輸出端；

第二運算放大器U1b的電源輸入端連接第一電源Vcc，其接地端連接參考地GND。

需要說明的是，根據運放特性，如第九電阻R9＝10K，第十電阻R10＝5.1K，則有(R10-V6)/10K＝(V6-Va)/12K，其中Va為A點處的電壓、V6為第二運算放大器的負相輸入端的電壓(下同)，可得出V6＝1.69+Va*10/R10，，如第一電源Vcc＝5.1V，第七電阻R7＝第八電阻R8＝10K，則V5＝2.55V，其中V5為第二運算放大器的正相輸入端的電壓(下同)，要使輸出信號Vo2為低電平輸出，則需V6>V5＝2.55V，可求出Va>0.438V，如電流取樣電阻Rs的阻值為10mΩ，可由歐姆定律得出，Is>43.8A，即放電模塊的工作電流如超過43.8A，如果是交流網絡還需要除以2^(1/2)，第二運算放大器U1b的輸出端即可輸出低電平保護信號至MCU微控單元的I/O輸入端，MCU微控單元立即響應保護型號，快速關斷主迴路的繼電器開關SW，切斷主迴路，從而起到過流保護的作用，保護系統關鍵器件不受大電流的衝擊與損壞。

還需要說明的是，第十一電阻R11為上拉電阻，對第二運算放大器U1b的輸出端起上拉作用，可以是在不確定狀態下，使其輸出端在上電後保持高電平。

進一步地，過流保護模塊20還包括：第一穩壓二極體ZD1，第一穩壓二極體ZD1的陰極連接第一電源Vcc，其陽極連接參考地GND。

需要說明的是，第一穩壓二極體ZD1為第一電源Vcc進行穩壓後而供給後級分壓電路，防止電源跳變或者幹擾而引起輸入比較電壓的偏差，導致MCU微控單元誤判而報警過流。

進一步地，過流保護模塊20還包括：與第八電阻R8並聯的第五電容C5。

需要說明的是，第五電阻R5對第二運算放大器U1b正相輸入端進行去耦降噪。

進一步地，過流保護模塊20還包括：第六電容C6，第六電容C6的一端連接第二運算放大器U1b的反相輸入端，另一端連接參考地GND。

需要說明的是，第六電容C6對第二運算放大器U1b的反相輸入端進行去耦降噪。

進一步地，過流保護模塊20還包括：第十二電阻R12和第七電容C7，第十二電阻R12的一端連接第二運算放大器U1b的輸出端，另一端連接所述第七電容C7的一端；

第七電容的另一端連接參考地GND。

需要說明的是，第十二電阻R12和第七電容C7組成的一階低通濾波單元，對第二運算放大器U1b輸出信號進行高頻噪聲的濾除。

本發明公開了一種BMS電流檢測及過流保護電路，通過使用兩個運算放大器完成對電流信號的採集和過流保護。其中一個高精度的運算放大器構成差分電路對主迴路的工作電流進行採集，並可實現放大倍數可調。另一個運算放大器為比較器，當主迴路的電流超出閾值時，比較器的輸出端會輸出一個數位訊號至MCU微控單元，MCU微控單元立即響應切斷主迴路中的繼電器開關SW，實現對硬體的過流保護。

以上所述實施方式僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。