一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路

技术领域

本发明涉及新能源动力储能技术领域，特别涉及一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路。

背景技术

当前，锂离子电池因其高比能量、高比功率、高转换率、长寿命、无污染等优点，已成为全球高新技术产业发展的重要方向，并广泛应用于电动汽车和动力储能领域。

锂离子电池按照正极材料不同可分为多种类型，主流的有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂及三元材料等，但这几种锂离子单体电池的额定电压平台都比较低，磷酸铁锂只有3.2Vdc，锰酸锂、钴酸锂和三元材料也只有3.6～3.7Vdc，难以满足设备输入供电电压的要求，实际应用中需要把若干电池进行串联成组，才能达到设备正常工作电压范围。然而，不同于铅酸、镍镉、镍氢等二次电池，锂离子电池必须考虑充、放电时的安全性，以防止其电化学特性失控甚至发生电池烧毁。因此，在使用过程中对锂离子电池进行监控和保护就显得非常重要，杜绝电池过充、过放、过温、过流及短路等故障的发生，从而最终达到提高产品安全性能和延长电池使用寿命的目的。

电池管理系统(BMS)便在这一背景下应运而生，承担起了“电池保姆”或“电池管家”的重要角色。BMS对锂离子电池良好的监控和保护作用建立在BMS稳定可靠的运行之上，而要保证BMS正常工作，必须保证BMS供电输入回路的稳定可靠。在电动汽车领域，BMS的供电电源由低压车载铅酸蓄电池直接提供；但在动力储能领域，BMS的供电电源一般是由单独的DC/DC开关电源模块转换后提供，DC/DC开关电源模块输入端连接到锂电池组的总正母线和总负母线之间，通过直流转换到合适的电源电压平台后再提供给后级BMS使用。

图1为目前动力储能领域高压电气主回路与BMS供电电源的典型电气拓扑结构，高压电气主回路由锂电池组、主正继电器K2、主负继电器K3、预充继电器K1、预充电阻R等高压器件组成，高压上电和下电逻辑由BMS控制，通常使用的高压上电和下电逻辑为：BMS上电后自检，自检成功后闭合主负继电器K3，然后进入预充电流程，先闭合预充继电器K1，当检测到负载端P+、P-预充电压达到锂电池组总压的92％时，再闭合主正继电器K2，并同时断开预充继电器K1，高压上电完成；在锂电池组投入运行过程中，如果BMS检测到极端保护条件(过充、过放、过温、过流、短路)触发时，就要进入高压下电流程，先断开主正继电器K2，再断开主负继电器K3。图1中虚线框内为BMS的供电电源部分，直接取自高压锂电池组两端，经过DC/DC开关电源模块转换为12Vdc或24Vdc低压直流电源VCC/GND，并与高压锂电池组电气隔离。

然而，图1所示的BMS供电电源的电气链接关系存在一个较大的安全隐患：DC/DC开关电源模块的自身功耗和BMS的自身功耗会一直消耗锂电池组的能量，特别是在锂电池组处于待机状态(既不充电也不放电)，甚至发生放电欠压保护动作后，锂电池组本身已经处于亏电状态，在这样的情况下，虽然负载端P+、P-已经断开，但DC/DC开关电源模块和BMS还处于工作状态，它们的自身功耗还继续存在，这样势必导致锂电池组进一步亏电和过放电，轻则缩短锂电池组的使用寿命，重则使锂电池组直接报废。在实际电气搭建和布局拉线时，为了解决这一问题，多数电气工程师一般会在DC/DC开关电源模块输入端串接一个空气开关，在锂电池组投入使用时会手动合闸，使BMS和高压上电；当锂电池组处于亏电状态时手动拉闸，使BMS和高压下电。但这种解决办法需要人工值守，在锂电池组处于亏电状态时，如果不能及时拉闸断电，就有可能导致锂电池组严重过放电而报废，另外，因为BMS已经断开了高压继电器，外部充电装置无法通过充电激活方式对锂电池组恢复充电。

鉴于此，提出一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路显得非常有必要。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路，旨在解决现有的BMS供电电源因DC/DC开关电源模块和BMS自身待机功耗而可能导致锂电池组过放电甚至报废，以及DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后，外部充电装置无法通过充电激活方式对锂电池组恢复充电的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路，包括锂电池组、充电装置、反流二极管D1～D6、预充电阻R、预充继电器K1、主正继电器K2、主负继电器K3、供电继电器K4、自复位手动激活开关K5、DC/DC开关电源模块以及电池管理系统BMS，所述锂电池组设有正极端子B+和负极端子B－，所述充电装置设有正极端子P+和负极端子P－，所述正极接线端子P+、主正继电器K2以及正极端子B+依次串联电连接，所述负极端子B－、主负继电器K3以及负极端子P－依次串联电连接，所述正极端子P+、反流二极管D3、DC/DC开关电源模块以及反流二极管D5、主负继电器K3以及负极端子P－依次串联电连接，所述反流二极管D6的两端分别与所述反流二极管D5和主负继电器K3并联电连接，所述正极端子P+、主正继电器K2、反流二极管D2、自复位手动激活开关K5以及DC/DC开关电源模块依次串联电连接，所述反流二极管D1和供电继电器K4均与所述反流二极管D2和自复位手动激活开关K5并联电连接，所述反流二极管D4两端分别与所述电池管理系统BMS和VCC电连接，且所述反流二极管D4与所述供电继电器K4电磁感应连接，所述预充电阻R和预充继电器K1串联电连接，且所述预充电阻R和预充继电器K1分别与所述主正继电器K2并联电连接，所述电池管理系统BMS与所述DC/DC开关电源模块电连接。

可选地，所述反流二极管D1～D6均为普通整流二极管或肖特基二极管。

可选地，所述自复位手动激活开关K5采用自复位按钮开关或自复位转换开关。

可选地，所述供电继电器K4采用常开型功率继电器。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

1、本发明在现有BMS供电电源结构中只通过增加6个反流二极管D1～D6、1个自复位手动激活开关K5以及1个供电继电器K4就彻底解决了因DC/DC开关电源模块和BMS自身待机功耗而可能导致锂电池组过放电甚至报废的重大安全隐患；

2、本发明提出的BMS电源控制电路可以在锂电池组发生放电欠压保护动作后，通过预先设定的软件程序自动切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，以使DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电；

3、本发明提出的BMS电源控制电路可以在锂电池组既不充电也不放电的状态下，即持续待机状态达到一定时间时，通过预先设定的软件程序自动切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，以使DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电；

4、本发明提出的BMS电源控制电路可以在DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后，能够利用外部充电装置通过充电激活的方式对锂电池组恢复充电；

5、本发明提出的BMS电源控制电路可以在DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后，能够使用自复位手动激活开关K5通过手动激活的方式使锂电池组投入运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为动力储能领域高压电气主回路与BMS供电电源的典型电气拓扑结构图；

图2为本发明提出的一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路的整体框架结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路。

如图2所示，在本发明一实施例中，该带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路，包括锂电池组、充电装置、反流二极管D1～D6、预充电阻R、预充继电器K1、主正继电器K2、主负继电器K3、供电继电器K4、自复位手动激活开关K5、DC/DC开关电源模块以及电池管理系统BMS，所述锂电池组设有正极端子B+和负极端子B－，所述充电装置设有正极端子P+和负极端子P－，所述正极接线端子P+、主正继电器K2以及正极端子B+依次串联电连接，所述负极端子B－、主负继电器K3以及负极端子P－依次串联电连接，所述正极端子P+、反流二极管D3、DC/DC开关电源模块以及反流二极管D5、主负继电器K3以及负极端子P－依次串联电连接，所述反流二极管D6的两端分别与所述反流二极管D5和主负继电器K3并联电连接，所述正极端子P+、主正继电器K2、反流二极管D2、自复位手动激活开关K5以及DC/DC开关电源模块依次串联电连接，所述反流二极管D1和供电继电器K4均与所述反流二极管D2和自复位手动激活开关K5并联电连接，所述反流二极管D4两端分别与所述电池管理系统BMS和VCC电连接，且所述反流二极管D4与所述供电继电器K4电磁感应连接，所述预充电阻R和预充继电器K1串联电连接，且所述预充电阻R和预充继电器K1分别与所述主正继电器K2并联电连接，所述电池管理系统BMS与所述DC/DC开关电源模块电连接。

本发明在目前所使用的BMS供电电源电气原理图上只增加了6个反流二极管D1～D6、1个自复位手动激活开关K5以及1个供电继电器K4，就彻底解决了因DC/DC开关电源模块和BMS自身待机功耗而可能导致锂电池组过放电甚至报废的这一安全隐患，详细电路原理如图2所示，该电源控制电路具备三种功能：其一，可以在锂电池组发生放电欠压保护动作后，通过预先设定的软件程序自动切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电；其二，可以在锂电池组既不充电也不放电的状态下，即持续待机状态达到一定时间时，通过预先设定的软件程序自动切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电；其三，在DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后，能够利用外部充电装置通过充电激活的方式对锂电池组恢复充电；其四，在DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后，能够使用自复位手动激活开关通过手动激活的方式使锂电池组投入运行。

具体地，所述反流二极管D1～D6均为普通整流二极管或肖特基二极管。

具体地，所述自复位手动激活开关K5采用自复位按钮开关或自复位转换开关。

具体地，所述供电继电器K4采用常开型功率继电器。

具体地，上述器件要满足过流能力(即DC/DC开关电源模块供电输出功率)和直流耐压值(即达到锂电池组直流总压值以上)的要求。

具体地，本发明提出的一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路的工作原理和过程描述如下：

一、锂电池组充电自动激活到充电保护动作

(1)充电装置(或来自功率转换系统PCS)合闸上电后，输出直流高压电经P+、反流二极管D3、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D6和P-构成低压充电回路，对DC/DC开关电源模块进行供电，DC/DC开关电源模块将充电装置输出的直流高压转换为12Vdc或24Vdc低压直流电源VCC/GND后给BMS供电，BMS被充电激活唤醒；

(2)BMS上电后，进入高压上电和预充电流程，依次闭合各高压继电器，同时闭合供电继电器K4，因为充电装置输出的直流电压高于锂电池组直流总压，充电装置便经P+、主正继电器K2、锂电池组、主负继电器K3和P-构成高压充电回路，对锂电池组进行充电，同时经由P+、反流二极管D3(或主正继电器K2、反流二极管D1及供电继电器K4)、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D6(或经反流二极管D5及主负继电器K3)和P-构成低压充电回路，对DC/DC开关电源模块进行供电；

(3)在充电过程中，当BMS检测到充电保护条件(过充、过温、过流)触发时，就要进入高压下电流程，依次断开各高压继电器，充电高压回路断开，停止充电，此时BMS的供电将由锂电池组、反流二极管D1、供电继电器K4、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5组成的低压放电回路提供；

(4)锂电池组充电保护动作后将处于不充电也不放电的待机状态，当持续待机状态达到一定时间时，BMS通过预先的软件设定程序控制供电继电器K4断开，切断DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电，整个电气系统将处于零功耗状态。

二、锂电池组手动激活到放电保护动作

(1)手动按住自复位激活开关K5约3秒钟，锂电池组经反流二极管D2、自复位手动激活开关K5、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5构成低压放电回路，对DC/DC开关电源模块进行供电，DC/DC开关电源模块将锂电池组直流高压转换为12Vdc或24Vdc低压直流电源VCC/GND后给BMS供电，BMS被手动激活唤醒；

(2)BMS上电后，进入高压上电和预充电流程，依次闭合各高压继电器，同时闭合供电继电器K4，此时自复位手动激活开关K5已经释放，经自复位手动激活开关K5的低压放电回路已经断开，代替的是锂电池组经反流二极管D1、供电继电器K4(或经主正继电器K2和反流二极管D3)、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5(或经反流二极管D6和主负继电器K3)构成低压放电回路，继续对DC/DC开关电源模块进行供电；

(3)在放电过程中，当BMS检测到放电保护条件(过放、过温、过流、短路)触发时，就要进入高压下电流程，依次断开各高压继电器，放电高压回路断开，停止放电，此时BMS的供电将由锂电池组、反流二极管D1、供电继电器K4、DC/DC开关电源模块输入级、反流二极管D5组成的低压放电回路提供；

(4)如果锂电池组放电保护动作是由电池过放即电池欠压保护所引起的，放电高压回路断开后，等待BMS保存完数据，BMS就立即控制供电继电器K4断开；如果锂电池组放电保护动作是由过温、过流、短路保护所引起的，放电高压回路断开后，锂电池组将处于不充电也不放电的待机状态，当持续待机状态达到一定时间时，BMS通过预先的软件设定程序控制供电继电器K4断开。供电继电器K4断开即切断了DC/DC开关电源模块的供电输入回路，这样DC/DC开关电源模块和BMS就会彻底断电，整个电气系统将处于零功耗状态。

本发明提出的一种带电池欠压自动关机保护并可充电自动激活的电源控制电路既克服了因DC/DC开关电源模块和BMS自身待机功耗而可能导致锂电池组过放电甚至报废的弊端，又解决了DC/DC开关电源模块和BMS彻底断电后充电自动激活的问题，具有较大的实用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。