一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统，属于电池安全防护领域，首次采用12串磷酸铁锂电池和磷酸铁锂电池管理系统在园林工具中使用。


背景技术：

2.园林工具分引擎（汽油机）、市电和电池动力三大类，引擎（汽油机）因环保问题各国都开始停用，市电园林工具也出于安全因数和便携的原因，也在逐年减少，电池动力因方便和环保，使用越来越普及。但随着动力电池及组合电池在日常工作生活中不断得到应用，低成本、高安全性的电池以及电池管理系统成为市场的迫切需求。
3.目前市场上使用的是三元锂电池和锰酸锂电池，在高倍率放电时不太稳定，会急剧升温，风险较高，而且电池的容量一般都在10ah至20ah，比较大。供电电压有36、48、56v、72v，电池需要高倍率放电，同时需要更高的安全性。
4.尤其高温条件下，三元材料在200℃时发生分解，产生剧烈的化学反应，释放出氧原子，并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象，因此基于安全的考虑，三元锂电池的使用暂时限制在纯电动客车之外。
5.目前从公开的资料中，以及芯片供应商中，应用最多的是采用集成芯片模拟前端作为电池管理系统的核心, 例如：中国专利cn 205985247 u公开了一种电动自行车用智能锂电池管理系统，采用ml5235芯片的模拟前端的电池管理系统；cn 206117193 0公开了一种动力锂电池管理系统，采用控制ic的电池管理系统；cn 205304339 0公开了一种基于bq7694003模拟前端的智能锂电池管理系统装置，锂电池组通过1个锂电池模拟前端芯片bq7694003与mcu连接；以及cn109031151a一种低成本电池串检测装置机检测方法，与其他装置相比该装置结构简单，利用控制cpu中自带的模数转换器，不需要采用模拟数字前端芯片，因此成本低，而且可以同时检测所有的单体电池电压，因此检测速度快。
6.采用模拟前端进行电池管理和检测有很多安全漏洞，存在安全隐患。当模拟前端出现异常时，软件可能无法判断出故障；或者，微控制器出现异常，也会导致电池的事故发生，造成设备故障停机，或造成模拟前端误操作，前端控制失控。
7.模拟前端失效或微控制器失效都会造成事故，模拟前端失效，微控制器发出故障信息，微控制器故障，系统无法正常控制，过充、过放和过流都会发生，安全性得不到保障。
8.如何避免外部充电设备对电池的损害，避免不匹配的设备的接入，造成电池组的起火事故，也需要电池管理系统进行保护。
9.所以，电池管理系统设计要从每个部分电路失常失效的情况下，考虑安全性问题，需要通过优化设计做到电池管理系统更加安全可靠。


技术实现要素：

10.本实用新型目的在于：提供一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统，通过优化设计，提高电池管理系统的安全可靠性。
11.本实用新型目的通过下述方案实现：一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统, 包括磷酸铁锂电池组、微控制器、pack 端子、pack－端子，微控制器通过接口电路与外部设备连接，还包括电池监控及均衡电路、二次保护电路、充放电接口控制电路和电流采样电路模块、供电电路、fuse电路组成的模块组，其中，
12.所述的磷酸铁锂电池组经电池监控及均衡电路或二次保护电路、充放电接口控制电路和电流采样电路、供电电路、fuse电路与微控制器电路电连接，其中，所述的二次保护电路分别经fuse电路、充放电接口控制电路和电流采样电路模块与微控制器电连接；所述的电池监控及均衡电路经充放电接口控制电路和电流采样电路与微控制器电连接；所述微控制器电路和电池监控及均衡电路同时实现对充放电接口控制电路和电流采样电路模块的控制；
13.所述的接口电路为uart和rs485电路，微控制器电路通过uart和rs485电路与系统外部设备连接；所述供电电路采用uart和rs485组合的通讯方式外部激活信号，激活微控制器电路闭环控制电路同时控制供电电路；
14.所述的pack 端子由fuse电路引出，所述的pack－端子由充放电接口控制电路和电流采样电路引出。
15.本实用新型提供了一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统，由电池监控及均衡电路、微控制器电路、充放电接口控制电路和电流采样电路模块、供电电路组成电压、电流、温度保护的第一道保护系统，由二次保护电路、fuse电路、供电电路、微控制器电路组成第二道保护系统，实现了对电池组的双重安全防护。当电池监控及均衡电路对电池组进行电压、电流、温度信号采样出现故障时，二次保护电路、fuse电路、微控制器电路组成第二道保护系统，在电压、电流、温度保护故障时二次保护电路和微控制器电路驱动fuse电路，fuse电路主动熔断，以断开充放电回路，此时pack＋和pack－无法输入和输出。进一步提升了电池管理系统的安全性。
16.在上述方案基础上,所述的微控制器电路还与显示电路、信息存储电路、看门狗电路、实时时钟、usb输出电路、充放电识别电路和温度监测电路中的至少一种电路电连接, 所述供电电路通过微控制器电路为显示电路、uart和rs485电路、信息储存电路、看门狗电路、实时时钟、usb输出电路、充放电识别电路、和/或温度监测电路供电，通过所述微控制器电路和信息存储电路的电连接，实现电池信息的存储；所述微控制器电路和显示电路的电连接，实现电池soc的显示；所述微控制器电路和看门狗电路的电连接，保证微控制器电路处于正常工作状态，当微控制器内程序出现异常时，看门狗电路开始动作，复位微控制器重新开始工作；所述微控制器电路和usb输出电路的电连接，实现usb给外部设备充电；所述微控制器电路和充放电识别电路的电连接，接口时唤醒微控制器电路，同时识别充放电状态；所述微控制器电路和温度监测电路的电连接，实现电池充放电温度的检测。
17.进一步的,通过uart和rs485组合的通讯电路实现与外部设备连接，发送电池的相关信息给外部需要供电的设备，同时通过与微控制器电路连接的显示电路和信息储存电路读写电池的相关信息，也可通讯激活电池休眠的功能。
18.本实用新型原理是：由电池监控及均衡电路对电池组进行电压、电流、温度信号采样，根据保护值输出充电和放电控制信号，信号输出到微控制器和充放电接口控制电路和电流采样电路，微控制器电路对电压、电流信号和温度信号进行统计，并进行电压、电流、
soc的计算和温度故障的判断,并通过充放电接口控制电路和电流采样电路模块进行安全保护，同时，通过uart和rs485组合的通讯电路，实现充电器或其它设备通过通讯电路获取电池信息，进行安全性工作，向客户外设发出相关信息，主要包括电池总压、最低温度、最高温度、mosfet温度、单节最高电压、单节最低电压、剩余容量、充放电故障信息、充放电循环次数、电池组序列号和软件版本等信息。
19.本实用新型的电池组，也可采用三元电池组成的电池堆。
20.在上述方案基础上，所述的磷酸铁锂电池组为12串磷酸铁锂电池组，所述12串磷酸铁锂电池组的容量可以做到5-25ah，以灵活搭建电路组合电池。
21.所述的微控制器电路，包括mcu电路，稳压电路以及esd浪涌保护电路。
22.在上述方案基础上,所述电池监控及均衡电路，使用电池采样芯片(afe)，其内涉及到均衡功能电路。所述电池监控及均衡电路，可以根据市场需求调整监测电压、均衡电压、均衡电流、温度等参数，同时也可对应调整延迟时间和恢复时间。它由电池电压采集电路、均衡电路、浪涌防护电路组成。
23.进一步的，所述的电池监控及均衡电路与12串磷酸铁锂电池组以及微控制器电路组合。
24.在上述方案基础上,所述的供电电路采用9～100v宽电压输入高压降压电路。
25.较优的，所述供电电路包括输入9～75v高压降压电路、微功耗5v电源电路和隔离5v电源电路。
26.进一步优选的,所述输入9～75v高压降压电路，通过mic28515芯片来实现5v电源的输出。
27.其中，所述的微功耗5v电源电路，通过mosfet和稳压二极管做第一级减压，串入一个二极管连接至一个三端稳压芯片，三端稳压芯片输出3.3v。
28.所述的隔离5v电源电路，通过b0505电源隔离模块来实现。
29.在上述方案基础上，所述二次保护电路，包括每节电池电压采集电路、故障触发电路，电路通过三颗二次保护芯片s8244一、二、三级联对电池进行电压监测，通过co端输出信号控制fuse（熔断器）的熔断；或者，通过mcu con信号来实现对fuse熔断控制达到二次保护目的。
30.在上述方案基础上，通过uart和rs485组合的通讯电路实现与外部设备连接，发送电池的相关信息给外部需要供电的设备，同时通过与微控制器电路连接的显示电路和信息储存电路读写电池的相关信息，也可通讯激活电池休眠的功能。
31.进一步的，所述微控制器电路与uart和rs485组合的通讯电路，实现充电器或其它设备通过通讯电路获取电池信息，进行安全性工作。
32.所述看门狗电路，包括看门狗专用电路、供电电路和防浪涌电路。
33.在上述方案基础上，所述微控制器电路与充放电识别电路和看门狗电路的电连接组合，唤醒微控制器电路，同时识别充放电状态。
34.所述实时时钟，包括看实时时钟电路、供电电路和防浪涌电路。
35.所述显示电路，包括看显示驱动电路、供电电路和防浪涌电路。
36.在上述方案基础上，所述微控制器电路、磷酸铁锂电池组、fuse电路以及二次保护电路的组合，在电池监控及均衡电路失效的情况下，实现对电池组的充电、放电、温度和电
流的保护。
37.所述的信息存储电路包括eeprom或flash电路。
38.在上述方案基础上，所述充放电接口控制电路和电流采样电路模块，包括电流采样电路、放电控制电路、充电控制电路和驱动电路，电流采样电路主回路左连接到磷酸铁锂电池组和二次保护电路，同时通过信号线连接到电池监控及均衡电路和微控制器电路，电流采样电路主回路右连接放电控制电路和充电控制电路，充电控制电路通过主回路连接pack－端子，信号线连接到驱动电路，放电控制电路通过信号线连接到驱动电路，驱动电路通过信号线连接到电池监控及均衡电路和微控制器电路，电流采样电路负责充放电电流的采样，放电控制电路负责放电时的保护控制，充电控制电路负责充电时的保护控制，驱动电路负责驱动控制放电控制电路和充电控制电路。
39.在上述方案基础上，所述usb输出电路，包括dcdc降压电路、usb识别电路和限流电路。所述的usb输出电路，通过tps2511或cx2889芯片实现usb输出，通过电感滤波，再并接we05-4rvlc芯片实现esd保护，再连接端子对外输出。所述的usb输出电路有识别和限流的功能,自动识别充电设备类型，导通阻抗低、短路保护电流可外部设置，防止外部短路和过流情况发生,同时过温保护功能、关断自动释放功能，并能防止反向电流传输。
40.本实用新型为实现软、硬件的双重保护，设有系统主程序和自检监测程序，流程为：系统进行初始化，初始化完成后，程序开始和定时器中断判断是或否，如果否，重复判断；
41.如果是，开始循环并判断发生时间，检测是否有溢出情况，否重复判断；如果是，开始顺序进行afe检测、电流检测、电压检测、温度检测、mos管控制、soc估算、led驱动、通讯收发控制、睡眠控制，睡眠控制后返回是否溢出检测并循环检测。
42.本实用新型还设有自检监测程序，从自检开始，顺序作：晶振精度检测、中断检测、pc寄存器检测、flash检测、ram检测、通讯检测、adc输入检测，如无精度偏移，完成自检。
43.本实用新型与现有技术比:由电池监控及均衡电路、微控制器电路、充放电接口控制电路和电流采样电路、供电电路组成电压、电流、温度保护的第一道保护系统，由二次保护电路、fuse电路、供电电路、微控制器电路组成第二道保护系统，实现了对三元电池组或磷酸铁锂电池组双重安全防护。
44.本实用新型微控制器电路也可以与软件配合，实现软件的双系统工作，一路正常工作，一路进行跟踪测量，当一路故障时另一路无缝衔接工作，当两路都有问题时，触发看门狗电路，电路重新复位微控制器电路。软件内部实现监控程序，监控主程序运行过程是否有异常，主要监测核心寄存器位、验证mclk是否按指定的频率振荡、百分比频率漂移、检查非易失性内存中的内存损坏、检查的内存的crc值、检查ram存储器dc故障（使用march c算法）、检查外部eeprom异常检测通讯可靠性、校验、检查adc基准电压。方案在性能上满足了电池的电压、电流、温度等安全保护需要，同时硬件双系统保护以及软件双系统保护。
45.本实用新型真正实现了电池组的双重安全防护，系统采用模块化设计，根据客户的实际需求可方便地进行组合设计，节省成本,方便操作人员组装，以维修更换。
附图说明
46.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案,下面通过附图作进一步说明。
47.图1为本实用新型一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统逻辑框图示意图；
48.图2为输入9～75v高压降压电路；
49.图3为隔离5v电源电路，通过b0505模组(19)来实现；
50.图4为微功耗5v电源电路；
51.图5为二次保护电路；
52.图6为usb输出电路；
53.图7为充放电接口控制电路和电流采样电路；
54.图8为主程序流程；
55.图9为监测程序流程；
56.图中标号说明
57.1——12串磷酸铁锂电池组；
58.2——电池监控及均衡电路；
59.3——二次保护电路；
60.4——微控制器电路；
61.5——充放电接口控制电路和电流采样电路模块；
62.6——供电电路；
63.7——fuse电路；
64.8——显示电路；
65.9——uart和rs485电路；
66.10——信息存储电路；
67.11——看门狗电路；
68.12——实时时钟；
69.13——usb输出电路；
70.14——充放电识别电路；
71.15——温度监测电路；
72.16——pack＋端子；
73.17——pack－端子；
74.18——mic28515芯片；
75.19——b0505模组；
76.20——三端稳压芯片；
77.21、22、23——二次保护芯片s8244一、二、三；
78.24、25——fuse一、二
79.26——cx2889芯片；
80.27——we05-4rvlc芯片；
81.28——电流采样电路；
82.29——放电控制电路；
83.30——充电控制电路；
84.31——驱动电路。
具体实施方式
85.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而不对其起任何限定作用。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,都属于本实用新型保护的范围。
86.本实用新型一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统, 如图1为本实用新型一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统逻辑框图示意图所示，包括内置有12串磷酸铁锂电池组1、电池监控及均衡电路2、二次保护电路3、微控制器电路4、充放电接口控制电路和电流采样电路模块5、供电电路6、fuse电路7、显示电路8、uart和rs485电路9、信息存储电路10、看门狗电路11、实时时钟12、usb输出电路13、充放电识别电路14、温度监测电路15、pack＋端子16和pack－端子17；如图1所示：本实用新型采用模块化设计，各模块间的连接方式为：
87.所述电池监控及均衡电路2通过采集线与12串磷酸铁锂电池组1连接；
88.所述二次保护电路3通过采集线与12串磷酸铁锂电池组1连接；
89.所述12串磷酸铁锂电池组与经fuse电路7与pack＋16端子连接；
90.所述供电电路6通过连接线与12串磷酸铁锂电池组连接,所述电池监控及均衡电路2与充放电接口控制电路和电流采样电路模块5连接；所述微控制器电路4与充放电接口控制电路和电流采样电路5连接；所述微控制器电路4与供电电路7连接；所述微控制器电路4与fuse电路7连接；实现了：
91.12串磷酸铁锂电池组1经电池监控及均衡电路2、二次保护电路3 、充放电接口控制电路和电流采样电路模块5、供电电路6、fuse电路7与微控制器电路4电连接，
92.12串磷酸铁锂电池组1，分别连接电池监控及均衡电路2、二次保护电路3、充放电接口控制电路和电流采样电路模块5、供电电路6、fuse电路7与微控制器电路4电连接，其中，
93.所述的电池监控及均衡电路2经充放电接口控制电路和电流采样电路5与微控制器4电连接，形成一路保护电路，所述微控制器电路4和电池监控及均衡电路2同时实现对充放电接口控制电路和电流采样电路模块5的控制；
94.所述的二次保护电路3分别经fuse电路7、充放电接口控制电路和电流采样电路5与微控制器4电连接，形成另一路保护电路；
95.所述的接口电路为uart和rs485电路9，微控制器电路4通过uart和rs485电路9与系统外部设备连接，所述供电电路6采用uart和rs485组合的通讯方式外部激活信号，激活微控制器电路4闭环控制电路同时控制供电电路；
96.所述的pack 端子16由fuse电路7引出，所述的pack－端子17由充放电接口控制电路和电流采样电路5引出。
97.如图1所示,本实施例所述的微控制器电路4还分别与显示电路8、信息存储电路10、看门狗电路11、实时时钟12、usb输出电路13、充放电识别电路14和温度监测电路15电连接, 所述供电电路6通过微控制器电路4为显示电路8、uart和rs485电路9、信息储存电路10、看门狗电路11、实时时钟12、usb输出电路13、充放电识别电路14和温度监测电路15供电，通过所述微控制器电路4和信息存储电路10的电连接，实现电池信息的存储；所述微控
制器电路4和显示电路8的电连接，实现电池soc的显示；所述微控制器电路4和看门狗电路11的电连接，保证微控制器电路4处于正常工作状态；所述微控制器电路4和usb输出电路13的电连接，实现usb给外部设备充电；所述微控制器电路4和充放电识别电路14的电连接，接口时唤醒微控制器电路4，同时识别充放电状态；所述微控制器电路4和温度监测电路15的电连接，实现电池充放电温度的检测。
98.本实施例的12串磷酸铁锂电池组1的容量在5-25ah，以灵活搭建电路组合电池。
99.所述电池监控及均衡电路2，使用电池采样芯片afe，其内涉及到均衡功能电路。所述的电池监控及均衡电路2与12串磷酸铁锂电池组1以及微控制器电路4组合。
100.本实施例中，所述的供电电路6采用9～75v宽电压输入高压降压电路，包括输入9～75v高压降压电路、微功耗5v电源电路、隔离5v电源电路，其中，
101.如图2为输入9～75v高压降压电路所示，通过mic28515芯片18来实现5v电源的输出，通过mic28515芯片18来实现5v电源的输出；mic28515是一种频率可调的同步降压稳压器，具有独特的自适应导通时间控制架构。mic28515可在4.5v至 75v输入电压范围内工作，并提供最高5a的稳定输出电流。输出电压可调低至0.6v，并保证
±
1%的精度。
102.图3为隔离5v电源电路，通过b0505电源隔离模块19来实现。
103.图4为微功耗5v电源电路，通过mosfet和稳压二极管做第一级减压，串入一个二极管连接至一个三端稳压芯片20，三端稳压芯片20输出3.3v。
104.二次保护电路，如图5所示，包括每节电池电压采集电路，故障触发路；该电路通过三颗二次保护芯片s8244一、二、三21、22、23级联，对电池进行电压监测，通过co端输出信号控制fuse一、二24、25熔断，达到二次保护目的，同时还可以通过mcu con信号来实现对fuse一、二24、25的熔断控制。
105.图6为usb输出电路，通过tps2511或cx2889芯片26实现usb输出，电路有识别加限流功能,可自动识别充电设备类型,导通阻抗低、短路保护电流可外部设置，防止外部短路和过流情况发生,同时过温保护功能、关断自动释放功能，并能防止反向电流传输，电路向右连接电感进行滤波，再并接we05-4rvlc芯片(27)实现esd保护，再连接端子对外输出。
106.如图7为充放电接口控制电路和电流采样电路所示，包括充电控制电路30、放电控制电路29、电流采样电路28、驱动电路31，电流采样电路28主回路左连接到12串磷酸铁锂电池组1和二次保护电路3，同时通过信号线连接到电池监控及均衡电路2和微控制器电路4，电流采样电路28 主回路右连接放电控制电路29和充电控制电路30，充电控制电路30通过主回路连接pack－端子17，信号线连接到驱动电流31，放电控制电路29通过信号线连接到驱动电流31，驱动电流31通过信号线连接到电池监控及均衡电路2和微控制器电路4，电流采样电路28主要负责充放电电流的采样，放电控制电路29主要负责放电时的保护控制，充电控制电路30主要负责充电时的保护控制，驱动电流31主要负责驱动控制放电控制电路29和充电控制电路30。
107.本实施例也采用了双软程序控制，包括主程序和监测程序。
108.如图8为主程序流程图所示，主程序流程依序为：系统进行初始化，初始化完成后，程序开始和定时器中断判断是或否，如果否，重复判断；如果是，
109.开始循环并判断发生时间，检测是否有溢出情况，如果否，重复判断，如果是开始顺序检测，afe检测、电流检测、电压检测、温度检测、mos管控制、soc估算、led驱动、通讯收
发控制、睡眠控制。睡眠控制后返回溢出检测并循环。
110.本实用新型还设有自检监测程序，从自检开始，顺序为：晶振精度检测、中断检测、pc寄存器检测、flash检测、ram检测、通讯检测、adc输入检测，如无精度偏移，完成自检。
111.本实施例的工作原理为:由电池监控及均衡电路2对电池组进行电压、电流、温度信号采样、根据保护值输出充电和放电控制信号，输出给微控制器电路4和充放电接口控制电路和电流采样电路5，微控制器电路4对电压、电流信号和温度信号进行统计，并进行电压、电流、soc的计算和温度故障的判断,并通过充放电接口控制电路和电流采样电路模块5进行安全保护，同时通过uart和rs485电路9向客户外设发出相关信息，主要有电池总压、最低温度、最高温度、mosfet温度、单节最高电压、单节最低电压、剩余容量、充放电故障信息、充放电循环次数、电池组序列号和软件版本等信息。当电池监控及均衡电路2对电池组进行电压、电流、温度信号采样出现故障时，二次保护电路3、fuse电路7、微控制器电路4组成第二道保护系统，在电压、电流、温度故障时二次保护电路3和微控制器电路4驱动fuse电路7，fuse电路7主动熔断，以断开充放电回路，此时pack＋端子16和pack－端子17无法输入和输出。当微控制器内程序出现异常时，看门狗电路11开始动作，复位微控制器重新开始工作。
112.通过上述具体实施例,本实用新型的有益效果是: 12串磷酸铁锂电池组1、电池监控及均衡电路2、二次保护电路3、微控制器电路4、充放电接口控制电路和电流采样电路模块5的组合模式,有效提升了园林工具的磷酸铁锂电池管理系统的安全性,满足了12串磷酸铁锂电池组的过压、欠压、过流、短路保护功能；实现了系统故障时二次保护的性能；软件内部设计实现两套软件，一路正常工作，一路进行跟踪测量，同时外部看门狗电路11和实时时钟12保证突发情况下系统异常时重启系统；充放电识别电路14可以防止充电器乱用，保证非设备匹配的充电器插入时，不会造成安全事故。充放电识别电路14可以防止非匹配设备插入使用，通过uart和rs485通讯电路9与外部连接，实时显示电池的电压、温度、电流、循环次数、故障信息、电量信息、电池健康状态、电池序列号。充放电识别电路14和uart和rs485通讯电路9通过txd（id）和rxd（id）共用两个接口来实现，节省连接器接口。
113.本实用新型采用硬件双系统保护以及软件双系统保护，真正实现了电池组的双重安全防护，系统设计采用了模块化模式，根据客户的实际需求可方便地进行组合设计，节省成本。
114.一种应用在园林工具的磷酸铁锂电池管理系统采用模块化设计，方便工人组装，以维修更换。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。