CN102447278B - 一种动力电池管理系统的电子开关式均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动力电池管理系统的电子开关式均衡电路，应用于电池管理系统的均衡网络及类似的开关网络。本发明采用若干均衡支路并行组合工作，每次选通一个均衡支路，每个均衡支路由输入隔离电路、MOS驱动电路和MOS电子开关三部分组成，并提供均衡电路的电子开关及其网络的两种配置方式以分别适用于低电压电池组和较高电压电池组的不同应用情况，通过调整均衡支路下拉电阻的接法以及限制MOS电子开关电流方向来消除并行组合使用时共模电压对网络中均衡支路的影响。本发明利用电子开关电路替代传统的继电器、普通开关等组成的开关网络，使均衡电路小型化、集成化，更便于生产以及在使用寿命、响应速度以及电磁干扰等方面进行改善。
Description
技术领域
本发明涉及到汽车动力电池管理系统领域，具体涉及到电子开关式均衡电路。
背景技术
一直以来，均衡电路的开关网络是由继电器等开关来组成，继电器由于含有电磁线圈和动、静片等机械结构，其体积较大，而且其多为插件式封装不易于进行集成化及自动化生产；响应速度慢，达mS级；驱动继电器的功耗较大；由于输入线圈的存在，在状态切换的过程中有触点弧和回跳，存在电磁干扰。
电子开关由于不存在机械式零部件，体积可以做的较小，多为贴片封装方便于集成化和自动化生产；电子开关的响应速度快，为uS级；电子开关可用电压驱动，驱动电流极小，驱动功率较小；在状态切换的过程中没有有触点弧和回跳，比较平缓，没有电磁干扰的影响。
在汽车的高振荡环境下工作，用运动的零部件工作的继电器的稳定性低于电子开关。
在专利“一种电池管理系统的动态均衡充放电实现方法”，申请号：201010244377.3中，我们提供了一种电池管理系统的均衡充放电实现方法，其中涉及的电子开关组件也可以使用传统的继电器等开关来实现，但由于此方案的上述原因，故本发明提供一种基于MOS管的电子开关电路，替代传统继电器的均衡电路效果并改善其缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子开关电路来替代传统的继电器、普通开关等组成的开关网络，使均衡电路可以小型化、集成化、更长效的使用寿命、响应速度以及电磁干扰等方面得到改善。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。
电子开关式均衡电路网络由若干个均衡支路组成：
每个均衡支路由输入隔离电路(C)、MOS驱动电路(B)、MOS电子开关(A)三部分组成：
输入隔离电路(C)：通过光耦(3、5)将输入的数字控制信号(4)和MOS驱动电路(B)隔离开，控制信号(4)经电阻限流后同时接光耦(3、5)输入二极管的正端，光耦(3、5)的输入二极管负端同时与控制信号地相连。
MOS驱动电路(B)：用于驱动MOS电子开关(A)，由光耦输出级、高位PNP三极管(2)稳压二极管(7)和下拉电阻(6)等组成，主要实现根据控制信号对MOS电子开关(A)进行驱动，并同时驱动本均衡支路的高低位MOS电子开关(1、8)，光耦(3)输出端的发射极通过电阻接到MOS驱动电路(B)电源地，光耦(3)输出端的集电极与高位PNP三极管(2)的基极相连，高位PNP三极管(2)的发射极与MOS驱动电路(B)的电源正极相连，高位PNP三极管(2)的集电极与高位MOS电子开关(1)的栅极相连，高位MOS电子开关(1)的栅极通过一个反向的稳压二极管(7)与低位MOS电子开关(8)的栅极相连，同时通过一个下拉电阻(6)与MOS驱动电路(B)电源地相连，均衡电源(D)地通过光耦(5)的输出与MOS驱动电路(B)电源地相连接。
在控制开关闭合时，控制信号(4)给高电平，光耦(3)输出级导通，将高位PNP三极管(2)的基极电位降低，高位PNP三极管(2)导通，高位MOS电子开关(1)的栅极获得驱动电压，经过稳压管降压后同时对低位MOS电子开关(8)进行驱动，达到高低位MOS电子开关(1、8)同时闭合的效果。
在控制开关断开时，控制信号(4)给低电平，光耦(3)输出级断开，高位PNP三极管(2)处于截止状态，截止电阻远大于下拉电阻(6)，高位MOS电子开关(1)的栅极电位被下拉电阻(6)下拉至地，同时低位MOS电子开关(8)的栅极电压也被拉低，高低位MOS电子开关(1、8)同时断开。
MOS驱动电路(B)电源为高低位MOS电子开关(1、8)提供驱动，是与控制信号(4)、均衡电源(16)、电池组(E)隔离的电源，通过光耦(5)的输出级控制驱动电源地和均衡电源(16)的连接关系。根据电池种类、分组方式来确定电源的电压值。
MOS电子开关(A)：通过开关的闭合和断开来控制均衡电路的工作和禁止，即传统的继电器开关所具备的功能。主要包括高位MOS电子开关(1)、低位MOS电子开关(8)，高位MOS电子开关(1)的漏极与均衡电源(D)正极相连，低位MOS电子开关(8)的源极与均衡电源(D)的地相连，高位MOS电子开关(1)的源极与该均衡支路所对应单电池的正极相连，低位MOS电子开关(8)的漏极与该均衡支路所对应单电池的负极相连。
上述介绍了电子开关均衡电路的均衡支路的原理，当多个均衡支路并行使用时，各均衡支路之间会出现共模电压，原因是：由于所述的各均衡支路使用同一个均衡电源、同一个驱动电源，在均衡工作时与电池组建立电压关系，在某一均衡支路选通时其余均衡支路的MOS驱动电路也和电池组建立了电位关系，如若不将栅极电压下拉至低于其源、漏极的电位，则会出现误导通，影响电路的功能实现。在各均衡支路并行组合使用时：
A、若任意两个均衡支路对应的电池的电压差都低于MOS驱动电路(B)电源电压，该共模电压并不能影响均衡支路的工作，则各均衡支路可以组成并行回路使用；
B、若存在两个均衡支路之间的电压差大于MOS驱动电路(B)电源电压，各均衡支路的共模电压会导致MOS电子开关(A)出现误导通，则需要进行调整，将各均衡支路的下拉 电阻(6)的下端接至电池组(E)的负极，可以将各均衡支路的MOS电子开关栅极电压钳位于低于源、漏极电压，同时在各均衡支路的高位MOS电子开关(1)、低位MOS电子开关(8)的源极各接一正向的整流二极管(9)，高位MOS电子开关(1)所接的整流二极管(9)方向为从高位MOS电子开关(1)的源极至该均衡支路所对应单电池的正极，低位MOS电子开关(8)所接的整流二极管(9)方向为从低位MOS电子开关(8)的源极至均衡电源(D)地，可以限定电流的正确流向，保障电路正常工作。
C、并行组合使用时，每次只能选通一个均衡支路，均衡支路采用分时分组的方式，不可同时选中两组或以上使用。
本发明的优势：
1.使均衡电路可以小型化、集成化，方便于自动化生产；
2.更长效的使用寿命以及更快的响应速度；
3.驱动功率和电磁干扰方面得到改善；
4.解决了电子开关组合使用时的共模电压问题。
附图说明
附图1均衡支路的电路图；A-MOS电子开关，B-MOS驱动电路，C-输入隔离电路，1-高位MOS电子开关，2-高位PNP三极管，3-光耦，4-控制信号，5-光耦，6-下拉电阻，7-稳压二极管，8-低位MOS电子开关。
附图2并行使用时调整后的均衡支路电路图。9-整流二极管。
附图3本发明的电路原理图。D-均衡电源，E-电池组，F-均衡电路，G-控制信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本电路和电池管理系统的电压检测、控制电路配合使用。
由于动力电池在开路的情况下，单体电池的荷电状态(SOC)和开路电压(OCV)存在一定的关系，此处认为对单体电池进行电压均衡就能够达到平衡电池组荷电状态(SOC)的效果。
通过精密检测电路检测到各电池的电压，MCU判断出其中电压低于平均电压一定数量的单体电池，以及需要均衡的时间和电流。
MCU给出控制信号，选定该单体电池对应的均衡支路，并控制均衡电源的电压和电流，即可实现对该单体电池的均衡。
MCU根据预定的时间或检测的电压来判定均衡结束的条件。
现假定电池组为3.6V*10节的规格，设计均衡电流10A，控制信号千赫兹以下。
由于电路的控制信号(4)的频率较低，为千赫兹以下，隔离光耦(3、5)选择普通的非线性光耦TLP521或NEC2501即可；输入信号的限流电阻为200Ω。光耦输出级的电阻选择为2KΩ，MOS电子开关(1、8)的驱动电流为百毫安级，高位PNP二极管(2)选择MMBT5401LT1；下拉电阻(6)选择100KΩ电阻；MOS电子开关(1、8)的整流二极管选择15A，100V的快恢复二极管。
依据驱动电源电压的计算方式为U＞10+Vzener，10为MOS开关管完全导通所需的驱动电压；Vzener为稳压二极管(7)的标称电压值，稳压二极管(7)的选择标准是等于单体电池的最高电压，若电池为锂离子电池(2.5V-4.2V)，则稳压管可选择为4.7V，即U＞15V，可取V＝16V-20V。
由于均衡电流大小为10A，MOS电子开关(1、8)可选择IR540，最大可通过23A的电流，导通电阻小于77mΩ。
现假设MCU判断出第二组电池b2欠压，需要均衡，均衡时间为30秒。则，MCU给b2所对应的均衡支路2的控制信号(4)高电平，闭合该均衡支路的高低位MOS电子开关(1、8)，同时将均衡电源(D)使能，并根据反馈信息调节均衡电源(D)的输出电压为适当的值使得均衡电流达到要求，则电路进入均衡状态，能量从电池组通过均衡电源(D)，高低位MOS电子开关(1、8)转移到b2上，增大b2的充电电流(电池组充电状态)或减小b2的放电电流(电池组放电状态)。
经过预定的时间30秒后，给b2所对应的均衡支路2的控制信号(4)低电平，撤消高低位MOS电子开关(1、8)的驱动，同时关闭均衡电源(D)，电路停止均衡。
本发明不限于具体实施方式所阐述的具体参数。本发明适用于一切电子开关式均衡电路。
Claims (2)
1.一种动力电池管理系统的电子开关式均衡电路，其特征在于均衡电路包括若干个均衡支路，各均衡支路并行组合工作，每个均衡支路对应一节电池，每个均衡支路由输入隔离电路（C）、MOS驱动电路（B）、MOS电子开关（A）三部分，输入隔离电路（C）与控制信号（G）相连，将控制信号（4）通过光耦3和光耦5隔离前级传递到后级MOS驱动电路（B），控制信号（4）经电阻限流后同时接光耦3和光耦5输入二极管的正端，光耦3和光耦5的输入二极管负端同时与控制信号地相连，光耦3输出端的发射极通过电阻接到MOS驱动电路（B）电源地，光耦3输出端的集电极与高位PNP三极管（2）的基极相连，高位PNP三极管（2）的发射极与MOS驱动电路（B）的电源正极相连，高位PNP三极管（2）的集电极与高位MOS电子开关（1）的栅极相连，高位MOS电子开关（1）的栅极通过一个反向的稳压二极管（7）与低位MOS电子开关（8）的栅极相连，同时通过一个下拉电阻（6）与MOS驱动电路（B）电源地相连，高位MOS电子开关（1）的漏极与均衡电源（D）正极相连，低位MOS电子开关（8）的源极与均衡电源（D）的地相连，均衡电源地通过光耦5的输出与MOS驱动电路（B）电源地相连接，高位MOS电子开关（1）的源极与该均衡支路所对应单电池的正极相连，低位MOS电子开关（8）的漏极与该均衡支路所对应单电池的负极相连。
2.如权利要求1所述的动力电池管理系统的电子开关式均衡电路，其特征在于，所述MOS电子开关（A）使用MOS管作为高位MOS电子开关（1）和低位MOS电子开关（8）的开关管。
3. 如权利要求1所述的动力电池管理系统的电子开关式均衡电路，其特征在于，所述均衡电路并行组合工作时满足如下条件：
A、若任意两个均衡支路对应的电池的电压差都低于MOS驱动电路（B）的电源电压，则各均衡支路可以组成并行回路使用；
B、 若存在两个均衡支路之间的电压差大于MOS驱动电路（B）的电源电压，则将各均衡支路的下拉电阻（6）的下端接至电池组（E）的负极，同时在各均衡支路的高位MOS电子开关（1）、低位MOS电子开关（8）的源极各接一正向的整流二极管（9），高位MOS电子开关（1）所接的整流二极管（9）方向为从高位MOS电子开关（1）的源极至该均衡支路所对应单电池的正极，低位MOS电子开关所接的整流二极管方向为从低位MOS电子开关的源极至均衡电源地；
C、 并行组合使用时，每次只能选通一个均衡支路，均衡支路采用分时分组的方式，不可同时选中两组或以上使用。
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