CN103401289A - 一种用于电池管理系统的均衡切换控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电池管理系统的均衡切换控制电路，其特征在于包括由后级下切换开关和后级上切换开关组成的后级切换开关组、开关个数分别比组成下半串联电池小组、上半串联电池小组的电池单体的节数多一个的前级下半切换开关组、前级上半切换开关组，以及CPU。后级切换开关组是双极双位转换开关，后级下切换开关、后级上切换开关的静触点，分别与均衡母线BUS-、BUS+连接，所有切换开关的受控制端子与CPU连接，由CPU发送指令控制切换，只将需要均衡的一节电池单体切换接入到均衡母线BUS+和BUS-上，与充放电模块连接。本发明电路将切换开关的耐压要求降低一半，有利于低压切换开关在多串数电池均衡电路中的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理系统，特别是涉及一种用于电池管理系统的均衡切换控制电路。
背景技术
包括锂离子电池在内的新型电池串联组成的电池组，由于电池单体存在不一致性，使用时会导致整个电池组的可用容量变小；电压偏高的电池单体充电时会导致充电过程提前终止，使充电容量变小；电压偏低的电池单体放电时又会导致放电过程提前终止，使放电容量减小。在电池管理系统(Battery management system，缩略词为BMS)中设置均衡器或均衡电路模块，对电池单体进行均衡，将电压高的单体进行放电，对电压低的单体进行充电，可以有效改善电池的一致性。现有一种由均衡切换控制电路、均衡母线BUS+和BUS-、与均衡母线BUS+和BUS-连接的充放电模块，以及CPU组成的均衡器，其均衡切换控制电路包括个数比组成串联电池组的M节电池单体的节数多一个的切换开关，即有(M+1)个切换开关，每个切换开关是单极单位转换开关，依串联次序自下而上的(M+1)个切换开关一侧的静触点依次对应与M节电池单体中的一节电池单体的电极连接：第一个切换开关一侧的静触点与第一节电池单体的负极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS-连接；第二个切换开关一侧的静触点与第二节电池单体的负极连接，也是与第一节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS+连接；同理，第M个切换开关一侧的静触点与第M节电池单体的负极连接，也是与下半串联电池小组的第(M-1)节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS-连接；第(M+1)个切换开关一侧的静触点与第M节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS+连接；每个切换开关的受控制端子分别与所述CPU连接，由所述CPU发送指令控制其中的相应一个切换开关闭合而其它的切换开关断开，将需要均衡的那一节电池单体切换接入到均衡母线BUS+和BUS-上，与充放电模块连接，由充放电模块通过均衡母线BUS+和BUS-对该节电池单体进行主动充电均衡或者主动放电均衡。
所述切换开关是包括金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，缩略词为MOSFET)的固态继电器、机械继电器中的一种，其成本随器件的导通电阻/耐压成几何级数上升，导通电阻小耐压高的均衡器的切换开关成本比较高，选用耐压低的切换开关可以有效降低成本，但是存在击穿风险，特别是对应连接末节电池单体的包括MOSFET的固态继电器中的MOSFET需要承受等于电池单体节数相等倍数的耐压，例如由12节电池单体BT1～BT12依次串联组成的串联电池组，在电池单体BT1需要均衡时，处于关闭状态的对应连接末尾节电池单体BT12的固态继电器中的MOSFET，需要承受12节电池单体的高压，如果电池单体电压为3.8V，高压高达3.8×12＝45.6V，要求选用耐压为60V的MOSFET，这样的开关成本很高，且不利于低压切换开关在多串数电池均衡电路中的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种用于电池管理系统的均衡切换控制电路。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种用于电池管理系统的均衡切换控制电路，用于组成串联电池组的电池单体的节数为偶数，即节数为2N，N为正整数，所有电池单体依串联次序自下而上均分为下半串联电池小组和上半串联电池小组，所述下半串联电池小组和上半串联电池小组的电池单体的节数为N，下半串联电池小组的第一节电池单体的负极是下半串联电池小组的负极，也是串联电池组的负极，上半串联电池小组的末尾节即第N节电池单体的正极是上半串联电池小组的正极，也是串联电池组的正极。
这种用于电池管理系统的均衡切换控制电路的特点是：
包括：
由后级下切换开关和后级上切换开关组成的后级切换开关组，所述后级切换开关组是双极双位转换开关，所述后级下切换开关的静触点与均衡母线BUS-连接，所述后级上切换开关的静触点与均衡母线BUS+连接；
开关个数比组成下半串联电池小组的电池单体的节数多一个的前级下半切换开关组，所述前级下半切换开关组有(N+1)个前级下半切换开关，每个前级下半切换开关是单极单位转换开关，依串联次序自下而上的(N+1)个前级下半切换开关一侧的静触点依次对应与所述下半串联电池小组的N节电池单体中的一节电池单体的电极连接：其中
第一个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第一节电池单体的负极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第一动触点连接；
第二个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第二节电池单体的负极连接，也是与下半串联电池小组的第一节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第一动触点连接；
同理，第N个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第N节电池单体的负极连接，也是与下半串联电池小组的第(N-1)节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第一动触点连接；
第(N+1)个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第N节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第一动触点连接；
开关个数比组成上半串联电池小组的电池单体的节数多一个的前级上半切换开关组，所述前级上半切换开关组有(N+1)个前级上半切换开关，每个前级上半切换开关是单极单位转换开关，依串联次序自下而上的(N+1)个前级上半切换开关一侧的静触点依次对应与所述上半串联电池小组的N节电池单体中的一节电池单体的电极连接：其中
第一个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第一节电池单体的负极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第二动触点连接；
第二个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第二节电池单体的负极连接，也是与上半串联电池小组的第一节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第二动触点连接；
同理，第N个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第N节电池单体的负极连接，也是与上半串联电池小组的第(N-1)节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第二动触点连接；
第(N+1)个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第N节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第二动触点连接；
还包括CPU，所述后级切换开关组中的后级下切换开关和后级上切换开关、所述前级下半切换开关组中的(N+1)个前级下半切换开关，以及所述前级上半切换开关组中的(N+1)个前级上半切换开关的受控制端子，与所述CPU连接，由所述CPU发送指令控制切换，只将需要均衡的一节电池单体切换接入到均衡母线BUS+和BUS-上，与充放电模块连接，由充放电模块通过均衡母线BUS+和BUS-对该节电池单体进行主动充电均衡或者主动放电均衡。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述后级切换开关组是双极双位机械继电器和包括MOSFET的固态继电器中的一种。
所述前级下半切换开关和前级上半切换开关是单极单位转换开关。
本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
所述单极单位转换开关是型号为AQY211G2S固态继电器，其负载电压额定值为40V，负载电流额定值为1.6A，由松下公司(Panasonic ElectricWorks)出品。
所述电池单体是磷酸铁锂离子电池和三元材料锂离子电池中的一种。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明在现有的用于电池管理系统的均衡切换控制电路的基础上增加后级切换开关组，通过后级切换开关组中的后级下切换开关和后级上切换开关将均衡母线BUS+和BUS-分成两段，受CPU控制分别与自下而上均分为下半串联电池小组和上半串联电池小组的电池单体连接，这样对应连接末节电池单体的MOSFET只需要承受等于电池单体节数一半倍数的耐压，即本发明的均衡切换控制电路将切换开关的耐压要求降低一半，有利于低压切换开关在多串数电池均衡电路中的推广应用。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的组成方框图；
图2是图1的具体电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。
一种如图1、2所示的用于电池管理系统的均衡切换控制电路，用于组成串联电池组的电池单体是节数为12的磷酸铁锂离子电池BT1～BT12，容量为1000AH，额定电压为3.5V，其中电池单体BT1～BT6依串联次序自下而上组成下半串联电池小组，电池单体BT7～BT12依串联次序自下而上组成上半串联电池小组，下半串联电池小组的第一节电池单体BT1的负极是下半串联电池小组的负极，也是串联电池组的负极，上半串联电池小组的末尾节电池单体BT12的正极是上半串联电池小组的正极，也是串联电池组的正极。
本具体实施方式的均衡切换控制电路包括：
由后级下切换开关SW-和后级上切换开关SW+组成的后级切换开关组，后级切换开关组是双极双位机械继电器REL，它的两个动合触点组分别为后级下切换开关SW-和后级上切换开关SW+，其中后级下切换开关SW-的静触点3与均衡母线BUS-连接，后级上切换开关SW+的静触点6与均衡母线BUS+连接；
开关个数比组成下半串联电池小组的电池单体的节数多一个的前级下半切换开关组，前级下半切换开关组有七个前级下半切换开关SW1～SW7，依串联次序自下而上的七个前级下半切换开关SW1～SW7一侧的静触点依次对应与下半串联电池小组中的六节电池单体BT1～BT6的电极连接：其中
第一个前级下半切换开关SW1一侧的静触点1与下半串联电池小组的第一节电池单体BT1的负极连接，另一侧的动触点2与后级下切换开关SW-的第一动触点4连接；
第二个前级下半切换开关SW2一侧的静触点1与下半串联电池小组的第二节电池单体BT2的负极连接，也是与下半串联电池小组的第一节电池单体BT1的正极连接，另一侧的动触点2与后级上切换开关SW+的第一动触点7连接；
同理，第六个前级下半切换开关SW6一侧的静触点1与下半串联电池小组的第六节电池单体BT6的负极连接，也是与下半串联电池小组的第五节电池单体BT5的正极连接，另一侧的动触点2与后级上切换开关SW+的第一动触点7连接；
第七个前级下半切换开关SW7一侧的静触点1与下半串联电池小组的第六节电池单体BT6的正极连接，另一侧的动触点2与后级下切换开关SW-的第一动触点4连接；
开关个数比组成上半串联电池小组的电池单体的节数多一个的前级上半切换开关组，所述前级上半切换开关组有七个前级上半切换开关SW8～SW14，依串联次序自下而上的七个前级上半切换开关SW8～SW14一侧的静触点依次对应与上半串联电池小组的六节电池单体BT7～BT12的电极连接：其中
第一个前级上半切换开关SW8一侧的静触点1与上半串联电池小组的第一节电池单体BT7的负极连接，另一侧的动触点2与后级下切换开关SW-的第二动触点5连接；
第二个前级上半切换开关SW9一侧的静触点与上半串联电池小组的第二节电池单体BT8的负极连接，也是与上半串联电池小组的第一节电池单体BT7的正极连接，另一侧的动触点2与后级上切换开关SW+的第二动触点8连接；
同理，第六个前级上半切换开关SW13一侧的静触点1与上半串联电池小组的第六节电池单体BT12的负极连接，也是与上半串联电池小组的第五节电池单体BT11的正极连接，另一侧的动触点2与后级上切换开关SW+的第二动触点8连接；
第七个前级上半切换开关SW14一侧的静触点1与上半串联电池小组的第六节电池单体BT12的正极连接，另一侧的动触点2与后级下切换开关SW-的第二动触点5连接；
前级下半切换开关组中的七个前级下半切换开关SW1～SW7，以及前级上半切换开关组中的七个前级上半切换开关SW8～SW14是松下公司出品的型号为AQY211G2S的固态继电器，其负载电压额定值为40V，负载电流额定值为1.6A，前级下半切换开关SW1、SW3、SW5、SW7和前级上半切换开关SW8、SW10、SW12、SW14通过电阻R2连接直流电源VCC，前级上半切换开关SW2、SW4、SW6和前级上半切换开关SW9、SW11、SW13通过电阻R1连接直流电源VCC。
还包括CPU，后级切换开关组中的后级下切换开关SW-和后级上切换开关SW+、前级下半切换开关组中的七个前级下半切换开关SW1～SW7，以及前级上半切换开关组中的七个前级上半切换开关SW8～SW14的受控制端子，与CPU的端口L1～L15分别连接，由CPU发送指令控制切换，只将需要均衡的一节电池单体切换接入到均衡母线BUS+和BUS-上，与充放电模块连接，由充放电模块通过均衡母线BUS+和BUS-对该节电池单体进行主动充电均衡或者主动放电均衡。
如果上半串联电池小组的第六节电池单体BT12需要均衡充电，CPU的端口L14和L13受控输出低电平，第六个前级上半切换开关SW13和第七个前级上半切换开关SW14闭合，CPU的端口L15受控输出低电平，双极双位机械继电器REL的两个动合触点组闭合，上半串联电池小组的第六节电池单体BT12的正极由闭合的后级下切换开关SW-连接到母线BUS-上，负极由闭合的后级上切换开关SW+连接到母线BUS+上，充电模块直接通过母线BUS+和母线BUS-实现上半串联电池小组的第六节电池单体BT12的充电。
采用本具体实施方式的均衡切换控制电路，如果下半串联电池小组的第一节电池单体BT1需要均衡充电，处于关闭状态的对应连接上半串联电池小组的第六节电池单体BT12的第七个前级上半切换开关SW14的型号为AQY211G2S的固态继电器中的MOSFET，只需要承受6节电池单体的高压，如果电池单体电压为3.8V，高压为3.8×6＝22.8V，选用耐压为30V的MOSFET即可。即本发明的均衡切换控制电路将切换开关的耐压要求降低一半，有利于低压切换开关在多串数电池均衡电路中的推广应用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若于等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (5)
1.一种用于电池管理系统的均衡切换控制电路，用于组成串联电池组的电池单体的节数为偶数，即节数为2N，N为正整数，所有电池单体依串联次序自下而上均分为下半串联电池小组和上半串联电池小组，所述下半串联电池小组和上半串联电池小组的电池单体的节数为N，下半串联电池小组的第一节电池单体的负极是下半串联电池小组的负极，也是串联电池组的负极，上半串联电池小组的末尾节即第N节电池单体的正极是上半串联电池小组的正极，也是串联电池组的正极，其特征在于：
包括：
由后级下切换开关和后级上切换开关组成的后级切换开关组，所述后级切换开关组是双极双位转换开关，所述后级下切换开关的静触点与均衡母线BUS-连接，所述后级上切换开关的静触点与均衡母线BUS+连接；
开关个数比组成下半串联电池小组的电池单体的节数多一个的前级下半切换开关组，所述前级下半切换开关组有(N+1)个前级下半切换开关，每个前级下半切换开关是单极单位转换开关，依串联次序自下而上的(N+1)个前级下半切换开关一侧的静触点依次对应与所述下半串联电池小组的N节电池单体中的一节电池单体的电极连接：其中
第一个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第一节电池单体的负极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第一动触点连接；
第二个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第二节电池单体的负极连接，也是与下半串联电池小组的第一节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第一动触点连接；
同理，第N个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第N节电池单体的负极连接，也是与下半串联电池小组的第(N-1)节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第一动触点连接；
第(N+1)个前级下半切换开关一侧的静触点与下半串联电池小组的第N节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第一动触点连接；
开关个数比组成上半串联电池小组的电池单体的节数多一个的前级上半切换开关组，所述前级上半切换开关组有(N+1)个前级上半切换开关，每个前级上半切换开关是单极单位转换开关，依串联次序自下而上的(N+1)个前级上半切换开关一侧的静触点依次对应与所述上半串联电池小组的N节电池单体中的一节电池单体的电极连接：其中
第一个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第一节电池单体的负极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第二动触点连接；
第二个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第二节电池单体的负极连接，也是与上半串联电池小组的第一节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第二动触点连接；
同理，第N个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第N节电池单体的负极连接，也是与上半串联电池小组的第(N-1)节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级下切换开关的第二动触点连接；
第(N+1)个前级上半切换开关一侧的静触点与上半串联电池小组的第N节电池单体的正极连接，另一侧的动触点与所述后级上切换开关的第二动触点连接；
还包括CPU，所述后级切换开关组中的后级下切换开关和后级上切换开关、所述前级下半切换开关组中的(N+1)个前级下半切换开关，以及所述前级上半切换开关组中的(N+1)个前级上半切换开关的受控制端子，与所述CPU连接，由所述CPU发送指令控制切换，只将需要均衡的一节电池单体切换接入到均衡母线BUS+和BUS-上，与充放电模块连接，由充放电模块通过均衡母线BUS+和BUS-对该节电池单体进行主动充电均衡或者主动放电均衡。
2.如权利要求1所述的用于电池管理系统的均衡切换控制电路，其特征在于：
所述后级切换开关组是双极双位机械继电器和包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的固态继电器中的一种。
3.如权利要求1或2所述的用于电池管理系统的均衡切换控制电路，其特征在于：
所述前级下半切换开关和前级上半切换开关是单极单位转换开关。
4.如权利要求3所述的用于电池管理系统的均衡切换控制电路，其特征在于：
所述单极单位转换开关是型号为AQY211G2S固态继电器。
5.如权利要求4所述的用于电池管理系统的均衡切换控制电路，其特征在于：
所述电池单体是磷酸铁锂离子电池和三元材料锂离子电池中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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Owner name: SHENZHEN KLCLEAR TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: SHENZHEN KELIE TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 518057 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District Pine Hill Qi Min Road No. 1 Betel building on the third floor Patentee after: Ke Lie technical concern Co., Ltd of Shenzhen Address before: 518000, 15 floor, 3 industrial zone, two road, Nantou pass, Nanshan District, Guangdong, Shenzhen Patentee before: Shenzhen Klclear Technology Co., Ltd. |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 518057, Shenzhen, Guangdong province Nanshan District hi tech Park North Qi Road, 2, Qing Bang electronic building B Building 5, building 6, floor Patentee after: Ke Lie technical concern Co., Ltd of Shenzhen Address before: 518057 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District Pine Hill Qi Min Road No. 1 Betel building on the third floor Patentee before: Ke Lie technical concern Co., Ltd of Shenzhen |