CN104901371A - 一种用于电池管理系统均衡器的功率切换开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电池管理系统均衡器的切换开关电路，各个切换开关单元包括参数相同且共源极连接的两个MOS场效应管、反极性串联连接在两个MOS场效应管漏极之间的两个稳压二极管、连接在两个MOS场效应管栅极与源极之间的一个防误触发公共栅极电阻、一端与两个MOS场效应管栅极和防误触发公共栅极电阻连接而另一端与CPU连接的晶体管光电耦合器、晶体管光电耦合器发光源和受光器电源，设有一个驱动辅助电阻。采用通用晶体管光电耦合器和适当灵活地选择不同功率等级的MOS场效应管替代现有技术中的固态继电器，可以在显著降低多路功率切换电路的成本的前提下大幅度提高切换开关的通电流能力，实现切换开关至少5A的通流能力。
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均衡器的功率切换开关。
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。为有效改善电池的一致性，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。现有的均衡器大多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，其中的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。图1是M＝3的一种均衡器的组成简图，充放电模块和CPU省略未画出。4个切换开关K1、K2、K3和K4是单极单位转换开关，由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。图2是典型的现有采用功率较小的太阳能电池的固态继电器作为切换开关的均衡器组成电路图，固态继电器是日本松下公司出品的型号为AQY212S的固态继电器，驱动电路和金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，以下简称为MOS场效应管)是隔离的，由于MOS场效应管的通流能力有限，允许电流一般在1A以下，如果电流大于1A，MOS场效应管的成本将大幅上升，因此，制约了均衡器的广泛应用。
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，提供一种改进的用于电池管理系统均衡器的功率切换开关。
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均衡器的切换开关电路，所述均衡器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，所述均衡切换控制电路包括个数比组成串联电池组的奇数M节电池单体的节数多一个的切换开关单元，即有偶数[M+1]个切换开关单元，每个切换开关单元是单极单位转换开关，用于均衡通道功率切换，依串联次序自下而上的[M+1]个切换开关单元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：第一个切换开关单元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；第二个切换开关单元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个切换开关单元一侧的静触点与第M节电池单体的负极连接，也是与第[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]个切换开关单元一侧的静触点与第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；每个切换开关单元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单元闭合而其它的切换开关单元断开，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，与所述充放电模块连接，由所述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。
这种用于电池管理系统均衡器的切换开关电路的特点是：
所述切换开关单元，包括参数相同且共源极连接的两个MOS场效应管、反极性串联连接在两个MOS场效应管漏极之间的两个稳压二极管、连接在两个MOS场效应管栅极与源极之间的一个防误触发公共栅极电阻、一端与两个MOS场效应管栅极和防误触发公共栅极电阻连接而另一端与所述CPU连接的晶体管光电耦合器、所述晶体管光电耦合器的发光源电源、以及所述晶体管光电耦合器的受光器电源，所述稳压二极管用于分别保护两个MOS场效应管中与其正极连接的一个MOS场效应管，防止其过压损坏，所述晶体管光电耦合器用于各个通道之间隔离驱动信号。
还设有一个驱动辅助电阻，所述驱动辅助电阻的两端分别与均衡母线BUS+和BUS－连接，用于为偶数通道的MOS场效应管的驱动信号提供辅助回路。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述晶体管光电耦合器是日本瑞萨电子公司(Renesas Electronics)出品的型号为PS2581的晶体管光电耦合器。
所述MOS场效应管是美国安森美半导体公司(ON Semiconductor)出品的型号为NTD3055-150的MOS场效应管。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
采用通用晶体管光电耦合器和适当灵活地选择不同功率等级的MOS场效应管替代现有技术中的固态继电器，可以在显著降低多路功率切换电路的成本的前提下大幅度提高切换开关的通电流能力，实现切换开关至少5A的通流能力。
附图说明
图1是现有用于电池管理系统均衡器的组成简图；
图2是现有用于电池管理系统均衡器的切换开关的组成电路图；
图3是本发明具体实施方式的功率切换开关的组成电路图。
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3所示的用于电池管理系统均衡器的切换开关电路，均衡器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，均衡切换控制电路包括个数比组成串联电池组的奇数三节电池单体BT1、BT2和BT3的节数多一个的切换开关单元，即有偶数四个切换开关单元K1、K2、K3和K4，每个切换开关单元是单极单位转换开关，用于均衡通道功率切换，依串联次序自下而上的四个切换开关单元K1、K2、K3和K4一侧的静触点依次对应与三节电池单体中的一节电池单体BT1、BT2和BT3的电极连接：第一个切换开关单元K1一侧的静触点与第一节电池单体BT1的负极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS－连接；第二个切换开关单元K2一侧的静触点与第二节电池单体BT2的负极连接，也是与第一节电池单体BT1的正极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS+连接；第三个切换开关单元K3一侧的静触点与第三节电池BT3单体的负极连接，也是与第二节电池单体BT2的正极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS－连接；第四个切换开关单元K4一侧的静触点与第三节电池单体BT3的正极连接，另一侧的动触点与均衡母线BUS+连接；每个切换开关单元K1、K2、K3和K4的受控制端子分别与CPU连接，由CPU发送指令控制其中的相应一个切换开关单元闭合而其它的切换开关单元断开，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。
本具体实施方式的切换开关单元K1、K2、K3和K4，分别包括参数相同且共源极连接的两个MOS场效应管Q1A和Q1B、Q2A和Q2B、Q3A和Q3B、Q4A和Q4B、反极性串联连接在两个MOS场效应管漏极之间的两个稳压二极管D1A和D1B、D2A和D2B、D3A和D3B、D4A和D4B、连接在两个MOS场效应管栅极与源极之间的一个防误触发公共栅极电阻R01、R02、R03和R04、一端与两个MOS场效应管栅极和防误触发公共栅极电阻连接而另一端与CPU连接的晶体管光电耦合器K01、K02、K03和K04、晶体管光电耦合器K01、K02、K03和K04的发光源电源+12V、以及晶体管光电耦合器的受光器电源+3V，稳压二极管D1A和D1B、D2A和D2B、D3A和D3B、D4A和D4B用于分别保护两个MOS场效应管中与其正极连接的一个MOS场效应管，防止其过压损坏，晶体管光电耦合器K01、K02、K03和K04用于各个通道之间隔离驱动信号。
还设有一个驱动辅助电阻RX，驱动辅助电阻RX的两端分别与均衡母线BUS+和BUS－连接，用于为偶数通道的MOS场效应管Q2A和Q2B、Q4A和Q4B的驱动信号分别提供辅助回路。
晶体管光电耦合器K01、K02、K03和K04是日本瑞萨电子公司(Renesas Electronics)出品的型号为PS2581的晶体管光电耦合器。
MOS场效应管Q1A和Q1B、Q2A和Q2B、Q3A和Q3B、Q4A和Q4B是美国安森美半导体公司(ON Semiconductor)出品的型号为NTD3055-150的MOS场效应管。
稳压二极管D1A和D1B、D2A和D2B、D3A和D3B、D4A和D4B是美国安森美半导体公司(ON Semiconductor)公司出品的型号为MM3Z27V的稳压二极管。
本具体实施方式的工作过程如下：
当CPU控制晶体管光电耦合器K01、K02分别导通时，发光源电源12V电源的正端+12V的电流通过晶体管光电耦合器K01的3脚分别流到MOS场效应管Q1A的栅极、MOS场效应管Q1B的栅极以及防误触发电阻R01的一端，通过通路：防误触发电阻R01和MOS场效应管Q1B的体二极管流回发光源电源的负端12VGND，在防误触发电阻R01电阻两端产生稳定的驱动电压，驱动MOS场效应管Q1A、Q1B导通，在MOS场效应管Q1A、Q1B导通后，驱动信号将不再经过MOS场效应管Q1B的体二极管，而是直接经过导通的MOS场效应管Q1B。
同时，发光源电源12V电源的正端+12V的电流还通过晶体管光电耦合器K02的3脚分别流到MOS场效应管Q2A的栅极、MOS场效应管Q2B的栅极以及防误触发电阻R02的一端，通过通路一：防误触发电阻R02→MOS场效应管Q2A的体二极管→电池BT1→MOS场效应管Q1A→MOS场效应管Q1B流回发光源电源的负端12VGND，或者通过通路二：防误触发电阻R02→MOS场效应管Q2B的体二极管→驱动辅助电阻RX流回发光源电源的负端12VGND，在防误触发电阻R02两端产生稳定的驱动电压，驱动MOS场效应管Q2A、Q2B导通，在MOS场效应管Q2A、Q2B导通后，驱动信号将不再经过MOS场效应管Q2A的体二极管或者MOS场效应管Q2B的体二极管，而是直接经过导通的MOS场效应管Q2A或者MOS场效应管Q2B。
在MOS场效应管Q1A、Q1B和MOS场效应管Q2A、Q2B都导通的状态下，电池BT1接入到均衡母线BUS+和BUS-之间。
同理，当CPU控制晶体管光电耦合器K02、K03分别导通时，MOS场效应管Q2A、Q2B和MOS场效应管Q3A、Q3B都导通，电池BT2接入到均衡母线BUS+和BUS-之间。
当CPU控制晶体管光电耦合器K03、K04分别导通时，MOS场效应管Q3A、Q3B和MOS场效应管Q4A、Q4B都导通，电池BT3接入到均衡母线BUS+和BUS-之间。
本具体实施方式采用通用晶体管光电耦合器和适当灵活地选择不同功率等级的MOS场效应管替代现有技术中的固态继电器，可以在显著降低多路功率切换电路的成本的前提下大幅度提高切换开关的通电流能力，实现切换开关至少5A的通流能力。
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干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 (3)
1.一种用于电池管理系统均衡器的切换开关电路，所述均衡器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，所述均衡切换控制电路包括个数比组成串联电池组的奇数M节电池单体的节数多一个的切换开关单元，即有偶数[M+1]个切换开关单元，每个切换开关单元是单极单位转换开关，用于均衡通道功率切换，依串联次序自下而上的[M+1]个切换开关单元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：第一个切换开关单元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；第二个切换开关单元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个切换开关单元一侧的静触点与第M节电池单体的负极连接，也是与第[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]个切换开关单元一侧的静触点与第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；每个切换开关单元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单元闭合而其它的切换开关单元断开，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，与所述充放电模块连接，由所述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，其特征在于：
所述切换开关单元，包括参数相同且共源极连接的两个MOS场效应管、反极性串联连接在两个MOS场效应管漏极之间的两个稳压二极管、连接在两个MOS场效应管栅极与源极之间的一个防误触发公共栅极电阻、一端与两个MOS场效应管栅极和防误触发公共栅极电阻连接而另一端与所述CPU连接的晶体管光电耦合器、所述晶体管光电耦合器的发光源电源、以及所述晶体管光电耦合器的受光器电源，所述稳压二极管用于分别保护两个MOS场效应管中与其正极连接的一个MOS场效应管，防止其过压损坏，所述晶体管光电耦合器用于各个通道之间隔离驱动信号；
还设有一个驱动辅助电阻，所述驱动辅助电阻的两端分别与均衡母线BUS+和BUS－连接，用于为偶数通道的MOS场效应管的驱动信号提供辅助回路。
2.如权利要求1所述的用于电池管理系统均衡器的切换开关电路，其特征在于：
所述晶体管光电耦合器是型号为PS2581的晶体管光电耦合器。
3.如权利要求1或2所述的用于电池管理系统均衡器的切换开关电路，其特征在于：
所述MOS场效应管是型号为NTD3055-150的MOS场效应管。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
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 Applicant 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 Applicant before: Ke Lie technical concern Co., Ltd of Shenzhen |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150909 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |