CN105703424A - 一种用于电池管理系统均衡器及其切换网络电路 - Google Patents

一种用于电池管理系统均衡器及其切换网络电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电池管理系统均衡器及其切换网络电路，所述切换网络电路包括与待均衡电池组中每个待均衡电池单体相对应的主动均衡切换开关对，每个主动均衡切换开关对包括第一MOSFET管和第二MOSFET管，所述第一MOSFET管的漏极连接到电池电极上，第二MOSFET管的漏极连接到公共均衡母线上，第一MOSFET管的漏极连接到奇数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极D就连接到均衡母线负极上；第一MOSFET管的漏极连接到偶数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极D就连接到均衡母线正极上。本发明在不增加额外器件的情况下，大幅简化了通用MOSFET切换开关电路的实现方式，从而得以采用通用MOSFET切换开关来代替昂贵并且笨重的固态开关或继电器。

Description

一种用于电池管理系统均衡器及其切换网络电路
技术领域
本发明涉及电池管理系统，特别涉及一种用于电池管理系统均衡器及其切换网络电路。
背景技术
锂离子电池等新型电池在串联使用时，电池单体间的不一致性会导致成组后的电池组可用容量变小，在充电时，电压偏高的电池单体会导致充电过程提前终止，充电容量变小；放电时，电压偏低的电池单体会导致放电过程提前终止，放电容量减小；为了改善电池的一致性，目前比较有效的方法是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，图1是目前可行的均衡方案之一。
电池均衡系统主要由两部分组成：切换网络电路(简称切换网络)和均衡充放电模块(简称充放电模块),工作时CPU控制切换网络将需要均衡的电池单体切换到均衡母线上(BUS+,BUS-)均衡充放电模块通过均衡母线对该电池单体进行充电或放电，以实现均衡功能。其中切换网络电路如图2中虚框内所示，图中BT1～BT12为12节待均衡电池单体，SW0～SW12为切换开关，其工作过程如下：假设第一节待均衡电池单体BT1需要均衡，CPU将控制SW0和SW1闭合，SW2～12断开，此时BT1电池单体就接入到均衡母线正极BUS+和负极BUS-上，与均衡母线连接的均衡充放电模块就可以对该单体进行充电均衡或者放电均衡。
在上述均衡控制电路中，SW0～SW12切换开关的成本较高，一般选用机械继电器或者半导体固态继电器实现，尤其在均衡电流较大的场合，切换开关的成本随电流和电压成几何级数上升，另外机械继电器有体积大的缺点，不利于产品小型化。
另一方面，在目前的电池管理系统中除电池均衡功能外还有一个重要功能就是电池单体电压采集功能，电压采集功能可以由成熟的专用集成采集芯片来实现，例如美国TI公司的BQ76PL536，LINEAR公司的LTC6803，MAXIM公司的MAX17830,例如专用集成电压芯片BQ76PL536的工作原理，其典型工作电路如图3所示。
图3中BQ76PL536除了可以完成6节电池单体CELL1～CELL6的电压采集功能外，还可以实现6节待均衡电池单体的被动式放电均衡，均衡工作过程如下：设CELL3需要进行放电均衡，BQ76PL536将控制CB3管脚(MOSFET驱动管脚，被动均衡驱动接口管脚)输出相对于BAT2的一个高电平，该高电平将打开MOSFET管Q4，CELL3的多余电能将通过功率电阻RBAL4电阻和MOSFET管Q4短路消耗掉，实现了放电式被动均衡,该芯片的均衡控制管脚CB1～CB6均可输出高电平驱动对应的MOSFET导通，从而实现各个电池单体的放电式被动均衡。但方案无法实现充电式主动均衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电池管理系统均衡器及其切换网电路，可以实现充电式主动均衡，并且可以采用低本的通用MOSFET切换开关。
为此，本发明提出的用于电池管理系统均衡器包括均衡充放电模块、切换网络电路和切换网络控制电路；所述均衡充放电模块包括均衡母线正极和均衡母线负极；所述切换网络电路一端与所述均衡充放电模块相连，另一端与待均衡电池组相连；所述切换网络控制电路与切换网络电路相连，用于控制切换网络的切换动作；所述切换网络电路包括与待均衡电池组中每个待均衡电池单体相对应的主动均衡切换开关对，每个主动均衡切换开关对包括第一MOSFET管和第二MOSFET管，所述第一MOSFET管的漏极连接到电池电极上，第二MOSFET管的漏极连接到公共均衡母线上，第一MOSFET管的漏极连接到奇数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线负极上；第一MOSFET管的漏极连接到偶数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线正极上。
优选地，本发明的用于电池管理系统均衡器还可以具有如下特征：
还包括固态继电器开关，其一端连接到待均衡电池组正极，另一端连接到均衡母线负极；还包括外部控制电路，单独控制所述固态继电器开关的导通和关断。
所述切换网控制电路包括可对待均衡电池单体的实现被动式放电均衡的电池单体电压采集芯片，及其外围电路。
所述芯片是如下之一：BQ76PL536、LTC6803、MAX17830。
每个主动均衡切换开关对的控制极各自连接到所述芯片的一个MOSFET驱动管脚。
第一MOSFET管和第二MOSFET管的源极连接在一起，栅极连接在一起，在源极和栅极之间设置一个电阻，该电阻调整第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极和源极之间的阻抗，使栅极和源极之间得到稳定的电平。
所述电压采集芯片中电压采集线的导线长度小于单纯被动式放电均衡时所采用的导线长度，或者导线截面积大于单纯被动式放电均衡时所采用的导线截面。
所述MOSFET为AO4892，所述固态继电器为AQV252G。
所述待均衡电池组中所包括的待均衡电池单体数量为6个或12个。
本发明还提出一种用于电池管理系统均衡器的切换网络电路，包括与待均衡电池组中每个待均衡电池单体相对应的主动均衡切换开关对，每个主动均衡切换开关对包括第一MOSFET管和第二MOSFET管，所述第一MOSFET管的漏极连接到电池电极上，第二MOSFET管的漏极连接到公共均衡母线上，第一MOSFET管的漏极连接到奇数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线负极上；第一MOSFET管的漏极连接到偶数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线正极上。
本发明的优点在于，通过对MOSFET开关管电路的巧妙设计，在不增加额外器件的情况下，大幅简化了通用MOSFET切换开关电路的实现方式，从而得以采用通用MOSFET切换开关来代替昂贵并且笨重的固态开关或继电器。
本发明利用常见的被动均衡驱动电路驱动主动均衡切换开关，适用于所有带有被动均衡驱动接口的电池电压采集芯片，技术上有普遍性。
附图说明
图1是电池管理系统均衡器框图。
图2是电池管理系统均衡器切换网络电路示图图。
图3是专用集成电压芯片BQ76PL536的典型工作电路示意图。
图4是本发明实施例电路原理图。
图5是本发明实施例虚线方框部分放大示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例通过巧妙的电路设计，能够采用BQ76PL536等芯片实现主动均衡切换开关的控制，其原理如图4所示。
图4中虚线框内电路与图3不同，这里增加了6对MOSFET(分别为Q01A、Q01B、～Q06A、Q06B)，一个固态继电器开关K7，增加部分如图5所示。图4、图5中的所有BUS+信号接到一起接到均衡充放电模块BUS+端口，所有BUS‐信号接到一起接到均衡充放电模块BUS‐端口。
如图4所示，所有均衡开关均由两个N沟道MOSFET组成(MOSFET开关管对，主动均衡切换开关对)，称为A管(第一MOSFET管)和B管(第二MOSFET管)，A管和B管的源极S连接在一起，栅极G连接在一起，在源极S和栅极G之间设置一个电阻，该电阻调整A管和B管的G和S之的阻抗，使G和S之间得到稳定的电平。A管的漏极D连接到电池电极上，B管的漏极D连接到公共均衡母线上，如果均衡开关的A管的漏极D与1#、3#、5#等奇数单体的负极连接，那么该均衡开关的B管的漏极D就连接到均衡母线负极BUS‐上,如果均衡开关的A管的漏极D与2#、4#、6#等偶数单体的负极连接，那么该均衡开关的B管的漏极D就连接到均衡母线正极BUS+上。
其工作过程如下：同样设CELL3需要均衡，BQ76PL536芯片控制CB3和CB4输出高电平，其余CB端口均为断开状态；当CB3输出高电平后，Q03A和Q03B会导通，CELL3的负极通过MOSFET连接到BUS‐网络；在CB4输出高电平后，Q04A和Q04B会导通，CELL3的正极通过MOSFET连接到BUS+网络；此时即可启动均衡充放电模块通过BUS+和BUS‐端口对CELL3电池单体进行充电或者放电均衡，CELL1～CELL5的均衡控制方法与此类似，最上端的CELL6单体均衡过程与其他单体不同，除了需要BQ76PL536芯片控制CB6输出高电平驱动Q06A和Q06B导通外，还需要外部控制电路单独控制继电器K7导通，以实现CELL6单体接入到BUS+和BUS‐充放电网络中的目的，实现充放电均衡。
本实施例利用专用集成电压芯片的固有功能接口，通过对专用电压集成芯片外围电路的改造，实现了采用6对低成本通用的MOSFET(分别为Q01A、Q01B、～Q06A、Q06B)替代6个高成本切换开关(一般为机械继电器或者半导体固态继电器)。通常，不共地的六组MOSFET切换开关的非常难以驱动，本实施例利用了BQ76PL536芯片的现有被动均衡驱动接口，在不增加额外器件的情况下，大幅简化了通用MOSFET切换开关电路的实现方式。
通过上述电路有利于实现均衡器的小型化和低成本，上述MOSFET可以选用AOS公司的AO4892，固态继电器K7可以选用松下公司的AQV252G。
新增加的电路在进行充放电均衡时，由于主动均衡电流较原先的被动均衡电流大(主动均衡1～2A，被动均衡一般为100mA左右)，均衡电流在电压采集线上的压降会较大影响电压采集精度，可以采用缩短导线长度或者提高导线截面积的方法降低线路阻抗，以减少由于均衡电流流过导致的电池电压采集误差。
图4中的专用集成电压采集芯片BQ76PL536，可以替换为其他类似芯片，如LINEAR公司的LTC6803，MAXIM公司的MAX17830；更换芯片后，电路拓扑和电池串数会相应变化，如6串变为12串。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效方法变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于电池管理系统均衡器，包括均衡充放电模块、切换网络电路和切换网络控制电路；所述均衡充放电模块包括均衡母线正极和均衡母线负极；所述切换网络电路一端与所述均衡充放电模块相连，另一端与待均衡电池组相连；所述切换网络控制电路与切换网络电路相连，用于控制切换网络的切换动作；其特征在于：所述切换网络电路包括与待均衡电池组中每个待均衡电池单体相对应的主动均衡切换开关对，每个主动均衡切换开关对包括第一MOSFET管和第二MOSFET管，所述第一MOSFET管的漏极连接到电池电极上，第二MOSFET管的漏极连接到公共均衡母线上，第一MOSFET管的漏极连接到奇数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线负极上；第一MOSFET管的漏极连接到偶数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线正极上。
2.如权利要求1所述的用于电池管理系统均衡器，其特征在于：还包括固态继电器开关，其一端连接到待均衡电池组正极，另一端连接到均衡母线负极；还包括外部控制电路，单独控制所述固态继电器开关的导通和关断。
3.如权利要求1所述的用于电池管理系统均衡器，其特征在于：所述切换网控制电路包括可对待均衡电池单体的实现被动式放电均衡的电池单体电压采集芯片，及其外围电路。
4.如权利要求3所述的用于电池管理系统均衡器，其特征在于：所述芯片是如下之一：BQ76PL536、LTC6803、MAX17830。
5.如权利要求4所述的用于电池管理系统均衡器，其特征在于：每个主动均衡切换开关对的控制极各自连接到所述芯片的一个MOSFET驱动管脚。
6.如权利要求1所述的用于电池管理系统均衡器，其特征是：第一MOSFET管和第二MOSFET管的源极连接在一起、栅极连接在一起，在源极和栅极之间设置一个电阻，该电阻调整第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极和源极之间的阻抗，使栅极和源极之间得到稳定的电平。
7.如权利要求5所述的用于电池管理系统均衡器，其特征是：所述电压采集芯片中电压采集线的导线长度小于单纯被动式放电均衡时所采用的导线长度，或者导线截面积大于单纯被动式放电均衡时所采用的导线截面。
8.如权利要求7所述的用于电池管理系统均衡器，其特征是：所述MOSFET为AO4892，所述固态继电器为AQV252G。
9.如权利要求1所述的用于电池管理系统均衡器，其特征是：所述待均衡电池组中所包括的待均衡电池单体数量为6个或12个。
10.一种用于电池管理系统均衡器的切换网络电路，其特征在于：包括与待均衡电池组中每个待均衡电池单体相对应的主动均衡切换开关对，每个主动均衡切换开关对包括第一MOSFET管和第二MOSFET管，所述第一MOSFET管的漏极连接到电池电极上，第二MOSFET管的漏极连接到公共均衡母线上，第一MOSFET管的漏极连接到奇数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线负极上；第一MOSFET管的漏极连接到偶数电池单体负极上的主动均衡切换开关对，其第二MOSFET管的漏极就连接到均衡母线正极上。
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