CN109980621B - 电池组热插拔保护电路及保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电池组热插拔保护电路及保护方法，所述电池组包括N节串联的电池，第k节电池正极连接第k+1节电池负极；所述热插拔保护电路包括N个支路，第k个支路对应第k节电池正极，第N个支路对应第N节电池正极，每个支路串联一个开关管；第一控制信号控制每个开关管的通断，所述第一控制信号随着每个开关管的导通和关断实时变化，所述第一控制信号和每个支路输出端电压的差值经分压后驱动相应支路上开关管的通断；第k个支路比第k+1个支路优先导通，第k个支路比第k+1个支路关断慢，其中，1≤k<k+1≤N。本发明完全抑制了浪涌电流和浪涌电压，提升了电路性能。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种电池组热插拔保护电路及保护方法。
背景技术
由于蓄电池、超级电容等蓄电装置(为了说明方便，以下都用电池、电池组代替)的单体电压和容量都较低，在大系统里难以直接使用，实际中往往需要多节电池串联以提高电压，多节电池并联以提高容量。由于实际生产工艺问题和使用环境的差别，每个单体电池之间都有差异。为了安全和充分发挥电池组的性能，必须配备电池管理系统，而电池管理系统与电池组之间都是通过线束连接的，为了滤除线束上的干扰信号和消除负载变化对检测电压的影响，电池管理系统的输入端口都会并联有滤波电容。在生产组装过程和实际应用中，必然会碰到电池管理系统或其他应用设备与电池组之间的接插件插拔问题，而电池组始终是带电的，也即电池组的接插件插拔必定是热插拔，会引起过电流、过压、负压等可靠性问题。
现有技术电池组热插拔保护电路原理图如图1所示，修改接插件各个连接端子的长度，按照连接顺序要求，要求早连接的端子长一点，晚连接的端子短一点，从而实现各电池节点按一定的顺序上电，防止出现负电压，降低浪涌电流和浪涌电压的幅度。但是现有技术浪涌电流和浪涌电压依然存在，各节点的连接和断开延迟时间不可控；需要根据应用定制接插件，使用非常不方便，并且定制成本和量产周期都难以满足快速开发产品的要求；另外，串数扩展也不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池组热插拔保护电路及保护方法，用于解决现有技术中电池组热插拔引起的过流、过压、负压等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种电池组热插拔保护电路，所述电池组包括N节串联的电池，第k节电池正极连接第k+1节电池负极；所述热插拔保护电路包括N个支路，第k个支路对应第k节电池正极，第N个支路对应第N节电池正极，每个支路串联一个开关管；
第一控制信号用于控制每个开关管的通断，所述第一控制信号随着每个开关管的导通和关断实时变化，所述第一控制信号和每个支路输出端电压的差值经分压后驱动相应支路上的开关管通断；第k个支路比第k+1个支路优先导通，第k个支路比第k+1个支路关断慢，其中，1≤k<k+1≤N。
可选的，第k个支路输出端电压小于第k+1个支路输出端电压，第N-1个支路输出端电压小于第N个支路输出端电压。
可选的，所述热插拔保护电路还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路输出第一控制信号；所述驱动控制电路接收第N个支路的输出端电压和第一电压，所述第一控制信号接近第N个支路的输出端电压和第一电压的和，第N个支路的输出端的电压随着每个开关管的导通和关断实时变化。
可选的，所述热插拔保护电路还包括N个调节模块，N个调节模块分别对应热插拔保护电路的N个支路，每个调节模块的第一输入端和第二输入端分别连接驱动控制电路输出端和相应支路输出端，每个调节模块第一输出端和第二输出端分别连接相应开关管控制端和第N个支路的输出端。
可选的，每个调节模块包括第一电阻、第二电阻、第一二极管、第一稳压管和第二二极管，第一电阻和第一二极管串联组成第一串联电路，第二电阻和第一稳压管并联组成第一并联电路，第一串联电路第一端连接驱动控制电路输出端，其第二端连接第一并联电路第一端，第一并联第二端第二端连接调节模块输出端；所述第二二极管正极连接所述调节模块输出端，其负极连接第N个支路的输出端，第二电阻上电压驱动相应开关管通断。
可选的，一个调节模块的中的第一电阻和第二电阻与另一个调节模块中的第一电阻和第二电阻的阻值不同；调节某个调节模块中第一电阻和第二电阻的阻值，以调节相应支路的导通和关断速度。
可选的，所述开关管为MOS管或者IGBT或者功率三极管或者GTO。
可选的，所述开关管为双向开关管，所述双向开关管控制电池到应用电路的电流方向或者控制应用电路到电池的电流方向。
本发明还提供一种电池组热插拔保护方法，所述电池组包括N节串联的电池，第k节电池正极连接第k+1节电池负极；热插拔保护电路包括N个支路，第k个支路对应第k节电池正极，第N个支路对应第N节电池正极，每个支路串联一个开关管；
第一控制信号用于控制每个开关管的通断，所述第一控制信号随着每个开关管的导通和关断实时变化，所述第一控制信号和每个支路输出端电压的差值经分压后驱动相应支路上的开关管通断；第k个支路比第k+1个支路优先导通，第k个支路比第k+1个支路关断慢，其中，1≤k<k+1≤N。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：完全抑制了浪涌电流和浪涌电压，后端电路只需按额定电流、电压选取即可，降低系统成本；按顺序接入和断开电池各节点，避免了负电压损坏后端电路的问题；驱动控制电路可以灵活调节开关支路之间的开通延迟时间，可调节范围大；调节各支路开关管的驱动电阻，可以灵活调节开关关闭时间。由于只有前一个开关管开通后，后一个开关管才有足够的驱动电压，前后有因果关系，所以各支路驱动电压上升速率的调节是独立的。因此，各驱动电阻的选取，只需考虑本支路的需要，不受其他支路限制，能够很好的兼容开关速度和功耗问题；对单体电池的类型、电压等级无限制，如铅酸、磷酸铁锂、钛酸锂、超级电容、钴酸锂、三元、镍氢等所有电池类型都适用；容易扩展，对任意串数都适用；采用的都是通用、低成本元件，系统方案成本低，产品开发周期短；各支路采用的都是完全相同的器件，利于元件备货和降低采购成本；开关管可以为双向开关管或者单向开关管，并且开关管适用于MOS管、功率三极管，IGBT，GTO等有源开关类型。
附图说明
图1为现有技术电池组热插拔保护电路原理图；
图2为本发明电池组热插拔保护电路原理图；
图3为本发明驱动控制电路的原理图；
图4为开关管开通过程中第一控制信号的波形图；
图5为开关管关断过程中第一控制信号的波形图；
图6为本发明电池组热插拔保护电路的开关管的另一实施例；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图2所示，示意了本发明电池组热插拔保护电路原理图，所述电池组通过热插拔保护电路实现与后端应用电路的插拔，以解决电池组与应用电路热插拔过程中的电路可靠性问题。所述电池组包括多个串联的电池，所述热插拔保护电路包括与每节电池正负极对应的多个支路，每个支路都串联一个开关管(对于输出端接地的之路无需串联开关管)，所有支路的驱动都由第一控制信号Vdrv控制开和关，所述第一控制信号Vdrv随着每个开关管的导通和关断实时变化。所述开关管可以为MOS管、功率三极管，IGBT，GTO等有源开关类型，所述开关管可以为单向开关管，也可以为双向开关管。所述热插拔保护电路还包括驱动控制电路和多个调节模块，所述驱动控制电路输出所述第一控制信号Vdrv，每个开关管对应一个调节模块。每个调节模块包括每个调节模块包括第一电阻R1x、第二电阻R2x(不同调节模块中下标x不同，具体参见附图标记)、第一二极管Df、第一稳压管Dp和第二二极管Dx，第一电阻R1x和第一二极管Df串联组成第一串联电路，第二电阻R2x和第一稳压管Dp并联组成第一并联电路，第一串联电路第一端连接驱动控制电路输出端，其第二端连接第一并联电路第一端，第一并联电路第二端连接调节模块输出端。所述第二二极管Dx正极连接相应支路的输出端，负极连接电池组电压高电位端即最高支路输出端。稳压二极管Dp用来钳位驱动电压，防止驱动电压太高而损坏开关管。二极管Df用来隔离各支路开关的驱动，防止各支路的驱动电压相互干涉，或形成干扰回路，引起热插拔保护电路失效。同时，在其中某一或几个支路失效时，Df能够隔离开这些损坏的支路而不影响其他支路的运行。
如图3所示，示意了本发明驱动控制电路原理图，所述驱动控制电路为一个驱动控制电路，所述驱动控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、晶体管Q1、Q2、Q3(Q1、Q2为NPN型，Q3为PNP型)，电容C1、C2，二极管D1、D2和开关SD，电阻R1第一端接收方波信号Tp，其第二端连接晶体管Q1基极，晶体管Q1发射极接地，其集电极连接电阻R2第一端和晶体管Q2、Q3的基极。电阻R2第二端和晶体管Q2集电极接收最高支路输出电压Vn，晶体管Q2发射极连接晶体管Q3发射极和电容C1第一端，晶体管Q3集电极接地。电容C1第二端连接电阻R3第一端，电阻R3第二端连接二极管D1负极和二极管D2正极，二极管D1正极接收给定电压V+，二极管D2负极连接电容C2第一端，电容C2第二端接地，开关SD第一端连接电容C2和二极管D2公共端，其第二端输出第一控制信号Vdrv。电压V+的电压值满足关系式：Vb+Vth<V+-2VD<2Vb+Vth，其中：Vb为串联电池组中单体电池的电压，Vth为开关(S1、S2。。。Sn)的开启电压阀值，VD为驱动控制电路中二极管D1和D2的正向导通压降。开关SD闭合时，驱动控制电路的输出电压Vdrv≈Vn+V+-2VD，不再是一个固定的电压信号，而是一个由n+1个台阶组成的变化电压。
在相邻两个开关开启的时间内，有两个延迟时间，分别为驱动控制电路输出电压的上升时间和开关管驱动电压上升时间。其中，驱动控制电路输出电压的上升时间由输入方波频率、限流电阻R3、电容C1和C2等参数决定，比如增大R3电阻值，C2电容值，降低方波频率，可以延长驱动控制电路输出电压的上升时间，相反可以缩短输出电压的上升时间。开关管驱动电压上升时间由电阻值R1x、R2x，第一控制信号Vdrv和开关管的寄生电容Ciss共同决定，由于寄生电容在选定开关后不可调，Vdrv由驱动控制电路的上升时间决定，所以可通过调节电阻值R1x、R2x来实现开关管驱动电压上升时间的调节。
如图4所示，示意了开关管开通过程中第一控制信号的波形图，即开通过程中第一控制信号和各支路开关管驱动电压的相对时间关系。在t0时刻，图6中的开关SD导通，并输出一个方波信号到R1。此时Vn＝0V，驱动输出电压Vdrv＝V+-2VD。由于Vb+Vth<Vdrv<2Vb+Vth，即Vdrv1＝Vdrv-Vb>Vth，Vdrv2＝Vdrv-2Vb＜Vth，所以此时只能打开B1通道的开关S1，之上的开关S2～Sn都不能开启。到t1时刻，S1完成开通，B1支路的输出电压V1上升到Vb，由于图2中二极管D1的导通，Vn跟随V1上升到Vb，之后由于驱动控制电路的作用，第一控制信号Vdrv增加到Vdrv＝V++Vb-2VD，由于Vdrv2＝Vdrv-2Vb＝V+-Vb-2VD>Vth，Vdrv3＝Vdrv-3Vb＝V+-2Vb-2VD＜Vth，所以，t1时刻后能够打开B2支路的开关S2，而它之上的S3～Sn不能打开。到达t2时刻，S2开关完成开通，B2支路的输出电压V2上升到2Vb，Vn更随V2上升到2Vb，之后由于驱动控制电路的作用，第一控制信号Vdrv增加到Vdrv＝V++2Vb-2VD，由于Vdrv3＝Vdrv-3Vb＝V+-Vb-2VD>Vth，Vdrv4＝Vdrv-4Vb＝V+-2Vb-2VD＜Vth，所以，t2时刻后能够打开B3支路的开关S3，而它之上的S4～Sn不能打开。依次类推，开关S1～Sn逐一打开。
如图5所示，示意了开关管关断过程中第一控制信号的波形图，在t0时刻，断开图3中的开关SD，并关闭方波信号输出(保持高电平，或者低电平)，此时Vdrv＝V+-2VD+nVb。由于各支路输出端电压满足VBn>VB(n-1)>…>VB2>VB1，而Vdrv是各个通道共用的，所以在Vdrv下降的过程中，必然是Sn开关的驱动第一个(t1时刻)低于启动阀值，也即第一个关闭，Sn-1开关第二个(t2时刻)关闭，依次类推。由上文分析可知，由于开关矩阵各支路的顺序开通和关断，整个插拔过程中，系统不会出现负电压现象。调节驱动控制电路输出电压的上升速率(方波频率、限流电阻R3、电容C1和C2)就可以调节开关矩阵整体的开通速度，调节驱动电阻值R1x、R2x可以分别调节各支路的开关速度，从而抑制浪涌电压和浪涌电流。
如图6所示，示意了本发明池组热插拔保护电路的开关管的另一实施例原理图，所述开关管为双向开关管，可以控制电池到应用电路的电流方向，也可以控制应用电路到电池的电流方向。所述双向开关管即为两个连接的开关管，两个开关管的驱动电压均为分压电阻R1x、R2x分压得到，两个开关管的源极连接，一个开关管的漏极连接Bn端，另一个开关管的漏极连接应用电路。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电池组热插拔保护电路，其特征在于：所述电池组包括N节串联的电池，第k节电池正极连接第k+1节电池负极；所述热插拔保护电路包括N个支路，第k个支路对应第k节电池正极，第N个支路对应第N节电池正极，每个支路串联一个开关管；
第一控制信号用于控制每个开关管的通断，所述第一控制信号随着每个开关管的导通和关断实时变化，所述第一控制信号和每个支路输出端电压的差值经分压后驱动相应支路上开关管的通断；第k个支路比第k+1个支路优先导通，第k个支路比第k+1个支路关断慢，其中，1≤k<k+1≤N；
第k个支路输出端电压小于第k+1个支路输出端电压，第N-1个支路输出端电压小于第N个支路输出端电压；
所述热插拔保护电路还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路输出第一控制信号；所述驱动控制电路接收第N个支路的输出端电压和第一电压，所述第一控制信号接近第N个支路的输出端电压和第一电压的和，第N个支路的输出端电压随着每个开关管的导通和关断实时变化；
所述热插拔保护电路还包括N个调节模块，N个调节模块分别对应热插拔保护电路的N个支路，每个调节模块的第一输入端和第二输入端分别连接驱动控制电路输出端和相应支路输出端，每个调节模块第一输出端和第二输出端分别连接相应开关管控制端和第N个支路的输出端；
每个调节模块包括第一电阻、第二电阻、第一二极管、第一稳压管和第二二极管，第一电阻和第一二极管串联组成第一串联电路，第二电阻和第一稳压管并联组成第一并联电路，第一串联电路第一端连接驱动控制电路输出端，其第二端连接第一并联电路第一端，第一并联电路第二端连接调节模块输出端；所述第二二极管正极连接所述调节模块输出端，其负极连接第N个支路的输出端，第二电阻上的电压驱动相应开关管通断；
所述开关管为MOS管或者IGBT或者功率三极管或者GTO；
所述开关管为双向开关管，所述双向开关管控制电池到应用电路的电流方向或者控制应用电路到电池的电流方向。
2.根据权利要求1所述的电池组热插拔保护电路，其特征在于：一个调节模块中的第一电阻和第二电阻与另一个调节模块中的第一电阻和第二电阻的阻值不同；调节某个调节模块中第一电阻和第二电阻的阻值，以调节相应支路的导通和关断速度。
3.一种电池组热插拔保护方法，基于权利要求1所述的电池组热插拔保护电路，其特征在于：所述电池组包括N节串联的电池，第k节电池正极连接第k+1节电池负极；热插拔保护电路包括N个支路，第k个支路对应第k节电池正极，第N个支路对应第N节电池正极，每个支路串联一个开关管；
第一控制信号用于控制每个开关管的通断，所述第一控制信号随着每个开关管的导通和关断实时变化，所述第一控制信号和每个支路输出端电压的差值经分压后驱动相应支路上开关管的通断；第k个支路比第k+1个支路优先导通，第k个支路比第k+1个支路关断慢，其中，1≤k<k+1≤N。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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