CN112436572B - 一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路 - Google Patents

一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，包括n个电池、n+1个电池切换电路、开关电路、充放电模块和控制模块；第n个电池的负极与第n电池切换电路的一端连接，第n个电池的正极与第n+1电池切换电路的一端连接，第n+1电池切换电路的另一端和开关电路的第一输入端连接，第n电池切换电路的另一端和开关电路的第二输入端连接，开关电路的第一输出端充放电模块连接，开关电路的第二输出端和充放电模块连接；n+1个电池切换电路和开关电路分别和控制模块连接。本发明采用通用场效应管作为电池切换开关，替代现有技术中的继电器和固态继电器，寿命、可靠性和性价比显著提高。

Description

一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路。
背景技术
随着技术的发展，单个电池无法满足大功率设备的供电需求，因此需要将电池串联成电池包，但由于电池SOC、自放电率、容量、阻抗和温度特性的不同，有可能导致电池之间的不均衡。在出厂时，厂家会对电池进行筛选排序以电压判断SOC，但个体的差异会随时间使电池电压极化。如果不加以外部干预，在电池包充满电时，弱点电池(容量低或内阻高)会比其他串联电池有更高的电压；同时由于高内阻或更快的放电速率(由于小容量)，在放电过程中弱点电池会比其他电池的电压低。为改善电池的一致性，需要对电池进行均衡，其作用是保证电池包内部电池的差异维持在一定范围内，可以防止电池包受损，延长电池包寿命。
均衡分为被动均衡和主动均衡。被动均衡是利用电阻将电压高的电池的能量进行释放。主动均衡是对电压高的电池进行放电，对电压低的电池进行充电，实现能量的转移。
现有技术中，一是采用继电器作为切换开关，由于继电器的寿命、体积、可靠性等方面的原因，限制了这种开关切换网络技术的应用。二是采用固态继电器作为切换开关，由于固态继电器的载流量有限，且价格较高，限制了这种开关切换网络技术的应用。三是采用增强型场效应管作为切换开关，由于增强型场效应管需要隔离驱动，限制了在串联数更高的电池组上的应用以及应用的灵活性。
发明内容
针对现有技术中电池管理效率较低的问题，本发明提出一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，通过采用N沟道增强型场效应管作为电池切换开关，并为电池切换开关提供不同的驱动电路，扩展了电子开关切换电路可以控制和管理的电池串联数量，从而提高了电池管理效率。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，包括n个电池、n+1个电池切换电路、开关电路、充放电模块和控制模块；
n个电池串联形成电池组，n≥2且为正整数；第n个电池的负极与第n电池切换电路的一端连接，第n个电池的正极与第n+1电池切换电路的一端连接，第n+1电池切换电路的另一端和开关电路的第一输入端连接，第n电池切换电路的另一端和开关电路的第二输入端连接，开关电路的第一输出端和充放电模块的正极连接，开关电路的第二输出端和充放电模块的负极连接；n+1个电池切换电路和开关电路分别和控制模块连接。
优选的，所述电池切换电路包括两个场效应管、一个光电耦合器和控制模块，两个场效应管反向串联，控制模块通过控制光电耦合器的导通从而控制场效应管的开关；场效应管为N沟道增强型场效应管。
优选的，所述电池切换电路还包括与两个场效应管并联的二极管；二极管为稳压二极管，用于保护场效应管，防止过压损坏。
优选的，所述电池切换电路还包括与两个场效应管并联的电阻，用于防止场效应管误导通。
优选的，所述光电耦合器包括晶体管光电耦合器和光敏二极管光电耦合器，用于驱动场效应管和电气隔离；第1电池切换开关电路到第n-1电池切换开关电路的驱动器为晶体管光电耦合器；第n电池切换开关电路和第n+1电池切换开关电路的驱动器为光敏二极管光电耦合器。
优选的，所述晶体管光电耦合器的数量为n-2个，分别驱动第1电池切换开关电路到第n-1电池切换开关电路；第n电池切换开关电路和第n+1电池切换开关电路的驱动分别由两个光敏二极管光电耦合器驱动。
这种方式的好处是利用电池组内较高电势的电池电压来驱动较低电势的电池切换开关电路，极大地扩展了电子开关切换网络可以控制和管理的电池串联数量，降低了驱动电路的成本。
优选的，所述开关电路包括4个子开关电路，实现电池到充放电模块的双向整流；所述子开关电路包括场效应管、光电耦合器和控制模块，控制模块通过控制光电耦合器的导通从而控制场效应管的开关。
优选的，所述光电耦合器为光敏二极管光电耦合器。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明采用通用场效应管作为电池切换开关，替代现有技术中的继电器和固态继电器，能够根据实际应用中的功率需求进行灵活选择，寿命、体积、可靠性和性价比显著提高；第1电池切换开关电路到第n-1电池切换开关电路的驱动器为晶体管光电耦合器(受光器为光敏三极管)；第n电池切换开关电路和第n+1电池切换开关电路的驱动器为光敏二极管光电耦合器(受光器为光敏二极管)，通过利用电池组内较高电势的电池电压来驱动较低电势的电池切换开关电路，扩展了电子开关切换电路可以控制和管理的电池串联数量，降低了隔离驱动电路的成本。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例的一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路原理示意图。
图2为根据本发明示例性实施例的一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，包括n个电池、n+1个电池切换电路、开关电路、充放电模块和控制模块。
n个电池串联形成电池组，n≥2且为正整数；第n个电池的负极与第n电池切换电路的一端连接，第n个电池的正极与第n+1电池切换电路的一端连接，第n+1电池切换电路的另一端和开关电路的第一输入端连接，第n电池切换电路的另一端和开关电路的第二输入端连接，开关电路的第一输出端和充放电模块的正极连接，开关电路的第二输出端和充放电模块的负极连接；n+1个电池切换电路和开关电路分别和控制模块连接。
本实施例中，通过n+1个电池切换电路的开闭将n个电池中任意一个电池连接至开关电路，开关电路用于实现电池到充放电模块的双向整流。控制模块通过控制每个电池切换电路的开闭和开关电路的开闭，实现了任意一个电池到充放电模块的连通，再利用充放电模块实现对任意一个电池的双向主动均衡。
本实施例中，如图2所示，每一个电池切换电路包括两个场效应管、两个二极管、电阻、光电耦合器和控制模块MCU。两个场效应管反向串联，两个二极管反向串联且和两个场效应管并联，电阻分别与两个场效应管并联，控制模块MCU通过光电耦合器控制两个场效应管的开关。场效应管，可采用N沟道增强型场效应管和P沟道增强型场效应管，用于实现电池切换电路的开关；二极管为稳压二极管，用于保护场效应管，防止过压损坏；电阻防止场效应管误导通；光电耦合器包括晶体管光电耦合器和光敏二极管光电耦合器(也可全部采用光敏二极管光电耦合器)，用于驱动场效应管和电气隔离，驱动电压为3.3V；控制模块MCU用于控制光电耦合器的导通。
本实施例中，第1电池切换开关电路到第n-1电池切换开关电路的驱动器为晶体管光电耦合器(受光器为光敏三极管)；第n电池切换开关电路和第n+1电池切换开关电路的驱动器为光敏二极管光电耦合器(受光器为光敏二极管)。这种电路连接设置是利用电池组内较高电势的电池电压来驱动较低电势的电池切换开关电路，极大地扩展了电子开关切换网络可以控制和管理的电池串联数量，降低了隔离驱动电路的成本。
以第一电池切换电路进行说明，第一光电耦合器为晶体管光电耦合器，第一电池切换电路为：第五场效应管Q5的漏极分别与第一电池E1的负极和第一二极管D1的正极连接，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极连接，第二二极管D2的负极、第六场效应管Q6的漏极、第五场效应管Q5的栅极、第六场效应管Q6的栅极、第一电阻R1的一端并联后与第一光电耦合器U1的受光器的发射极连接，第一光电耦合器U1的受光器的集电极c2与第二电池E2的正极连接，第一光电耦合器U1输入端阴极与控制模块MCU连接，第一光电耦合器U1输入端阳极与3.3V电压连接；第五场效应管Q5的源极分别和第六场效应管Q6的源极、第一电阻R1的另一端连接。
以第二电池切换电路进行说明，第二光电耦合器为晶体管光电耦合器，第二电池切换电路为：第七场效应管Q7的漏极分别与第一电池E1的正极、第二电池E2的负极和第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极和第四二极管D4的正极连接，第四二极管D4的负极和第八场效应管Q8的漏极并联后连接到开关电路第二输入端(第二场效应管Q2的源极)；第七场效应管Q7的源极分别和第八场效应管Q8的源极、第二电阻R2的另一端连接；第七场效应管Q7的栅极、第八场效应管Q8的栅极、第二电阻R2的一端并联后与第二光电耦合器U2的受光器的发射极连接，第二光电耦合器U2的受光器的集电极c3与第三电池E3的正极连接，第二光电耦合器U2输入端阴极与控制模块MCU连接，第二光电耦合器U2输入端阳极与3.3V电压连接。
以第三电池切换电路进行说明，第三光电耦合器为晶体管光电耦合器，第三电池切换电路为：第九场效应管Q9的漏极分别与第二电池E2的正极、第三电池E3的负极和第五二极管D5的正极连接，第五二极管D5的负极和第六二极管D6的正极连接，第六二极管D6的负极和第十场效应管Q10的漏极并联后连接到开关电路第一输入端(第一场效应管Q1的源极)；第九场效应管Q9的源极分别和第十场效应管Q10的源极、第三电阻R3的另一端连接；第九场效应管Q9的栅极、第十场效应管Q10的栅极、第三电阻R3的一端并联后与第三光电耦合器U3的受光器的发射极连接，第三光电耦合器U3的受光器的集电极c4与第四电池E4的正极连接，第三光电耦合器U3输入端阴极与控制模块MCU连接，第三光电耦合器U3输入端阳极与3.3V电压连接。
以第四电池切换电路进行说明，第四光电耦合器为晶体管光电耦合器(受光器为光敏三极管)，第四电池切换电路为：第十一场效应管Q11的漏极分别与第三电池E3的正极、第四电池E4的负极和第七二极管D7的正极连接，第七二极管D7的负极和第八二极管D8的正极连接，第八二极管D8的负极和第十二场效应管Q12的漏极并联后连接到开关电路第一输入端(第一场效应管Q1的源极)；第十一场效应管Q11的源极分别和第十二场效应管Q12的源极、第四电阻R4的另一端连接；第十一场效应管Q11的栅极、第十二场效应管Q12的栅极、第四电阻R4的一端并联后与第四光电耦合器U4的受光器的发射极连接，第四光电耦合器U4的受光器的集电极c5与第五电池E5的正极连接，第四光电耦合器U4输入端阴极与控制模块MCU连接，第四光电耦合器U4输入端阳极与3.3V电压连接。
以第五电池切换电路进行说明，第五光电耦合器为光敏二极管光电耦合器(受光器为光敏二极管)，第五电池切换电路为：第十三场效应管Q13的漏极分别与第四电池E4的正极、第五电池E5的负极和第九二极管D9的正极连接，第九二极管D9的负极和第十二极管D10的正极连接，第十二极管D10的负极和第十四场效应管Q14的漏极并联后连接到开关电路第二输入端(第二场效应管Q2的源极)；第十三场效应管Q13的源极、第五电阻R5的另一端和第十四场效应管Q14的源极并联后与第五光电耦合器U5的第一输出端(受光器的阴极)连接；第十三场效应管Q13的栅极、第十四场效应管Q14的栅极、第五电阻R5的一端并联后与第五光电耦合器U5的第二输出端(受光器的阳极)连接，第五光电耦合器U5的输入端阳极与控制模块MCU连接，第五光电耦合器U5的输入端阴极连接3.3V电压。
以第六电池切换电路进行说明，第六光电耦合器为光敏二极管光电耦合器(受光器为光敏二极管)，第六电池切换电路为：第十五场效应管Q15的漏极分别与第五电池E5的正极和第十一二极管D11的正极连接，第十一二极管D11的负极和第十二二极管D12的正极连接，第十二二极管D12的正极的负极和第十六场效应管Q16的漏极并联后连接到开关电路第一输入端(第一场效应管Q1的源极)；第十五场效应管Q15的源极、第六电阻R6的另一端和第十六场效应管Q16的源极并联后与第六光电耦合器U6的第一输出端(受光器的阴极)连接；第十五场效应管Q15的栅极、第十六场效应管Q16的栅极、第六电阻R6的一端并联后与第六光电耦合器U6的第二输出端(受光器的阳极)连接，第六光电耦合器U6的输入端阳极与控制模块MCU连接，第六光电耦合器U6的输入端阴极连接3.3V电压。
本实施例中，晶体管光电耦合器的数量为n-2个，分别作为第1电池切换开关电路到第n-1电池切换开关电路的驱动器；第n电池切换开关电路和第n+1电池切换开关电路的驱动分别由两个光敏二极管输出光电耦合器驱动。
本实施例中，开关电路包括4个子开关电路，每个子开关电路包括场效应管、光电耦合器和电阻，光电耦合器为光敏二极管光电耦合器(输出端为二极管)。场效应管的栅极分别与电阻的一端和光电耦合器的第一输出端(受光器的阴极)连接，场效应管的源极还分别与电阻的另一端和光电耦合器的第二输出端(受光器的阳极)连接，场效应管的漏极和充放电模块连接，光电耦合器输入端(发光源)阳极与控制模块MCU连接，光电耦合器输入端(发光源)阴极连接3.3V电压。场效应管可采用N沟道增强型场效应管，实现电池到充放电模块的双向整流；电阻用于防止场效应管误导通；电耦合器用于场效应管驱动和电气隔离，驱动电压为3.3V；控制模块MCU用于控制光电耦合器导通。
第一子开关电路为：第一场效应管Q1的栅极分别与第七电阻R7的一端和光电耦合器UB1的第一输出端连接，第一场效应管Q1的源极分别与第七电阻R7的另一端和光电耦合器UB1的第二输出端连接，第一场效应管Q1的漏极和充放电模块连接；光电耦合器UB1的输入端阳极与控制模块MCU连接，光电耦合器UB1输入端阴极连接3.3V电压。
第二子开关电路为：第二场效应管Q2的栅极分别与第八电阻R8的一端和光电耦合器UB2的第一输出端连接，第二场效应管Q2的源极还分别与第八电阻R8的另一端和光电耦合器UB2的第二输出端连接，第二场效应管Q2的漏极和充放电模块连接；光电耦合器UB2的输入端阳极与控制模块MCU连接，光电耦合器UB2输入端阴极连接3.3V电压。
第三子开关电路为：第三场效应管Q3的栅极分别与第九电阻R9的一端和光电耦合器UB3的第一输出端连接，第三场效应管Q3的源极分别与第九电阻R9的另一端和光电耦合器UB3的第二输出端连接，第三场效应管Q3的源极和充放电模块连接；光电耦合器UB3的输入端阳极与控制模块MCU连接，光电耦合器UB3输入端阴极连接3.3V电压。
第四子开关电路为：第四场效应管Q4的栅极分别与第十电阻R10的一端和光电耦合器UB4的第一输出端连接，第四场效应管Q4的源极分别与第十电阻R10的另一端和光电耦合器UB4的第二输出端连接，第四场效应管Q4的源极和充放电模块连接；光电耦合器UB4的输入端阳极与控制模块MCU连接，光电耦合器UB4输入端阴极连接3.3V电压。
本实施例中，通过举例说明来阐述工作原理：
例如需要对第二电池E2进行充电或放电，工作过程为：控制模块MCU分别输出低电平到第二光电耦合器U2和第三光电耦合器U3，第二光电耦合器U2受光器集电极与第三电池E3正极连接，第二光电耦合器U2受光器发射极接通至第七场效应管Q7和第八场效应管Q8的栅极，在第二电阻R2两端形成稳定的压差(c3-c1)，从而驱动第七场效应管Q7和第八场效应管Q8导通；第三光电耦合器U3受光器集电极与第四电池E4正极连接，第三光电耦合器U3受光器发射极接通至第九场效应管Q9和第十场效应管Q10的栅极，在第三电阻R3两端形成稳定的压差(c4-c2)，从而驱动第九场效应管Q9和第十场效应管Q10导通。MCU又分别输出低电平到光电耦合器UB1和UB4控制其导通，UB1和UB4分别输出隔离的稳定电压控制第一场效应管Q1和第四场效应管Q4导通，从而实现第二电池E2、第三电池E3和充放电模块的连接，此时充放电模块就可以对第二电池E2进行充电或放电了。
同理，需要对第一电池E1进行充电或放电，工作过程为：MCU分别输出低电平到第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2，第一光电耦合器U1受光器集电极与第二电池E2正极连接，第一光电耦合器U1受光器发射极接通至第五场效应管Q5和第六场效应管Q6的栅极，在第一电阻R1两端形成稳定的压差(c2-c0)，驱动第五场效应管Q5和第六场效应管Q6导通；第二光电耦合器受光器集电极与第三电池E3正极连接，第二光电耦合器U2受光器发射极接通至第七场效应管Q7和第八场效应管Q8的栅极，在第二电阻R2两端形成稳定的压差(c3-c1)，驱动第七场效应管Q7和第八场效应管Q8导通。MCU分别输出低电平到光电耦合器UB2和UB3控制其导通，光电耦合器UB2和UB3分别输出隔离的稳定电压至控制第二场效应管Q2和第三场效应管Q3导通，从而实现第一电池E1、第二电池E2和充放电模块连接，此时充放电模块就可以对第一电池E1进行充电或放电了。
本具体实施方式采用通用N沟道增强型场效应管作为电池切换开关电路，替代现有技术中的继电器和固态继电器，能够根据实际应用中的功率需求进行灵活选择，寿命、体积、可靠性和性价比显著提高；采用通用晶体管光电耦合器作为电池组中的第1电池切换开关电路到第n-1电池切换开关电路的驱动器，针对第n电池切换开关电路和第n+1电池切换开关电路的驱动分别由两个光敏二极管光电耦合器驱动，利用电池组内较高电势的电池电压来驱动较低电势的电池切换开关电路，这种方法极大地扩展了电子开关切换网络可以控制和管理的电池串联数量，降低了隔离驱动电路的成本。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，其特征在于，包括n个电池、n+1个电池切换电路、开关电路、充放电模块和控制模块；
n个电池串联形成电池组，n≥2且为正整数；第n个电池的负极与第n电池切换电路的一端连接，第n个电池的正极与第n+1电池切换电路的一端连接，第n+1电池切换电路的另一端和开关电路的第一输入端连接，第n电池切换电路的另一端和开关电路的第二输入端连接，开关电路的第一输出端和充放电模块的正极连接，开关电路的第二输出端和充放电模块的负极连接；n+1个电池切换电路和开关电路分别和控制模块连接；
所述电池切换电路包括两个场效应管、一个光电耦合器，两个场效应管反向串联，控制模块通过控制光电耦合器的导通从而控制场效应管的开关；场效应管采用N沟道增强型场效应管；
电池切换电路中的光电耦合器包括晶体管光电耦合器和光敏二极管光电耦合器，用于驱动场效应管和电气隔离；第1电池切换开关电路到第n-1电池切换开关电路的驱动器为晶体管光电耦合器；第n电池切换开关电路和第n+1电池切换开关电路的驱动器为光敏二极管光电耦合器；利用电池组内高电势的电池电压来驱动低电势的电池切换开关电路；
所述开关电路包括4个子开关电路；所述子开关电路包括场效应管、光电耦合器和控制模块，控制模块通过控制光电耦合器的导通从而控制场效应管的开关。
2.如权利要求1所述的一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，其特征在于，所述电池切换电路还包括与两个场效应管并联的二极管；二极管为稳压二极管，用于保护场效应管，防止过压损坏。
3.如权利要求1所述的一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，其特征在于，所述电池切换电路还包括与两个场效应管并联的电阻，用于防止场效应管误导通。
4.如权利要求1所述的一种用于电池管理系统主动均衡的电子开关切换电路，其特征在于，子开关电路的光电耦合器为光敏二极管光电耦合器。
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