CN114024355A - 电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法 - Google Patents

电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例中的电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法，电池管理电路包括：一供电接口、多个支路及一控制单元。每个支路中电池接口耦接一电池单元，电池接口的负极连接端经支路开关单元及电流侦测单元耦接并接地；支路开关单元包括用于通/断支路的开关元件和导通方向指向电池负极连接端的二极管，控制单元根据支路中电流值变化达到阈值来驱动支路开关单元导通形成替代第一导电路径的第二导电路径或者断开第二导电路径，避免元件过热；电池间存在电压差时，电压较低支路中的二极管会被反向偏压截止，避免电池间充放电；另外，还可以配合缓启动的主路开关单元以避免电流突变而产生火花；实现完善的电池热插拔方案。

Description

电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法
技术领域
本申请涉及电池管理技术领域，尤其涉及电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法。
背景技术
目前，电动车的应用越来越广泛，很多电动车中采用了多颗电池并联供电的技术方案，在更换电池时如何实现热插拔成为亟待解决的问题。
在使用多个电池模块直接并联时，需要确保电池间电压非常接近，否则会出现瞬间放电造成电池过热、电池间相互充放电等问题，容易造成电池过热着火。因此，并不是直接简单地将多组电池并联即可实现供电，故要实现电池热插拔的困难实际上相当大。
目前，在电池并联时一般会加入一些控制电路，以平衡不同电池的电压至相同。但是，一方面，在电动车的大电流应用场景中，这样的方案会导致电路元件发高热且效率不佳；另一方面，当用电系统的输入端具有很大的输入电容时，通过热插拔方式连接电池，当电池接上的瞬间会产生很大的脉冲电流。此脉冲电流时间通常在一毫秒以内，但是电流可能高达数百安培，容易使电池的电池管理系统(BMS)的过电流保护作动让负载无法顺利启动；除此之外，还会因为此脉冲电流导致连接器接点产生火花。然而，目前的方案，也无法解决热插拔电池时由于瞬间高电流导致电池接点产生火花的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法，通过电路结构及信号控制，以良好解决背景技术的问题。
本申请第一方面提供一种电池管理电路，包括：一供电接口，供耦接至负载，包括：一正极输出端和一负极输出端；多个支路；其中，每个支路包括：一电池接口、一支路开关单元及一电流侦测单元；所述电池接口，供耦接于一电池单元，包括：电池正极连接端，供耦接所述电池单元的正极以及所述供电接口的正极输出端；以及，电池负极连接端，供耦接所述电池单元的负极，并经所述支路开关单元及电流侦测单元耦接至所述多个支路的一共接端；所述共接端耦接于所述负极输出端并接地；所述支路开关单元，包括：一开关元件及一二极管元件；所述开关元件包括：分别耦接于所述电池负极端和电流侦测单元的两端，以及用于控制所述两端通或断的控制端；所述二极管元件与开关元件在所述两端并联，且二极管元件的导通方向指向所述电池负极连接端；其中，所述二极管在所述支路开关单元断开时的正向偏置电压作用下导通形成所述支路的第一导电路径，或者在受到由电池间电压差产生的反向偏置电压作用时截止以断开所述第一导电路径；所述支路开关单元导通时形成替代所述第一导电路径的第二导电路径；所述电流侦测单元，用于侦测所述支路中电流以产生第一输出信号；一控制单元，耦接各所述支路中的电流侦测单元以根据各第一输出信号得到各条支路中电流的电流值，且通过一开关控制驱动电路耦接于各所述支路中支路开关单元的控制端；所述控制单元，用于响应于一所述支路中电流值达到一第一电流阈值以上，输出令对应的支路开关单元导通的第一驱动信号；或者，响应于一所述支路中电流值降低至至少一第二电流阈值以下，输出令对应的支路开关单元断开的第二驱动信号。
在本申请第一方面的实施例中，所述所述支路开关单元包括一第一NMOS，所述第一NMOS的源极耦接于所述电流侦测单元，所述第一NMOS的漏极耦接于所述电池负极连接端；所述二极管元件为第一NMOS的寄生二极管。
在本申请第一方面的实施例中，所述的电池管理电路还包括：一主路开关单元，耦接在所述共接端和负极输出端之间的主路中，并耦接于所述控制单元，以在控制单元启动时受控导通；其中，所述主路开关单元包括缓启动电路以用于其缓慢地导通或断开。
在本申请第一方面的实施例中，所述主路开关单元包括一第二NMOS，其源极耦接于所述共接端，漏极耦接于所述负极输出端，栅极耦接于所述控制单元所控制的一缓启动驱动电路，所述缓启动驱动电路根据所述控制单元的驱动信号缓慢改变用于导通或断开所述主路开关单元的驱动电压。
在本申请第一方面的实施例中，所述缓启动驱动电路还包括：电容、或电容与电阻的组合，耦接在所述第二NMOS的栅极和漏极之间。
在本申请第一方面的实施例中，多个开关控制驱动电路；其中，每个所述开关控制驱动电路，耦接在所述控制单元与一支路中的所述支路开关单元的控制端之间，用于根据接收到的第一驱动信号或第二驱动信号向所述支路开关单元的控制端输出对应的第一驱动电压或第二驱动电压。
在本申请第一方面的实施例中，还包括：多个电压侦测模块；其中，每个所述电压侦测模块耦接在一支路中的一参考点与所述控制单元之间，用于侦测参考点的电压以产生第二输出信号；所述控制单元，用于根据各第二输出信号得到各所述支路中参考点的电压值，并比较在至少两个支路所得到的电压值之间的电压差，并以所述电压差低于预设电压阈值作为导通其中一个待导通支路中的支路开关单元的参考条件。
在本申请第一方面的实施例中，所述电池接口与电池单元之间通过可热插拔方式耦接。
本申请第二方面提供一种电池管理系统，包括：如第一方面任一项所述的电池管理电路。
本申请第三方面提供一种电动载具，包括：如第二方面所述的电池管理系统，耦接所述电动载具本体以提供电能。
本申请第四方面提供一种电池管理方法，应用于第一方面中任一项所述的电池管理电路；所述电池管理方法包括：当所述电池管理电路的第一支路耦接第一电池单元，所述控制单元驱动主路开关单元导通其所在的主路；其中，所述主路耦接在所述共接端和负极输出端之间；响应于所述第一支路中电流侦测单元所侦测的电流值达到一第一电流阈值以上，所述控制单元输出令第一支路中的支路开关单元导通的第一驱动信号，形成替代所述第一导电路径的第二导电路径，以形成第一电池单元在所述供电接口的供电输出；当所述电池管理电路的第二支路接入一第二电池单元时，若所述第二电池单元低于所述第一电池单元的电压，则第二支路中的第一导电路径被限制导通；当所述第二电池单元与所述第一电池单元间电压差消除时，所述第二支路形成第一导电路径；响应于所述第二支路中电流侦测单元所侦测的电流值达到第一电流阈值以上，所述控制单元输出令第二支路中的支路开关单元导通的第一驱动信号，形成替代所述第二支路的第一导电路径的第二导电路径，以形成所述第二电池单元和第一电池单元在所述供电接口的并联输出；以及响应于一当前支路中电流侦测单元所侦测的电流降低至至少一第二电流阈值以下，所述控制单元输出令所述当前支路中的支路开关单元断开的第二驱动电压，断开所述当前支路的第二导电路径以停止相应电池单元对所述供电接口的供电输出。
综上所述，本申请实施例中的电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法，电池管理电路包括：一供电接口、多个支路及一控制单元。每个支路中电池接口耦接一电池单元，电池接口的负极连接端经支路开关单元及电流侦测单元耦接并接地；支路开关单元包括用于通/断支路的开关元件和导通方向指向电池负极连接端的二极管，控制单元根据支路中电流值变化达到阈值来驱动支路开关单元导通形成替代第一导电路径的第二导电路径或者断开第二导电路径，避免元件过热；电池间存在电压差时，电压较低支路中的二极管会被反向偏压截止，避免电池间充放电；另外，还可以配合缓启动的主路开关单元以避免电流突变而产生火花；实现完善的电池热插拔方案。
附图说明
图1展示本申请一实施例中电池管理电路的结构示意图。
图2A和图2B分别展示NMOS和PMOS及其寄生二极管的应用示意图。
图3展示本申请一实施例中电池管理方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本申请所揭露的消息轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本申请中的各项细节也可以根据不同观点与应用系统，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
在本申请的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的表示中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了明确说明本申请，省略与说明无关的单元件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
在通篇说明书中，当说某单元件与另一单元件“耦接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种单元件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、模块、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、模块、项目、种类、和/或组的存在、发生或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会发生该定义的例外。
此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本申请所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的消息相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。
通常，电动车中会使用电池组进行供电，电池组中可能包括多个并联的电池。但是如之前所述，目前要实现电池组中电池的热插拔存在困难。一方面，会要求电池插拔时(例如电池更换或安装时)，电池之间的电压要近乎相同，才不会出现电池相互之间充放电造成损耗、发热的问题；另一方面，需要降低在电池插拔时瞬间产生的电流，以避免出现火花、烧坏电池或损伤连接器的问题。再一方面，要解决上述问题需要一套精准可控的方案。
鉴于此，本申请实施例中提供电池管理电路，用于解决上述问题，实现良好的电池热插拔及达成电池间并联工作的效果。
需特别说明的是，本申请实施例中所涉及的“电池”，可以是应用在如电动助力车、电动汽车等电动载具中的电池；或者，也可以是应用在其它电动设备中的电池。本申请实施例中的电池管理电路，旨在解决这些电池的热插拔所存在的问题，只要存在上述电池热插拔问题的场景，皆可能成为所述电池管理电路的应用场景。
请参阅图1，展示本申请一实施例中电池管理电路100的结构示意图。
所述电池管理电路100可以接入多个电池单元。图1中示例性地展示其所接入的2个电池单元，即第一电池单元201和第二电池单元202。每个电池单元可以包括一个单体电池，也可以包括多个单体电池连接组成的电池组。
所述电池管理电路100可以包括：一供电接口101、多个支路及一控制单元102。
所述供电接口101，供耦接至负载203。所述供电接口101包括：一正极输出端P+和一负极输出端P-。在所述电池管理电路100接入电池后，可在所述供电接口101的正极输出端P+和负极输出端P-两端之间形成一输出电压，以对所述负载203进行供电。
所述多个支路中，每个支路用于接入一个电池单元，支路之间相互并联地耦接。其中，每个支路可分别包括：一电池接口、一支路开关单元及一电流侦测单元。在图1中实施例中，对应于第一电池单元201和第二电池单元202的双电池供电方式，示例性地展示了电池管理电路100中的两条支路，即第一支路和第二支路。所述第一支路包括：一第一电池接口、一第一支路开关单元103A及一第一电流侦测单元104A；所述第二支路包括：一第二电池接口、一第二支路开关单元103B及一第二电流侦测单元104B。当然可以理解的是，如果需要接入更多的电池单元，则对应展示更多的支路即可，并非以图示实施例为限。
每条支路的结构可以是相同的，故以下通过第一支路为示例进行代表性地说明。
在第一支路中，第一电池接口包括：第一电池正极连接端和第一电池负极连接端。所述第一电池正极连接端供耦接所述第一电池单元201的正极并耦接至所述供电接口101的正极输出端P+。所述第一电池负极连接端供耦接第一电池单元201的负极，并经第一支路开关单元103A及第一电流侦测单元104A耦接至所述各支路的一共接端。所述共接端可以耦接于所述负极输出端P-并耦接接地端。
每个支路开关单元可以包括：一开关元件及一二极管元件；所述开关元件包括：分别耦接于所述电池负极端和电流侦测单元的两端，以及用于控制所述两端通或断的控制端。所述二极管元件与开关元件在所述两端并联，且二极管元件的导通方向指向所述电池负极连接端。所述开关元件和二极管元件的各自导通对应了支路开关单元的不同的导电路径，二极管元件导通时形成第一导电路径，开关元件导通时形成替代第一导电路径的第二导电路径。
在一些实施例中，所述支路开关单元可以由一个或多个MOSFET(以下简写为“MOS”)实现。开关元件的两端可对应为MOS的漏极和源极，控制端为MOS的栅极。由于MOS的结构特点，会在源极和漏极之间等效形成一寄生二极管(Body Diode，也称为“体二极管元件”)。所述寄生二极管可以作为所述二极管元件。
以图1中的第一支路开关单元103A为例，所述第一支路开关单元103A，可以由例如一第一NMOS实现。在图1示例中，所述第一支路开关单元103A的栅极耦接至控制单元102，以由控制单元102驱动其开关状态。通过控制MOS的栅极(G极)和源极(S极)之间的栅源电压VGS和阈值电压Vth之间满足预设关系而导通源极和漏极(D极)，不满足时截止，例如当NMOS满足VGS>Vth时导通，PMOS满足VGS<Vth时导通。故而，MOS常用于开关的实现。
并且，如图2A和图2B所示，分别展示为NMOS和PMOS的图形符号示意图，寄生二极管的导通方向和MOS的导通方向相反。例如，在图2A中，NMOS的导通方向是D至S，则其对应的寄生二极管的导通方向是S至D。在图2B中，PMOS的导通方向是S至D，则其对应的寄生二极管的导通方向是D至S。故而，寄生二极管可在MOS断开时，让电流流过。
在图1示例中，第一支路开关单元103A示例性地选择为一第一NMOS，其漏极耦接所述电池负极连接端，其源极耦接所述电流侦测单元。第一支路开关单元103A所形成的寄生二极管1031A的导通方向(此示例中即S至D极)指向所述电池负极连接端。所述寄生二极管1031A的状态包括：当所述支路开关单元断开时，如果受到S到D极的正向偏置电压(高于其导通阈值)，则会导通形成所述第一支路的第一导电路径；或者，在受到反向偏置电压作用时截止以维持所述第一导电路径断开。当第一支路开关单元103A导通时，则形成第二导电路径(此示例中即S至D极)，替代所述第一导电路径。
当不同支路的电池单元间存在电压差，例如，当第二电池单元202相比第一电池单元201的输出电压高时，第一电池单元201和第二电池单元202之间的电压差，会在电压相对较低的第一电池单元201所在第一支路中的第一支路开关单元103A的寄生二极管1031A两端形成反向偏置电压(D到S极)，第一导电路径无法导通，且通过控制第一支路开关单元103A断开即第二导电路径断开，则第一电池单元201就不能被第二电池单元202充电。可以推知，由于其它每条支路均与第一支路结构相同，则在各自的开关单元的二极管的作用下能避免被其它电池单元充电，例如第二支路开关单元103B及其形成的寄生二极管1031B等。
在其它实施例中，所述第一支路开关单元103A也可以是PMOS实现，其源极对应所述电池负极连接端，其漏极对应所述电流侦测单元，以配置成开关导通方向与图1中一致，而相反的寄生二极管1031的导通方向仍指向所述电池负极连接端，基于NMOS和PMOS的不同，其它电路结构也可以发生相应变化。
另外，还需要特别说明的是，虽然图1实施例中的第一支路开关单元103A，第二支路开关单元103B示例性地展示为MOS开关实现，但是可以理解的是，在另外的一些实施例中，也可以使用其他能得到相同效果的元件组合取代MOS开关。例如，使用双极结型晶体管(BJT)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或继电器等元件作为可以形成第二导电路径的元件，与可形成第一导电路径的二极管器件(替代寄生二极管作用)并联，以组合使用实现类似上述支路开关单元的功能，从而取代MOS开关元件的实现方式。
所述第一电流侦测单元104A，用于侦测第一支路中的电流并输出第一输出信号。在一些实施例中，每个电流侦测单元可以通过例如基于采样电阻和/或运算放大器构建的电流检测电路实现。
第一电池的供电回路展示为从第一电池单元201的电池正极经第一电池正极连接端、正极输出端P+、负载203、负极输出端P-、第一电流侦测单元104A、第一支路开关单元103A、第一电池负极连接端至电池负极。
第二支路可与第一支路结构相同，第二电池单元202的供电回路展示为从第二电池单元202的电池正极经第二电池正极连接端、正极输出端P+、负载203、负极输出端P-、第二电流侦测单元104B、第二支路开关单元103B、第二电池负极连接端至电池负极。
在一些实施例中，各支路之间的元件配置可以是相同的。例如，第一支路开关单元103A与第二支路开关单元103B选择相同器件实现，第一电流侦测单元104A和第二电流侦测单元104B选择相同电路实现。或者，也可以根据需求加以变化。
所述控制单元102，耦接各所述支路中的电流侦测单元以根据各第一输出信号得到各条支路中电流的电流值，并耦接至各支路中的支路开关单元的控制端，以用于控制各支路开关单元的通断。例如在图1中，所述控制单元102分别耦接于第一支路开关单元103A和第二支路开关单元103B的栅极。在一些实施例中，所述控制单元102可以通过例如微处理器(MCU)等实现，其具有多个端口以分别与各电流侦测单元、支路开关单元等耦接，例如，通用型之输入输出(GPIO)端口等。其中，对于控制单元102而言，每条支路可被视为一个供电的“通道”，控制单元102对每个支路的支路开关单元输出驱动信号，即为对该路“通道”的驱动信号。另外，所述控制单元102包括模拟数字转换器(ADC)，电流侦测单元对控制单元102输出模拟的电流信号，通过ADC转换成侦测到的电流值。在一些实施例中，在控制单元102和各支路的支路开关单元之间可以设置开关控制驱动电路，用于根据控制单元102的驱动信号来产生相应的驱动电压，以驱动支路开关单元的导通或断开。例如在图1中，控制单元102与第一支路开关单元103A之间耦接有第一开关控制驱动电路106A，与第二支路开关单元103B之间耦接有第二开关控制驱动电路106B。
可选的，所述电池管理电路100还包括主路开关单元105，耦接在所述共接端和负极输出端P-之间的主路中，用于控制主路的通断。所述控制单元102可耦接于所述主路开关单元105以控制其导通或断开。在一些实施例中，例如图1中，所述主路开关单元105可以包括一第二NMOS，其栅极耦接于所述控制单元所控制的一缓启动驱动电路，所述缓启动驱动电路根据所述控制单元的驱动信号缓慢改变用于导通或断开所述主路开关单元的驱动电压，其源极耦接于所述共接端，其漏极耦接于所述负极输出端P-。所述控制单元102在被接入的电池单元触发启动时，可令所述主路开关单元105的导通，以实现对负载203的供电回路的导通。需说明的是，在其它示例中所述主路开关单元也可以由功能相近的例如BJT，IGBT，或继电器所替代，并非以图中所示例的MOS开关为限制。
所述控制单元102可根据侦测到的电流值来控制支路开关单元的通断，从而可对每一路的电池单元的供电进行控制，配合支路开关单元的特点，可以解决背景技术中涉及的一些问题。具体而言，所述控制单元102用于响应于一所述支路中电流值达到一第一电流阈值以上，输出令对应的支路开关单元导通的第一驱动信号；或者，响应于一所述支路中电流值降低至至少一第二电流阈值以下，输出令对应的支路开关单元断开的第二驱动信号。其中，所述第一电流阈值对应于由支路开关单元中寄生二极管1031导通所形成的第一导电路径中的电流设置；所述第二电流阈值对应于第二导电路径中的电流设置。
需要说明的是，所侦测到的支路中的电流值可以具有“+”、“-”，比如1A，-1A等。“+”、“-”实际上表示的是电流的方向，在本申请的电池管理电路的各支路中，电流方向不同对应于电流可能是支路所接电池的放电电流，或者是电池被充电的充电电流。所述第二电流阈值的设置目的，是为了甄别出电池的放电电流过低或电池被充电的情形，并在这些情况下触发控制单元102关闭此支路的第二导电路径。因此，对应这些情形，所述第二电流阈值可以设置有多个，比如包括一个正值x以及一个负值y，当侦测到支路中的电流值a<x时，表示支路中电池有过低的放电电流而可以关闭第二导电路径；或者，当侦测到支路中的电流值b<y，即b达到y以下，假设y＝-1A，b为-1.1A或-1.2A等，b值的降低实际表示电池被充电的电流的增大，b<y表示电池被充电电流值达到第二预设阈值，则同样可以触发将第二导电路径关闭，以防止电池间相互充放电。
为便于控制单元102更精确地判断电池单元之间的电压差消失的时机，在一些实施例中，所述电池管理电路还可包括多个电压侦测单元，每个所述电压侦测端可耦接在一支路中的一参考点和控制单元之间，以侦测电压并产生第二输出信号输出给控制单元，由控制单元根据各第二输出信号得到各支路的参考点的电压值。例如图1中所展示的，所述参考点可以是支路中支路开关单元的漏极，比如第一支路开关单元103A和第二支路开关单元103B的漏极。控制单元102可以分别连接第一支路中的第一电压侦测单元107A，第二支路中的第二电压侦测单元107B，以得到此两个支路参考点的输出信号，并分别经ADC转换得到两个电压值，进一步可以计算两个电压值的电压差，以作为导通相关的待导通支路的参考条件，即作为与所述待导通支路的侦测电流的电流值达到第一电流阈值以上条件配合的参考条件。可选的，控制单元102还可以通过第三电压侦测单元108侦测正极输出端P+的电压值，以作为参考电压值。
以下结合多个场景说明电池管理电路100的控制原理。
场景1：首个电池单元接入
假设电源管理电路初始时未连接电池单元；当首个电池单元接入电源管理电路时，可参考图1中，例如第一电池单元201耦接第一电池接口或第二电池单元202耦接第二电池接口等。示例性地，以第一电池单元201耦接第一电池接口为例，会在第一支路开关单元103A的寄生二极管1031A两端产生正向偏置电压，以令所述寄生二极管1031A由S极向D极方向为顺向导通。由此，当控制单元102驱动主路开关单元105导通主路，与寄生二极管1031导通形成的第一导电路径配合形成供电回路开始工作。当第一电流侦测单元104A侦测到电流大于预设阈值，则控制单元102通过第一开关控制驱动电路106A驱动第一支路开关单元103A导通以形成第二导电路径，由于MOS开关导通时阻抗很低，第二导电路径会替代原先的第一导电路径。从而，可大幅减小原先透过寄生二极管1031A导通时因顺向压降及顺向电流乘积所产生的功率损失，令元件发热减少，避免因过大的负载203电流产生的热量烧毁第一支路开关单元103A。并且，对应例如电动车停留、熄火等情况会降低电池单元的供电，当第一电流侦测单元104A侦测到电流值小于第二电流阈值时，控制单元102驱动第一支路开关单元103A断开。此时电流甚低，即使第一电池单元是通过寄生二极管1031A对负载203供电，也不会产生大量的功率损失；在接入多个电池单元的情况下，也可以防止该电池可能被其它电池单元充电。
场景2：多个电池单元接入
在电池管理电路100已接入有电池单元的情形下，如果新增一个电池单元接入，则可能需要应对已有电池单元的输出电压高于新增的电池单元，会引起已电池单元对新增电池单元的放电。如之前所述，通过各支路的支路开关单元所形成的寄生二极管能避免电池间的相互充放电。
以图1举例来说，当第二电池单元202耦接至电池管理电路100的第二支路，已有的第一电池单元201的输出电压高于新接入的第二电池单元202，形成电压差。相应的，第二支路中的第二支路开关单元103B的寄生二极管1031B两端会受到由该电压差形成的反向偏置电压，使得第二支路的供电回路处于断路状态，则第二电池单元202不能供电，也不会被充电。此时第一电池单元201会继续对负载203供电。随着负载203持续消耗电能，则第一电池单元201的输出电压会逐渐下降，一旦输出电压下降到与第二电池单元202相同，则第二支路中的第二支路开关单元103B的寄生二极管1031B会被导通形成，使第二电池单元202也开始对负载203供电，达成与第一电池单元201并联供电的效果。当第二电流侦测单元104B侦测到支路中的电流大于预设的第一电流阈值，则控制单元102通过第二开关控制驱动电路106B驱动第二支路开关单元103B进入导通形成第二导电路径，由于MOS开关导通时阻抗很低，第二导电路径取代第一导电路径，可大幅减小通过寄生二极管1031B导通时因顺向压降及顺向电流乘积所产生的功率损失；让元件发热减少，避免因过大的负载203电流产生的热量烧毁MOS开关。
当任何一个支路中的电流侦测单元侦测到电流小于第二电流阈值后，表明对应的电池单元的输出电压可能在减弱，控制单元102即将该相应的支路开关单元予以关闭，以避免该电池单元被其它电池单元充电，避免不必要的环路电流。
为避免火花的产生，需要控制电池热插拔时的电流突变。
在一些实施例中，所述主路开关单元105可以包括缓启动电路，以用于缓慢导通以用于平缓支路中电流变化。
如图1所示例的，缓启动驱动电路1052，耦接在所述控制单元102与主路开关单元105之间，用于根据控制单元102的驱动信号缓慢改变用于导通或断开所述主路开关单元105的驱动电压。当任一电池单元接入电池管理电路100，控制单元102被启动后通过缓启动驱动电路1052缓慢令第二NMOS 1051进入导通状态，例如控制第二NMOS 1051的栅极电压缓慢上升直至处于导通的状态，从而可抑制瞬间突变的脉冲电流。
由于MOS主要是工作于导通或是截止状态，尽量避免工作于半导通状态。因此为达成缓慢导通的效果，在一些实施例中，缓启动驱动电路1052还可以包括在第二NMOS 1051的D极和G极之间耦接的电容、或者电容与电阻的组合(例如一或多个电容与一或多个电阻的串联或并联等)，使第二NMOS 1051导通时的速度变慢，将导通瞬间的突变电流平滑成较小的电流以对负载203充电，如此便可有效防止接点火花产生，也可避免主路开关单元105受损。
通过解决元件过热、电池相互充放电、及消除电池插拔时火花等问题，可以实现良好的电池可热插拔的方案。
本申请实施例中还可以提供一种电池管理系统，包括：之前实施例中所述的电池管理电路。所述电池管理系统可通过可热插拔方式接入多个电池单元，并能并联供电。
本申请实施例中还可以提供一种电动载具，包括：所述电池管理系统。在一些实施例中，所述电动载具可以包括电动助力车、电动汽车等，包含电机。通过所述电池管理系统接入的各个电池单元，可以对所述电机并联供电。
如图3所示，展示本申请实施例中还可以提供一种电池管理方法，应用于第一方面中任一项所述的电池管理电路；所述电池管理方法包括：
步骤S301：当所述电池管理电路的第一支路耦接第一电池单元，所述控制单元驱动主路开关单元导通其所在的主路；
步骤S302：响应于所述第一支路中电流侦测单元所侦测的电流值达到一第一电流阈值以上，所述控制单元输出令第一支路中的支路开关单元导通的第一驱动信号，从而形成替代所述第一导电路径的第二导电路径，以形成第一电池单元在所述供电接口的供电输出；
步骤S303：当所述电池管理电路的第二支路接入一第二电池单元时，若所述第二电池单元低于所述第一电池单元的电压，则第二支路中的第一导电路径被限制导通；
步骤S304：当所述第二电池单元与所述第一电池单元间电压差消除时，所述第二支路形成第一导电路径。
步骤S305：响应于所述第二支路中电流侦测单元所侦测的电流值达到第一电流阈值以上，所述控制单元输出令第二支路中的支路开关单元导通的第一驱动信号，形成替代所述第二支路的第一导电路径的第二导电路径，以形成所述第二电池单元和第一电池单元在所述供电接口的并联输出；以及
步骤S306：响应于一当前支路中电流侦测单元所侦测的电流降低至至少一第二电流阈值以下，所述控制单元输出令所述当前支路中的支路开关单元断开的第二驱动电压，断开所述当前支路的第二导电路径以停止相应电池单元对所述供电接口的供电输出。
在一些场景中，随着电池单元的拔出，相应支路会被断开；当唯一的电池单元被拔出的情况下，会使所有的支路都被断开，控制单元也就失去供电，主路开关单元随之缓慢断开主路。
以上电池管理方法中的各个步骤，给出在电池热插拔过程中不同情形时的相应控制，可以根据情形的不同加以变化，而非限制其具体实施方式。
综上所述，本申请实施例中的电池管理电路、电池管理系统、电动载具及电池管理方法，电池管理电路包括：一供电接口、多个支路及一控制单元。每个支路中电池接口耦接一电池单元，电池接口的负极连接端经支路开关单元及电流侦测单元耦接并接地；支路开关单元包括用于通/断支路的开关元件和导通方向指向电池负极连接端的二极管，控制单元根据支路中电流值变化达到阈值来驱动支路开关单元导通形成替代第一导电路径的第二导电路径或者断开第二导电路径，避免元件过热；电池间存在电压差时，电压较低支路中的二极管会被反向偏压截止，避免电池间充放电；另外，还可以配合缓启动的主路开关单元以避免电流突变而产生火花；实现完善的电池热插拔方案。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种电池管理电路，其特征在于，包括：
一供电接口，供耦接至负载，包括：一正极输出端和一负极输出端；多个支路；其中，每个支路包括：一电池接口、一支路开关单元及一电流侦测单元；
所述电池接口，供耦接于一电池单元，包括：电池正极连接端，供耦接所述电池单元的正极以及所述供电接口的正极输出端；以及，电池负极连接端，供耦接所述电池单元的负极，并经所述支路开关单元及电流侦测单元耦接至所述多个支路的一共接端；所述共接端耦接于所述负极输出端并接地；
所述支路开关单元，包括：一开关元件及一二极管元件；所述开关元件包括：分别耦接于所述电池负极端和电流侦测单元的两端，以及用于控制所述两端通或断的控制端；所述二极管元件与开关元件在所述两端并联，且二极管元件的导通方向指向所述电池负极连接端；其中，所述二极管在所述支路开关单元断开时的正向偏置电压作用下导通形成所述支路的第一导电路径，或者在受到由电池间电压差产生的反向偏置电压作用时截止以断开所述第一导电路径；所述支路开关单元导通时形成替代所述第一导电路径的第二导电路径；
所述电流侦测单元，用于侦测所述支路中电流以产生第一输出信号；一控制单元，耦接各所述支路中的电流侦测单元以根据各第一输出信号得到各条支路中电流的电流值，且通过一开关控制驱动电路耦接于各所述支路中支路开关单元的控制端；所述控制单元，用于响应于一所述支路中电流值达到一第一电流阈值以上，输出令对应的支路开关单元导通的第一驱动信号；或者，响应于一所述支路中电流值降低至至少一第二电流阈值以下，输出令对应的支路开关单元断开的第二驱动信号。
2.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述支路开关单元包括一第一NMOS，所述第一NMOS的源极耦接于所述电流侦测单元，所述第一NMOS的漏极耦接于所述电池负极连接端；所述二极管元件为第一NMOS的寄生二极管。
3.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，还包括：
一主路开关单元，耦接在所述共接端和负极输出端之间的主路中，并耦接于所述控制单元，以在控制单元启动时受控导通；
其中，所述主路开关单元包括缓启动电路以用于其缓慢地导通或断开。
4.根据权利要求3所述的电池管理电路，其特征在于，所述主路开关单元包括一第二NMOS，其源极耦接于所述共接端，漏极耦接于所述负极输出端，栅极耦接于所述控制单元所控制的一缓启动驱动电路，所述缓启动驱动电路根据所述控制单元的驱动信号缓慢改变用于导通或断开所述主路开关单元的驱动电压。
5.根据权利要求4所述的电池管理电路，其特征在于，所述缓启动驱动电路还包括：电容、或电容与电阻的组合，耦接在所述第二NMOS的栅极和漏极之间。
6.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，还包括：多个开关控制驱动电路；其中，每个所述开关控制驱动电路，耦接在所述控制单元与一支路中的所述支路开关单元的控制端之间，用于根据接收到的第一驱动信号或第二驱动信号向所述支路开关单元的控制端输出对应的第一驱动电压或第二驱动电压。
7.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，还包括：多个电压侦测模块；其中，每个所述电压侦测模块耦接在一支路中的一参考点与所述控制单元之间，用于侦测参考点的电压以产生第二输出信号；所述控制单元，用于根据各第二输出信号得到各所述支路中参考点的电压值，并比较在至少两个支路所得到的电压值之间的电压差，并以所述电压差低于预设电压阈值作为导通其中一个待导通支路中的支路开关单元的参考条件。
8.根据权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电池接口与电池单元之间通过可热插拔方式耦接。
9.一种电池管理系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至8中任一项所述的电池管理电路。
10.一种电动载具，其特征在于，包括：如权利要求9所述的电池管理系统。
11.一种电池管理方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8中任一项所述的电池管理电路；所述电池管理方法包括：
当所述电池管理电路的第一支路耦接第一电池单元，所述控制单元驱动主路开关单元导通其所在的主路；其中，所述主路耦接在所述共接端和负极输出端之间；
响应于所述第一支路中电流侦测单元所侦测的电流值达到一第一电流阈值以上，所述控制单元输出令第一支路中的支路开关单元导通的第一驱动信号，形成替代所述第一导电路径的第二导电路径，以形成第一电池单元在所述供电接口的供电输出；
当所述电池管理电路的第二支路接入一第二电池单元时，若所述第二电池单元低于所述第一电池单元的电压，则第二支路中的第一导电路径被限制导通；
当所述第二电池单元与所述第一电池单元间电压差消除时，所述第二支路形成第一导电路径；
响应于所述第二支路中电流侦测单元所侦测的电流值达到第一电流阈值以上，所述控制单元输出令第二支路中的支路开关单元导通的第一驱动信号，形成替代所述第二支路的第一导电路径的第二导电路径，以形成所述第二电池单元和第一电池单元在所述供电接口的并联输出；以及
响应于一当前支路中电流侦测单元所侦测的电流降低至至少一第二电流阈值以下，所述控制单元输出令所述当前支路中的支路开关单元断开的第二驱动电压，断开所述当前支路的第二导电路径以停止相应电池单元对所述供电接口的供电输出。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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