CN115800447B - 一种电池主动均衡asic芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池主动均衡ASIC芯片,该电池主动均衡ASIC芯片包括电源转换模块、由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块、开关控制模块、温度保护模块和通讯接口模块,通过各个模块的连接控制实现均衡开关矩阵电路模块对电池组中的任意一节电池进行均衡,即通过集成ASIC芯片的方式加速和方便BMS方案厂家实现主动均衡功能的添加,使得BMS电池管理系统对锂电池使用性能和寿命提升更为有效。

Description

一种电池主动均衡ASIC芯片
技术领域
本发明涉及储能技术领域,更具体地说,涉及一种电池主动均衡ASIC芯片,尤其涉及一种可走大电流的锂电池主动均衡ASIC芯片。
背景技术
目前大容量的锂电池已广泛应用于储能电站中,为了保证锂电池电压的一致性,必然会用到电压均衡电路;常规的电池管理芯片均带有被动均衡功能,被动均衡的优点是电路简单可靠,成本较低,但其作用效率也较低,尤其针对大容量的储能电池被动均衡效果不明显;而主动均衡充电时将多余电量转移至高容量电芯,放电时将多余电量转移至低容量电芯,可提高使用效率;但是目前主流也存在结构复杂的问题,尤其是变压器方案。
其次,若采用分立MOS开关方案,为保证大的均衡电流需使用较大封装及较小内阻的MOS管,除了带来成本的增加,也为集成带来了问题;除此之外,开关矩阵如何设计,驱动如何做到安全控制也是集成时需要解决的问题;因此目前国内主流的BMS(BatteryManagement System,电池管理系统)厂采用被动均衡的居多。
发明内容
有鉴于此,为解决上述问题,本发明提供一种电池主动均衡ASIC芯片,技术方案如下:
一种电池主动均衡ASIC芯片,所述电池主动均衡ASIC芯片包括:电源转换模块、由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块、开关控制模块、温度保护模块和通讯接口模块;
所述均衡开关矩阵电路模块的第一端与电池组的输入端连接,第二端与主动均衡电源连接,第三端与所述温度保护模块连接,第四端与所述开关控制模块连接,所述电池组包括n节串联的电池,n>1,且n为正整数;
所述电池组中第n节电池的正极与所述电源转换模块的输入端连接,所述电源转换模块的高压输出端与所述均衡开关矩阵电路模块和所述开关控制模块连接,低压输出端与所述温度保护模块和所述通讯接口模块连接;
所述均衡开关矩阵电路模块用于对所述电池组中的任意一节电池进行均衡;所述开关控制模块用于控制所述均衡开关矩阵电路模块中功率MOS管的开关状态;所述温度保护模块用于对所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管进行温度保护;所述通讯接口模块用于与外部系统进行通信。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述电源转换模块包括:升压电路单元和降压电路单元;
所述升压电路单元的输入端和所述降压电路单元的输入端连接,作为所述电源转换模块的输入端;
所述升压电路单元的输出端作为所述电源转换模块的高压输出端;
所述降压电路单元的输出端作为所述电源转换模块的低压输出端。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,第1节电池的负极作为所述电池主动均衡ASIC芯片的内部接地端。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述均衡开关矩阵电路模块包括:第一干路、第二干路、n+1条支路和电流源;所述电池组中每节电池的正极与一条支路的第一端连接,且第1节电池的负极也与一条支路的第一端连接;
所述第一干路上串联设置有一个功率MOS管,所述第二干路上串联设置有一个功率MOS管,每条所述支路上串联设置有两个功率MOS管;
所述第一干路的第一端分别与所述电流源的第一端和所述主动均衡电源的第一端连接;
所述第二干路的第一端分别与所述电流源的第二端和所述主动均衡电源的第二端连接;
奇数节电池对应的支路的第二端均与所述第一干路的第二端连接;
第1节电池的负极对应的支路以及偶数节电池对应的支路的第二端均与所述第二干路的第二端连接。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管为N型功率MOS管。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述开关控制模块包括:信号输出单元、信号接口单元和多个控制单元;
所述信号输出单元的输出端与所述信号接口单元的输入端连接,所述信号接口单元的输出端与所述控制单元的输入端连接,且一个所述控制单元的输出端对应一个所述信号接口单元的输出端,所述控制单元的输出端与所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管的栅极连接;
所述信号输出单元的第一输入端与所述通讯接口模块,所述信号输出单元的第二输入端与所述温度保护模块连接;
所述信号输出单元用于输出控制所述控制单元工作状态的第一控制信号,所述控制单元基于所述第一控制信号输出控制所述均衡开关矩阵电路模块中功率MOS管工作状态的第二控制信号。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述开关控制模块还包括:定时器保护单元;
所述信号输出单元的第三输入端与所述定时器保护单元连接;
所述定时器保护单元用于依据对电池进行均衡处理的时间和/或所述池主动均衡ASIC芯片过温至恢复的时间,控制所述信号输出单元的工作状态。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述控制单元包括:第一电阻、第二电阻、二极管、第一MOS管和第二MOS管;
所述第一电阻的第一端与所述第一MOS管的栅极连接,且连接节点与所述信号接口单元的输出端连接;
所述第一电阻的第二端与所述第一信号接口单元的第一端连接,且连接节点接地;
所述第一MOS管的第二端分别与所述第二电阻的第一端、所述二极管的阳极和所述第二MOS管的栅极连接;
所述第二电阻的第二端、所述二极管的阴极和所述第二MOS管的第一端均与所述电源转换模块的高压输出端连接;
所述第二MOS管的第二端与所述均衡开关矩阵电路模块中对应的功率MOS管的栅极连接。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述第一MOS管为N型功率MOS管,所述第二MOS管为P型功率MOS管。
优选的,在上述电池主动均衡ASIC芯片中,所述温度保护模块包括:或门单元和多个温度保护单元,所述温度保护单元的输出端与所述或门单元的输入端连接,所述或门单元的输出端作为所述温度保护模块的输出端;
所述温度保护单元包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、热敏电阻和比较器;
所述第三电阻的第一端与所述第五电阻的第一端连接,且连接节点与所述电源转换模块的低压输出端连接;
所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端连接,且连接节点与所述比较器的第一输入端连接;
所述第五电阻的第二端与所述热敏电阻的第一端连接,且连接节点与所述比较器的第二输入端连接;
所述第四电阻的第二端和所述热敏电阻的第二端分别接地;
所述比较器的输出端作为所述温度保护单元的输出端。
相较于现有技术,本发明实现的有益效果为:
本发明提供的一种电池主动均衡ASIC芯片包括:电源转换模块、由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块、开关控制模块、温度保护模块和通讯接口模块;所述均衡开关矩阵电路模块的第一端与电池组的输入端连接,第二端与主动均衡电源连接,第三端与所述温度保护模块连接,第四端与所述开关控制模块连接,所述电池组包括n节串联的电池,n>1,且n为正整数;所述电池组中第n节电池的正极与所述电源转换模块的输入端连接,所述电源转换模块的高压输出端与所述均衡开关矩阵电路模块和所述开关控制模块连接,低压输出端与所述温度保护模块和所述通讯接口模块连接;所述均衡开关矩阵电路模块用于对所述电池组中的任意一节电池进行均衡;所述开关控制模块用于控制所述均衡开关矩阵电路模块中功率MOS管的开关状态;所述温度保护模块用于对所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管进行温度保护;所述通讯接口模块用于与外部器件进行通信。该电池主动均衡ASIC芯片包括电源转换模块、由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块、开关控制模块、温度保护模块和通讯接口模块,通过各个模块的连接控制实现均衡开关矩阵电路模块对电池组中的任意一节电池进行均衡,也就是说通过集成ASIC芯片的方式加速和方便BMS方案厂家实现主动均衡功能的添加,使得BMS电池管理系统对锂电池使用性能和寿命提升更为有效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电池主动均衡ASIC芯片的模块原理结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块的电路结构示意图;
图3为本发明实施例提供的一种开关控制模块的电路结构示意图;
图4为本发明实施例提供的一种温度保护模块的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
基于背景技术记载的内容而言,为了解决现有技术中存在的技术问题,使得主动均衡易于集成到BMS电池管理系统中,在本发明实施例中提出了一种可走大电流的电池主动均衡芯片的ASIC(Application Specific Integrated Circuit,专用集成电路)设计方法,通过集成ASIC芯片的方式,解决现有技术中存在的技术问题,加速和方便BMS方案厂家实现主动均衡功能的添加,使得BMS电池管理系统对锂电池使用性能和寿命提升更为有效。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1,图1为本发明实施例提供的一种电池主动均衡ASIC芯片的模块原理结构示意图,该电池主动均衡ASIC芯片11包括:电源转换模块12、由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块(即图1中所示的Blance Power Mos Matrix)、开关控制模块(即图1中所示的Blance Switch Ctrl)、温度保护模块(Temp Protect)和通讯接口模块13。
所述均衡开关矩阵电路模块的第一端与电池组的输入端连接,第二端与主动均衡电源连接,第三端与所述温度保护模块连接,第四端与所述开关控制模块连接,所述电池组包括n节串联的电池,n>1,且n为正整数。
所述电池组中第n节电池的正极与所述电源转换模块的输入端连接,所述电源转换模块的高压输出端与所述均衡开关矩阵电路模块和所述开关控制模块连接,低压输出端与所述温度保护模块和所述通讯接口模块连接。
所述均衡开关矩阵电路模块用于对所述电池组中的任意一节电池进行均衡;所述开关控制模块用于控制所述均衡开关矩阵电路模块中功率MOS管的开关状态;所述温度保护模块用于对所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管进行温度保护;所述通讯接口模块用于与外部系统进行通信。
需要说明的是,在本发明实施例中以电池组中包括四节串联电池为例进行说明,图1中C0、C1、C2、C3、C4为电池组的输入,C4为当前电池组中最高一节电池的正极,C3、C2和C1依次为串联递减的电池的正极,C0为当前电池组中最低一节电池的负极。
具体的,在本发明实施例中该电池主动均衡ASIC芯片的功能模块主要由六个部分组成,分别为电源转换模块、由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块、开关控制模块、温度保护模块和通讯接口模块;通过各个模块的连接控制实现均衡开关矩阵电路模块对电池组中的任意一节电池进行均衡,也就是说通过集成ASIC芯片的方式加速和方便BMS方案厂家实现主动均衡功能的添加,使得BMS电池管理系统对锂电池使用性能和寿命提升更为有效。
其中,电源转换模块为DC-DC电源转换模块,所述电源转换模块包括:升压电路单元(即图1中所示的boost)和降压电路单元(即图1中所示的buck);所述升压电路单元的输入端和所述降压电路单元的输入端连接,作为所述电源转换模块的输入端;所述升压电路单元的输出端作为所述电源转换模块的高压输出端VMOS;所述降压电路单元的输出端作为所述电源转换模块的低压输出端V3V3。
也就是说,在本发明实施例中,从电池组中最高一节电池的正极引入电压VBAT作为该电池主动均衡ASIC芯片内部的电源转换模块的输入,经升压电路单元升压后输出为VMOS,主要作为功率MOS管的驱动电源,可选的电压值为VBAT+10V,误差在±1V,瞬间输出最大电流可以为500mA;该升压电路单元的主要作用就是为了可以产生足够高的驱动电平实现功率MOS管的快速开启,及开启后保证均衡开关矩阵电路模块中电池对应的均衡通道的内阻维持在较小的值,减少功率MOS管导通时自身发热的情况;另经过降压电路单元降压后输出为V3V3,主要作为该电池主动均衡ASIC芯片内部的数字部分及模拟部分低压供电电源和信号驱动电源,可选的电压值范围为3.3V±0.5V,最大输出电流可以为30mA。
由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块,主要通过内部功率MOS管的导通与关断,来实现对电池组中某一节电池的均衡处理。
可选的,在本发明另一实施例中,参考图2,图2为本发明实施例提供的一种由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块的电路结构示意图。
所述均衡开关矩阵电路模块包括:第一干路、第二干路、n+1条支路和电流源DC;所述电池组中每节电池的正极与一条支路的第一端连接,且第1节电池的负极也与一条支路的第一端连接。
所述第一干路上串联设置有一个功率MOS管,所述第二干路上串联设置有一个功率MOS管,每条所述支路上串联设置有两个功率MOS管,即图2中所示的QN1、QN2、QN3、QN4、QN5、QN6、QN7、QN8、QN9、QN10、QN11和QN12。
所述第一干路的第一端分别与所述电流源的第一端和所述主动均衡电源的第一端Sp连接。
所述第二干路的第一端分别与所述电流源的第二端和所述主动均衡电源的第二端Sn连接。
奇数节电池对应的支路的第二端均与所述第一干路的第二端连接。
第1节电池的负极对应的支路以及偶数节电池对应的支路的第二端均与所述第二干路的第二端连接。
具体的,在本发明实施例中由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块用于控制电池组中某一节电池与主动均衡电源导通,对其进行均衡处理;从原理上来说,若实现对某一节电池进行均衡,只需要将主动均衡电源接入当前电池的正负极即可,因此在本发明实施例中对由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块的通道开关设计上,针对电池通道的正极及最低一节电池的负极上布置一对功率MOS管,即采用对管设计;同时将电池组中依次串联的电池进行分组,分为奇数节和偶数节电池,奇数节电池对应的支路的第二端均与所述第一干路的第二端连接,第1节电池的负极对应的支路以及偶数节电池对应的支路的第二端均与所述第二干路的第二端连接,之后通过两条干路实现与主动均衡电源的连接。
例如当对电池组中第1节电池进行均衡时,那么就需要打开C0和C1对应通道上的四个功率MOS管,以及两条干路上的两个功率MOS管,即QN1、QN2、QN3、QN4、QN5和QN6同时打开。
均衡开关导通后,对外引出的Sn和Sp为主动均衡电源的输入端口,外部接入自定义均衡电流大小的电源,只要不超过功率MOS管最大允许可通过电流即可。
也就是说,在本发明实施例中采用对管的设计形成均衡开关矩阵电路模块主要是保证在任何时刻只要功率MOS管不处于开启时,就不会有任何漏电流的产生,同时增加奇偶通道开关可以有效增强均衡开关矩阵电路模块的稳定性。
可选的,在本发明另一实施例中,所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管为N型功率MOS管。
具体的,在本发明实施例中QN1、QN2、QN3、QN4、QN5、QN6、QN7、QN8、QN9、QN10、QN11和QN12所示的功率MOS管均为N型功率MOS管,在可以实现能够流过较大电流的情况下,又容易实现集成。
其中,S0、S1、S2、S3、S4和SE为功率MOS管的控制信号,输出由开关控制模块控制。
可选的,在本发明另一实施例中,参考图3,图3为本发明实施例提供的一种开关控制模块的电路结构示意图。
所述开关控制模块包括:信号输出单元14、信号接口单元Ctrl IO和多个控制单元15。
所述信号输出单元14的输出端与所述信号接口单元的输入端连接,所述信号接口单元的输出端与所述控制单元的输入端连接,且一个所述控制单元的输出端对应一个所述信号接口单元的输出端,所述控制单元的输出端与所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管的栅极连接。
所述信号输出单元的第一输入端与所述通讯接口模块,所述信号输出单元的第二输入端与所述温度保护模块连接。
所述信号输出单元用于输出控制所述控制单元工作状态的第一控制信号,所述控制单元基于所述第一控制信号输出控制所述均衡开关矩阵电路模块中功率MOS管工作状态的第二控制信号。
所述开关控制模块还包括:定时器保护单元Timer。
所述信号输出单元的第三输入端与所述定时器保护单元连接。
所述定时器保护单元用于依据对电池进行均衡处理的时间和/或所述池主动均衡ASIC芯片过温至恢复的时间,控制所述信号输出单元的工作状态。
所述控制单元包括:第一电阻R1、第二电阻R2、二极管D1、第一MOS管QN13和第二MOS管QP1。
所述第一电阻的第一端与所述第一MOS管的栅极连接,且连接节点与所述信号接口单元的输出端连接。
所述第一电阻的第二端与所述第一信号接口单元的第一端连接,且连接节点接地。
所述第一MOS管的第二端分别与所述第二电阻的第一端、所述二极管的阳极和所述第二MOS管的栅极连接。
所述第二电阻的第二端、所述二极管的阴极和所述第二MOS管的第一端均与所述电源转换模块的高压输出端连接。
所述第二MOS管的第二端与所述均衡开关矩阵电路模块中对应的功率MOS管的栅极连接。
其中,所述第一MOS管为N型功率MOS管,所述第二MOS管为P型功率MOS管。
具体的,在本发明实施例中信号输出单元14包括控制寄存器(即图3中所示的CtrlRegister)和保护寄存器(即图3中所示的Protect Register),保护寄存器用于对控制寄存器中的状态值进行修改,具体的由电源转换模块的设计可知,VMOS为功率MOS管的驱动电源,因此在控制单元中专门设计出一对非功的NMOS(即第一MOS管)和PMOS(即第二功率MOS)互锁控制电路来控制VMOS输出至对应的通道,其中CTRL信号由控制寄存器根据控制寄存器中的状态值通过信号接口单元输出相应的高电平(对应V3V3)或低电平(对应电池主动均衡ASIC芯片的内部接地端)来控制MOS管的开启和关闭,每个电池通道对应一个CTRL信号(即CTRL1-CTRL4),奇偶干路通道则由一个CTRL_E信号控制。
其中,控制寄存器的状态值上电默认初始化为0,即默认信号接口单元输出的所有CTRL信号均为低电平。
需要说明的是,在本发明实施例中改变控制寄存器状态值有三种方式:
第一种,通过通讯接口模块与外部实现通讯,以此实现对控制寄存器状态值进行写修改。
第二种,温度保护模块输出信号TC_OUT,即开关控制模块控制流程检测到TC_OUT出现低电平到高电平的跳变沿时,主动对控制寄存器的状态值进行写修改。
第三种,开关控制模块控制流程读取保护寄存器中相关保护参数,结合内置的定时器保护单元,在实行某些内置保护功能时,主动对控制寄存器的状态值进行写修改。
其中在本发明实施例中主要执行以下两个保护功能:
第一种,均衡通道开启超时保护,即某一路均衡通道开启时间超过保护寄存器中设定的时间,定时器保护单元发送信号至控制寄存器,以改变控制寄存器状态,使得均衡通道关闭。
第二种,过温保护延时计时,即该电池主动均衡ASIC芯片内部发生过温保护后,当温度恢复正常且从保护到恢复的时间大于或等于保护寄存器中设定的延时时长后,才能接触温度保护状态。
可选的,在本发明实施例中,该通讯接口模块可以为磁隔离SPI通讯接口模块,实现与外部系统的通讯,实现外部主控MCU对该电池主动均衡ASIC芯片的控制。
具体的,在本发明实施例中,磁隔离SPI通讯接口模块实现和外部系统的通讯,实现该电池主动均衡ASIC芯片集成到系统应用中,即外部主控系统,如MCU可通过SPI通信发送指令,经过内部磁隔离转换后,传入开关控制模块中,对开关控制模块内的控制寄存器和保护寄存器进行读写操作,从而实现对均衡通道的启停进行控制,设定温度保护值,均衡通道最长打开时间等,同时也可以读取寄存器值,从而知道该电池主动均衡ASIC芯片的当前状态,比如均衡通道开启状态和温度保护状态等。
采用磁隔离技术,实现模拟和数字的隔离,以此实现通讯安全以及方便实现菊花链串联通讯。
可选的,在本发明另一实施例中,第1节电池的负极作为所述电池主动均衡ASIC芯片的内部接地端。
具体的,在本发明实施例中将电池组中最低一节电池的负极作为电池主动均衡ASIC芯片的内部接地端,即电池主动均衡ASIC芯片内部的数字和模拟部分的接地端,即电池主动均衡ASIC芯片的内部接地端只与当前接入电池组最低节有关,而非整个电池组的地,这样就可以保证若干个电池主动均衡ASIC芯片在一个多节串联的电池组中串联使用时,内部开关系统的稳定,互相不受到干扰,以提高每个电池主动均衡ASIC芯片的稳定性。
可选的,在本发明另一实施例中,参考图4,图4为本发明实施例提供的一种温度保护模块的电路结构示意图。
所述温度保护模块包括:或门单元16和多个温度保护单元17,所述温度保护单元17的输出端与所述或门单元16的输入端连接,所述或门单元16的输出端作为所述温度保护模块的输出端。
所述温度保护单元17包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、热敏电阻Rt和比较器Comp。
所述第三电阻的第一端与所述第五电阻的第一端连接,且连接节点与所述电源转换模块的低压输出端连接。
所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端连接,且连接节点与所述比较器的第一输入端连接。
所述第五电阻的第二端与所述热敏电阻的第一端连接,且连接节点与所述比较器的第二输入端连接。
所述第四电阻的第二端和所述热敏电阻的第二端分别接地。
所述比较器的输出端作为所述温度保护单元的输出端。
具体的,在本发明实施例中热敏电阻贴近均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管放置,实现对功率MOS管的高温保护,减少高温损坏,延长功率MOS管的使用寿命,最终提高电池主动均衡ASIC芯片的使用寿命和稳定性。
如图4所示,TC_OUT为温度保护模块经过或门单元的输出信号,正常情况下TC_OUT输出为低电平,任何一路均衡通道发生温度保护后输出高电平。
通过上述描述可知,本发明实施例提供的一种电池主动均衡ASIC芯片中控制主动均衡通道的由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块的驱动电源设计为内部接地端和升压电路单元,内部接地端的设计保证多个电池主动均衡ASIC芯片串联使用时芯片间互相不受到影响,升压电路单元保证开启功率MOS管有足够的驱动电平实现快速开启和保证均衡通道的内阻维持在较小的值,减少功率MOS管导通时自身发热情况。
控制均衡通道的由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块采用每个电池一个独立功率MOS管和奇偶通道各一对功率MOS管的两道开关控制方式,确保开启和关闭经过双重通道,极大降低开启失误造成的电池组间短路进而烧毁功率MOS管的情况;同时,内部又集成了定时器均衡超时保护和硬件过温保护,实现软保护和硬保护,增强了主动均衡在使用时的安全保证。
进一步的,内置磁隔离SPI通信,实现模拟和数字地隔离,安全且方便实现串联系统,无需系统应用层面搭建通信隔离系统方案。
也就是说,本发明实施例提供的一种电池主动均衡ASIC芯片的技术实现了基于大功率开关功率MOS管阵列的主动均衡ASIC设计方法,并从实际使用场景设计出内部接地端和磁隔离SPI通讯,可应用于不同串联节数,不同容量的锂电池组系统;由于将占用PCB电路板面积的功率MOS管开关阵列和控制电路集成到ASIC中,极大减少了BMS厂家集成大功率主动均衡的实现难度,方便其实现对锂电池的主动均衡功能,实现对锂电池高效率的保护和延长寿命,增加了产品的竞争力;用户可根据自行需要,定制均衡电流的大小,只要不超过功率MOS管最大承受电流极限即可。
以上对本发明所提供的一种电池主动均衡ASIC芯片进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素,或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述电池主动均衡ASIC芯片包括:电源转换模块、由功率MOS管组成的均衡开关矩阵电路模块、开关控制模块、温度保护模块和通讯接口模块;
所述均衡开关矩阵电路模块的第一端与电池组的输入端连接,第二端与主动均衡电源连接,第三端与所述温度保护模块连接,第四端与所述开关控制模块连接,所述电池组包括n节串联的电池,n>1,且n为正整数;
所述电池组中第n节电池的正极与所述电源转换模块的输入端连接,所述电源转换模块的高压输出端与所述均衡开关矩阵电路模块和所述开关控制模块连接,低压输出端与所述温度保护模块和所述通讯接口模块连接;
所述均衡开关矩阵电路模块用于对所述电池组中的任意一节电池进行均衡;所述开关控制模块用于控制所述均衡开关矩阵电路模块中功率MOS管的开关状态;所述温度保护模块用于对所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管进行温度保护;所述通讯接口模块用于与外部系统进行通信;
所述开关控制模块包括:信号输出单元、信号接口单元和多个控制单元;
所述信号输出单元的输出端与所述信号接口单元的输入端连接,所述信号接口单元的输出端与所述控制单元的输入端连接,且一个所述控制单元的输出端对应一个所述信号接口单元的输出端,所述控制单元的输出端与所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管的栅极连接;
所述信号输出单元的第一输入端与所述通讯接口模块,所述信号输出单元的第二输入端与所述温度保护模块连接;
所述信号输出单元用于输出控制所述控制单元工作状态的第一控制信号,所述控制单元基于所述第一控制信号输出控制所述均衡开关矩阵电路模块中功率MOS管工作状态的第二控制信号。
2.根据权利要求1所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述电源转换模块包括:升压电路单元和降压电路单元;
所述升压电路单元的输入端和所述降压电路单元的输入端连接,作为所述电源转换模块的输入端;
所述升压电路单元的输出端作为所述电源转换模块的高压输出端;
所述降压电路单元的输出端作为所述电源转换模块的低压输出端。
3.根据权利要求1所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,第1节电池的负极作为所述电池主动均衡ASIC芯片的内部接地端。
4.根据权利要求1所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述均衡开关矩阵电路模块包括:第一干路、第二干路、n+1条支路和电流源;所述电池组中每节电池的正极与一条支路的第一端连接,且第1节电池的负极也与一条支路的第一端连接;
所述第一干路上串联设置有一个功率MOS管,所述第二干路上串联设置有一个功率MOS管,每条所述支路上串联设置有两个功率MOS管;
所述第一干路的第一端分别与所述电流源的第一端和所述主动均衡电源的第一端连接;
所述第二干路的第一端分别与所述电流源的第二端和所述主动均衡电源的第二端连接;
奇数节电池对应的支路的第二端均与所述第一干路的第二端连接;
第1节电池的负极对应的支路以及偶数节电池对应的支路的第二端均与所述第二干路的第二端连接。
5.根据权利要求1所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述均衡开关矩阵电路模块中的功率MOS管为N型功率MOS管。
6.根据权利要求1所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述开关控制模块还包括:定时器保护单元;
所述信号输出单元的第三输入端与所述定时器保护单元连接;
所述定时器保护单元用于依据对电池进行均衡处理的时间和/或所述池主动均衡ASIC芯片过温至恢复的时间,控制所述信号输出单元的工作状态。
7.根据权利要求1所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述控制单元包括:第一电阻、第二电阻、二极管、第一MOS管和第二MOS管;
所述第一电阻的第一端与所述第一MOS管的栅极连接,且连接节点与所述信号接口单元的输出端连接;
所述第一电阻的第二端与所述第一信号接口单元的第一端连接,且连接节点接地;
所述第一MOS管的第二端分别与所述第二电阻的第一端、所述二极管的阳极和所述第二MOS管的栅极连接;
所述第二电阻的第二端、所述二极管的阴极和所述第二MOS管的第一端均与所述电源转换模块的高压输出端连接;
所述第二MOS管的第二端与所述均衡开关矩阵电路模块中对应的功率MOS管的栅极连接。
8.根据权利要求7所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述第一MOS管为N型功率MOS管;
所述第二MOS管为P型功率MOS管。
9.根据权利要求1所述的电池主动均衡ASIC芯片,其特征在于,所述温度保护模块包括:或门单元和多个温度保护单元;
所述温度保护单元的输出端与所述或门单元的输入端连接,所述或门单元的输出端作为所述温度保护模块的输出端;
所述温度保护单元包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、热敏电阻和比较器;
所述第三电阻的第一端与所述第五电阻的第一端连接,且连接节点与所述电源转换模块的低压输出端连接;
所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端连接,且连接节点与所述比较器的第一输入端连接;
所述第五电阻的第二端与所述热敏电阻的第一端连接,且连接节点与所述比较器的第二输入端连接;
所述第四电阻的第二端和所述热敏电阻的第二端分别接地;
所述比较器的输出端作为所述温度保护单元的输出端。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201174408Y (zh) * 2004-10-04 2008-12-31 布莱克和戴克公司 监视电池组电池的设备及在充电期间平衡电池电压的装置
CN103019234A (zh) * 2012-12-26 2013-04-03 中国汽车技术研究中心 新能源汽车电池管理采集子系统及其控制方法
CN206673610U (zh) * 2017-01-12 2017-11-24 奥创新能源(深圳)有限公司 智能电池管理系统
CN210669592U (zh) * 2019-12-06 2020-06-02 江苏由甲申田新能源科技有限公司 锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路
WO2020186496A1 (zh) * 2019-03-21 2020-09-24 合肥国轩高科动力能源有限公司 主动均衡电路、电池管理系统、电源系统及用电设备
CN113492726A (zh) * 2020-04-07 2021-10-12 金华职业技术学院 一种动力电池组主动均衡控制系统
CN115275392A (zh) * 2022-08-02 2022-11-01 青岛铁骑网络科技有限公司 一种电池电芯智慧管理控制系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7417405B2 (en) * 2004-10-04 2008-08-26 Black & Decker Inc. Battery monitoring arrangement having an integrated circuit with logic controller in a battery pack
KR102028170B1 (ko) * 2012-08-13 2019-10-02 삼성에스디아이 주식회사 셀 밸런싱 회로 및 이를 구비한 배터리 팩

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201174408Y (zh) * 2004-10-04 2008-12-31 布莱克和戴克公司 监视电池组电池的设备及在充电期间平衡电池电压的装置
CN103019234A (zh) * 2012-12-26 2013-04-03 中国汽车技术研究中心 新能源汽车电池管理采集子系统及其控制方法
CN206673610U (zh) * 2017-01-12 2017-11-24 奥创新能源(深圳)有限公司 智能电池管理系统
WO2020186496A1 (zh) * 2019-03-21 2020-09-24 合肥国轩高科动力能源有限公司 主动均衡电路、电池管理系统、电源系统及用电设备
CN210669592U (zh) * 2019-12-06 2020-06-02 江苏由甲申田新能源科技有限公司 锂离子电池组电芯电压采集及均衡电路
CN113492726A (zh) * 2020-04-07 2021-10-12 金华职业技术学院 一种动力电池组主动均衡控制系统
CN115275392A (zh) * 2022-08-02 2022-11-01 青岛铁骑网络科技有限公司 一种电池电芯智慧管理控制系统

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