CN1747279A - 一种隔离驱动开关组结构方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种管理串联直流电源的开关组合电路(10)，其特征是利直流辅助电源和被管理直流电电源，接到光耦开关输出端口的一个脚上，另一输出脚接到被管理直流电源正负端的双向阻断的电压型驱动开关管组合对的栅极上，管理电路通过光耦输出信号，使直流辅助电源和被管理直流电源通过相应的回路，被管理直流电源的正负两端的开关管对开通，将被管理直流电源接入到控制管理电路。利用电路(10)特性，将被管理串联直流电源中的每个电源.接入控制管理电路。开关方案可代替目前应用的继电接触器和光耦固态继电器，并且集合了两种器件的优点。电路可应用在对串联电池组电源检测、均衡管理上，保护延长电池寿命。

Description

一种隔离驱动开关组结构方案

技术领域

本发明涉及多个串联直流电源的管理用开关电路，并可容易涉及各种串联电池组的管理用电开关路。

发明背景

电池广泛应用在各种移动设备上，电池单体电压一般都很低，大多需要电池串联起来，但因各单体电池的参数不一致，所以必须对各单体电池进行检测管理。有采用各单体电池内置管理电路方案，见《世界电子元器件》唐海波等人的《电动助力车锂离子电池组智能监控系统》，该方案因为每个电池都有一个检测管理电路，因而成本过高，并且不容易应用在单体低电压或者小容量的电池上；有采用集中管理法，见自中国哈尔滨正达自动化设备有限公司陈守平、张军等人的《动力电池组特性分析与均衡管理》，该方法采用触点开关的方法将各单体电池引接到控制管理电路，该方法的开关功率过大，开关速度慢，并且因触点开关的抖动问题使其不能在有震动的场合有过多使用，见图1所示；集中管理方法中，又有采用光耦合场效应管即PhotoMOS继电器的方法代替触点开关的切换，见 中图分类 号：TM912文献标识码：A文章编号：0219-2713(2003)1·2-0045-06王键江的《电池巡检技术的应用设计》，该方法因为PhotoMOS继电器的电流不能太大，见图2，所以管理电路仅适合作为检测应用。

电池的管理电路采用集中管理的控制方法时，成本可比单体电池内置管理电路方案低，可靠性也好，集中管理的控制方法相干技术中需要一种功耗更低、速度更快、开关电流更大、开关导通更可靠的接入开关。

发明内容

本发明以直流辅助电源和被管理直流电源电压作驱动电压的隔离驱动电路开关组方案来实现这种开关电路技术优势。该方案可轻易的应用在各类型串联电池组管理中，不但可检测，还可以通过大电流，便于均衡充放电的电路在各节电池之间选择大电流充放。

附图简述

图1表示已有技术中应用线圈继电接触开关的集中管理方案；

图2表示已有技术中应用光耦继电器开关的集中管理方案；

图3表示本发明应用4个独立开关组N-MOSFET开关管管理4节铅酸电池实施第1例；

图4表示本发明相邻开关组共用开关管方式应用N-MOSFET开关管管理铅酸电池实施第2例；

图5表示本发明相邻开关组共用开关管方式应用带二极管IGBT管理4节铅酸电池实施第3例；

图6表示本发明相邻开关组共用开关管方式应用P-MOSFET开关管管理4节铅酸电池实施第4例；

图7表示本发明相邻开关组共用开关管方式应用N-MOSFET开关管管理7节锂电池实施第5例；

除非特别说明，否则不同附图中的相应的数字和符号表示相应的部分。

详细描述

图1所示方案，利用继电接触开关，其工作时，control1、control2、control3引脚轮流单独输出控制信号，三个输出的信号为线圈继电器额定工作电压，relay1、relay2、relay3轮流将Vc1、Vc2、Vc3三个电池接入控制管理电路系统，管理电路将根据电池电压情况决定电池均衡、电池组关断、开通，单个电池的均衡电流此时也可以通过继电器开关的触点进行充放；线圈开关的功耗＞0.3W，随着需要通过开关触点的电流增大，就得提高开关触点可靠性，此时，必须得增大线圈的功率，控制电路的电源Vd如果取自串联电池组电能，它必须通过并接在电池组两端的隔离DC/DC变换得到，这样就造成电池组管理电路静态工作电流过大。如果Vd为独立的电池电源，如果电池组应用在电动工具的内部，触点开关为机械式开关，工作中不可避免有抖动现象，使控制管理电路可靠性降低，触点开关的寿命将下降。所以继电接触开关集中管理方法仅适用于大电流大功率动力电池组的管理，使继电接触开关功耗可忽略不计，并且应用环境避免过多震动。

图2方案利用光耦继电器代替了线圈继电器，开关速度高于图1方案，工作时，control1、control2、control3引脚轮流单独输出控制信号，工作信号为额定电流信号，光耦继电器开通，通过control1引脚信号，U1、U2把Vc1电池接入控制管理电路，control2引脚信号开通U3、U4把Vc2电池接入控制管理电路，control3引脚信号开通U5、U6把Vc2电池接入控制管理电路；由IR公司给出的光耦继电器参数可知，开关最大电流不超过5A，大电流的光耦继电器耐压不超过60V，单个光耦继电器的可靠导通电流＞10mA，由于器件参数限制，控制管理电路比较适用于小电流小功率的电池组的管理。如果大电流大功率动力电池组时，如需要通过均衡大电流时，则必须多个光耦继电器并联使用，造成成本增加，功耗电流增加。

利用光耦隔离开关和电压型驱动开关器件，结合电池本身特性，本发明很轻易地实现上述两种开关器件的优势。

见图3，control1、control2、control4引脚没有信号，control3引脚有信号电流时，PH2副边开关导通，Vc2辅助直流电源从接点2通过PH2内部开关、R7、Q8内部二极管形成回路，R7电阻足够大时，使PH2开关的导通电压不大于0.3V，则Q7、Q8栅源电压Vgs≈Vc2，由于Vc2为铅酸电池，单体电池的电压为14～9V，普通的N-MOSFET开关管正常栅源电压范围为20V＞Vth＞4V所以Vgs＞Vth，则Q7、Q8导通，将Vc3的正端接入到管理控制电路的AD点上，所以称Vc2为直流辅助电源；而对于下臂回路，作用在此回路的电源电压是Vc2+Vc3，回路通过PH2内部开关、R8、R9和Q10内部二极管，在Q9、Q10形成的栅极电压：

Vgs≈(Vc2+Vc3)R9/(R8+R9)

调整R8和R9的值，使开关管Q9、Q10导通电压范围为20V＞Vth＞4V。下臂开关管Q9、Q10利用了辅助电池电源Vc2和所管理Vc3电池电源的电压来驱动导通，此时，Vc3的负端接通到管理控制电路的共地上，相当于把电池接入到控制管理电路内部。

Control2引脚单独有信号电流，其他引脚没有信号电流时，control4引脚单独有信号电流，其他引脚没有信号电流时，其分析工作过程如上所述工作原理过程一样。

当control1单独工作时，其开关信号驱动电压Vcontrol1必须大于Vc1至少4.7V，因为如果Vc1正端接入后，如果想Q1导通良好，则必须Vgs≈Vcontrol1-Vc1-0.7V＞4V，其信号回路通过Vc1回到控制管理电路的电源地上；而Q2的驱动电压为

Vgs≈Vcontrol1*R3(R2+R3)

Vc1正负端只有一个单向的开关管，如下分析，当非control1信号时，Vc1被Q1阻断，电位低于Vc1正端电位的任一节电池接入AD和控制管理电路的共地点上，都不会有电流流到Vc1；最低一节电池Vc4负端只用一个开关管Q13，在非control4信号工作时，足够阻断由于共地点上高于Vc4负端的电位会造成的电流回路。

当没有驱动信号时，所有的电池都被阻断在信号控制管理电路的外部。控制管理电路的工作时，它可任意地选择所管理的电池电源，如果配上一个隔离控制的DC/DC开关电源，输出接到AD接点和控制管理电路的共地点，则随时可选择所检测的电池组中最低电压的电池充电，用此方法来执行对电池的均衡管理。

图4为相邻开关组共用开关管方式实施，相邻两个开关管通道的输出分别接到a和b接点上；输出参考上例的分析方法，再根据信号回路中的元器件，control1、control2、control4引脚没有信号，control3引脚有信号电流时，Q3、Q4的栅极驱动电压是Vgs≈Vc2-0.7，而Q5、Q6的栅极驱动电压是Vgs≈(Vc2+Vc3-0.7)R7/(R6+R7)；因为有D7的单向阻断作用，驱动电压被截止，防止Q7导通，D4在相类似的图7实施例中说明。当control1有信号，control2、control3、control4引脚没有信号时，控制管理电路内部的AC驱动电压信号，起作用，则a接点和AD接点接通，b接点和控制管理电路的共地点接通，驱动信号通过D2、R2、R3到和地相连的b接点给Q2的提供栅极驱动电压，电池Vc1的负端接通到地。而驱动信号还通过D1、R1、Q1、电池Vc1到地，给Q1的提供栅极驱动电压，所以Vc1的正端从a接点接通到控制管理电路的AD接点。所以通过控制管理电路内部的极性转换电路，相邻开关组共用开关管方式接法的功能和图3

实施例功能一样。

图5为IGBT开关管应用，IGBT管比N-MOSFET的优势在耐高压、大电流，其工作过程和利用N-MOSFET管一样，但是需要注意最大工作电流不能超过体内二极管最大电流的限制。

图6为P-MOSFET开关管应用实施例，当control3有电流驱动信号，control1、control2、control4没有信号时，Q3、Q4的栅极电压值：

Vgs≈-(Vc3+Vc4-0.7)R5/(R5+R6)设定好R5、R6的阻值，使-20V＞Vgs＞4V，Q6、Q5的栅极电压值为：

Vgs ≈-(Vc4-0.7)D4阻断Vc2放电，此时，电池电源Vc3接入到管理控制电路内部，其它电池电源被阻断在外部，Vc4为辅助直流电源。当control1和contro2单独有信号时，将单独把Vc1和Vc2接入管理控制电路内部，其工作过程和control3有信号时的工作过程一样。

control4工作时，需要依靠管理控制电路内部的负电源Vd2，电压大概为12V左右，工作时，BC有信号，则把a点接到共地点上，此时Q7的栅极电压为Vgs≈-(Vd2-0.7)，在Q7开通的情况下，则Q6、Q5的栅极电压为Vgs≈-(Vc4+Vd2-0.7)R7/(R7+R8)，所以Vd2为开关组电路辅助直流电源。

图7实施例应用在7节串联的锂电池组上，因为单体电池电压比较低，电压为4.2V到2.2V，所以每个开关组的辅助电源为两节电池串联起来，另外使用开启电压比较低的N-MOSFET开关管，10的开关组导通时，Q3、Q4的栅极电压：Vgs≈Vc1+Vc2-0.7Q5、Q6的栅极电压：Vgs≈(Vc1+Vc2+Vc3-0.7)R7/(R6+R7)按照开关管的栅极耐压，短接R6，则：Vgs≈Vc1+Vc2+Vc3-0.7对于Vc2电池的管理开关组，因为辅助电源取自控制管理电路的工作电源，所以Vd电压必须大于Vc2电池5V。图7的D7和图4实施例中的D7二极管的作用是一致的，图7的D4也起单向阻断的作用，防止Vc1变为Q2的驱动电压源而将其导通，造成电池电源短路放电；Control2工作时，D5和D7的作用一致，Control4工作时，D6和D4作用一致。

本发明已经参照实施例进行描述，本专业技术人员可参照描述对实施例进行理解。实施例中只表现本发明的主要特点，具体的应用应该在包含A/D转换的MCU或DSP智能控制管理电路部分的设计上。本发明的优势就是给控制管理部分电路提供低成本、可靠的外部接口。

Claims (5)

1.一种利用直流辅助电源和被管理直流电源电压作驱动电压的隔离驱动电路开关组结构，其特征是：利用直流辅助电源和被管理直流电源电压作驱动电压源，通过光耦合隔离开关的副边，接到两组电压驱动型半导体开关管的栅极，一组开关管的通道一边接在被管理的直流电源正端，另一组开关管的通道一边接在被管理直流电源负端，再通过栅极和源极或射极之间并接的电阻，最后通过开关管内部二极管返回到直流辅助电源和被管理直流电源的另一端，形成的驱动电压信号回路，通过光耦开关的通断，推动开关管的导通和阻断，接通和阻断被管理直流电源到控制管理电路。电压型驱动半导体开关包括N-型MOSFET、P-型MOSFET和带射集并联二极管的IGBT，光耦合隔离开关为光耦合三极管、光耦合MOS管。被管理直流电源正负端的两组开关管根据和控制管理电路接通后会造成放电时，开关管要双向阻断，将两个开关管栅极并接、源极或射极并接形成双向阻断开关。栅极驱动电压回路根据需要串接一个分压电阻。独立直流电源提供控制管理电路电能，电源地不和被管理直流电源的正负端中的任何一端直接连接到一起。

2.如权利要求1直流辅助电源包括独立电源、和独立电源串联的正负电源、和所管理电源的串联电源。被管理直流电源为需要检测控制的直流电源和电池电源。

3.如权利要求1被管理直流电源，共有多个串联，用独立开关组方式接入到控制管理电路，电路的接法为每一个电源有一个开关组，每个开关组输出为正的开关管输出引脚同接到一点，输出为负的开关管的输出引脚接到同一点并且接到独立电源的共地点；相邻开关组共用开关管方式，电路接法为相邻两个串联的被管理直流电源之间的接点的开关管共同使用。

4.如权利要求3相邻开关组共用开关管方式每个光耦开关的输出对被管理电源正负两端的开关管各自栅极的驱动电压信号回路上分别加上一个单向二极管，二极管的朝向为驱动电压信号导通的方向；相邻两个光耦开关输出到同一开关管栅极的信号回路通过各自信号回路单向二极管相互阻断。

5.如权利要求3，被管理的n个串联直流电源，电位最高一个被管理直流电源正端单独使用一个开关管，电位最低一个直流电源负端单独使用一个开关管。

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