CN210792873U - 汽车电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路 - Google Patents

汽车电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路 Download PDF

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胡运平
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Abstract

本申请公开了一种汽车电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路。所述供电及驱动电路包括升压电路、恒流源电路和驱动器；所述升压电路包括第一输入端和第一输出端；所述恒流源电路包括恒流驱动信号输出端；所述升压电路的第一输入端用于与矩阵开关电路的电池组的正极连接；所述升压电路的第一输出端与所述恒流源电路连接，以为所述恒流源电路驱动所述矩阵开关电路提供高电位；所述恒流源电路的恒流驱动信号输出端用于与所述矩阵开关电路连接，以驱动所述矩阵开关电路；所述驱动器用于控制所述恒流源电路输出恒流驱动信号。所述电池管理系统和所述汽车均包括所述供电及驱动电路。本申请可降低EMI且可有效地避免误导通。

Description

汽车电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路
技术领域
本申请涉及电池管理技术领域，特别涉及一种汽车电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路。
背景技术
随着电动汽车行业的快速发展，电动汽车对电池的使用寿命和续航里程的要求也越来越高。由于锂电池的生产一致性问题导致电池组的各个单体电压在工作过程中会存在差异。为了延长电池的使用寿命及保证电池安全性，需要检测电池组的各单体电池电压以及使不一致的单体电池进行均衡充放电，使各单体电池电压值保持一致。由于被动均衡属于能量消耗型技术且存在均衡能力低、功能少等局限性，故引入了主动均衡技术。主动均衡技术属于能量转移型技术，具有效率高、均衡能力强等优势；但该技术也引入了新的问题，如EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)较大、整体结构复杂，尤其是矩阵开关的驱动控制。
目前主动均衡的开关矩阵的控制方式均采用辅助电源供电及光隔离器件控制实现。辅助电源为隔离光耦副边供电，为矩阵开关中的MOS管提供驱动电压；每个隔离光耦控制一对选通的MOS管，需要N+1个隔离光耦(N为电池个数)；当某个单体电池需要均衡时，需打开其正负极的矩阵开关，使其进入公共回路，通过换向开关与主变换拓扑实现能量的交换；控制电池正负极的矩阵开关，需要通过在原边控制隔离光耦发光二极管的开通，从而使隔离光耦副边的三极管导通，使辅助电源直接驱动矩阵开关MOS；多串电池中，只能有单独一个电池正负极的矩阵开关打开。该控制方式的电路结构复杂，导致成本较高，且辅助电源的引入会产生较大的EMC(Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性)问题。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本申请的发明构思及技术方案，其并不必然属于本申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
实用新型内容
本申请提出一种汽车电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路，可有效地避免误导通。
在第一方面，本申请提供一种电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路，包括升压电路、恒流源电路和驱动器；所述升压电路包括第一输入端和第一输出端；所述恒流源电路包括恒流驱动信号输出端；
所述升压电路的第一输入端用于与矩阵开关电路的电池组的正极连接；
所述升压电路的第一输出端与所述恒流源电路连接，以为所述恒流源电路驱动所述矩阵开关电路提供高电位；
所述恒流源电路的恒流驱动信号输出端用于与所述矩阵开关电路连接，以驱动所述矩阵开关电路；
所述驱动器用于控制所述恒流源电路输出恒流驱动信号。
在一些优选的实施方式中，所述恒流源电路包括驱动开关管；所述驱动开关管与所述恒流驱动信号输出端连接；所述驱动器用于控制所述驱动开关管开通或关断。
在一些优选的实施方式中，所述升压电路的具体形式包括多级电荷泵电路和boost升压电路。
在一些优选的实施方式中，所述恒流源电路包括限流电阻、稳压管和主恒流电路；
所述限流电阻的一端与所述升压电路的第一输出端连接，所述限流电阻的一端另一端与所述稳压管的一端共同连接至所述主恒流电路的输入端；
所述稳压管的另一端接地。
在一些优选的实施方式中，所述主恒流电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和调整电阻；
所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管的第一极与所述第二三极管的第一极共同连接至所述主恒流电路的输入端；
所述第二三极管的第二极与所述第三三极管的第一极连接；
所述第三三极管的基极与所述第一三极管的第二极共同连接至所述调整电阻的一端；所述调整电阻的另一端接地；
所述第三三极管的第二极与所述第四三极管的第二极连接；所述第四三极管的基极与所述驱动器连接，所述第四三极管的第一极连接至所述恒流驱动信号输出端。
在一些优选的实施方式中，所述第一三极管、所述第二三极管和所述第三三极管均为PNP型三极管；所述第四三极管为NPN型三极管；所述第一极为发射极；所述第二极为集电极。
在一些优选的实施方式中，所述多级电荷泵电路为电荷泵级联电路。
在一些优选的实施方式中，所述多级电荷泵电路为两级电荷泵电路；
所述两级电荷泵电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；
所述第一二极管的正极连接至所述电池组的正极，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管依次串联，所述第四二极管的负极连接至所述恒流源电路的输入端；
所述第一电容的一端连接至所述第一二极管和所述第二二极管之间，所述第一电容的另一端通过所述第二开关接地；
所述第二电容的一端连接至所述第二二极管和所述第三二极管之间，所述第二电容的另一端接地；
所述第三电容的一端连接至所述第三二极管和所述第四二极管之间，所述第三电容的另一端通过所述第四开关接地；
所述第一开关的一端连接至所述电池组的正极，所述第一开关的另一端通过所述第二开关接地；
所述第三开关的一端连接至所述第二二极管和所述第三二极管之间，所述第三开关的另一端通过所述第四开关接地；
所述第四电容的一端连接至所述第四二极管的负极，所述第四电容的另一端接地。
在第二方面，本申请提供一种电池管理系统，包括矩阵开关电路和上述供电及驱动电路。
在第三方面，本申请提供一种汽车，包括上述供电及驱动电路。
与现有技术相比，本申请的有益效果有：
通过升压电路作为供电电源，为驱动矩阵开关电路的开关管提供高电位，不使用变压器，可降低EMI。恒流源电路为驱动矩阵开关电路中选通的开关管提供恒定的驱动电流。如此，通过控制升压电路或恒流源电路的导通与否，可间接控制矩阵开关电路工作。由后端的恒流源电路直接控制矩阵开关电路的开关管，可使开关管受到的干扰最小，可有效地避免误导通。
附图说明
图1示出本申请第一实施例的矩阵开关电路的结构；
图2示出本申请第一实施例的电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路的结构；
图3示出本申请第一实施例的电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路的一种变型方式的结构；
图4示出本申请第一实施例的电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路的另一种变型方式的结构。
具体实施方式
为了使本申请实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图1至图4及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
第一实施例
参考图1和图2，本实施例提供一种电池管理系统，包括矩阵开关电路100和电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路200。根据实际情况，电池管理系统的产品形态可配备有电池组300或者不配备有电池组300。
供电及驱动电路200用于驱动矩阵开关电路100。参考图1，矩阵开关电路100用于对电池组300进行控制。电池组300包括多个串联在一起的单个电池。在本实施例中，电池组300中的单个电池均为锂电池。矩阵开关电路100可使电池组300中的一个或者多个电池输出能量。
参考图1，矩阵开关电路100包括多个矩阵开关子电路101、换向开关电路102和变压器电路103。在本实施例中，各个矩阵开关子电路101包括两个连接在一起的开关管；具体的，开关管为MOS管。根据实际情况，供电及驱动电路200可使指定数量的矩阵开关子电路101工作。
参考图1，各个矩阵开关子电路101用于将电池组300中的单个电池连接至换向开关电路102。各个矩阵开关子电路101的一端用于与对应的单个电池连接。各个矩阵开关子电路101的另一端均与换向开关电路102连接。换向开关电路102则与变压器电路103连接。如此，通过控制可使电池组300中指定数量串联的单个电池输出能量。
参考图2，本实施例的电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路200包括升压电路1、恒流源电路2和驱动器3。升压电路1用于对输入的电压进行升压，以获得较高的电压；升压电路1的具体形式可以是多级电荷泵电路或者boost升压电路。恒流源电路2用于产生恒流驱动信号DRV1-S。驱动器3可通过控制信号DRV1控制恒流源电路2输出恒流驱动信号DRV1-S。
参考图3，升压电路1包括第一输入端11A和第一输出端12A。
恒流源电路2包括恒流驱动信号输出端22B。
升压电路1的第一输入端11A用于与电池组300的正极连接。电池组300包括多个串联在一起的单个电池。升压电路1的第一输入端11A与电池组300的正极连接，升压电路1则可获得最高的电压。
升压电路1的第一输出端12A与恒流源电路2连接。如此，升压电路1工作后，可为恒流源电路2供电，从而为恒流源电路2驱动矩阵开关电路100提供高电位。
恒流源电路2的恒流驱动信号输出端22B用于与矩阵开关电路100连接，以驱动矩阵开关电路100。
驱动器3用于控制恒流源电路2输出恒流驱动信号DRV1-S。恒流驱动信号DRV1-S输入至矩阵开关子电路101，使矩阵开关子电路101中的开关管工作，进而使电池组300中指定数量的电池工作。
在本实施例中，升压电路1与电池组300连接，为恒流源电路2供电。驱动器3产生控制信号DRV1，输入至恒流源电路2，从而使恒流源电路2输出恒流驱动信号DRV1-S至矩阵开关电路100。由于升压电路1与电池组300的正极连接，升压电路1输出的电压高于电池组300的电压，使得恒流驱动信号DRV1-S的电位也高于电池组300的正极电位。如此，供电及驱动电路200可驱动矩阵开关电路100中的任一个矩阵开关子电路101，从而使指定数量串联的电池工作。可基于恒流驱动信号DRV1-S产生多个子恒流驱动信号驱动一路矩阵开关子电路，从而使指定数量串联的电池工作；具体的，基于恒流驱动信号DRV1-S再产生子恒流驱动信号驱动DRV2-S、DRV3-S、DRV4-S、DRV5-S和DRV6-S，驱动六个矩阵开关子电路101。
根据上述可知，通过升压电路1比如电荷泵作为供电电源，为驱动矩阵开关电路100的开关管提供高电位，不使用变压器，可降低EMI。恒流源电路2为驱动矩阵开关电路100中选通的开关管提供恒定的驱动电流，如此，通过控制升压电路1或恒流源电路2的导通与否，可间接控制矩阵开关电路100工作。由后端的恒流源电路2直接控制矩阵开关电路100的开关管，可使开关管受到的干扰最小，可有效地避免误导通。本实施例的电路简单、实用，具有高性价比，可降低生产成本以及可提高产品的稳定性。
参考图3，本实施例的恒流源电路2包括驱动开关管T4。驱动开关管T4具体可为三极管或者MOS管。驱动开关管T4与恒流驱动信号输出端22B连接。驱动器3与驱动开关管T4连接，用于控制驱动开关管T4开通或关断。当驱动器3将控制信号DRV1输入至驱动开关管T4的基极，驱动开关管T4导通，恒流驱动信号DRV1-S可从恒流驱动信号输出端22B输出。驱动开关管T4比如MOS管的控制信号简单，可不采用变压器的原边驱动信号，不存在电气隔离等技术问题。
参考图3，本本实施例的恒流源电路2还包括限流电阻R1、稳压管D5和主恒流电路21。限流电阻R1的一端与升压电路1的第一输出端12A连接，限流电阻R1的另一端与稳压管D5的一端共同连接至主恒流电路21的输入端。稳压管D5的另一端接地。主恒流电路21可产生恒流信号。限流电阻R1及稳压管D5可使恒流源电路2的输出电压稳定在某个恒压值，使输出电流为恒流输出。
参考图3，本本实施例的主恒流电路21包括第一三极管T1、第二三极管T2、第三三极管T3、第四三极管T4和调整电阻R2。第四三极管T4就是驱动开关管T4。
在本实施例中，第一三极管T1、第二三极管T2和第三三极管T3均为PNP型三极管；第四三极管T4为NPN型三极管；在其它实施例中，可根据具体情况选择三极管的类型。第一三极管T1的基极与第二三极管T2的基极连接。第一三极管T1的第一极也即发射极与所述第二三极管的第一极也即发射极共同连接至主恒流电路21的输入端。第二三极管2的第二极也即集电极与第三三极管T3的第一极也即发射极连接。第三三极管T3的基极与第一三极管T1的集电极共同连接至调整电阻R2的一端。调整电阻R2的另一端接地。第三三极管T3的第二极也即集电极与第四三极管T4的第二极也即集电极连接。第四三极管T4的基极与驱动器3连接。第四三极管T4的发射极连接至恒流驱动信号输出端22B。当升压电路1为恒流源电路2供电时，驱动器3的控制信号DRV1控制第四三极管T4导通，使恒流驱动信号DRV1-S直接驱动矩阵开关电路100中的开关管。恒流源电路2输出的恒流驱动信号DRV1-S的电流为IR2。调节电流IR2的大小，配合矩阵开关电路100中的开关管比如MOS管的下拉电阻(比如下拉电阻R11、R12、R13、R14、R15和R16)，可使MOS管的驱动电压幅值稳定可靠。在本实施例中，恒流源电路2的恒流方式为先恒压后恒流；在其它实施例中，还可使用其他可控精密电流源来代替恒压源。
参考图3和图4，本实施例中作为升压电路1的多级电荷泵电路可以是电荷泵级联电路或者两级电荷泵电路。两级电荷泵电路为两级完整的电荷泵，控制逻辑简单。电荷泵级联电路的控制逻辑与两级电荷泵电路的略同。
对两级电荷泵电路进行说明。参考图3，两级电荷泵电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。
第一二极管D1的正极连接至电池组300的正极。第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4依次串联。第四二极管D4的负极连接至恒流源电路2的输入端，与限流电阻R1的一端连接。
第一电容C1的一端连接至第一二极管D1和第二二极管D2之间，第一电容C1的另一端通过第二开关S2接地。
第二电容C2的一端连接至第二二极管D2和第三二极管D3之间，第二电容C2的另一端接地。
第三电容C3的一端连接至第三二极管D3和第四二极管D4之间，第三电容C3的另一端通过第四开关S4接地。
第一开关S1的一端连接至电池组300的正极，第一开关S1的另一端通过第二开关S2接地。
第三开关S3的一端连接至第二二极管D2和第三二极管D3之间，第三开关S3的另一端通过第四开关S4接地。
第四电容C4的一端连接至第四二极管D4的负极，第四电容C4的另一端接地。
电池组300的最高电压为Vbatt+。当矩阵开关电路100不需要工作时，所有开关(第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4)均断开，驱动器3的控制信号DRV1所控制的第四三极管T4不导通，整体电路功耗最低。当矩阵开关电路100中的某路矩阵开关子电路101需要导通时，整体电路开始工作：
步骤1、第二开关S2和第四开关S4闭合，第一电容C1和第三电容C3均充电至Vbatt+(常态下第二电容C2和第四电容C4的电压均为Vbatt+)；
步骤2、第二开关S2断开，第一开关S1闭合；由于第一电容C1的电压不能突变，第一电容C1上端的电压变为2Vbatt+，所以第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4的电压也被充电为2Vbatt+；
步骤3、第四开关S4断开，第三开关S3闭合；由于第三电容C3的电压不能突变，第三电容C3上端的电压变为4Vbatt+，所以第四电容C4的电压也被充电为4Vbatt+；
步骤4、第一开关S1和第三开关S3断开，第二开关S2闭合，第四开关S4使第一电容C1和第三电容C3重新充电，进行下一个开关周期；
重复步骤1至步骤4，使输出电压稳定输出。
根据上述可知，由于在非工作状态时，各开关不工作，输入电压也较低，所以本实施例的电路的静态功耗低。采用两级电压泵，使其可运用于串数较少(最低为一串)的电池组。输出驱动电压远高于最高串矩阵开关子电路101的开关管所需的驱动电压，可保证开关管有效导通。由于本实施例没有引入电感等磁性器件，所以几乎没有电磁干扰等问题。通过调节输出电压稳定值，可适应不同电压平台。本实施例的器件简单，成本低。
第二实施例
本实施例提供一种汽车，具体为电动汽车。该汽车包括上述的供电及驱动电路200。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池管理系统主动均衡矩阵开关的供电及驱动电路，其特征在于：包括升压电路、恒流源电路和驱动器；所述升压电路包括第一输入端和第一输出端；所述恒流源电路包括恒流驱动信号输出端；
所述升压电路的第一输入端用于与矩阵开关电路的电池组的正极连接；
所述升压电路的第一输出端与所述恒流源电路连接，以为所述恒流源电路驱动所述矩阵开关电路提供高电位；
所述恒流源电路的恒流驱动信号输出端用于与所述矩阵开关电路连接，以驱动所述矩阵开关电路；
所述驱动器用于控制所述恒流源电路输出恒流驱动信号。
2.根据权利要求1所述的供电及驱动电路，其特征在于：所述恒流源电路包括驱动开关管；所述驱动开关管与所述恒流驱动信号输出端连接；所述驱动器用于控制所述驱动开关管开通或关断。
3.根据权利要求1所述的供电及驱动电路，其特征在于：所述升压电路的具体形式包括多级电荷泵电路和boost升压电路。
4.根据权利要求1所述的供电及驱动电路，其特征在于：所述恒流源电路包括限流电阻、稳压管和主恒流电路；
所述限流电阻的一端与所述升压电路的第一输出端连接，所述限流电阻的一端另一端与所述稳压管的一端共同连接至所述主恒流电路的输入端；
所述稳压管的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的供电及驱动电路，其特征在于：所述主恒流电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和调整电阻；
所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管的第一极与所述第二三极管的第一极共同连接至所述主恒流电路的输入端；
所述第二三极管的第二极与所述第三三极管的第一极连接；
所述第三三极管的基极与所述第一三极管的第二极共同连接至所述调整电阻的一端；所述调整电阻的另一端接地；
所述第三三极管的第二极与所述第四三极管的第二极连接；所述第四三极管的基极与所述驱动器连接，所述第四三极管的第一极连接至所述恒流驱动信号输出端。
6.根据权利要求5所述的供电及驱动电路，其特征在于：所述第一三极管、所述第二三极管和所述第三三极管均为PNP型三极管；所述第四三极管为NPN型三极管；所述第一极为发射极；所述第二极为集电极。
7.根据权利要求3所述的供电及驱动电路，其特征在于：所述多级电荷泵电路为电荷泵级联电路。
8.根据权利要求3所述的供电及驱动电路，其特征在于：所述多级电荷泵电路为两级电荷泵电路；
所述两级电荷泵电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；
所述第一二极管的正极连接至所述电池组的正极，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管依次串联，所述第四二极管的负极连接至所述恒流源电路的输入端；
所述第一电容的一端连接至所述第一二极管和所述第二二极管之间，所述第一电容的另一端通过所述第二开关接地；
所述第二电容的一端连接至所述第二二极管和所述第三二极管之间，所述第二电容的另一端接地；
所述第三电容的一端连接至所述第三二极管和所述第四二极管之间，所述第三电容的另一端通过所述第四开关接地；
所述第一开关的一端连接至所述电池组的正极，所述第一开关的另一端通过所述第二开关接地；
所述第三开关的一端连接至所述第二二极管和所述第三二极管之间，所述第三开关的另一端通过所述第四开关接地；
所述第四电容的一端连接至所述第四二极管的负极，所述第四电容的另一端接地。
9.一种电池管理系统，其特征在于：包括矩阵开关电路和根据权利要求1至8任一项所述供电及驱动电路。
10.一种汽车，其特征在于：包括根据权利要求1至8任一项所述供电及驱动电路。
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