CN107404138A - 一种主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种主动均衡电路，包括：n个单体电池、n+1个开关模块、充放电切换模块及控制模块，每一单体电池的正极分别通过一开关模块与充放电切换模块的输入端连接，第一节单体电池的负极通过一开关模块与充放电切换模块的输入端连接，充放电切换模块的输出端与充电电源/放电负载连接；充放电切换模块的控制端与控制模块的充放电切换控制端连接，并根据所述单体电池的电压进行充电均衡、放电均衡的切换；开关模块的第一输入控制端及第二输入控制端分别与控制模块相应的输出控制端连接，开关模块根据其第一输入控制端和第二输入控制端的控制信号关断或导通对应单体电池的均衡回路。本发明可以有效地防止在对单体电池进行主动均衡时电路短路。

Description

一种主动均衡电路

技术领域

本发明涉及电池组均衡领域，特别是涉及一种主动均衡电路。

背景技术

电池管理***中，主动均衡能够解决单体电池的一致性的问题，主动均衡的工作过程是：电池组充放电过程中，当某节单体电池电压过高时，对电压过高的单体电池进行放电，将电压过高的单体电池电压主动均衡至合格电压值；当某节单体电池电压过低时，对电压过低的单体电池进行充电，将电压过低的单体电池主动均衡至合格电压值。主动均衡电路中通常配备一个开关支路，通过开关支路，将需要进行主动均衡的单节电池选定，进行充电或者放电动作。由于电池组是由单体电池串并联连接而成，所以开关支路就是一个阵列电路，用继电器、MOS等开关元器件可以实现。但是这种开关阵列电路有个很大的风险，控制开关元器件的逻辑控制端有可能误动作，使不需要导通的开关导通。只要有3路或者更多路的开关导通，就会导致某节甚至多节电池短路，对电路危害极大。所以必须设置防误操作的电路，尽量保证任何时候，只有某节需要充放电电池两端的开关导通，其他任何路开关不能导通。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种主动均衡电路。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种主动均衡电路，包括：n个单体电池、n+1个开关模块、充放电切换模块及控制模块，其中n为不小于1的正整数；

每一所述单体电池的正极分别通过一所述开关模块与所述充放电切换模块的输入端连接，第一节所述单体电池的负极通过一所述开关模块与所述充放电切换模块的输入端连接，所述充放电切换模块的输出端与充电电源/放电负载连接；

所述充放电切换模块的控制端与所述控制模块的充放电切换控制端连接，并根据所述单体电池的电压进行充电均衡、放电均衡的切换；

所述开关模块的第一输入控制端及第二输入控制端分别与所述控制模块相应的输出控制端连接，所述开关模块根据其第一输入控制端和第二输入控制端的控制信号关断或导通对应所述单体电池的均衡回路。

在其中一个实施例中，所述开关模块包括开关单元及驱动单元，每一所述单体电池的正极分别通过一所述开关单元与所述充放电切换模块的输入端连接，第一节所述单体电池的负极通过一所述开关单元与所述充放电切换模块的输入端连接；

所述驱动单元的第一输入控制端作为所述开关模块的第一输入控制端，第二输入控制端作为所述开关模块的第二输入控制端。在其中一个实施例中，所述开关模块还包括互锁单元，所述互锁单元为不少于n/2的整数个二极管的矩阵，所述开关模块的驱动单元还包括一用于输出互锁信号的互锁信号输出端；

第2m-1个所述互锁单元的所有二极管的负极与其所对应的所述开关单元连接，且其每一所述二极管的正极分别与其对应的驱动单元以外的其他第2m-1个所述驱动单元的互锁信号输出端连接；第2m个所述互锁单元的所有二极管的负极与其对应的所述开关单元连接，且其每一所述二极管的正极分别与其对应的驱动单元以外的其他第2m+1个所述驱动单元的互锁信号输出端连接，其中，m为不小于1的正整数。

在其中一个实施例中，所述驱动单元包括、第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的发射极作为所述驱动单元的第一输入控制端，基极作为所述驱动单元的第二输入控制端；

所述第二开关管的栅极作为所述驱动单元的互锁信号输出端；

所述第二开关管的栅极与所述第一开关管的集电极连接，漏极分别与所述开关单元和所述互锁单元连接，源极接地。

在其中一个实施例中，所述开关单元包括电磁继电器，所述电磁继电器中开关的一端与其对应的所述单体电池的正极连接，另一端与所述充放电切换模块的输入端连接；

所述电磁继电器中电感的一端与电源Vcc连接，另一端与其对应的所述互锁单元中二极管的阴极连接。

在其中一个实施例中，所述驱动单元还包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一开关管的发射极连接，另一端与所述第一开关管的基极连接。

在其中一个实施例中，所述驱动单元还包括第二电阻，所述第一开关管的基极串联所述第二电阻。

在其中一个实施例中，所述驱动单元还包括第三电阻，所述第二开关管的栅极串联所述第三电阻与所述第一开关管的集电极连接。

在其中一个实施例中，所述驱动单元还包括第四电阻，所述第四电阻的一端与所述第二开关管的源极连接，另一端与所述第二开关管的栅极连接。

在其中一个实施例中，所述驱动单元还包括第五电阻，所述第五电阻并联于所述第四电阻。

在其中一个实施例中，所述开关单元还包括防短路二极管，所述防短路二极管与所述电磁继电器中的电感并联连接。

本次技术方案相比于现有技术有以下有益效果：

1.利用控制单元，对开关模块和充放电切换模块进行控制，只有当驱动单元的第一输入控制端为高电平且第二输入控制端为低电平时，开关模块启动工作，闭合开关单元，对被选定的单体电池进行主动均衡，有效地防止开关模块误动作。

2.开关模块设计有互锁单元，当某一驱动单元在工作时，在互锁信号输出端输出高电平信号至其余对应互锁单元中二极管的阳极，使得开关单元不会闭合，有效地防止了单体电池短路情况的发生。

附图说明

图1为本实施例中的主动均衡电路的结构示意图；

图2为本实施例中的开关模块的电路原理示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示为主动均衡电路的结构示意图，包括：n个单体电池、n+1个开关模块100、充放电切换模块200及控制模块300，其中n为不小于1的正整数；

每一所述单体电池的正极分别通过一所述开关模块100与所述充放电切换模块200的输入端连接，第一节所述单体电池的负极通过一所述开关模块100与所述充放电切换模块200的输入端连接，所述充放电切换模块200的输出端与充电电源/放电负载连接；

所述充放电切换模块200的控制端与所述控制模块300的充放电切换控制端连接，并根据所述单体电池的电压进行充电均衡、放电均衡的切换；

所述开关模块100的第一输入控制端及第二输入控制端分别与所述控制模块300相应的输出控制端连接，所述开关模块100根据其第一输入控制端和第二输入控制端的控制信号关断或导通对应所述单体电池的均衡回路。

具体地，所述开关模块100包括开关单元及驱动单元，每一所述单体电池的正极分别通过一所述开关单元与所述充放电切换模块200的输入端连接，第一节所述单体电池的负极通过一所述开关单元与所述充放电切换模块200的输入端连接；

所述驱动单元的第一输入控制端作为所述开关模块100的第一输入控制端，第二输入控制端作为所述开关模块100的第二输入控制端。

具体地，所述开关模块100还包括互锁单元，所述互锁单元为不少于n/2的整数个二极管的矩阵，所述开关模块100的驱动单元还包括一用于输出互锁信号的互锁信号输出端；

第2m-1个所述互锁单元的所有二极管的负极与其所对应的所述开关单元连接，且其每一所述二极管的正极分别与其对应的驱动单元以外的其他第2m-1个所述驱动单元的互锁信号输出端连接；第2m个所述互锁单元的所有二极管的负极与其对应的所述开关单元连接，且其每一所述二极管的正极分别与其对应的驱动单元以外的其他第2m+1个所述驱动单元的互锁信号输出端连接，其中，m为不小于1的正整数。

具体地，所述驱动单元包括、第一开关管Q1和第二开关管Q2，所述第一开关管的发射极作为所述驱动单元的第一输入控制端，基极作为所述驱动单元的第二输入控制端；

所述第二开关管Q2的栅极作为所述驱动单元的互锁信号输出端；

所述第二开关管Q2的栅极与所述第一开关管Q1的集电极连接，漏极分别与所述开关单元和所述互锁单元连接，源极接地。

具体地，所述开关单元包括电磁继电器K1，所述电磁继电器K1中开关的一端与其对应的所述单体电池的正极连接，另一端与所述充放电切换模块200的输入端连接；

所述电磁继电器K1中电感的一端与电源Vcc连接，另一端与其对应的所述互锁单元中二极管的阴极连接。

具体地，所述驱动单元还包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述第一开关管Q1的发射极连接，另一端与所述第一开关管Q1的基极连接。

具体地，所述驱动单元还包括第二电阻R2，所述第一开关管的基极串联所述第二电阻R2。

具体地，所述驱动单元还包括第三电阻R3，所述第二开关管Q2的栅极串联所述第三电阻R3与所述第一开关管Q1的集电极连接。

具体地，所述驱动单元还包括第四电阻R4，所述第四电阻R4的一端与所述第二开关管Q2的源极连接，另一端与所述第二开关管Q2的栅极连接。

具体地，所述驱动单元还包括第五电阻R5，所述第五电阻R5并联于所述第四电阻R4。

具体地，所述开关单元还包括防短路二极管Z1，所述防短路二极管Z1与所述电磁继电器K1中的电感并联连接。

具体工作原理：

例如，当第四号单体电池(即附图1中的B4)因电压过低需要进行充电时，控制单元300的输出控制端输出高电平信号至驱动单元中的第一输入控制端(即图2中的MCU_H)及输出低电平信号至第二输入控制端(即图2中的MCU_L)。由于第一开关管Q1的发射极作为驱动单元的第一输入控制端，基极作为驱动单元的第二输入控制端。此时，第一开关管Q1导通，进而第二开关管Q2导通。此时，第二开关管Q2的漏极电位为低电位，电磁继电器K1闭合。

控制单元300的充放电切换控制端(即图中的MCU_S)输出控制信号至充放电切换单元200的控制端，控制切换单元200下切，即充放电切换单元200的第五端(图1中的1端口)与第二端(图1中的2端口)连接，第六端(图1中的6端口)与第四端(图1中的4端口)连接。此时，充电电源(附图未标识)向第四号单体电池充电，对第四号单体电池进行主动均衡操作。

需要说明的是，充放电切换单元200的第一端、第二端、第三端和第四端都为充放电切换单元200的输入端。所有第2m-1个开关模块100(即所有奇数号开关模块100)分别与充放电切换单元200的第一端和第四端连接，所有第2m个开关模块100(即所有偶数号开关模块100)分别与充放电切换单元200的第二端和第三端连接。

需要说明的是，当对第四号单体电池进行主动均衡时，由于第四号单体电池所对应的开关模块100为第四号开关单元，为偶数号开关模块100。则第四号互锁单元的互锁信号输出端(图2中的A端口)输出高电平信号至除第四号开关单元100外的所有的属于偶数号互锁单元的对应互锁信号输入端。由于互锁单元是由若干二极管组成，根据二极管的导通特性，二极管导通后，阳极电位和阴极电位一致，即第二开关管Q2的漏极的电位被拉高，电磁继电器K1无法闭合。防止在对第四号单体电池进行主动均衡时，导通了偶数号单体电池对应的开关单元的电磁继电器K1，有效地防止了电路短路。

当第四号单体电池电压过高需要对外放电时，控制单元300的第一输出控制端输出高电平，第二输出控制端输出低电平，控制开关模块100工作。同时，控制单元300的第三输出控制端输出控制信号将充放电切换单元200的第五端与第一端连接，第六端与第三端连接，第四号单体电池向电池组放电。需要特别说明的是，充放电切换单元200的第五端与第一端连接，第六端与第三端连接，使得第四号单体电池的负极与负载的正极连接，正极与负载的负极连接，使得第四号单体电池可以对负载进行放电。

需要特别强调的是，本次实施方式中，偶数号互锁单元的互锁信号输出端只能连接至其余其对应的偶数号互锁单元二极管的阳极，奇数号互锁单元的互锁信号输出端只能连接至其余其对应的奇数号互锁单元二极管的阳极。

还需要特别强调的是，偶数号互锁单元的互锁原理和奇数号互锁单元的互锁原理对应一致，不再对奇数号互锁单元的互锁原理进行详细阐述。

还需要说明的是，作为优选实施例，偶数号互锁单元和奇数号互锁单元中的二极管数量等于单体电池数量的二分之一。由于单体电池与互锁单元的数量对应一致，将互锁单元二极管数量等于单体电池数量的二分之一，可以使得偶数号互锁单元的互锁信号输出端输出的高电平信号至其余偶数号互锁单元二极管的阳极。

还需要说明的是，充放电切换单元200的作用在于将选定的单体电池与充电电源进行充电放电状态的来回切换，实现对单体电池的主动均衡操作。

还需要说明的是，第四电阻R4和第五电阻R5为上拉电阻。

还需要说明的是，开关单元中还设置有熔断器F1，提高了开关单元的安全性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种主动均衡电路，其特征在于，包括：n个单体电池、n+1个开关模块(100)、充放电切换模块(200)及控制模块(300)，其中n为不小于1的正整数；

每一所述单体电池的正极分别通过一所述开关模块(100)与所述充放电切换模块(200)的输入端连接，第一节所述单体电池的负极通过一所述开关模块(100)与所述充放电切换模块(200)的输入端连接，所述充放电切换模块(200)的输出端与充电电源/放电负载连接；

所述充放电切换模块(200)的控制端与所述控制模块(300)的充放电切换控制端连接，并根据所述单体电池的电压进行充电均衡、放电均衡的切换；

所述开关模块(100)的第一输入控制端及第二输入控制端分别与所述控制模块(300)相应的输出控制端连接，所述开关模块(100)根据其第一输入控制端和第二输入控制端的控制信号关断或导通对应所述单体电池的均衡回路。

2.根据权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，所述开关模块(100)包括开关单元及驱动单元，每一所述单体电池的正极分别通过一所述开关单元与所述充放电切换模块(200)的输入端连接，第一节所述单体电池的负极通过一所述开关单元与所述充放电切换模块(200)的输入端连接；

所述驱动单元的第一输入控制端作为所述开关模块(100)的第一输入控制端，第二输入控制端作为所述开关模块(100)的第二输入控制端。

3.根据权利要求2所述的主动均衡电路，其特征在于，所述开关模块(100)还包括互锁单元，所述互锁单元为不少于n/2的整数个二极管的矩阵，所述开关模块(100)的驱动单元还包括一用于输出互锁信号的互锁信号输出端；

第2m-1个所述互锁单元的所有二极管的负极与其所对应的所述开关单元连接，且其每一所述二极管的正极分别与其对应的驱动单元以外的其他第2m-1个所述驱动单元的互锁信号输出端连接；第2m个所述互锁单元的所有二极管的负极与其对应的所述开关单元连接，且其每一所述二极管的正极分别与其对应的驱动单元以外的其他第2m+1个所述驱动单元的互锁信号输出端连接，其中，m为不小于1的正整数。

4.根据权利要求3所述的主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的发射极作为所述驱动单元的第一输入控制端，基极作为所述驱动单元的第二输入控制端；

所述第二开关管的栅极作为所述驱动单元的互锁信号输出端；

所述第二开关管的栅极与所述第一开关管的集电极连接，漏极分别与所述开关单元和所述互锁单元连接，源极接地。

5.根据权利要求3所述的主动均衡电路，其特征在于，所述开关单元包括电磁继电器，所述电磁继电器中开关的一端与其对应的所述单体电池的正极连接，另一端与所述充放电切换模块(200)的输入端连接；

所述电磁继电器中电感的一端与电源Vcc连接，另一端与其对应的所述互锁单元中二极管的阴极连接。

6.根据权利要求4所述的主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元还包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一开关管的发射极连接，另一端与所述第一开关管的基极连接。

7.根据权利要求4所述的主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元还包括第二电阻，所述第一开关管的基极串联所述第二电阻。

8.根据权利要求4所述的主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元还包括第三电阻，所述第二开关管的栅极串联所述第三电阻与所述第一开关管的集电极连接。

9.根据权利要求4所述的主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元还包括第四电阻，所述第四电阻的一端与所述第二开关管的源极连接，另一端与所述第二开关管的栅极连接。

10.根据权利要求9所述的主动均衡的开关阵列电路，其特征在于，所述驱动单元还包括第五电阻，所述第五电阻并联于所述第四电阻。

11.根据权利要求5所述的主动均衡开关阵列电路，其特征在于，所述开关单元还包括防短路二极管，所述防短路二极管与所述电磁继电器中的电感并联连接。