一种冗余均衡锂电池管理电路的制作方法

1.本实用新型属于锂电池均衡领域，具体涉及一种冗余均衡锂电池管理电路。


背景技术：

2.冗余均衡锂电池系统是一种动力锂电池管理系统：包括锂电池组、主控制单元、数据采集单元、总线、上位机以及显示单元等。由单片机采样计算的锂电池组的电压电流参数进行控制电池均衡管理，可实现对动力锂电池充放电过程的均衡管理并且在单体电池电压、温度等参数异常或者损坏时，及时用冗余的电池替换过故障电池，保证电池组整体能正常使用。
3.现有的冗余均衡锂电池系统一般采用的是在等时间间隔基础上切换开关组合，当锂电池之间差异变大的时候无法实现较好的均衡，锂电池之间的电量差异会不断增大控制开关的时间间隔会给开关频繁，带来较大的开关损耗。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种冗余均衡锂电池管理电路，该电路具有低开关损耗、均衡效果好的功能。
5.为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种冗余均衡锂电池管理电路，包括n个锂电池单元、n个主驱动开关、n个辅驱动开关、2个主开关、3n个单体锂电池开关、被动均衡驱动单元、单片机单元、ad采样单元、开关驱动单元和霍尔传感器；单片机单元与开关驱动单元、ad采样单元、被动均衡驱动单元、霍尔传感器连接，开关驱动单元与n个主驱动开关、n个辅驱动开关及2个主开关的控制端连接；每个锂电池单元均由3个单体锂电池串联组成，每一单体锂电池分别与ad采样单元连接，每一单体锂电池分别并联单体锂电池开关，单体锂电池开关分别与被动均衡驱动单元连接；第1单体锂电池的负极与gnd、第1主驱动开关的一端连接，并作为整个冗余均衡锂电池管理电路的输出负极，第3单体锂电池的正极与第1辅驱动开关的一端连接，第3i 1单体锂电池的负极与第i主驱动开关的另一端、第i辅驱动开关的另一端、第i 1主驱动开关的一端连接，第3i 3单体锂电池的正极与第i 1辅驱动开关的一端连接，第3n
‑
2单体锂电池的负极与第n
‑
1主驱动开关的另一端、第n
‑
1辅驱动开关的另一端、第n主驱动开关的一端连接，第3n单体锂电池的正极与第n辅驱动开关的一端连接，第n主驱动开关的另一端、第n辅驱动开关的另一端、第1主开关的一端、第2主开关的一端连接，第1主开关的另一端与霍尔传感器连接，第2主开关的另一端作为整个冗余均衡锂电池管理电路的输出正极；其中，i、n为正整数，且1≤i＜n
‑
1。
6.在本实用新型一实施例中，还包括1个额外锂电池单元，额外锂电池单元由3个单体锂电池串联组成，额外锂电池单元的最低位单体锂电池的负极与第3n单体锂电池的正极连接，额外锂电池单元的最高位单体锂电池的正极与开关驱动单元连接。
7.在本实用新型一实施例中，所述开关驱动单元包括2n路开关驱动电路，每一路开关驱动电路均由nmos管、pmos管、二极管、第1至第5电阻组成，pmos管的一端与二极管正极
连接，二极管负极作为开关控制端，pmos管的另一端与第5电阻的一端、第4电阻的一端连接，第5电阻的另一端作为供电端，pmos管的控制端与第4电阻的另一端、第3电阻的一端连接，nmos管的一端与第3电阻的另一端连接，nmos管的另一端与第2电阻的一端、gnd连接，nmos管的控制端与第1电阻的一端、第2电阻的另一端连接，第1电阻的另一端作为单片机信号输入端；其中，第2i
‑
1路开关驱动电路的供电端与第3i单体锂电池的正极连接，第2i路开关驱动电路的供电端与第3（i 1）单体锂电池的正极连接，第i路开关驱动电路的开关控制端与第i主驱动开关连接，第2i路开关驱动电路的开关控制端与第i辅驱动开关连接，第i路开关驱动电路的单片机信号输入端与相应的单片机单元的信号输出端连接；第（2（n
‑
1）
‑
1）/2n
‑
1路开关驱动电路的供电端与第3（n
‑
1）/3n单体锂电池的正极连接，第2（n
‑
1）/2n路开关驱动电路的供电端与第3n/3（n 1）单体锂电池的正极连接，第（n
‑
1）/n路开关驱动电路的开关控制端与第（n
‑
1）/n主驱动开关连接，第2（n
‑
1）/2n路开关驱动电路的开关控制端与第（n
‑
1）/n辅驱动开关连接，第（n
‑
1）/n路开关驱动电路的单片机信号输入端与相应的单片机单元的信号输出端连接。
8.在本实用新型一实施例中，所述被动均衡驱动单元包括3n路被动均衡驱动电路，每一路被动均衡驱动电路均由nmos管、pmos管、二极管、第1至第5电阻组成，pmos管的一端与二极管正极连接，二极管负极作为开关控制端，pmos管的另一端与第5电阻的一端、第4电阻的一端连接，第5电阻的另一端作为供电端，pmos管的控制端与第4电阻的另一端、第3电阻的一端连接，nmos管的一端与第3电阻的另一端连接，nmos管的另一端与第2电阻的一端、gnd连接，nmos管的控制端与第1电阻的一端、第2电阻的另一端连接，第1电阻的另一端作为单片机信号输入端；其中，第i路被动均衡驱动电路的开关控制端与第i单体锂电池开关的控制端连接，第i路被动均衡驱动电路的供电端与第i 1单体锂电池的正极连接，第i路被动均衡驱动电路的单片机信号输入端与相应的单片机单元的信号输出端连接；第（n
‑
1）/n路被动均衡驱动电路的开关控制端与第（n
‑
1）/n单体锂电池开关的控制端连接，第（n
‑
1）/n路被动均衡驱动电路的供电端与第n/（n 1）单体锂电池的正极连接，第（n
‑
1）/n路被动均衡驱动电路的单片机信号输入端与相应的单片机单元的信号输出端连接。
9.在本实用新型一实施例中，所述单体锂电池开关均串联一电阻后与单体锂电池并联。
10.在本实用新型一实施例中，所述霍尔传感器与gnd之间连接有一电容。
11.相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型电路具有主动均衡的特点，在电池串联数量多和少的情况都能适用，通过多个电池单元一起控制的方式能够有较高的容错率，结合了电容结构的主动均衡电路更能降低冗余均衡控制的损耗，同时电路结构上面采用电池自身供电能够解决电池单元的驱动问题，另外这冗余均衡和主动均衡的基础上还结合了分层结构，在单体电池上结合了被动均衡，能够实现均衡控制，避免电容式主动均衡的能量转移过多的问题。
附图说明
12.图1是本实用新型冗余均衡锂电池均衡结构图。
13.图2是本实用新型开关管驱动单元部分电路原理图。
14.图3是本实用新型被动均衡驱动单元部分电路原理图。
具体实施方式
15.下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。
16.本实用新型提供了一种冗余均衡锂电池管理电路，包括n个锂电池单元、n个主驱动开关、n个辅驱动开关、2个主开关、3n个单体锂电池开关、被动均衡驱动单元、单片机单元、ad采样单元、开关驱动单元和霍尔传感器；单片机单元与开关驱动单元、ad采样单元、被动均衡驱动单元、霍尔传感器连接，开关驱动单元与n个主驱动开关、n个辅驱动开关及2个主开关的控制端连接；每个锂电池单元均由3个单体锂电池串联组成，每一单体锂电池分别与ad采样单元连接，每一单体锂电池分别并联单体锂电池开关，单体锂电池开关分别与被动均衡驱动单元连接；第1单体锂电池的负极与gnd、第1主驱动开关的一端连接，并作为整个冗余均衡锂电池管理电路的输出负极，第3单体锂电池的正极与第1辅驱动开关的一端连接，第3i 1单体锂电池的负极与第i主驱动开关的另一端、第i辅驱动开关的另一端、第i 1主驱动开关的一端连接，第3i 3单体锂电池的正极与第i 1辅驱动开关的一端连接，第3n
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2单体锂电池的负极与第n
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1主驱动开关的另一端、第n
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1辅驱动开关的另一端、第n主驱动开关的一端连接，第3n单体锂电池的正极与第n辅驱动开关的一端连接，第n主驱动开关的另一端、第n辅驱动开关的另一端、第1主开关的一端、第2主开关的一端连接，第1主开关的另一端与霍尔传感器连接，第2主开关的另一端作为整个冗余均衡锂电池管理电路的输出正极；其中，i、n为正整数，且1≤i＜n
‑
1。还包括1个额外锂电池单元，额外锂电池单元由3个单体锂电池串联组成，额外锂电池单元的最低位单体锂电池的负极与第3n单体锂电池的正极连接，额外锂电池单元的最高位单体锂电池的正极与开关驱动单元连接。
17.以下为本实用新型的具体实施实例。
18.如图1所示，本实用新型一种冗余均衡锂电池管理电路，包含电池组、被动均衡驱动单元、单片机、ad采样单元、开关管驱动单元和霍尔传感器；整个电路是由n个锂电池单元构成，每个模块由3个电池单元串联组成，每两个开关并联在一个单体锂电池两端，分别为qn1和qn2。整个电路中b1到b3n 3为3n 3个串联的单体电池，整个电路地为第一节电池的负端；对于单个电池单元，在内部有三个被动均衡电路，由开关管q3n和电阻r3n构成，并且由被动均衡驱动单元驱动；ad采样单元采样第1到3n个电池单元的单体电池电压，然后传输给单片机单元；开关管驱动单元是为了单片机信号实现开关管q11到qn1和q12到qn2的开关状态控制，通过控制开关管通断实现电池电量均衡；单片机则是为了对ad采样的数据和霍尔传感器的数据处理和判断，当单体电池电压过高，则单片机传递信号给被动均衡驱动单元，从而控制开启被动均衡；同时，根据采集的霍尔传感器数据计算实时电量，当电池单元需要进行均衡的时候单片机给予开关管驱动单元驱动信号，电池单元开启均衡。在主通路上带有两个开关qt1、qt2和霍尔传感器，当电池参与均衡时，通过打开qt1关闭qt2实现电池单元能够接入电容参与均衡，均衡结束时打开qt2关闭qt1，在电池单元参与均衡的时候霍尔传感器才采样数据。
19.开关管切换原理：开关管的均衡切换通过开关q11到qn1和q12到qn2切换实现，当第1、2、3个电池单元的电量较高，第4到n个电池单元的电量较低的时候，需要进行均衡；对于接入电路的电池单元：开关q11导通、q12截止，开关q21导通、q22截止，开关q31导通、q32截止，对于没有接入的电池单元：将开关q41到qn1截止，q42到qn2导通，同时开关qt1导通qt2截止；电池单元1到3通过电容c1同时放电，将能量储存到c1，当电容两端电压升到和接
入电路的电池电压总和一致，标志算释放完毕。当释放完毕时，先将开关qt2导通qt1截止，先将电容不接入电路；然后，切换要要接入电路的电池单元：开关q12导通、q11截止，开关q22导通、q21截止，开关q32导通、q31截止，开关q41到qn1导通，q42到qn2截止，使得第4到n个电池单元接入参与均衡，此时再开关qt1导通qt2截止，使得电容存储的能量传输到第4到n个电池单元，均衡停止条件为实时计算的所有电池单元的电量达到一致时停止开关切换。
20.被动均衡原理：由ad采样模块实现采样，采样的数据送入单片机；在单片机判断单体电池电压较高的时候，开启被动均衡，被动均衡由单体电池两端的开关q1和电阻r1实现均衡，当开关q1导通的时候，由q1、r1和b1形成闭合回路开始均衡，其中q1的门极电压由被动均衡驱动单元生成。
21.开关驱动单元：开关管驱动单元如图2所示，由电阻、nmos和pmos管构成共2n个单元；每个电池单元的开关管驱动由电池电压驱动，信号由单片机部分提供，其中pmos管qz2的s端接的是驱动电压，pmos管的d端接二极管然后到g1，g1信号则连接冗余均衡控制的开关管q12。开关管驱动单元是驱动电池单元接入和接出，其电路原理为：nmos开关管的门极和s极并联一个电阻rq2，单片机信号port1连接电阻rq1，电阻rq3连接pmos管qz2,b3电压通过qz2直接传输给g1，然后输出给开关管q12。当开关管q11导通，q12截止时，第1个电池单元接入电路参与均衡，使得b1、b2、b3接入；其中第一个电池驱动单元的开关管驱动电压由第3节电池正端b3供电驱动，上管qz2的d端接g1，接到开关管q12，下管qz1由port1驱动，第二个电池驱动单元的开关管驱动由第6节电池正端b6供电驱动，上管qz4的d端接g2，接到开关管q11，下管qz3由port2驱动，此时对应的port1是低电平，port2是高电平。第2n
‑
1个电池单元的电压由第3n个电池的正端b3n提供，特别地，对于最高的电池单元n的开关管驱动电压则由另外新增的3串电池正端b3n 3提供。这样的开关管驱动单元能够实现电池管理系统对自身驱动，不需要外接电源，也降低了电路成本。
22.被动均衡驱动单元解释：如图3所示，共3n个被动均衡驱动单元。电阻rc1左侧连接第3串电池正端b2，右端连接pmos管qb2的s端，pmos管qb2右端连接bport1；电阻rp1左端连接单片机信号p1，右端连接nmos管qb1的门极。当单片机提供的信号p1给单片机高电位信号，开关管qb1导通,，进一步pmos管qb2也导通，b2电压传到bport1，然后传给开关管q1；当p1为高电平时b2端电压传输到bport1，当p1为低电平时bport端电压为0，特别地，第3n个电池单元的电压vb接第3n 1个单体电池的正端。这样的被动均衡驱动单元能够实现电池管理系统对自身驱动，不需要外接电源，也降低了电路成本。
23.以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。