一种锂离子电池的切换装置和切换方法与流程

本发明属于电池组电路优化技术领域，更具体地，涉及一种锂离子电池的切换装置和切换方法。

背景技术：

目前市面上的电动自行车和电动汽车中的储能器件为多节电池构成的电池组，其控制部件为电池管理系统，其保护机制非常简单：当电池管理系统在检测到电池组中存在故障电芯时，直接切断电池组与负载的连接。当保护机制触发后，电动自行车或者电动汽车无法再次启动，给用户带来一定的影响。

并且现有的锂电池管理系统器件较多，只适用于整个电池组的保护，不适用于单个锂电池单元的保护，若电池组种锂电池数量很多，会造成整个电池锂电池管理系统过于臃肿，成本过高，因此，急需选择一种简单有效的保护装置，针对单个锂电池单元进行状态监控以及切换保护。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锂离子电池的切换装置，其目的在于由场效应管和变压器构成控制电路，检测到锂电池状态正常时，电池接入电池组，不正常时，电池被切换出电池组，由此解决故障电池切换出电池组的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种锂离子电池的切换装置，所述装置包括锂电池检测电路、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第一变压器、第二变压器、第一二极管、第二二极管、第一方波产生电路、第二方波产生电路、第一电容和第二电容；

所述锂电池检测电路用于判断锂电池单元的状态，输出端连接第三场效应管和第四场效应管的栅极；

第三场效应管的漏极连接第一方波产生电路的输入端，第一方波产生电路的输出端连接第一变压器的原方侧异名端，第一变压器的原方侧同名端连接第三场效应管的源极，第三场效应管的源极接地；

第一变压器的副方侧同名端连接第一二极管的正极，第一二极管的负极、第一电容的一端和第一场效应管的栅极相连，第一变压器的副方侧异名端、第一电容的另一端和第一场效应管的源极相连；

第四场效应管的漏极连接第五场效应管的栅极，第四场效应管的源极连接辅助电源；

第五场效应管的漏极连接第二方波产生电路的输入端，第二方波产生电路的输出端连接第二变压器的原方侧异名端，第二变压器的原方侧同名端连接第五场效应管的源极，第五场效应管的源极接地；

第二变压器的副方侧同名端连接第二二极管的正极，第二二极管的副极、第二电容的一端和第二场效应管的栅极相连，第二变压器的副方侧异名端、第二电容的另一端和第二场效应管的源极相连；

第一场效应管和第二场效应管的漏极相连，第一场效应管和第二场效应管的源极之间连接待测锂电池。

进一步地，待测锂电池的正极连接第一场效应管的源极，负极连接第二场效应管的源极，或则待测锂电池的正极连接第二场效应管的源极，负极连接第一场效应管的源极。

进一步地，所述锂电池检测电路具体为比较器，比较器的一个输入端输入锂电池测量信号，比较器的另一个输入端输入锂电池参考信号，比较器的输出端连接第三场效应管和第四场效应管的栅极。

进一步地，所述锂电池参考信号由参考源芯片或稳压芯片产生。

进一步地，所述锂电池测量信号由待测锂电池正负极之间的电压差产生，或由监测锂电池状态的微控制器产生。

进一步地，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第五场效应管为n型场效应管；所述第四场效应管为p型场效应管。

进一步地，所述第一方波产生电路和第二方波产生电路采用电容器和电阻器构成的谐振电路产生电压信号，产生的电压信号频率为100khz-1mhz。

进一步地，所述第一变压器和第二变压器共用一个磁芯。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种锂离子电池的切换方法，所述方法包括以下步骤：

当待测锂电池的正极连接第一场效应管的源极，负极连接第二场效应管的源极时；

(11)锂电池检测电路采集锂电池测量信号和锂电池参考信号；若锂电池测量信号幅值高于锂电池参考信号幅值，则锂电池检测电路输出正信号，进入步骤(12)，否则输出负信号，进入步骤(13)；

(12)第三场效应管和第一场效应管导通，第四场效应管、第五场效应管和第二场效应管关断，待测锂电池接入电池组，结束；

(13)第一场效应管和第三场效应管关断，第四场效应管、第五场效应管和第二场效应管导通，待测锂电池切换出电池组；

当待测锂电池的正极连接第二场效应管的源极，负极连接第一场效应管的源极时：

(21)锂电池检测电路采集锂电池测量信号和锂电池参考信号；若锂电池测量信号幅值高于锂电池参考信号幅值，则锂电池检测电路输出负信号，进入步骤(22)，否则输出正信号，进入步骤(23)；

(22)第三场效应管和第一场效应管关断，第四场效应管、第五场效应管和第二场效应管导通，待测锂电池切换出电池组，结束；

(23)第一场效应管和第三场效应管导通，第四场效应管、第五场效应管和第二场效应管关断，待测锂电池接入电池组。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明装置通过锂电池检测电路对锂电池状态进行监控，检测到锂电池状态正常时，场效应管q3和场效应管q1导通，和场效应管q1串联的锂电池接入电池组，锂电池状态不正常时，场效应管q3和场效应管q1关断，和场效应管q1串联的锂电池被切换出电池组，本发明切换装置可由微控制器或者硬件方式检测锂电池状态，在电池组中的单体电芯发生故障时能及时进行动作，确保电池组的安全的同时提升用户体验度；

(2)常规技术中，隔离场效应管控制电路使用光电耦合器件或者数字电平隔离器件将场效应管电路侧与控制侧隔离，器件驱动能力较弱，无法直接驱动场效应管，需要借助隔离辅助电路产生电压幅值足够的驱动信号，且每一场效应管均需一个隔离驱动电路，多个电池成组时隔离驱动电路所占体积很大，增加了电池组的体积，而本发明中采用使用变压器将场效应管电路侧与控制侧隔离，解决了以上问题。

附图说明

图1是本发明装置实施例的电路示意图；

图2是本发明装置实施例中的比较器电路示意图；

图3是本发明装置实施例中方波产生电路示意图；

图4是本发明装置实施例中电容c1两端电压与时间的对应关系；

图5是本发明装置实施例中电容c2两端电压与时间的对应关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“q1”、“q2”、“d1”、“d2”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的器件或先后顺序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。

实施例：

一种锂离子电池切换装置，包括场效应管q1,q2的隔离控制电路，

所述场效应管控制电路包括比较器电路、控制单元一、控制单元二、方波产生电路。

所控制场效应管为英飞凌公司生产的n型场效应管irf540，所控制电池为磷酸铁锂动力电池。

如图1所示，所述控制单元一包括：

二极管d1，所述二极管d1的负极与场效应管q1的栅极直接相连，正极与所述变压器t1副方侧同名端直接相连。

电容器c1，所述电容器c1与场效应管q1的栅极、源极及所述变压器t1副方侧异名端直接相连。

变压器t1，所述变压器t1原方侧同名端与所述场效应管q3的源极直接连接，所述变压器原方侧异名端与方波产生电路输出端口直接连接。

n型场效应管q3，所述n型场效应管q3的漏极与方波产生电路的输入端直接相连，

所述控制单元二包括：

二极管d2，所述二极管d2的负极与场效应管q2的栅极直接相连、正极与所述变压器t2副方侧同名端直接相连。

电容器c2，所述电容器与场效应管q2的栅极、源极及所述变压器t2副方侧异名端直接相连。

变压器t2，所述变压器t2原方侧同名端与所述n型场效应管q5的源极直接连接、原方侧异名端与方波产生电路输出端直接连接。

p型场效应管q4，所述p型场效应管q4的源极与辅助电源端口直接相连，栅极与比较电路输出端口直接连接。

n型场效应管q5，所述n型场效应管q5的漏极与方波产生电路输入端直接连接，栅极与所述p型场效应管q4的漏极直接连接。

图2为比较器电路的示意图，本实施例中，所述比较器u1为美国德州仪器公司生产的lm311。如图2所示，所述辅助电源输出端口为比较器提供工作电压，所述辅助电源输出端口通过两个电容c3、c4接地，所述比较器负极输入端口与所述参考电路输出端口直接连接，所述比较器正极输入端口与所述微控制器io直接连接。

图3为方波产生电路的示意图，本实施例中，所述芯片u2为美国凌力尔特公司生产的lt1693-2is8。

所述辅助电源输出端口与u2的引脚6和引脚8直接相连，所述芯片的引脚2和引脚4直接接地，所述辅助电源输出端口通过两个电容c7、c8接地，所述方波产生电路的输入端口与所述芯片的引脚5直接相连，通过一个电阻r3与所述芯片的引脚1相连，所述方波产生电路的输出端口通过一个电容c6与所述芯片的引脚3和引脚7相连，所述芯片的引脚1通过电容c5与电阻r2接地。

当所述比较器电路输出端口输出为正时，所述n型场效应管q3开通，所述p型场效应管q4关断，所述n型场效应管q5关断，所述方波产生电路的输出信号通过所述变压器t1和所述二极管d1使得所述场效应管q1导通，所述场效应管q2关断，所述锂离子电池接入电池组。

当所述比较器电路输出端口输出为负时，所述p型场效应管q4开通，所述n型场效应管q5开通，所述n型场效应管q3关断，所述方波产生电路的输出信号通过所述变压器t2和所述二极管d2使得所述场效应管q2导通，所述场效应管q1关断，所述锂离子电池切换出电池组。

图4是所述电容器c1两端的电压与时间的对应关系图。当所述比较器电路输出端口输出为正时，所述电容器两端电压在很小范围内波动，所述场效应管q1的栅极和源极电压差维持在一个定值，所述场效应管q1开通，当所述比较器电路输出端口输出为负时，所述电容器两端电压为零，所述场效应管q1关断；

图5是所述电容器c2两端的电压与时间的对应关系图。当所述比较器电路输出端口输出为正时，所述电容器两端电压为零，所述场效应管q2关断，当所述比较器电路输出端口输出为负时，所述电容器两端电压在很小范围内波动，所述场效应管q2的栅极和源极电压差维持在一个定值，所述场效应管q2开通。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。