一种电池组正极端专用的三状态开关及其控制方法与流程

本发明属于电池技术领域。

背景技术：

在直流电源系统中，电池组扩容或需要高可靠性电池组时，最简单的解决方式是：若干个小容量电池组并联而成的一个N+1的大电池组。在该方案中需要解决的一个问题：由于基本电池组的特性差异，在并联应用时会遇到电池组间的环流、负载无法均衡分配等一系列问题，最终会让并联而成的电池组无法正常工作。

为了防止电池组间环流，一般采用在电池组正极端经二极管汇接到馈电母线，常用的电气接线，二极管的单向导电特性能有效阻止电池组间的能量传送，无电池组间的环流。同时二极管的快速导通特性也展现了多电池组间相互备用性能，当某个电池组电能不足(端口电压低)时，端口电压高的电池组会自动替代其向负载馈电。同时由于二极管元件的也隔离了各电池组间的故障影响，子电池组的如何故障形式，都不会影响整体电源系统的可靠性，最大的影响就是电池组的载荷量减小。

然而二极管的单向导电特性，能防止电池组间的环流、能隔离各子电池组并联应用时的故障影响。但也存在以下的缺点：1、现有技术条件下无法制造出理想二极管，即导通压降为零或很小的二极管，在使用中电能损耗大，发热严重。2、二极管在馈电母线电压低于电池组端电压时，电池组就会向外馈送电能。在电池组需要充电时，当充电电压大于馈电母线电压时，外部负载会分流电池组的充电电流，造成无法充足电能。3、二极管是一种不可控的功率电子元件，无法让一个具有较高端电压的电池组不向外输出电能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电池组正极端专用的三状态开关及其控制方法，解决传统采用二极管电池的方案中，使用中器件电能损耗大，发热严重的问题；解决了传统采用二极管连接电池组的方案中，在电池组端电压高于馈电母线电压，电池组就会向外馈送电能的问题。本发明能防止并联电池组间的环流、控制负载分配到子电池组、调控各电池组的充放电状态等，实现了并联电池组中的子电池组优化运行，让其充分发挥自身的性能优势，从而延长电池组的使用寿命，特别是可以让性能差异大，甚至是不同容量的电池组并联运行。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电池组正极端专用的三状态开关，包括控制器、主控芯片、第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、第一状态信号输出端、第二状态信号输出端、第一隔离模块、第二隔离模块、第三隔离模块、第四隔离模块、驱动电路、功率MOS管电路、单向导通控制电路和电位检测比较电路，第一控制信号输入端连接第一隔离模块，第二控制信号输入端连接第二隔离模块，第一状态信号输出端连接第三隔离模块，第二状态信号输出端连接第四隔离模块，单向导通控制电路连接驱动电路，驱动电路连接功率MOS管电路，功率MOS管电路连接电位检测比较电路，功率MOS管电路还串联在负载的供电回路中，第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、第一状态信号输出端、第二状态信号输出端、第一隔离模块、第二隔离模块、第三隔离模块、第四隔离模块、功率MOS管电路、驱动电路、单向导通控制电路和电位检测比较电路均连接所述主控芯片，第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、第一状态信号输出端和第二状态信号输出端均与控制器连接。

所述主控芯片为单片机；所述第一隔离模块包括光耦IC3，所示第一控制信号输入端包括电阻R11，电阻R11的1脚连接所述控制器，电阻R11的2脚连接光耦IC3的1脚，光耦IC3的2脚连接所述控制器的电源端，光耦IC3的4脚连接+15V电源，光耦IC3的3脚连接所述主控芯片；所述第二隔离模块包括光耦IC4，所示第二控制信号输入端包括电阻R12，电阻R12的1脚连接所述控制器，电阻R12的2脚连接光耦IC4的1脚，光耦IC4的2脚连接所述控制器的电源端，光耦IC4的4脚连接+15V电源，光耦IC4的3脚连接所述主控芯片；所述第三隔离模块包括光耦IC5，光耦IC5的4脚为所述第一状态信号输出端，光耦IC5的3脚连接所述控制器的电源端，光耦IC5的2脚连接所述主控芯片，光耦IC5的1脚连接+15V电源；所述第四隔离模块包括光耦IC6，光耦IC6的4脚为所述第二状态信号输出端，光耦IC6的3脚连接所述控制器的电源端，光耦IC6的2脚连接所述主控芯片，光耦IC6的1脚连接+15V电源。

所述驱动电路包括MOS功率器件及驱动U1控制逻辑、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C2和二极管D1，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的2脚和3脚均连接所述主控芯片，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的1脚连接正电源，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的4脚连接地线，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的5脚连接地线，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的8脚连接+15V电源，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的7脚连接电阻R2的1脚，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的6脚通过电阻R3连接二极管D1的正极，二极管D1的正极还连接电阻R1的2脚，电阻R1的1脚连接所述主控芯片，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的8脚还通过电容C2连接地线，电阻R2的2脚和二极管D2的负极均连接所述功率MOS管电路。

所述功率MOS管电路包括电池正极输入端BAT1、电池负极输入端BAT2、负载接口KM、功率场效应管Q1、功率场效应管Q2、二极管D2、晶闸管Q3、电阻RTC1、电阻RTC2和电容C1，功率场效应管Q1的栅极连接功率场效应管Q2的栅极，功率场效应管Q1的源极连接功率场效应管Q2的源极，功率场效应管Q1的漏极连接电池正极输入端BAT1，电池正极输入端BAT1还连接所述电位检测比较电路，功率场效应管Q1的栅极、源极和漏极均连接所述驱动电路，功率场效应管Q1的栅极还连接二极管D2的负极，二极管D2的正极通过电容C1连接电池负极输入端BAT2，电池负极输入端BAT2还连接所述电位检测比较电路，功率场效应管Q2的漏极连接负载接口KM，功率场效应管Q2的漏极还连接所述电位检测比较电路，功率场效应管Q2的漏极还连接晶闸管Q3的阴极，晶闸管Q3的阳极通过并联在一起的电阻RTC1和电阻RTC2连接所述电池正极输入端BAT1，功率场效应管Q2的漏极和晶闸管Q3的门极均连接主控芯片，电池正极输入端BAT1连接电池的正极，负载接口KM连接负载。

所述电位检测比较电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28和电阻R29，电阻R25的2脚、电阻R29的2脚和电阻R26的2脚均连接所述功率MOS管电路，电阻R21的1脚和电阻R22的1脚均连接所述主控芯片，电阻R21的2脚连接电阻R25的1脚，电阻R21的2脚还通过电阻R23连接电阻R27的1脚，电阻R22的2脚连接电阻R26的1脚，电阻R22的2脚还通过电阻R24连接电阻R27的1脚，电阻R27的2脚通过电阻R28连接电阻R29的1脚。

一种电池组正极端专用的三状态开关的控制方法，包括如下步骤：

步骤1:控制器通过第一控制信号输入端和第一隔离模块向主控芯片发出第一控制信号SW_standby，控制器通过第二控制信号输入端和第二隔离模块向主控芯片发出第二控制信号SW_open，主控芯片通过单向导通控制电路和驱动电路来控制功率MOS管电路的动作，功率MOS管电路串联在负载供电回路中，控制负载供电回路的导通或断开；

步骤2：功率MOS管电路将自身的状态信号通过电位检测比较电路发送给主控芯片，主控芯片将功率MOS管电路将自身的状态信号处理成第一状态信号SW_ALM和第二状态信号SW_CLOSE，并将第一状态信号SW_ALM通过第一状态信号输出端和第三隔离模块发送给控制器，将第二状态信号SW_CLOSE通过第二状态信号输出端和第四隔离模块发送给控制器；

电池端为电池的正极输入端BAT1，用VBAT表示；馈电端为负载接口KM，用Vfeed表示；电位参考地为所述功率MOS管电路的地线，用GND表示；

步骤3：当第一控制信号输入端和第二控制信号输入端都没有信号输入时，主控芯片控制功率MOS管电路进入“闭合”状态，此时功率MOS管电路使负载的供电回路导通，第一状态信号输出端向控制器发出“闭合”信号；

步骤4：当第二控制信号输入端有输入信号，且第一控制信号输入端无论处于任何状态时，主控芯片控制功率MOS管电路进入“断开”状态，此时功率MOS管电路使负载的供电回路断开，第二状态信号输出端向控制器发出“断开”报警信息；

步骤5：当功率MOS管电路进入“闭合”状态时，主控芯片通过电位检测比较电路监测电池端VBAT与馈电端Vfeed之间的电压，当馈电端Vfeed不悬空或负载接口KM有电源接入时，主控芯片控制功率MOS管电路进入“断开”状态，开关进入第三态“备用”状态。

当开关处于“备用”状态并且电池端VBAT与馈电端Vfeed之间电压VBAT-VFeed<22V或44V时，主控芯片控制功率MOS管电路断开负载供电回路，此时等效于功率MOS管电路进入“断开”状态；当电池端VBAT与馈电端Vfeed之间电压VBAT-VFeed>22V或44V时，主控芯片控制功率MOS管电路接通负载供电回路，此时等效于功率MOS管电路进入“闭合”状态；当馈电端Vfeed悬空没有接线或负载接口KM无电源接入时，VFeed＝0V时，此时主控芯片控制功率MOS管电路不会从“闭合”工作状态进入“备用”工作状态。

本发明的目的是提供一种电池组正极端专用的三状态开关及其控制方法，解决传统采用二极管管理电池的方案中，在使用中电能损耗大，发热严重的问题；解决了传统采用二极管管理电池的方案中，在馈电母线电压低于电池组端电压时，电池组就会向外馈送电能的问题。本发明能防止并联电池组间的环流、控制负载分配到子电池组、调控各电池组的充放电状态等，实现了并联电池组中的子电池组优化运行，让其充分发挥自身的性能优势，从而延长电池组的使用寿命，特别是可以让性能差异大，甚至是不同容量的电池组并联运行。

附图说明

图1是本发明的原理图框图；

图2是本发明的第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、第一状态信号输出端、第二状态信号输出端、第一隔离模块、第二隔离模块、第三隔离模块和第四隔离模块的原理图；

图3是本发明的功率MOS管驱动模块的原理图；

图4是本发明的功率MOS管电路的原理图；

图5是本发明的电位检测比较电路的原理图；

图中：

控制器1、第一控制信号输入端2、第二控制信号输入端3、第一状态信号输出端4、第二状态信号输出端5、第四隔离模块6、第三隔离模块7、第二隔离模块8、第一隔离模块9、主控芯片10、电位检测比较电路11、驱动电路12、单向导通控制电路13、功率MOS管电路14。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图5所示的一种电池组正极端专用的三状态开关，包括控制器1、主控芯片10、第一控制信号输入端2、第二控制信号输入端3、第一状态信号输出端4、第二状态信号输出端5、第一隔离模块9、第二隔离模块8、第三隔离模块7、第四隔离模块6、驱动电路12、功率MOS管电路14、单向导通控制电路13和电位检测比较电路11，第一控制信号输入端2连接第一隔离模块9，第二控制信号输入端3连接第二隔离模块8，第一状态信号输出端4连接第三隔离模块7，第二状态信号输出端5连接第四隔离模块6，单向导通控制电路13连接驱动电路12，驱动电路12连接功率MOS管电路14，功率MOS管电路14连接电位检测比较电路11，功率MOS管电路14还串联在负载的供电回路中，第一控制信号输入端2、第二控制信号输入端3、第一状态信号输出端4、第二状态信号输出端5、第一隔离模块9、第二隔离模块8、第三隔离模块7、第四隔离模块6、功率MOS管电路14、驱动电路12、单向导通控制电路13和电位检测比较电路11均连接所述主控芯片10，第一控制信号输入端2、第二控制信号输入端3、第一状态信号输出端4和第二状态信号输出端5均与控制器1连接。

所述主控芯片10为单片机；所述第一隔离模块9包括光耦IC3，所示第一控制信号输入端2包括电阻R11，电阻R11的1脚连接所述控制器1，电阻R11的2脚连接光耦IC3的1脚，光耦IC3的2脚连接所述控制器1的电源端，光耦IC3的4脚连接+15V电源，光耦IC3的3脚连接所述主控芯片10；所述第二隔离模块8包括光耦IC4，所示第二控制信号输入端3包括电阻R12，电阻R12的1脚连接所述控制器1，电阻R12的2脚连接光耦IC4的1脚，光耦IC4的2脚连接所述控制器1的电源端，光耦IC4的4脚连接+15V电源，光耦IC4的3脚连接所述主控芯片10；所述第三隔离模块7包括光耦IC5，光耦IC5的4脚为所述第一状态信号输出端4，光耦IC5的3脚连接所述控制器1的电源端，光耦IC5的2脚连接所述主控芯片10，光耦IC5的1脚连接+15V电源；所述第四隔离模块6包括光耦IC6，光耦IC6的4脚为所述第二状态信号输出端5，光耦IC6的3脚连接所述控制器1的电源端，光耦IC6的2脚连接所述主控芯片10，光耦IC6的1脚连接+15V电源。

所述驱动电路12包括MOS功率器件及驱动U1控制逻辑、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C2和二极管D1，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的2脚和3脚均连接所述主控芯片10，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的1脚连接正电源，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的4脚连接地线，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的5脚连接地线，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的8脚连接+15V电源，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的7脚连接电阻R2的1脚，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的6脚通过电阻R3连接二极管D1的正极，二极管D1的正极还连接电阻R1的2脚，电阻R1的1脚连接所述主控芯片10，MOS功率器件栅极驱动芯片U1的8脚还通过电容C2连接地线，电阻R2的2脚和二极管D2的负极均连接所述功率MOS管电路14。

所述功率MOS管电路14包括电池正极输入端BAT1、电池负极输入端BAT2、负载接口KM、功率场效应管Q1、功率场效应管Q2、二极管D2、晶闸管Q3、电阻RTC1、电阻RTC2和电容C1，功率场效应管Q1的栅极连接功率场效应管Q2的栅极，功率场效应管Q1的源极连接功率场效应管Q2的源极，功率场效应管Q1的漏极连接电池正极输入端BAT1，电池正极输入端BAT1还连接所述电位检测比较电路11，功率场效应管Q1的栅极、源极和漏极均连接所述驱动电路12，功率场效应管Q1的栅极还连接二极管D2的负极，二极管D2的正极通过电容C1连接电池负极输入端BAT2，电池负极输入端BAT2还连接所述电位检测比较电路11，功率场效应管Q2的漏极连接负载接口KM，功率场效应管Q2的漏极还连接所述电位检测比较电路11，功率场效应管Q2的漏极还连接晶闸管Q3的阴极，晶闸管Q3的阳极通过并联在一起的电阻RTC1和电阻RTC2连接所述电池正极输入端BAT1，功率场效应管Q2的漏极和晶闸管Q3的门极均连接主控芯片10，电池正极输入端BAT1连接电池的正极，负载接口KM连接负载。

所述电位检测比较电路11包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28和电阻R29，电阻R25的2脚、电阻R29的2脚和电阻R26的2脚均连接所述功率MOS管电路14，电阻R21的1脚和电阻R22的1脚均连接所述主控芯片10，电阻R21的2脚连接电阻R25的1脚，电阻R21的2脚还通过电阻R23连接电阻R27的1脚，电阻R22的2脚连接电阻R26的1脚，电阻R22的2脚还通过电阻R24连接电阻R27的1脚，电阻R27的2脚通过电阻R28连接电阻R29的1脚。

实施例2：

一种电池组正极端专用的三状态开关的控制方法是通过实施例1所述的一种电池组正极端专用的三状态开关所实现的，包括如下步骤：

步骤1:控制器1通过第一控制信号输入端2和第一隔离模块9向主控芯片10发出第一控制信号SW_standby，控制器1通过第二控制信号输入端3和第二隔离模块8向主控芯片10发出第二控制信号SW_open，主控芯片10通过单向导通控制电路13和驱动电路12来控制功率MOS管电路14的动作，功率MOS管电路14串联在负载供电回路中，控制负载供电回路的导通或断开；

步骤2：功率MOS管电路14将自身的状态信号通过电位检测比较电路11发送给主控芯片10，主控芯片10将功率MOS管电路14将自身的状态信号处理成第一状态信号SW_ALM和第二状态信号SW_CLOSE，并将第一状态信号SW_ALM通过第一状态信号输出端4和第三隔离模块7发送给控制器1，将第二状态信号SW_CLOSE通过第二状态信号输出端5和第四隔离模块6发送给控制器1；

电池端为电池的正极输入端BAT1，用VBAT表示；馈电端为负载接口KM，用Vfeed表示；电位参考地为所述功率MOS管电路14的地线，用GND表示；

步骤3：当第一控制信号输入端2和第二控制信号输入端3都没有信号输入时，主控芯片10控制功率MOS管电路14进入“闭合”状态，此时功率MOS管电路14使负载的供电回路导通，第一状态信号输出端4向控制器1发出“闭合”信号；

步骤4：当第二控制信号输入端3有输入信号，且第一控制信号输入端2无论处于任何状态时，主控芯片10控制功率MOS管电路14进入“断开”状态，此时功率MOS管电路14使负载的供电回路断开，第二状态信号输出端5向控制器1发出“断开”报警信息；

步骤5：当功率MOS管电路14进入“闭合”状态时，主控芯片10通过电位检测比较电路11监测电池端VBAT与馈电端Vfeed之间的电压，当馈电端Vfeed不悬空或负载接口KM有电源接入时，主控芯片10控制功率MOS管电路14进入“断开”状态，开关进入第三态“备用”状态。

当开关处于“备用”状态并且电池端VBAT与馈电端Vfeed之间电压VBAT-VFeed<22V或44V时，主控芯片10控制功率MOS管电路14断开负载供电回路，此时等效于功率MOS管电路14进入“断开”状态；当电池端VBAT与馈电端Vfeed之间电压VBAT-VFeed>22V或44V时，主控芯片10控制功率MOS管电路14接通负载供电回路，此时等效于功率MOS管电路14进入“闭合”状态；当馈电端Vfeed悬空没有接线或负载接口KM无电源接入时，VFeed＝0V时，此时主控芯片10控制功率MOS管电路14不会从“闭合”工作状态进入“备用”工作状态。

本发明的目的是提供一种电池组正极端专用的三状态开关及其控制方法，解决传统采用二极管管理电池的方案中，在使用中电能损耗大，发热严重的问题；解决了传统采用二极管管理电池的方案中，在馈电母线电压低于电池组端电压时，电池组就会向外馈送电能的问题。本发明能防止并联电池组间的环流、控制负载分配到子电池组、调控各电池组的充放电状态等，实现了并联电池组中的子电池组优化运行，让其充分发挥自身的性能优势，从而延长电池组的使用寿命，特别是可以让性能差异大，甚至是不同容量的电池组并联运行。