一种开关驱动电路、电池控制电路、电池和无人机的制作方法

本实用新型涉及电池技术领域，特别是涉及一种开关驱动电路、电池控制电路、电池和无人机。

背景技术：

随着无人机技术的快速发展，尤其是电动无人机由于使用清洁能源而被广泛应用。为了保证电动无人机的飞行安全，无人机使用的电池通常都设置有电池管理系统。

在无人机的电池硬件电路里，一般通过低内阻的电子开关来控制充电、放电回路的导通或者截止，保护电池不至于过度充电或者过度放电，以延长电池的寿命。电子开关一般由电池管理芯片直接控制，例如通过电池的BMS(电池管理系统，battery management system)控制电子开关，如果在无人机正常飞行的时候出现电压或者电流异常，电池管理芯片就会直接关闭电子开关，导致无人机断电甚至炸机。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本实用新型实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种开关驱动电路、电池控制电路、电池和无人机。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种开关驱动电路，包括控制信号输入端口、电源输入端、储能单元、关闭单元、驱动单元和开关驱动端口，

所述驱动单元分别与所述电源输入端、所述控制信号输入端口和所述开关驱动端口连接，以根据所述控制信号输入端口的控制信号，使用电源输入端的电平驱动与所述开关驱动端口连接的电子开关导通或者截止；

所述储能单元与所述控制信号输入端口连接，以根据所述控制信号输入端口的控制信号进行充电或者放电；

所述关闭单元分别与所述储能单元、驱动单元连接，用于当所述储能单元充电时，使得所述驱动单元驱动与所述开关驱动端口连接的电子开关保持导通，当所述储能单元放电时，通过所述驱动单元使得与所述开关驱动端口连接的电子开关快速截止。

可选地，所述驱动单元包括第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和稳压二极管，所述第四电阻的一端与所述控制信号输入端口连接，所述第四电阻的另一端与所述第二三极管的基极连接，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极和所述第一三极管的基极通过所述第一电阻连接，所述第一三极管的发射极与所述电源输入端连接，所述第二电阻与所述稳压二极管并联，所述第二电阻与所述稳压二极管的负极并联的一端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第一三极管的集电极连接，所述第二电阻与所述稳压二极管的正极并联的一端接地，所述第二电阻与所述稳压二极管的负极并联的一端与所述开关驱动端口连接；

可选地，所述储能单元包括第五电阻、二极管、电容和第六电阻，所述第五电阻一端与所述控制信号输入端口连接，所述第五电阻的另一端与所述二极管的正极连接，所述电容与所述第六电阻并联，所述电容与所述第六电阻并联的一端与所述二极管的负极连接，所述电容与所述第六电阻并联的另一端接地；

可选地，所述关闭单元包括第七电阻，第三三极管、第四三极管和第八电阻，所述第七电阻一端与所述储能单元的二极管的负极连接，另一端与所述第四三极管的基极连接，所述第四三极管的集电极与所述第三三极管的基极连接，所述第四三极管的发射极与所述储能单元的二极管的正极连接，所述第三三极管的发射极与所述驱动单元的稳压二极管的负极连接，所述第三三极管的集电极通过所述第八电阻接地。

可选地，所述第一三极管和所述第三三极管为PNP型三极管，所述第二三极管和所述第四三极管为NPN型三极管。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种电池控制电路，包括本实用新型实施例提供的任一项所述的开关驱动电路、电子开关、微控制器、电池管理模块和通信模块，

所述电子开关位于电池的电芯组件和外接端口的供电回路中，用于控制所述供电回路的导通或者截止；

所述微控制器分别与所述电池管理模块和所述通信模块连接，用于根据所述电池管理模块和所述通信模块获取到的信息生成控制信号；

所述电池管理模块与所述电芯组件连接，用于获取所述电芯组件的信息；

所述通信模块与所述外接端口连接，用于将电池信息或者电池异常时的报警信息发送至外部设备，以及，接收外部设备的通信信息；

所述开关驱动电路的电源输入端与所述电芯组件的正极连接，所述控制信号输入端口与所述微控制器连接，所述开关驱动端口与所述电子开关连接，所述开关驱动电路用于根据所述微控制器的控制信号驱动所述电子开关导通或者截止。

可选地，所述电子开关包括第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关串联，所述第一开关与所述第二开关分别与一个所述开关驱动电路连接。

可选地，所述第一开关和所述第二开关为MOS管、三极管、绝缘栅双极型晶体管中的一种。

可选地，所述开关驱动电路的开关驱动端口与所述MOS管的栅极，或者三极管的基极，或者绝缘栅双极型晶体管的栅极连接。

可选地，当所述第一开关和所述第二开关为MOS管时，所述第一开关对应的MOS管的漏极与所述第二开关管对应的MOS管的漏极连接，所述第一开关对应的MOS管的源极与所述外接端口连接，所述第二开关管对应的MOS管的源极与所述电芯组件连接。

第三方面，本实用新型实施例提供了一种电池，所述电池包括电芯组件，本实用新型实施例提供的任一项所述的电池控制电路，外接端口，所述电芯组件通过所述电池控制电路与所述外接端口连接。

第四方面，本实用新型实施例提供了一种无人机，所述无人机包括本实用新型实施例所述的电池。

本实用新型实施例的开关驱动电路，包括控制信号输入端口、电源输入端、储能单元、关闭单元、驱动单元和开关驱动端口，驱动单元分别与电源输入端、控制信号输入端口和开关驱动端口连接，储能单元与控制信号输入端口连接，关闭单元分别与储能单元、驱动单元连接，本实用新型实施例的开关驱动电路，可以根据控制信号输入端口的控制信号，使得储能单元充电时，驱动单元驱动与开关驱动端口连接的电子开关保持导通，在储能单元放电时，通过驱动单元使得与开关驱动端口连接的电子开关快速截止，以防止瞬间开关损耗过高而烧毁电子开关，并且开关驱动电路调试简单、性能可靠、通用性好。

本实用新型实施例的电池控制电路，包括电子开关、开关驱动电路、微控制器、电池管理模块和通信模块，电子开关位于电池的电芯组件和外接端口的供电回路中，电池管理模块电芯组件连接，通信模块与所述外接端口连接，开关驱动电路的电源输入端与电芯组件的正极连接，控制信号输入端口与微控制器连接，开关驱动端口与电子开关连接，开关驱动电路用于根据微控制器的控制信号驱动电子开关导通或者截止。应用本实用新型实施例，电池管理模块检测到电池异常时，将该异常信息发送至微控制器以及通过通信模块发送至无人机，然后通过无人机与地面站的通信作出告警，可以由微控制器或者地面站生成控制指令，最后由微控制器控制电子开关关闭，以断开电池与外接端口的供电回路，解决了电池管理模块直接关闭电子开关的问题，能够灵活地控制电池的放电和充电，避免了非致命异常时电池管理模块直接关闭电子开关致使无人机坠毁，可以保证无人机可以先告警并及时返航。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一的一种开关驱动电路的示意图；

图2是本实用新型实施例一的一种开关驱动电路的原理图；

图3是本实用新型实施例二的一种电池控制电路的示意图；

图4是本实用新型实施例二的一种电池控制电路的另一示意图；

图5是本实用新型实施例二的一种电池控制电路的电路原理图；

图6是本实用新型实施例的一种电池的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实用新型实施例一的开关驱动电路1包括控制信号输入端口14、电源输入端15、储能单元13、关闭单元12、驱动单元11和开关驱动端口16。

其中，驱动单元11分别与电源输入端15、控制信号输入端口14和开关驱动端口16连接，以根控制信号输入端口14的控制信号，使用电源输入端15的电平驱动与开关驱动端口16连接的电子开关导通或者截止，例如，电源输入端15可以与电池的正极连接，处于高电平，控制信号输入端口14可以与微控制器连接，当微控制器输出高电平或者低电平信号时，驱动单元11可以在开关驱动端口16输出高电平或者低电平。

储能单元13与控制信号输入端口14连接，以根据控制信号输入端口14的控制信号进行充电或者放电；关闭单元12分别与储能单元13、驱动单元11连接，当储能单元13充电时，使得驱动单元11驱动与开关驱动端口16连接的电子开关保持导通，当储能单元13放电时，使得驱动单元11驱动与开关驱动端口16连接的电子开关快速截止。

如图2所示，在本实用新型的一种优选实施例中，驱动单元11包括第一三极管Q101、第二三极管Q102、第一电阻R102、第二电阻R112、第三电阻R103、第四电阻R104和稳压二极管ZV101。其中，第四电阻R104的一端与控制信号输入端口14连接，第四电阻R104的另一端与第二三极管Q102的基极连接，第二三极管Q102的发射极接地，第二三极管Q102的集电极和第一三极管Q101的基极通过第一电阻R102连接，第一三极管Q101的发射极与电源输入端15连接，第二电阻R112与稳压二极管ZV101并联，第二电阻R112与稳压二极管ZV101的负极并联的一端分别与第三电阻R103的一端连接，第三电阻R103的另一端与第一三极管Q101的集电极连接，第二电阻R112与稳压二极管ZV101的正极并联的一端接地，第二电阻R112与稳压二极管ZV101的负极并联的一端还与开关驱动端口16连接。

储能单元13包括第五电阻R105、二极管D101、电容C101和第六电阻R109，第五电阻R105的一端与控制信号输入端口14连接，第五电阻R105的另一端与二极管D101的正极连接，电容C101与第六电阻R109并联，电容C101与第六电阻R109并联的一端与二极管D101的负极连接，电容C101与第六电阻R109并联的另一端接地；

关闭单元12包括第七电阻R108，第三三极管Q103、第四三极管Q104和第八电阻R110，第七电阻R108的一端与储能单元13的二极管D101的负极连接，另一端与第四三极管Q104的基极连接，第四三极管Q104的集电极与第三三极管Q103的基极连接，第四三极管Q104的发射极与储能单元13的二极管D101的正极连接，第三三极管Q103的发射极与驱动单元11的稳压二极管ZV101的负极连接，第三三极管Q103的集电极通过第八电阻R110接地。

其中，第一三极管Q101和第三三极管Q103可以是PNP型三极管，第二三极管Q102和第四三极管Q104可以是NPN型三极管。

以下通过电池的放电过程简要说明开关驱动电路1的工作原理：

如图2所示，控制信号输入端口14输出高电平时，第二三极管Q102为NPN型三极管，控制信号输入端口14的高电平通过第四电阻R104驱动第二三极管Q102导通，由于第二三极管Q102的发射极接地，第二三极管Q102的集电极的电平被拉低到地，为低电平，第二三极管Q102的集电极通过第一电阻R102将第一三极管Q101基极的电平拉低，由于第一三极管Q101为PNP型三极管，第一三极管Q101导通，电源输入端15经过第一三极管Q101、第三电阻R103、第二电阻R112、稳压二极管ZV101到开关驱动端口16，与开关驱动端口16连接的电子开关得到高电平而快速导通，同时，控制信号输入端口14的高电平经过第五电阻R105、二极管D101对电容C101充电，电容C101满电电压约为控制信号输入端口14输出高电平的电压，此时第四三极管Q104的基极和发射级电压基本与高电平的电压相等，第四三极管Q104截止，与第四三极管Q104连接的第三三极管Q103的基极没有驱动电流，因此第三三极管Q103保持截止，使得开关驱动端口16保持高电平，与之连接的电子开关保持导通。

当控制信号输入端口14输出低电平时，控制信号输入端口14输出的低电平通过第四电阻R104将第二三极管Q102基极的电平拉低，由于第二三极管Q102为NPN型三极管，第二三极管Q102截止，第二三极管Q102的集电极变为高电平，通过第一电阻R102将第一三极管Q101基极的电平拉高，由于第一三极管Q101为PNP型三极管，第一三极管Q101截止，第二电阻R112将开关驱动端口16的电平拉低至地，与之连接的电子开关截止，同时，控制信号输入端口14输出低电平导致二极管D101截止，第四三极管Q104的发射极的电平经过第五电阻R105被拉低，第四三极管Q104导通，电容C101经过第七电阻R108、第四三极管Q104的基极、发射级和第五电阻R105放电，第四三极管Q104导通使得与之连接的第三三极Q103的基极为低电平，由于第三三极Q103为PNP型三极管，第三三极管Q103导通，与开关驱动端口16连接的电子开关的电荷经过第三三极管Q103和R110迅速放电至地端，加快电子开关截止的速度。

本实用新型实施例的开关驱动电路，能够驱动电子开关快速导通和截止，以防止瞬间开关损耗过高而烧毁电子开关，并且开关驱动电路调试简单、性能可靠、通用性好。

实施例二

如图3所示，本实用新型实施例二的一种电池控制电路10，包括开关驱动电路1、电子开关2、微控制器3、电池管理模块4和通信模块5。

本实用新型实施例中，电池控制电路10位于电池的电芯组件20与外接端口30之间，用于控制供电回路的导通或者截止。具体而言，电池可以包括电芯组件20和外接端口30，电池控制电路10一端连接电芯组件20的正极和负极，另一端连接外接端口30的正外接端和负外接端，以形成供电回路，电池控制电路10的电子开关2位于供电回路中，例如可以是位于正极回路或者负极回路中，以控制供电回路导通或者截止，从而控制电池的充电和放电。

具体到本实用新型实施例中，电子开关2位于电池的电芯组件20和外接端口30的供电回路中，电子开关驱动电路1分别与电子开关1、微控制器3连接，电子开关驱动电路1可以根据微控制器3的控制信号驱动电子开关2导通或者截止。

微控制器3分别与电池管理模块4和通信模块5连接，以使得微控制器3根据电池管理模块4和通信模块5获取到的信息生成控制信号；电池管理模块4与电芯组件20连接，用于获取电芯组件20的信息；通信模块5与外接端口30连接，用于将电池信息或者电池异常时的报警信息发送至外部设备，以及，接收外部设备的通信信息。

电池管理模块4可以是电池管理芯片、BMS等，电池管理模块4可以是具有逻辑运算功能的芯片，其可以将设置于电芯组件20中的各种传感器或者供电回路中的电压和电流采集装置的输出做为输入，通过内部的逻辑运算，例如比较器等进行比较运算，就可以获悉电池的各种信息或者获悉电池是否异常，例如可以获取电池的电量、电压和温度等电池的信息，还可以生成电池异常时的告警信息，并将电池的信息或者告警信息发送至与之连接的微控制器3，还可以通过通信模块5发送至与电池的外接端口30连接的用电设备，例如无人机的飞行控制系统，也可以通过无人机与地面站的通信发送至地面站。通信模块5还可以通过外接端口30接收外部设备的控制指令，并将控制指令发送至微控制器3，以控制电池供电回路的导通或者截止。

微控制器3可以根据接收到的电池异常信息或者从通信模块5接收到控制指令，输出高电平或者低电平至开关驱动电路1，以控制电子开关2导通或者截止，例如微控制器3可以包括多个比较器，不同的比较器具有不同的基准，以对应于各种异常信息的输入，从而可以灵活地确定是否需要控制电子开关2导通或者截止。

本实用新型实施例中，电池管理模块检测到电池异常时，将该异常信息发送至微控制器或者通过通信模块发送至无人机，然后通过无人机与地面站的通信作出告警，可以由微控制器或者地面站生成控制指令，最后由微控制器控制电子开关截止，以断开电池与外接端口的供电回路，解决了电池管理模块直接控制电子开关截止的问题，能够灵活地控制电池的放电和充电，避免了非致命异常时电池管理模块直接关闭电子开关致使无人机坠毁，可以保证无人机可以先告警并及时返航。

如图4所示，开关驱动电路1的电源输入端15与电芯组件20的正极连接，控制信号输入端口14与微控制器3连接，开关驱动端口16与电子开关2连接，开关驱动电路1可以根据微控制器3的控制信号驱动电子开关2导通或者截止。

在实际应用中，微控制器3还与电池管理模块4、通信模块5连接(图4中未示，具体参考图3)，微控制器3可以根据电池管理模块4或者通信模块5的信息输出高电平或者低电平，以通过储能单元13、关闭单元12控制驱动单元11输出至电子开关2的电平，从而可以驱动电子开关2导通或者截止，以实现电芯组件20与外接端口30之间的供电回路导通或者截止。

如图5所示，在本实用新型的一种实施例中，电子开关1可以包括第一开关S1和第二开关S2，第一开关S1可以控制电池的充电，第二开关S2可以控制电池的放电，第一开关S1与第二开关S2分别与一个开关驱动电路1连接，即第一开关S1通过一个开关驱动电路1驱动，第二开关S2也通过一个开关驱动电路1驱动。

第一开关S1和第二开关S2可以为MOS管、三极管、绝缘栅双极型晶体管中的一种，开关驱动电路1的开关驱动端口16与MOS管的栅极，或者三极管的基极，或者绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，以控制MOS管或者三极管或者绝缘栅双极型晶体管的导通或者截止。

本实用新型实施例中，以第一开关S1和第二开关S2为MOS管，且第一开关S1和第二开关S2位于负极回路进行说明。

如图5所示，当第一开关S1和第二开关S2为MOS管，第一开关S1对应的MOS管的漏极与第二开关S2对应的MOS管的漏极连接，第一开关S1对应的MOS管的源极与外接端口30(图5中外接端口接负载)的负极连接，第二开关S2管对应的MOS管的源极与电芯组件20的负极连接，第一开关S1对应的MOS管与第二开关S2对应的MOS管的栅极均分别连接一个开关驱动电路1。

MOS管具有寄生的体内二极管，如图5中第一开关S1和第二开关S2对应的MOS管为N沟道MOS管，其体内二极管的正极为MOS管的源极的一端，体内二极管的负极为MOS管的漏极的一端，即当MOS管截止时，相当于一个二极管，如图5中，当第一开关S1和第二开关S2均截止时，第一开关S1对应的体内二极管的正极连接外接端口30(图5中为负载)，第二开关S2对应的体内二极管的正极连接电芯组件20，第一开关S1和第二开关S2对应的体内二极管的负极对接，当需要放电时，外接端口30接的是负载，此时通过开关驱动电路1控制第一开关S1和第二开关S2导通，电芯组件20的电流均未通过第一开关S1和第二开关S2对应的MOS管的体内二极管，电芯组件20的电流直接对负载供电，当需要充电时，图5中的负载改接为充电电源，为了防止电芯组件20的电流倒灌至充电电源，需要通过开关驱动电路1控制第一开关S1对应的MOS管截止，通过开关驱动电路1控制第二开关S2对应的MOS管导通，即第一开关S1对应的MOS管的体内二极管的正极连接充电电源，负极通过导通的第二开关S2对应的MOS管连接电芯组件20，即电流只能从充电电源流向电芯组件20，防止了电芯组件20的电流倒灌至充电电源。

上述过程可以通过微控制器3进行控制，例如在放电时，微控制3控制第一开关S1和第二开关S2导通，当需要停止放电时，微控制3控制第一开关S1和第二开关S2截止；在充电时，微控制3控制第一开关S1截止，第二开关S2导通，当需要停止充电时，微控制3控制第一开关S1和第二开关S2截止。

开关驱动电路1驱动第一开关S1和第二开关S2导通或者截止的过程，可以参照实施例一中开关驱动电路1的工作原理，在此不再赘述。

本实用新型实施例中，第一开关S1连接的开关驱动电路1、第二开关S2连接的开关驱动电路1可以连接至同一个微控制器3的不同引脚，例如连接至微控制器3的不同GPIO接口，微控制器3通过通信模块5确定电池是处于充电状态还是放电状态，从而分别控制开关驱动电路1，当然也可以设置两个微控制器3以分别控制不同的开关驱动电路1，本实用新型实施例对此不加以限制。

本实用新型实施例，电池管理模块检测到电池异常时，将该异常信息发送至微控制器以及通过通信模块发送至无人机，然后通过无人机与地面站的通信作出告警，可以由微控制器或者地面站生成控制指令，最后由微控制器控制电子开关截止，以断开电池与外接端口的供电回路，解决了电池管理模块直接控制电子开关截止的问题，能够灵活地控制电池的放电和充电，避免了非致命异常时电池管理模块直接关闭电子开关致使无人机坠毁，可以保证无人机可以先告警并及时返航。

实施例三

如图6所示，本实用新型实施三提供了一种电池，所述电池包括电芯组件20，本实用新型实施例提供的电池控制电路10，外接端口30，电芯组件20通过电池控制电路10与外接端口30连接。

本实用新型实施提供了一种无人机，所述无人机包括本实用新型实施例三提供的电池。

尽管已描述了本实用新型实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。