一种开关管驱动电路、预充电路和电池储能系统的制作方法

1.本实用新型涉及电池储能技术领域，具体涉及一种开关管驱动电路、预充电路和电池储能系统。


背景技术：

2.电池储能系统对外放电时，若外部存在容性负载，在开始放电的瞬间会产生瞬间的冲击电流，可能会导致电池储能系统的放电开关/主开关损坏。为了避免冲击电流，通常会设置一个预充开关串联电阻，通过预充开关对外部电容进行充电，然后再闭合主开关。常见的预充开关包括继电器和开关管，继电器相较于开关管而言成本更高，而现有的开关管式预充开关需要一组专用的驱动电源和驱动电路，电路结构复杂且成本较高。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种开关管驱动电路、预充电路及电池储能系统，能够改善相关技术中预充电路的电路结构复杂且成本较高的技术问题。
4.本实用新型实施例为改善上述技术问题提供了如下技术方案：
5.在第一方面，本实用新型实施例提供一种开关管驱动电路，包括：
6.信号接收端口、电荷泵模块、电压整形模块和驱动模块，所述电荷泵模块的输入端连接所述信号接收端口，所述电荷泵模块的输出端连接所述电压整形模块的输入端，所述驱动模块的输入端连接所述电压整形模块的输出端，所述驱动模块的输出端用于连接预充开关管；
7.所述信号接收端口用于接收驱动信号，并将所述驱动信号传输至所述电荷泵模块；
8.所述电荷泵模块用于将所述驱动信号转化为电荷泵信号；
9.所述电压整形模块用于接收所述电荷泵信号，在所述电荷泵信号中的电压超过预设阈值时，控制所述驱动模块驱动所述预充开关管闭合，在所述电荷泵信号中的电压小于所述预设阈值时，控制所述驱动模块驱动所述预充开关管断开。
10.可选的，所述电荷泵模块包括：第一开关管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第一电阻和第二电阻；
11.所述第一开关管的第一端用于通过第一电阻与电源连接，所述第一开关管的控制端通过所述第二电阻与所述信号接收端口连接，所述第一开关管的第二端与地连接；
12.所述第一电容的第一端与所述第一开关管的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极分别与所述第二电容的第一端及所述电压整形模块连接；
13.所述第二电容的第二端与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容的第二端连接。
14.可选的，所述电压整形模块包括稳压二极管、第二开关管和第四电阻；
15.所述稳压二极管的阴极与所述第二电容的第一端连接，所述稳压二极管的阳极通过所述第四电阻与所述第二开关管的控制端连接，所述第二开关管的第一端与所述驱动模块的输入端连接，所述第二开关管的第二端与所述第二电容的第二端连接。
16.可选的，所述驱动模块包括第三开关管、第三电阻和第五电阻；
17.所述第三开关管的控制端与所述第二开关管的第一端连接，所述第三开关管的控制端还通过所述第三电阻与所述第二电容的第一端连接，所述第三开关管的第一端与所述第二电容的第一端连接，所述第三开关管的第二端通过第五电阻与所述第二电容的第二端连接，所述第三开关管的第二端用于连接所述预充开关管的控制端。
18.可选的，所述驱动模块还包括第四开关管和第三二极管；
19.所述第三二极管的阳极连接所述第三开关管的第二端，所述第三二极管的阴极与所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的控制端与所述第三开关管的第二端连接，所述第四开关管的第二端与所述第二电容的第二端连接。
20.可选的，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管均为三极管。
21.可选的，所述驱动信号为pwm信号。
22.在第二方面，本实用新型实施例提供一种预充电路，所述预充电路包括预充开关管和上述所述的开关管驱动电路，所述预充开关管的控制端与所述驱动模块的输出端连接，所述预充开关管的第一端用于连接电池的输出端，所述预充开关管的第二端与所述电荷泵模块的输出端连接。
23.可选的，所述预充电路还包括预充电阻，所述预充开关管的第二端通过所述预充电阻连接负载电容。
24.在第三方面，本实用新型实施例提供一种电池储能系统，包括：电池和上述所述的预充电路，所述电池的输出端与所述预充开关管的第一端连接。
25.区别于现有技术，本实用新型实施例提供一种开关管驱动电路，包括：信号接收端口、电荷泵模块、电压整形模块和驱动模块，所述电荷泵模块的输入端连接所述信号接收端口，所述电荷泵模块的输出端连接所述电压整形模块的输入端，所述驱动模块的输入端连接所述电压整形模块的输出端，所述驱动模块的输出端用于连接预充开关管。本实用新型提出的开关管驱动电路主要通过设置电荷泵模块、电压整形模块和驱动模块来控制预充开关管的通断，相较于现有技术中以继电器作为预充开关的方式，本方案能够明显的降低控制成本；相较于现有技术中使用专用的预充电源和预充电路的方案，本方案利用简单的电路结构就能达到电池放电前的预充效果，不需要提供大于电池电压的专用预充电源，降低了成本的同时也能保证电路的可靠性，便于推广应用。
附图说明
26.图1是本实用新型实施例提供的一种开关管驱动电路的结构框图；
27.图2是本实用新型实施例提供的一种开关管驱动电路的电路结构示意图；
28.图3是本实用新型实施例提供的另一种开关管驱动电路的电路结构示意图。
29.图4时本实用新型实施例提供的一种开关管驱动电路的应用场景示例。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
31.为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本说明书所使用的术语“和/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。
32.请参阅图1，图1是本实用新型提供的一种开关管驱动电路的结构框图。如图1所示，所述开关管驱动电路1包括信号接收端口11、电荷泵模块12、电压整形模块13和驱动模块14。
33.所述电荷泵模块12的第一输入端连接所述信号接收端口11，所述电荷泵模块12的输入端连接所述信号接收端口11，所述电荷泵模块12的输出端连接所述电压整形模块13的输入端，所述驱动模块14的输入端连接所述电压整形模块13的输出端，所述驱动模块14的输出端用于连接预充开关管21。具体的，电荷泵是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，多半用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。在本实用新型实施例中，所述电路可以接收电源提供的电能，即所述电源通过所述电荷泵模块12的输入端为所述电路供电。以驱动信号控制电池放电为例，所述驱动信号可以由控制系统中的单片机提供，所述信号接收端口11可以接收单片机提供的驱动信号，结合电源提供的电能，电荷泵模块12可以将所述驱动信号转换为电荷泵信号，并提供所述电荷泵信号至所述电压整形模块13，所述电压整形模块13接收所述电荷泵信号，并在所述电荷泵信号中的电压超过预设阈值时，驱动模块启动，控制所述驱动模块14快速驱动所述预充开关管21闭合，在所述电荷泵信号中的电压小于所述预设阈值时，驱动模块关闭，控制所述驱动模块14快速驱动所述预充开关管21断开。如此，可以使预充开关管根据驱动信号进行闭合与断块状态切换，即当有驱动信号输入时，快速驱动预充开关管闭合，当无驱动信号输入时，快速驱动预充开关管断开，另外，无需设置专用驱动电源，从而降低了驱动电路的生产制造成本。
34.请结合图2，图2是本实用新型实施例提供的开关管驱动电路的电路结构示意图，预充开关管21在图2中标示为预充开关管q5，所述电荷泵模块12包括第一开关管q1、第二开关管q2、第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电阻r1和第二电阻r2。
35.其中，所述第一开关管q1的第一端通过第一电阻r1与电源连接，以使所述电源通过所述电阻r1为所述电荷泵模块12供电，在图2中表示为电源输出端vcc为所述电荷泵模块12供电，所述第一开关管q1的控制端通过所述第二电阻r2与所述信号接收端口11连接，以使所述电荷泵模块12通过所述电阻r2接收所述驱动信号，所述第一开关管q1的第二端与地
连接,即图2中的gnd端；所述第一电容c1的第一端与所述第一开关管q1的第一端连接，所述第一电容c1的第二端与所述第一二极管d1的阳极连接，所述第一二极管d1的阴极分别与所述第二电容c2的第一端及所述电压整形模块连接；所述第二电容c2的第二端与所述第二二极管d2的阳极连接，所述第二二极管d2的阴极与所述第一电容c1的第二端连接。
36.所述驱动信号可以是pwm控制信号，当信号接收端口11接收到的驱动信号为高电平时，第一开关管q1导通，第一电阻r1下端被拉至低电平；当驱动信号为低电平时，第一开关管q1断开，电源输出端vcc通过第一电阻r1为第一电容c1充电。驱动信号为不断变化的高低电平，电能经由第一电容c1和第一二极管d1传递至第二电容c2，并存储于第二电容c2，所述电荷泵模块12通过第二电容c2为所述电压整形模块13提供电荷泵信号，其中，第二电容c2两端的第一电压逐渐升高直至电荷泵模块12工作稳定。
37.同样请结合图2，所述电压整形模块13包括稳压二极管zd1、第二开关管q2和第四电阻r4。
38.其中，所述稳压二极管zd1的阴极与所述第二电容c2的第一端连接，所述稳压二极管zd1的阳极通过所述第四电阻r4与所述第二开关管q2的控制端连接，所述第二开关管q2的第一端与所述驱动模块14的第一输入端连接，所述第二开关管q2的第二端与所述第二电容c2的第二端连接，以使所述稳压二极管zd1在所述电荷泵信号中的电压超过预设阈值时导通，其中，所述预设阈值为所述稳压二极管zd1的门限电压，当电压逐渐升高直至能够超过所述稳压二极管zd1的门限电压时，所述稳压二极管zd1和所述第四电阻r4所在的支路导通，所述电压整形模块13控制所述驱动模块14驱动所述预充开关管21闭合；当电压小于所述预设阈值时，所述稳压二极管zd1和所述第四电阻r4所在的支路断路，所述电压整形模块13控制所述驱动模块14驱动所述预充开关管21断开。
39.所述驱动模块14包括第三开关管q3、第三电阻r3和第五电阻r5。
40.其中，所述第三开关管q3的基极与所述第二开关管q2的集电极连接，所述第三开关管q3的控制端还通过所述电阻r3与所述第二电容c2的第一端连接，所述第三开关管q3的第一端与所述第二电容c2的第一端连接，所述第三开关管q3的第二端通过电阻r5与所述第二电容c2的第二端连接，所述第三开关管q3的第二端还用于连接所述预充开关管21的控制端，以使所述驱动模块14可以控制所述预充开关管q5的通断。
41.电荷泵模块12将所述驱动信号转化为电荷泵信号，并以电能的形式存储在第二电容c2中，当所述电荷泵模块12工作稳定后，所述第二电容c2两端的电压可以维持在vcc-vd1-vd2左右。在第二电容c2两端的电压持续上升的过程中，当电压超过稳压二极管zd1的门限电压时，第二开关管q2导通，第三电阻r3下侧与第二电容c2的第二端导通，第三电阻r3下侧电压拉低，第三开关管q3导通，预充开关管q5的栅极电压拉高，预充开关管q5导通，电池与负载设备之间形成通路，为负载设备供电。
42.当停止提供驱动信号时，所述第一开关管q1断开，第一电容c1相当于断路，电源停止为所述电荷泵模块12供电，在第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5的作用下，第二电容c2两端的电压持续下降，当第二电容c2两端的电压小于稳压二极管zd1的门限电压时，第二开关管q2断开，第三电阻r3下侧的电压升高，直至不能开启第三开关管q3，第三开关管q3断开，停止驱动预充开关管q5，预充开关管q5断开，电池输出与负载设备之间的电路断开，停止对负载供电，完成电池对负载电容的预充电。
43.请结合图3，在其它一些实施例中，所述驱动模块14还包括第四开关管q4和第三二极管d3。可以理解的是，本实用新型实施例中的所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管及所述第四开关管均可以是三极管。
44.其中，所述第三二极管d3的阳极连接所述第三开关管q3的第二端，所述第三二极管d3的阴极与所述第四开关管q4的第一端连接，所述第四开关管q4的控制端与所述第三开关管d3的第二端连接，所述第四开关管q4的第二端与所述第二电容c2的第二端连接。当停止提供驱动信号时，第三开关管q3断开后，此时通过第四开关管q4和第三二极管d3，能够迅速将预充开关管q5的栅极电荷释放掉，大幅提高了预充开关管q5的响应速度，控制电池及时停止为负载预充电。
45.本实用新型实施例提供的开关管驱动电路通过设置电荷泵模块、电压整形模块和驱动模块来控制预充开关管的通断，简化了现有技术中复杂的预充电路，例如现有技术会使用大于电池电压的专用预充电源来对专门的预充电路进行供电，而本方案中所需要的电源，只需要提供较小的电压就能够完成预充要求，通常电源提供的电压可以只有12v-15v，而电池对负载提供的电池电压通常都是几百伏的大电压。本实用新型实施例提供的开关管驱动电路利用简单的电路结构就能达到电池为容性负载供电过程中的预充效果，降低成本的同时也保证了电路的可靠性，便于推广应用。
46.请参阅图4，本实用新型实施例提供一种预充电路2，所述预充电路2包括预充开关管21和上述实施例中的开关管驱动电路1，请结合图1至图3，所述预充开关管q5的控制端与所述驱动模块14的输出端连接，具体为与所述第三开关管q3的第二端连接；所述预充开关管q5的第一端用于连接电池的输出端，所述预充开关管q5的第二端与所述电荷泵模块12的输出端连接，具体为与第二电容c2的第二端连接。
47.所述预充电路2还包括预充电阻r6，所述预充开关管q5的第二端通过所述预充电阻r6连接负载电容c3，以使所述预充开关管控制所述电池通过所述预充电阻r6为所述负载电容c3预充电。其中，以对负载电容c3充电来表示对负载设备供电，所述负载电容c3可以是用电设备中的电容，例如逆变器等设备中的电容，请结合图4，以逆变器为例，负载电容c3位于逆变器内部，电池经由所预充开关管21，通过预充电阻r6为所述逆变器中的电容预充电。
48.本实用新型实施例提供的预充电路简化了现有技术中复杂的电路，利用简单的电路结构就能达到电池放电过程中的预充放电效果，降低成本的同时也保证了电路的可靠性，便于推广应用。
49.本实用新型实施例提供一种电池储能系统，所述电池储能系统包括电池和上述实施例中的预充电路，所述电池的输出端与所述预充开关管的第一端连接，即与所述预充开关管的第一端连接。未在本实施例中详细描述的细节请参见上述开关管驱动电路实施例，所述电池储能系统能够避免电池对外放电时产生冲击电流，消除了冲击电流损坏储能系统的放电开关的隐患，相较于继电器或者专用电源和预充电路驱动mos管等预充电路的方案来说，本方案的电路结构简单，所需要的元器件少，成本低，便于推广应用。
50.需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施例，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上
面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。