CN102856885A - 动力锂离子保护板大电流开关组电路 - Google Patents

Abstract

本发明动力锂离子保护板大电流开关组件电路修改了现有技术中MOS管功率开关的驱动系统，增加了新的保护机制，从而提高当前应用于大功率动力装备的动力锂离子保护系统的开关部件的可靠性。以大幅度降低设置在动力锂离子电池装置内的电池保护系统的功率开关部件失效，而导致该电池装置的过放电，过充电，异常开路等引发电池失效的故障，以及该电池装置因异常短路而引发电池起火爆炸的风险。

Description

动力锂离子保护板大电流开关组电路

技术领域

应用在动力可充电电池保护系统中的开关组件。尤其适于应用在动力锂离子等可充电电池。

背景技术

目前动力可充电电池发展日益加快，动力可充电电池在使用中的安全性和可靠性问题是可充电电池应用领域的一个重大技术难点。例如，动力锂离子鉴于其在充电或放电工作循环中具有一定的危险性所以必须安装电池保护电路板。而在现有的电池保护电路中，当电池在数十或数百安培以上的超大电流输出/输入时，如何确保电池保护电路的可靠性，该课题一直是目前可充电电池保护电路的技术瓶颈。动力锂离子保护板大电流开关组件提供了一种能够应用在大电流、乃至超大电流保护系统开关部件的设计思路以及方法。本发明很好的解决了可靠性问题。

发明内容

本发明的目的是：提高当前应用于大功率动力装备的动力锂离子保护系统的开关部件的可靠性。以大幅度降低设置在动力锂离子电池装置内的电池保护系统的功率开关部件失效，而导致该电池装置的过放电，过充电，异常开路等引发电池失效的故障，以及该电池装置因异常短路而引发电池起火爆炸的风险。

本发明动力锂离子保护板大电流开关组件电路修改了现有技术中MOS管功率开关的驱动系统，放弃传统的控制器输出直接驱动功率MOS管的弱信号驱动方式方式，增加了专用功率MOS驱动集成电路来驱动MOS管功率开关，这种专用功率MOS驱动集成电路具备放大缓冲级，并增加了钳位保护电路，能够输出足够强的驱动功率驱动MOS管，并且提供了关断MOS管的负电平；提供了独立的隔离的驱动电源。本发明的动力锂离子保护板大电流开关组件电路中，使用两组相同的MOS管并联组合电路，在电流输出通路上，将上述两组MOS管并联组合电路反向串联；两组MOS管功率组件的控制电路的输入电源以及输入信号以共享的方式来提可靠性和提高电流开关能力。

本发明要求保护一种动力锂离子电池保护板的大电流开关组，该动力锂离子保护板的大电流开关组包括结构相同的第一电流开关组件和第二电流开关组件，所述电流开关组件包括：驱动集成电路，隔离驱动电源，驱动缓冲级，多组并联连接的功率MOS管构成电流开关，每个功率MOS管的源极和漏极之间并联由电阻和电容串联组成的吸收电路，所述电流开关组件的各功率MOS管的源极与源极、漏极和漏极互联构成电流端子，第一电流开关组件一个电流端子与第二电流开关组件的同名电极电流端子连接，构成串联的该动力锂离子保护板的大电流开关组，第一电流开关组件另一个电流端子与第二电流开关组件的同名电极电流端子分别连接电池和负载电路。

其中驱动集成电路具有一组功能控制线，包括下列外部连接信号线端子：信号正，信号负，故障信号输出，输入故障解除信号。驱动集成电路的驱动信号输出经过驱动缓冲级放大后提供具有正负电平的输出信号，该具有正负电平输出信号提供给各功率MOS管的控制电极，用于驱动功率MOS管的导通或关断。所述隔离驱动电源由输入的直流电供给电源，隔离驱动电源给驱动集成电路供电，隔离驱动电源包括一开关电源模块，将输入的直流电变换为一组具有公共端的正负电源输出。所述具有公共端的正负电源输出供给驱动缓冲级。所述具有公共端的正负电源优选为±15V。所述驱动缓冲级包括两只控制电极互联的晶体管，两晶体管的导电极性相反，两晶体管的一对电流电极互联提供驱动功率MOS管的驱动信号，两晶体管的另外一对电流电极分别连接到隔离电源输出的正负电源输出端。所述驱动缓冲级晶体管分别为NPN型和PNP型双极型晶体管。

所述动力锂离子保护板的大电流开关组包括电流异常检测电路。该电流异常检测电路能够在整个大电流开关组出现电流异常时切断第一电流开关组件和第二电流开关组件中的各功率MOS管，并同时由驱动集成电路输出一个电流异常故障信号给外部控制电路。所述电流异常检测电路是通过检测功率MOS管源极和漏极之间的电压压降来确定电流异常故障。

其中驱动集成电路可选用HP公司的专用驱动集成电路HCPL316J。

以下结合附图对本发明做出进一步的详细说明

附图说明：

附图1：本发明的开关组电路的电路原理框附图。

附图2：本发明的开关组电路的第一电流开关组件A的隔离驱动电源电路。

附图3：本发明的开关组电路的第二电流开关组件B的隔离驱动电源电路。

附图4：本发明的开关组电路的输入输出接口电路。

附图5：本发明的开关组电路芯片接口保护电路1。

附图6：本发明的开关组电路芯片接口保护电路2。

附图7：本发明的开关组电路芯片接口保护电路3。

附图8：本发明的开关组电路的第一电流开关组件的驱动集成电路以及驱动信号缓冲电路。

附图9：本发明的开关组电路的第二电流开关组件驱动集成电路以及驱动信号缓冲电路。

附图10：本发明的开关组电路的第一和第二电流开关组件的功率MOS管组合电路原理图后半部分。附图11：本发明的开关组电路的第一和第二电流开关组件的功率MOS管组合电路原理图前半部分。

 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明动力锂离子保护板大电流开关组电路进行详细的说明：

动力锂离子保护板的大电流开关组的原理框图如附图1所示，整个功率部分分成相同的第一电流开关组件和第二电流开关组件两部分，其中功能控制线：信号正in+，信号负in-，第一电流开关组件的故障解除rest和电源DC12_in都共享，把第一电流开关组件A和第二电流开关组件B两部分的漏极端功率输出OUT_D直接连接，把第一电流开关组件和第二电流开关组件两部分的源极端功率输出OUT_S分别连接到电池和负载以构成了一个超大电流开关功率组，在第1实施例中我们把功率第一电流开关组件部分的OUT_S设定为连接电池，第二电流开关组件部分的OUT_S设定为连接负载。其中电路第一电流开关组件或第二电流开关组件都包括如下4大部分，隔离驱动电源2包含了一DC/DC电源，由DC12_in输入12V直流电压后，经过DC/DC变换成一组正15V负15V的电压，给电路提供独立的工作电源。还包含了一个驱动集成电路IC，负责响应外部上位控制机命令，处理异常过流以及返回故障信号，同时提供MOS管开关信号和驱动能力。控制信号由电路的 信号正in+和信号负in-输入后经过驱动集成电路IC处理后送到驱动缓冲级3，经过驱动缓冲级的电流缓冲后的驱动信号送到由多个并联的MOS管的栅极，控制MOS管的打开和关闭，同时功率MOS管部分4通过二极管等电路连接到驱动集成电路IC，返回一个故障状态。如果出现电流异常驱动集成电路IC自动的关闭功率MOS管，同时在第一电流开关组件的故障输出端输出一个故障状态信号。故障状态解除需要在故障解除端rest上发送一个复位命令。

由于第一电流开关组件和第二电流开关组件的电路结构是完全相同，因而第一电流开关组件和第二电流开关组件组合方式也可以采用其他形式组合，例如两组电流开关组件的漏极端功率输出OUT_D分别连接电源和负载，而两组电流开关组件的源极端功率输出OUT_S直接连接。功率MOS管也能由双极型功率晶体管或IGBT代换。

     附图2和3表示了隔离驱动电源的电路原理，其中第一组电流开关组件的隔离驱动电源包括了的核心是电源模块PAW1，电源模块的输入连接到+48V和48VGND上，电源模块的输入并联滤波电容CA12—CA14，电阻RA18与 RA19并联后和稳压管WA3、WA4串联组成吸收保护电路，该吸收保护电路并联在电源模块的输入侧。电源模块的输出以0V（DC1）为中心，+VO输出正15V（+15VA），–VO输出负15V（-15VA），+VO和0V端并联滤波电容CA15—CA19。-VO和0V之间同时并联CA20—CA24。如此形成的+15VA，-15VA提供给驱动缓冲级的晶体管，驱动功率A或B组功率MOS管的导通和关断。第二组电流开关组件的隔离驱动电源的结构和第一组电流开关组件的隔离驱动电源相同，仅标识符号略有差别。

    附图5-7是芯片接口保护电路，属于常用的保护电路结构，附图中已经详细描述清楚，不再缀述。

    附图8和9是第一组电流开关组件和第二组电流开关组件的驱动集成电路IC和驱动缓冲级的电路原理图，第一组电流开关组件的驱动集成电路是惠普公司生产的HCPL316J专用集成驱动电路。驱动缓冲级包括。限流电阻RA4，和负载电阻RA5，限流电阻RA4的一端连接到驱动集成电路的信号输出端，缓冲三极管QA1是NPN型三极管，其集电极连接到+15V电源端，QA2是PNP型三极管，其集电极连接到-15V电源端。QA1和QA2的基极互联后连接限流电阻RA4的另一端，电阻RA8—RA13三个一组，并联后再串联连接，该电阻组合的两端分别连接QA1和QA2的发射极，该电阻组合的互联端连接功率MOS管的栅极，输出驱动信号驱动功率MOS管，钳位保护二极管DA4，DA5的阳极互联，二极管DA4的阴极连接电阻组合的互联端，二极管DA5的阴极接0V端。第二组电流开关组件的驱动缓冲级的结构和第一组电流开关组件的驱动缓冲级相同，仅标识符号略有差别。NPN三极管型号优选为MJD44H11的，PNP三极管型号优选为MJB45H11。当然缓冲级晶体管也能使用MOS晶体管。

     附图10是第一组和第二组电流开关组件的MOS管并联的拓扑图，每一组电流开关组件由多个相同型号的功率MOS管并联组成 ，每组并联功率MOS管的个数由设计电流决定，可依据电池最大输出电流和被选用功率MOS管的工作电流来设计并联的管数，电流大的电池组可以增加并联的功率MOS管的数量。实施例1的电路由8个管子组成一组。每组功率MOS包括了MOS管VA1-VA7，VAN，还包括MOS管栅漏电阻，两只电阻并联后一端连接MOS管栅极，另一端连接到驱动缓冲级的驱动信号输出（G1，G2）同时每个功率MOS管的源极漏极之间并联由电阻和电容串联的吸收回路。

     最后电路还包括若干接口，JA10  JA4等，提供板子之间信号的互连以及电源的连接。

管子开关和信号的对应关系的功能说明：当信号正in+输入一个高电平，信号负in-输入一个低电平的时候，功率控制A的MOS管并联组和功率控制BMOS管并联组都同时打开，电池端OUT__D和负载端OUT_D被模块连接起来，类似于接触器吸合，回路允许有电流流过，反之回路断开，不允许有电流流过。当模块打开时，如若电路有异常，导致电流异常过流功率控制板A或功率控制板B中各自的驱动集成电路会检测到MOS管并联群的导通压降大于保护点，迅速关断MOS管，并同时从故障输出fault端口输出一个低电平信号，告诉控制部分上位机出现了电流异常。当电路需要从故障保护中再次启动的话必须在控制电路给故障解除rest送一个低电平的脉冲，去解除故障锁定状态，然后再给信号正in+输入一个高电平，信号负in-输入一个低电平，功率控制A的MOS管并联组和功率控制BMOS管并联组才会被再次开启。

上述电路原理及电路结构为本发明的较佳实施例之一，而非对本发明保护范围的唯一限定，凡本发明权利要求书限定范围的相同制作皆属本发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种动力锂离子电池保护板的电流开关组，该动力锂离子保护板的大电流开关组包括结构相同的第一电流开关组件和第二电流开关组件，所述电流开关组件包括：驱动集成电路，隔离驱动电源，驱动缓冲级，多组并联连接的功率MOS管构成电流开关，每个功率MOS管的源极和漏极之间并联由电阻和电容串联组成的吸收电路，所述电流开关组件的各功率MOS管的源极与源极、漏极和漏极互联构成电流端子，第一电流开关组件一个电流端子与第二电流开关组件的同名电极电流端子连接，构成串联的该动力锂离子保护板的大电流开关组，第一电流开关组件另一个电流端子与第二电流开关组件的同名电极电流端子分别连接电池和负载电路。

2.如权利要求1所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，其中驱动集成电路具有一组功能控制线，包括下列外部连接信号线端子：信号正，信号负，故障信号输出，输入故障解除信号。

3.如权利要求1所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，驱动集成电路的驱动信号输出经过驱动缓冲级放大后提供具有正负电平的输出信号，该具有正负电平输出信号提供给各功率MOS管的控制电极，用于驱动功率MOS管的导通或关断。

4.如权利要求1所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，其中驱动集成电路为HP公司的专用驱动集成电路HCPL316J。

5.如权利要求1所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，所述隔离驱动电源由输入的直流电供给电源，隔离驱动电源向驱动集成电路供电，隔离驱动电源包括一开关电源模块，将输入的直流电变换为一组具有公共端的正负电源输出。

6.如权利要求5所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，所述具有公共端的正负电源输出供给驱动缓冲级。

7.如权利要求5所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，所述具有公共端的正负电源优选为±15V。

8.如权利要求1所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，所述驱动缓冲级包括两只控制电极互联的晶体管，两晶体管的导电极性相反，两晶体管的一对电流电极互联提供驱动功率MOS管的驱动信号，两晶体管的另外一对电流电极分别连接到隔离电源输出的正负电源输出端。

9.如权利要求8所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，所述驱动缓冲级的晶体管分别为NPN型和PNP型双极型晶体管。

10. 如权利要求1所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，所述动力锂离子保护板的大电流开关组包括电流异常检测电路，该电流异常检测电路能够在整个大电流开关组出现电流异常时切断第一电流开关组件和第二电流开关组件中的各功率MOS管，并同时由驱动集成电路输出一个电流异常故障信号给外部控制电路。

11.如权利要求10所述的动力锂离子电池保护板的电流开关组，所述电流异常检测电路是通过检测功率MOS管源极和漏极之间的电压压降来确定电流异常故障。

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