CN109981087A - 一种车用电池智能自主切换开关模块 - Google Patents

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郭庆辰
粟梅
孙尧
刘永露
韩华
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Abstract

本发明公开了一种车用电池智能自主切换开关模块，包括基于半导体器件的主电路开关单元、电流和温度检测单元、接口单元、充放电控制器单元以及驱动电路；所述电流和温度检测单元分别与所述基于半导体器件的主电路开关单元、所述充放电控制器单元连接；所述接口单元与充放电控制单元连接；所述接口单元与充放电控制器单元连接；所述驱动电路分别与所述充放电控制器单元、主电路开关单元连接。本发明的车用电池智能自主切换开关模块能智能自主地控制电池的充放电，其特别适用于车用供配电系统，且安全性和可靠性更高，通过两组MOSFET串联，根据充放电状态，并让其中一组工作于同步整流状态，减小了损耗。

Description

一种车用电池智能自主切换开关模块
技术领域
本发明涉及电池技术领域，更具体地说，涉及一种车用电池智能自主切换开关模块。
背景技术
车用供配电系统包括发电机、蓄电池和车用负载，需要一个切换开关来对蓄电池进行合适的充放电控制，防止其过充过放，目前主流的方案是采用机械继电器作为切换开关。此方案存在以下缺点：1)继电器动作产生噪声，降低了车内舒适度，尤其是乘用车；2)机械继电器触点易产生粘结等现象，可靠性不高；3)机械继电器通断易产生触点烧蚀，触点寿命有限；4)属于被动部件，无过流、过温等保护措施。
发明内容
本发明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车用电池智能自主切换开关模块，该开关模块可以智能自主进行充放电切换，并且可以防止蓄电池的过充、过放及主电路开关的过流、过温。
本发明提供的一种车用电池智能自主切换开关模块，其包括基于半导体器件的主电路开关单元、电流和温度检测单元、接口单元、充放电控制器单元以及驱动电路；
所述电流和温度检测单元分别与所述基于半导体器件的主电路开关单元、所述充放电控制器单元连接；所述接口单元与充放电控制单元连接；所述接口单元与充放电控制器单元连接；所述驱动电路分别与所述充放电控制器单元、主电路开关单元连接；
所述主电路开关单元包含两组开关，每组开关由n个MOSFET通过漏级和漏级、源极和源极相连的方式并联连接；两组开关之间的连接方式为共源极或共漏极连接，共源极：第一组MOSFET的漏级与发电机的正极相连，源级与第二组MOSFET的源级相连，第二组MOSFET的漏极与电池的正极相连；共漏极：第一组MOSFET的源级与发电机的正极相连，漏级与第二组MOSFET的漏级相连，第二组MOSFET的源极与电池的正极相连，所述电池的负极与发电机的负极相连，所述发电机与负载并联；
所述电流和温度检测单元包括电流检测电路和温度检测电路；
所述电流检测电路，用于检测主电路开关的实际电流大小和方向，并将电流转换为所述充放电控制器单元能处理的电压信号；
所述电流检测电路，首先检测主电路两组开关流过电流时通过其导通电阻的电压，然后根据欧姆定律利用检测到的电压除以导通电阻计算出实际电流的大小和方向。
所述温度检测电路，用于检测主电路开关的温度，并将温度转换为所述充放电控制器单元能处理的电压信号；
所述温度检测电路，温度采用放置在基板的热敏电阻等温度传感器来测量；
所述接口单元，用于接收来自整车控制器的充放电命令信号并转换为所述充放电控制器单元能接受的电平信号；
所述充放电控制器单元，用于采集充放电命令信号，以及主电路开关的电流和温度信息，发出合适的主电路开关控制信号，以实现蓄电池的充放电控制。
优选的，所述充放电控制器单元，还用于：
让主电路开关其中的一组MOSFET工作于同步整流方式：当充放电控制器单元接收到充电命令，先打开第一组MOSFET，再检测实际的电流方向，当实际的电流方向与充电状态电流方向一致时，让第二组MOSFET工作于同步整流，当实际的电流方向与充电状态电流方向相反时，关断第一组MOSFET；当充放电控制器单元接收到放电命令，先打开第二组MOSFET，再检测实际的电流方向，当实际的电流方向与放电状态电流方向一致时，让第一组MOSFET工作于同步整流，当实际的电流方向与放电状态电流方向相反时，关断第二组MOSFET。
本发明通过比对充放电命令信号与实际的主电路开关充放电方向，当充放电命令信号为充电并且实际的主电路开关处于放电时，以及当充放电命令信号为放电并且实际的主电路开关处于充电时，能通过控制电路能智能自主地切断包含共漏极或者共源极结构的主电路开关单元的控制信号，有效快速的关断主电路开关,防止电池的过充或过放；此外，通过检测主电路开关的电流和温度信息，当出现过流和过温时，控制电路也能智能自主地切断主电路开关的控制信号，关断主电路开关，防止开关损坏。相对于传统通过接触器等有触点开关来控制电池充放电的装置，本发明的智能自主切换开关模块采用了无触点开关，寿命更长，噪声更小，特别适用于车用供配电系统，且安全性和可靠性更高。本发明通过两组MOSFET串联，根据充放电状态，并让其中一组工作于同步整流状态，减小了损耗。
附图说明
图1为根据本发明一个优选实施例中车用电池智能自主切换开关模块的结构示意图。
图2为采用同步整流前后主电路开关的电压、电流和功率仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所提供的车用电池智能自主切换开关模块，包括基于半导体器件的主电路开关单元、电流和温度检测单元、接口单元、充放电控制器单元以及驱动电路。
其中，主电路开关单元包含两组开关，每组开关由n个MOSFET通过漏级D和漏级D、源极S和源极S相连的方式并联连接；两组开关之间的连接方式为共源极或共漏极连接，共源极：第一组MOSFET的漏级与发电机的正极相连，源级与第二组MOSFET的源级相连，第二组MOSFET的漏极与电池的正极相连；共漏极：第一组MOSFET的源级与发电机的正极相连，漏级与第二组MOSFET的漏级相连，第二组MOSFET的源极与电池的正极相连。此外，电池的负极与发电机的负极相连，且发电机与负载并联。本发明的电池可以是车用供配电系统中常用的各种类型的蓄电池。
其中，电流和温度检测单元包括电流检测电路和温度检测电路。
具体的，电流检测电路首先检测主电路两组开关流过电流时通过其导通电阻的电压，然后根据欧姆定律利用检测到的电压除以导通电阻计算出实际电流的大小和方向。
具体的，温度检测电路采用放置在基板的热敏电阻等温度传感器来测量。
在本发明中，电流和温度检测单元实现检测主电路开关的实际电流大小和方向，主电路开关的温度并将电流、温度转换为充放电控制器单元能处理的电压信号的作用。
在本发明中，接口单元用于接收来自整车控制器的充放电命令信号并转换为充放电控制器单元能接受的电平信号。
在本发明中，充放电控制器单元用于采集充放电命令信号，以及主电路开关的电流和温度信息，发出合适的主电路开关控制信号，以实现蓄电池的充放电控制，并让主电路开关其中的一组MOSFET工作于同步整流方式。
具体的，当充放电命令信号为充电并且实际的主电路开关模态处于放电时，以及当充放电命令信号为放电并且实际的主电路开关模态处于充电时，控制电路能智能自主地切断主电路开关的控制信号，关断主电路开关。
具体的，当主电路开关的电流和温度超过设定的阈值时，充放电控制器单元也能智能自主地切断主电路开关的控制信号，关断主电路开关。
具体的，当充放电控制器单元接收到充电命令，先打开第一组MOSFET，再检测实际的电流方向，当实际的电流方向与充电状态电流方向一致时，让第二组MOSFET工作于同步整流，当实际的电流方向与充电状态电流方向相反时，关断第一组MOSFET；当充放电控制器单元接收到放电命令，先打开第二组MOSFET，再检测实际的电流方向，当实际的电流方向与放电状态电流方向一致时，让第一组MOSFET工作于同步整流，当实际的电流方向与放电状态电流方向相反时，关断第二组MOSFET。
图2为采用同步整流前后主电路开关的电压、电流和功率的仿真波形，其仿真条件为：100A输入电流源与MOSFET串联，0～5s电流通过体二极管流通，压降1V，功率损耗100W，在第5s打开MOSFET,电流通过MOSFET流通，压降为0.2V，功率损耗降低为20W。
因此，相对于传统通过接触器等有触点开关来控制电池充放电的装置，本发明的智能自主切换开关模块采用了无触点开关，寿命更长，噪声更小，特别适用于车用供配电系统，且安全性和可靠性更高。本发明通过两组MOSFET串联，根据充放电状态，并让其中一组工作于同步整流状态，减小了损耗。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种车用电池智能自主切换开关模块，其特征在于，包括基于半导体器件的主电路开关单元、电流和温度检测单元、接口单元、充放电控制器单元以及驱动电路；
所述电流和温度检测单元分别与所述基于半导体器件的主电路开关单元、所述充放电控制器单元连接；所述接口单元与充放电控制单元连接；所述接口单元与充放电控制器单元连接；所述驱动电路分别与所述充放电控制器单元、主电路开关单元连接；
所述主电路开关单元包含两组开关，每组开关由n个MOSFET通过漏级和漏级、源极和源极相连的方式并联连接；两组开关之间的连接方式为共源极或共漏极连接，共源极：第一组MOSFET的漏级与发电机的正极相连，源级与第二组MOSFET的源级相连，第二组MOSFET的漏极与电池的正极相连；共漏极：第一组MOSFET的源级与发电机的正极相连，漏级与第二组MOSFET的漏级相连，第二组MOSFET的源极与电池的正极相连，所述电池的负极与发电机的负极相连，所述发电机与负载并联。
2.根据权利要求1所述的车用电池智能自主切换开关模块，其特征在于，所述电流和温度检测单元用于检测流过主电路开关单元的电流；首先检测主电路两组开关流过电流时通过其导通电阻的电压，然后根据欧姆定律利用检测到的电压除以导通电阻计算出实际电流的大小和方向。
3.根据权利要求1所述的车用电池智能自主切换开关模块，其特征在于，所述电流和温度检测单元采用放置在基板的热敏电阻等温度传感器来测量温度。
4.根据权利要求1所述的车用电池智能自主切换开关模块，其特征在于，所述接口单元被设置为用于接收来自整车控制器的充放电命令信号并转换为充放电控制器单元能接受的电平信号。
5.根据权利要求1所述的车用电池智能自主切换开关模块，其特征在于，所述充放电控制器单元被设置为用于采集充放电命令信号，以及主电路开关的电流和温度信息，发出合适的主电路开关控制信号，以实现蓄电池的充放电控制。
6.根据权利要求1所述的车用电池智能自主切换开关模块，其特征在于，所述充放电控制器单元接收到充电命令时，先打开第一组MOSFET，再检测实际的电流方向，当实际的电流方向与充电状态电流方向一致时，让第二组MOSFET工作于同步整流，当实际的电流方向与充电状态电流方向相反时，关断第一组MOSFET。当充放电控制器接收到放电命令，先打开第二组MOSFET，再检测实际的电流方向，当实际的电流方向与放电状态电流方向一致时，让第一组MOSFET工作于同步整流，当实际的电流方向与放电状态电流方向相反时，关断第二组MOSFET。
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