CN110417394A - 基于mosfet的动力电池高压开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MOSFET的动力电池高压开关装置，它包括低压辅助电源、隔离电源模块、控制器单元、隔离驱动模块、负载开关模块和BMS控制单元；其中，负载开关模块包括连接在动力电池的放电回路中且用于控制放电回路通断的第一MOSFET晶体管及连接在动力电池的充电回路中且用于控制充电回路通断的第二MOSFET晶体管；低压辅助电源分别与控制器单元及隔离电源模块相连；隔离电源模块与隔离驱动模块相连；控制器单元分别与BMS控制单元及隔离驱动模块相连；隔离驱动模块分别与第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管相连。本发明可以提高开关动作相应速度，也消除了大电流关断所引发的电弧反应，并具有良好的电磁兼容特性，还具有小型化和成本低等开发优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MOSFET的动力电池高压开关装置。
背景技术
随着新能源科技的不断发展，电动汽车的使用已经越来越普遍。与传统汽车以燃油为动力源的特点不同，电动汽车是以动力电池所储存的电能作为其动力源。电动汽车在实际使用过程中，主要依靠动力电池放电来驱动电动机运作从而带动电动汽车行进。而当动力电池能量耗尽时，需要使用外部电源配合车载充电器对电池进行充电。因此，动力电池的充放电过程显然是电动汽车实际运行过程中的主旋律。通常动力电池的充电回路和放电回路的闭合或关断主要是依靠高压开关装置来执行的。而高压开关装置能否保证高效而稳定地工作对电动汽车运行的稳定性和安全性有重要影响。
传统方法中是采用高压继电器来执行动力电池充放电回路通断切换的，虽然高压继电器断开时具有良好的耐压绝缘特性，但是仍然存在响应速度慢、执行动作延时长等实时性差的缺点；同时当电气回路中存在高电压大电流时，高压继电器执行关断动作很容易引起拉弧反应，从而产生高能量电弧引起高压继电器触点发生过热损坏；而且高压继电器开关过程容易产生较强的电磁干扰，电磁兼容性差；高压继电器的体积大且价格高昂，应用于电动汽车的电池断路单元和配电盒等零部件装置时，不利于实现这些电气装置的小型化和低成本化的改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于MOSFET的动力电池高压开关装置，它可以提高开关动作相应速度，也消除了大电流关断所引发的电弧反应，并具有良好的电磁兼容特性，还具有小型化和成本低等开发优势。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于MOSFET的动力电池高压开关装置，它包括低压辅助电源、隔离电源模块、控制器单元、隔离驱动模块、负载开关模块和BMS控制单元；其中，
所述负载开关模块包括连接在动力电池的放电回路中且用于控制放电回路通断的第一MOSFET晶体管及连接在动力电池的充电回路中且用于控制充电回路通断的第二MOSFET晶体管；
所述低压辅助电源分别与控制器单元及隔离电源模块相连，适于向控制器单元及隔离电源模块提供低压辅助电源电压；
所述隔离电源模块与所述隔离驱动模块相连，适于将低压辅助电源电压隔离并转换为高压侧电路供电电源电压以向隔离驱动模块供电；
所述控制器单元分别与BMS控制单元及隔离驱动模块相连，适于获取BMS控制单元下发的指令，及根据获取的指令向隔离驱动模块输出信号；
所述隔离驱动模块分别与第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管相连，适于将控制器输出信号隔离并转换为驱动信号以控制第一MOSFET晶体管或第二MOSFET晶体管通断。
进一步，所述控制器单元通过CAN总线与所述BMS控制单元相连。
进一步提供了一种控制器单元的具体结构，所述控制器单元包括线性稳压器U1、微控制器单元和晶体振荡器OSC；其中，
所述微控制器单元包括微控制器U3和CAN收发器U2；
所述线性稳压器U1的输入端连接于低压辅助电源输出端，输出端连接于微控制器U3，适于将低压辅助电源电压转换为可供微控制器单元使用的电源电压；
所述CAN收发器U2连接在微控制器U3和BMS控制单元之间，适于BMS控制单元及微控制器U3之间的通讯；
所述晶体振荡器OSC连接于微控制器U3。
进一步为了可以对低压辅助电源进行欠压保护及对第一MOSFET晶体管和第二MOSFET晶体管进行高温保护，所述控制器单元还包括：
欠压检测电路，分别与低压辅助电源和微控制器U3相连，适于检测低压辅助电源输出的低压辅助电源电压是否发送欠压，并在发送欠压时触发微控制器U3通过隔离驱动模块控制第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管断开；
和/或温度采样电路，与微控制器U3相连，适于采集第一MOSFET晶体管和第二MOSFET晶体管的温度信号，并输送至微控制器U3；
其中，所述微控制器U3还适于对接收的温度信号进行模数转换以得到温度值，并在任一温度值高于其预设阈值时通过隔离驱动模块控制第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管断开。
进一步提供了一种欠压检测电路及温度采样电路的具体结构，所述欠压检测电路至少包括比较器U4和参考电压Vref，所述比较器U4的正输入端连接于低压辅助电路正输出端，负输入端连接于参考电压Vref，输出端连接于微控制器U3；
所述温度采样电路包括温度传感器NTC1和温度传感器NTC2，温度传感器NTC1和温度传感器NTC2的输入端连接于低压辅助电源输出端，输出端连接于微控制器U3，所述温度传感器NTC1的探测端子固定在第一MOSFET晶体管的散热端，所述温度传感器NTC2的探测端子固定在第二MOSFET晶体管的散热端。
进一步提供了一种隔离电源模块的具体结构，所述的隔离电源模块包括多绕组变压器T1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和NMOS管Q1；其中，
所述多绕组变压器T1原边侧上端的端口①连接于低压辅助电源正输出端，端口②连接于电源地GND；
所述多绕组变压器T1原边侧下端的端口③正向连接二极管D2后作为隔离电源模块输出的隔离电压V3，端口④连接于电源地GND；
所述多绕组变压器T1副边侧上端的端口⑤正向连接二极管D3后作为隔离电源模块输出的隔离电压V1，端口⑥作为隔离电源模块输出的隔离地GND1；
所述多绕组变压器T1副边侧下端的端口⑦正向连接二极管D4后作为隔离电源模块输出的隔离电压V2，端口⑧作为隔离电源模块输出的隔离地GND2；
隔离电压V3和电源地GND之间、隔离电压V1和隔离地GND1之间及隔离电压V2和隔离地GND2之间均并联有输出负载；
所述隔离电压V3连接于微控制器U3，NMOS管Q1的漏极连接于多绕组变压器T1原边侧上端的端口②，源极连接于电源地GND，栅极连接于微控制器U3的PWM输出端，所述微控制器U3还适于根据隔离电压V3调整其输出的PWM的占空比以调整隔离电压V1和隔离电压V2，所述隔离电压V1和隔离电压V2均与隔离驱动模块相连，适于为所述隔离驱动模块供电。
进一步，所述隔离电源模块还包括：
电容C1，其作为去耦电容并联在低压辅助电源输出端；
和/或并联在多绕组变压器T1原边侧上端的端口①和端口②之间、且用于抑制原边侧电压尖峰、减少电磁干扰的缓冲电路，所述缓冲电路由电容C2与电阻R4并联后再和二极管D1所组成；其中，所述二极管D1的阳极与端口②相连。
进一步提供了一种隔离驱动模块的具体结构，所述的隔离驱动模块包括数字隔离器U5、PMOS管Q3、PMOS管Q4，NPN型三极管Q2和NPN型三极管Q5；其中，
数字隔离器U5的两输入端分别连接于微控制器U3，一输出端连接于NPN型三极管Q5的基极，另一输出端连接于NPN型三级管Q2的基极，适于对微控制器U3的输出信号进行隔离处理；
所述PMOS管Q3的源极连接于隔离电压V1，漏极连接于第一MOSFET晶体管；
NPN型三极管Q2的集电极连接于PMOS管Q3的栅极，基极连接于数字隔离器U5输出端，发射极连接于隔离地GND1，适于将数字隔离器U5输出的控制信号经过电流放大且信号反相转换来驱动控制PMOS管Q3的闭合或关断；
所述PMOS管Q4的源极连接于隔离电压V2，漏极连接于第二MOSFET晶体管；
NPN三极管Q5的集电极连接于PMOS管Q4的栅极，基极连接于数字隔离器U5输出端，发射极连接于隔离地GND2，适于将数字隔离器U5的输出的控制信号经过电流放大且信号反相转换来驱动控制PMOS管Q4的闭合或关断。
进一步，第一MOSFET晶体管为NMOS管Q6，NMOS管Q6的栅极连接于PMOS管Q3的漏极，漏极连接于动力电池正极，源极分别连接放电回路中的电动机正端及隔离地GND1；
第二MOSFET晶体管为NMOS管Q7，NMOS管Q7的栅极连接于PMOS管Q4的漏极，漏极连接于充电回路中的充电机正端，源极分别连接于动力电池正端及隔离地GND2。
进一步，所述负载开关模块还包括电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19；其中，
所述PMOS管Q3的漏极通过电阻R16与所述NMOS管Q6的栅极相连；
所述PMOS管Q4的漏极通过电阻R18与所述NMOS管Q7的栅极相连；
所述电阻R17并联在NMOS管Q6的栅极和源极之间以作为泄流电阻；
所述电阻R19并联在NMOS管Q7的栅极和源极之间以作为泄流电阻。
采用了上述技术方案后，所述低压辅助电源分别向控制器单元及隔离电源模块提供低压辅助电源电压；所述隔离电源模块将低压辅助电源电压隔离并转换为高压侧电路供电电源电压以向隔离驱动模块供电；所述控制器单元获取BMS控制单元下发的指令，并根据获取的指令向隔离驱动模块输出信号；所述隔离驱动模块将控制器输出信号隔离并转换为驱动信号以控制第一MOSFET晶体管或第二MOSFET晶体管通断，本发明主要应用于电动汽车的动力电池断路单元和配电盒，相比于现有的采用高压继电器作为高压开关部件的方式，本发明具有以下优势：
（1）本发明能快速响应控制信号，并加快开关动作执行速率；
（2）本发明能解决高压继电器带电关断过程中产生电弧的问题；
（3）本发明能实现BMS控制单元对开关元件的数字化控制，提高了整个开关装置工作可靠性；
（4）本发明能实时监测低压辅助电源输出的供电电压，具有供电欠压保护功能，避免传统方法在供电欠压时发生误操作；
（5）本发明能实时监测第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管的温升变化，具有过温保护功能，避免开关元件导通过程中发生过热损坏；
（6）本发明具有体积小且成本低的特点，能适应动力电池储能系统零部件的小型化和低成本化的发展趋势。
附图说明
图1为本发明的基于MOSFET的动力电池高压开关装置的原理框图；
图2为本发明的基于MOSFET的动力电池高压开关装置的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1、2所示，一种基于MOSFET的动力电池高压开关装置，它包括低压辅助电源、隔离电源模块、控制器单元、隔离驱动模块、负载开关模块和BMS控制单元；其中，
所述负载开关模块包括连接在动力电池的放电回路中且用于控制放电回路通断的第一MOSFET晶体管及连接在动力电池的充电回路中且用于控制充电回路通断的第二MOSFET晶体管；
所述低压辅助电源分别与控制器单元及隔离电源模块相连，适于向控制器单元及隔离电源模块提供低压辅助电源电压；
所述隔离电源模块与所述隔离驱动模块相连，适于将低压辅助电源电压隔离并转换为高压侧电路供电电源电压以向隔离驱动模块供电；
所述控制器单元分别与BMS控制单元及隔离驱动模块相连，适于获取BMS控制单元下发的指令，及根据获取的指令向隔离驱动模块输出信号；
所述隔离驱动模块分别与第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管相连，适于将控制器输出信号隔离并转换为驱动信号以控制第一MOSFET晶体管或第二MOSFET晶体管通断。
在本实施例中，所述控制器单元通过CAN总线与所述BMS控制单元相连。
如图2所示，所述的控制器单元主要由线性稳压电路、微控制器单元、供电监测电路和温度采样电路组成。线性稳压电路包括线性稳压器U1，其输入连接于低压辅助电源输出端，其输出连接于微控制器单元和温度采样电路的供电端，它主要将低压辅助电源电压转换成可供微控制器单元及温度采样电路使用的电源电压。微控制器单元包括微控制器U3、晶体振荡器OSC和CAN收发器U2，晶体振荡器OSC连接于微控制器U3的时钟输入管脚XTAL和EXTAL，而CAN收发器U2连接于微控制器U3的通讯外设管脚TXD和RXD，微控制器单元根据CAN通讯所获取的开关指令来控制第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管的开关状态，也承担着隔离电源模块的控制任务，同时，它通过模数转换获取第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管的温升变化，通过外部中断判断供电电压是否发生欠压，进而对供电欠压和MOSFET过温情况及时进行保护，并将故障情况通过CAN通讯上报给BMS控制单元。供电监测电路包括比较器U4、参考电压Vref、电阻R1和电阻R2，比较器U4的正输入端通过电阻R1连接于低压辅助电源正输出端，负输入端连接于参考电压Vref，正输入端还通过电阻R2接电源地GND，输出端连接于微控制器U3的外部中断输入管脚INT，它主要监测供电是否欠压，并将欠压事件转换成下降沿信号触发微控制器U3进行中断处理。温度采样电路包括电阻R6、电阻R7、温度传感器NTC1和温度传感器NTC2，其输入连接于低压辅助电源输出端，其输出连接于微控制器U3的模数转换器端口AD1和AD2；其中，所述温度传感器NTC1的探测端子固定在第一MOSFET晶体管的散热端，所述温度传感器NTC2的探测端子固定在第二MOSFET晶体管的散热端，温度采样电路主要利用温度传感器将开关元件的温升变化量转换为电压信号，并输送至微控制器进行模数转换。
如图2所示，所述的隔离电源模块主要由多绕组变压器T1，二极管D1、二极管二极管D2、二极管D3、二极管D4，NMOS管Q1，电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7等器件组成。其中，电容C1作为去耦电容并联在低压辅助电源输出端，低压辅助电源正输出端作为整个开关装置的供电电源Vin，负输出端则作为整个开关装置的电源地GND；电容C2与电阻R4并联后再和二极管D1串联起来组成缓冲电路，并联于多绕组变压器T1原边侧上端的端口①和端口②处，用于抑制原边侧电压尖峰，减小电磁干扰；多绕组变压器T1原边侧上端的端口①连接于供电电源Vin，NMOS管Q1的漏极连接于多绕组变压器T1原边侧上端的端口②，源极连接于电源地GND，栅极通过驱动电阻R3连接于微控制器U3的PWM输出端，用于控制变压器电能和磁能的转换过程；所述多绕组变压器T1原边侧下端的端口③正向连接二极管D2后作为隔离电源模块输出的隔离电压V3，端口④连接于电源地GND；所述多绕组变压器T1副边侧上端的端口⑤正向连接二极管D3后作为隔离电源模块输出的隔离电压V1，端口⑥作为隔离电源模块输出的隔离地GND1；所述多绕组变压器T1副边侧下端的端口⑦正向连接二极管D4后作为隔离电源模块输出的隔离电压V2，端口⑧作为隔离电源模块输出的隔离地GND2；二极管D2的阳极连接于变压器原边侧下端的端口③处，其阴极连接于电阻R5和电容C3的一端，起到整流变换的作用；电阻R5和电容C3并联于隔离电压V3和电源地GND之间，用作原边侧下端输出负载；由于隔离电压V3与供电电源Vin、隔离电压V1和隔离电压V2成比例关系，隔离电压V3将用作反馈电压，经过微控制器U3模数转换后而调整PWM输出占空比，从而实现隔离电压V1和隔离电压V2调压的目的；二极管D3的阳极连接于副边侧上端的端口⑤处，其阴极连接于电阻R8和电容C4的一端，起到整流变换的作用；电阻R8和电容C4并联于隔离电压V1和隔离地GND1之间，用作隔离电源输出负载；隔离电压V1用于为第一MOSFET晶体管提供驱动能量；二极管D4的阳极连接于副边侧下端的端口⑦处，其阴极连接于电阻R9和电容C5的一端，起到整流变换的作用；电阻R9和电容C5并联于隔离电压V2和隔离地GND2之间，用作隔离电源输出负载；隔离电压V2用于为第二MOSFET晶体管提供驱动能量。
如图2所示，所述的隔离驱动模块主要由数字隔离器U5，电容C6、电容C7，二极管D5、二极管D6，PMOS管Q3、PMOS管Q4、NPN型三极管Q2、NPN型三极管Q5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15等器件组成。其中，数字隔离器U5一输入端连接于微控制器U3的控制端口IO1，另一输入端连接于微控制器U3的控制端口IO2，一输出端连接于电阻R10的一端，另一输出端连接于电阻R14的一端，所述数字隔离器U5用于对微控制器U3输出信号进行隔离处理。电容C6作为储能电容连接于PMOS管Q3源极和隔离地GND1之间，用于对隔离电源V1驱动第一MOSFET晶体管起到缓冲作用。电阻R12和二极管D5并联于PMOS管Q3的源极和栅极之间，用于保持PMOS管Q3的栅极和源极之间驱动电压的稳定，防止驱动信号电压过高造成PMOS管Q3击穿失效；NPN型三极管Q2用于将数字隔离器U5输出的控制信号经过电流放大且信号反相转换来驱动控制PMOS管Q3的闭合或关断，其集电极连接于PMOS管Q3的栅极，基极连接于电阻R10的另一端，发射极连接于隔离地GND1；电阻R11连接于NPN型三极管Q2的基极与射极之间，用于保证整个电路处于初始状态时NPN型三极管Q2处于断路状态。电阻R13和二极管D6并联于PMOS管Q4的源极和栅极之间，用于保持PMOS管Q4的栅极和源极之间驱动电压的稳定，防止驱动信号电压过高造成PMOS管Q4击穿失效；NPN型三极管Q5用于将数字隔离器U5输出的控制信号经过电流放大且信号反相转换来驱动控制PMOS管Q4的闭合或关断，其集电极连接于PMOS管Q4的栅极，而它的基极连接于电阻R14的另一端，它的发射极连接于隔离地GND2；电阻R15连接于NPN型三极管Q5的基极与发射极之间，用于保证整个电路处于初始状态时NPN型三极管Q5处于断路状态。
如图2所示，第一MOSFET晶体管为NMOS管Q6，第二MOSFET晶体管为NMOS管Q7，所述的负载开关模块主要由NMOS管Q6、NMOS管Q7、电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19等器件组成。其中，电阻R16连接在PMOS管Q3的漏极和NMOS管Q6的栅极之间，用作限制MOS管的驱动电流，防止驱动电流过大损坏NMOS管Q6；电阻R17并联于NMOS管Q6的栅极和源极之间，用作泄流电阻，加快NMOS管Q6下电关断过程，并能防止NMOS管Q6因静电荷累积引起过压击穿而失效；NMOS管Q6的漏极连接于动力电池正极，其源极连接于放电回路的电动机正端并连接隔离地GND1。电阻R18连接在PMOS管Q4的漏极和NMOS管Q7的栅极之间，用作限制NMOS管Q7的驱动电流，防止驱动电流过大损坏NMOS管Q7；电阻R19并联于NMOS管Q7的栅极和源极之间，用作泄流电阻，加快NMOS管Q7下电关断过程，并能防止NMOS管Q7因静电荷累积引起过压击穿而失效；NMOS管Q7的漏极连接于充电回路的充电机正端，其源极连接于动力电池正端并连接隔离地GND2。
本发明涉及的硬件电路工作过程具体表述为：
起始阶段，低压辅助电源输出供电电压Vin，线性稳压器U1输出低压控制电路供电电压VDD；微控制器U3上电启动初始化过程，晶体振荡器OSC提供稳定时钟信号，PWM外设输出低电平，CAN通讯接口完成初始化就绪；数字控制端口IO1和IO2输出低电平，NPN型三极管Q2无基极电流而处于关断状态，NMOS管Q1的栅极和源极均处于高电平状态，栅源电压差很小导致NMOS管Q1也处于关断状态，隔离电源模块则没有电压输入处于停机状态，而NMOS管Q6和NMOS管Q7没有驱动信号则处于关断状态；模数转换器端口AD0获取零电平信号，模数转换器端口AD1获取第二MOSFET晶体管散热端温度值，模数转换器端口AD2获取第一MOSFET晶体管散热端温度值，并判断获取的温度值是否属于正常值范围；比较器U4检测低压辅助电源电压Vin属于正常值范围，则输出信号INT处于高电平状态；若欠压检测电路输出信号INT处于高电平状态，并且NMOS管Q6和NMOS管Q7的散热端温度值属于正常值范围，则微控制器U3开始启动隔离电源模块转换过程；若任意检测信号不满足阈值要求，则微控制器U3继续等待；
隔离电源模块工作阶段，微控制器U3启动PWM外设输出一定占空比的PWM信号；当PWM信号处于高电平时，NMOS管Q1导通，多绕组变压器T1原边侧上端的端口①和端口②之间线圈开始充电储能；当PWM信号处于低电平时，NMOS管Q1关断，多绕组变压器T1原边侧上端的端口①和端口②之间线圈通过二极管D1和电阻R4开始续流放电；同时，多绕组变压器T1原边侧下端的端口③和端口④之间线圈、副边侧上端的端口⑤和端口⑥之间线圈以及副边侧下端的端口⑦和端口⑧之间线圈分别形成隔离电压V3、隔离电压V1和隔离电压V2，并分别通过电阻R5、R8和R9进行放电，再分别对电容C3、C4和C5进行充电；而微控制器U3通过模数转换获取原边侧下端的端口③输出的隔离电压V3的大小再调整PWM输出信号的占空比；由于反激式变换拓扑中原边侧电压和副边侧电压比例关系与变压器原副边线圈匝数比相关，当隔离电压V3趋于预设值时，则隔离电压V1和隔离电压V2也相应地趋于预设值并稳定下来，因此，微控制器U3通过获取隔离电压V3的大小也就能判断此时副边侧线圈输出的隔离电压V1和隔离电压V2是否已经到达设定值。若隔离电压V1和隔离电压V2已经到达设定值，隔离电源模块转换工作已经完成，微控制器U3等待获取BMS控制单元下发的指令而控制NMOS管Q6和NMOS管Q7的通断状态；
驱动信号上电阶段，当隔离电源模块工作趋于稳定时，隔离电压V1、隔离电压V2和隔离电压V3均已达到预设值；微控制器U3通过CAN通讯获取到BMS控制单元下发的负载开关闭合指令，假设该指令要求闭合NMOS管Q6，此时微控制器U3控制端口IO1输出高电平，经过数字隔离器U5隔离处理后则仍为高电平信号，NPN型三极管Q2得到基极电流而处于开通状态，PMOS管Q3的源极仍保持高电平而栅极因负电荷注入处于低电平状态，此时PMOS管Q3因栅源电压升高而处于导通状态，因而储能电容C6上积累的电荷被迅速引导来驱动NMOS管Q6；假设CAN通讯获取的指令要求闭合NMOS管Q7，此时微控制器U3控制端口IO2输出高电平，经过数字隔离器U5隔离处理后则仍为高电平信号，NPN型三极管Q5得到基极电流而处于开通状态，PMOS管Q4的源极仍保持高电平而栅极因负电荷注入处于低电平状态，此时PMOS管Q4因栅源电压升高而处于导通状态，因而储能电容C7上积累的电荷被迅速引导来驱动NMOS管Q7；
驱动信号下电阶段，微控制器U3通过CAN通讯获取到BMS控制单元下发的负载开关断开指令，假设该指令要求断开NMOS管Q6，此时微控制器U3控制端口IO1输出低电平，经过数字隔离器U5隔离处理后则仍为低电平信号，NPN型三极管Q2失去基极电流而处于关断状态，PMOS管Q3的源极仍保持高电平而栅极因负电荷抽走处于高电平状态，此时PMOS管Q3因栅源电压降低而处于关断状态；最终NMOS管Q6的驱动信号消失，它的栅源电压通过电阻R17来放电而降低至零，因而NMOS管Q6关断；假设CAN通讯获取的指令要求关断NMOS管Q7，此时微控制器U3控制端口IO2输出低电平，经过数字隔离器U5隔离处理后则仍为低电平信号，NPN型三极管Q5失去基极电流而处于关断状态，PMOS管Q4的源极仍保持高电平而栅极因负电荷抽走处于高电平状态，此时PMOS管Q4因栅源电压降低而处于关断状态；最终NMOS管Q7的驱动信号消失，它的栅源电压通过电阻R19来放电而降低至零，因而NMOS管Q7关断；
供电欠压保护阶段，当低压辅助电源输出的供电电压Vin经过电阻R1和电阻R2分压值低于参考电压Vref时，比较器U4输出信号INT为低电平状态，而信号INT由高电平向低电平变化的下降沿触发了微控制器U3进入相应中断服务程序；在中断处理过程中，微控制器U3先通过CAN通讯向BMS控制单元发送供电欠压预警事件，再等待BMS控制单元发出相应处理该欠压事件的指令；若在规定时间内未接受到BMS控制单元下发的指令，微控制器U3开始自动进行处理，首先NMOS管Q6和NMOS管Q7的驱动信号下电任务，然后停止PWM输出使隔离电源模块下电，关闭CAN通讯接口，再将微控制器U3使能外部中断INT上升沿唤醒中断，最后将微控制器U3进入休眠状态。等到低压辅助电源输出的供电电压Vin经过电阻R1和电阻R2分压值高于参考电压Vref时，比较器U4输出信号INT为高电平状态，而信号INT由低电平向高电平变化的上升沿唤醒了微控制器U3，接着微控制器U3开始执行隔离电源模块上电工作，并解除供电欠压保护状态而进入正常工作模式。
过温保护阶段，微控制器U3通过获取模数转换器端口AD1和AD2的电压信号而间接地获取当前NMOS管Q6和NMOS管Q7的散热端温度值，当任一个温度值高于预设阈值时，微控制器U3开始进入软件中断程序；在在中断处理过程中，微控制器U3先通过CAN通讯向BMS控制单元发送负载开关过温预警事件，再等待BMS控制单元发出相应处理该过温预警事件的指令；若在规定时间内未接受到BMS控制单元下发的指令，微控制器U3开始自动进行处理，首先执行NMOS管Q6和NMOS管Q7的驱动信号下电任务，然后停止PWM输出使隔离电源模块下电，并继续监测NMOS管Q6和NMOS管Q7的散热片温度变化情况，并且每隔一定时间微控制器U3将温度变化情况通过CAN通讯上报给BMS控制单元；当NMOS管Q6和NMOS管Q7的散热端温度值低于预设阈值时，微控制器U3开始执行隔离电源模块上电工作，并解除过温保护状态而进入正常工作模式。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
Claims (10)
1.一种基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，它包括低压辅助电源、隔离电源模块、控制器单元、隔离驱动模块、负载开关模块和BMS控制单元；其中，
所述负载开关模块包括连接在动力电池的放电回路中且用于控制放电回路通断的第一MOSFET晶体管及连接在动力电池的充电回路中且用于控制充电回路通断的第二MOSFET晶体管；
所述低压辅助电源分别与控制器单元及隔离电源模块相连，适于向控制器单元及隔离电源模块提供低压辅助电源电压；
所述隔离电源模块与所述隔离驱动模块相连，适于将低压辅助电源电压隔离并转换为高压侧电路供电电源电压以向隔离驱动模块供电；
所述控制器单元分别与BMS控制单元及隔离驱动模块相连，适于获取BMS控制单元下发的指令，及根据获取的指令向隔离驱动模块输出信号；
所述隔离驱动模块分别与第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管相连，适于将控制器输出信号隔离并转换为驱动信号以控制第一MOSFET晶体管或第二MOSFET晶体管通断。
2.根据权利要求1所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，所述控制器单元通过CAN总线与所述BMS控制单元相连。
3.根据权利要求2所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，所述控制器单元包括线性稳压器U1、微控制器单元和晶体振荡器OSC；其中，
所述微控制器单元包括微控制器U3和CAN收发器U2；
所述线性稳压器U1的输入端连接于低压辅助电源输出端，输出端连接于微控制器U3，适于将低压辅助电源电压转换为 可供微控制器单元使用的电源电压；
所述CAN收发器U2连接在微控制器U3和BMS控制单元之间，适于BMS控制单元及微控制器U3之间的通讯；
所述晶体振荡器OSC连接于微控制器U3。
4.根据权利要求3所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，所述控制器单元还包括：
欠压检测电路，分别与低压辅助电源和微控制器U3相连，适于检测低压辅助电源输出的低压辅助电源电压是否发送欠压，并在发送欠压时触发微控制器U3通过隔离驱动模块控制第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管断开；
和/或温度采样电路，与微控制器U3相连，适于采集第一MOSFET晶体管和第二MOSFET晶体管的温度信号，并输送至微控制器U3；
其中，所述微控制器U3还适于对接收的温度信号进行模数转换以得到温度值，并在任一温度值高于其预设阈值时通过隔离驱动模块控制第一MOSFET晶体管及第二MOSFET晶体管断开。
5.根据权利要求4所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，所述欠压检测电路至少包括比较器U4和参考电压Vref，所述比较器U4的正输入端连接于低压辅助电路正输出端，负输入端连接于参考电压Vref，输出端连接于微控制器U3；
所述温度采样电路包括温度传感器NTC1和温度传感器NTC2，温度传感器NTC1和温度传感器NTC2的输入端连接于低压辅助电源输出端，输出端连接于微控制器U3，所述温度传感器NTC1的探测端子固定在第一MOSFET晶体管的散热端，所述温度传感器NTC2的探测端子固定在第二MOSFET晶体管的散热端。
6.根据权利要求3所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，
所述的隔离电源模块包括多绕组变压器T1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和NMOS管Q1；其中，
所述多绕组变压器T1原边侧上端的端口①连接于低压辅助电源正输出端，端口②连接于电源地GND；
所述多绕组变压器T1原边侧下端的端口③正向连接二极管D2后作为隔离电源模块输出的隔离电压V3，端口④连接于电源地GND；
所述多绕组变压器T1副边侧上端的端口⑤正向连接二极管D3后作为隔离电源模块输出的隔离电压V1，端口⑥作为隔离电源模块输出的隔离地GND1；
所述多绕组变压器T1副边侧下端的端口⑦正向连接二极管D4后作为隔离电源模块输出的隔离电压V2，端口⑧作为隔离电源模块输出的隔离地GND2；
隔离电压V3和电源地GND之间、隔离电压V1和隔离地GND1之间及隔离电压V2和隔离地GND2之间均并联有输出负载；
所述隔离电压V3连接于微控制器U3，NMOS管Q1的漏极连接于多绕组变压器T1原边侧上端的端口②，源极连接于电源地GND，栅极连接于微控制器U3的PWM输出端，所述微控制器U3还适于根据隔离电压V3调整其输出的PWM的占空比以调整隔离电压V1和隔离电压V2，所述隔离电压V1和隔离电压V2均与隔离驱动模块相连，适于为所述隔离驱动模块供电。
7.根据权利要求6所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，所述隔离电源模块还包括：
电容C1，其作为去耦电容并联在低压辅助电源输出端；
和/或并联在多绕组变压器T1原边侧上端的端口①和端口②之间、且用于抑制原边侧电压尖峰、减少电磁干扰的缓冲电路，所述缓冲电路由电容C2与电阻R4并联后再和二极管D1所组成；其中，所述二极管D1的阳极与端口②相连。
8.根据权利要求6所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，所述的隔离驱动模块包括数字隔离器U5、PMOS管Q3、PMOS管Q4，NPN型三极管Q2和NPN型三极管Q5；其中，
数字隔离器U5的两输入端分别连接于微控制器U3，一输出端连接于NPN型三极管Q5的基极，另一输出端连接于NPN型三级管Q2的基极，适于对微控制器U3的输出信号进行隔离处理；
所述PMOS管Q3的源极连接于隔离电压V1，漏极连接于第一MOSFET晶体管；
NPN型三极管Q2的集电极连接于PMOS管Q3的栅极，基极连接于数字隔离器U5输出端，发射极连接于隔离地GND1，适于将数字隔离器U5输出的控制信号经过电流放大且信号反相转换来驱动控制PMOS管Q3的闭合或关断；
所述PMOS管Q4的源极连接于隔离电压V2，漏极连接于第二MOSFET晶体管；
NPN三极管Q5的集电极连接于PMOS管Q4的栅极，基极连接于数字隔离器U5输出端，发射极连接于隔离地GND2，适于将数字隔离器U5的输出的控制信号经过电流放大且信号反相转换来驱动控制PMOS管Q4的闭合或关断。
9.根据权利要求8所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，
第一MOSFET晶体管为NMOS管Q6，NMOS管Q6的栅极连接于PMOS管Q3的漏极，漏极连接于动力电池正极，源极分别连接放电回路中的电动机正端及隔离地GND1；
第二MOSFET晶体管为NMOS管Q7，NMOS管Q7的栅极连接于PMOS管Q4的漏极，漏极连接于充电回路中的充电机正端，源极分别连接于动力电池正端及隔离地GND2。
10.根据权利要求9所述的基于MOSFET的动力电池高压开关装置，其特征在于，所述负载开关模块还包括电阻R16、电阻R17、电阻R18和电阻R19；其中，
所述PMOS管Q3的漏极通过电阻R16与所述NMOS管Q6的栅极相连；
所述PMOS管Q4的漏极通过电阻R18与所述NMOS管Q7的栅极相连；
所述电阻R17并联在NMOS管Q6的栅极和源极之间以作为泄流电阻；
所述电阻R19并联在NMOS管Q7的栅极和源极之间以作为泄流电阻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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