CN114375403A - 包含mux的并联mosfet的诊断电路及使用其的诊断方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种电路及诊断方法，由此能够在电动车辆中单独诊断构成设置在二次电池组和其内具有二次电池组的电动车辆之间的MOSFET的多个内部FET的异常。在内部各个MOSFET单独导通/截止的同时测量各个内部MOSFET两端的电压，并且与诊断表进行比较以确定其异常。

Description

包含MUX的并联MOSFET的诊断电路及使用其的诊断方法

技术领域

本申请要求2019年11月21日提交的韩国专利申请No.2019-0150213、2019年11月21日提交的韩国专利申请No.2019-0150214和2020年11月19日提交的韩国专利申请No.2020-0155900的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文中。

本发明涉及一种包括MUX的并联MOSFET的诊断电路及使用该诊断电路的诊断方法。更具体地，本发明涉及使用MUX的能够诊断被配置为向车辆提供电力的多个MOSFET(这些MOSFET彼此并联连接)中的特定MOSFET的故障的电路，以及使用该电路诊断彼此并联连接的多个MOSFET当中的特定MOSFET的故障的方法。

背景技术

随着电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力车辆(Plug-In HEV)的发展，对锂二次电池的需求有望持续增长。适用于电动车辆的二次电池通常以组装有多个二次电池单元的配置来使用。通常使用具有多模块结构的二次电池组，在该多模块结构中多个二次电池单元彼此串联/并联连接。

二次电池组作为与电动车辆分离的装置而提供。在二次电池组和电动车辆之间提供用于电地接通/断开连接的继电器。

通常使用12V、48V或400V作为二次电池组为车辆提供的电压。对于400V，由于物理限制，使用机械继电器。然而，对于较低电压，作为电气方案的FET已经被快速用作替代方案。

机械继电器的优点在于能承受高电压和大电流，能在高温下使用，而且便宜。相比之下，由于在接通/断开(ON/OFF)时接触触点而产生噪音，并且机械继电器的寿命由于在与触点接触时产生火花而受到限制。另外，机械继电器的缺点在于，由于其内部机械组件，机械继电器对物理冲击的抵抗力低。

当车辆突然停车或发生车辆碰撞时，会对车辆施加非常大的重力加速度。结果，可能损坏机械继电器。由于这种损坏和短路，可能发生诸如火灾之类的二次事故。

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)是代表性的电气继电器。MOSFET的缺点在于由于容量和材料电阻(RDS)低于机械继电器，因此会产生大量热量。依据情况，由于电阻，温度可能会升高到200℃或更高。

虽然MOSFET产生热量且昂贵，但与机械继电器相比，MOSFET的优点在于：MOSFET的寿命是半永久性的，并且MOSFET几乎不会受物理冲击而损坏。因此，在许多车辆中，MOSFET有望取代机械继电器。由于机械继电器的工作产生的噪音也需要不断地去除，因此预计电气继电器将首先在高价车辆中迅速地使用。

只要解决了与容量和发热相关的问题，MOSFET将取代除了高压车辆之外的电动车辆中的机械继电器。已经进行了以下各种类型的研究：尽管存在由于湿气和氧气引起的氧化问题，但是为了防止与外部空气接触或者为了增加传热面积，从FET去除壳体，将FET直接连接至金属集电器。

对于目前应用于一些车辆的MOSFET，由于诸如容量之类的问题，多个MOSFET在彼此并联连接的状态下使用。多个MOSFET由单个驱动器控制。从外部实际观察时，单个MOSFET似乎用于车辆。然而，在许多情况下，提供具有2S3P结构(三个双串联组彼此并联连接)的六个内部FET或内部MOSFET(以下称为“内部FET”)。依据所需容量，内部FET的数量可以以各种方式增加，例如，增加至6、10或12。

如上所述，内部FET彼此串联和并联连接。迄今为止，还没有提出能够确定内部FET中的一些的异常的电路或方法。

在内部FET中的一些损坏并因此持续彼此连接(故障导通)的情况下，没有流经(flowing through)内部FET而以分配状态流动的电流集中在损坏的内部FET上，从而损坏的内部FET容易过热。结果，整个系统可能过热。电池组过热可能是影响车辆安全的致命因素。

图1是用于车辆的传统MOSFET的连接电路图。从车辆电池组BAT提供的电力(power)由外部可见的单个MOSFET控制。在图1中，由单点划线表示的部分对应于外部可见的单个MOSFET。作为示例，图1所示的内部FET彼此连接以具有2S3P结构。然而，可以改变为各种其他组合。

FET1至FET6表示六个内部FET。根据需要可以使用N型MOSFET或P型MOSFET。在本发明的所有附图中，仅示出了N型MOSFET；但是，根据需要可以轻松选择用P型MOSFET代替N型MOSFET。

在未向栅极施加电压的情况下，FET1、FET2、FET3与FET4、FET5、FET6不同地工作。在向栅极施加电压的情况下，电流可以在从电池组到车辆的方向(图1中从左到右)上流过FET1、FET2和FET3。在未向栅极施加电压的情况下，电流在从车辆到电池组的方向(图1中从右到左)上流过二极管。在向栅极施加电压的情况下，与FET1、FET2和FET3相反，电流可以在从车辆到电池组的方向上流过FET4、FET5和FET6。在未向栅极施加电压的情况下，电流在从电池组到车辆的方向上流过二极管。

在未向栅极施加电压的情况下，所有的FET都不工作；然而，对于FET1、FET2和FET3，电流可以沿反向方向(图1中从右到左)流过单独的二极管或内部寄生二极管，而对于FET4、FET5和FET6，电流可以沿正向方向(图1中从左到右)流过单独的二极管或内部寄生二极管。也就是说，对于FET1、FET2和FET3，电流可以分别沿从V2、V3和V4至V1的方向流动，而对于FET4、FET5和FET6，电流可以分别沿从V2、V3和V4至V5的方向流动。

图1的传统MOSFET全部由单个驱动器一次性控制。V2、V3和V4在图1中彼此连接的原因在于，在由于车辆急加速或急刹车而瞬间流过大量电流的情况下，需要将电流分配至多个内部FET。用于车辆的传统MOSFET由单个驱动器同时导通/截止，并且没有诊断内部FET中的一些的错误的方法。

专利文献1至3的共同点在于，这些文献均涉及用于诊断彼此并联连接的多个FET的故障的技术。

在具体的配置中，专利文献1的配置复杂，原因在于使用在每个FET处设置的镜像FET的单独检测到电阻的电压值，并且需要额外维护每个单独的镜像FET。专利文献2与以上专利文献部分相似之处在于，测量通过控制多个FET的导通/截止而产生的负载侧端子的电压值的变化(即，最终输出)，以诊断故障。然而，在专利文献2中，没有使用用于检测的单独电源，因此必须单独提供高压所需的电流测量装置。另外，专利文献2没有提出诸如具体电路之类的解决手段。专利文献3的结构复杂，原因在于：所有FET的驱动是单个控制的，向每个FET添加用于电流检测的单独(separate)电阻器，并且为了它的维护而添加多个部件。另外，诊断电路本身的故障可能成为问题。

如上所述，尚未提出能够诊断在具有二次电池组的电动车辆的MOSFET的单个FET的异常的有效方法，因此由于从现在开始对其的需求将持续增中的MOSFET引发事故的危险性已经增加。

日本专利申请公开No.2000-293201(专利文献1’)

日本注册专利公开No.5526965(专利文献2’)

韩国专利申请公开No.2016-0041495(专利文献3’)

发明内容

技术问题

鉴于以上问题做出本发明，并且本发明的目的是提供一种能够单独诊断构成设置在二次电池组和其内具有二次电池组的电动车辆之间的MOSFET的多个内部FET的异常的电路、以及使用该电路诊断内部FET的异常的方法。

本发明的另一目的是提供一种电路和方法，该电路和方法能够单独诊断彼此串联的两个MOSFET当中设置在电池组侧的MOSFET和设置在车辆侧的MOSFET二者的异常。

技术方案

为了实现以上目的，本发明提供了一种MOSFET组件，其包括多个MOSFET，该多个MOSFET被配置为控制被配置为向车辆提供电力的二次电池组的正极(+)端子与被配置为从二次电池组接收电力的车辆之间的连接，多个MOSFET彼此串联和并联连接，其中MOSFET组件包括MUX，该MUX具有连接至MOSFET组件的MOSFET的栅极的通道。

根据本发明的MOSFET组件可以还包括附加并联连接，该附加并联连接包括设置在二次电池组的正极(+)端子和被配置为从二次电池组接收电力的车辆之间的开关。

根据本发明的MOSFET组件还可以包括：驱动器模块，其是MUX的输入端；以及微控制器单元，其被配置为提供与控制MUX所需的通道的总数相对应的输入。

MOSFET组件可以被配置为使得两个MOSFET彼此串联连接并且两对或更多对彼此串联连接的两个MOSFET彼此并联连接。

彼此串联连接的两个MOSFET当中的设置在电池组侧的MOSFET可以工作，使得在向栅极施加电压的情况下，电流沿从电池组到车辆的方向流动，并且可以设置有二极管，该二极管被配置为在未向栅极施加电压的情况下允许电流沿从车辆到电池组的方向流过该二极管。

彼此串联连接的两个MOSFET当中的设置在车辆侧的MOSFET可以工作，使得在向栅极施加电压的情况下电流沿从车辆到电池组的方向流动，并且可以设置有二极管，该二极管被配置为在未向栅极施加电压的情况下允许电流沿从电池组到车辆的方向流过该二极管。

设置在电池组侧和车辆侧的MOSFET可以彼此对称。

二极管可以是单独连接的二极管或设置在MOSFET中的寄生二极管。

MOSFET组件可以由外表看起来单个的MOSFET构成，并且MOSFET组件可以由二次电池组的电池管理系统(BMS)控制。

另外，本发明提供了一种使用MOSFET组件确定单个MOSFET的异常的方法，该方法包括以下步骤：在顺序地接通/断开MUX的通道的同时，测量各个单个MOSFET两端的电压。该方法还可以包括测量所有单个MOSFET两端的电压。在该方法中，MOSFET组件可以被配置为使得两个MOSFET彼此串联连接并且两对或更多对彼此串联连接的两个MOSFET彼此并联连接，并且该方法可以还包括以下步骤：使用从电池组提供的电流来确定彼此串联连接的两个MOSFET当中设置在电池组侧的MOSFET的异常。

另外，本发明提供了一种使用还包括附加并联连接的MOSFET组件确定单个MOSFET的异常的方法，该附加并联连接包括设置在二次电池组的正极(+)端子和被配置为接收来自二次电池组的电力的车辆之间的开关，该方法包括以下步骤：1)断开开关；2)在顺序地接通/断开MUX的通道当中仅被配置为控制设置在电池组侧的MOSFET的通道的同时，测量各个单个MOSFET两端的电压；3)接通开关；以及4)在顺序地接通/断开MUX的通道当中仅被配置为控制设置在车辆侧的MOSFET的通道的同时，测量各个单个MOSFET两端的电压。该方法还可以包括在步骤2)和步骤4)中的每一个步骤中测量所有单个MOSFET两端的电压。

该方法还可以包括将所有MOSFET两端的电压值彼此进行比较，以确定单个MOSFET的异常。

可以在以上发明的任意组合是可行的状态下提供本发明。

附图说明

图1是用于车辆的传统MOSFET的连接电路图。

图2是对用于车辆的传统MOSFET的连接电路图的局部修改。

图3是根据本发明的第一实施方式的用于车辆的MOSFET的连接电路图。

图4是根据本发明的第二实施方式的用于车辆的MOSFET的连接电路图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明所属领域的普通技术人员能够容易地实施本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的工作原理时，当并入本文的已知功能和配置的详细描述可能掩盖本发明的主题时，将省略这些已知功能和配置的详细描述。

另外，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代执行相似功能或工作的部件。在整个说明书中说一个部件被称为连接至另一部件的情况下，不仅一个部件可以直接连接至另一部件，而且一个部件可以通过又一个部件间接地连接至另一部件。另外，除非另外提及，否则包括某个元素并不意味着排除其他元素，而是意味着可以进一步包含该元素。

在下文中，将更详细地描述本发明。

图2是对用于车辆的传统MOSFET的连接电路图的局部修改。

在本发明中，改变了用于车辆的传统MOSFET的连接电路图的一部分，以确定单个MOSFET的异常。在图1中，V2、V3、V4彼此连接。然而，在本发明中，V2、V3和V4被短路，由此改变了MOSFET的连接电路图，使得两个单个MOSFET彼此串联连接并且多对两个单个MOSFET彼此并联。

图3是根据本发明的第一实施方式的用于车辆的MOSFET的连接电路图。图4是根据本发明的第二实施方式的用于车辆的MOSFET的连接电路图。在下文中，将参照图3和图4描述本发明。

在包括图1至图4的本申请的说明书中，术语“FET”表示用于电源的MOSFET。

本发明涉及一种MOSFET组件，其被配置为使得多个MOSFET(FET1至FET6)彼此串联和并联连接，该多个MOSFET(FET1至FET6)被配置为控制被配置为向车辆提供电力的二次电池组的正极(+)端子与被配置为从二次电池组接收电力的车辆之间的连接。在此，车辆的连接点由V6和V7表示。

FET1至FET6表示六个内部FET。根据需要可以是N型MOSFET或P型MOSFET。在本发明的所有附图中，仅示出了N型MOSFET；但是，根据需要可以轻松选择用P型MOSFET代替N型MOSFET。

在未向栅极施加电压的情况下，FET1、FET2、FET3与FET4、FET5、FET6不同地工作。在向栅极施加电压的情况下，电流可以沿从电池组到车辆的方向流过FET1、FET2和FET3。在未向栅极施加电压的情况下，电流沿从车辆到电池组的方向流过二极管。在向栅极施加电压的情况下，与FET1、FET2和FET3相反，电流可以沿从车辆到电池组的方向流过FET4、FET5和FET6。在未向栅极施加电压的情况下，电流沿从电池组到车辆的方向流过二极管。

连接至MOSFET组件的MOSFET的栅极的6个MUX具有总共六个通道CH1、CH2、CH3、CH4、CH5和CH6，并且通道由微控制器单元MCU发送的控制信号S0、S1、S2控制。

作为MUX的输入端的驱动模块也连接至MUX。

可以进一步向MUX中添加CH7。在没有执行诊断的情况下，可以通过CH7执行正常工作，CH7能够集中控制所有的FET和开关。在图3中，FET1、FET2和FET3可以通过CH7持续保持导通。此时，其他通道(即，CH1至CH6)断开。

在MOSFET组件中，两个MOSFET彼此串联连接，并且两对或更多对的彼此串联连接的两个MOSFET彼此并联连接。

被配置为在未向栅极施加电压的情况下允许电流沿从车辆到电池组的方向流过的二极管设置在彼此串联连接的两个MOSFET当中设置在电池组侧的MOSFET(FET1、FET2和FET3)处。

被配置为在未向栅极施加电压的情况下允许电流沿从电池组到车辆的方向流过的二极管设置在彼此串联的两个MOSFET当中设置在车辆侧的MOSFET(FET4、FET5和FET6)处。

二极管可以是单独连接的二极管或设置在MOSFET中的寄生二极管。

使用根据本发明的第一实施方式的用于车辆的MOSFET确定单个MOSFET的异常的方法包括：

在顺序地接通/断开MUX的通道的同时测量各个单个(individual)MOSFET两端的电压的步骤。

该方法还可以包括测量在所有单个MOSFET两端的电压的步骤。

在某个通道被MUX接通的情况下，接通通道生成信号，从而与其相对应的FET工作。在CH1被接通的情况下，仅向FET1的栅极施加电压。例如，假设电池组的电压为48V，并且FET1正常工作，则在仅FET1导通的情况下，V1、V2、V5每个为48V，而V3、V4每个为0V。在FET1持续保持导通(故障导通或短路)的情况下，即使所有FET截止，V1、V2和V5每个仍为48V。在FET1持续保持截止(故障截止)的情况下，即使仅FET1导通，也仅V1为48V。

以下示出了FET1的诊断表。

使用以上方法可以确定FET1、FET2、FET3的异常。对于FET2和FET3，与V2相对应的值分别由V3和V4代替。

与第一实施方式相比，根据本发明的第二实施方式的用于车辆的MOSFET的连接电路图还包括附加并联连接，其包括设置在二次电池组的正极(+)端子和车辆之间的开关SW1，该开关SW1被配置为接收来自二次电池组的电力。仅为了诊断而连接开关SW1。

使用根据本发明的第二实施方式的用于车辆的MOSFET组件确定单个MOSFET的异常的方法包括：

1)断开开关的步骤；

2)在顺序地接通/断开MUX通道当中的仅被配置为控制设置在电池组侧的MOSFET的通道的同时，测量在各个单个MOSFET两端的电压；

3)接通开关的步骤；以及

4)在顺序地接通/断开MUX的通道当中仅被配置为控制设置在车辆侧的MOSFET的通道的同时，测量在各个单个MOSFET两端的电压的步骤。

该方法还可以包括在步骤2)和步骤4)中的每一个中测量在所有单个MOSFET两端的电压的步骤。

在某个通道被MUX接通的情况下，接通的通道生成信号，从而与其相对应的FET工作。在CH1接通的情况下，电压仅施加至FET1的栅极。例如，假设电池组的电压为48V，并且FET1正常工作，则在仅FET1导通的情况下，V1、V2、V5各为48V而V3、V4各为0V。在FET1持续保持导通(故障导通或短路)的情况下，即使所有FET截止，V1、V2和V5各为48V。在FET1持续保持截止(故障截止)的情况下，即使仅FET1导通，也仅V1为48V。

在相反的情况下，当SW接通时，48V的电压也施加至V5。在CH4接通的情况下，电压仅施加至FET4的栅极。例如，假设电池组的电压为48V并且FET4正常工作，在仅FET4导通的情况下，V1、V2、V5各为48V，而V3、V4各为0V。在FET4持续保持导通(故障导通或短路)的情况下，即使所有FET截止，V1、V2和V5各为48V。在FET4持续保持截止(故障截止)的情况下，即使仅FET4导通，也仅V1和V5各为48V。

以下示出了FET1和FET4的诊断表。

使用以上方法可以确定FET1、FET2、FET3、FET4、FET5和FET6的异常。对于FET2和FET3以及FET5和FET6，分别用V3和V4代替与V2对应的值。

图3和图4示意性地示出了其两个串联连接和三个并联连接。但是，在使用多个串联连接代替两个串联连接的情况下，本发明的解决原理同样适用，并且因此以上结构也必须包含在本发明的权利范围内。

虽然已经详细描述了本发明的具体细节，但是本领域技术人员将理解，其详细描述仅公开了本发明的优选实施方式，因此并非限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范畴和技术构思的情况下，可以进行各种改变和修改，并且显然这些改变和修改落入所附权利要求的范围内。

(附图标记的描述)

10：用于车辆的传统MOSFET的连接电路图

20：用于车辆的传统MOSFET的连接电路图的局部修改

30：根据本发明的第一实施方式的用于车辆的MOSFET的连接电路图

40：根据本发明的第二实施方式的用于车辆的MOSFET的连接电路图

BAT：二次电池组

V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7：电压测量点

FET1、FET2、FET3、FET4、FET5、FET6：内部FET

DRIVER：驱动器

MCU：微控制器单元

CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6、CH7：MUX的控制通道

CTRL：驱动单元的传输信号输入部分

S0、S1、S3：微控制器单元的控制信号输入部分

工业实用性

从以上描述中显而易见，本发明的优点在于，在具有二次电池组的电动车辆中，可以单独诊断构成设置在二次电池组和电动车辆之间的MOSFET的多个内部FET的异常。因此，本发明能够比传统MOSFET组件提供具有更高安全性的电力系统。

Claims (14)

1.一种MOSFET组件，该MOSFET组件包括多个MOSFET，所述多个MOSFET被配置为控制被配置为向车辆提供电力的二次电池组的正极(+)端子与被配置为从所述二次电池组接收电力的所述车辆之间的连接，所述多个MOSFET彼此串联和并联连接，其中，

所述MOSFET组件包括MUX，该MUX具有连接至所述MOSFET组件的所述MOSFET的栅极的通道。

2.根据权利要求1所述的MOSFET组件，该MOSFET组件还包括附加并联连接，该附加并联连接包括设置在所述二次电池组的所述正极(+)端子和被配置为从所述二次电池组接收电力的所述车辆之间的开关。

3.根据权利要求1或2所述的MOSFET组件，该MOSFET组件还包括：

驱动器模块，该驱动器模块是所述MUX的输入端；以及

微控制器单元，该微控制器单元被配置为提供与控制所述MUX所需的通道的总数相对应的输入。

4.根据权利要求1或2所述的MOSFET组件，其中，所述MOSFET组件被配置为使得两个MOSFET彼此串联连接并且两对或更多对彼此串联连接的所述两个MOSFET彼此并联连接。

5.根据权利要求4所述的MOSFET组件，其中，

彼此串联连接的所述两个MOSFET当中的设置在电池组侧的MOSFET工作，使得在向栅极施加电压的情况下，电流沿从所述电池组到所述车辆的方向流动，并且设置有被配置为在没有向所述栅极施加电压的情况下允许电流沿从所述车辆到所述电池组的方向流过其的二极管，并且

彼此串联连接的所述两个MOSFET当中的设置在车辆侧的MOSFET工作，使得在向栅极施加电压的情况下，电流沿从所述车辆到所述电池组的方向流动，并且设置有被配置为在没有向所述栅极施加电压的情况下允许电流沿从所述电池组到所述车辆的方向流过其的二极管。

6.根据权利要求5所述的MOSFET组件，其中，所述二极管为单独连接的二极管或设置在所述MOSFET中的寄生二极管。

7.根据权利要求1或2所述的MOSFET组件，其中，所述MOSFET组件由外表看起来单个的MOSFET构成。

8.根据权利要求1或2所述的MOSFET组件，其中，所述MOSFET组件由所述二次电池组的电池管理系统(BMS)控制。

9.一种使用根据权利要求1所述的MOSFET组件来确定单个MOSFET的异常的方法，该方法包括以下步骤：

在顺序地接通/断开所述MUX的通道的同时，测量各个单个MOSFET两端的电压。

10.一种使用根据权利要求2所述的MOSFET组件确定单个MOSFET的异常的方法，该方法包括以下步骤：

1)断开所述开关；

2)在顺序地接通/断开所述MUX的通道当中仅被配置为控制设置在所述电池组侧的MOSFET的通道的同时，测量各个单个MOSFET两端的电压；

3)接通所述开关；以及

4)在顺序地接通/断开所述MUX的通道当中仅被配置为控制设置在车辆侧的MOSFET的通道的同时，测量各个单个MOSFET两端的电压。

11.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括以下步骤：测量所有单个MOSFET两端的电压。

12.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括以下步骤：在步骤2)和步骤4)中的每一个步骤中测量所有单个MOSFET两端的电压。

13.根据权利要求9或10所述的方法，该方法还包括以下步骤：将所有MOSFET两端的电压值彼此进行比较，以确定所述单个MOSFET的异常。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，

所述MOSFET组件被配置为使得两个MOSFET彼此串联连接并且两对或更多对彼此串联连接的所述两个MOSFET彼此并联连接，并且

该方法还包括以下步骤：使用从所述电池组提供的电流来确定彼此串联连接的所述两个MOSFET当中设置在所述电池组侧的MOSFET的异常。

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