CN115436860A - 一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，属于交流与交流之间转换领域，包括上位机、柜体、PCB板、四个NMOS管模组、控制电路、散热机构和温控机构，NMOS管模组包括多个并联的NMOS管，控制电路包括分别与四个NMOS管模组连接的四个控制模块，上位机与控制电路连接，温控机构包括设置在柜体内的多个红外温度传感器，散热机构设置在柜体上，PCB板采用Tg≥170℃的板材，PCB板上具有与NMOS管模组连接的引出端，该引出端由6‑10mm的紫铜制成，本发明提极大地扩宽了电流范围，提高了开关速率，提高了使用寿命和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统。
背景技术
当下新能源汽车为了使充电进度和续航里程的数据更加准确，同时为了得到更精准的速度控制反馈而使用了高精度的电流传感器，高精度的电流传感器为新能源汽车BMS电池管理系统提供精度高达3‰的测量。为了得到更加准确的电流数据，电流传感器需要经过校准，而且正负两个方向均需要单独校准。而电流传感器测量的电流值范围跨度大，从±1A到±3000A，这就需要准确可靠的不断反转电流的极性。传统的电流极性反转方案有继电器、H桥等。但传统方案存在如下缺点：1、市面上暂无3000A级大电流极性反转方案，作为市场龙头的LEM公司最大也只能达到2000A。2、传统极性反转方案使用寿命短，开关速率低。
发明内容
本发明提出一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，极大地扩宽了电流范围，提高了开关速率，提高了使用寿命和可靠性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，包括上位机、柜体、PCB板、四个NMOS管模组、控制电路、散热机构和温控机构，PCB板设置在柜体内，四个NMOS管模组和控制电路均设置在PCB板上，其中两个NMOS管模组的上端连接，另两个NMOS管模组的下端连接，两NMOS管模组的下端分别与另两NMOS管模组的上端对应连接，NMOS管模组包括多个并联的NMOS管，各NMOS管的栅极均连接有驱动电阻，控制电路包括分别与四个NMOS管模组连接的四个控制模块，控制模块包括与NMOS管模组连接的第一PMOS管，上位机与控制电路连接，温控机构包括设置在柜体内的多个红外温度传感器，散热机构设置在柜体上，PCB板采用Tg≥170℃的板材，PCB板上采用大面积实心对称覆铜以使PCB走线保持对称，PCB板上具有与NMOS管模组连接的引出端，该引出端由6-10mm的紫铜制成，柜体具有供紫铜与外界连接的让位孔。
进一步的，所述NMOS管模组的各NMOS管的栅极与源极之间并联有下拉电阻和稳压二极管，稳压二极管阴极与NMOS管的栅极连接、阳极与NMOS管的源极连接。
进一步的，所述驱动电阻取值为15Ω至20Ω。
进一步的，四个所述NMOS管模组矩阵排列，其中两横向相邻NMOS管模组的各NMOS管的漏极连接在一起，另两横向相邻NMOS管模组的各NMOS管的源极连接在一起，两纵向相邻NMOS管模组中，一NMOS管模组的各NMOS管的源极与另一NMOS管模组的各NMOS管的漏极连接。
进一步的，所述控制模块还包括第二PMOS管，第一PMOS管的栅极与上位机连接，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的栅极连接，第二PMOS管的漏极与对应的NMOS管的栅极连接。
进一步的，所述柜体为长方体，所述散热机构包括设置在所述NMOS管模组和控制电路上的大面积铝型材散热片、设置在长方体相对的两顶板和一侧板上的散热风扇。
进一步的，所示温控机构还包括数显控制器和继电器，所述红外温度传感器与数显控制器输入端连接，数显控制器输出端与继电器连接，两所述相邻NMOS管模组的各NMOS管的漏极连接在一起且作为输入端，继电器连接在外部供电电源与输入端之间，数显控制器根据红外温度传感器反馈的数据控制继电器动作，以切断或者保持外部供电电源与输入端之间的连接。
进一步的，所述控制电路具有RJ45网络接口和RS232接口。
进一步的，所述NMOS管模组包括10个并联的NMOS管，单个NMOS管的导通电阻为540uΩ、连续漏极电流为479A。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明在PCB板上设置有四个NMOS管模组，其中两个NMOS管模组的上端连接，另两个NMOS管模组的下端连接，两NMOS管模组的下端分别与另两NMOS管模组的上端连接，NMOS管模组包括多个并联的NMOS管，各NMOS管的栅极均连接有驱动电阻，控制电路包括分别与四个NMOS管模组连接的四个控制模块，各控制模块均包括第一PMOS管，PCB板采用Tg≥170℃的板材，且PCB板上采用大面积实心对称覆铜，使PCB走线保持对称，多个超低导通电阻的NMOS管并联，能够极大地扩宽电流范围，解决现有技术中无法做到3000A级大电流极性反转的缺陷，且通过上述布置尽可能地减小时间常数，以加快开关速度，开关次数也实现基本不受限制，还有效减小电流分布不均匀的情况，很大程度上降低了不同NMOS管的导通电阻不一致的影响，进而避免因分流不均匀而使得部分NMOS管负载过大而被烧毁的情况，PCB板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征也得到提高和改善，更有利于延长整个系统的使用寿命，引出端则由6-10mm的紫铜制成，能够保证系统达到大电流的载流能力，最后散热机构和温控机构的设置，能够有效给NMOS管模组和PCB板散热，从而提高系统的可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的四个NMOS管模组和控制电路的电路图。
图3为本发明其中一个NMOS管模组的电路图。
图4为本发明其中一个控制模块的电路图。
图5为本发明的温控机构的原理框图。
图6为本发明PCB板的覆铜示意图。
其中，1、柜体；11、让位孔；2、PCB板；3、NMOS管模组；4、控制模块；51、散热风扇；52、散热孔；7、数显控制器；8、继电器；9、红外温度传感器；10、外部供电电源。
具体实施方式
如图1至图6所示，用于新能源汽车的大电流极性反转系统包括上位机、柜体1、PCB板2、四个NMOS管模组3、控制电路、散热机构和温控机构。柜体1为长方体，PCB板2设置在柜体1内，其采用Tg≥170℃的板材，配合六层板的Layout设计充分保证了良好的通流能力并提高了耐热性。PCB板2上采用大面积实心对称覆铜以使PCB走线保持对称，以最大程度上降低不同MOS管的导通电阻不一致的影响。将Allegro软件的PCB布线导入ANSYSIcepak（包括PCB的尺寸、器件的布局、PCB板2布线和过孔信息等），利用Icepak可以精确预测PCB的温度分布及各IC器件的结温，借助Icepak的分析可以减少设计成本、提高产品的一次成功率，提高产品的性能和可靠性。PCB板2具有与NMOS管模组3连接的引出端，该引出端由8mm的紫铜制成以降低电阻，柜体1具有供紫铜与外界连接的让位孔11。
四个NMOS管模组3和控制电路均设置在PCB板2上，其中两个NMOS管模组3的上端连接，另两个NMOS管模组3的下端连接，两NMOS管模组3的下端分别与另两NMOS管模组3的上端对应连接。每个NMOS管模组3包括十个并联的NMOS管Q1-Q10(在图2和图3中，每个NMOS管模组3的NMOS管均以Q1-Q10表示)，单个NMOS管的导通电阻为540uΩ、连续漏极电流为479A，理论上最大可以达到4790A的通流能力，而目前国内外市场上最大载流量只有2000A。而大面积对称覆铜能够保证同一模组所有的NMOS管参数一致，避免由于参数的差别导致分流不均匀使得部分NMOS管负载过大烧毁。
更具体地，四个NMOS管模组3矩阵排列，其中两横向相邻NMOS管模组3的各NMOS管的漏极连接在一起，另两横向相邻NMOS管模组3的各NMOS管的源极连接在一起，对于两纵向相邻的NMOS管模组3，其中一个NMOS管模组3的各NMOS管的源极与另一个NMOS管模组3的各NMOS管的漏极连接，从该连接点引出作为引出端，两对两纵向相邻的NMOS管模组3分别引出两引出端，两横向相邻NMOS管模组3的各NMOS管的漏极连接在一起且作为输入端，另两横向相邻NMOS管模组3的各NMOS管的源极连接在一起且接地。
对于各NMOS管模组3，各NMOS管的栅极与控制电路之间均连接有驱动电阻，以防止各个NMOS管的寄生振荡，驱动电阻由R1-R10表示，各NMOS管均由独立的驱动电路驱动，驱动电阻取值如果过小可能起不到防止NMOS管寄生振荡的作用，但如果取大了，开关速度会变慢，故本实施例中驱动电阻取值为20Ω。一般的NMOS管的栅极-源极电压（Vgs）不能超过20V，为了保证Vgs不至于过高导致NMOS管损坏，且NMOS管栅极对静电比较敏感，故在NMOS管的栅极和源极并联了一个稳压二极管，稳压二极管阴极与NMOS管的栅极连接、阳极与NMOS管的源极连接。在各NMOS管的栅极与源极之间并联有下拉电阻，可以防止NMOS管的误导通。稳压二极管由D1-D10表示，下拉电阻由R11-R20表示。
控制电路包括分别与四个NMOS管模组3连接的四个控制模块4，上位机分别与四个控制模块4连接，具体地，控制模块4包括与NMOS管模组3连接的第一PMOS管和第二PMOS管，第一PMOS管的栅极与上位机连接，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的栅极连接，第二PMOS管的漏极与对应的NMOS管的栅极连接。控制电路具有RJ45网络接口和RS232接口，以方便与上位机的连接。第一PMOS管由Q11表示，第二PMOS管由Q12表示。
温控机构包括设置在柜体1内的多个红外温度传感器9、数显控制器7和继电器8，红外温度传感器9与数显控制器7输入端连接，数显控制器7输出端与继电器8控制端连接，继电器8连接在外部供电电源10与由两相邻NMOS管模组3的各NMOS管的漏极连接形成的输入端之间，红外温度传感器9监测各NMOS管的温度，数显控制器7根据红外温度传感器9反馈的数据控制继电器8动作，以切断或者保持外部供电电源10与该输入端之间的连接，当红外温度传感器9反馈的数据超过数显控制器7预设的温度时，数显控制器7控制继电器8动作以切断外部供电电源10与该输入端的连接。本实施例中，红外温度传感器9为PT100温度传感器。
散热机构则包括设置在NMOS管模组3和控制电路上的大面积齿形铝型材散热片、设置在长方体相对的两顶板和一侧板上的多个散热风扇51、以及设置在长方体相对的两侧板上的多个散热孔52。
工作时，系统的输入端通过继电器8接外部供电电源10，两个引出端分别与新能源汽车上的被测电流传感器的两个端点连接，该外部供电电源10指为新能源汽车充电的电源，上位机通过RJ45或RS232接口与控制电路进行通信（即分别与图2中的H_DRV_L、H_DRV_R、L_DRV_L、L_DRV_R端连接，图4中示出了H_DRV_L端的位置，从而可推出图2中H_DRV_R、L_DRV_L、L_DRV_R端的位置），控制电路接收到上位机的指令后，向对应的NMOS管模组3发出开关信号，打开对应的NMOS管模组3后，再打开外部供电电源10开关，当需要反转电流极性时，先关闭外部供电电源10开关，再控制对应的NMOS管模组3关闭，四个NMOS管模组3矩阵排列，位于矩阵对角线的两个NMOS管模组3同时打开或者关闭。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (9)
1.一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：包括上位机、柜体、PCB板、四个NMOS管模组、控制电路、散热机构和温控机构，PCB板设置在柜体内，四个NMOS管模组和控制电路均设置在PCB板上，其中两个NMOS管模组的上端连接，另两个NMOS管模组的下端连接，两NMOS管模组的下端分别与另两NMOS管模组的上端对应连接，NMOS管模组包括多个并联的NMOS管，各NMOS管的栅极均连接有驱动电阻，控制电路包括分别与四个NMOS管模组连接的四个控制模块，控制模块包括与NMOS管模组连接的第一PMOS管，上位机与控制电路连接，温控机构包括设置在柜体内的多个红外温度传感器，散热机构设置在柜体上，PCB板采用Tg≥170℃的板材，PCB板上采用大面积实心对称覆铜以使PCB走线保持对称，PCB板上具有与NMOS管模组连接的引出端，该引出端由6-10mm的紫铜制成，柜体具有供紫铜与外界连接的让位孔。
2.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：所述NMOS管模组的各NMOS管的栅极与源极之间并联有下拉电阻和稳压二极管，稳压二极管阴极与NMOS管的栅极连接、阳极与NMOS管的源极连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：所述驱动电阻取值为15Ω至20Ω。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：四个所述NMOS管模组矩阵排列，其中两横向相邻的NMOS管模组的各NMOS管的漏极连接在一起，另两横向相邻的NMOS管模组的各NMOS管的源极连接在一起，两纵向相邻的NMOS管模组中，一NMOS管模组的各NMOS管的源极与另一NMOS管模组的各NMOS管的漏极连接。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：所述控制模块还包括第二PMOS管，第一PMOS管的栅极与上位机连接，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的栅极连接，第二PMOS管的漏极与对应的NMOS管的栅极连接。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：所述柜体为长方体，所述散热机构包括设置在所述NMOS管模组和控制电路上的大面积铝型材散热片、设置在长方体相对的两顶板和一侧板上的散热风扇。
7.根据权利要求4所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：所示温控机构还包括数显控制器和继电器，所述红外温度传感器与数显控制器输入端连接，数显控制器输出端与继电器连接，两所述相邻NMOS管模组的各NMOS管的漏极连接在一起且作为输入端，继电器连接在外部供电电源与该输入端之间，数显控制器根据红外温度传感器反馈的数据控制继电器动作，以切断或者保持外部供电电源与该输入端之间的连接。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：所述控制电路具有RJ45网络接口和RS232接口。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种用于新能源汽车的大电流极性反转系统，其特征在于：所述NMOS管模组包括10个并联的NMOS管，单个NMOS管的导通电阻为540uΩ、连续漏极电流为479A。
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