CN115800437A - 带载开关的开关管保护电路、电池管理系统和供电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带载开关的开关管保护电路、电池管理系统和供电设备,包括:储能器件接入端,用于接入储能器件;充放电接入端,用于接入负载/充电器;多个限流电路,均并联设置于所述储能器件接入端及所述充放电接入端之间,所述限流电路用于对流经的电流进行限流;多个开关电路,每一所述开关电路,串联设置于所述充放电接入端与一所述限流电路之间;和/或,每一所述开关电路,串联设置于所述储能器件接入端与一所述限流电路之间;其中,所述开关电路用于在闭合时,控制所述储能器件接入端与所述充放电接入端电连接;本发明旨在解决带有重负载的开关管断开和闭合时,容易使得开关管烧坏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及带载开关领域,特别涉及一种带载开关的开关管保护电路、电池管理系统和供电设备。
背景技术
市场上有很多储能产品、低速电动汽车、电动自行车、电动摩托车、电动特种车等,都用到锂电池,基本都是十几串到二十几串。电池管理系统受空间限制,大多采用了开关管来做开关,没有用继电器,因为继电器的成本比开关管的成本高很多,体积也大。
而现有的带载开关的开关管保护电路断开和闭合时,容易使得开关管烧坏,使得用开关管做开关具有一定的局限性。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种带载开关的开关管保护电路、电池管理系统和供电设备,旨在解决带有重负载的开关管断开和闭合时,容易使得开关管烧坏的问题。
为实现上述目的,本发明提出的带载开关的开关管保护电路,包括:
储能器件接入端,用于接入储能器件;
充放电接入端,用于接入负载/充电器;
多个限流电路,均并联设置于所述储能器件接入端及所述充放电接入端之间,所述限流电路用于对流经的电流进行限流;
多个开关电路,每一所述开关电路,串联设置于所述充放电接入端与一所述限流电路之间;
和/或,每一所述开关电路,串联设置于所述储能器件接入端与一所述限流电路之间;其中,
所述开关电路用于在闭合时,控制所述储能器件接入端与所述充放电接入端电连接。
可选地,所述限流电路的限流能力随流经的电流增大而增大。
可选地,所述限流电路包括:
正温度系数热敏器件,所述正温度系数热敏器件的第一端与一路所述充电开关电路的输入端连接,所述正温度系数热敏器件的第二端与一路所述放电开关电路的输出端连接。
可选地,在每一所述开关电路串联设置于所述储能器件接入端与一所述限流电路之间,以及串联设置于所述充放电接入端与一所述限流电路之间时,所述开关电路包括第一开关管和第二开关管;
第一开关管,所述第一开关管的栅极用于接入外部充电控制信号,所述第一开关管的源极与所述储能器件接入端电连接,所述第一开关管的漏极与一路所述限流电路电连接。
可选地,第一开关管为功率管;
和/或,第二开关管为功率管。
可选地,所述功率管为MOS管和/或IGBT。
本发明还提出一种电池管理系统,包括控制器及上述的带载开关的开关管保护电路,所述控制器的输出端与所述带载开关的开关管保护电路的受控端电连接。
可选地,所述电池管理系统还包括:
电流检测电路,所述功率检测电路分别与所述带载开关的开关管保护电路及所述控制器电连接,所述电流检测电路用于检测所述带载开关的开关管保护电路的输出电流,并输出对应的电流检测信号至所述控制器;
所述控制器还用于在根据接收到的所述电流检测信号,检测到所述带载开关的开关管保护电路过流时,控制所述带载开关的开关管保护电路断开。
可选地,所述电流检测电路包括:
采样电阻,所述采样电阻的一端与所述储能器件接入端电连接,所述采样电阻的另一端与所述带载开关的开关管保护电路的输出端连接。
本发明还提出一种供电设备,包括电源、控制器、电流检测电路及上述的带载开关的开关管保护电路,或者包括电源及上述的电池管理系统。
本发明技术方案通过在每一通道内均设置一个限流电路及与所述限流电路连接的开关电路,使第一个闭合或最后一个断开的开关电路在接收到大负载电流时,限流电路由于接收到大电流而增大对其所在通道的限流能力,使回路中的负载电流减小,从而防止某一开关电路在第一个闭合或最后一个断开时,由于电流全部加在一条通道上,而导致该通道上的开关元件过载烧毁,进而防止电路起火。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明带载开关的开关管保护电路一实施例的结构示意框图;
图2为本发明带载开关的开关管保护电路另一实施例的结构示意框图;
图3为本发明带载开关的开关管保护电路又一实施例的结构示意框图;
图4为本发明带载开关的开关管保护电路一实施例的电路结构图;
图5为本发明电池管理系统一实施例的电路结构图;
图6为现有技术一实施例的结构示意图;
图7为现有技术另一实施例的结构示意图;
图8为开关管一实施例的内部结构示意图。
附图标号说明:
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种带载开关的开关管保护电路。
目前,市场上电池管理系统中开关管并联的方法,如图6,B1-Bk为电池,Rs为功率型采样电阻,RL是负载,Qd1-Qdn为第二开关管,Qc1-Qcn为第一开关管,B-为电池管理系统板上总负的接口,通过线束与电池B1的负端相连。P-为电池管理系统板上负载负端的接口,通过线束与负载负端相连。充电开关或放电开关是并联关系,开关内部的GS之间的电容也是呈现并联关系。当有很多充电开关或放电开关进行并联时,这个并联后的容值就不可忽略了。
图7是多路第一开关管和第二开关管并联时,把开关管GS两端的寄生电容移到外部与GS并联的等效连接电路。
因为电路是要过很大的电流才会将多路开关管进行并联,所以单颗开关管也是会选择过流能力很大的,但是过电流能力越大的开关管,内部寄生电容的容值也越大,很多都在十几纳法。电容并联的容值是累加的,图7中第二开关管的总容值Cd计算如公式1,第一开关管的总容值Cc计算如公式2。
Cd=Cd1+Cd2+Cdn……………………公式1。
Cc=Cc1+Cc2+Ccn……………………公式2。
驱动开关管的本质就是对开关管的GS间的寄生电容进行充电和放电。在小电流时,驱动电路都很好设计,但是电流比较大时,比如一百安、两百安甚至更大时,对开关管的驱动电路就要求非高了。并且,无论驱动电路如何设计,在大电流工作时,开关管都不能够精确地在同一时刻断开,总会出现前前后后的断开,并且总会有一个开关管是最后断开,原来分摊在各个开关管上的负载,就全加在最后一个断开的开关管上了,这样开关管就很容易烧掉。
参照图1至图4,在一实施例中,所述带载开关的开关管保护电路包括:
储能器件接入端100,用于接入储能器件;
充放电接入端200,用于接入负载/充电器;
多个限流电路300,均并联设置于所述储能器件接入端100及所述充放电接入端200之间,所述限流电路300用于对流经的电流进行限流;
多个开关电路400,每一所述开关电路400,串联设置于所述充放电接入端200与一所述限流电路300之间;
和/或,每一所述开关电路400,串联设置于所述储能器件接入端100与一所述限流电路300之间;其中,
所述开关电路400用于在闭合时,控制所述储能器件接入端100与所述充放电接入端200电连接。
在本实施例中,所述开关电路400可以包括MOS管、IGBT等开关器件,所述限流电路300可以包括热敏电阻,所述限流电路300的限流能力随流经的电流增大而增大。
需要说明的是,所述储能器件接入端100与所述充放电接入端200之间设置有多条电流通道,每一通道内包括一限流电路300及与所述限流电路300连接的开关电路400,每一通道内所述开关电路400的个数可以为一个,也可以为两个,在所述开关电路400的个数为一个时,所述开关电路400在外部控制信号的控制下开关和闭合;在所述开关电路400的个数为两个时,两个所述开关电路400在外部控制信号的控制下同时开关和闭合。
具体地,本发明以电源带重载时为例进行说明,电源充电时同理:
电源在带重载时,多个开关电路400接收到外部接通控制信号时闭合,假设第一条开关电路400最先闭合,即第一通道导通,其它通道还未导通,此时负载电流全部压在第一条通道上,正常情况下通道内的开关电路400承受不了这么大的电流,然而本发明设置有限流电路300,所述限流电路300的限流能力随流经的电流增大而增大,从而对流经第一条通道的负载电流进行限流。而在其余开关电路400依次闭合时,同样通过限流电路300进行限流,使每一通道在接入大负载电流时,限流电路300都会在大电流的作用下对每一路开关电路400进行限流,直至最后一条开关电路400闭合后,多条通道对大负载电流分流,使流经限流电路300的负载电流降低,此时限流电路300对每一通道的限流能力下降,此时所有通道流经的电流也相等,从而实现了MOS管带重载输出。
在电源带重载的回路断开时,多个开关电路400接收到外部断开控制信号断开,假设第一条放电开关电路400最先断开,即第一条通道先关断,其它通道还未关断。此时,第一条通道断开前流过的电流均匀分摊到其它通道上,流经其它通道内的负载电流还没有达到限流电路300的动作电流,限流电路300不会对流经的负载电流进行限流。而在其余开关电路400依次断开时,每一通道断开前流经的负载电流被均匀分摊到其余的通道上,使流经限流电路300的负载电流达到其动作电流,限流电路300开始对流经的负载电流进行限流,最后一条断开的通道由于负载电流不断增加,其限流能力也不断变大,反而使流经最后一条通道的负载电流减小,直至最后一个开关电路400断开,通道内的负载电流为零,此时限流电路300停止工作。从而使开关电路400不会因大负载电流过载烧坏,实现了电源在带重载时的回路断开。
本发明通过在每一通道内均设置一个限流电路300及与所述限流电路300连接的开关电路400,使第一个闭合或最后一个断开的开关电路400在接收到大负载电流时,限流电路300由于接收到大电流而增大对其所在通道的限流能力,使回路中的负载电流减小,从而防止某一开关电路400在第一个闭合或最后一个断开时,由于电流全部加在一条通道上,而导致该通道上的开关元件过载烧毁,进而防止电路起火。
可选地,在每一所述开关电路400串联设置于所述储能器件接入端100与一所述限流电路300之间,以及串联设置于所述充放电接入端200与一所述限流电路300之间时,所述开关电路400包括第一开关管Qc1~Qcn和第二开关管Qd1~Qdn;
所述第一开关管Qc1~Qcn的栅极用于接入外部控制信号,所述第一开关管Qc1~Qcn的源极与所述充放电接入端200电连接,所述第一开关管Qc1~Qcn的漏极与一路所述限流电路300电连接;
所述第二开关管Qd1~Qdn的栅极用于接入外部控制信号,所述第二开关管Qd1~Qdn的漏极与所述储能器件接入端100电连接,所述第二开关管Qd1~Qdn的源极与一路所述限流电路300电连接。
在本实施例中,第一开关管Qc1~Qcn为功率管;和/或,第二开关管Qd1~Qdn为功率管。所述功率管为MOS管和/或IGBT。
需要说明的是,由于开关管内部实际上集成有二极管,如图8所示,即使是在开关管的GS端未形成压降时,也会由于二极管的单向导通使弱电流流经开关管,导致开关管无法完全断开,存在拖尾电流,因此在每一开关电路400中分别设置第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn,使电流由于两个开关管内部二极管的单向导通方向相反,而在开关管的GS端未形成压降时,将电流回路完全断开。
以电源为大负载供电时为例,电源在充电时同理:
在电源为大负载供电时,所述第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn接收到外部接通控制信号闭合,使第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn的GS端形成压降,也即对所述第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn的寄生电容充电,使同一通道内的所述第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn导通;而在电源断开为大负载的供电时,所述第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn接收到外部关断控制信号断开,此时所述第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn的寄生电容放电,直至第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn的GS端不再存在压降,而由于开关管内部的二极管的存在,拖尾顶流电流仍然会流经第一开关管Qc1~Qcn,此时第二开关管Qd1~Qdn内的二极管导通方向于拖尾电流流向相反,将所述托微电流的电流回路断开。
可选地,所述限流电路300包括:
正温度系数热敏器件PT1~PTn,串联设置于所述充放电接入端200与一所述开关电路400之间;
和/或,串联设置于所述储能器件接入端100与一所述开关电路400之间。
在本实施例中,所述正温度系数热敏器件PT1~PTn的内阻与自身温度成正比,流经的大电流使所述正温度系数热敏器件PT1~PTn工作发热,而增大所述正温度系数热敏器件PT1~PTn的内阻,从而在负载电流全部压在第一个闭合或最后一个断开的开关电路400上时,正温度系数热敏器件PT1~PTn接收到大电流发热,并增大其所在开关电路400的内阻,对流经开关电路400的负载电流进行限流,从而防止某一开关电路400在第一个闭合或最后一个断开时,由于电流全部加在一条支路上,而导致该电路上的元件过载损坏,进而防止电路起火。
为了更好地阐述本发明的发明构思,以下结合上述实施例进行说明:
在开关管带重载闭合时,多个开关管型号相同,但是多个开关管内部的寄生电容还是有差异的,导致多个开关管在闭合过程中还是有先后顺序。假设第一条通道的开关管最先闭合,即正温度系数热敏器件PT1、第二开关管Qd1、第一开关管Qc1的电流回路先导通,其它通道还未导通。负载电流都往第一条通道走,正常情况下第一开关管Qc1和第二开关管Qd1都承受不了这么大的电流,然而正温度系数热敏器件PT1在负载电流远超正温度系数热敏器件PT1的保持电流,也远超正温度系数热敏器件PT1的动作电流的情况下,快速发热,内阻也快速上升,使得第一条开关电路400的阻抗变大,进而使得第一条开关电路400的电流减小。使第一条通道内的第一开关管Qc1和第二开关管Qd1不会因流过大负载电流而发热烧坏。并且,由于正温度系数热敏器件PT1的限流,使流过第一条开关电路400的负载电流减小,正温度系数热敏器件PT1的温度也慢慢下降。
假设第二条通道的开关管其次闭合,即正温度系数热敏器件PT2、第二开关管Qd2、第一开关管Qc2的电流回路在第一条通道导通后开始导通,此时第一条通道已经导通,只是电流较小,大部分的负载电流流向第二条开关电路400,同理,第二条通道内的正温度系数热敏器件PT2由于大负载电流快速发热,内阻也快速上升,使得第二条通道内的阻抗变大,进而使得流经第二条通道的负载电流减小。因此第二条通道内的第一开关管Qc2和第二开关管Qd2不会因流过大负载电流而发热烧坏。并且,由于流过第二条开关电路400的负载电流减小,正温度系数热敏器件PT2的温度也慢慢下降。
这样所有通道的开关管先后闭合,当最后一条通道的开关管闭合后,因为其它通道都已经导通,而且其它通道内的正温度系数热敏器件PT1~PTn也下慢慢降到了常温下的内阻值,最后一条通道的开关管闭合时,所有通道的阻抗相等,所有开关电路400流过的电流也相等。这样就实现了开关管带重载输出。
在开关管带重载断开时,假设第一条通道内的开关管最先断开,即正温度系数热敏器件PT1、第二开关管Qd1、第一开关管Qc1的电流回路先断开,其它通道内的开关管还未断开。此时,第一条通道断开前流过的电流均匀分摊到其它通道上,其它通道内的负载电流还没有达到正温度系数热敏器件PT2~PTn的动作电流,正温度系数热敏器件PT2~PTn还不会发热。
假设第二条通道内的开关管其次断开,即正温度系数热敏器件PT2、第二开关管Qd2、第一开关管Qc2的电流回路其次断开,此时第一条通道已经断开。因为有两条通道已经断开,这两条通道断开前流过的电流被均匀分摊到其余通道上,流经其余通道的负载电流会达到正温度系数热敏器件PT3~PTn的动作电流,使正温度系数热敏器件PT3~PTn开始发热,内阻变大。
随着多个通道内的开关管依次断开,剩余通道内的正温度系数热敏器件PTn的发热量会越来越大,剩余通道的内阻也会越来越大。
在最后一个通道内的开关管断开前,所述通道不断分摊电流,造成最后一个通道内的正温度系数热敏器件PTn的发热量不断变大,导致最后一个通道的内阻不断变大,这样流过最后一个通道的负载电流也不会增加,而是会减小。最后一个通道内的开关管断开时,负载电流为零。从而使第一开关管Qc1~Qcn及第二开关管Qd1~Qdn在断开时,不会因流过大负载电流导致开关管发热烧坏,实现了带载断开输出。
参照图5,在一实施例中,本发明还提出一种电池管理系统,包括控制器500及上述的带载开关的开关管保护电路,所述控制器500的输出端与所述带载开关的开关管保护电路的受控端电连接;该带载开关的开关管保护电路的具体结构参照上述实施例,由于本电池管理系统采用了上述所有实施例的全部技术方案,因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果,在此不再一一赘述。
在本实施例中,所述电池管理系统在通过电源为负载组件供电时,将所述电源与所述负载组件连接,通过所述电池管理系统将电源输出的直流电源逐渐增大,最终使电源能够输出大电流为大功率负载供电,减少了由于负载过大导致电池管理系统的开关电路400过载损坏的问题。
参照图4及图5,在一实施例中,所述电池管理系统还包括:
电流检测电路600,所述功率检测电路分别与所述带载开关的开关管保护电路及所述控制器500电连接,所述电流检测电路600用于检测所述带载开关的开关管保护电路的输出电流,并输出对应的电流检测信号至所述控制器500;
所述控制器500还用于在根据接收到的所述电流检测信号,检测到所述带载开关的开关管保护电路过流时,控制所述带载开关的开关管保护电路断开。
在本实施例中,所述过流检测电路00可以包括电流检测电阻及放大器,所述控制器500内预设有预设过流电压,所述预设过流电压表征带载开关的开关管保护电路正常工作的峰值电流临界值。
可选的,所述电流检测电路600包括:
采样电阻Rs,所述采样电阻Rs的一端与所述储能器件接入端100电连接,所述采样电阻Rs的另一端与所述带载开关的开关管保护电路的输出端连接。
在本实施例中,所述采样电阻Rs为功率采样电阻Rs。
在带载开关的开关管保护电路将电源与负载组件接通时,流经所述带载开关的开关管保护电路的回路电流输出至所述电流检测电阻Rt,控制器500通过电流检测端采集所述电流检测电阻Rt两端的电压值,并根据欧姆定律,根据接收到的所述电流检测电阻Rt两端的电压值,及所述电流检测电阻Rt已知的阻值,即可得出流经所述电流检测电阻Rt的电流值,也即流经所述带载开关的开关管保护电路的回路电流的电流值,控制器500将所述电流检测信号所表征的电流值与所述预设过流电压进行比较,在电流检测信号所表征的电流值大于预设过流电压时,输出控制信号至带载开关的开关管保护电路,使所述带载开关的开关管保护电路将电源与负载组件之间的回路断开。
本发明还提出一种供电设备,包括电源、控制器500、电流检测电路600及上述的带载开关的开关管保护电路,或者包括电源及上述的电池管理系统;该带载开关的开关管保护电路的具体结构参照上述实施例,由于本供电设备采用了上述所有实施例的全部技术方案,因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果,在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的可选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的技术构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种带载开关的开关管保护电路,其特征在于,包括:
储能器件接入端,用于接入储能器件;
充放电接入端,用于接入负载/充电器;
多个限流电路,均并联设置于所述储能器件接入端及所述充放电接入端之间,所述限流电路用于对流经的电流进行限流;
多个开关电路,每一所述开关电路,串联设置于所述充放电接入端与一所述限流电路之间;
和/或,每一所述开关电路,串联设置于所述储能器件接入端与一所述限流电路之间;其中,
所述开关电路用于在闭合时,控制所述储能器件接入端与所述充放电接入端电连接。
2.如权利要求1所述的带载开关的开关管保护电路,其特征在于,所述限流电路的限流能力随流经的电流增大而增大。
3.如权利要求2所述的带载开关的开关管保护电路,其特征在于,所述限流电路包括:
正温度系数热敏器件,串联设置于所述充放电接入端与一所述开关电路之间;
和/或,串联设置于所述储能器件接入端与一所述开关电路之间。
4.如权利要求1所述的带载开关的开关管保护电路,其特征在于,在每一所述开关电路串联设置于所述储能器件接入端与一所述限流电路之间,以及串联设置于所述充放电接入端与一所述限流电路之间时,所述开关电路包括第一开关管和第二开关管;
所述第一开关管的栅极用于接入外部控制信号,所述第一开关管的源极与所述充放电接入端电连接,所述第一开关管的漏极与一所述限流电路电连接;
所述第二开关管的栅极用于接入外部控制信号,所述第二开关管的漏极与所述储能器件接入端电连接,所述第二开关管的源极与一所述限流电路电连接。
5.如权利要求4所述的带载开关的开关管保护电路,其特征在于,第一开关管为功率管;
和/或,第二开关管为功率管。
6.如权利要求5所述的带载开关的开关管保护电路,其特征在于,所述功率管为MOS管和/或IGBT。
7.一种电池管理系统,其特征在于,包括控制器及如权利要求1-6任意一项所述的带载开关的开关管保护电路,所述控制器的输出端与所述带载开关的开关管保护电路的受控端电连接。
8.如权利要求7中任意一项所述的电池管理系统,其特征在于,所述电池管理系统还包括:
电流检测电路,所述功率检测电路分别与所述带载开关的开关管保护电路及所述控制器电连接,所述电流检测电路用于检测所述带载开关的开关管保护电路的输出电流,并输出对应的电流检测信号至所述控制器;
所述控制器还用于在根据接收到的所述电流检测信号,检测到所述带载开关的开关管保护电路过流时,控制所述带载开关的开关管保护电路断开。
9.如权利要求8中任意一项所述的电池管理系统,其特征在于,所述电流检测电路包括:
采样电阻,所述采样电阻的一端与所述储能器件接入端电连接,所述采样电阻的另一端与所述带载开关的开关管保护电路的输出端连接。
10.一种供电设备,其特征在于,包括电源、控制器、电流检测电路及如权利要求1-6任意一项所述的带载开关的开关管保护电路,或者包括电源及如权利要求7-9所述的电池管理系统。
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