CN117118029A - 基于锂电池包短路保护放电mos管的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，该方法包括：通过AFE前端电路处理电池组的模拟信号和数字信号，同时实时监测和保护电池组状态；在负载端正极PACK+和负载端负极PACK‑之间反向并联二极管；通过加速关断电路短接NMOS管的栅极和源极，快速关断放电MOS管；AFE前端电路与所述加速关断电路连接。通过直接将GS短接，可以在短路保护瞬间快速拉低GS间的电压，加快放电MOS管的关断，减小由于感性负载和寄生电感产生负压导致的MOS发热损耗，避免过热烧毁。同时反并二极管给负载端寄生电感的短路电流提供一个额外的续流回路，避免了放电MOS管在短路时的过压损坏。本发明电路简单，且易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及MOS管应用技术领域，具体涉及基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法。
背景技术
锂电池包结构一般包括正极、负极、电解质、隔膜、电池外壳等，由多个锂电池组集合而成，同时加入了电池管理系统BMS等。锂电池因能量密度高，使用寿命长，绿色环保等优点被广泛用于各行各业，例如，锂电池包是新能源汽车的核心能量源，为整车提供驱动电能；作为新能源汽车的核心部件，其品质直接决定了整车性能。但对于安全性来说，锂电池的危险系数不容忽视，若不严谨苛责，很容易引发起火、爆炸等事故。市面上的锂电池模块都应配有必要的各项保护措施，如充电过压保护、放电欠压保护、充放电过流保护、温度保护、短路保护等。在整个电池管理系统中，短路保护是保护测试的重中之重，是保证整个框架能够稳定的重要指标之一。提及短路保护就要去研究MOSFET，MOSFET全称为金属氧化物半导体场效应晶体管，它较三极管来说，具有省电和导通阻抗小的优点。对于MOSFET我们要去研究如何保证在发生短路保护数次之后MOSFET仍然能正常工作，不损坏。
造成MOS管（MOSFET简称）损坏的原因有两方面，一是短路瞬间，电路中的等效电感以及感性负载会在MOSFET两端产生使其损坏的瞬间尖峰电压；二是在整个MOSFET关断的过程中，由于关断时间长，损耗过大导致损坏。因此亟需一种锂电池包短路保护时优化放电MOS电路的方法，防止MOS管损坏。
发明内容
针对锂电池包短路保护时损坏MOS管的问题，本发明提出了基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，在负载端反并二极管，给负载端寄生电感的短路电流提供一个额外的续流回路，避免了放电MOS管在短路时的过压损坏；同时短接MOS管的栅极和源极，快速关断放电MOS管，能够解决在短路瞬间，电路中的感性负载和其他寄生电感等受瞬间关断影响而产生负压进而导致放电MOS管不能完全关断的现象。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，所述方法包括：
通过AFE前端电路处理电池组的模拟信号和数字信号，对所述模拟信号进行采集和转换，对所述数字信号进行滤波处理，同时实时监测和保护电池组状态；
在负载端正极PACK+和负载端负极PACK-之间反向并联二极管D2，二极管D2的阳极连接电池组负极，阴极连接至电池组正极；
通过加速关断电路短接NMOS管Q1的栅极和源极，快速关断放电MOS管QD；
所述AFE前端电路与所述加速关断电路连接。
作为本发明的一种优选方案，所述AFE前端电路包括AFE前端、电阻RC、电阻RD、充电MOS管QC以及放电MOS管QD；
所述AFE前端包括VDD引脚、VSS引脚、CHG引脚以及DSG引脚；
所述AFE前端通过VDD引脚连接电池组正极，通过CHG引脚连接充电MOS管QC栅极，通过DSG引脚连接放电MOS管QD栅极，通过VSS引脚连接电池组负极并接地；所述电阻RC并联在充电MOS管QC栅极和源极两端；所述电阻RD并联在放电MOS管QD栅极和源极两端；
所述AFE前端检测到需要关断MOS的保护，并且达到对应延时后，执行关断放电MOS管QD的动作。
作为本发明的一种优选方案，所述加速关断电路包括负载端正极PACK+、负载端负极PACK-、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、二极管D1、稳压管Z1、NMOS管Q1、电阻R3、以及电容C1；
所述二极管D1和第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联在负载端正极PACK+和负载端负极PACK-之间，所述稳压管Z1与所述第二分压电阻R2并联，所述NMOS管Q1和电阻R3串联在放电MOS管QD的栅极和源极两端，所述电容C1并联在NMOS管Q1的源极和漏极两端。
作为本发明的一种优选方案，所述二极管D1的作用为正常情况下反向截止，短路保护后正向导通，同时起限流作用；所述稳压管Z1用于通过稳压防止NMOS管Q1的栅极和源极两端电压过高致使NMOS管Q1损坏。
作为本发明的一种优选方案，所述加速关断电路短接NMOS管Q1的栅极和源极，快速关断放电MOS管QD的方法具体包括：
短路保护时，负载端正极PACK+产生负压，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2通过分压满足NMOS管Q1的导通条件使NMOS管Q1导通，当PACK-到PACK+的电压经过分压后，R2的电压驱动NMOS管Q1导通，NMOS管Q1的栅极和源极被短接在一起，从而加快放电MOS管QD结电容的放电速度，流过放电MOS管QD的电流快速减小，缩短放电MOS管QD关断时间。
作为本发明的一种优选方案，所述电阻R3用于通过电阻R3阻值，进而调节调整电容C1的放电速度。
作为本发明的一种优选方案，放电MOS管QD关断后，所述二极管D2给负载端寄生电感的短路电流提供了额外的续流回路，用于吸收负载端寄生电感产生的感应电动势；负载端寄生电感产生的感应电动势使得二极管D2阳极电位为高，阴极电位为低，D2处于导通状态，将负载端的电压钳位至二极管D2的正向导通电压，降低放电MOS管QD漏极和源极的应力。
作为本发明的一种优选方案，所述二极管D2为快恢复二极管。
作为本发明的一种优选方案，负载RLOAD理想化为感性负载。
本发明的有益效果是：本发明通过直接将GS短接，可以在短路保护瞬间快速拉低GS间的电压，加快放电MOS管的关断，减小由于感性负载和寄生电感产生负压导致的MOS发热损耗，避免过热烧毁。同时反并二极管给负载端寄生电感的短路电流提供一个额外的续流回路，负载端寄生电感上的能量会经过反并二极管进行泄放，负载端的电压就会被钳位在反并二极管的正向导通压降，放电MOS管的DS应力大幅度降低，避免了放电MOS管在短路时的过压损坏。本发明电路简单，且易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明实施例的负载端反并二极管的等效示意图；
图2为本发明实施例的MOS关断过程示意图；
图3为本发明实施例的加速关断电路的等效示意图；
图4为本发明的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
造成MOS管损坏的原因有两方面：一是短路瞬间，电路中的等效电感以及感性负载会在MOSFET两端产生使其损坏的瞬间尖峰电压；二是在整个MOSFET关断的过程中，由于关断时间长，损耗过大导致损坏。
以下为本发明的一个实施例，该实施例针对静电或瞬间大电流产生漏极尖峰电压造成MOS管漏源极烧坏的情况提供一种优化方法，在放电MOS管DS端并联电容，在负载端反向并联二极管D2，其等效示意图如图1所示。图1中，箭头表示电流流向，PACK+和PACK-分别是负载端的正负极，B+和B-分别为电池的正负极，D、S分别是放电MOS管的漏极和源极，VL1是负载端在短路瞬间产生的感应电动势，VL2是电池端在短路瞬间产生的感应电动势。
在放电MOS管DS端并联电容，可以在MOS管开关瞬间抑制DS端之间的dv/dt速度，减小VDS尖峰，防止DS两端过压造成MOS管损坏（在MOS管DS端加TVS，原理是一样的）。
真实电路中的功率回路会存在一些寄生电感，分别是负载端寄生电感L1和电池端的寄生电感L2。在短路保护之前，放电MOS管保持导通，DS电压为零，电池经过L1和L2进行大电流放电，该短路电流可达上百或上千安培。在短路之后，放电MOS管关断，流过L1和L2的电流没有续流回路，短路电流在短时间减小为零，极大的电流变化率会在L1和L2产生很大的感应电动势VL1和VL2。因此，在放电MOS管关断瞬间，DS端会存在很大的电压尖峰，在DS端并联电容或TVS吸收该电压尖峰，重点吸收的是L2的感应电动势VL2，但是电容过小达不到效果，过大则MOS管开关损耗较大，会导致MOS管发热严重。
因此，还需在负载端反并二极管D2，可以较大程度吸收L1产生的感应电动势VL1。当放电MOS管关断后，反并二极管D2给L1的短路电流提供一个额外的续流回路，L1上的能量会经过二极管D2进行泄放，PACK的电压就会被钳位在D2的正向导通压降。放电MOS管的DS应力大幅度降低，避免了放电MOS管在短路时的过压损坏。
对于短路保护时MOS管损坏的第二方面原因，部分技术旨在短路保护的最短时间内将驱动管脚拉低，从而实现对MOS管的快速关断。然而，在短路瞬间，MOS管的栅极即使能够被快速拉低，源极由于等效电感的原因仍然会产生一个负压尖峰，导致MOS管的栅极虽然已经在几十微秒内被拉低，但是由于栅源极之间的电压大于Vth，MOS仍处于开启状态，增加了MOS的损耗。因此现有技术并未解决MOS关断瞬间负压对源极的影响。
整个MOS关断过程可以简化为4个阶段，如图2所示。
t0-t1：t0时刻为MOS驱动电压VDRIVE由高变为低的时刻；t0-t1阶段VGS下降 到米勒平台电压Vth+IO/g，ID和VDS保持不变。由于VDS电压一直为0，所以此阶段MOS几乎无损耗。
t1-t2：在此时间段内，VGS保持Vth+IO/g，但是VDS会增大到VIN即为输出的功率电压；此时MOS的损耗为ID×VDS。
t2-t3：VGS+下降到导通电压Vth；ID即流经MOS的电流将从IO降为0。
t3-t4：VGS+下降为0，此阶段MOS几乎无损耗。
由此可以看出，MOS在关断过程中，由于产生损耗主要为t1-t2和t2-t3阶段，所以可以从这两阶段入手，通过减少总时间从而降低MOS的损耗。
对此，本发明提供另一实施例，该实施例通过加速关断电路短接放电MOS管的栅极和源极，加速MOS的关断，加速关断电路的等效示意图如图3所示。
图3中，加速关断电路包括负载端正极PACK+、负载端负极PACK-、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、二极管D1、稳压管Z1、NMOS管Q1以及电容；
二极管D1和第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联在负载端正极PACK+和负载端负极PACK-之间，二极管D1在正常情况下起到反向截止的作用，短路保护后正向导通，同时起限流作用；稳压管Z1与第二分压电阻R2并联，NMOS管Q1串联在放电MOS管的栅极和源极两端，电容并联在NMOS管Q1的源极和漏极两端；Z1通过稳压防止NMOS管Q1的GS两端电压过高致使NMOS管Q1损坏。
短路保护时，负载端正极PACK+产生负压，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2通过分压满足NMOS管Q1的导通条件使NMOS管Q1导通，当PACK-到PACK+的电压经过分压后，R2的电压足够驱动Q1导通，那么NMOS管Q1的栅极和源极会被短接在一起，从而加快放电MOS管结电容的放电速度，放电MOS管的栅源极两端电压VGS减小，流过放电MOS管的电流快速减小，加快放电MOS管关断时间，缩短t1-t3的时间，防止放电MOS管关断时损耗太大导致过热损坏。
如图4所示，为本发明的又一实施例，该实施例提供了基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，该方法不仅应用于新能源和锂电保护技术领域，也适用所有和MOS相关的应用领域。
在本实施例中，BMS系统采用了控正的AFE保护系统，负载RLOAD理想化为感性负载，感性负载一般会在短路保护关断瞬间因巨大的di/dt产生感应电动势。
具体地，该优化方法包括：
通过AFE前端电路处理电池组的模拟信号和数字信号，对模拟信号进行采集和转换，对数字信号进行滤波处理，同时实时监测和保护电池组状态；
AFE前端电路包括AFE前端、电阻RC、电阻RD、充电MOS管QC以及放电MOS管QD；AFE前端包括VDD引脚、VSS引脚、CHG引脚以及DSG引脚；
AFE前端通过VDD引脚连接电池组正极，通过CHG引脚连接充电MOS管QC栅极，通过DSG引脚连接放电MOS管QD栅极，通过VSS引脚连接电池组负极并接地；电阻RC并联在充电MOS管QC栅极和源极两端；电阻RD并联在放电MOS管QD栅极和源极两端；
AFE前端检测到需要关断MOS的保护，并且达到对应延时后，执行关断放电MOS管QD的动作。
在负载端正极PACK+和负载端负极PACK-之间反向并联二极管D2，二极管D2的阳极连接电池组负极，阴极连接至电池组正极；
感性负载两端反并二极管，起到续流作用，此二极管需要选用快恢复二极管。在短路保护之前，二极管D2阳极连接至电池组负极，此端电压近似为电池组负极电压，电位为低；阴极直接连接至电池组正极，此端电压等于电池组正极电压，电位为高；二极管D2处于截止状态，此时要求二极管D2的反向工作电压略高于电池组电压，防止两端反向电压过高被击穿损坏。
在短路后，RLOAD产生巨大的感应电压，与电池组电压串联，使得QD的DS两端产生较大的尖峰电压，从而导致QD的DS过压损坏。D2反并在负载RLOAD两端，在放电MOS管QD关断后，所述二极管D2给负载端寄生电感的短路电流提供了额外的续流回路，用于吸收负载端寄生电感产生的感应电动势。负载端寄生电感产生的感应电动势使得二极管D2阳极电位为高，阴极电位为低，D2处于导通状态，负载端正极PACK+和负载端负极PACK-电压被二极管D2钳位至D2的正向导通电压，降低放电MOS管QD漏极和源极的应力，因此可以避免放电MOS管QD在短路保护时DS端过压损坏。
在发生短路保护时，通过加速关断电路短接NMOS管Q1的栅极和源极，快速关断放电MOS管QD；AFE前端电路与加速关断电路连接。
加速关断电路包括负载端正极PACK+、负载端负极PACK-、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、二极管D1、稳压管Z1、NMOS管Q1、电阻R3、以及电容C1；
二极管D1和第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联在负载端正极PACK+和负载端负极PACK-之间，稳压管Z1与第二分压电阻R2并联，NMOS管Q1和电阻R3串联在放电MOS管QD的栅极和源极两端，电容C1并联在NMOS管Q1的源极和漏极两端。
D1的作用为正常情况下反向截止，短路后正向导通，同时起限流作用；Z1通过稳压防止Q1的GS两端电压过高致使NMOS管Q1损坏。
短路保护时，DSG引脚会从高电平瞬间转为低电平，将放电MOS管QD的GS电荷泄放。在放电MOS管QD的关断瞬间，负载端正极PACK+会被感性负载产生的电动势拉成一个负压，此时即使放电MOS管QD的栅极电压为低电平，VGS仍然可能大于Vth，导致放电MOS管QD无法完全关断，增加MOS关断过程中的损耗。
第一分压电阻R1和第二分压电阻R2需要在实际应用中根据MOS管的类型等，挑选合适的参数，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2通过分压满足NMOS管Q1的导通条件使NMOS管Q1导通，当PACK-到PACK+的电压经过分压后，R2的电压足以驱动NMOS管Q1导通，NMOS管Q1的栅极和源极被短接在一起，从而加快放电MOS管QD结电容的放电速度，栅源极两端电压VGS减小，流过放电MOS管QD的电流快速减小，缩短放电MOS管QD关断时间，防止QD关断时损耗太大导致过热损坏。
由于此电路快速拉低GS间电压，QD将快速关断，会产生一个很高的DS尖峰，可以通过调节电阻R3阻值，进而调整电容C1的放电速度，决定DS尖峰大小；R3阻值越大，DS的尖峰越小。
综上所述，本发明通过直接将GS短接，可以在短路保护瞬间，快速拉低GS间的电压，加快放电MOS管的关断，减小由于感性负载和寄生电感产生负压导致的MOS发热损耗，避免过热烧毁。反并二极管给负载端寄生电感的短路电流提供一个额外的续流回路，负载端寄生电感上的能量会经过反并的二极管进行泄放，负载端的电压就会被钳位在反并二极管的正向导通压降，放电MOS管的DS应力大幅度降低，避免了放电MOS管在短路时的过压损坏。本发明电路简单，且易于实现。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，所述方法包括：
通过AFE前端电路处理电池组的模拟信号和数字信号，对所述模拟信号进行采集和转换，对所述数字信号进行滤波处理，同时实时监测和保护电池组状态；
在负载端正极PACK+和负载端负极PACK-之间反向并联二极管D2，二极管D2的阳极连接电池组负极，阴极连接至电池组正极；
通过加速关断电路短接NMOS管Q1的栅极和源极，快速关断放电MOS管QD；
所述AFE前端电路与所述加速关断电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，所述AFE前端电路包括AFE前端、电阻RC、电阻RD、充电MOS管QC以及放电MOS管QD；
所述AFE前端包括VDD引脚、VSS引脚、CHG引脚以及DSG引脚；
所述AFE前端通过VDD引脚连接电池组正极，通过CHG引脚连接充电MOS管QC栅极，通过DSG引脚连接放电MOS管QD栅极，通过VSS引脚连接电池组负极并接地；所述电阻RC并联在充电MOS管QC栅极和源极两端；所述电阻RD并联在放电MOS管QD栅极和源极两端；
所述AFE前端检测到需要关断MOS的保护，并且达到对应延时后，执行关断放电MOS管QD的动作。
3.根据权利要求1所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，所述加速关断电路包括负载端正极PACK+、负载端负极PACK-、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、二极管D1、稳压管Z1、NMOS管Q1、电阻R3、以及电容C1；
所述二极管D1和第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联在负载端正极PACK+和负载端负极PACK-之间，所述稳压管Z1与所述第二分压电阻R2并联，所述NMOS管Q1和电阻R3串联在放电MOS管QD的栅极和源极两端，所述电容C1并联在NMOS管Q1的源极和漏极两端。
4.根据权利要求3所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，所述二极管D1的作用为正常情况下反向截止，短路保护后正向导通，同时起限流作用；所述稳压管Z1用于通过稳压防止NMOS管Q1的栅极和源极两端电压过高致使NMOS管Q1损坏。
5.根据权利要求4所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，所述加速关断电路短接NMOS管Q1的栅极和源极，快速关断放电MOS管QD的方法具体包括：
短路保护时，负载端正极PACK+产生负压，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2通过分压满足NMOS管Q1的导通条件使NMOS管Q1导通，当PACK-到PACK+的电压经过分压后，R2的电压驱动NMOS管Q1导通，NMOS管Q1的栅极和源极被短接在一起，从而加快放电MOS管QD结电容的放电速度，流过放电MOS管QD的电流快速减小，缩短放电MOS管QD关断时间。
6.根据权利要求5所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，所述电阻R3用于通过电阻R3阻值，进而调节调整电容C1的放电速度。
7.根据权利要求1所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，放电MOS管QD关断后，所述二极管D2给负载端寄生电感的短路电流提供了额外的续流回路，用于吸收负载端寄生电感产生的感应电动势；负载端寄生电感产生的感应电动势使得二极管D2阳极电位为高，阴极电位为低，D2处于导通状态，将负载端的电压钳位至二极管D2的正向导通电压，降低放电MOS管QD漏极和源极的应力。
8.根据权利要求7所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，所述二极管D2为快恢复二极管。
9.根据权利要求1所述的基于锂电池包短路保护放电MOS管的优化方法，其特征在于，负载RLOAD理想化为感性负载。
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