CN117748689B - 一种多重混合型箝位保护电路及bms控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多重混合型箝位保护电路及BMS控制系统，所述保护电路连接于电池充放电回路中，所述电池充放电回路包括依次串联的电池、放电MOS管和充电MOS管，其特征在于，所述保护电路包括放电保护模块和充电保护模块，所述放电保护模块为多级保护模块，至少包括均并联于放电MOS管两端的一级保护单元和二级保护单元，且二级保护单元的箝位电压高于一级保护单元的箝位电压，在电池充放电回路发生异常时，实现分段层次箝位保护，所述充电保护模块包括充电保护单元，并联于充电MOS管两端；其中，所述一级保护单元包括高电位瞬态电压抑制器。与现有技术相比，本发明具有低成本、响应速度快、可实现分段层次化箝位保护等优点。
Description
技术领域
本发明涉及BMS控制保护技术领域，尤其是涉及一种多重混合型箝位保护电路。
背景技术
电池管理系统（Battery Management System，BMS），也叫电池管家，主要是为管理及维护电芯组中各个电芯单元。目前，多节电芯单元被广泛应用于储能电源、扫地机、电动工具、电动自行车、无人机等领域，由多节电芯单元组成的电池组在使用过程中可能发生各种各样的异常情况，通过BMS监控电芯组中各电芯单元的状态，可以防止电池出现过充或过放的状态，延长电池的使用寿命。
现有传统的BMS控制器充电、放电MOSFET VDS保护均采用单一的TVS（TransientVoltage Suppressor，瞬态电压抑制器）箝位保护电路，通常是使用多个TVS并联的方式抑制箝位充电MOSFET和放电MOSFET电压，从而保护充电、放电MOSFET。该方案将充电、放电MOSFET的VDS电压抑制在规格范围内，而为了更为有效的箝位充、放电MOSFET的电压，会使用多个大功率（如6-10个5KW）的TVS并联，从而导致控制器成本较高。另外，现有设计单一固化，有一定的局限性，有些场景下可能不能适用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本、响应速度快、可实现分段层次化箝位保护的多重混合型箝位保护电路及BMS控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一方面，本发明提供一种多重混合型箝位保护电路，连接于电池充放电回路中，所述电池充放电回路包括依次串联的电池、放电MOS管和充电MOS管，所述保护电路包括放电保护模块和充电保护模块，
所述放电保护模块为多级保护模块，至少包括均并联于放电MOS管两端的一级保护单元和二级保护单元，且二级保护单元的箝位电压高于一级保护单元的箝位电压，在电池充放电回路发生异常时，实现分段层次箝位保护，
所述充电保护模块包括充电保护单元，并联于充电MOS管两端；
其中，所述一级保护单元包括高电位瞬态电压抑制器。
进一步地，所述二级保护单元包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器和压敏电阻。
进一步地，所述二级保护单元包括串联连接的半导体放电管和压敏电阻。
进一步地，所述放电保护模块还包括三级保护单元，该三级保护单元并联于放电MOS管两端，所述一级保护单元、二级保护单元和三级保护单元的箝位电压依次升高。
进一步地，所述二级保护单元包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器和压敏电阻，所述三级保护单元包括串联连接的半导体放电管和压敏电阻。
进一步地，所述充电保护单元包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器和压敏电阻。
进一步地，所述充电保护单元包括串联连接的半导体放电管和压敏电阻。
进一步地，所述充电保护单元包括高电位瞬态电压抑制器。
进一步地，所述低电位瞬态电压抑制器的峰值功率为400W-600W。
进一步地，所述高电位瞬态电压抑制器的峰值功率为3000W-5000W。
另一方面，本发明还提供一种BMS控制系统，包括如上所述的多重混合型箝位保护电路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明使用混合方式实现箝位保护电路，可以实现多电位分段箝位保护，层次分段有效箝位抑制充电MOSFET、放电MOSFET的VDS的电压在规格的范围内，保障了BMS控制系统在短路和反接时，不会损坏充电MOSFET和放电MOSFET。本发明在输出短路、反接的异常情况下，进行分段箝位保护，以有利于分段消耗BMS系统异常带来的电能，如：高电位TVS主要抑制，作为一级保护主要抑制BMS系统突变尖峰脉冲波电压，半导体放电管串接压敏电阻和低电位TVS串接压敏电阻，作为二级或组合三级保护，更多是主要消耗一级保护后消耗残余能量，减少现有技术上多个高能TVS并联的弊端，降低保护电路成本。
2、本发明箝位保护电路通过高低电位器件的配合实现有效箝位，使用的箝位电子物料少，有利于降低成本。
3、本发明利用瞬态电压抑制器、半导体放电管等实现箝位，箝位反应速度快。
4、有别于BMS控制器现有的单一的多个TVS并联的方式，本发明可以灵活组合搭配以适用于不同场景，实现低成本、分段层次化箝位保护。
附图说明
图1为本发明实施例1的电路示意图；
图2为实施例1中的结构元器件示意图；
图3为本发明实施例2的电路示意图；
图4为本发明实施例3的电路示意图；
图5为本发明实施例4的电路示意图；
图6为本发明实施例5的电路示意图；
图7为本发明实施例6的电路示意图；
图8为本发明实施例7的电路示意图；
图9为本发明实施例8的电路示意图；
图10为本发明实施例9的电路示意图；
图11为本发明另一实施例的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种低成本的多重混合型箝位保护电路，连接于BMS控制系统的电池充放电回路中，电池充放电回路包括依次连接的电池5、放电MOS管6和充电MOS管7，电池5和充电MOS管7的一端形成输出端，所述保护电路包括放电保护模块和充电保护模块，其中，充电保护模块并联连接于充电MOS管7两端，放电保护模块包括一级保护单元1、二级保护单元2和三级保护单元3，一级保护单元1、二级保护单元2和三级保护单元3均并联连接于放电MOS管6的两端，且一级保护单元1、二级保护单元2和三级保护单元3的箝位电压依次升高。BMS控制系统在正常的工作状态时，所述保护电路不会被触发启动，当输出端P+/P-出现异常（如：短路、反接）时，放电MOS管6的D、S引脚间的电压（即放电MOS管VDS电压）集聚上升（突变增高），电压上升到一级保护单元1的箝位电压时，一级保护单元1被触发启动，抑制放电MOS管6的箝位DS电压；在电位持续上升中，二级保护单元2和三级保护单元3先后被触发启动，将放电MOS管6的电压箝位抑制在规格的承受范围内，从而在输出异常（如：短路、反接）时，有效保护放电MOS管6不会因过压击穿损坏。
在具体实施方式中，如图2所示，一级保护单元1包括高电位瞬态电压抑制器TVS1，二级保护单元2包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器TVS2和压敏电阻MOV2，三级保护单元3包括串联连接的半导体放电管TSS1和压敏电阻MOV1，充电保护模块包括充电保护单元4，该充电保护单元4包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器TVS3和压敏电阻MOV3。瞬态电压抑制器TVS1为高电位TVS，瞬态电压抑制器TVS2和瞬态电压抑制器TVS3均为低电位TVS，三级保护单元3的箝位电压设定于二级保护单元2和一级保护单元1的箝位电压之间，从而实现对放电MOS管的分段层次箝位保护。
本实施例中，高电位TVS1箝位电压设定在100V，TSS1（半导体放电管）串接MOV1（压敏电阻）箝位电压设定在107V，低电位TVS2串接MOV2（压敏电阻）箝位电压设定在105V，可以实现分段逐步消耗BMS系统输出异常（短路、反接）导致放电MOS管带来的突变异常能量。
经过实验，本设计箝位方案和现有多个TVS方案对比，本设计将放电MOS的VDS电压箝位在107V的短路，而现有技术将放电MOS的VDS电压箝位在110V，本设计具有箝位响应快的特性，箝位耗能中波形无明显振荡。
现有的TVS管SMCJ85CA 300V 10/1000uS 测试残压箝位在115V波形，且时间较长；而本发明TSS（30V半导体放电管）串接MOV（52V压敏电阻）300V 10/1000uS 测试残压箝位为116V波形，且可以实现116V残压抑制在极短的（uS）微秒时间内。本发明方案的箝位响应速度快。
本实施例通过以下比对说明本发明在电子物料及成本上的优势：
a、现有技术TVS并联方案，根据BMS系统的电压、容量和输出异常（短路、反接）等因素，使用多个大功率TVS并联（6～N个3KW/5KW峰值功率）的方式，导致成本增加。如下案例所示：
例如：48V/100AH 某品牌BMS控制器，放电MOS管使用6个5.0SMDJ85CA，充电MOS管使用1个5.0SMDJ85CA，充电、放电MOS箝位TVS合计使用7个，5.0SMDJ85CA单价在1.05-1.33元，合计7个成本在7元以上。
b、本发明的方案采用一个高电位TVS、搭配低电位TVS串接MOV（压敏电阻）或TSS（半导体放电管）串接MOV方案，可以多种组合搭配，将异常突波能量通过压敏电阻消耗。如下案例所示：
例如：48/100AH 控制器放电MOS管使用1个SMDJ90CA高位TVS并联一组TSS（30V半导体放电管）串接MOV（52V@10/1000uS 2.5焦耳高能的压敏电阻），充电MOS管采用一个5.0SMDJ85CA的方案即可满足系统需求。合计使用4个物料，合计成本在3元以内。（BEP0300SC半导体放电管0.35元+SMDJ90CA 0.85元+CMS1210V520P102 0.5元+5.0SMDJ85CA 1.05元，合计=2.75元）。
实施例2
如图3所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1和二级保护单元2，二级保护单元2的箝位电压高于一级保护单元1的箝位电压，充电保护模块包括充电保护单元4。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，二级保护单元2为低电位TVS串接MOV（压敏电阻），充电保护单元4为低电位TVS串接MOV。其余同实施例1。
实施例3
如图4所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1和三级保护单元3，三级保护单元3的箝位电压高于一级保护单元1的箝位电压，充电保护模块包括充电保护单元4。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，三级保护单元3为TSS（半导体放电管）串接MOV（压敏电阻），充电保护单元4为低电位TVS串接MOV。其余同实施例1。
实施例4
如图5所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1和二级保护单元2，二级保护单元2的箝位电压高于一级保护单元1的箝位电压，充电保护模块包括充电保护单元8。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，二级保护单元2为低电位TVS串接MOV，充电保护单元8为高电位TVS。其余同实施例1。
实施例5
如图6所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1和三级保护单元3，三级保护单元3的箝位电压高于一级保护单元1的箝位电压，充电保护模块包括充电保护单元8。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，三级保护单元3为TSS串接MOV，充电保护单元8为高电位TVS。其余同实施例1。
实施例6
如图7所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1、二级保护单元2和三级保护单元3，一级保护单元1、二级保护单元2和三级保护单元3的箝位电压依次升高，充电保护模块包括充电保护单元8。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，二级保护单元2为低电位TVS串接MOV，三级保护单元3为TSS串接MOV，充电保护单元8为高电位TVS。其余同实施例1。
实施例7
如图8所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1和三级保护单元3，三级保护单元3的箝位电压高于一级保护单元1的箝位电压，充电保护模块包括充电保护单元9。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，三级保护单元3为TSS串接MOV，充电保护单元9为TSS串接MOV。其余同实施例1。
实施例8
如图9所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1和二级保护单元2，二级保护单元2的箝位电压高于一级保护单元1的箝位电压，充电保护模块包括充电保护单元9。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，二级保护单元2为低电位TVS串接MOV，充电保护单元9为TSS串接MOV。其余同实施例1。
实施例9
如图10所示，本实施例提供的多重混合型箝位保护电路中，放电保护模块包括一级保护单元1、二级保护单元2和三级保护单元3，一级保护单元1、二级保护单元2和三级保护单元3的箝位电压依次升高，充电保护模块包括充电保护单元9。具体地，一级保护单元1为高电位TVS，二级保护单元2为低电位TVS串接MOV，三级保护单元3为TSS串接MOV，充电保护单元9为TSS串接MOV。其余同实施例1。
上述保护电路通过高电位TVS（即大功率TVS，峰值功率：3000W-5000W）搭配小功率（峰值功率：400W-600W）TVS串接MOV（压敏电阻）和TSS（半导体放电管）串接MOV（压敏电阻）后的混合方式，具有箝位响应速度快，箝位电子物料少，成本低，组合搭配方式多样化，实现分段层次化箝位保护。
在其他实施方式中，还可以通过一个高位TVS，搭配稳压管或TVS与其他功率半导体器件（如：金属-氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET、可控硅SCR、绝缘栅双极型晶体管IGBT、双极性结型晶体管BJT）组合搭配完成特定的电压箝位。如图11所示的一种实施方式，其通过稳压二极管Z1及其配套器件替换能量MOV压敏电阻，其中，R1为门极驱动电阻，R2为下拉电阻，Z1是MOS1 栅极驱动箝位稳压二极管，MOS1是放电MOS管VDS箝位抑制功率器件，参考实施例1-9实现保护，稳压二极管Z1和低电位TVS2可以根据需求调整互换位置放置。也可采用其他功率半导体器件替换压敏电阻。
在另一实施例中还提供一种BMS控制系统，包括如上所述的多重混合型箝位保护电路。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多重混合型箝位保护电路，连接于电池充放电回路中，所述电池充放电回路包括依次串联的电池、放电MOS管和充电MOS管，其特征在于，所述保护电路包括放电保护模块和充电保护模块，
所述放电保护模块为多级保护模块，至少包括均并联于放电MOS管两端的一级保护单元和二级保护单元，且二级保护单元的箝位电压高于一级保护单元的箝位电压，在电池充放电回路发生异常时，实现分段层次箝位保护，所述二级保护单元用于消耗经一级保护单元后的残余能量，
所述充电保护模块包括充电保护单元，并联于充电MOS管两端；
其中，所述一级保护单元包括高电位瞬态电压抑制器，所述二级保护单元包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器和压敏电阻或者所述二级保护单元包括串联连接的半导体放电管和压敏电阻。
2.根据权利要求1所述的多重混合型箝位保护电路，其特征在于，所述放电保护模块还包括三级保护单元，该三级保护单元并联于放电MOS管两端，所述一级保护单元、二级保护单元和三级保护单元的箝位电压依次升高。
3.根据权利要求2所述的多重混合型箝位保护电路，其特征在于，所述二级保护单元包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器和压敏电阻，所述三级保护单元包括串联连接的半导体放电管和压敏电阻。
4.根据权利要求1所述的多重混合型箝位保护电路，其特征在于，所述充电保护单元包括串联连接的低电位瞬态电压抑制器和压敏电阻。
5.根据权利要求1所述的多重混合型箝位保护电路，其特征在于，所述充电保护单元包括串联连接的半导体放电管和压敏电阻。
6.根据权利要求1所述的多重混合型箝位保护电路，其特征在于，所述充电保护单元包括高电位瞬态电压抑制器。
7.根据权利要求3、4任一所述的多重混合型箝位保护电路，其特征在于，所述低电位瞬态电压抑制器的峰值功率为400W-600W。
8.一种BMS控制系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的多重混合型箝位保护电路。
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