CN216794612U - 一种锂电池二次保护模块及保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及储能锂电池的技术领域，具体的涉及一种锂电池二次保护模块及保护电路。所述保护模块包括保险丝，其两端连接处形成输入端口和输出端口；MOSFET，所述MOSFET的栅极形成栅极端口，所述MOSFET的源极形成源极端口，所述MOSFET的漏极形成漏极端口；所述MOSFET和保险丝封装在所述保护模块中，所述保护模块串联在锂电池保护电路中，用于对锂电池进行短路。一种锂电池二次保护电路包括保护模块；锂电池，锂电池正极与所述保护模块的输入端口连接，锂电池负极与所述保护模块的源极端口连接；BMS，其一端与所述保护模块的输出端口、栅极端口、源极端口分别连接，所述BMS的另一端与负载连接。本实用新型可以有效解决当BMS功率MOSFET失效后的引发的电池爆炸、着火等安全隐患。

Description

一种锂电池二次保护模块及保护电路

技术领域

本实用新型涉及储能锂电池的技术领域，更具体的涉及一种锂电池二次保护模块及保护电路。

背景技术

随着锂电池储能技术的发展及相关储能设备、新能源设备的广泛普及，储能锂电池已经进入日常生活中每个角落。但随之而来的是多起因锂电池引发的爆炸、失火等安全事故，对人员生命安全、财产安全等多方面造成了不可弥补的损伤与危害。

传统锂电池保护系统(BMS)大多采用功率器件MOSFET串联于电池——负载功率回路当中，当发生短路、过载等各类异常问题时，MOSFET关闭切断功率回路，保障电路安全。但因半导体材料特性，器件损坏失效后对外呈短路现象，因而在一些高温等极端异常环境下，BMS功率MOSFET意外失效，此时电路失去保护功能，此时能量回路未被切断，极易造成锂电池爆炸、着火、烧毁负载等，甚至危及人员生命与财产安全。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种锂电池二次保护模块及保护电路。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供一种锂电池二次保护模块，极大地提高了电路的安全性能。

本实用新型还有一个目的是提供一种锂电池二次保护电路，在BMS功率MOSFET失效后主动进行熔断式二次保护，彻底切断电池正极，可以有效解决当BMS功率MOSFET失效后的引发的电池爆炸、着火等安全隐患。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型提供了一种锂电池二次保护模块，包括：

保险丝，其两端连接处形成输入端口和输出端口；

MOSFET，所述MOSFET的栅极形成栅极端口，所述MOSFET的源极形成源极端口，所述MOSFET的漏极形成漏极端口；

其中，所述MOSFET和保险丝封装在所述保护模块中，所述保护模块串联在锂电池保护电路中，用于对锂电池进行短路。

优选的是，所述保险丝采用热熔端型保险丝。

优选的是，还包括输入基岛和输出基岛，所述输入基岛和所述输出基岛采用独立铜基岛，并分别连接管脚PIN形成输入端口和输出端口，所述保险丝的两端分别键合在所述输入基岛和所述输出基岛上，所述输入基岛和所述输出基岛与所述MOSFET、所述保险丝整体封装在所述保护模块中。

本实用新型还提供了一种锂电池二次保护电路，包括：

保护模块，如上述的锂电池二次保护模块；

锂电池，锂电池正极与所述保护模块的输入端口连接，锂电池负极与所述保护模块的源极端口连接；

BMS，其一端与所述保护模块的输出端口、栅极端口、源极端口分别连接，所述BMS的另一端与负载连接。

优选的是，还包括电阻，所述电阻的一端连接至所述漏极端口，所述电阻的另一端连接至所述输出端口连接。

优选的是，还包括控制器，所述BMS通过所述控制器与所述保护模块的栅极端口连接。

优选的是，所述保险丝的一端通过所述输入端口与所述锂电池正极连接，所述保险丝的另一端通过所述输出端口与所述BMS连接，所述MOSFET的栅极通过所述栅极端口、所述控制器与所述BMS连接，所述MOSFET的源极通过所述源极端口分别与所述锂电池负极、所述BMS连接，所述MOSFET的漏极通过所述漏极端口、所述电阻与所述BMS连接。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1、本实用新型提供的一种锂电池二次保护模块，其可作为第三模块直接串联于功率回路中，无需对原BMS结构进行更改，且无需外部功率器件控制，就可直接保护电路，极大地提高了安全性能。

2、本实用新型提供的一种锂电池二次保护模块，其体积小，成本低，有市场竞争力，可广泛应用于所有锂电保护中。

3、本实用新型提供的一种锂电池二次保护模块，其将电子元件封装，形成一个整体，具有开发难度低、应用简易、工作环境无要求等特点。

4、本实用新型提供的一种锂电池二次保护电路，其采用保护模块，方便连接，能够在极短时间内将电池正极与负载电路断开，保障电路安全。

5、本实用新型提供的一种锂电池二次保护电路，其采用保护模块，无需对原BMS结构进行改进，且无需外部独立功率器件控制，避免了现有多个分立器件协调工作方可进行二次保护的电路结构与模式。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本实用新型所述的锂电池二次保护模块的电路原理图；

图2是本实用新型所述的锂电池二次保护模块的结构示意图；

图3是本实用新型所述的锂电池二次保护电路的一个实施例的电路原理图；

图4是本实用新型所述的锂电池二次保护电路的一个实施例的电路原理图；

图5是本实用新型所述的锂电池二次保护电路异常情况下的电路原理图；

图6是本实用新型所述的保险丝的塑封结构示意图；

其中，D1-输入端口，D2-输出端口，D0-漏极端口，S-源极端口，G-栅极端口，R-电阻，BATTERY-锂电池，Load-负载，Driver-控制器，Fuse-保险丝，1-输入基岛，2-输出基岛，3-保险丝，4-MOSFET，5-塑封体，6-保险丝裸露部分，7-塑封体外边缘。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本说明书中，当一个元件被提及为“连接至或耦接至”另一个元件或“设置在另一个元件中”时，其可以“直接”连接至或耦接至另一元件或“直接”设置在另一元件中。或以其他元件介于其间的方式连接至或耦接至另一元件或设置在另一元件中，除非其被体积为“直接耦接至或连接至”另一元件或“直接设置”在另一元件中。此外，应理解，当一个元件被提及为“在另一元件上”、“在另一元件上方”、“在另一元件下”或“在另一元件下方”时，其可与另一元件“直接”接触或以其间介入有其他元件的方式与另一元件接触，除非其被提及为与另一元件直接接触。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种锂电池二次保护模块，其在MOSFET的基础上，采用五端口结构，具体包括：

保险丝3，其两端连接处形成输入端口D1和输出端口D2；

MOSFET4，所述MOSFET4的栅极形成栅极端口G，所述MOSFET4的源极形成源极端口S，所述MOSFET4的漏极形成漏极端口D0；

具体的，如图2所示，还包括输入基岛1和输出基岛2，所述输入基岛1和所述输出基岛2采用两块完全独立的铜基岛，并外部各存在管脚PIN形成输入端口D1和输出端口D2，在封装时整体进行塑封体包裹，与其他结构一同形成整体；

所述保险丝3采用热熔端型保险丝，所述保险丝的两端利用封装工艺分别键合在所述输入基岛1和所述输出基岛2上，所述输入基岛1、所述输出基岛2与所述MOSFET4、所述保险丝整体封装在塑封体5中，形成保护模块，所述保护模块串联在锂电池保护电路中，用于对锂电池进行短路。

如图1所示锂电池主动式五端口二次保护模块的电路图，可依据实际应用规模、温度、功率电流大小，可自由变换框架基岛体积大小、保险丝键合线数量及阻值、功率及封装尺寸、功率MOSFET、参数规格，以达到保障电路安全的同时低成本化、高性能化，具有自由度高、制造工艺简单等特点。

如2所示锂电池主动式五端口二次保护模块的结构图，包括但不局限于上述形状、结构、连接方式，其内部结构、封装外形、尺寸、引脚名称可依据实际需求进行定制化设计。

在将锂电池二次保护模块中的电子元件进行塑封的时候，如果将保险丝完全埋入塑封中，那么保险丝失效瞬间会导致塑封体炸裂，或保险丝熔断后发生二次融合现象。塑封体炸裂会出现极大炸裂声与电火花，对于锂电池是极不稳定的存在。保险丝熔断后发生二次融合会导致保护不完全、不彻底现象。

基于上述缺点，结合塑封体碳化温度曲线、应力曲线，及保险丝熔断温度曲线，本申请在结构上将保险丝处于塑封体外边缘7，并裸漏部分，当短路异常保险丝熔断时，保险丝裸漏部分6因瞬态热阻较大优先发生熔断且无火花、异响或二次融合情况，如图6所示。

另外，在保护模块中，除常规保险丝外，依据不同功率级别，可将保险丝更换为低阻值电阻、锰铜丝等。MOS器件可更换为三极管，具有更低成本。

如图3所示，本实用新型还提供了一种锂电池二次保护电路，包括：

保护模块，如上述的锂电池二次保护模块；

锂电池，锂电池正极与所述保护模块的输入端口连接，锂电池负极与所述保护模块的源极端口连接；

BMS，其一端与所述保护模块的输出端口、栅极端口、源极端口分别连接，所述BMS的另一端与负载连接。

本实用新型提供的锂电池二次保护电路，其采用的上述的锂电池二次保护模块，其可作为第三模块直接串联于功率回路，无须对原BMS结构进行更改，且无需外部独立功率器件控制。改变了现有多个分立器件协调工作方可进行二次保护的电路结构与模式，直接利用高功率密度半导体封装技术，将fuse与MOS模块化，直接连接在电路中，具有开发难度低、体积小、应用简易、工作环境无要求等优势，可广泛应用于所有锂电保护应用。

具体的，还包括电阻R，所述电阻R的一端连接至所述漏极端口D0，所述电阻R的另一端连接至所述输出端口D2连接。

所述电阻为低阻抗电阻R，其为外部独立功率电阻，通过外部电路连接于输出端口D2与漏极端口(也可以称为保护端口)D0直接；功率MOSFET采用常规增强型MOSFET，并外部利用Driver(控制器可作为单独独立器件，所述BMS通过所述控制器与所述保护模块的栅极端口连接)进行驱动控制，或直接使用具有Driver功能的BMS。

当外部BMS异常失效时，为保证人员、设备安全，避免发生火灾或爆炸，需在极短时间内切断电池功率正极。此时外部Driver控制所述功率MOSFET的栅极G引脚主动开启MOSFET，低阻抗电阻R直接通过上述保险丝短路电池，此时瞬间保险丝通过大电流并将其熔断，电池正极与外部电路开路，保障电路安全。

在上述实施例的基础上，再一个实施例，如图4所示，所述保险丝的一端通过所述输入端口与所述锂电池正极连接，所述保险丝的另一端通过所述输出端口与所述BMS连接，所述MOSFET的栅极通过所述栅极端口、所述控制器与所述BMS连接，所述MOSFET的源极通过所述源极端口分别与所述锂电池负极、所述BMS连接，所述MOSFET的漏极通过所述漏极端口、所述电阻与所述BMS连接。

在常规锂电池正常工作情况下，输入基岛1和输出基岛2导通，电池功率回路：电池正极——输入基岛(输入端口D1)——输出基岛(输出端口D2)——BMS_MOS——负载——电池负极，保护模块不发挥作用。

本实用新型的工作原理如下：

当锂电池正常工作时，输入基岛和输出基岛导通，电流功率回路：电池正极-输入端口-输出端口-BMS-负载-电池负极；

如图5所示，当锂电池保护板功率MOSFET失效时，电池对外负载呈现直通或短路放电状态，此时BMS可直接监测到MOS发生失效且主功率回路具有极大的电流，判定为系统异常短路情况，BMS给予Driver控制信号控制所述MOSFET导通，电池功率电流依次通过保险丝、低阻值电阻R、MOSFET漏极发生主动式短路，短路电流熔断保险丝，令电池开路，保护电池及外部负载设备安全。

本实用新型在在键合方式上以MOSFET为基体，输入端口D1、输出端口D2采用双基岛式结构，采用保险丝作为输入、输出端口键合线，在电路结构上保险丝键合线串联于电池正极，来实现保护电池电路的作用。

本实用新型涉及所有中小功率型储能锂电池领域，主要适用于穿戴设备、家用充电电器、储能电源、电动车电池、小型光伏发电储能能各类带有锂电池储能功率的电气类应用，适用于民用消费类、工业生产类、汽车电子等各级市场。

显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本实用新型的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种锂电池二次保护模块，其特征在于，包括：

保险丝，其两端连接处形成输入端口和输出端口；

MOSFET，所述MOSFET的栅极形成栅极端口，所述MOSFET的源极形成源极端口，所述MOSFET的漏极形成漏极端口；

其中，所述MOSFET和保险丝封装在所述保护模块中，所述保护模块串联在锂电池保护电路中，用于对锂电池进行短路。

2.如权利要求1所述的锂电池二次保护模块，其特征在于，所述保险丝采用热熔端型保险丝。

3.如权利要求1所述的锂电池二次保护模块，其特征在于，还包括输入基岛和输出基岛，所述输入基岛和所述输出基岛采用独立铜基岛，并分别连接管脚PIN形成输入端口和输出端口，所述保险丝的两端分别键合在所述输入基岛和所述输出基岛上，所述输入基岛和所述输出基岛与所述MOSFET、所述保险丝整体封装在所述保护模块中。

4.一种锂电池二次保护电路，其特征在于，包括：

保护模块，如权利要求1至3中任意一项所述的锂电池二次保护模块；

锂电池，锂电池正极与所述保护模块的输入端口连接，锂电池负极与所述保护模块的源极端口连接；

BMS，其一端与所述保护模块的输出端口、栅极端口、源极端口分别连接，所述BMS的另一端与负载连接。

5.如权利要求4所述的锂电池二次保护电路，其特征在于，还包括电阻，所述电阻的一端连接至所述漏极端口，所述电阻的另一端连接至所述输出端口连接。

6.如权利要求5所述的锂电池二次保护电路，其特征在于，还包括控制器，所述BMS通过所述控制器与所述保护模块的栅极端口连接。

7.如权利要求6所述的锂电池二次保护电路，其特征在于，所述保险丝的一端通过所述输入端口与所述锂电池正极连接，所述保险丝的另一端通过所述输出端口与所述BMS连接，所述MOSFET的栅极通过所述栅极端口、所述控制器与所述BMS连接，所述MOSFET的源极通过所述源极端口分别与所述锂电池负极、所述BMS连接，所述MOSFET的漏极通过所述漏极端口、所述电阻与所述BMS连接。

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