動力鋰離子保護板大電流開關組電路的製作方法
2023-06-30 20:10:16 1
專利名稱：動力鋰離子保護板大電流開關組電路的製作方法
技術領域：
應用在動力可充電電池保護系統中的開關組件。尤其適於應用在動力鋰離子等可充電電池。
背景技術：
目前動力可充電電池發展日益加快，動力可充電電池在使用中的安全性和可靠性問題是可充電電池應用領域的一個重大技術難點。例如，動力鋰離子鑑於其在充電或放電工作循環中具有一定的危險性所以必須安裝電池保護電路板。而在現有的電池保護電路中，當電池在數十或數百安培以上的超大電流輸出/輸入時，如何確保電池保護電路的可 靠性，該課題一直是目前可充電電池保護電路的技術瓶頸。動力鋰離子保護板大電流開關組件提供了一種能夠應用在大電流、乃至超大電流保護系統開關部件的設計思路以及方法。本實用新型很好的解決了可靠性問題。
發明內容本實用新型的目的是提高當前應用於大功率動力裝備的動力鋰離子保護系統的開關部件的可靠性。以大幅度降低設置在動力鋰離子電池裝置內的電池保護系統的功率開關部件失效，而導致該電池裝置的過放電，過充電，異常開路等引發電池失效的故障，以及該電池裝置因異常短路而引發電池起火爆炸的風險。本實用新型動力鋰離子保護板大電流開關組件電路修改了現有技術中MOS管功率開關的驅動系統，放棄傳統的控制器輸出直接驅動功率MOS管的弱信號驅動方式方式，增加了專用功率MOS驅動集成電路來驅動MOS管功率開關，這種專用功率MOS驅動集成電路具備放大緩衝級，並增加了鉗位保護電路，能夠輸出足夠強的驅動功率驅動MOS管，並且提供了關斷MOS管的負電平；提供了獨立的隔離的驅動電源。本實用新型的動力鋰離子保護板大電流開關組件電路中，使用兩組相同的MOS管並聯組合電路，在電流輸出通路上，將上述兩組MOS管並聯組合電路反向串聯；兩組MOS管功率組件的控制電路的輸入電源以及輸入信號以共享的方式來提可靠性和提高電流開關能力。本實用新型要求保護一種動力鋰離子電池保護板的大電流開關組，該動力鋰離子保護板的大電流開關組包括結構相同的第一電流開關組件和第二電流開關組件，所述電流開關組件包括驅動集成電路，隔離驅動電源，驅動緩衝級，多組並聯連接的功率MOS管構成電流開關，每個功率MOS管的源極和漏極之間並聯由電阻和電容串聯組成的吸收電路，所述電流開關組件的各功率MOS管的源極與源極、漏極和漏極互聯構成電流端子，第一電流開關組件一個電流端子與第二電流開關組件的同名電極電流端子連接，構成串聯的該動力鋰離子保護板的大電流開關組，第一電流開關組件另一個電流端子與第二電流開關組件的同名電極電流端子分別連接電池和負載電路。其中驅動集成電路具有一組功能控制線，包括下列外部連接信號線端子信號正，信號負，故障信號輸出，輸入故障解除信號。驅動集成電路的驅動信號輸出經過驅動緩衝級放大後提供具有正負電平的輸出信號，該具有正負電平輸出信號提供給各功率MOS管的控制電極，用於驅動功率MOS管的導通或關斷。所述隔離驅動電源由輸入的直流電供給電源，隔離驅動電源給驅動集成電路供電，隔離驅動電源包括一開關電源模塊，將輸入的直流電變換為一組具有公共端的正負電源輸出。所述具有公共端的正負電源輸出供給驅動緩衝級。所述具有公共端的正負電源優選為±15V。所述驅動緩衝級包括兩隻控制電極互聯的電晶體，兩電晶體的導電極性相反，兩電晶體的一對電流電極互聯提供驅動功率MOS管的驅動信號，兩電晶體的另外一對電流電極分別連接到隔離電源輸出的正負電源輸出端。所述驅動緩衝級電晶體分別為NPN型和PNP型雙極型電晶體。所述動力鋰離子保護板的大電流開關組包括電流異常檢測電路。該電流異常檢測電路能夠在整個大電流開關組出現電流異常時切斷第一電流開關組件和第二電流開關組件中的各功率MOS管，並同時由驅動集成電路輸出一個電流異常故障信號給外部控制電路。所述電流異常檢測電路是通過檢測功率MOS管源極和漏極之間的電壓壓降來確定電流 異常故障。其中驅動集成電路可選用HP公司的專用驅動集成電路HCPL316J。
以下結合附圖對本實用新型做出進一步的詳細說明
圖I :本實用新型的開關組電路的電路原理框附圖。圖2 :本實用新型的開關組電路的第一電流開關組件A的隔離驅動電源電路。圖3 :本實用新型的開關組電路的第二電流開關組件B的隔離驅動電源電路。圖4 :本實用新型的開關組電路的輸入輸出接口電路。圖5 :本實用新型的開關組電路晶片接口保護電路I。圖6 :本實用新型的開關組電路晶片接口保護電路2。圖7 :本實用新型的開關組電路晶片接口保護電路3。圖8 :本實用新型的開關組電路的第一電流開關組件的驅動集成電路以及驅動信號緩衝電路。圖9 :本實用新型的開關組電路的第二電流開關組件驅動集成電路以及驅動信號緩衝電路。圖10 :本實用新型的開關組電路的第一和第二電流開關組件的功率MOS管組合電路前半部分原理圖。圖11 :本實用新型的開關組電路的第一和第二電流開關組件的功率MOS管組合電路後半部分原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型動力鋰離子保護板大電流開關組電路進行詳細的說明動力鋰離子保護板的大電流開關組的原理框圖如附圖I所示，整個功率部分分成相同的第一電流開關組件和第二電流開關組件兩部分，其中功能控制線信號正in+，信號負in-，第一電流開關組件的故障解除rest和電源DC12_in都共享，把第一電流開關組件A和第二電流開關組件B兩部分的漏極端功率輸出0UT_D直接連接，把第一電流開關組件和第二電流開關組件兩部分的源極端功率輸出0UT_S分別連接到電池和負載以構成了一個超大電流開關功率組，在第I實施例中我們把功率第一電流開關組件部分的OUT_S設定為連接電池，第二電流開關組件部分的OUT_S設定為連接負載。其中電路第一電流開關組件或第二電流開關組件都包括如下4大部分，隔離驅動電源2包含了一 DC/DC電源，由DC12_in輸入12V直流電壓後，經過DC/DC變換成一組正15V負15V的電壓，給電路提供獨立的工作電源。還包含了一個驅動集成電路1C，負責響應外部上位控制機命令，處理異常過流以及返回故障信號，同時提供MOS管開關信號和驅動能力。控制信號由電路的信號正in+和信號負in-輸入後經過驅動集成電路IC處理後送到驅動緩衝級3，經過驅動緩衝級的電流緩衝後的驅動信號送到由多個並聯的MOS管 的柵極，控制MOS管的打開和關閉，同時功率MOS管部分4通過二極體等電路連接到驅動集成電路1C，返回一個故障狀態。如果出現電流異常驅動集成電路IC自動的關閉功率MOS管，同時在第一電流開關組件的故障輸出端輸出一個故障狀態信號。故障狀態解除需要在故障解除端rest上發送一個復位命令。由於第一電流開關組件和第二電流開關組件的電路結構是完全相同，因而第一電流開關組件和第二電流開關組件組合方式也可以採用其他形式組合，例如兩組電流開關組件的漏極端功率輸出0UT_D分別連接電源和負載，而兩組電流開關組件的源極端功率輸出0UT_S直接連接。功率MOS管也能由雙極型功率電晶體或IGBT代換。附圖2和3表示了隔離驅動電源的電路原理，其中第一組電流開關組件的隔離驅動電源包括了的核心是電源模塊PAWl，電源模塊的輸入連接到+48V和48VGND上，電源模塊的輸入並聯濾波電容CA12—CA14，電阻RA18與RA19並聯後和穩壓管WA3、WA4串聯組成吸收保護電路，該吸收保護電路並聯在電源模塊的輸入側。電源模塊的輸出以OV (DCl)為中心，+VO輸出正15V (+15VA)，-VO輸出負15V (-15VA)，+VO和OV端並聯濾波電容CA15—CA19。-VO和OV之間同時並聯CA20 — CA24。如此形成的+15VA，-15VA提供給驅動緩衝級的電晶體，驅動功率A或B組功率MOS管的導通和關斷。第二組電流開關組件的隔離驅動電源的結構和第一組電流開關組件的隔離驅動電源相同，僅標識符號略有差別。附圖5-7是晶片接口保護電路，屬於常用的保護電路結構，附圖中已經詳細描述清楚，不再綴述。附圖8和9是第一組電流開關組件和第二組電流開關組件的驅動集成電路IC和驅動緩衝級的電路原理圖，第一組電流開關組件的驅動集成電路是惠普公司生產的HCPL316J專用集成驅動電路。驅動緩衝級包括。限流電阻RA4，和負載電阻RA5，限流電阻RA4的一端連接到驅動集成電路的信號輸出端，緩衝三極體QAl是NPN型三極體，其集電極連接到+15V電源端，QA2是PNP型三極體，其集電極連接到-15V電源端。QAl和QA2的基極互聯後連接限流電阻RA4的另一端，電阻RA8 — RA13三個一組，並聯後再串聯連接，該電阻組合的兩端分別連接QAl和QA2的發射極，該電阻組合的互聯端連接功率MOS管的柵極，輸出驅動信號驅動功率MOS管，鉗位保護二極體DA4，DA5的陽極互聯，二極體DA4的陰極連接電阻組合的互聯端，二極體DA5的陰極接OV端。第二組電流開關組件的驅動緩衝級的結構和第一組電流開關組件的驅動緩衝級相同，僅標識符號略有差別。NPN三極體型號優選為MJD44H11的，PNP三極體型號優選為MJB45H11。當然緩衝級電晶體也能使用MOS電晶體。附圖10、圖11是第一組和第二組電流開關組件的MOS管並聯的拓撲圖，每一組電流開關組件由多個相同型號的功率MOS管並聯組成，每組並聯功率MOS管的個數由設計電流決定，可依據電池最大輸出電流和被選用功率MOS管的工作電流來設計並聯的管數，電流大的電池組可以增加並聯的功率MOS管的數量。實施例I的電路由8個管子組成一組。每組功率MOS包括了 MOS管VA1-VA7，VAN，還包括MOS管柵漏電阻，兩隻電阻並聯後一端連接MOS管柵極，另一端連接到驅動緩衝級的驅動信號輸出(Gl，G2)同時每個功率MOS管的源極漏極之間並聯由電阻和電容串聯的吸收回路。最後電路還包括若干接口，JAlO JA4等，提供板子之間信號的互連以及電源的連接。管子開關和信號的對應關係的功能說明當信號正in+輸入一個高電平，信號負in-輸入一個低電平的時候，功率控制A的MOS管並聯組和功率控制BMOS管並聯組都同時打開，電池端OUT—D和負載端0UT_D被模塊連接起來，類似於接觸器吸合，迴路允許有電流流過，反之迴路斷開，不允許有電流流過。當模塊打開時，如若電路有異常，導致電流異常過流功率控制板A或功率控制板B中各自的驅動集成電路會檢測到MOS管並聯群的導通壓降大於保護點，迅速關斷MOS管,並同時從故障輸出fault埠輸出一個低電平信號,告訴控制部分上位機出現了電流異常。當電路需要從故障保護中再次啟動的話必須在控制電路給故障解除rest送一個低電平的脈衝，去解除故障鎖定狀態，然後再給信號正in+輸入一個高電平，信號負in-輸入一個低電平，功率控制A的MOS管並聯組和功率控制BMOS管並聯組才會被再次開啟。上述電路原理及電路結構為本實用新型的較佳實施例之一，而非對本實用新型保護範圍的唯一限定，凡本實用新型權利要求書限定範圍的相同製作皆屬本實用新型所涵蓋的範圍。權利要求1.一種動力鋰離子保護板大電流開關組電路，其特徵是，該動力鋰離子保護板的大電流開關組包括結構相同的第一電流開關組件和第二電流開關組件，所述電流開關組件包括驅動集成電路，隔離驅動電源，驅動緩衝級，多組並聯連接的功率MOS管構成電流開關，每個功率MOS管的源極和漏極之間並聯由電阻和電容串聯組成的吸收電路，所述電流開關組件的各功率MOS管的源極與源極、漏極和漏極互聯構成電流端子，第一電流開關組件一個電流端子與第二電流開關組件的同名電極電流端子連接，構成串聯的該動力鋰離子保護板的大電流開關組，第一電流開關組件另一個電流端子與第二電流開關組件的同名電極電流端子分別連接電池和負載電路。
2.如權利要求I所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，其中驅動集成電路具有一組功能控制線，包括下列外部連接信號線端子信號正，信號負，故障信號輸出，輸入故障解除信號。
3.如權利要求I所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，驅動集成電路的驅動信 號輸出經過驅動緩衝級放大後提供具有正負電平的輸出信號，該具有正負電平輸出信號提供給各功率MOS管的控制電極，用於驅動功率MOS管的導通或關斷。
4.如權利要求I所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，其中驅動集成電路為HP公司的專用驅動集成電路HCPL316J。
5.如權利要求I所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，所述隔離驅動電源由輸入的直流電供給電源，隔離驅動電源向驅動集成電路供電，隔離驅動電源包括一開關電源模塊，將輸入的直流電變換為一組具有公共端的正負電源輸出。
6.如權利要求5所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，所述具有公共端的正負電源輸出供給驅動緩衝級。
7.如權利要求5所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，所述具有公共端的正負電源優選為±15V。
8.如權利要求I所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，所述驅動緩衝級包括兩隻控制電極互聯的電晶體，兩電晶體的導電極性相反，兩電晶體的一對電流電極互聯提供驅動功率MOS管的驅動信號，兩電晶體的另外一對電流電極分別連接到隔離電源輸出的正負電源輸出端。
9.如權利要求8所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，所述驅動緩衝級的電晶體分別為NPN型和PNP型雙極型電晶體。
10.如權利要求I所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，所述動力鋰離子保護板的大電流開關組包括電流異常檢測電路，該電流異常檢測電路能夠在整個大電流開關組出現電流異常時切斷第一電流開關組件和第二電流開關組件中的各功率MOS管，並同時由驅動集成電路輸出一個電流異常故障信號給外部控制電路。
11.如權利要求10所述的動力鋰離子保護板大電流開關組電路，所述電流異常檢測電路是通過檢測功率MOS管源極和漏極之間的電壓壓降來確定電流異常故障。
專利摘要本實用新型揭示一種動力鋰離子保護板大電流開關組電路，包括結構相同的第一電流開關組件和第二電流開關組件，所述電流開關組件包括驅動集成電路，隔離驅動電源，驅動緩衝級，多組並聯連接的功率MOS管構成電流開關，每個功率MOS管的源極和漏極之間並聯由電阻和電容串聯組成的吸收電路，所述電流開關組件的各功率MOS管的源極與源極、漏極和漏極互聯構成電流端子，第一電流開關組件一個電流端子與第二電流開關組件的同名電極電流端子連接，構成串聯的該動力鋰離子保護板的大電流開關組。本實用新型可提高當前應用於大功率動力裝備的動力鋰離子保護系統的開關部件的可靠性。
文檔編號H02H7/18GK202474829SQ201120134090
公開日2012年10月3日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者韓競科 申請人:韓競科