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CN118100380B - 一种bms有源钳位保护电路及芯片 - Google Patents

一种bms有源钳位保护电路及芯片 Download PDF

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CN118100380B CN202410524591.6A CN202410524591A CN118100380B CN 118100380 B CN118100380 B CN 118100380B CN 202410524591 A CN202410524591 A CN 202410524591A CN 118100380 B CN118100380 B CN 118100380B
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Abstract

本发明公开一种BMS有源钳位保护电路及芯片，包括：过流检测电路用于在检测到BMS发生短路或过流时，对BMS的过流信号进行滤波及增益放大，得到增益结果；触发电路内部设有基准电压，用于在增益结果大于基准电压时，发送控制信号；逻辑判断自锁电路用于接收控制信号，同时检测BMS的放电管的栅极驱动信号，并在栅极驱动信号为断开信号时，输出驱动信号；共源有源钳位功率回路包括两个共源极连接的场效应管；驱动电路为NPN‑PNP推挽电路，用于在接收到驱动信号时控制共源有源钳位功率回路导通，与电池、放电管形成完整回路。本发明不仅能有效解决BMS发生短路保护、过流保护时候放电管过应力失效的问题，而且低成本、开发难度低、结构简单。

Description

一种BMS有源钳位保护电路及芯片
技术领域
本发明涉及电池管理系统领域，尤其涉及一种BMS有源钳位保护电路及芯片。
背景技术
电池管理系统（Battery Management System，BMS）是一种用于监控和维护电池状态的技术，旨在防止电池过充、过放，延长电池寿命，并优化电池性能。随着超大功率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，对BMS系统的需求进一步提高，例如：对超大功率BMS的过流保护及短路保护。
现有的大功率BMS在过流保护、短路保护时存在放电管过应力失效的问题。目前，常通过以下两种方式来解决上述问题，第一、当外部发生短路过流等情况时，通过继电器或半导体开关器件实现对放电管的预关断，但是预关断功能会与其正常工作机理相冲突，影响BMS系统的正常工作；第二、放电管选取更高规格的半导体器件，或增加半导体器件的数量，但是该方案不仅存在选型困难的问题，还会导致BMS系统成本大幅度升高。
因此，我们需要一种低成本、开发难度低、结构简单的BMS有源钳位保护电路来解决BMS发生短路保护、过流保护时候放电管过应力失效的问题。
发明内容
本发明提供一种BMS有源钳位保护电路及芯片，不仅能有效解决BMS发生短路保护、过流保护时候放电管过应力失效的问题，而且低成本、开发难度低、结构简单。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种BMS有源钳位保护电路，该电路包括依次设置的过流检测电路、触发电路、逻辑判断自锁电路、驱动电路以及共源有源钳位功率回路；
所述过流检测电路用于在检测到BMS发生短路或过流时，对所述BMS的过流信号进行滤波及增益放大，得到增益结果；
所述触发电路内部设有基准电压，用于在所述增益结果大于所述基准电压时，发送控制信号；
所述逻辑判断自锁电路用于接收所述控制信号，同时检测所述BMS的放电管的栅极驱动信号，并在所述栅极驱动信号为断开信号时，输出驱动信号；
所述共源有源钳位功率回路包括两个共源极连接的场效应管，与所述BMS的电池以及所述放电管的漏极连接；
所述驱动电路为NPN-PNP推挽电路，用于在接收到所述驱动信号时控制所述共源有源钳位功率回路导通，与所述电池、所述放电管形成完整回路。
在一种可能的实现方式中，所述共源有源钳位功率回路包括第一场效应管和第二场效应管；
所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的源极连接；
所述第一场效应管的栅极与所述第二场效应管的栅极、以及所述驱动电路的输出端连接；
所述第一场效应管的漏极用于与所述电池的正极连接；
所述第二场效应管的漏极用于与所述放电管的漏极连接。
在一种可能的实现方式中，所述驱动电路包括NPN三极管和PNP三极管；
所述NPN三极管的发射极与所述PNP三极管的发射极连接；
所述NPN三极管的基极与所述PNP三极管的基极、以及所述逻辑判断自锁电路的输出端连接，用于接收所述驱动信号；
所述NPN三极管的集电极用于连接电源，所述PNP三极管的集电极接地。
在一种可能的实现方式中，所述控制信号为高电平，所述断开信号为低电平，所述驱动信号为高电平；
所述逻辑判断自锁电路为逻辑门电路。
在一种可能的实现方式中，所述逻辑门电路包括逻辑非门与逻辑与门；
所述逻辑与门输入端的一端与触发电路的输出端连接，用于接收所述控制信号；所述逻辑与门输入端的另一端与所述逻辑非门的输出端连接，所述逻辑非门的输入端用于与所述放电管的栅极连接。
在一种可能的实现方式中，所述触发电路包括CMP比较器；
所述CMP比较器的输入负极用于接入所述基准电压；所述CMP比较器的输入正极与所述过流检测电路的输出端连接，用于接入所述增益结果；所述CMP比较器的输出端用于输出所述控制信号。
在一种可能的实现方式中，所述基准电压为0.25~1.25V。
在一种可能的实现方式中，所述过流检测电路包括差分运放器；
所述差分运放器的输入正极和输入负极用于连接在所述BMS的电池负极与放电管源极之间的保护电阻两端；
所述差分运放器的输出端用于输出所述增益结果。
在一种可能的实现方式中，所述差分运放器的增益为4~10倍。
第二方面，本发明提供一种BMS有源钳位保护芯片，包括上述任一项所述的BMS有源钳位保护电路。
本发明实施例提供的BMS有源钳位保护电路在实际应用时，当BMS发生短路或过流时，首先，通过过流检测电路对过流信号进行差分采样、滤波及增益放大，得到增益结果；其次，触发电路在增益结果大于其内部设置的基准电压时发送控制信号；之后，逻辑判断自锁电路在接收到控制信号的同时，检测BMS的放电管的栅极驱动信号，并在栅极驱动信号为断开信号时，输出驱动信号；最后，驱动电路接收到驱动信号时控制共源有源钳位功率回路导通，与电池、放电管形成完整回路，从而给BMS的外部寄生电感一定的续流通道，同时利用BMS的电池正极输出电平将放电管电压钳位到电池正极的输出电平，同时外部寄生电感能量通过有源钳位续流回路，完成对电池正极输出电平的充电及能量回收，从而避免了BMS发生短路保护、过流保护时候放电管过应力失效的问题，而且本发明的BMS有源钳位保护电路结构简单、成本低、开发难度低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的现有技术中BMS的电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种BMS有源钳位保护电路与BMS的连接结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种BMS有源钳位保护电路的结构示意图。
附图标记及说明：
11、过流检测电路；12、触发电路；13、逻辑判断自锁电路；14、驱动电路；15、共源有源钳位功率回路。
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做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。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，“基于”或“根据”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”或“根据”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。
如图1所示，电池管理系统（Battery Management System，BMS）包括电池、负载输出端、外部寄生电阻、外部寄生电感、充电管Q6、放电管Q5以及保护电阻R4。
其中，外部寄生电阻包括外部引线寄生电阻R1与负载寄生电阻R2，外部寄生电感包括外部引线寄生电感L1与负载寄生电感L2。
负载寄生电感L2与负载寄生电阻R2串联设置在负载输出端的正极P+与负极P-之间，外部引线寄生电感L1与外部引线寄生电阻R1串联设置在电池的正极B+与负载输出端的正极P+之间，充电管Q6的源极与负载输出端的负极P-连接，充电管Q6的漏极与放电管Q5的漏极连接，放电管Q5的源极与电池的负极B-连接，保护电阻R4串联在电池的负极B-与放电管Q5的源极之间。
对于低端大功率BMS而言，在发生过流保护、短路保护时，因外部引线寄生电感L1与负载寄生电感L2的感性负载特性的存在，会导致放电管Q5在关断瞬间产生极大的感应电动势及电感续电流，该感应电动势及电感续电流再与电池正极B+的电压叠加，导致放电管Q5瞬间承受极大的电压应力及雪崩电流应力，进而引发放电管Q5失效。
本发明提供一种BMS有源钳位保护电路及芯片，不仅能有效解决BMS发生短路保护、过流保护时候放电管过应力失效的问题，而且低成本、开发难度低、结构简单。
如图2、图3所示，本发明实施例提供的一种BMS有源钳位保护电路包括依次设置的过流检测电路11、触发电路12、逻辑判断自锁电路13、驱动电路14以及共源有源钳位功率回路15。
过流检测电路11用于在检测到BMS发生短路或过流时，对BMS的过流信号进行滤波及增益放大，得到增益结果。
触发电路12内部设有基准电压Vref，用于在增益结果大于基准电压Vref时，发送控制信号。
逻辑判断自锁电路13用于接收控制信号，同时检测BMS的放电管Q5的栅极驱动信号，并在栅极驱动信号为断开信号时，输出驱动信号。
共源有源钳位功率回路15包括两个共源极连接的场效应管，与BMS的电池以及放电管Q5的漏极连接。
在本实施例中，共源有源钳位功率回路15采用两个大功率的N-Channel MOSFET共源组成。
驱动电路14为NPN-PNP推挽电路，用于在接收到驱动信号时控制共源有源钳位功率回路导通，与电池的正极B+、负极B-、放电管Q5形成完整回路。
本发明实施例提供的BMS有源钳位保护电路在实际应用时，当BMS发生短路或过流时，首先，通过过流检测电路11对过流信号进行差分采样、滤波及增益放大，得到增益结果。
其次，触发电路12在增益结果大于其内部设置的基准电压Vref时发送控制信号。
之后，逻辑判断自锁电路13在接收到控制信号的同时，检测BMS的放电管Q5的栅极驱动信号，并在栅极驱动信号为断开信号时，输出驱动信号。
最后，驱动电路14接收到驱动信号时控制共源有源钳位功率回路15导通，与电池、放电管Q5形成完整回路。
共源有源钳位功率回路15导通与电池、放电管Q5形成完整回路后，给BMS的外部寄生电感一定的续流通道，同时利用BMS的电池正极B+输出电平将放电管Q5的电压钳位到电池正极B+的输出电平，同时外部寄生电感能量通过有源钳位续流回路，完成对电池正极B+输出电平的充电及能量回收，从而避免了BMS发生短路保护、过流保护时候放电管过应力失效的问题，而且本发明的BMS有源钳位保护电路结构简单、成本低、开发难度低。
可选的，共源有源钳位功率回路15包括第一场效应管Q3和第二场效应管Q4。
其中，第一场效应管Q3的源极与第二场效应管Q4的源极连接；
第一场效应管Q3的栅极与第二场效应管Q4的栅极、以及驱动电路14的输出端连接；
第一场效应管Q3的漏极用于与电池的正极B+连接；
第二场效应管Q4的漏极用于与放电管Q5的漏极连接。
为了延长第一场效应管Q3与第二场效应管Q4的使用寿命，在驱动电路14的输出端与第一场效应管Q3的栅极、驱动电路14的输出端与第二场效应管Q4的栅极之间均串联有电阻R3。
也就是说，当驱动电路14驱动第一场效应管Q3与第二场效应管Q4导通时，第一场效应管Q3、第二场效应管Q4与BMS的电池和放电管Q5形成的回路导通，为BMS后级的外部寄生电感提供有效地续流回路，同时，将放电管Q5的漏极电位钳至B+电平，有效地防止放电管Q5过电压应力。
可选的，驱动电路14包括NPN三极管Q1和PNP三极管Q2。
NPN三极管Q1的发射极与PNP三极管Q2的发射极连接。
NPN三极管Q1的基极与PNP三极管Q2的基极、以及逻辑判断自锁电路13的输出端连接，用于接收驱动信号。
NPN三极管Q1的集电极用于连接电源，PNP三极管Q2的集电极接地。
也就是说，当驱动电路14接收到逻辑判断自锁电路13输出的控制信号后，由NPN三极管Q1和PNP三极管Q2组成的NPN-PNP推挽电路将快速响应，驱动共源有源钳位功率回路15导通，完成有源钳位功能。
可选的，控制信号为高电平，断开信号为低电平，驱动信号为高电平。
也就是说，当触发电路12接收到的增益结果大于基准电压Vref时，输出高电平；当BMS发生短路或过流时，BMS的放电管Q5停止放电，此时，采集到的栅极驱动信号为低电平；当逻辑判断自锁电路13同时接收到触发电路12输出的高电平与放电管Q5的栅极输出的低电平时，输出高电平；当驱动电路14接收到逻辑判断自锁电路13输出的高电平时控制共源有源钳位功率回路15导通。
可选的，逻辑判断自锁电路13为逻辑门电路，在图中以U2A表示。
具体的，逻辑判断自锁电路13也可以通过采购的逻辑门电路芯片实现。
可选的，逻辑门电路包括逻辑非门与逻辑与门。
逻辑与门输入端的一端与触发电路的输出端连接，用于接收控制信号。
逻辑与门输入端的另一端与逻辑非门的输出端连接，逻辑非门的输入端用于与放电管的栅极连接。
具体的，当放电管Q5的栅极采集到的栅极驱动信号为低电平时，通过逻辑非门输出为高电平。此时，当逻辑判断自锁电路13输出的控制信号为高电平时，逻辑与门输出高电平信号。
在逻辑判断自锁电路13中，通过增加放电管Q5栅极驱动信号检测来防止共源有源钳位功率回路15误导通，从而增强BMS有源钳位保护电路的抗干扰能力。
可选的，触发电路12包括CMP比较器，在图3中以U1A表示。
具体的，CMP比较器的输入负极用于接入基准电压Vref。
CMP比较器的输入正极与过流检测电路11的输出端连接，用于接入增益结果。
CMP比较器的输出端用于输出控制信号。
其中，基准电压Vref可以依据BMS的放电电流等级来在此范围内自由设置或设计。
具体的，基准电压Vref为0.25~1.25V。
可选的，过流检测电路包括差分运放器，在图3中以U2B表示。
差分运放器的输入正极和输入负极用于连接在BMS的电池负极与放电管源极之间的保护电阻R4两端。
差分运放器的输出端用于输出增益结果。
其中，差分运放器的差分运放增益也可以依据BMS的放电电流、短路电流来自由设置或设计，为了保证差分运放器的稳定性，通常增益的设置不会大于10倍。
具体的，差分运放器的增益为4~10倍。
也就是说，过流检测电路由高精度抗干扰差分运放组成。
通过差分运放器采集BMS的保护电阻R4两侧的电压，当BMS发生短路或过流时，差分运放器立即对过流信号进行差分采样、滤波以及增益放大，并将增益结果输入到CMP比较器的输入正极，CMP比较器在增益结果大于其输入负极输入的基准电压Vref时，输出高电平。
在逻辑判断自锁电路13的一个输入端接收到CMP比较器输出的高电平，另一个输入端采集到的栅极驱动信号为低电平时，逻辑判断自锁电路13输出高电平。
当驱动电路14接收到逻辑判断自锁电路13输出的高电平时控制共源有源钳位功率回路15导通。
本发明实施例还提供的一种BMS有源钳位保护芯片，包括上述任一项的BMS有源钳位保护电路。
如图2、图3所示，在本实施例中，BMS有源钳位保护电路集成形成8端口的BMS有源钳位保护芯片，其8个端口分别为包括IS+端口、IS-端口、Vref端口、oDdgate端口、VCC端口、GND端口、ID+端口与ID-端口。
其中，IS+端口与差分运放器的输入负极连接，IS-端口与差分运放器的输入正极连接，用于接在BMS的保护电阻R4的两端，采集保护电阻R4两侧的电压信号。
Vref端口与CMP比较器的输入负极连接，用于与基准电压网络连接，用于接入设定的基准电压。
oDdgate端口与逻辑非门的输入端连接，用于连接放电管Q5的栅极，以进行放电管栅极驱动信号的检测。
VCC端口与NPN三极管Q1的集电极连接，用于接入电源；GND端口与PNP三极管Q2的集电极连接，用于接地。VCC端口与GND端口的设置用于为驱动电路14形成供电。
ID+端口与第一场效应管Q3的漏极连接，用于与BMS的电池正极B+连接；ID-端口与第二场效应管Q4的漏极连接，用于与放电管Q5的漏极连接。
本发明的BMS有源钳位保护电路及芯片可广泛应用于各电压及功率段的BMS系统，有效解决BMS发生短路保护、过流保护时放电管的应力及失效问题，保护电源、电池及后部用电设备等安全，具有低成本、开发难度低，结构简单等优点。
本发明涉及所有各电压及功率段的BMS系统，主要适用于电动工具、电动车换电、电动工具换电等所有存在BMS系统的场合，适用于民用消费类、工业生产类、汽车电子等各级市场。
本发明的设计包括但不限于BMS领域，其原理和结构适用于所有低端单次开关类的应用场景，例如：电压VBUS开关、负载开关、防打火开关等领域。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种BMS有源钳位保护电路，其特征在于，包括依次设置的过流检测电路、触发电路、逻辑判断自锁电路、驱动电路以及共源有源钳位功率回路；
所述过流检测电路用于在检测到BMS发生短路或过流时，对所述BMS的过流信号进行滤波及增益放大，得到增益结果；
所述触发电路内部设有基准电压，用于在所述增益结果大于所述基准电压时，发送控制信号；
所述逻辑判断自锁电路用于接收所述控制信号，同时检测所述BMS的放电管的栅极驱动信号，并在所述栅极驱动信号为断开信号时，输出驱动信号；
所述共源有源钳位功率回路包括两个共源极连接的场效应管，与所述BMS的电池以及所述放电管的漏极连接；
所述驱动电路为NPN-PNP推挽电路，用于在接收到所述驱动信号时控制所述共源有源钳位功率回路导通，以使所述共源有源钳位功率回路与所述电池、所述放电管形成完整回路。
2.根据权利要求1所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述共源有源钳位功率回路包括第一场效应管和第二场效应管；
所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的源极连接；
所述第一场效应管的栅极与所述第二场效应管的栅极、以及所述驱动电路的输出端连接；
所述第一场效应管的漏极用于与所述电池的正极连接；
所述第二场效应管的漏极用于与所述放电管的漏极连接。
3.根据权利要求1所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述驱动电路包括NPN三极管和PNP三极管；
所述NPN三极管的发射极与所述PNP三极管的发射极连接；
所述NPN三极管的基极与所述PNP三极管的基极、以及所述逻辑判断自锁电路的输出端连接，用于接收所述驱动信号；
所述NPN三极管的集电极用于连接电源，所述PNP三极管的集电极接地。
4.根据权利要求1所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述控制信号为高电平，所述断开信号为低电平，所述驱动信号为高电平；
所述逻辑判断自锁电路为逻辑门电路。
5.根据权利要求4所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述逻辑门电路包括逻辑非门与逻辑与门；
所述逻辑与门输入端的一端与触发电路的输出端连接，用于接收所述控制信号；所述逻辑与门输入端的另一端与所述逻辑非门的输出端连接，所述逻辑非门的输入端用于与所述放电管的栅极连接。
6.根据权利要求1所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述触发电路包括CMP比较器；
所述CMP比较器的输入负极用于接入所述基准电压；所述CMP比较器的输入正极与所述过流检测电路的输出端连接，用于接入所述增益结果；所述CMP比较器的输出端用于输出所述控制信号。
7.根据权利要求6所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述基准电压为0.25~1.25V。
8.根据权利要求1所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述过流检测电路包括差分运放器；
所述差分运放器的输入正极和输入负极用于连接在所述BMS的电池负极与放电管源极之间的保护电阻两端；
所述差分运放器的输出端用于输出所述增益结果。
9.根据权利要求8所述的BMS有源钳位保护电路，其特征在于，所述差分运放器的增益为4~10倍。
10.一种BMS有源钳位保护芯片，其特征在于，包括权利要求1~9中任一项所述的BMS有源钳位保护电路。
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