一種實用動力電池用大功率電子開關設計

陳 誠，趙永瑞，任紀偉

（中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266555）

目前，市場上主要存在兩種開關，一種是機械繼電器，另一種是固態(tài)繼電器。機械繼電器具有使用壽命的限制，而固態(tài)繼電器又不耐大電流沖擊并且不防反接，如果再附加防反接、防倒灌的功能，將會增加電路的復雜性，降低電路的穩(wěn)定性。使用PMOS管作為24 V、30 A大電流的開關時又存在著壓降和過熱的問題；NMOS管的內阻小可以達到毫歐級的水平，但一般用于控制負極電路的開斷，在安全上存在一定的危險性。為了解決上述問題，本文利用NMOS管的特性設計了一種簡單使用的控制正極通斷的動力電池用大功率電子開關。

1 設計原理

NMOS管包含有D極、S極和G極3個極，內部結構如圖1所示。當電流由S極流向D極時，MOS管不可控；當電流由D極流向S極時，MOS管可控。當G極與S極之間的電壓差為0時，MOS管將處于截止狀態(tài)，電路處于關閉狀態(tài)；當G極與S極之間存在電壓時，MOS管處于導通狀態(tài)，當電壓大于10 V時將處于完全導通狀態(tài)，此時，電路處于打開狀態(tài)。本設計利用MOS管的這種特性，在G、S極之間加載相對電壓來實現(xiàn)控制電路的通斷。

圖1 N-MOS管結構

肖特基二極管屬于一種大功率二極管，利用它的單向導通性來實現(xiàn)電路的防反接、防倒灌功能。

2 硬件選擇及電路設計

本電子開關主要用于24 V、30 A大功率電池電源管理系統(tǒng)的充、放電電路中，要求選擇的器件內阻盡可能地小，并且能夠承受40 V的電壓。綜合考慮各種因素，選擇的主要器件如表1所示。

表1 主要器件及說明

電路的設計分為驅動電路和開關電路兩個部分。驅動電路用于驅動MOS管的通斷；開關電路由充電電路、放電電路組成，充電電路用于實現(xiàn)對電池的充電控制，屬于常閉觸點，放電電路用于實現(xiàn)電池的放電控制，屬于常開觸點。

驅動電路如圖2所示。圖中的B+、Charge+、B-代表電池的正極、充電機的正極、電池的負極；Key_C+、Key_D+代表充電控制端、放電控制端；IN/OUT分別連接充電/放電MOS的G極。采用雙電路供電設計，可以保證在電池沒電的情況下可依靠充電機繼續(xù)工作。

圖2 驅動電路

當外部電路連接正確時，恒壓輸出模塊將輸出穩(wěn)定的12 V電壓，使用此電壓驅動NMOS管的通斷，使用PhotoMOS實現(xiàn)對電路常開觸點和常閉觸點的配置。

充電電路如圖3所示。圖中TVS管起防過壓的作用，當充電電壓過大時，TVS管瞬間導通，從而實現(xiàn)對電子開關的保護；CQ4045用以實現(xiàn)防反接、防電池電倒流的功能。

圖3 充電電路

當外部電路連接正確時，充電電路將自動打開進行充電，這樣可以有效防止電池沒電時無法充電的情況發(fā)生，當給它一個控制信號時將斷開充電電路。

放電電路如圖4所示。放電電路與充電電路類似，平時處于斷路狀態(tài)，當外部電路連接正確時，給它一個控制信號，放電電路將打開。

3 實驗測試

將此設計連接到24 V、60 AH的電池系統(tǒng)中，對其進行充放電測試，其測試結果如圖5、圖6所示。

圖4 放電電路

圖5 溫度隨電流的變化曲線（室溫：25℃）

圖6 電壓降隨電流的變化曲線

通過對測試數(shù)據(jù)的分析可知，該電子開關可以實現(xiàn)30 A大電流的通斷能力，通過一定的降溫措施可以實現(xiàn)更大電流的通斷能力，完全可以作為24 V電池系統(tǒng)的充、放電開關使用。

本設計利用N-MOS管搭建了一種簡單實用的動力電池用大功率電子開關，此開關結構簡單、工作可靠，可以應用到24 V的動力電池系統(tǒng)中作為充、放電電路的開關使用。目前，該設計已經(jīng)成功應用到礦用電池電源管理系統(tǒng)中。

為了保障開關工作穩(wěn)定，線路中應選擇耐壓值至少為50 V的電容，并且要能夠承受高溫。設計中與LED燈串聯(lián)的電阻具有限流、分配電壓的作用，為了保障NMOS管的正常通斷，此電阻不可以隨意更改阻值或去掉，配置的電阻分配的電壓接近電池電壓為宜，保證NMOS管G極與S極之間的電壓差為12 V，既可以使NMOS管處于完全導通狀態(tài)減小壓降，又可以使驅動電路處于最低功耗狀態(tài)。

線路中通過30 A電流時會存在一定的壓降，將會產生一部分熱量，在PCB設計時要注意散熱問題，盡力增加散熱量，例如打散熱孔、走線加寬并線上覆銅片、加裝散熱片。同時本設計中二極管的功率有可能高達15 W，會產生大量的熱，為了確保其他器件的穩(wěn)定，在器件布局時要盡量遠離它，尤其是NMOS管。

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