一种实用动力电池用大功率电子开关设计

陈 诚，赵永瑞，任纪伟

（中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266555）

目前，市场上主要存在两种开关，一种是机械继电器，另一种是固态继电器。机械继电器具有使用寿命的限制，而固态继电器又不耐大电流冲击并且不防反接，如果再附加防反接、防倒灌的功能，将会增加电路的复杂性，降低电路的稳定性。使用PMOS管作为24 V、30 A大电流的开关时又存在着压降和过热的问题；NMOS管的内阻小可以达到毫欧级的水平，但一般用于控制负极电路的开断，在安全上存在一定的危险性。为了解决上述问题，本文利用NMOS管的特性设计了一种简单使用的控制正极通断的动力电池用大功率电子开关。

1 设计原理

NMOS管包含有D极、S极和G极3个极，内部结构如图1所示。当电流由S极流向D极时，MOS管不可控；当电流由D极流向S极时，MOS管可控。当G极与S极之间的电压差为0时，MOS管将处于截止状态，电路处于关闭状态；当G极与S极之间存在电压时，MOS管处于导通状态，当电压大于10 V时将处于完全导通状态，此时，电路处于打开状态。本设计利用MOS管的这种特性，在G、S极之间加载相对电压来实现控制电路的通断。

图1 N-MOS管结构

肖特基二极管属于一种大功率二极管，利用它的单向导通性来实现电路的防反接、防倒灌功能。

2 硬件选择及电路设计

本电子开关主要用于24 V、30 A大功率电池电源管理系统的充、放电电路中，要求选择的器件内阻尽可能地小，并且能够承受40 V的电压。综合考虑各种因素，选择的主要器件如表1所示。

表1 主要器件及说明

电路的设计分为驱动电路和开关电路两个部分。驱动电路用于驱动MOS管的通断；开关电路由充电电路、放电电路组成，充电电路用于实现对电池的充电控制，属于常闭触点，放电电路用于实现电池的放电控制，属于常开触点。

驱动电路如图2所示。图中的B+、Charge+、B-代表电池的正极、充电机的正极、电池的负极；Key_C+、Key_D+代表充电控制端、放电控制端；IN/OUT分别连接充电/放电MOS的G极。采用双电路供电设计，可以保证在电池没电的情况下可依靠充电机继续工作。

图2 驱动电路

当外部电路连接正确时，恒压输出模块将输出稳定的12 V电压，使用此电压驱动NMOS管的通断，使用PhotoMOS实现对电路常开触点和常闭触点的配置。

充电电路如图3所示。图中TVS管起防过压的作用，当充电电压过大时，TVS管瞬间导通，从而实现对电子开关的保护；CQ4045用以实现防反接、防电池电倒流的功能。

图3 充电电路

当外部电路连接正确时，充电电路将自动打开进行充电，这样可以有效防止电池没电时无法充电的情况发生，当给它一个控制信号时将断开充电电路。

放电电路如图4所示。放电电路与充电电路类似，平时处于断路状态，当外部电路连接正确时，给它一个控制信号，放电电路将打开。

3 实验测试

将此设计连接到24 V、60 AH的电池系统中，对其进行充放电测试，其测试结果如图5、图6所示。

图4 放电电路

图5 温度随电流的变化曲线（室温：25℃）

图6 电压降随电流的变化曲线

通过对测试数据的分析可知，该电子开关可以实现30 A大电流的通断能力，通过一定的降温措施可以实现更大电流的通断能力，完全可以作为24 V电池系统的充、放电开关使用。

本设计利用N-MOS管搭建了一种简单实用的动力电池用大功率电子开关，此开关结构简单、工作可靠，可以应用到24 V的动力电池系统中作为充、放电电路的开关使用。目前，该设计已经成功应用到矿用电池电源管理系统中。

为了保障开关工作稳定，线路中应选择耐压值至少为50 V的电容，并且要能够承受高温。设计中与LED灯串联的电阻具有限流、分配电压的作用，为了保障NMOS管的正常通断，此电阻不可以随意更改阻值或去掉，配置的电阻分配的电压接近电池电压为宜，保证NMOS管G极与S极之间的电压差为12 V，既可以使NMOS管处于完全导通状态减小压降，又可以使驱动电路处于最低功耗状态。

线路中通过30 A电流时会存在一定的压降，将会产生一部分热量，在PCB设计时要注意散热问题，尽力增加散热量，例如打散热孔、走线加宽并线上覆铜片、加装散热片。同时本设计中二极管的功率有可能高达15 W，会产生大量的热，为了确保其他器件的稳定，在器件布局时要尽量远离它，尤其是NMOS管。

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