电池安全管理系统的制作方法

1.本公开涉及一种电池安全管理系统。


背景技术：

2.目前二次电池等可充电电池已经广泛地应用到便携设备、车辆、电动工具等各种领域。二次电池能够被循环使用，需要经过充电过程和放电过程。对于充电过程和放电过程的控制，则需要通过充电开关和放电开关来实现。
3.充电开关和放电开关通常可以由mos晶体管制成。但是所公知的是：在同种工艺相同面积的情况下，耐压越高则晶体管的内阻(导通阻抗)越大。这样将会带来以下矛盾：为了应对大的充电电流和大的放电电流，期望的是晶体管的耐压越高越好，随之将会使得晶体管的导通阻抗更高。这样在电池的充放电过程中，晶体管的功率消耗将会变得很大。因此如何改进导通阻抗与耐压之间的关系，从而提高晶体管的性能为所需要解决的技术问题。
4.在日本公开专利jp2020150750a中指出：充电开关元件需要使用极高耐压的半导体开关元件，高耐压半导体开关元件具有部件成本高、导通电阻大且功率损耗大等缺点。因此为了解决高耐压半导体开关元件的问题，在该专利中设置了旁路保护晶体管，以便在充电电流大的情况下使得充电电流流经旁路保护晶体管，从而可以避免使用高耐压半导体开关元件作为充电开关元件，这样可以实现不使用导通阻抗大的高耐压半导体开关元件作为充电开关元件，但是在大电流的情况下为了避免充电开关元件损坏而使用旁路保护晶体管。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种电池安全管理系统。
6.根据本公开的一个方面，提供了一种电池安全管理系统，所述电池安全管理系统采用动态双栅控制开关作为充电开关和放电开关，并且包括：
7.充电mos晶体管，所述充电mos晶体管作为所述充电开关，且包括源极、漏极、第一栅极和第二栅极；以及
8.放电mos晶体管，所述放电mos晶体管作为所述放电开关，且包括源极、漏极、第一栅极和第二栅极，
9.其中，所述放电mos晶体管的漏极与所述充电mos晶体管的漏极连接，所述放电mos晶体管的源极或所述充电mos晶体管的源极连接电池组的负端，所述充电mos晶体管的源极或所述放电mos晶体管的源极连接负载/充电装置的负端，
10.在需要导通所述充电mos晶体管时，所述充电mos晶体管的第一栅极被施加充电开启电平，所述充电mos晶体管导通，并且所述充电mos晶体管的第二栅极被施加第一充电电平，以使得所述充电mos晶体管的导通阻抗降低；以及
11.在需要导通所述放电mos晶体管时，所述放电mos晶体管的第一栅极被施加放电开启电平，所述放电mos晶体管导通，并且所述放电mos晶体管的第二栅极被施加第一放电电
平，以使得所述放电mos晶体管的导通阻抗降低。
12.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，在需要断开所述充电mos晶体管时，所述充电mos晶体管的第一栅极被施加充电关闭电平，所述充电mos晶体管断开，并且所述充电mos晶体管的第二栅极被施加第二充电电平，以使得所述充电mos晶体管的击穿电压升高；
13.在需要断开所述放电mos晶体管时，所述放电mos晶体管的第一栅极被施加放电关闭电平，所述放电mos晶体管断开，并且所述放电mos晶体管的第二栅极被施加第二放电电平，以使得所述放电mos晶体管的击穿电压升高。
14.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，还包括开关驱动部，所述开关驱动部与所述充电mos晶体管的第一栅极和第二栅极、与所述放电mos晶体管的第一栅极和第二栅极连接，以便为所述充电mos晶体管和所述放电mos晶体管提供电平信号。
15.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，所述充电mos晶体管和所述放电mos晶体管为nmos晶体管，其中所述nmos晶体管的控制中，所述第一充电电平大于或等于所述充电开启电平，所述第二充电电平小于或等于所述充电关闭电平，所述第一放电电平大于或等于所述放电开启电平，以及所述第二放电电平小于或等于所述放电关闭电平。
16.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，所述第一充电电平和第一放电电平为20～30v且所述充电开启电平和放电开启电平为1.8～15v，所述第二充电电平和第二放电电平为-20～-30v且所述充电关闭启电平和放电关闭电平为0v。
17.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，所述充电mos晶体管和所述放电mos晶体管中，第一栅极与第二栅极通过氧化硅分离开。
18.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，所述充电mos晶体管和所述放电mos晶体管中，硅衬底的一部分作为漏极，所述硅衬底的另一部分与所述硅衬底的一部分的掺杂浓度不同。
19.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，至少所述第二栅极设置在所述硅衬底的另一部分中。
20.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，漏极和源极设置在所述硅衬底的所述另一部分的两侧。
21.根据本公开至少一个实施方式的电池安全管理系统，还包括开关驱动部，所述开关驱动部接收来自所述控制器的控制信号，以便通过所述开关驱动部来控制所述充电mos晶体管的第一栅极和第二栅极以及所述放电mos晶体管的第一栅极和第二栅极。
附图说明
22.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
23.图1是根据本公开实施方式的电池管理系统的结构示意图。
24.图2示出了根据本公开实施方式的器件的三维结构图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
27.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
28.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
29.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
30.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
31.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
32.根据本公开的一个实施方式，提供了一种电池安全管理系统。
33.如图1所示，该电池安全管理系统可以包括控制器200、开关驱动部300、充电mos晶体管400和放电mos晶体管500。其中充电mos晶体管400和放电mos晶体管500为动态双栅控制开关。
34.控制器200可以提供控制信号至开关驱动部400，这样开关驱动部400可以根据控制器200的控制信号来控制充电mos晶体管400和放电mos晶体管500的导通与断开，从而实现电池100的充放电功能。
35.其中控制器200所提供的控制信号可以根据电池的检测物理量生成，也可以根据内置逻辑生成，或者可以根据所接收的外部指令生成等，此外也可以根据上述多种方式来生成。
36.此外使用该电池安全管理系统的电池管理系统还可以包括选通开关700和模数转换器600。选通开关700可以用于选择测量电池组的哪一节电池的电压，模数转换器600可以将电池电压的模拟信号转换成数字信号提供至控制器200。此外，模数转换器600也可以连接电流检测装置，例如在电池的电流路径上设置的检测电阻，接收电流检测装置的电流信号来将其转换成数字信号，且提供至控制器200，以便作为控制充放电mos晶体管的逻辑判断基础。在本公开中，控制器、选通开关、模数转换器、开关驱动部可以采用既有的芯片，也可以将其制成一个器件的形式。
37.模数转换器用于接收电池的电压信号、温度信号和/或电流信号，并且将所接收的电压信号、温度信号和/或电流信号转换为电压数字信号、温度数字信号和/或电流数字信号。例如可以通过选通开关来接收各节电池的电压信号，并且生成电压数字信号，以便在过压或欠压的情况下对充电开关和/或放电开关进行控制。例如在充电过压的情况下，可以控制充电开关断开，在放电欠压的情况下可以控制放电开关断开。模数转换器接收来自电流检测部件的电流信号，以便对充电开关和/或放电开关进行控制，例如在充电过流的情况下可以断开充电开关。另外模数转换器也可接收来自温度检测部件的温度信号，以便生成温度数字信号，控制器基于该温度数字信号对充电开关和/或放电开关进行控制。
38.控制器，控制器基于电压数字信号生成控制信号以控制充电mos晶体管和/或放电mos晶体管来防止电池过压和欠压；基于温度数字信号生成控制信号以控制充电mos晶体管和/或放电mos晶体管来防止电池的温度过高；和/或基于电流数字信号生成控制信号以控制充电mos晶体管和/或放电mos晶体管来防止电池过流，
39.下面以充电mos晶体管和放电mos晶体管为nmos晶体管为例进行说明。
40.根据本公开的充电mos晶体管400，其可以包括第一栅极410、第二栅极420、源极430和漏极440，其中第一栅极410和第二栅极420与开关驱动部300连接。在第一栅极410施加充电开启电平时，充电mos晶体管400导通，在第二栅极420施加第一充电电平，以便使得充电mos晶体管400的导通阻抗降低，其中第一充电电平大于或等于充电开启电平。在第一栅极410施加充电关闭电平时，充电mos晶体管400断开，并且在第二栅极420施加第二充电电平，以便使得充电mos晶体管400的击穿电压升高，其中第二充电电平小于或等于充电关闭电平。
41.同样地，本公开的放电mos晶体管500，其可以包括第一栅极510、第二栅极520、源极530和漏极550，其中第一栅极510和第二栅极520与开关驱动部300连接。在第一栅极510施加放电开启电平时，放电mos晶体管500导通，在第二栅极520施加第一放电电平，以便使
得放电mos晶体管500的导通阻抗降低，其中第一放电电平大于或等于放电开启电平。在第一栅极510施加放电关闭电平时，放电mos晶体管500断开，并且在第二栅极520施加第二放电电平，以便使得放电mos晶体管500的击穿电压升高，其中第二放电电平小于或等于放电关闭电平。
42.此外，在本公开中，在需要进行充电的过程中，充电mos晶体管400需要导通时，充电mos晶体管400的源极电压可以为0v，这时第一栅极410会施加充电开启电平(开关驱动部提供的控制信号)且设定该充电开启电平为高电平，如果第二栅极420同样施加高电平，可以使得充电mos晶体管400的导通阻抗降低。在本公开中，第二栅极420所施加的高电平可以等于第一栅极410所施加的高电平，优选地可以大于第一栅极410所施加的高电平。当然在某些情况下也可以存在小于的情况。作为一个示例，在充电mos晶体管400的第一栅极410施加5v的电平作为充电开启电平的情况下，第二栅极420所被施加的高电平可以为20v～30v，这样可以使得该充电mos晶体管400的导通电阻进一步降低。在充电mos晶体管400需要断开时，第一栅极410会施加充电关闭电平(开关驱动部提供的控制信号)且设定该充电关闭电平为低电平(例如0v)，如果第二栅极420同样施加低电平，可以使得充电mos晶体管400的击穿电压升高。在本公开中，第二栅极420所施加的低电平可以等于第一栅极410所施加的低电平，优选地可以小于第一栅极410所施加的低电平。当然在某些情况下也可以存在大于的情况。作为一个示例，在充电mos晶体管400的第一栅极410施加0v的电平作为充电关闭电平的情况下，第二栅极420所被施加的低电平可以为-20v～-30v，这样可以使得该充电mos晶体管400的击穿电压进一步提升，以进一步提升晶体管的耐压能力。在本公开中，充电开启电平和放电开启电平可以为1.8～15v，例如可以是3～5v，也可以是5-15v等。
43.在需要进行放电的过程中，放电mos晶体管500需要导通时，放电mos晶体管500的源极电压可以为0v，这时第一栅极510会施加放电开启电平(开关驱动部提供的控制信号)且设定该放电开启电平为高电平，如果第二栅极520同样施加高电平，可以使得放电mos晶体管500的导通阻抗降低。在本公开中，第二栅极520所施加的高电平可以等于第一栅极510所施加的高电平，优选地可以大于第一栅极510所施加的高电平。当然在某些情况下也可以存在小于的情况。作为一个示例，在放电mos晶体管500的第一栅极510施加5v的电平作为放电开启电平的情况下，第二栅极520所被施加的高电平可以为20v～30v，这样可以使得该放电mos晶体管500的导通电阻进一步降低。在放电mos晶体管500需要断开时，第一栅极510会施加放电关闭电平(开关驱动部提供的控制信号)且设定该放电关闭电平为低电平(例如0v)，如果第二栅极520同样施加低电平，可以使得放电mos晶体管500的击穿电压升高。在本公开中，第二栅极520所施加的低电平可以等于第一栅极510所施加的低电平，优选地可以小于第一栅极510所施加的低电平。当然在某些情况下也可以存在大于的情况。作为一个示例，在放电mos晶体管500的第一栅极510施加0v的电平作为放电关闭电平的情况下，第二栅极520所被施加的低电平可以为-20v～-30v，这样可以使得该放电mos晶体管500的击穿电压进一步提升，以进一步提升晶体管的耐压能力。
44.也就说，在充电mos晶体管需要被导通的情况下，可以在第一栅极施加高电平，同样在第二栅极也施加高电平，这样可以降低导通阻抗。在在充电mos晶体管需要被断开的情况下，可以在第一栅极施加低电平，同样在第二栅极也施加低电平，这样可以提高击穿电压以提高耐压能力。同样地，对于放电mos晶体管也采用同样方式。这样因为二者的第一栅极
和第二栅极的控制逻辑相同，因此也可以使得控制极为简单。
45.如图1所示，充电mos晶体管和放电mos晶体管为nmos晶体管的形式。放电mos晶体管500的源极530可以与电池组的负极连接，放电mos晶体管500的第一栅极510和第二栅极520可以分别与开关驱动部连接以接收控制信号。此外在放电mos晶体管500还可以包括寄生二极管。充电mos晶体管400的源极430可以与充电装置或负载的负端连接，充电mos晶体管400的第一栅极410和第二栅极420可以分别与开关驱动部连接以接收控制信号，另外充电mos晶体管400的漏极440可以与放电mos晶体管500的漏极540连接。此外在充电mos晶体管400还可以包括寄生二极管。
46.需要说明的是，虽然在图1中示出了充电mos晶体管和放电mos晶体管设置在电池组的低压侧，但是本领域的技术人员应当理解，充电mos晶体管和放电mos晶体管也可以设置在电池组的高压侧，此时可以将充电mos晶体管和放电mos晶体管设置为pmos晶体管。在设置在电池组高压侧的情况下，原理与设置在低压侧相同，为了简洁起见，在此不再赘述。在pmos晶体管的情况下，第一栅极为高电平时可以断开而低电平时可以导通，这里，第二栅极也相应地采用高电平或低电平。第二栅极的高电平可以大于或等于第一栅极的高电平，而第二栅极的低电平可以大于或等于第一栅极的低电平。
47.下面将描述充电mos晶体管或放电mos晶体管的器件实现形式的具体实施例。需要理解的是，根据下面的描述，在不脱离其原理的情况下，也可以采用其他工艺来进行制备器件。
48.图2示出了根据本公开的充电mos晶体管或放电mos晶体管的三维结构的示意图。该器件可以为一个四端口的器件，其中包括源极、漏极、第一栅极、和第二栅极。其中第一栅极可以为器件通常的栅极，而第二栅极可以为所示器件的底栅极。
49.如图2所示，该器件可以包括第一栅极10，其中第一栅极可以由多晶硅制成。该器件可以包括第二栅极20，其中第二栅极可以由多晶硅制成。第一栅极10和第二栅极20可以由氧化硅30分离开。在本公开中可以将硅衬底的一部分作为漏极40，而硅衬底的另一部分50与作为漏极40的硅衬底的区别在于二者的掺杂浓度不同，例如另一部分50的掺杂浓度可以不同于(小于)漏极40的掺杂浓度。其中第一栅极10和第二栅极20可以部分或全部地设置在硅衬底的内部，其中通过氧化层60将第一栅极10和第二栅极20与硅衬底间隔开。源极70设置在硅衬底的另一部分50之上，并且通过源电极80引出。
50.对于图2的器件结构，漏极和源极可以设置在衬底的另一部分的两侧，并且第二栅极可以完全设置在衬底中，而第一栅极的一部分设置在衬底中，并且第一栅极和第二栅极通过氧化硅间隔开，第一栅极通过氧化层与源极和衬底间隔开，第二栅极通过氧化层与衬底间隔开。此外，在本公开中，源极通过源电极引出，第一栅极和第二栅极分别通过相应的栅电极均引出，而且漏极通过漏电极引出。
51.因此当器件导通时，第一栅极会施加高电平，而第二栅极也会施加高电平，可以使得导通阻抗降低。在器件断开时，第一栅极可以施加低电平，第二栅极也被施加低电平，可以使得耐压能力提升。
52.在现有技术中，如果反向耐压(也就是器件的源漏电压)升高，那么相应地导通阻抗就要升高。但是所存在的一个问题在于，掺杂浓度高时，导通阻抗会减小，但是器件耐压能力会降低，掺杂浓度低时，器件耐压能力会提升，但是导通阻抗会增大。之前为了解决这
个问题，器件可以面积可以做地较大，从而使得导通阻抗降低。
53.在本公开中，可以通过设计第一栅极和第二栅极，从而对二者进行相似的控制，来实现了导通阻抗与耐压之间的平衡。
54.根据本公开的各个实施例，在导通状态下，通过对第二栅极的控制电压的调控，可以有效地降低器件的导通阻抗。此外，在断开状态下，通过对第二栅极的控制电压的调控，也可以有效地提升器件的击穿电压。
55.此外，需要说明的是，虽然在本公开的实施例中，充电mos晶体管和放电mos晶体管可以分别被制备成分立器件，但是二者可以被制备成一个器件(在制备过程中使得二者的漏极连通)。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
57.此外，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至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
58.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。