CN104377402B - 一种电池加热器控制与故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池加热器控制与故障诊断系统，包括：电池温度检测电路、控制电路、主功率电路、故障检测电路和故障检测使能电路；其中，电池温度检测电路用于检测蓄电池的温度并转换为对应的检测电压值；控制电路用于根据检测电压值与基准电压进行比较，根据比较结果控制主功率电路的加热器开通或关断；故障检测电路用于对主功率电路的加热器进行故障检测；故障检测使能电路用于根据主功率电路的加热器开通或关断情况控制故障检测电路开启。本发明能够有效检测并控制蓄电池温度，并对加热器故障进行诊断，提高加热器及其控制装置的可靠性，具有成本低，灵敏度高的优点。

Description

一种电池加热器控制与故障诊断系统

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种电池加热器控制与故障诊断系统。

背景技术

电源领域中，越来越多的场合需要使用蓄电池，而蓄电池的性能与寿命与其工作温度有较大关系，当工作温度低于一定值时，电池的放电能力以及充电特性都有明显下降。

蓄电池负极活性物质为绒状铅粒，充放电过程中，铅的溶解和结晶在电极反应过程中占重要地位。具有化学活性的PbSO4是一种直径为l0-5～l0-3cm的斜方形晶粒，如在低温状态下放电，极易生成细微的晶粒(粒子直径在l0-5cm以下)，这种粒子排列过于紧密，孔隙少，构成细微致密的PbSO4层，减小了充电过程电极反应面积，因此，在停电较为频繁的地区，蓄电池会产生充电不足现象，长期累积就可能导致负极板产生不可逆硫酸盐化。例如在25℃时，蓄电池的容量为100％；在25℃以下时，每下降10℃蓄电池的容量会减少一半。所以要采取一定措施对电池进行加热，防止电池温度过低。

传统电池温度维持装置长期处于工作状态，一方面要求用户安装空调来改善蓄电池使用环境；另一方面建议选用温度适应性较广的蓄电池。在电池温度正常时造成资源浪费。除此之外，对于电池温度维持装置的状态的监控还需另外装置，成本较高。

发明内容

本发明公开了一种电池加热器控制与故障诊断系统，在电池温度低于设定温度时，加热器工作为电池供热。同时，加热器的工作状态也能得到监控，加热器故障时，该系统能够自动根据故障类型采取相应保护措施，

一种电池加热器控制与故障诊断系统，包括：电池温度检测电路、控制电路、主功率电路、故障检测电路和故障检测使能电路；其中，所述电池温度检测电路用于检测蓄电池的温度并转换为对应的检测电压值；所述控制电路分别与所述电池温度检测电路和所述主功率电路连接，所述控制电路用于根据所述检测电压值与基准电压进行比较，根据比较结果控制所述主功率电路的加热器开通或关断；所述故障检测电路与所述主功率电路连接，用于对主功率电路的加热器进行故障检测；所述故障检测使能电路分别与所述主功率电路和所述故障检测电路连接，用于根据所述主功率电路的加热器开通或关断情况控制所述故障检测电路开启。

本发明主要是为了解决背景技术中的缺陷而设计；本发明设置有电池温度检测电路、控制电路，其中在电池温度正常时，加热器不工作，而当电池温度低于设定温度时，加热器工作。另外，还设置有故障检测电路以及故障检测使能电路，能够对加热器的工作状态进行监控，加热器故障时，该电路能够自动根据故障类型采取相应保护措施，提高加热器及其控制装置的可靠性。本发明能够有效检测并控制铅酸电池温度，并对加热器故障进行诊断，具有成本低，灵敏度高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提出的电池加热器控制与故障诊断系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电池温度检测电路、控制电路以及主功率电路；

图3为本发明实施例提供的电池加热器故障使能电路；

图4为本发明实施例提出的电池加热器故障检测电路。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本发明实施例提出的一种电池加热器控制与故障诊断系统结构示意图，包括：电池温度检测电路101、控制电路102、主功率电路103、故障检测电路104和故障检测使能电路105；其中，所述电池温度检测电路101用于检测蓄电池的温度并转换为对应的检测电压值；所述控制电路102分别与所述电池温度检测电路和所述主功率电路103连接，所述控制电路102用于根据所述检测电压值与基准电压进行比较，根据比较结果控制所述主功率电路103的加热器开通或关断；所述故障检测电路104与所述主功率电路103连接，用于对主功率电路103的加热器进行故障检测；所述故障检测使能电路105分别与所述主功率电路103和所述故障检测电路104连接，用于根据所述主功率电路103的加热器开通或关断情况控制所述故障检测电路开启。所述故障检测电路105包括信号调理电路、加热器断路保护电路以及过流故障保护电路。

图2为本发明实施例提供的电池温度检测电路201、控制电路202以及主功率电路203；

电池温度检测电路201包括第一运放电路AR1以及第一正反馈电路，且所述第一运放电路AR1的反相输入端与第一电阻R1连接，第一电阻R1接地；反向输入端与第二电阻R2连接，第二电阻R2接第一基准电压源Vref1；所述第一运放电路AR1的正相输入端与第三电阻R3连接，第三电阻R3接地，第一运放电路AR1正相输入端与第四电阻R4连接，第四电阻R4连接第一基准电压源Vref1；所述第一正反馈电路包括第五电阻R5，所述第五电阻R5一端与第一运放电路AR1的同相输入端连接，另一端与第一运放电路AR1的输出端连接；所述第一运放电路的输出端与控制电路连接。

所述控制电路202包括第二运放电路AR2以及第二正反馈电路；且所述第二运放电路AR2的反相输入端与第六电阻R6连接，第六电阻R6的另一端与第一运放电路AR1的输出端连接，第二运放电路AR2的反相输入端与第一电容C1一端连接，第一电容C1的另一端接地；所述第二运放电路AR2的正向输入端与第七电阻R7一端连接，第七电阻R7的另一端接第二基准电压源Vref2；所述第二正反馈电路中包括第八电阻R8和第一二极管D1，且第一二极管D1的负极与第二运放电路AR2的正相输入端连接，第一二极管D1的正极与第八电阻R8一端连接，第八电阻R8的另一端与第二运放电路AR2的输出端连接；第二运放电路的输出端AR2与主功率电路连接。

所述的主功率电路203；所述主功率电路包括第一MOS管Q1，所述第一MOS管Q1的栅极与第九电阻R9连接，第九电阻R9另一端与所述控制电路中的第二运放电路AR2的输出端连接，第一MOS管Q1的栅极与第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端接地；所述第一MOS管Q1的漏极接地；所述第一MOS管Q1的源极与加热器电路第一端连接a，且所述加热器电路由四个加热器并联组成，加热器电路的第二端b与熔断器FUSE1一端连接，熔断器FUSE1另一端接电压源Vin+。

在该温度检测电路中，第一电阻R1与第二电阻R2分压，第三电阻R3与热敏电阻R4分压，热敏电阻R4可以反映当前蓄电池的温度状况；之后经过运算放大器AR1比较后输出与当前检测温度成比例的电压值。当检测电压值(与温度成比例)低于基准电压值Vref2时，Q1驱动信号为高电平；若当检测电压值(与温度成比例)高于基准电压值Vref2时，Q1驱动信号为低电平。

进行比较以产生的Q1驱动信号用来控制主功率电路中Q1的开通与关断，进而开启或关闭加热器。电池温度较低时，温度检测电路通过逻辑判断经控制电路产生驱动信号，进而控制主功率电路中MOS管Q1的开通与关断，加热器相应的工作或不工作从而维持电池温度。

主功率电路由四个加热器Heart1、Heart2、Heart3、Heart4组成；与熔断器FUSE1，MOS管Q1与R10组成，当Q1信号为高电平时，Q1导通加热器工作，Q1为低电平时，Q1关断加热器停止工作。

HTR+与HTR-为加热器两端电压检测信号，HTR+与HTR-通过故障检测使能控制电路控制故障检测电路的工作与否。

如图3所示，为本发明实施例提供的电池加热器故障使能电路；

所述故障检测使能电路包括第三运放电路AR3、第三负反馈电路、第四运放电路AR4、第四负反馈电路以及闭锁电路；所述第三运放电路AR3的正相输入端与第十一电阻R11一端连接，第十一电阻R11另一端接地，第三运放电路AR3的正相输入端与第十二电阻R12一端连接，第十二电阻R12的另一端接主功率电路中加热器电路第二端b；所述第三运放电路AR3的反相输入端与第十三电阻R13一端连接，第十三电阻R13的另一端接所述主功率电路中加热器电路第一端a；所述第三负反馈电路AR3包括第十四电阻R14，且所述第十四电阻R14的一端与第三运放电路AR3的反相输入端连接，第十四电阻R14的另一端与第三运放电路AR3的输出端连接；所述第四运放电路AR4的正向输入端接第三基准电Vref3压源，第四运放电路AR4的反向输入端与第十五电阻R15的一端连接，第十五电阻R15的另一端与第三运放电路AR3的输出端连接，所述第四负反馈电路包括第二二极管D2，且所述第二二极管D2的负极与第四运放电路AR4的反相输入端连接，第二二极管D2的正极与第十六电阻R16一端连接，第十六电阻R16的另一端与第四运放电路AR4的输出端连接；所述闭锁电路包括第二三极管Q2、第二电容C2和第十七电阻R17，且所述第二三极管Q2的基极与所述第二二极管D2的正极连接，第二三极管Q2的发射极分别与第二电容C2的一端和第十七电阻R17的一端连接，第二三极管Q2的集电极分别与第二电容C2的另一端和第十七电阻R17的另一端连接；且所述第二三极管Q2的集电极与第三二极管D3的负极连接，第二三极管Q2的集电极与第四二极管D4的负极连接；所述第二三极管Q2的发射极接地。

加热器故障诊断电路中利用加热器两端电压进行加热器故障诊断电路工作状态控制，HTR+与HTR-为加热器两端电压检测信号，加热器不工作时，MOS管Q1关断，加热器两端电压为0，HTR+与HTR-之间没有电压差，经过故障件使能电路中第三运放电路AR3差分放大之后与给定参考基准电压Vref3比较，当第四运放电路AR4作为比较器输出为正，第二三极管Q2开通，拉低保护信号，保护电路不工作。反之，加热器工作时，MOS管Q1开通加热器两端电压为Vin，HTR+与HTR-之间有电压差，第二三极管Q2关断，保护电路正常工作。

如图4所示为本发明实施例提出的电池加热器故障检测电路；所述故障检测电路包括信号调理电路401，加热器断路保护电路402，过流故障保护电路403以及保护电路404。

加热器故障检测电路中，利用MOS管Q1的沟道电阻进行电流采样实现加热器的短路与断路保护，当有加热器短路或断路时，主功率电路中的电流变化，电流采样值经处理后产生保护信号。当有加热器短路时，由于主功率电路中电流较大，危险性较高，所以当有加热器短路时，动作于切断Q1驱动信号，关闭主功率电路回路；具体电路如下所述：

所述信号调理电路401包括第五运放电路AR5以及第五负反馈电路；且所述第五运放电路AR5的正相输入端与第三电容C3一端连接，第三电容C3的另一端接地，第五运放电路AR5的正相输入端与第十八电阻R18一端连接，第十八电阻R18的另一端接所述主功率电路中加热器电路第一端a；第五运放电路AR5的反相输入端与第十九电阻R19的一端连接，第十九电阻R19的另一端接地；所述第五负反馈电路AR5包括第二十电阻R20，且所述第二十电阻R20的一端与第五运放电路AR5的反相输入端连接，第二十电阻R20的另一端与第五运放电路AR5的输出端连接。

信号调理电路主要是通过从主功率电路加热器电路a端采样电流信号，将所采样的电流信号通过电阻R5输入第五运放电路，按比例放大或缩小至合适范围，并将处理后的电流信号与保护电路进行匹配。

所述加热器断路保护电路402第六运放电路AR6以及第六正反馈电路；且所述第六运放电路AR6的正相输入端与第四电容C4一端连接，第四电容C4的另一端接地，第六运放电路AR6的正相输入端与第二十一电阻R21的一端连接，第二十一电阻R21的另一端接第四基准电压源Vref4；所述第六运放电路AR6的反相输入端与第二十二电阻R22的一端连接，第二十二电阻R22的另一端与所述第五运放电路AR5的输出端连接；所述第六正反馈电路包括第五二极管D5，且所述第五二极管D5的负极与所述第六运放电路AR6的正相输入端连接，第五二极管D5的正极与所述故障检测使能电路中的第六二极管D6的正极连接；第五二极管D5的正极与第二十三电阻R23一端连接，第二十三电阻R23的另一端与第六运放电路AR6的输出端连接；所述第二十三电阻R23的另一端与第六二极管D6的正极连接。

将上述信号调理电路的输出端作为该加热器断路保护电路的输入端；当主功率电路中的加热器出现断路故障时，加热器并联电阻变大，那么可知：以MOS管Q1沟道电阻为检测电阻检测到的电压值偏小，与基准电压源Vref4比较可知，其低于电压基准值Vref4；此时第六运放电路的输出信号HTRFault为高电平，将该HTRFault作为故障信号。

所述过流故障保护电路403包括第七运放电路AR7以及第七正反馈电路；且所述第七运放电路AR7的反相输入端与第二十四电阻R24一端连接，第二十四电阻R24的另一端接第五基准电压源Vref5，所述第七运放电路AR7的正相输入端与第五电容C5一端连接，第五电容C5的另一端接地，第七运放电路AR7的正相输入端与第二十五电阻R25的一端连接，第二十五电阻R25的另一端与第五运放电路AR5的输出端连接；所述第七正反馈电路包括第七二极管D7，且所述第七二极管D7的负极与第七运放电路AR7的正相输入端连接，第七二极管D7的正极与所述故障检测使能电路中的第三二极管D3的正极连接；第七二极管D7的正极与第二十六电阻R26一端连接，第二十六电阻R26的另一端与第七运放电路AR7的输出端连接；所述第二十六电阻R26的另一端接第八二极管D8的正极，第八二极管D8的负极与第六二极管D6的负极连接。

将上述信号调理电路的输出端作为该过流故障保护电路的输入端；当主功率电路中的加热器短路时，加热器并联电阻约为0，以MOS管Q1沟道电阻为检测电阻检测到的电压值偏大，高于基准电压源Vref5的值，此时，第七运放电路的输出信号HTRFault为高电平，故障信号。

且电池加热器控制与故障诊断系统还包括保护电路404，所述保护电路404包括第八运放电路AR8，且所述第八运放电路AR8的正向输入端与第二十七电阻R27连接，第二十七电阻R27接地，第八运放电路AR8的正相输入端与稳压二极管D9正极连接，稳压二极管D9的负极与所述故障检测使能电路的第三二极管D3正极连接，且所述第八运放电路AR8的反相输入端与第八运放电路AR8的输出端连接；所述第八运放电路AR8的输出端与第二十八电阻R28的一端连接，第二十八电阻R28的另一端与第三三极管Q3的基极连接，第三三极管Q3的基极与第二十九电阻R29的一端连接，第二十九电阻R29的另一端接地，第三三极管Q3的集电极与主功率电路的输出端连接，第三三极管Q3的发射极接地。

当电路中出现加热器断路或者过流故障的情况下，HTRFault输出高电平，同时该保护电路处于截止状态，第三三极管截止，Q1 Drv输出低电平，MOS管不导通，主功率电路处于断开状态，起到了保护整个电路的作用。

上面结合附图对本发明作了详细说明，但是本发明并不仅限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种电池加热器控制与故障诊断系统，其特征在于，包括：电池温度检测电路、控制电路、主功率电路、故障检测电路和故障检测使能电路；其中，

所述电池温度检测电路用于检测蓄电池的温度并转换为对应的检测电压值；具体的，所述电池温度检测电路包括第一运放电路以及第一正反馈电路，且所述第一运放电路的反相输入端与第一电阻连接，第一电阻接地；反向输入端与第二电阻连接，第二电阻接第一基准电压源；所述第一运放电路的正相输入端与第三电阻连接，第三电阻接地，第一运放电路正相输入端与第四电阻连接，第四电阻连接第一基准电压源；所述第一正反馈电路包括第五电阻，所述第五电阻一端与第一运放电路的同相输入端连接，另一端与第一运放电路的输出端连接；所述第一运放电路的输出端与控制电路连接；

所述控制电路分别与所述电池温度检测电路和所述主功率电路连接，所述控制电路用于根据所述检测电压值与基准电压进行比较，根据比较结果控制所述主功率电路的加热器开通或关断；具体的，所述控制电路包括第二运放电路以及第二正反馈电路；且所述第二运放电路的反相输入端与第六电阻连接，第六电阻的另一端与第一运放电路的输出端连接，第二运放电路的反相输入端与第一电容一端连接，第一电容的另一端接地；所述第二运放电路的正向输入端与第七电阻一端连接，第七电阻的另一端接第二基准电压源；所述第二正反馈电路中包括第八电阻和第一二极管，且第一二极管的负极与第二运放电路的正相输入端连接，第一二极管的正极与第八电阻一端连接，第八电阻的另一端与第二运放的输出端连接；第二运放电路的输出端与主功率电路连接；

所述主功率电路包括第一MOS管，所述第一MOS管的栅极与第九电阻连接，第九电阻另一端与所述控制电路中的第二运放电路的输出端连接，第一MOS管的栅极与第十电阻的一端连接，第十电阻的另一端接地；所述第一MOS管的漏极接地；所述第一MOS管的源极与加热器电路第一端连接，且所述加热器电路由四个加热器并联组成，加热器电路的第二端与熔断器一端连接，熔断器另一端接电压源；所述故障检测电路与所述主功率电路连接，用于对主功率电路的加热器进行故障检测；

所述故障检测使能电路分别与所述主功率电路和所述故障检测电路连接，用于根据所述主功率电路的加热器开通或关断情况控制所述故障检测电路开启；具体的，所述故障检测使能电路包括第三运放电路、第三负反馈电路、第四运放电路、第四负反馈电路以及闭锁电路；所述第三运放电路的正相输入端与第十一电阻一端连接，第十一电阻另一端接地，第三运放电路的正相输入端与第十二电阻一端连接，第十二电阻的另一端接主功率电路中加热器电路第二端；所述第三运放电路的反相输入端与第十三电阻一端连接，第十三电阻的另一端接所述主功率电路中加热器电路第一端；所述第三负反馈电路包括第十四电阻，且所述第十四电阻的一端与第三运放电路的反相输入端连接，第十四电阻的另一端与第三运放电路的输出端连接；所述第四运放电路的正向输入端接第三基准电压源，第四运放电路的反向输入端与第十五电阻的一端连接，第十五电阻的另一端与第三运放电路的输出端连接，所述第四负反馈电路包括第二二极管，且所述第二二极管的负极与第四运放电路的反相输入端连接，第二二极管的正极与第十六电阻一端连接，第十六电阻的另一端与第四运放电路的输出端连接；所述闭锁电路包括第二三极管、第二电容和第十七电阻，且所述第二三极管的基极与所述第二二极管的正极连接，第二三极管的发射极分别与第二电容的一端和第十七电阻的一端连接，第二三极管的集电极分别与第二电容的另一端和第十七电阻的另一端连接；且所述第二三极管的集电极与第三二极管的负极连接，第二三极管的集电极与第四二极管的负极连接；所述第二三极管的发射极接地。

2.根据权利要求1所述的电池加热器控制与故障诊断系统，其特征在于，所述故障检测电路包括信号调理电路、加热器断路保护电路以及过流故障保护电路。

3.根据权利要求2所述的电池加热器控制与故障诊断系统，其特征在于，所述信号调理电路包括第五运放电路以及第五负反馈电路；且所述第五运放电路的正相输入端与第三电容一端连接，第三电容的另一端接地，第五运放电路的正相输入端与第十八电阻一端连接，第十八电阻的另一端接所述主功率电路中加热器电路第一端；第五运放电路的反相输入端与第十九电阻的一端连接，第十九电阻的另一端接地；所述第五负反馈电路包括第二十电阻，且所述第二十电阻的一端与第五运放电路的反相输入端连接，第二十电阻的另一端与第五运放电路的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的电池加热器控制与故障诊断系统，其特征在于，所述加热器断路保护电路包括：第六运放电路以及第六正反馈电路；且所述第六运放电路的正相输入端与第四电容一端连接，第四电容的另一端接地，第六运放电路的正相输入端与第二十一电阻的一端连接，第二十一电阻的另一端接第四基准电压源；所述第六运放电路的反相输入端与第二十二电阻的一端连接，第二十二电阻的另一端与所述第五运放电路的输出端连接；所述第六正反馈电路包括第五二极管，且所述第五二极管的负极与所述第六运放电路的正相输入端连接，第五二极管的正极与所述故障检测使能电路中的第六二极管的正极连接；第五二极管的正极与第二十三电阻一端连接，第二十三电阻的另一端与第六运放电路的输出端连接；所述第二十三电阻的另一端与第六二极管的正极连接。

5.根据权利要求4所述的电池加热器控制与故障诊断系统，其特征在于，所述过流故障保护电路包括第七运放电路以及第七正反馈电路；且所述第七运放电路的反相输入端与第二十四电阻一端连接，第二十四电阻的另一端接第五基准电压源，所述第七运放电路的正相输入端与第五电容一端连接，第五电容的另一端接地，第七运放电路的正相输入端与第二十五电阻的一端连接，第二十五电阻的另一端与第五运放电路的输出端连接；所述第七正反馈电路包括第七二极管，且所述第七二极管的负极与第七运放电路的正相输入端连接，第七二极管的正极与所述故障检测使能电路中的第三二极管的正极连接；第七二极管的正极与第二十六电阻一端连接，第二十六电阻的另一端与第七运放电路的输出端连接；所述第二十六电阻的另一端接第八二极管的正极，第八二极管的负极与第六二极管的负极连接。

6.根据权利要求5所述的电池加热器控制与故障诊断系统，其特征在于，还包括保护电路，所述保护电路包括第八运放电路，且所述第八运放电路的正向输入端与第二十七电阻连接，第二十七电阻接地，第八运放电路的正相输入端与稳压二极管正极连接，稳压二极管的负极与所述故障检测使能电路的第三二极管正极连接，且所述第八运放电路的反相输入端与第八运放电路的输出端连接；所述第八运放电路的输出端与第二十八电阻的一端连接，第二十八电阻的另一端与第三三极管的基极连接，第三三极管的基极与第二十九电阻的一端连接，第二十九电阻的另一端接地，第三三极管的集电极与主功率电路的输出端连接，第三三极管的发射极接地。