CN104734123A - 锂电池本安防爆电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂电池本安防爆电路，包括至少一级短路保护电路，每级短路保护电路包括：一个三极管、一个场效应管、一个电容和多个电阻，第一电阻的第一端连接前一级电路的正极和锂电池的正极，第一电阻的第二端连接第二电阻的第一端、第三电阻的第一端和场效应管的栅极，第二电阻的第二端连接前一级电路的负极，第三电阻的第二端连接三极管的集电极，三极管的基极连接第四电阻的第一端，第四电阻的第二端连接第五电阻的第一端、电容的第一端和第六电阻的第一端，三极管的发射极连接场效应管的漏集、前一级电路的负极、第七电阻的第一端和第六电阻的第二端，场效应管的源极连接第五电阻的第二端，第七电阻的第二端连接电容的第二端。

Description

锂电池本安防爆电路

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种锂电池本安防爆电路。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，各种无线智能终端设备在人们的生产和生活中得到了普遍应用。作为20世纪开发成功的新型高能电池，锂电池在手持终端领域得到了广泛应用。

在煤矿、天然气、石油化工和纺织等领域，存在爆炸性气体和粉尘环境，所使用的电器设备必须符合国家规定的本安防爆标准。由于锂电池本身存在易燃易爆的特性，现有的锂电池管理芯片（Battery Management System，简称BMS）的瞬间短路电流幅值达几十安培，响应时间在100微秒以上，无法达到本安防爆短路电压/电流在12V/5A以下的标准，因此，常规锂电池无法应用于爆炸性气体和粉尘环境，限制了无线智能终端设备在煤矿、天然气、石油化工和纺织等诸多领域的应用。

发明内容

本发明提供一种锂电池本安防爆电路，用以解决现有技术中的缺陷，实现锂电池的本安防爆。

本发明提供一种锂电池本安防爆电路，包括：至少一级短路保护电路；

其中，每级所述短路保护电路包括：一个三极管、一个场效应管、一个电容和多个电阻，第一电阻的第一端连接前一级电路的正极和锂电池的正极，所述第一电阻的第二端连接第二电阻的第一端、第三电阻的第一端和所述场效应管的栅极，所述第二电阻的第二端连接前一级电路的负极，所述第三电阻的第二端连接所述三极管的集电极，所述三极管的基极连接第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接第五电阻的第一端、所述电容的第一端和第六电阻的第一端，所述三极管的发射极连接所述场效应管的漏集、所述前一级电路的负极、第七电阻的第一端和所述第六电阻的第二端，所述场效应管的源极连接所述第五电阻的第二端，所述第七电阻的第二端连接所述电容的第二端。

如上所述的锂电池本安防爆电路，其中，所述三极管为NPN型三极管，所述场效应管为N型场效应管。

如上所述的锂电池本安防爆电路，其中，所述三极管为PNP型三极管，所述场效应管为P型场效应管。

如上所述的锂电池本安防爆电路，其中，所述场效应管为金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET。

如上所述的锂电池本安防爆电路，其中，所述锂电池本安防爆电路包括两级所述短路保护电路。

如上所述的锂电池本安防爆电路，其中，所述锂电池本安防爆电路还包括：基本保护电路；其中，第一级所述短路保护电路的前一级电路为所述基本保护电路。

由上述发明内容可见，通过三极管与场效应管相互配合，能够精确、快速地进行短路保护，短路能量符合国家规定的本安防爆标准的要求，从而实现了对于锂电池的本安防爆电路保护。

附图说明

图1为本发明实施例一的锂电池本安防爆电路的结构示意图；

图2为本发明实施例二的锂电池本安防爆电路的结构示意图；

图3为本发明实施例三的锂电池本安防爆电路的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例一的锂电池本安防爆电路的结构示意图。如图1所示，所述锂电池本安防爆电路至少包括：至少一级短路保护电路。

其中，每级所述短路保护电路包括：一个三极管T1、一个场效应管Q1、一个电容C1和多个电阻。具体地，第一电阻R1的第一端连接前一级电路的正极和锂电池的正极，所述第一电阻R1的第二端连接第二电阻R2的第一端、第三电阻R3的第一端和所述场效应管Q1的栅极，所述第二电阻R2的第二端连接前一级电路的负极，所述第三电阻R3的第二端连接所述三极管T1的集电极，所述三极管T1的基极连接第四电阻R4的第一端，所述第四电阻R4的第二端连接第五电阻R5的第一端、所述电容C1的第一端和第六电阻R6的第一端，所述三极管T1的发射极连接所述场效应管Q1的漏集、所述前一级电路的负极、第七电阻R7的第一端和所述第六电阻R6的第二端，所述场效应管Q1的源极连接所述第五电阻R5的第二端，所述第七电阻R7的第二端连接所述电容C1的第二端。

在本发明实施例一中，三极管可以为NPN型三极管，相应地，场效应管为N型场效应管；或者，三极管也可以为PNP型三极管，相应地，场效应管为P型场效应管。在图1中，仅示出以三极管为NPN型三极管且场效应管为N型场效应管为例的情况。

以下对图1所示的锂电池本安防爆电路的各个器件的功能进行说明。如图1所示，第五电阻R5为电流检测电阻，实时检测负载电流，当回路电流达到短路设置值时，其上压降推动保护三极管T1导通，迅速释放场效应管Q1的栅极电荷，从而关断开关Q1，其中，短路设置值根据以下公式计算：Iset＝V_be/R5，Iset表示短路设置值，Vbe表示三极管T1的基极PN结电压，短路保护响应时间为三极管T1的开通时间与场效应管Q1的关断时间之和。第一电阻R1为场效应管Q1的栅极驱动电阻，根据场效应管Q1的参数选择第一电阻R1的阻值。第三电阻R3控制场效应管Q1栅极的关断速度，第二电阻R2为场效应管Q1栅极驱动的分压电阻，取值远大于第一电阻R1，三极管T1为短路判断电路，第五电阻R5为采样电阻，当采样电阻R5的电压降达到0.7V的PN结势垒电压，三极管T1饱和导通，场效应管Q1栅极驱动被短路，回路电流被切断。第七电阻R7和电容C1为场效应管Q1的漏极至源极电压尖峰吸收电路；第六电阻R6为负载解除短路后的电路恢复电阻；第四电阻R4为三极管T1的基极驱动电阻。

在本发明实施例一中，通过三极管与场效应管相互配合，能够精确、快速地进行短路保护，短路能量符合国家规定的本安防爆标准的要求，从而实现了对于锂电池的本安防爆电路保护。

在本发明实施例一的上述技术方案的基础上，进一步地，所述三极管可以为NPN型三极管，相应地，所述场效应管为N型场效应管。或者，所述三极管为PNP型三极管，相应地，所述场效应管为P型场效应管。

在本发明实施例一的上述技术方案的基础上，进一步地，所述场效应管为金属氧化层半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，简称MOSFET）。

在本发明实施例一的上述技术方案的基础上，进一步地，所述锂电池本安防爆电路可以包括两级所述短路保护电路。

在本发明实施例一的上述技术方案的基础上，进一步地，所述锂电池本安防爆电路还可以包括基本保护电路，其中，第一级所述短路保护电路的前一级电路为所述基本保护电路。

图2为本发明实施例二的锂电池本安防爆电路的结构示意图。在本发明实施例二中，仅以以下具体实现方式为例：在锂电池本安防爆电路中包括两级短路保护电路，且每一级短路保护电路中的三极管为NPN型三极管且场效应管为N型场效应管，且第一级短路保护电路的前一级电路为基本保护电路，基本保护电路为现有技术中的传统BMS电路，包括S-8261电路等器件。

图3为本发明实施例三的锂电池本安防爆电路的结构示意图。在本发明实施例三中，仅以以下具体实现方式为例：在锂电池本安防爆电路中包括两级短路保护电路，且每一级短路保护电路中的三极管为PNP型三极管且场效应管为P型场效应管，且第一级短路保护电路的前一级电路为基本保护电路，基本保护电路为现有技术中的传统BMS电路，包括S-8261电路等器件。

本发明实施例二和本发明实施例三的设计思路包括：在不影响电池管理芯片正常充放电管理功能的前提下，S-8261电路直接与电池芯的正负级连接，增加两级短路保护电路，构成一个全新的达到本安防爆能量要求的电池管理系统。其中，两级短路保护电路串联，用于精确控制快速短路保护。

如图2和图3所示，本发明实施例二和本发明实施例三的锂电池本安防爆电路包括：基本保护电路100、第一级短路保护电路110和第二级短路保护电路120。

其中，电容C2左侧以及该电容C2组成的电路为基本保护电路100，即现有技术中的传统BMS电路，该基本保护电路具体采用以S8261为核心的芯片解决方案，负责锂电池的充放电管理，包括：过充、过放、限流和常规短路保护功能，其中常规短路保护功能缺点是响应速度慢、短路电流大等。

电容C2右侧为两级精确快速短路保护电路，其中，场效应管Q1、三极管T1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R13、电阻R15和电容C3构成第一级短路保护110，场效应管Q2、三极管T2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R14、电阻R16和电容C4构成第二级短路保护120，两级短路包含电路的功能和拓扑完全一致。

下面以第一级短路保护电路110为例说明各个器件的功能。

如图2和图3所示，电阻R13为电流检测电阻，实时检测负载电流，当电流达到短路设置值时，保护三极管T1导通，迅速释放场效应管Q1的栅极电荷，从而关断开关Q1，其中，短路设置值根据以下公式计算：Iset＝V_be/R13，Iset表示短路设置值，V_be表示三极管T1的基极PN结电压，短路保护响应时间为三极管T1的开通时间与场效应管Q1的关断时间之和。电阻R7为场效应管Q1的栅极驱动电阻，根据场效应管Q1的参数选择。电阻R6控制场效应管Q1栅极的关断速度，电阻R3为场效应管Q1栅极驱动的分压电阻，取值远大于电阻R7，三极管T1为短路判断电路，电阻R13为采样电阻，当采样电阻R13电压降达到0.7V的PN结势垒电压，三极管T1饱和导通，场效应管Q1栅极驱动被短路，回路电流被切断。电阻R5和电容C3为场效应管Q1的漏极至源极电压尖峰吸收电路；电阻R4为负载解除短路后，电路恢复电阻；电阻R15为三极管基极驱动电阻。

第二级短路保护电路120中的各个器件的功能与第一级短路保护电路110中的相应器件的功能一致，在此不再赘述。

由于采用了两级冗余设计，受电阻R13的压降影响，第二级短路保护电路120中的场效应管Q2的驱动电压低于第一级短路保护电路110中的场效应管的Q1的驱动电压，两级都完好的情况下，第二级短路保护电路120中的场效应管Q2总是先于第一级短路保护电路110中的场效应管的Q1关断，当第二级短路保护电路120出现短路失效后，第一级短路保护电路110起保护作用。

采用上述电路设计制作原理样机，使用铜柱碰触输出正负极方式短路，负载侧的引线电感可认为忽略不计，实际测试短路保护相应时间小于1.5微秒，短路释放能量小于10微焦。

在本发明实施例二和实施例三中，通过三极管与场效应管相互配合，能够精确、快速地进行短路保护，短路能量符合国家规定的本安防爆标准的要求，从而实现了对于锂电池的本安防爆电路保护。并且，本发明实施例的本安防爆电路的电路结构简单，电路体积小，生产制造成本低。并且，本发明实施例的本安防爆电路与现有技术中的电池BMS管理系统完全兼容，无需改变现有电池BMS管理系统的原有功能。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种锂电池本安防爆电路，其特征在于，包括：至少一级短路保护电路；

其中，每级所述短路保护电路包括：一个三极管、一个场效应管、一个电容和多个电阻，第一电阻的第一端连接前一级电路的正极和锂电池的正极，所述第一电阻的第二端连接第二电阻的第一端、第三电阻的第一端和所述场效应管的栅极，所述第二电阻的第二端连接前一级电路的负极，所述第三电阻的第二端连接所述三极管的集电极，所述三极管的基极连接第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接第五电阻的第一端、所述电容的第一端和第六电阻的第一端，所述三极管的发射极连接所述场效应管的漏集、所述前一级电路的负极、第七电阻的第一端和所述第六电阻的第二端，所述场效应管的源极连接所述第五电阻的第二端，所述第七电阻的第二端连接所述电容的第二端。

2.根据权利要求1所述的锂电池本安防爆电路，其特征在于，

所述三极管为NPN型三极管，所述场效应管为N型场效应管。

3.根据权利要求1所述的锂电池本安防爆电路，其特征在于，

所述三极管为PNP型三极管，所述场效应管为P型场效应管。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的锂电池本安防爆电路，其特征在于，

所述场效应管为金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的锂电池本安防爆电路，其特征在于，

所述锂电池本安防爆电路包括两级所述短路保护电路。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的锂电池本安防爆电路，其特征在于，所述锂电池本安防爆电路还包括：基本保护电路；

其中，第一级所述短路保护电路的前一级电路为所述基本保护电路。