CN108233480B - 一种防爆电池和用于防爆电池的隔离保护电路 - Google Patents

一种防爆电池和用于防爆电池的隔离保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种防爆电池和用于防爆电池的隔离保护电路，其包括电芯以及与电芯连接的电池隔离保护电路，电池隔离保护电路包括：第一储能模块、至少一个隔离电容组、第二储能模块、储能电容以及控制模块；其中，第一储能模块包括相互连接的初级电感和第一开关器件，初级电感和第一开关器件分别连接电芯的两端；第二储能模块包括相互连接的次级电感和第二开关器件，第二开关器件为二极管或同步MOSFET；至少一个隔离电容组串联在初级电感与次级电感之间，各隔离电容组至少包括串联连接的2个以上电容；储能电容连接次级电感，用于接收次级电感接收的电荷并传输给负载；控制模块连接第一开关器件，用于控制第一开关的通断。

Description

一种防爆电池和用于防爆电池的隔离保护电路
技术领域
本发明涉及电池保护技术领域，特别涉及一种具有安全隔离电路的防爆电池和用于防爆电池的隔离保护电路。
背景技术
在供电系统中，最容易发生的故障是短路、过载等。为了保证电池供电系统能够安全可靠地运行，通常需要设置保护电路，以便在电路故障时保护电池和电子设备等，防止事故扩大。现有电池保护电路通常是没有隔离而直接进行电流输出的，通过限流等方式对电流、电压、发热等进行保护。由于现有的电池保护电路没有隔离电路，在保护电路本身出现击穿等故障，如在短路等情况下，电池会直接输出较大电流，对负载设备造成较大的冲击，存在很大的安全风险。这种没有隔离保护的电路对于安全性要求高的本安防爆电池和防爆电子设备尤其不适用。目前存在的用于本安防爆的DC-DC电路，其在安全上性上有严格的要求，因为如果其主要的开关器件出现故障，整个电芯的功率将直接输出到后级电路和设备，造成过压、过流和超功率的危险，因此在具有较高的防爆等级的DC-DC电路中，通常采用传统的变压器隔离的方式来进行电路隔离。但是，这种采用变压器隔离的电路体积庞大，导致应用受到限制，并且这种采用变压器隔离的方式可能会因为短路等故障时线圈的温度过高而失效，从而导致安全隐患。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种带安全隔离电路的防爆电池以及用于防爆电池的隔离保护电路，以在保持体积小巧便携的同时实现防爆电池的安全隔离保护。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种防爆电池，所述防爆电池包括电芯以及与电芯连接的电池隔离保护电路，所述电池隔离保护电路包括：第一储能模块、至少一个隔离电容组、第二储能模块、储能电容以及控制模块；
其中，所述第一储能模块包括相互连接的初级电感和第一开关器件，所述初级电感和所述第一开关器件分别连接所述电芯的两端；
所述第二储能模块包括相互连接的次级电感和第二开关器件，所述第二开关器件为二极管或同步金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；
所述至少一个隔离电容组串联在所述初级电感与次级电感之间，各隔离电容组至少包括串联连接的2个以上电容或子电容组；
所述储能电容连接所述次级电感，用于接收所述次级电感传输的电荷并传输给负载；
所述控制模块连接所述第一开关器件，用于控制所述第一开关的通断。
优选地，所述至少一个电容组为串联和/或并联连接的两个以上电容组。
优选地，所述控制模块为PWM控制芯片和/或电路。
优选地，所述防爆电池还包括反馈电路，该反馈电路连接所述储能电容，基于所述储能电容的输出控制所述控制模块。
优选地，所述防爆电池还包括：限流电路，其用于限制输出电流到负载的输出电流。
优选地，所述防爆电池还包括：限压电路，其用于限制施加到负载的电压。
一种用于防爆电池的隔离保护电路，该电路包括：防爆电池以及与电芯连接的电池隔离保护电路，所述电池隔离保护电路包括：第一储能模块、至少一个隔离电容组、第二储能模块、储能电容以及控制模块；
其中，所述第一储能模块包括彼此连接的初级电感和第一开关器件，所述初级电感和所述第一开关器件分别连接所述电芯的两端；
所述第二储能模块包括彼此连接的次级电感和第二开关器件，所述第二开关器件为二极管或同步MOSFET；
所述至少一个隔离电容组串联在所述初级电感与次级电感之间，各隔离电容组包括2个以上串联连接的电容或子电容组；
所述储能电容连接所述次级电感，用于接收所述次级电感接收的电荷并传输给负载；
所述控制模块连接所述第一开关器件，用于控制所述第一开关的通断。
优选地，所述至少一个电容组为串联和/或并联连接的两个以上电容组。
优选地，所述控制模块为PWM控制芯片或电路。
优选地，所述隔离保护电路还包括反馈电路，该反馈电路连接所述储能电容，基于所述储能电容的输出控制所述第一开关器件。
优选地，所述隔离保护电路还包括：限流电路，其用于限制输出电流到负载的输出电流。
优选地，所述隔离保护电路还包括：限压电路，其用于限制施加到负载的电压。
本发明提供的防爆电池和用于防爆电池的隔离保护电路在主要的电流输出通道中采用2个或更多个串/并联电容作为隔离器件，来满足输出隔离的需求。在电路无异常时可以正常提供负载设备所需的电压电流；在电路短路等情况下，多个电容形成的电容组可以隔离电芯的输出，阻断对外的大电流冲击通路，保证电路安全，从而起到较好的安全隔离保护效果。并且，本发明的隔离保护电路可以与防爆电芯组装在一起而制成具有隔离保护功能的防爆电池，其不仅能够达到较高的防爆等级，而且还保证了电池的较小体积和便携，克服了现有的带变压隔离功能的本安防爆器件体积庞大的缺陷。
本领域技术人员应理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1为本发明一实施例中带隔离电路的防爆电池的示意性框图；
图2为本发明一实施例中带隔离电路的防爆电池的示意性电路图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
此外，需要说明的是，当一个部件被称为“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在居中的部件。当一个部件被称为是“连接”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。
本发明实施例中，提供了一种适用于防爆电池的电池隔离保护电路，该电路可以与电池电芯封装在一起，形成一种带隔离保护的防爆电池。
图1为本发明一实施例提供的带隔离电路的防爆电池的示意性框图。如图1所示，该防爆电池包括：电芯和隔离保护电路，其中隔离保护电路包括：第一储能模块2、第二储能模块3、至少一个隔离电容组1、储能电容(或称输出电容)4和控制模块5。
在本实施例中，电芯连接到第一储能模块2，第一储能模块2可包括相互连接的初级(输入)电感和第一开关器件，该初级电感和第一开关器件可分别连接在电芯的两端。本发明一实施例中，第一开关器件例如可以是晶体管开关。
第二储能模块3可包括相互连接的次级(输出)电感和第二开关器件，其中第二开关器件可以是二极管或同步MOSFET，其可起到整流作用。
至少一个隔离电容组1可串联在初级电感与次级电感之间，各隔离电容组包括2个以上串联连接的电容或子电容组，为电池提供双重甚至多重安全绝缘。在图1所示的视图中，示出了4个电容，两两串联组成两个电容组，两个电容组又并联连接。在本发明另一实施例中4个电容也可以先两两并联成两个子电容组，再串联，如图1中的虚线所示，虚线表示一种可选的连接方式。在本发明的另选实施例中，也可以仅设置1个电容组或设置3个以上电容组，电容组之间可以并联或串联连接。这些电容防止在电路短路时电源电压直接加载到负载上，即防止过大电流输出到电子设备，从而起到保护电子设备的作用。至少两个串联的电容保证了其中一个电容被击穿时，另外一个电容可以继续起到隔离的作用，通过这种风险分摊的机制来提高该保护电路的鲁棒性。同时，在隔离电容组1采用更多个以串联和\或并联方式连接的电容时，可以进一步提高该保护电路的鲁棒性，以便其中一个或数个电容被击穿时电路仍可起到保护输出作用。
本发明实施例中，控制模块5用于控制第一开关器件的通断以调节开关的占空比，一个周期中开关器件导通的时间所占的比例越大，输出电压越大，据此可以调节输出电压值。
控制模块例如可以为PWM(脉冲宽度调制)控制芯片，通过控制开关占空比来调节输出电压值。在本发明的另一实施例中，控制模块还可以为控制第一开关器件的通断的控制电路。
控制模块5驱动第一开关器件周期性地导通与关断。例如在第一开关器件导通时在初级电感中储存能量，在第一开关器件关断时初级电感存储的能量经过电容器组传输到次级电感，并存储在输出电容4中。
输出电容4储存次级电感3传输的电荷并输出至负载。输出电容4输出的电压即为电源经过隔离保护电路后最终的输出电压。
在本发明一实施例中，防爆电池的隔离电路还包括一个或多个限流电路7，该限流电路7用于限制输出电流到负载的输出电流。限流电路7可以是与负载串联的单个的限流元件，如限流电阻，也可以是复杂的起限流作用的、由多个元件组成的电路，如现有技术中的限流电路实现形式，或将来出现的新限流电路形式。在正常工作状态下，输出电流值由电容组1和限流电路7来限制。
在本发明另一实施例中，防爆电池的隔离电路还可包括一个或多个限压电路8，用于限制施加到负载的输出电压。限压电路可以是与负载并联的单独的限压元件，如瞬态电压抑制二极管，也可以是复杂的起限压作用的、由多个元件组成的电路。现有技术中电池保护电路中常用的限压电路同样适用本发明，因此在此不再赘述。在电路故障情况下，如果输出电压超出限定的电压值，输出电压可以由电容组1和限压电路8来进行限制，从而防止输出电压超出限定电压。
在本发明另一实施例中，防爆电池的隔离电路还可包括反馈电路6，反馈电路6例如可基于输出电容4的输出电压产生反馈信号给控制模块5，当输出电容的输出电压超出额定值时，控制模块5通过降低第一开关器件的导通占空比来使输出电容的输出电压处于合理的范围内。在本发明优选实施例中，反馈电路6可以由常规的阻容反馈网络来实现。在出现故障情况下，反馈电路6能够通过反馈过压能量来稳定输出端，限压电路同时将起到限压作用。
基于如上的电路，输出到目标电子设备的最终功率电压可限制在本安电池或本安电子设备要求的限定值以内。图2示出了本发明的防爆保护电路的一个示例性示意图。图2中，虚框部分对应于图1中的控制模块5，L1为初级电感，Q2为第一开关器件，C192-C195对应于隔离电容组1，L2为次级电感，Q1为第二开关器件，C197为输出电容。控制模块5包括控制芯片及连接电路，其中，控制芯片例如为TPS43000芯片，但并不限于此。开关Q2导通时，初级电感L1充电，在开关Q2关断时初级电感L1存储的能量经过电容器组传输到次级电感，并存储在输出电容C197中，第二开关器件Q1起到稳流作用。
图2所示的电路仅为示例，基于本发明的构思，还能够得到其他的变形电路形式，均在本发明的保护范围内。
本发明如上实施例中，描述的是一种带隔离保护的防爆电池，但本发明并不限于这样的防爆电池。本发明还可以将这种隔离保护电路设置在本安防爆设备中，而非与电芯封装在一起。
本发明如图1所示的本安防爆电池可以用于给本安设备供电，也可以用于更多的设计中提高电源输出的安全性。
本发明实施例中，采用2个或更多个串/并联电容作为隔离器件，来满足输出隔离的需求，在电路无异常时可以正常提供负载设备所需的电压电流；在电路短路等情况下，多个电容形成的电容组可以隔离电芯的输出，阻断对外的大电流冲击通路，保证电路安全。并且，本发明的隔离保护电路可以与防爆电芯组装在一起而制成具有隔离保护功能的防爆电池，其不仅能够达到较高的防爆等级，而且还保证了电池的较小体积和便携，克服了现有的带变压隔离功能的本安防爆器件体积庞大的缺陷。在此基础上，本发明可通过增加限流、限压和反馈电路来进一步提高电路安全性。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (12)

1.一种防爆电池，其特征在于，所述防爆电池包括电芯以及与电芯连接的电池隔离保护电路，所述电池隔离保护电路包括：第一储能模块、至少一个隔离电容组、第二储能模块、储能电容以及控制模块；
其中，所述第一储能模块包括相互连接的初级电感和第一开关器件，所述初级电感和所述第一开关器件分别连接所述电芯的两端；
所述第二储能模块包括相互连接的次级电感和第二开关器件，所述第二开关器件为二极管或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；
所述至少一个隔离电容组串联在所述初级电感与次级电感之间，各隔离电容组至少包括串联连接的2个以上电容或子电容组；
所述储能电容连接所述次级电感，用于接收所述次级电感传输的电荷并传输给负载；
所述控制模块连接所述第一开关器件，用于控制所述第一开关的通断。
2.根据权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述至少一个隔离电容组为串联和/或并联连接的两个以上电容组。
3.根据权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述控制模块为PWM控制芯片和/或电路。
4.根据权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述防爆电池还包括反馈电路，该反馈电路连接所述储能电容，基于所述储能电容的输出控制所述控制模块。
5.根据权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述防爆电池还包括：
限流电路，其用于限制输出电流到负载的输出电流。
6.根据权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述防爆电池还包括：
限压电路，其用于限制施加到负载的电压。
7.一种用于防爆电池的隔离保护电路，其特征在于，该电路包括：防爆电池以及与电芯连接的电池隔离保护电路，所述电池隔离保护电路包括：第一储能模块、至少一个隔离电容组、第二储能模块、储能电容以及控制模块；
其中，所述第一储能模块包括彼此连接的初级电感和第一开关器件，所述初级电感和所述第一开关器件分别连接所述电芯的两端；
所述第二储能模块包括彼此连接的次级电感和第二开关器件，所述第二开关器件为二极管或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；
所述至少一个隔离电容组串联在所述初级电感与次级电感之间，各隔离电容组包括2个以上串联连接的电容或子电容组；
所述储能电容连接所述次级电感，用于接收所述次级电感传输的电荷并传输给负载；
所述控制模块连接所述第一开关器件，用于控制所述第一开关的通断。
8.根据权利要求7所述的隔离保护电路，其特征在于，所述至少一个电容组为串联和/或并联连接的两个以上电容组。
9.根据权利要求7所述的隔离保护电路，其特征在于，所述控制模块为PWM控制芯片和/或电路。
10.根据权利要求7所述的隔离保护电路，其特征在于，所述隔离保护电路还包括反馈电路，该反馈电路连接所述储能电容，基于所述储能电容的输出控制所述控制模块。
11.根据权利要求7所述的隔离保护电路，其特征在于，所述隔离保护电路还包括：
限流电路，其用于限制输出电流到负载的输出电流。
12.根据权利要求7所述的隔离保护电路，其特征在于，所述隔离保护电路还包括：
限压电路，其用于限制施加到负载的电压。
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