CN110649669B - 一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，其包括并联连接在蓄电池组中的每节电池的两端的识别子电路和跨接子电路，识别子电路具有一个在有电流流过时产生磁场的磁感线圈，跨接子电路具有若干个MOS管和一个通过磁感强度和方向来判断是否开启MOS管使其导通的磁感应芯片；电池的两端产生反向电压时识别子电路导通，磁感线圈有电流流过产生磁场来实时识别电池是否发生开路故障，磁感线圈产生的磁场激励磁感应芯片动作，磁感应芯片输出电压开启MOS管，MOS管导通跨接该电池形成导通续流通道；优点是其能够准确识别和跨接开路电池，体积小，易于安装，可靠性高，且抗干扰性好。

Description

一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路

技术领域

本发明涉及一种电池开路解决技术，尤其是涉及一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路。

背景技术

在大型数据中心UPS(Uninterruptible Power System)电源系统、电网变电站直流电源系统、医院等重要用户应急EPS(emergency power supply)电源系统等中，广泛采用蓄电池组作为储能后备电源。为了获得足够高的直流电压，电池采用串联的方式构成蓄电池组。由于对蓄电池组日常检测和运行维护的不足，通常导致电池逐步劣化而失效，当需要紧急供电输出时，蓄电池组中只要有一节电池产生失效故障，可能就会导致整组蓄电池组无法输出工作，这种现象称为电池开路。

电池开路的基本技术特征是，在蓄电池组输出带负载的时候，失效的电池因为没有足够电荷变成了蓄电池组内部负载，失效的电池两端的电压由正向变成反向，并且电池劣化越严重，失效程度越高，该电池两端呈现的反向电压越高，导致整组蓄电池组的电压下降而不能带动负载。如图1所示，失效的电池两端的电压由正常的U1变为U2，方向相反。

为了避免电池开路造成供电故障，目前已提出了两类电池开路跨接(短接)方案，第一种方案是采用大功率二极管既作为判断识别元件又作为导通续流元件，但是为了解决元件发热问题，需要附加较大的铝合金散热器，体积大，负载电流越大，安装越困难；第二种方案是采用电压判断电路，启动大功率MOS(金属氧化物半导体场效应晶体管)管或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)管，结构复杂，抗干扰性差。因此，有必要研究发明一种电池组中电池开路实时识别与跨接的新方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，其能够准确识别和跨接开路电池，体积小，易于安装，可靠性高，且抗干扰性好。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，其特征在于：包括并联连接在蓄电池组中的每节电池的两端的识别子电路和跨接子电路，所述的识别子电路具有一个在有电流流过时产生磁场的磁感线圈，所述的跨接子电路具有若干个MOS管和一个通过磁感强度和方向来判断是否开启所述的MOS管使其导通的磁感应芯片；电池的两端产生反向电压时所述的识别子电路导通，所述的磁感线圈有电流流过产生磁场来实时识别电池是否发生开路故障，所述的磁感线圈产生的磁场激励所述的磁感应芯片动作，所述的磁感应芯片输出电压开启所述的MOS管，所述的MOS管导通跨接该电池形成导通续流通道。

所述的识别子电路由所述的磁感线圈、二极管和自恢复保险丝组成，电池的负极与所述的磁感线圈中的线圈的一端连接，所述的磁感线圈中的线圈的另一端与所述的二极管的正极连接，所述的二极管的负极与所述的自恢复保险丝的一端连接，所述的自恢复保险丝的另一端与电池的正极连接。磁感线圈的作用是当线圈有电流流过时产生磁场；二极管的作用是当电池两端的电压正向时，二极管截止，回路无电流；当电池两端的电压反向时，二极管导通，回路有电流；自恢复保险丝的作用是限流，防止磁感线圈和二极管长期通过较大电流而损坏，当电池两端的反向电压变小或转变为正向电压时，自恢复保险丝恢复常态。识别子电路利用开路故障电池的两端产生反向电压的特征，在电池的两端并联磁感线圈，并串联小功率的二极管做正反接隔离。

所述的磁感线圈包括线圈和内置于线圈中的铁氧体磁棒。由于线圈中内置有铁氧体磁棒，因此能在铁氧体磁棒的两端产生较高的磁场强度。

所述的跨接子电路由滤波电容、所述的磁感应芯片、下拉电阻、电压瞬变抑制元件、限流电阻、所述的MOS管、熔丝组成，所述的滤波电容的一端与所述的磁感应芯片的电源端连接，所述的滤波电容的另一端与所述的磁感应芯片的接地端连接，所述的磁感应芯片的电源端接电源，所述的磁感应芯片的输出端分别与所述的下拉电阻的一端、所述的电压瞬变抑制元件的电压端、所述的限流电阻的一端连接，所述的限流电阻的另一端与所述的MOS管的栅极连接，所述的MOS管的漏极与所述的熔丝的一端连接，所述的熔丝的另一端与电池的正极连接，电池的负极与所述的MOS管的源极连接，所述的磁感应芯片的接地端、所述的下拉电阻的另一端、所述的电压瞬变抑制元件的接地端、所述的MOS管的源极均接地。滤波电容的主要作用是对电源进行滤波，以减少电源杂波对磁感应芯片的干扰；磁感应芯片通过磁感应强度来判断是否开启MOS管使其导通，磁感应芯片可以感应到磁场的强弱和方向，只有符合设定条件(磁场方向和磁场强度都满足)，才能动作输出；下拉电阻的主要作用是在磁感应芯片无输出时，将MOS管的栅极电压钳制在零电位，防止MOS管因干扰误动作；电压瞬变抑制元件的作用是防止意外瞬态电压干扰，使磁感应芯片输出不稳定或因干扰电压过高而损坏，起到保护磁感应芯片作用；限流电阻的主要作用是限流；大功率的MOS管是提供导通续流通道的关键执行元件，具有极低的导通阻抗，发热小、体积小；熔丝的作用是防止跨接子电路在电池的两端反接，而损坏正常电池。

所述的磁感应芯片靠近并正对所述的铁氧体磁棒的一端。

所述的MOS管为1个或为多个，多个所述的MOS管并联连接。多个MOS管并联连接可以增加允许通过的电流值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)利用识别子电路将电池的开路故障特征表现为电流大小、方向，并转化为磁场强度和方向，以此来实时识别电池是否发生开路故障，并通过并行驱动大功率的MOS管来跨接发生开路故障的电池形成导通续流通道。

2)相比采用大功率二极管既作为判断识别元件又作为导通续流元件的方案，本电路的动作能耗低，无需配置散热器，因此体积小，易于安装，便于推广应用。

3)相比采用电压判断电路的方案，本电路利用磁场方向和磁场强度作为判别条件，可靠性更高，减少了误动作。

4)本电路中包含磁感应芯片的控制电路即跨接子电路与大电流回路即识别子电路之间没有电气上直接接触，通过磁场空间传送信号，不受电气回路波动的影响，因此抗干扰性好。

附图说明

图1为储能后备电源系统的典型电路结构；

图2为本发明中的识别子电路的电路图；

图3为本发明中的跨接子电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，如图2和图3所示，其包括并联连接在蓄电池组中的每节电池1的两端的识别子电路2和跨接子电路3，识别子电路2具有一个在有电流流过时产生磁场的磁感线圈M，跨接子电路3具有一个MOS管K1和一个通过磁感强度和方向来判断是否开启MOS管K1使其导通的磁感应芯片X1；电池1的两端产生反向电压时识别子电路2导通，磁感线圈M有电流流过产生磁场来实时识别电池1是否发生开路故障，磁感线圈M产生的磁场激励磁感应芯片X1动作，磁感应芯片X1输出电压开启MOS管K1，MOS管K1导通跨接该电池1形成导通续流通道。

在本实施例中，识别子电路2由磁感线圈M、二极管D1和自恢复保险丝FU1组成，磁感线圈M包括线圈M1和内置于线圈M1中的铁氧体磁棒M2，由于线圈M1中内置有铁氧体磁棒M2，因此能在铁氧体磁棒M2的两端产生较高的磁场强度，电池1的负极与磁感线圈M中的线圈M1的一端连接，磁感线圈M中的线圈M1的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与自恢复保险丝FU1的一端连接，自恢复保险丝FU1的另一端与电池1的正极连接。磁感线圈M的作用是当线圈M1有电流流过时产生磁场；二极管D1的作用是当电池1两端的电压正向时，二极管D1截止，回路无电流；当电池1两端的电压反向时，二极管D1导通，回路有电流；自恢复保险丝FU1的作用是限流，防止磁感线圈M和二极管D1长期通过较大电流而损坏，当电池1两端的反向电压变小或转变为正向电压时，自恢复保险丝FU1恢复常态。识别子电路2利用开路故障电池1的两端产生反向电压的特征，在电池1的两端并联磁感线圈M，并串联小功率的二极管D1做正反接隔离。

在本实施例中，跨接子电路3由滤波电容Cd、磁感应芯片X1、下拉电阻Rq、电压瞬变抑制元件TVS、限流电阻Rs、MOS管K1、熔丝FU2组成，磁感应芯片X1靠近并正对铁氧体磁棒M2的一端，滤波电容Cd的一端与磁感应芯片X1的电源端连接，滤波电容Cd的另一端与磁感应芯片X1的接地端连接，磁感应芯片X1的电源端接电源，磁感应芯片X1的输出端分别与下拉电阻Rq的一端、电压瞬变抑制元件TVS的电压端、限流电阻Rs的一端连接，限流电阻Rs的另一端与MOS管K1的栅极连接，MOS管K1的漏极与熔丝FU2的一端连接，熔丝FU2的另一端与电池1的正极连接，电池1的负极与MOS管K1的源极连接，磁感应芯片X1的接地端、下拉电阻Rq的另一端、电压瞬变抑制元件TVS的接地端、MOS管K1的源极均接地。滤波电容Cd的主要作用是对电源Vcc进行滤波，以减少电源Vcc杂波对磁感应芯片X1的干扰；磁感应芯片X1通过磁感应强度来判断是否开启MOS管K1使其导通，磁感应芯片X1可以感应到磁场的强弱和方向，只有符合设定条件(磁场方向和磁场强度都满足)，才能动作输出；下拉电阻Rq的主要作用是在磁感应芯片X1无输出时，将MOS管K1的栅极电压钳制在零电位，防止MOS管K1因干扰误动作；电压瞬变抑制元件TVS的作用是防止意外瞬态电压干扰，使磁感应芯片X1输出不稳定或因干扰电压过高而损坏，起到保护磁感应芯片X1作用；限流电阻Rs的主要作用是限流；大功率的MOS管K1是提供导通续流通道的关键执行元件，具有极低的导通阻抗，发热小、体积小；熔丝FU2的作用是防止跨接子电路3在电池1的两端反接，而损坏正常电池1。

在上述实施例中，MOS管K1也可为多个，多个MOS管K1并联连接，可以增加允许通过的电流值。

在上述实施例中，在设计电路时，将所有电子元器件焊接于PCB板上构成PCB电路板，将PCB电路板的背面搁置于磁感线圈M中的铁氧体磁棒M2的一端上，并使磁感应芯片X1正对铁氧体磁棒M2的一端，以确保磁感应芯片X1能够准确感应磁感强度和磁感方向。

该电池组中电池开路实时识别与跨接电路的工作原理为：

蓄电池组在正常运行状态下，每节电池1的电压都为正向，在识别子电路2中，由于二极管D1反向截止，因此磁感线圈M中的线圈M1无电流流过，不产生磁场，仅可能存在微弱的剩磁，磁场强度微弱；在跨接子电路3中，磁感应芯片X1不动作，无输出，磁感应芯片X1的输出端处为低电位，MOS管K1处于截止状态，不动作。

当然，如果二极管D1不存在，则由于电池1的两端存在正向电压，磁感线圈M中存在正向电流，形成正向磁场，磁感应芯片X1感应到的磁场方向与动作输出所需的磁场方向判断条件不同，磁感应芯片X1依然不会动作。但是磁感线圈M处于工作状态，造成不必要的损耗，也容易产生电池短路事故。

当蓄电池组对负载供电时，其中某节失效电池1开路时，失效电池因为内部电荷不足，电池1的两端产生与原电压极性相反的反向电压。此时，识别子电路2中的二极管D1导通，磁感线圈M中的线圈M1有电流流过，产生磁场，如果电流过大，则自恢复保险丝FU1动作，切断电流；在跨接子电路3中，磁感应芯片X1感应到正确方向的磁场强度后，立即动作输出高电平并自保持，高电平控制MOS管K1导通，失效电池被跨接。这样蓄电池组就通过MOS管K1形成导通续流通道，继续保障蓄电池组供电输出。

Claims (4)

1.一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，其特征在于：包括并联连接在电池组中的每节电池的两端的识别子电路和跨接子电路，所述的识别子电路具有一个在有电流流过时产生磁场的磁感线圈，所述的跨接子电路具有若干个MOS管和一个通过磁场强度和方向来判断是否开启所述的MOS管使其导通的磁感应芯片；电池的两端产生反向电压时所述的识别子电路导通，所述的磁感线圈有电流流过产生磁场来实时识别电池是否发生开路故障，所述的磁感线圈产生的磁场激励所述的磁感应芯片动作，所述的磁感应芯片输出电压开启所述的MOS管，所述的MOS管导通跨接该电池形成导通续流通道；

所述的识别子电路由所述的磁感线圈、二极管和自恢复保险丝组成，电池的负极与所述的磁感线圈中的线圈的一端连接，所述的磁感线圈中的线圈的另一端与所述的二极管的正极连接，所述的二极管的负极与所述的自恢复保险丝的一端连接，所述的自恢复保险丝的另一端与电池的正极连接；

所述的跨接子电路由滤波电容、所述的磁感应芯片、下拉电阻、电压瞬变抑制元件、限流电阻、所述的MOS管、熔丝组成，所述的滤波电容的一端与所述的磁感应芯片的电源端连接，所述的滤波电容的另一端与所述的磁感应芯片的接地端连接，所述的磁感应芯片的电源端接电源，所述的磁感应芯片的输出端分别与所述的下拉电阻的一端、所述的电压瞬变抑制元件的电压端、所述的限流电阻的一端连接，所述的限流电阻的另一端与所述的MOS管的栅极连接，所述的MOS管的漏极与所述的熔丝的一端连接，所述的熔丝的另一端与电池的正极连接，电池的负极与所述的MOS管的源极连接，所述的磁感应芯片的接地端、所述的下拉电阻的另一端、所述的电压瞬变抑制元件的接地端、所述的MOS管的源极均接地。

2.根据权利要求1所述的一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，其特征在于：所述的磁感线圈包括线圈和内置于线圈中的铁氧体磁棒。

3.根据权利要求2所述的一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，其特征在于：所述的磁感应芯片靠近并正对所述的铁氧体磁棒的一端。

4.根据权利要求1所述的一种电池组中电池开路实时识别与跨接电路，其特征在于：所述的MOS管为1个或为多个，多个所述的MOS管并联连接。

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