CN111722127A

CN111722127A - 电池测试设备电流线防反接保护电路

Info

Publication number: CN111722127A
Application number: CN202010379410.7A
Authority: CN
Inventors: 张威亚
Original assignee: Wuhan Land Electronic Co ltd
Current assignee: Wuhan Land Electronic Co ltd
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2020-09-29

Abstract

本发明提供了一种电池测试设备电流线防反接保护电路，包括电源变换电路、继电器、输出端口、电池、检测电路、逻辑电路、上位机和驱动电路；电源变换电路的控制输入端与上位机的输出端电连接，电源变换电路的电源输出端经继电器的开关与输出端口电连接，输出端口的两端分别通过电流线与电池的正极和负极电连接；继电器的线圈与驱动电路的输出端电连接，检测电路的输入端与输出端口的两端电连接，检测电路的输出端分别与驱动电路和逻辑电路的输入端电连接，逻辑电路的输出端分别与上位机和驱动电路的输入端电连接。本发明避免用户将电流线反接造成电池或设备损坏，保证反接后能实时报警和保护的安全可靠性。

Description

电池测试设备电流线防反接保护电路

技术领域

本发明涉及电池测试技术领域，具体涉及一种电池测试设备电流线防反接保护电路。

背景技术

电池作为一种可储存能量的储能设备，已广泛使用于航空航天、交通运输、移动通信、光伏储能等各种领域，因此，针对电池的管理或测试设备也就得到了相关应用。

然而，用户在使用电池测试设备对电池进行充放电时，如果设备输出电流线与电池极性接反，可能就会导致电池或设备的损坏，甚至发生严重火灾等危险事故。一些传统设备可能通过串联二极管或MOS管反向截止的特性避免反接现象的发生。然而，串联二极管虽可对电池进行充电，但其导通时伴随的压降会导致功率损耗，且二极管具有不可控性，在要求具有充电和放电两种功能的设备中就无法适用；MOS管因其可控性虽可适用于充放电的设备中，但其漏-源(DS)耐压值受电池最大电压限制，即选型对电池电压具有依赖性，且关断情况下，电池电压高出预算值将产生漏电流，电池往设备“反灌”电流，在要求较高的场合这种方法可能就不太适用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种电池测试设备电流线防反接保护电路，避免用户将电流线反接造成电池或设备损坏，保证反接后能实时报警和保护的安全可靠性。

本发明提供了一种电池测试设备电流线防反接保护电路，包括电源变换电路、继电器、输出端口、电池、检测电路、逻辑电路、上位机和驱动电路；电源变换电路的控制输入端与上位机的输出端电连接，电源变换电路的电源输出端经继电器的开关与输出端口电连接，输出端口的两端分别通过电流线与电池的正极和负极电连接；继电器的线圈与驱动电路的输出端电连接，检测电路的输入端与输出端口的两端电连接，检测电路的输出端分别与驱动电路和逻辑电路的输入端电连接，逻辑电路的输出端分别与上位机和驱动电路的输入端电连接。

上述技术方案中，所述输出端口包括正极端和负极端，检测电路的输入电压为正极端和负极端之间的电压差；当检测电路的输入电压为正值时，检测电路判断电池接线状态为正接，反之则为反接；检测电路根据电池接线状态输出控制信号至驱动电路；检测电路将电池接线状态反馈至逻辑电路，逻辑电路根据电池接线状态输出使能信号至驱动电路并将电池接线状态反馈至上位机，上位机基于电池接线状态驱动电源变换电路输出；当电池接线状态为正接时，驱动电路根据检测电路和逻辑电路的输出信号控制继电器的开关闭合，上位机允许启动电源变换电路正常输出并经继电器和输出端口为电池充电；当电池接线状态为反接时，驱动电路根据检测电路和逻辑电路的输出信号控制继电器的开关断开，上位机弹出故障报警窗口并禁止启动电源变换电路输出。

上述技术方案中，所述检测电路包括差分比例电路和电压比较器；所述差分比例电路包括运算放大器U3A，电压比较器包括运算放大器U3B；所述运算放大器U3A的正极输入端与所述输出端口的正极端电连接；所述运算放大器U3A的负极输入端与所述输出端口的负极端电连接；所述运算放大器U3A的输出端与运算放大器U3B的正极输入端电连接，运算放大器U3B的负极输入端设定电池保护电压范围；运算放大器U3B的输出端与二极管D3的阴极电连接，二极管D3的阳极与驱动电路电连接，运算放大器U3B的输出端经电阻R7、R8与其正极电源端相连接，状态信号信号输出端电连接于电阻R7、R8之间；驱动信号输出端与驱动电路电连接，状态信号输出端与逻辑电路的输入端相连接；当电池接线状态为正接时，运算放大器U3B的输出端输出正电压，状态信号输出端输出高电平；当电池接线状态为反接时，运算放大器U3B的输出端输出负电压，状态信号端输出低电平。

上述技术方案中，逻辑电路的输入信号为高电平时，逻辑电路判断电池接线状态为正接，逻辑电路的使能信号输出端输出高电平至驱动电路；逻辑电路的输入信号为地电平时，逻辑电路判断电池接线状态为反接，逻辑电路的使能信号输出端输出低电平至驱动电路。

上述技术方案中，所述驱动电路包括光耦U2、三级管Q1，驱动信号输出端和使能信号输出端分别与光耦U2的第一管脚电连接，光耦U2的第二管脚接地，光耦U2的第三管脚电连接于三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地；三极管Q1的集电极经继电器的线圈和直流电源与光耦U2的第四管脚电连接；当使能信号输出端输出低电平时，光耦U2处于关断状态，继电器的开关断开；当使能信号输出端输出高电平且运算放大器U3B的输出端输出正电压时，光耦U2处于闭合状态，继电器的开关闭合；当使能信号输出端输出高电平且运算放大器U3B的输出端输出负电压时，光耦U2处于断开状态，继电器的开关断开。

上述技术方案中，所述上位机与电源变换电路保持通信连接，所述上位机用于编辑工步设定所述电源变换电路的启动、关断、输出电流、输出电压、输出功率等参数。

上述技术方案中，电流线紧固于输出端口的对应端。

上述技术方案中，所述差分比例电路中，所述运算放大器U3A的正极输入端经电阻R9与所述输出端口的正极端电连接；所述运算放大器U3A的负极输入端经电阻R10与所述输出端口的负极端电连接；所述运算放大器U3A的正极输入端经电阻R6接地；所述运算放大器U3A的输出端与运算放大器U3B的正极输入端电连接，所述运算放大器U3A的正极电源端经电容C2接地，所述运算放大器U3A的负极电源端经电容C3接地，所述运算放大器U3A的输出端经电阻R13与所述运算放大器U3A的负极输入端电连接。

上述技术方案中，所述运算放大器U3B的负极输入端经电阻R11接负电源，运算放大器U3B的负极输入端经电阻R12接地。

上述技术方案中，所述驱动电路中，驱动信号输出端经电阻R4与光耦U2的第一管脚电连接，使能信号输出端经电阻R3和二极管D2与光耦U2的第一管脚电连接，三极管Q1的集电极经二极管D1和电阻R1、R2与光耦U2的第四管脚电连接，电容C1并联于电阻R1两端，继电器的线圈并联于二极管D1的两端，光耦U2的第三管脚经电阻R5接地。

本发明通过电源变换电路为电池提供功率电源，其启动及充放电参数受上位机工步控制；继电器连接电源变换电路与输出端口；输出端口用于紧固电流线，输出端口和电池的连接方式具有硬性规定，避免反接情况的出现。检测电路对输出端口接线状态进行检测；逻辑电路根据检测结果控制驱动电路使能，并将接线状态告知上位机；上位机在反接时弹出故障报警窗口，并禁止工步启动电源变换电路输出电流；驱动电路同时受逻辑电路和检测电路控制。此发明解决了电池测试设备使用前用户将电流线反接的问题，避免了因电流线反接造成电路及电池损坏甚至引发事故的安全隐患，保证了电池测试设备的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2是本具体实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种电池测试设备电流线防反接保护电路，用于避免用户在使用电池测试设备时将电流线反接的问题，由电源变换电路1、继电器2、输出端口3、电流线A、电流线B、电池4、上位机5、驱动电路6、检测电路7和逻辑电路8组成。

本实施例中，电源变换电路1为电池提供功率电源，例如可对外部电池4进行恒流充放电、恒压充电、恒流恒压充电、恒功率充放电等，电源变换电路1的启动、关断及上述些充放电参数等受上位机工步控制。本实施例中电源变换电路1可以包括依次连接的电源输入端口、整流电路、升压或降压电路、变换电路、滤波电路、控制电路、通信电路。电源输入端口用于连接外部电网，电池充电时由电网提供能量，电池放电时将电池能量回馈电网中。整流电路一般包括二极管或开关管，用于将交流电变换为直流电。升压或降压电路一般包括开关管、磁性储能器件、二极管、滤波电容，主要将电压提升或降低到变换电路所需电压值，并提高工作效率。变换电路一般包括开关管、磁性储能器件、二极管、滤波电容，用于为电池提供所需电源。滤波电路一般包括电感、电容，用于降低纹波系数以保证输出电源的稳定性。控制电路一般由微控制器和开关组成，可以通过脉宽调制技术(PWM)控制升压或降压电路和变换电路的开关管通断，进而实现调压变流的作用。通信电路一般由微处理器和开关组成，用于与上位机实时通信。电源变换电路1具有响应速度快，超调小等优点，可有效地为电池提供所需电源。

本实施例中，继电器2用于控制电源变换电路1与端口A之间的通断。当电流线A接电池4正极，电流线B接电池4负极时，继电器2开通，电源变换电路1可以正常启动；当电流线A接电池4负极，电流线B接电池4正极时，继电器2断开，电源变换电路1禁止启动。

本实施例中，输出端口3由端口A和端口B组成，其中端口A用于紧固电流线A，端口B用于紧固电流线B，所述端口A和端口B通过所述电流线A和电流线B与电池构成电流回路。设备出厂时已将电流线A和电流线B紧固在端口A和端口B上，用户无法拆除。

本实施例中，电流线A和电流线B由设备厂家提供，且出厂对应安装于输出端口3上，故所指电流线正接和反接均指电池4端电流线接法。

本实施例中，外部电池4为用户电池，用户在使用电池设备对电池4进行测试前，需要将电流线A和电流线B对应地紧固于电池4的正极和负极上，所以在紧固电池4侧电流线时，会出现电流线A接电池负极和电流线B接电池正极的反接错误接法，故需要电池测试设备具有电流线防反接保护功能。

本实施例中，上位机5与电源变换电路1保持通信连接，用户通过上位机5编辑工步设定所述电源变换电路的启动、关断、输出电流、输出电压、输出功率等参数。上位机5的软件安装文件由电池测试设备厂家提供，用户可安装Windows XP、Windows 7和Windows 10操作系统上。

本实施例中，驱动电路6由使能信号输入端Relay_EN、驱动信号输入端Relay_Close、光耦U2、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D1、二极管D2和电解电容C1组成。所述使能信号输入端Relay_EN作为驱动电路使能输入，与所述逻辑电路相连；所述驱动信号输入端Relay_Close作为反接下拉输入，与所述检测电路相连；所述光耦U2起隔离模拟侧和功率侧的作用；所述使能信号输入端Relay_EN、电阻R3、二极管D2、驱动信号输入端Relay_Close和电阻R4组成电路控制光耦U2的管脚1电压，电流线反接时光耦U2的管脚1电压为负值；所述三极管Q1为NPN型管，工作在饱和态，作开关使用；所述二极管D1在所述继电器关断时为绕组电动势提供泄放回路；所述电解电容C1为继电器绕组启动瞬间提供大电流；所述电阻R1分压，保证继电器绕组处在最下吸合电压。

本实施例中，检测电路7由差分比例电路和电压比较器组成。所述差分比例电路由输入端Ua、输入端Ub、运算放大器U3A、电阻R6、电阻R9、电阻R10、电阻R13、电容C2和电容C3组成，所述输入端Ua和输入端Ub分别连接到所述端口A和端口B；所述运算放大器U3A为通用JFET双运算放大器U3的一部分；所述电阻R6＝R13，电阻R9＝R10；所述电容C2和C3为所述运放U3B电源的去耦电容。所述电压比较器由运算放大器U3B、电阻R7、电阻R8、电阻R11、电阻R12、二极管D3、状态信号输出端I_Fault和驱动信号输出端Relay_Close组成，所述运算放大器U3B为JFET双运算放大器U3的另一部分；所述运放U3B管脚5连接到所述运放U3A管脚1；所述电阻R11和R12可设定反接电池电压最小保护阈值；所述电阻R7和R8作为上拉电阻；所述二极管D3在电流线反接时起下拉驱动电路作用；所述状态信号输出端I_Fault连接到逻辑控制；所述驱动信号输出端Relay_Close连接到驱动电路。

本实施例中，逻辑电路8的状态信号输入端I_Fault连接到检测电路，其高低电平分别代表所述电流线正接和反接；所述逻辑电路的使能信号输出端Relay_EN连接到驱动电路，当所述状态信号输入端I_Fault为高电平，所使能信号输出端Relay_EN为高电平，反之，所述使能信号输出端Relay_EN为低电平；所述逻辑电路与所述上位机保持通信连接，通过读取状态信号告知上位机电流线接线状态。

本实施例中，还包括电源+15V、+5V、-5V、功率地PGND和模拟地AGND，所述电源及地均通过变换或稳压产生，在此不列出详细电路。

具体地，假设电池测试设备输出电压Uo满足2V≤Uo≤60V，即电池电压范围为2V～60V。图2中设定R6/R9＝0.075根据差分比例电路原理可得U1＝(Ua-Ub)*R6/R9＝0.075*(Ua-Ub)，当电流线正接时，电压Ua-Ub满足2V≤Ua-Ub≤60V，电流线反接时，电压Ua-Ub满足-60V≤Ua-Ub≤-2V，故电流线正接U1满足0.15V≤U1≤4.5V，电流线反接U1满足-4.5V≤U1≤-0.15V。图2中设定R11/R12＝47，则U2＝-5V*R12/(R11+R12)＝-0.104V。图2中设定R7/R8＝0.922，故I_Fault端电压U4＝(5V-U3)*R8/(R7+R8)+U3＝0.520*(5V-U3)+U3，根据电压比较器原理，运放U3B管脚7电压U3仅为+5V和-5V两种，故I_Fault端电压U4仅为5V(高电平)和0.2(低电平)，即对于逻辑电路而言，I_Fault端仅有逻辑高和逻辑低两个状态。本发明以上参数设置仅针对电压2V～60V的电池，此电压范围外电池不再适用，但通过调节差分比例电路中电阻阻值，可获得此电压范围外的电流线防反接保护电路。

本实施例中，以60V电池为例对电池测试设备电流线防反接保护电路加以详细说明，具体如下：当电流线A接在60V电池的正极，电流线B接在60V电池的负极，即电流线正接，此时Ua-Ub＝60V，U1＝4.5V，存在U1>U2＝-0.104V，U3＝5V，则I_Fault端电压U4＝5V(高电平)，逻辑控制根据I_Fault端的逻辑高判别电流线正接后告知上位机，并将Relay_EN端出高电平，则依次出现光耦U2打开、三极管Q1打开、继电器2打开，用户可通过上位机编辑工步启动电源变换电路；当电流线A接在60V电池的负极，电流线B接在60V电池的正极，即电流线反接，此时Ua-Ub＝-60V，U1＝-4.5V，存在U1<U2＝-0.104V，U3＝-5V，则I_Fault端电压U4＝0.2V(低电平)，逻辑控制根据I_Fault端的逻辑低判别电流线反接后告知上位机(上位机收到反接信号弹出反接保护窗口，并锁定上位机软件禁止工步编辑)，并将Relay_EN端出低电平，则光耦U2管脚1为低电平，光耦U2处于关断态，三极管Q1处于关断态、继电器2无法开通，电源变换电路与电池之间无回路；即使当电流线反接后，逻辑控制将Relay_EN端输出高电平，但由于U3＝-5V，由二极管D3、Relay_Close、电阻R4组成的电路会将光耦U2管脚1为强行拉为负电压，则光耦U2无法开通，继电器处于关断状态，则电源变换电路亦与电池之间无回路。

本实施例详细地介绍了一种电池测试设备电流线防反接保护电路，解决了电池测试设备使用前用户将电流线反接的问题，避免了因电流线反接造成电路及电池损坏甚至引发事故的安全隐患，保证了电池测试设备的安全可靠性。

通过以上实施例对一种电池测试设备电流线防反接保护电路进行了详细的介绍，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助上位机软件和必要的硬件电路来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。

值得说明的是，为进一步详细说明本实施例，以上实施例对各个单元和各个模块进行了相应的划分，但不仅仅局限于这样的划分方式，只要能实现所需功能即可，且各个模块及单元的命名也仅作为描述方便，故上述划分及命名并不限制本发明的保护范围。

以上所述实施例表达了本申请的实施方式，其描述较为详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于包括电源变换电路、继电器、输出端口、电池、检测电路、逻辑电路、上位机和驱动电路；电源变换电路的控制输入端与上位机的输出端电连接，电源变换电路的电源输出端经继电器的开关与输出端口电连接，输出端口的两端分别通过电流线与电池的正极和负极电连接；继电器的线圈与驱动电路的输出端电连接，检测电路的输入端与输出端口的两端电连接，检测电路的输出端分别与驱动电路和逻辑电路的输入端电连接，逻辑电路的输出端分别与上位机和驱动电路的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于所述输出端口包括正极端和负极端，检测电路的输入电压为正极端和负极端之间的电压差；当检测电路的输入电压为正值时，检测电路判断电池接线状态为正接，反之则为反接；检测电路根据电池接线状态输出控制信号至驱动电路；检测电路将电池接线状态反馈至逻辑电路，逻辑电路根据电池接线状态输出使能信号驱动电路并将电池接线状态反馈至上位机，上位机基于电池接线状态驱动电源变换电路输出；当电池接线状态为正接时，驱动电路根据检测电路和逻辑电路的输出信号驱动继电器的开关闭合，上位机允许启动电源变换电路正常输出并经继电器和输出端口为电池充电；当电池接线状态为反接时，驱动电路根据检测电路和逻辑电路的输出信号驱动继电器的开关断开，上位机弹出故障报警窗口并禁止启动电源变换电路输出。

3.根据权利要求2所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于所述检测电路包括差分比例电路和电压比较器；所述差分比例电路包括运算放大器U3A，电压比较器包括运算放大器U3B；所述运算放大器U3A的正极输入端与所述输出端口的正极端电连接；所述运算放大器U3A的负极输入端与所述输出端口的负极端电连接；所述运算放大器U3A的输出端与运算放大器U3B的正极输入端电连接，运算放大器U3B的负极输入端设定电池保护电压范围；运算放大器U3B的输出端与二极管D3的阴极电连接，二极管D3的阳极与驱动电路电连接，运算放大器U3B的输出端经电阻R7、R8与其正极电源端相连接，状态信号信号输出端电连接于电阻R7、R8之间；驱动信号输出端与驱动电路电连接，状态信号输出端与逻辑电路的输入端相连接；当电池接线状态为正接时，运算放大器U3B的输出端输出正电压，状态信号输出端输出高电平；当电池接线状态为反接时，运算放大器U3B的输出端输出负电压，状态信号端输出低电平。

4.根据权利要求3所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于逻辑电路的输入信号为高电平时，逻辑电路判断电池接线状态为正接，逻辑电路的使能信号输出端输出高电平至驱动电路；逻辑电路的输入信号为低电平时，逻辑电路判断电池接线状态为反接，逻辑电路的使能信号输出端输出低电平至驱动电路。

5.根据权利要求4所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于所述驱动电路包括光耦U2、三级管Q1，驱动信号输出端和使能信号输出端分别与光耦U2的第一管脚电连接，光耦U2的第二管脚接地，光耦U2的第三管脚电连接于三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地；三极管Q1的集电极经继电器的线圈和直流电源与光耦U2的第四管脚电连接；当使能信号输出端输出低电平时，光耦U2处于关断状态，继电器的开关断开；当使能信号输出端输出高电平且运算放大器U3B的输出端输出正电压时，光耦U2处于闭合状态，继电器的开关闭合；当使能信号输出端输出高电平且运算放大器U3B的输出端输出负电压时，光耦U2处于断开状态，继电器的开关断开。

6.根据权利要求5所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于所述上位机与电源变换电路保持通信连接，所述上位机用于编辑工步设定所述电源变换电路的启动、关断、输出电流、输出电压、输出功率参数。

7.根据权利要求1所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于电流线紧固于输出端口的对应端。

8.根据权利要求3所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于所述差分比例电路中，所述运算放大器U3A的正极输入端经电阻R9与所述输出端口的正极端电连接；所述运算放大器U3A的负极输入端经电阻R10与所述输出端口的负极端电连接；所述运算放大器U3A的正极输入端经电阻R6接地；所述运算放大器U3A的输出端与运算放大器U3B的正极输入端电连接，所述运算放大器U3A的正极电源端经电容C2接地，所述运算放大器U3A的负极电源端经电容C3接地，所述运算放大器U3A的输出端经电阻R13与所述运算放大器U3A的负极输入端电连接。

9.根据权利要求7所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于所述运算放大器U3B的负极输入端经电阻R11接负电源，运算放大器U3B的负极输入端经电阻R12接地。

10.根据权利要求9所述的电池测试设备电流线防反接保护电路，其特征在于所述驱动电路中，驱动信号输出端经电阻R4与光耦U2的第一管脚电连接，使能信号输出端经电阻R3和二极管D2与光耦U2的第一管脚电连接，三极管Q1的集电极经二极管D1和电阻R1、R2与光耦U2的第四管脚电连接，电容C1并联于电阻R1两端，继电器的线圈并联于二极管D1的两端，光耦U2的第三管脚经电阻R5接地。