CN114157129A - 一种双向限流电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双向限流电路及其工作方法，该电路包括控制单元、限流单元以及电压转换单元；限流单元包括第一充放电开关元件、第二充放电开关元件以及限流元件，限流元件与第二充放电开关元件并联，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件分别与控制单元以及电流负载连接；通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制。通过实施本发明实施例的电路可实现可双向限流，适用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的定时定值限流应用需求，也适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

Description

一种双向限流电路及其工作方法

技术领域

本发明涉及限流电路技术领域，尤其涉及一种双向限流电路及其工作方法。

背景技术

动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的后端用电设备形式各式各样，有时，后端负载消耗电流会超过电源包的正常设计输出电流，比如后端突然加入更大功率的电流负载，但是鉴于后端负载的特殊性，此时可能不可以直接将回路动力开关切断，而是先将回路电流限制在一个固定值，并持续一定时间后，再把主回路动力开关切断，停止对负载的一切供电，这便需要进行大电流的限流操作。

现有的限流电路方案中基本上都基于功率电感的使用，并且一般都是单向的限流，无法做到双向限流，并不适用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的限流应用，也不适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

因此，有必要设计一种电路，实现可双向限流，适用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的定时定值限流应用需求，也适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双向限流电路及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种双向限流电路，包括：控制单元、限流单元以及电压转换单元，所述限流单元以及所述电压转换单元分别与所述控制单元连接，所述限流单元以及所述电压转换单元分别连接有电流负载；所述限流单元包括第一充放电开关元件、第二充放电开关元件以及限流元件，所述限流元件与所述第二充放电开关元件并联，所述第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件分别与所述控制单元以及所述电流负载连接；通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制。

其进一步技术方案为：所述第一充放电开关元件包括MOS管Q10以及MOS管Q11。

其进一步技术方案为：所述第二充放电开关元件包括MOS管Q20以及MOS管Q21；所述MOS管Q20与所述MOS管Q10连接，所述MOS管Q11与所述MOS管Q21连接。

其进一步技术方案为：所述限流元件包括限流功率电阻R1以及限流功率电阻R2，所述限流功率电阻R1与所述MOS管Q20并联；所述限流功率电阻R2与所述MOS管Q21并联。

其进一步技术方案为：所述MOS管Q10的源极与所述MOS管Q11的源极之间连接有电流采集电阻R5。

其进一步技术方案为：所述电流采集电阻R5与所述控制单元连接。

另外，本发明要解决的技术问题是还在于提供一种双向限流电路的工作方法，所述工作方法适用于上述的双向限流电路，其特征在于，包括：

通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制。

其进一步技术方案为：所述通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制，包括：

当系统初始上电或重启时，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件导通；

当系统的电池放电电流超过开启定值定时限流门槛电流值时，控制单元断开第二充放电开关元件，第一充放电开关元件保持导通状态，限流元件对电池放电电流进行限流；

当控制单元检测到回路电流高于开启定值定时限流后的限制电流保持值，则控制单元调节输入至第一充放电开关元件的占空比，以使得回路电流平均值控制在设定范围内，且计时一段时间后，关断第一充放电开关元件。

其进一步技术方案为：所述当控制单元检测到回路电流高于开启定值定时限流后的限制电流保持值，则控制单元调节输入至第一充放电开关元件的占空比，以使得回路电流平均值控制在设定范围内，且计时一段时间后，关断第一充放电开关元件之后，还包括：

当系统正常下电或复位后，执行所述当系统初始上电或重启时，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件导通。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过设置控制单元、限流单元以及电压转换单元，限流单元包括第一充放电开关元件、第二充放电开关元件以及限流元件，通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制，实现可双向限流，适用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的定时定值限流应用需求，也适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1为本发明实施例提供的一种双向限流电路的示意性框图；

图2为本发明实施例提供的一种双向限流电路的具体电路原理图；

图 3为本发明实施例提供的电流定值定时限制时的电流波形示意图；

图4为本发明实施例提供的回路电流平均值控制在Ihold的具体电路图；

图中标识说明：

10、控制单元；20、电压转换单元；30、限流单元；40、电流负载。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种双向限流电路的示意性框图，该双向限流电路可运用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的定时定值限流应用需求，也适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

请参阅图1，上述的一种双向限流电路，包括：控制单元10、限流单元30以及电压转换单元20，限流单元30以及电压转换单元20分别与控制单元10连接，限流单元30以及电压转换单元20分别连接有电流负载40；限流单元30包括第一充放电开关元件、第二充放电开关元件以及限流元件，限流元件与第二充放电开关元件并联，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件分别与控制单元10以及电流负载40连接；通过控制单元10对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制。

在本实施例中，控制单元10带有隔离供电，即同电池组或交直流电源模块的负极是隔离的，主要实现信号采集，逻辑判断，逻辑控制等功能；电压转换单元20是一个高精度低功耗隔离的电压转换模块，限流单元30带有电流的反馈功能。

在系统初始上电或重启时，导通第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件，其实限流元件相当于第二充放电开关元件的近似旁路，并没有大电流通过；在正常放电时，当放电电流超过开启定值定时限流门槛电流值时，控制单元10断开第二充放电开关元件，第一充放电开关元件保持导通状态，限流元件对电池放电电流进行限流；当控制单元10检测到回路电流高于开启定值定时限流后的限制电流保持值，则控制单元10调节输入至第一充放电开关元件的占空比，以使得回路电流平均值控制在设定范围内，且计时一段时间后，关断第一充放电开关元件；当系统正常下电或复位后，执行当系统初始上电或重启时，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件导通。由此实现可双向限流，适用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的定时定值限流应用需求，也适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

在一实施例中，请参阅图2，上述的第一充放电开关元件包括MOS管Q10以及MOS管Q11。

在一实施例中，请参阅图2，第二充放电开关元件包括MOS管Q20以及MOS管Q21；MOS管Q20与MOS管Q10连接，MOS管Q11与MOS管Q21连接。

当然，于其他实施例，上述的第一充放电开关元件和第二充放电开关元件的MOS管个数可以依据实际情况而定，并不局限于本实例提及的两个。

限流元件的个数与第二充放电开关元件的个数是一致的。

在一实施例中，请参阅图2，上述的限流元件包括限流功率电阻R1以及限流功率电阻R2，限流功率电阻R1与MOS管Q20并联；限流功率电阻R2与MOS管Q21并联。

在一实施例中，请参阅图2，MOS管Q10的源极与MOS管Q11的源极之间连接有电流采集电阻R5。

在一实施例中，请参阅图2，电流采集电阻R5与控制单元10连接。

本实施例并没有采用功率电感，其组成部分包括功率MOS管、低功耗单片机、功率电阻等简单器件，实现了限流电路高精度性、高稳定性、高可靠性的凸显优势特点，本实施例除了适用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的限流应用，同样适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

请参阅图3，图3呈现了电流定值定时限制时电流的示意波形；其中，Ith为开启定值定时限流门槛电流值；Ilimit为开启定值定时限流后回路电流所能达到的最大值；Ihold为开启定值定时限流后的限制电流保持值；Tsc为电流从Ith到Ilimit所用的时间；Tlc为电流从Ith到Ihold所用的时间；Thold为电流保持在Ihold的定时时间。

具体地，以DC 24V电池包系统的主回路放电定时定值限流应用为例，该系统的功率开关管在电池的正极侧；步骤1，系统初始上电或重启后，主回路的MOS管Q10、Q11、Q20、Q21都是导通的，此时限流功率电阻R1和R2相当于MOS管Q20、Q21近似旁路，限流功率电阻R1和R2相较MOS管Q20、Q21而言，基本没有多大电流通过；步骤2，在正常放电过程中，当放电电流超过了Ith，则程序进入定值定时限流逻辑，此时会通过MOS驱动信号Mos_Drv2,断开MOS管Q20、Q21，MOS管Q10、Q11还是正常导通的，此时电流会从Ilimit开始下降，为了Ihold的灵活可调性及功率mos控制的逻辑的可靠性，一般如果只靠限流功率电阻R1和R2限流的话，电流是下降不到Ihold的；步骤3，控制单元10在限流过程中是实时采集回路电流值的，如果当前回路电流还是高于Ihold，那么限流程序会进入对MOS管Q10、Q11的驱动信号Mos_Drv1控制逻辑，通过调节对MOS管的开通时间开通间隔，如图4所示，程序设定限流值转换成电压通过DAC输出给比较器COMP1的正输入端，回路电流经过分流器电阻Shunt Res转换成电压信号经过运算放大器OPA1放大后输出到比较器COMP1的负输入端，如果低于限流值对应的电压值，比较器COMP1输出高电平信号保证MOS管处于导通状态，这样回路电流会增大，当超过电流限定值时，比较器COMP1输出低电平信号从而关断MOS管，MOS管被关断后电流又会下降，然后再去开启MOS管，这样反复的比较及MOS管的开关动作保证了回路平均电流被限制在设定值，从而实现了电流值的限制；如果限流时间Thold到了，程序控制比较器COMP1禁止工作，这样MOS管便无驱动源而进入关断状态，这样便实现了对电流值的定时限制功能；以使得回路电流平均值控制在Ihold，并从此刻开始计时，Thold时间后，彻底关断MOS管Q10、Q11，切断对后端电流负载40的电流供用，这样便完成了正常的定值定时限流过程。如果限流过程中没有按照以上预设的步骤进行，那说明可能有系统故障，应该根据实际应用中故障处置方案进行相应处置；步骤4，电源限流系统正常下电或复位后，然后进入步骤1。

对于限流实现的方式包括第一种纯软件方式 PWM(脉冲宽度调制)/PFM(脉冲频率调制)相结合并实时采集回路电流经过相关算法处理以达到回路电流被限制在指定值，并且Thold时间到后，关断MOS管，实现对电流值的定时限制功能，第二种是软件设定限流门槛值，靠硬件电路自行反馈控制的方式实现定值限流，硬件电路的简单电路示意图如图4所示，程序设定限流值转换成电压通过DAC输出给比较器COMP1的正输入端，回路电流经过分流器电阻Shunt Res转换成电压信号经过运算放大器OPA1放大后输出到比较器COMP1的负输入端，如果低于限流值对应的电压值，比较器COMP1输出高电平信号保证MOS管处于导通状态，这样回路电流会增大，当超过电流限定值时，比较器COMP1输出低电平信号从而关断MOS管，MOS管被关断后电流又会下降，然后再去开启MOS管，这样反复的比较及MOS管的开关动作保证了回路平均电流被限制在设定值，从而实现了电流值的限制；如果限流时间Thold到了，程序控制比较器COMP1禁止工作，这样MOS管便无驱动源而进入关断状态，这样便实现了对电流值的定时限制功能。

该设计的核心是利用功率电阻对电流的限制作用及功率MOS管的快速通断响应功能实现对回路中限流峰值电流及限流保持电流的控制，该方案通过对功率限流电阻的有功特性及对功率MOS管快速通断控制的运用，实现了高精度高稳定性高可靠性的定值定时限流设计解决方案。

所采用的器件均是基础原件，通过简单的电压采样、电流检测电路、限流电路等，并用功率电阻作为电流限制元件功率MOS管作为限流回路开关器件结合对MOS管导通时间导通间隔的控制加上负反馈的思路，实现了高精度高稳定性高可靠性的定值定时限流设计解决方案。

上述的一种双向限流电路，通过设置控制单元10、限流单元30以及电压转换单元20，限流单元30包括第一充放电开关元件、第二充放电开关元件以及限流元件，通过控制单元10对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制，实现可双向限流，适用于动力电池组或大功率输出的交直流电源模块的定时定值限流应用需求，也适用于其他有定时定值限流需求的应用场合。

在一实施例中，还提供了一种双向限流电路的工作方法，该工作方法适用于上述的双向限流电路，包括：

通过控制单元10对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制。

具体地，通过控制单元10对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制，包括：

当系统初始上电或重启时，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件导通；

当系统的电池放电电流超过开启定值定时限流门槛电流值时，控制单元10断开第二充放电开关元件，第一充放电开关元件保持导通状态，限流元件对电池放电电流进行限流；

当控制单元10检测到回路电流高于开启定值定时限流后的限制电流保持值，则控制单元10调节输入至第一充放电开关元件的占空比，以使得回路电流平均值控制在设定范围内，且计时一段时间后，关断第一充放电开关元件。

另外，当控制单元10检测到回路电流高于开启定值定时限流后的限制电流保持值，则控制单元10调节输入至第一充放电开关元件的占空比，以使得回路电流平均值控制在设定范围内，且计时一段时间后，关断第一充放电开关元件之后，还包括：

当系统正常下电或复位后，执行当系统初始上电或重启时，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件导通。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，一种双向限流电路的工作方法的具体实现过程，可以参考前述的双向限流电路实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种双向限流电路，其特征在于，包括：控制单元、限流单元以及电压转换单元，所述限流单元以及所述电压转换单元分别与所述控制单元连接，所述限流单元以及所述电压转换单元分别连接有电流负载；所述限流单元包括第一充放电开关元件、第二充放电开关元件以及限流元件，所述限流元件与所述第二充放电开关元件并联，所述第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件分别与所述控制单元以及所述电流负载连接；通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制。

2.根据权利要求1所述的一种双向限流电路，其特征在于，所述第一充放电开关元件包括MOS管Q10以及MOS管Q11。

3.根据权利要求2所述的一种双向限流电路，其特征在于，所述第二充放电开关元件包括MOS管Q20以及MOS管Q21；所述MOS管Q20与所述MOS管Q10连接，所述MOS管Q11与所述MOS管Q21连接。

4.根据权利要求3所述的一种双向限流电路，其特征在于，所述限流元件包括限流功率电阻R1以及限流功率电阻R2，所述限流功率电阻R1与所述MOS管Q20并联；所述限流功率电阻R2与所述MOS管Q21并联。

5.根据权利要求4所述的一种双向限流电路，其特征在于，所述MOS管Q10的源极与所述MOS管Q11的源极之间连接有电流采集电阻R5。

6.根据权利要求5所述的一种双向限流电路，其特征在于，所述电流采集电阻R5与所述控制单元连接。

7.一种双向限流电路的工作方法，所述工作方法适用于权利要求4至6任一项所述的双向限流电路，其特征在于，包括：

通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制。

8.根据权利要求7所述的一种双向限流电路的工作方法，其特征在于，所述通过控制单元对第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件的通断控制以及限流元件对充电电流的限制，以实现对回路中的限流峰值电流和限流保持电流的限制，包括：

当系统初始上电或重启时，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件导通；

当系统的电池放电电流超过开启定值定时限流门槛电流值时，控制单元断开第二充放电开关元件，第一充放电开关元件保持导通状态，限流元件对电池放电电流进行限流；

当控制单元检测到回路电流高于开启定值定时限流后的限制电流保持值，则控制单元调节输入至第一充放电开关元件的占空比，以使得回路电流平均值控制在设定范围内，且计时一段时间后，关断第一充放电开关元件。

9.根据权利要求8所述的一种双向限流电路的工作方法，其特征在于，所述当控制单元检测到回路电流高于开启定值定时限流后的限制电流保持值，则控制单元调节输入至第一充放电开关元件的占空比，以使得回路电流平均值控制在设定范围内，且计时一段时间后，关断第一充放电开关元件之后，还包括：

当系统正常下电或复位后，执行所述当系统初始上电或重启时，第一充放电开关元件以及第二充放电开关元件导通。

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