CN114523851B - 电池短路保护装置及电动车辆电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池短路保护装置及电动车辆电池管理系统，该电池短路保护装置包括驱动电路、第一开关管以及短路控制电路，短路控制电路包括储能电容和第二开关管；驱动电路包括第一信号输入端和信号输出端，驱动电路根据第一信号输入端的电平信号状态控制信号输出端输出的电平信号状态；储能电容的正极端和第二开关管的一开关引脚均与电池的正极端电性连接，第二开关管的另一开关引脚与驱动电路的第一信号输入端电性连接，第二开关管的控制端与电池的正极端电性连接。具有上述结构的电池短路保护装置可自适应电池内阻变化而导致的短路电流变化，提高短路保护的稳定性、安全性和灵活性，而且对信号的抗干扰能力比较强。

Description

电池短路保护装置及电动车辆电池管理系统

技术领域

本发明涉及电池短路保护技术领域，尤其涉及一种电池短路保护装置及电动车辆电池管理系统。

背景技术

随着电池技术的不断发展，以及社会对节能环保的倡导，电动车辆也日渐被更多的人青睐。出于安全考虑，一般都在电动车辆上为电池配置短路保护方案，然而，目前所用的电池短路保护方案的原理为：通过采样电阻得到一个采样电压，基于采样电压计算采样电流，将采样电流与设定电流进行比较，进而根据比较结果控制开关管的状态。基于上述保护原理，由于短路保护电路采样电阻阻值小，产生的电压幅度小，容易受干扰导致误触发短路保护或者不能触发短路保护。此外，比较器的阈值固定，不能自适应电池内阻变化导致的短路电流变化(电池内阻变大后，短路电流下降，导致不能触发原来设定的短路电流阈值，导致无法触发短路保护)，导致不能有效短路保护，灵活性差，容易造成电芯和BMS损坏。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足而提供一种可有效增强信号抗干扰能力且可自适应电池内阻变化而导致的短路电流变化的电池短路保护装置及电动车辆电池管理系统。

为了实现上述目的，本发明公开了一种电池短路保护装置，其包括驱动电路、第一开关管以及短路控制电路，所述短路控制电路包括储能电容和第二开关管；

所述第一开关管串联在电池和负载之间的电流回路中；

所述驱动电路包括第一信号输入端和信号输出端，所述信号输出端与所述第一开关管的控制端电性连接，所述驱动电路根据所述第一信号输入端的电平信号状态控制所述信号输出端输出的电平信号状态；

所述储能电容的正极端和所述第二开关管的一开关引脚均与电池的正极端电性连接，所述第二开关管的另一开关引脚与所述驱动电路的第一信号输入端电性连接，所述第二开关管的控制端与所述电池的正极端电性连接。

较佳地，所述第一开关管串联在所述负载和所述电池的负极端之间，所述驱动电路还包括第二信号输入端，所述第二信号输入端电性连接在所述第一开关管和所述负载之间，所述驱动电路根据所述第一信号输入端和所述第二信号输入端的电平信号状态控制所述信号输出端输出的电平信号状态。

较佳地，所述短路控制电路还包括设置在所述储能电容与电池正极端之间的二极管。

较佳地，所述所述短路控制电路还包括串联在所述二极管和所述储能电容之间的第一电阻。

较佳地，所述第二开关管的控制端为低电平时，所述第二开关管的两开关引脚导通。

较佳地，所述第二开关管的控制端与所述电池的正极端之间还串联连接有第一稳压管和第二电阻。

较佳地，所述第二开关管的控制端与所述储能电容的正极端之间还设置有第三电阻或第二稳压管。

较佳地，所述第一开关管为场效应晶体管。

较佳地，所述第二开关管为场效应晶体管或三极管。

本发明还公开一种电动车辆电池管理系统，其包括动力电池和负载，所述动力电池和负载之间通过如上所述的电池短路保护装置连接。

与现有技术相比，本发明电动车辆电池管理系统配置有电池短路保护装置，该电池短路保护装置包括驱动电路、第一开关管以及短路控制电路，所述短路控制电路包括储能电容和第二开关管，驱动电路根据第一信号输入端采集的来自于第二开关引脚的状态信号控制第一开关管的动作，当出现短路状况时，由于电池内阻的存在，电池的正极端电压会瞬间大幅下降，从而使得第二开关管的控制端的电平信号发生变化，继而改变驱动电路第一信号输入端的电平状态，进而驱动电路根据第一信号输入端的信号变化控制第一开关管断开，从而使得电池与负载之间的电流回路断开；由此可知，上述短路保护原理是基于短路时电池正极端电压瞬间下降这一信号来控制第一开关管的动作的，而无论电池内阻如何变化都不会影响短路时电池正极端电压的下降，因此，本发明有电池短路保护装置可自适应电池内阻变化而导致的短路电流变化，提高短路保护的稳定性、安全性和灵活性，而且对信号的抗干扰能力比较强。

附图说明

图1为本发明其中一实施例中电动车辆电池管理系统的电路原理图。

图2为本发明另一实施例中电动车辆电池管理系统的电路原理图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本实施例公开了一种电动车辆电池管理系统，如图1，其包括电池M和通过该电池M工作的负载RL，其中，电池M与负载RL之间配置有电池短路保护装置，以提高电池M使用的安全性能。该电池短路保护装置包括驱动电路、第一开关管T1以及短路控制电路，短路控制电路包括储能电容C1和第二开关管T2。第一开关管T1串联在电池M和负载RL之间的电流回路中，以控制电池M和负载RL之间的电流回路的连通或断开。

驱动电路包括第一信号输入端IN1和信号输出端OUT，信号输出端OUT与第一开关管T1的控制端电性连接，驱动电路根据第一信号输入端IN1的电平信号状态控制信号输出端OUT输出的电平信号状态，从而通过信号输出端OUT控制第一开关管T1的通/断。

储能电容C1的正极端和第二开关管T2的一开关引脚均与电池M的正极端B+电性连接，第二开关管T2的另一开关引脚与驱动电路的第一信号输入端IN1电性连接，第二开关管T2的控制端与电池M的正极端B+电性连接。

具有上述结构的电池短路保护装置的工作原理为：驱动电路根据第一信号输入端IN1采集的来自于第二开关引脚的状态信号控制第一开关管T1的动作，从而通过对第一开关管T1的控制来接通或断开电池M与负载RL之间的电流回路。正常情况下，驱动电路根据第一信号输入端IN1采集的来自于第二开关管T2的状态信号控制第一开关管T1处于接通状态。当负载RL发生短路时，电池M与负载RL之间的电流回路上的电流急剧增大，由于电池M内阻的存在，一般地，电池M容量越小，内阻越大，电池M的正极端B+电压会瞬间大幅跌落，跌落幅度约等于内阻r*短路电流I，而储能电容C1正极端电压不能发生突变，从而使得第二开关管T2的控制端的电平信号发生变化，当这一变化达到第二开关管T2的状态改变阈值时，继而改变第二开关管T2的状态，进而改变驱动电路的第一信号输入端IN1的电平状态，使得驱动电路根据第一信号输入端IN1的信号变化控制第一开关管T1断开，从而使得电池M与负载RL之间的电流回路断开，以避免短路电流对电动车辆电池管理系统造成严重破坏。上述短路保护原理是基于短路时电池M的正极端B+电压瞬间下降这一信号来控制第一开关管T1的动作的，而无论电池M内阻如何变化都不会影响短路时电池M正极端B+电压的下降，因此，本发明电池短路保护装置可自适应电池M内阻变化而导致的短路电流变化，提高短路保护的稳定性、安全性和灵活性，而且对信号的抗干扰能力比较强。

较佳地，本实施例中的第一开关管T1优选为N沟道MOS管。

进一步地，第一开关管T1串联在负载RL和电池M的负极端B-之间，驱动电路还包括第二信号输入端IN2，第二信号输入端IN2电性连接在第一开关管T1和负载RL之间，驱动电路根据第一信号输入端IN1和第二信号输入端IN2的电平信号状态控制信号输出端OUT输出的电平信号状态。本实施例中，由于负载RL电性连接在电池M的输出端P+和P-之间，因此，第二信号输入端IN2与电池M的输出端P-连接，而在正常状况下，由于第一开关管T1处于接通状态，P-连接在电池M的负极端，因此P-为低电平，而在负载RL发生短路时，第一开关管T1处于断开状态，P-通过负载RL上拉至P+，从而使得第二信号输入端IN2由低电平变为高电平，驱动电路根据第二信号输入端IN2处于高电平这一信号控制第一开关管T1保持在断开状态，从而使得驱动电路实现短路锁存，避免发生振荡。

进一步地，如图1，短路控制电路还包括设置在储能电容C1与电池M正极端B+之间的二极管D1，以避免储能电容C1反向泄放能量，有效维持储能电压的稳定。另外，短路控制电路还包括串联在二极管D1和储能电容C1之间的第一电阻R1，通过该第一电阻R1来限制储能电容C1的充电电流。

更进一步地，请再次参阅图1，第二开关管T2的控制端为低电平时，第二开关管T2的两开关引脚导通。具体地，本实施例中的第二开关管T2优选为PNP三极管，当然也可为P沟道MOS管。以PNP三极管为例，其发射极与储能电容C1的电池M的正极端B+连接，其集电极与驱动电路的第一信号输入端IN1连接，其基级与电池M的正极端B+连接。在本实施例中，由于第二开关管T2在低电平导通，因此，在正常状态下，第二开关管T2处于失能状态，从而有效降低短路保护装置的待机功耗。为进一步避免误触发短路保护，第二开关管T2的控制端与电池M的正极端B+之间还串联连接有第一稳压管Z1和第二电阻R2。

为进一步确保第二开关管T2的的稳定性，第二开关管T2的控制端与储能电容C1的正极端之间还设置有第三电阻R3(如图1)或第二稳压管Z2(如图2)。本实施中，第二电阻R2与第三电阻R3的比值优选为2:1。

另外需要说明的是，上述实施例中的驱动电路为本领域技术人员所熟知的逻辑电路，其工作电源为电池M，因此，对其具体结构不再赘述。

综上，如图1，本发明公开了一种设置有电池短路保护装置的电动车辆电池管理系统，包括驱动电路、第一开关管T1、第二开关管T2、储能电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1以及第一稳压管Z1。驱动电路的信号输出端OUT输出高电平时，第一开关管T1导通，驱动电路的信号输出端OUT输出低电平时第一开关管T1断开，且，驱动电路根据第一信号输入端IN1和第二信号输入端IN2的电平状态控制信号输出端OUT输出的电平状态。

在正常状况下，也即电池M与负载RL之间的回路电流小于设定的短路保护阈值时，电池M的正极端B+电压大于或等于储能电容C1正极端电压，电池M的正极端B+电压经由二极管D1和第一电阻R1对储能电容C1充电，直至储能电容C1充满。此时，由于第一稳压管Z1处于反向截止状态，因此，其等效阻抗无穷大；第二开关管T2的发射极电压小于基极电压，所以第二开关管T2处于关断状态，使得其集电极输出信号VSCP为低电平，驱动电路通过第一信号输入端IN1采集到这一信号后，控制信号输出端OUT输出信号VG为维持高电平，从而使得第一开关管T1保持导通。

当负载RL出现故障而短路时，其等效阻抗为毫欧级别，使得回路的放电电流突然增大数十甚至数百倍。此时，由于电池M存在内阻，所以导致电池M正极端B+电压瞬间跌落。由于二极管D1和储能电容C1存在，短路瞬间储能电容C1的电压不能突变，因此储能电容C1电压远大于电池M正极端B+电压，可促使第一稳压管Z1导通，从而经由第三电阻R3、第一稳压管Z1和第二电阻R2形成分压回路，使得第二开关管T2的发射极和基极电压差大于其开启阈值，从而第二开关管T2导通，使得第二开关管T2的集电极输出信号VSCP由原来的低电平快速翻转为高电平，从而使得驱动电路的信号输出端OUT输出的控制信号VG快速翻转为低电平，控制第一开关管T1快速关断，关断后，P-电压升高，使得驱动电路的第二信号输入端IN2维持在高电平状态，从而使得驱动电路控制输出信号VG维持低电平而实现短路锁存，避免振荡。

具有上述结构的电动车辆电池管理系统，可自适应电池M内阻的变化导致短路电流大小的变化，只要外部负载RL出现短路，电池M正极端电压瞬间都会出现较大幅度的跌落，从而激活第二开关输出信号VSCP快速翻转为高电平信号，该高电平幅度最高可接近于电池M电压，所以抗干扰能力有效增强，同时响应速度更快，可以在短路电流上升的较早阶段立即响应短路保护，避免在过大的短路电流峰值时启动响应，能够有效降低第一开关管T1的关断应力，从而进一步提升电动车电池M短路保护的安全性和稳定性。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种电池短路保护装置，其特征在于，包括驱动电路、第一开关管以及短路控制电路，所述短路控制电路包括储能电容和第二开关管；

所述第一开关管串联在电池和负载之间的电流回路中；

所述驱动电路包括第一信号输入端和信号输出端，所述信号输出端与所述第一开关管的控制端电性连接，所述驱动电路根据所述第一信号输入端的电平信号状态控制所述信号输出端输出的电平信号状态；

所述储能电容的正极端和所述第二开关管的一开关引脚均与电池的正极端电性连接，所述第二开关管的另一开关引脚与所述驱动电路的第一信号输入端电性连接，所述第二开关管的控制端与所述电池的正极端电性连接；

当发生短路时，所述储能电容改变所述第二开关管的状态，以通过所述第二开关管改变所述驱动电路的第一信号输入端的电平状态，使得驱动电路根据第一信号输入端的信号变化控制第一开关管断开。

2.根据权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述第一开关管串联在所述负载和所述电池的负极端之间，所述驱动电路还包括第二信号输入端，所述第二信号输入端电性连接在所述第一开关管和所述负载之间，所述驱动电路根据所述第一信号输入端和所述第二信号输入端的电平信号状态控制所述信号输出端输出的电平信号状态。

3.根据权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述短路控制电路还包括设置在所述储能电容与电池正极端之间的二极管。

4.根据权利要求3所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述短路控制电路还包括串联在所述二极管和所述储能电容之间的第一电阻。

5.根据权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述第二开关管的控制端为低电平时，所述第二开关管的两开关引脚导通。

6.根据权利要求5所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述第二开关管的控制端与所述电池的正极端之间还串联连接有第一稳压管和第二电阻。

7.根据权利要求5所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述第二开关管的控制端与所述储能电容的正极端之间还设置有第三电阻或第二稳压管。

8.根据权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述第一开关管为场效应晶体管。

9.根据权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述第二开关管为场效应晶体管或三极管。

10.一种电动车辆电池管理系统，其特征在于，包括动力电池和负载，所述动力电池和负载之间通过如权利要求1至9任一项所述的电池短路保护装置连接。