CN114649792B - 一种应急启动电源短路保护方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应急启动电源短路保护的方法和系统，涉及短路测试判断及应急启动电源保护领域。本发明通过较高频率多次检测应急启动电源的电参量，并根据该电参量的变化差异和变化方向判断是否异常，在通过对判断结果计数的方式来确定应急启动电源是否短路，继而实施异常保护，实现有效地区分出正常启动状态和短路状态，确保检测的准确性；可极短时间内获得短路结果，避免短路造损害；同时具有良好的适配性，可适应于各种启动电源和汽车启动负载，而所需检测资源少，可与现有启动电源电路结构结合，无需增加额外感测器件，综合提升应急启动电源的使用安全性和体验。

Description

一种应急启动电源短路保护方法和系统

技术领域

本发明涉及短路测试判断及应急启动电源保护领域，根据具体的是一种应急启动电源短路保护的方法和系统。

背景技术

汽车应急启动电源是一种多功能便携式移动电源，它可用于汽车亏电或者其他原因无法启动汽车的时候能启动汽车。汽车应急启动电源主要包括蓄电池、供电控制电路及连接线（接线夹），使用时接入大多数车辆或少量船只的启动系统，为该系统或者系统内蓄电池供电。然而汽车的种类繁多而启动/打火的电流特别高，因此应急启动电源的输出电流随蓄电池类型不同可达数百安培，但出于安全目的其输出电压一般只有十数伏特。可见，应急启动电源的输出电流与短路电流在参数上十分接近，而难以通过直接测量应急电源内电压、电流等参量的方法判断出短路的发生。然而，若不能快速准确地区分出短路情况，则将损毁电源内部器件，甚至产生电池的自燃，造成危害；同样地，若将正常启动误判为短路情况，则将使应急启动电源不能发挥作用。

在现有技术当中，为判断出短路并实现短路的保护，大部分方案，是等待应急启动电源的一次启动输出超出预设时长而自动关闭。这类方案的等待时间比较长，若电源发生短路其内部器件以及在该周期收到损伤，则不能及时保护；同时种类繁多的汽车在启动特性上具有差异，固定等待时间对某些启动短路情况可能以及损害电源。另一些方案，是对应急启动电源中蓄电池等短路发热部位进行测温，待温度超过预设值时关闭电源。这类方案是往往是以及发生短路且以及造成影响后方能作出关断反应，这个温度也具有环境因素存在误判，同时电源内蓄电池运行在高温条件下降缩短寿命。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的问题，提供了一种应急启动电源短路保护的方法和系统，可实现准确而快速地区分出汽车应急启动电源处于正常启动状态还是处于异常短路状态，以及进行相应的保护操作，且短路的判断不受环境影响，能适配各种汽车启动系统，实现安全可靠地保护汽车应急启动电源。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明在一方面提供了一种应急启动电源短路保护方法，应用于应急启动电源，该应急启动电源至少包括蓄电池，控制装置和连接端口，其中，应急启动电源处于有负载的应急启动运行条件下，开启应急启动电源的短路检测；所述短路检测包括步骤：

以预设频率持续测量应急启动电源的电参量；

根据前后两次测量电参量的变化差异和变化方向，判断应急启动电源运行是否异常，并对异常判定进行计数；

若连续异常判定的计数达到预设次数，则判断应急启动电源发生短路，并驱使控制装置关断蓄电池和连接端口间的连通；若预设次数以内时出现正常判定，则计数清零并重新计数。

上述短路保护方法，优选地，所述测量应急启动电源的电参量为电压参量；

若前后两次测量的电压参量变化在预设范围内，或者前后两次测量的电压参量超出预设范围，且电压参量变化方向为下降，则判定该周期应急启动电源运行异常；

若前后两次测量的电压参量变化超出预设范围，且电压参量变化方向为升高，则判定该周期应急启动电源运行正常；或者，

所述测量应急启动电源的电参量为电流参量；

若前后两次测量的电流参量变化在预设范围内，或者前后两次测量的电流参量超出预设范围，且电流参量变化方向为升高，则判定该周期应急启动电源运行异常；

若前后两次测量的电流参量变化超出预设范围，且电流参量变化方向为下降，则判定该周期应急启动电源运行正常。

上述短路保护方法，优选地，所述短路检测还包括步骤：

记录出现正常判定时的正常电参量，若连续异常判定的计数达到预设次数，比较当前电参量与最近一次记录的正常电参量之间的差异，若该差异在第一预设值之内，则重新回到所述短路检测；若该差异在第一预设值之外，则判断应急启动电源发生短路并断开电路。

上述短路保护方法，优选地，应急启动运行条件之判断步骤为，根据持续检测连接端口的电参量是否达到启动要求，或者检测应急启动电源的启动开关是否处于打开状态，以判断应急启动电源是否处于应急启动运行条件下；

负载有无之判断步骤为：测试并记录满足应急启动运行条件下的首次电参量，并持续检测该电参量，直至实时的该电参量与首次电参量件差异超过第二预设值，判断为负载存在并且进入短路测量，否则判断为负载不存在，继续负载有无的监测直至超出预设时长。

上述短路保护方法，优选地，所述的预设频率为连续的两次测量间隔时间不超过30毫秒，所述的预设次数在25至35次之间；所述短路检测还包括步骤：若短路检测超出预设时长，驱使控制装置关断蓄电池和连接端口间的连通。

本发明在另一方面提供了一种应急启动电源短路保护系统，该短路保护系统设于应急启动电源中蓄电池和连接端口相连的电路中，其中，该短路保护系统包括短路检测模块；所述短路检测模块包括：

数据采集单元，用于以预设频率持续测量应急启动电源的电参量；

数据比较单元，用于根据前后两次测量电参量的变化差异和变化方向，判断应急启动电源运行是否异常；

计数单元，用于对异常判定进行计数；

短路判断单元，用于若连续异常判定的计数达到预设次数，则判断应急启动电源发生短路，并驱使控制装置关断蓄电池和连接端口间的连通；若预设次数以内时出现正常判定，则驱使所述计数单元的计数清零并重新计数。

上述短路保护系统，优选地，所述数据采集单元可采集电压参量，所述数据比较单元可比较前后两次测量的电压参量变化是否在预设范围，并且所述数据比较单元可比较电压参量变化方向为升高还是下降，异常判定为前后两次测量的电压参量变化在预设范围内，或者前后两次测量的电压参量超出预设范围且电压参量变化方向为下降，所述计数单元对该异常判定进行计数；或者，

所述数据采集单元可采集电流参量，所述数据比较单元可比较前后两次测量的电流参量变化是否在预设范围，并且所述数据比较单元可比较电流参量变化方向为升高还是下降，异常判定为前后两次测量的电流参量变化在预设范围内，或者前后两次测量的电流参量超出预设范围且电流参量变化方向为升高，所述计数单元对该异常判定进行计数。

上述短路保护系统，优选地，所述短路检测模块还包括充电状态排除单元，用于记录出现正常判定时的正常电参量，若连续异常判定的计数达到预设次数，比较当前电参量与最近一次记录的正常电参量之间的差异，若该差异在第一预设值之内，则重新回到所述短路检测；若该差异在第一预设值之外，则判断应急启动电源发生短路并断开电路。

上述短路保护系统，优选地，还包括应急启动运行判断模块，用于根据持续检测连接端口的电参量是否达到启动要求，或者检测应急启动电源的启动开关是否处于打开状态，以判断应急启动电源是否处于应急启动运行条件下；

还包括负载有无判断模块，用于测试并记录满足应急启动运行条件下的首次电参量，并持续检测该电参量，直至实时的该电参量与首次电参量件差异超过第二预设值，判断为负载存在并且进入短路测量，否则判断为负载不存在，继续负载有无的监测直至超出预设时长。

上述短路保护系统，优选地，所述短路检测模块还包括超时关断单元，所述超时关断单元在短路检测超出预设时长，驱使控制装置关断蓄电池和连接端口间的连通。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

（1）本发明通过较高频率多次检测应急启动电源的电参量，并根据该电参量的变化差异和变化方向判断是否异常，在通过对判断结果计数的方式来确定应急启动电源是否短路，并实施异常保护，实现有效地区分出正常启动状态和短路状态，确保检测的准确性；同时仅需不到1秒的时间即可得到结果，具有检测快速的特点，极大降低短路造成损害性影响的时长，并且具有良好的适配性，可适应于各种启动电源和汽车启动负载，而所需的检测资源少，可结合到现有启动电源电路结构当中，无需增加额外感测器件，综合提升应急启动电源的使用安全性和体验。

（2）本发明将电参量的小幅波动，及电参量的超幅波动且电压下降/电流升高作为异常判定依据，将电参量的超幅波动及电压升高/电流下降作为正常判定依据，结合正常启动和短路特性，实现准确测量短路的效果。

（3）本发明在达到预设次数的连续异常后，再次通过电压升高/电流下降时值作为参考，在实时电压低于参考/电流高度参考的程度在要求之内，判断为充电状态，排出充电状态下波动较小的正常情况，进一步提高正常情况检测的准确性。

（4）本发明进一步通过启动条件检测和负载检测作为短路的前置测试，仅需在存在短路可能时开启短路检测，避免电路其他特性情况影响检测准确性。

（5）本发明进一步通过设置超时关断，使系统更加安全、稳定和自动。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1本发明的应急启动电源短路保护方法的步骤示意图；

图2本发明的应急启动电源短路保护系统的结构示意图；

图3本发明的应急启动电源短路保护方法与系统的流程示意图。

附图标记：11、蓄电池；12、控制装置；13、连接端口；2、应急启动运行判断模块；3、负载有无判断模块；4、短路检测模块；41、数据采集单元；42、数据比较单元；43、计数单元；44、短路判断单元；45、充电状态排除单元；46、超时关断单元；5、启动负载。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不作为限制本发明的范围。

如图1和2所示，为解决准确而快速地区分出汽车应急启动电源是否短路，根据本发明的实施例提供了一种应急启动电源短路保护方法，应用于应急启动电源，该应急启动电源右依次连接蓄电池11、作为控制装置12的继电器和作为连接端口13的启动夹组成，当启动夹连接到汽车的备用电瓶或启动系统处实施供电。该短路保护方法包括步骤：

S100启动条件检测步。若启动夹的电压参量大于0.5V，或启动电源的启动开关处于打开状态，判定满足启动条件进入步骤S200检测是否有负载，若不满足条件则继续监测启动条件是否成立。

可以理解地，在S100的步骤，用于应急启动电源是在休眠状态，还是应急启动状态，显然在应急启动状态才具备是否进行短路检测的基础。在一些情况下，启动夹电压大于0.5V则可判断继电器已接通且蓄电池11在供电；在另一些情况下，可通过获取启动开关的状态来确定。

S200有无负载检测步。在满足检测启动条件后，检测应急启动电源的第一电压FirstV，以预设频率A间隔20ms持续检测实时电压RealV，比较FirstV和RealV的差异是否超过第二预设值E300mV，直至FirstV-RealV＞300mV，判断为负载存在并且进入短路测量步S300，若不满足条件FirstV-RealV≤300mV，则继续检测是否满足条件，直至超过预设时长F60S后控制继电器关闭应急启动电源输出。

需要说明的是，在S200的步骤，在应急启动电源还需要检测启动夹是否正确连接，若接触不良则虽然启动，但供电不正常。常规的应急启动电源的输出电压在12V至16V之间。在各种汽车启动系统的情况下均有，在启动条件触发时，启动夹接近于开路，其测量首次电压参量FirstV接近于开路电压；在应急启动电源接入负载而形成电流环路的瞬间，将有较大的压降并使RealV小于FirstV，而当启动夹未接入负载，电路可能为开路或因接触不良存在较大电阻，则RealV将接近于FirstV。本发明通过在不同结算的测量的电参量进行比较，可得出不受环境和设备基础影响的测量结果，具有准确性的优点。

S300短路测量步。在满足有负载情况后，将满足有负载时的RealV预设为回升的正常电压参量LastV0，以预设频率A间隔20ms持续检测实时电压RealV，上一次检测电压为LastV。每次检测均进行比较RealV和LastV是否超过预设范围C50mV，并且判断：若满足|RealV-LastV|≤50mV，则异常判定Count增加1次计数；若满足|RealV-LastV|大于50mV，但RealV＜LastV，则异常判定Count增加1次计数；若|RealV-LastV|大于50mV，但RealV≥LastV，则异常判定的累积计数清零，同时LastV0记录为此次测量的RealV。当累积异常判定的预设次数B为30次，若Count＞30，则比较实时RealV和回升的LastV0间的相差是否超过第一预设值D，本实施例第一预设值D为200mV。若RealV＜LastV0-200mV，则判断应急电源短路或启动异常，并通过继电器关闭蓄电池11输出；若RealV≥LastV0-200mV，则判断应急电源处于充电模式，并重新进行S300短路测量步，直至超时60S后控制继电器关闭应急启动电源输出。

需要说明的是，在S300的步骤，比较|RealV-LastV|的变化范围，是在于虽然正常启动状态和短路状态的电参量特性相近，但短路时电参量的具有持续较小波动的特点。比较计算RealV和LastV差异的绝对值在预设范围C内，可划定到存在处于短路状态可能的情况，并对该检测周期是异常进行累积计数。对于正常启动状态，汽车启动系统会从应急电源取电，启动系统在实现呈现起伏的特点，即启动时电压会下降，启动中断时电压会回升。因而在一方面，当|RealV-LastV|超出预设范围C，且此时RealV＞LastV，则可认为当前RealV是回升电压，该应急启动电源存在正常启动条件，进而清除对异常判定的计数，即在出现正常启动条件之前的异常判定计数可被认为是正常的。在另一方面，也存在虽满足|RealV-LastV|超出预设范围C，但此时RealV＜LastV，是在于处于启动状态时，在初始发生短路下，短路的特性是电压参数快速的下降，因而RealV＜LastV可认为RealV是下降电压，因而可作为异常判定的情况，并增加异常累积计数。

需要说明的是，在S300的步骤短路判定还有，持续记录出现电压回升时的正常电压参量LastV0，并在异常判定累积计数达到30次后，再次比较RealV和LastV0。该比较的作用在于汽车应急启动存在情况为，仅对汽车备用电源进行充电。在该充电状态下，其电压参数也存在着变化波动较小，且持续时间较长。应急启动电源对汽车备用电源进行充电是被允许的，对充电时的电压参量相比于启动过程的回升电压LastV0的差异有限。当LastV0-RealV＜200mV，可判断为电源仅因处于充电状态而电压参量的波动小，而非短路状态。

可以理解的是，上述的预设参数可根据应急启动电压及其应用的汽车启动系统特性而变化。一般来说，所述的预设频率A为连续的两次测量间隔时间不超过30毫秒，所述的预设次数B在25至35次之间；电压参量变的预设范围C，其取值在40至60毫伏；前电参量与最近一次记录的正常电参量之间的差异值，即第一预设值D取值在180至220毫伏；超出的预设时长F，其取值在50秒至70秒之间；连接端口13的电参量是否达到启动要求，其取值小于2V。实时的电参量与首次电参量件的差异，即第二预设值E取值在280毫伏以上。

可以理解的是，除了根据电压参量以判断应急启动电源是否短路，还可以根据电流参量或其他电参量判断应急启动电源是否短路。当测量应急启动电源的电参量为电流参量；若前后两次测量的电流参量变化在预设范围C内，或者前后两次测量的电流参量超出预设范围C，且电流参量变化方向为升高，则判定该周期应急启动电源运行异常；若前后两次测量的电流参量变化超出预设范围C，且电流参量变化方向为下降，则判定该周期应急启动电源运行正常。

如图1和3所示，根据本发明的应急启动电源短路保护方法，本实施例在另一方面相应了涵盖了一种应急启动电源短路保护系统，该短路保护系统设于应急启动电源中蓄电池11和连接端口13相连的电路中。该短路保护系统包括应急启动运行判断模块2、负载有无判断模块3和短路检测模块4；其中，短路检测模块4包括数据采集单元41、数据比较单元42、计数单元43、短路判断单元44、和充电状态排除单元45和超时关断单元46。

需要说明的是，数据采集单元41包括感应所述应急启动电源的电参量的元器件，以及获取并处理该元器件电参量的数据处理器件；应急启动运行判断模块2、负载有无判断模块3和短路检测模块4，包含进行运算、判断和记录的元器件，以及设置于这些元器件内，以及用于实现应急启动运行判断、负载有无判断和短路检测功能的程序。应急启动运行判断模块2可利用数据采集单元41的参数以判断是否具备启动运行的条件，应急启动运行判断模块2连接并将处理结果传输于负载有无判断模块3。负载有无判断模块3，可利用数据采集单元41的参数，并可对所获取的参数进行记录（如记录FisrtV），并得出负载有无的判定结果。负载有无判断模块3连接并将处理结果传输于短路检测模块4。短路检测模块4中，数据比较单元42通过周期性地记录和运算比较前后电参量的变化差异与变化方向。计数单元43根据变化差异与变化方向符合异常判定的情况进行计数，若出现符合正常判定的情况则对计数清零。充电状态排除单元45用于记录正常判定的情况时的电参量，以该电参量为比较对象，判断是充电状态还是短路状态。短路判断单元44在计数单元43的结果满足条件后进行是否短路的判定，若不能排除充电状态，则判断为短路状态。短路判断单元44在判定为短路状态，立即驱使继电器断开，使蓄电池11停止供电，实现短路保护。超时关断单元46用于短路保护系统运行在应急启动运行判断模块2、负载有无判断模块3和短路检测模块4任一模块中，其累积运行时长超过60S后，驱使继电器断开。

本发明的应急启动电源短路保护方法和系统，相比于现有技术具有快速和准确区分应急启动电源处于汽车应急启动状态，还是真实的短路状态。检测和判定均基于应急启动电源中电参量在时序上的变化，不受到汽车启动情况、蓄电池11种类情况和使用环境情况等因素的影响；同时，是基于电参量启动特性和短路特性的变化特性综合地进行判断，使测量结果准确可靠。并且，当发生短路，检测和判断可在30次*20ms，即600毫秒内得出。在不到1秒的时间检测到短路，使得短路对蓄电池11等应急启动电源中的部件未造成损害前，关断电源，极快地完成短路检测，确保人身和部件的安全。特别是，相对于传统的温度判定和超时判定方式，更能保护蓄电池11及延长蓄电池11的使用寿命。

以上实施例主要描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种应急启动电源短路保护方法，应用于应急启动电源，该应急启动电源至少包括蓄电池(11)，控制装置(12)和连接端口(13)，其特征在于，在应急启动电源处于有负载的应急启动运行条件下，开启应急启动电源的短路检测；

所述短路检测包括步骤：

以预设频率(A)持续测量应急启动电源的电压参量或电流参量；

若前后两次测量的电压参量变化在预设范围(C)内，或者前后两次测量的电压参量超出预设范围(C)且电压参量变化方向为下降，则判定该周期应急启动电源运行异常，若前后两次测量的电压参量变化超出预设范围(C)且电压参量变化方向为升高，则判定该周期应急启动电源运行正常；或者，

若前后两次测量的电流参量变化在预设范围(C)内，或者前后两次测量的电流参量超出预设范围(C)且电流参量变化方向为升高，则判定该周期应急启动电源运行异常，若前后两次测量的电流参量变化超出预设范围(C)且电流参量变化方向为下降，则判定该周期应急启动电源运行正常；

对异常判定进行计数，若连续异常判定的计数达到预设次数(B)，则判断应急启动电源发生短路，并驱使控制装置(12)关断蓄电池(11)和连接端口(13)间的连通；若预设次数(B)以内时出现正常判定，则计数清零并重新计数；

所述短路检测还包括步骤：记录出现正常判定时的正常电参量，若连续异常判定的计数达到预设次数(B)，比较当前电参量与最近一次记录的正常电参量之间的差异，若该差异在第一预设值(D)之内，则重新回到所述短路检测；若该差异在第一预设值(D)之外，则判断应急启动电源发生短路并断开电路。

2.根据权利要求1所述的短路保护方法，其特征在于，应急启动运行条件之判断步骤为，根据持续检测连接端口(13)的电参量是否达到启动要求，或者检测应急启动电源的启动开关是否处于打开状态，以判断应急启动电源是否处于应急启动运行条件下；

负载有无之判断步骤为：测试并记录满足应急启动运行条件下的首次电参量，并持续检测该电参量，直至实时的该电参量与首次电参量件差异超过第二预设值(E)，判断为负载存在并且进入短路测量，否则判断为负载不存在，继续负载有无的监测直至超出预设时长(F)。

3.根据权利要求1所述的短路保护方法，其特征在于，所述的预设频率(A)为连续的两次测量间隔时间不超过30毫秒，所述的预设次数(B)在25至35次之间；所述短路检测还包括步骤：若短路检测超出预设时长(F)，驱使控制装置(12)关断蓄电池(11)和连接端口(13)间的连通。

4.一种应急启动电源短路保护系统，其特征在于，该短路保护系统设于应急启动电源中蓄电池(11)和连接端口(13)相连的电路中，该短路保护系统包括短路检测模块(4)；所述短路检测模块(4)包括：

数据采集单元(41)，用于以预设频率(A)持续测量应急启动电源的电参量；

数据比较单元(42)，用于根据前后两次测量电参量的变化差异和变化方向，判断应急启动电源运行是否异常；

计数单元(43)，用于对异常判定进行计数；

短路判断单元(44)，用于若连续异常判定的计数达到预设次数(B)，则判断应急启动电源发生短路，并驱使控制装置(12)关断蓄电池(11)和连接端口(13)间的连通；若预设次数(B)以内时出现正常判定，则驱使所述计数单元(43)的计数清零并重新计数；

所述数据采集单元(41)可采集电压参量，所述数据比较单元(42)可比较前后两次测量的电压参量变化是否在预设范围(C)，并且所述数据比较单元(42)可比较电压参量变化方向为升高还是下降；异常判定为前后两次测量的电压参量变化在预设范围(C)内，或者前后两次测量的电压参量超出预设范围(C)且电压参量变化方向为下降，所述计数单元(43)对该异常判定进行计数；或者，

所述数据采集单元(41)可采集电流参量，所述数据比较单元(42)可比较前后两次测量的电流参量变化是否在预设范围(C)，并且所述数据比较单元(42)可比较电流参量变化方向为升高还是下降；异常判定为前后两次测量的电流参量变化在预设范围(C)内，或者前后两次测量的电流参量超出预设范围(C)且电流参量变化方向为升高，所述计数单元(43)对该异常判定进行计数；

所述短路检测模块(4)还包括充电状态排除单元(45)，用于记录出现正常判定时的正常电参量，若连续异常判定的计数达到预设次数(B)，比较当前电参量与最近一次记录的正常电参量之间的差异，若该差异在第一预设值(D)之内，则重新回到所述短路检测；若该差异在第一预设值(D)之外，则判断应急启动电源发生短路并断开电路。

5.根据权利要求4所述的短路保护系统，其特征在于，还包括应急启动运行判断模块(2)，用于根据持续检测连接端口(13)的电参量是否达到启动要求，或者检测应急启动电源的启动开关是否处于打开状态，以判断应急启动电源是否处于应急启动运行条件下；

还包括负载有无判断模块(3)，用于测试并记录满足应急启动运行条件下的首次电参量，并持续检测该电参量，直至实时的该电参量与首次电参量件差异超过第二预设值(E)，判断为负载存在并且进入短路测量，否则判断为负载不存在，继续负载有无的监测直至超出预设时长(F)。

6.根据权利要求4所述的短路保护系统，其特征在于，所述短路检测模块(4)还包括超时关断单元(46)，所述超时关断单元(46)在短路检测超出预设时长(F)，驱使控制装置(12)关断蓄电池(11)和连接端口(13)间的连通。