CN117154656A - 一种储能系统短路检测及保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能系统短路检测及保护电路，设计储能系统技术领域，包括：短路检测模块通过采集单元采集储能系统输出回路中的电压信号，并通过比较器单元以预设阈值为短路判定标准将电流信号转换为短路状态下的高电平信号或者正常状态下的低电平信号；信号锁存模块基于与非门电路构成锁存器对电平信号进行反转，并通过锁存器保证外界干扰下电平信号的稳定；电路保护模块在短路发生时，响应于信号锁存模块输出电平信号由高至低的过程，将电平信号拉低控制输出回路关断。本发明通过纯电路的形式实现短路检测盒保护，降低了对芯片的依赖性，通用性更强，且无需依赖元器件的熔断实现断路控制，售后和维护成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及储能系统技术领域，具体涉及一种储能系统短路检测及保护电路。
背景技术
当前，储能系统作为高效、清洁能源，能有效解决可再生能源的不稳定性和间歇性，保障电网安全。对于国家而言，可以用储能系统峰谷套利，储能系统是有效推动能源绿色低碳转型的重要装备基础和关键技术支撑。对于人民来说，储能系统降低了用电成本，实现不间断供电，提升人民生活幸福感。而作为储能系统中的一类，锂电池还可以用于电动汽车等多个绿色领域。发展锂电池PACK面向世界能源竞争，支撑绿色低碳科技创新应运而生。
考虑到用电安全性，当下锂电池PACK应配有短路保护功能，可以有效的保护锂电池免受短路的危害，更重要的是保护人身财产安全。锂电池作为一种高能量密度的储能系统，如果发生短路，会在短时间内导致电池内部的化学反应失控，产生大量的热量，极容易造成火灾或爆炸。而在装备过程中发生锂电池短路的事件尤为常见，因此锂电池保护电路的设计和实现就非常重要，该电路需要具备很好的可靠性和冗余性设计。
发明内容
为了避免锂电池等高密度储能系统装备以及日常使用过程中可能发生的短路风险，本发明提出了一种储能系统短路检测及保护电路，包括：
短路检测模块，用于通过采集单元采集储能系统输出回路中的电压信号，并通过比较器单元以预设阈值为短路判定标准将电流信号转换为短路状态下的高电平信号或者正常状态下的低电平信号；
微处理器，所述微处理器输出恒为高，但当电路中发生短路，接收到短路电流检测模块的信号输入时，微处理器输出低电平；
信号锁存模块，基于与非门电路构成锁存器对电平信号进行反转，并通过锁存器保证外界干扰下电平信号的稳定以及微处理器失效时的冗余处理；
电路保护模块，用于在短路发生时，响应于信号锁存模块输出电平信号由高至低的过程，将电平信号拉低控制输出回路关断。
进一步地，所述采集单元包括：
连接采样电阻高压端的第一端口和连接采样电阻低压端的第二端口；所述采样电阻与第五十五电容并联，采样电阻的低压端通过第八电阻连接第一运算放大器的正极输入端，采样电阻的高压端通过第九电阻连接第二运算放大器的正极输入端；所述采样电阻的低压端还通过第五十三电容接地，采样电阻的高压端还通过第五十七电容接地；所述第一运算放大器的正极输入端通过第五十四电容接地，并通过第五十五电容连接第二运算放大器的正极输入端，所述第二运算放大器的正极输入端通过第五十八电容接地；所述第一运算放大器的负极输入端连接第一运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的负极输入端连接第二运算放大器的输出端。
进一步地，所述第五十三电容至所述第五十八电容的规格一致，所述第八电阻和所述第九电阻规格一致。
进一步地，所述比较器单元包括：
第三运算放大器，所述第三运算放大器的负极输入端通过第十二电阻接地，并接入第一运算放大器输出端输出的电压信号；所述第三运算放大器的正极输入端通过第十一电阻接地，并通过第十电阻接入第二运算放大器输出端输出的电压信号；所述第三运算放大器的正电源端通过第十四电容接地，并接入系统电压，所述第三运算放大器的负电源端接地，所述第三运算放大器的输出端通过第十三电阻接地，并输出放大后的电压信号至第四运算放大器的正极输入端；所述第四运算放大器的负极输入端通过第十五电阻接地，并通过第十四电阻连接至第四运算放大器的正电源端；所述第四运算放大器的正电源端接入系统电压；所述第四运算放大器的负电源端接地；所述第四运算放大器的输出端输出电平信号。
进一步地，所述信号锁存模块包括：
第四三极管，所述第四三极管的基极通过第十六电阻接入比较器单元输出的电平信号，并通过第十七电阻接地；所述第四三极管的发射极接地；所述第四三极管的集电极通过第十八电阻接入工作电压，并连接第三二极管的负极，所述第三二极管的正极输出电平信号，并通过第十九电阻接入工作电压，且连接第四二极管的正极，所述第四二极管的负极连接微处理器。
进一步地，所述微处理器，用于在接收到短路检测模块输出的低电平信号时，通过第三二极管、第四二极管和第十九电阻组成的与门电路，与第十六电阻、第十七电阻、第四三极管和第十八电阻组成的非门电路，共同构成锁存器，通过所述锁存器在储能系统短路时确保信号锁存模块低电平信号的输出。
进一步地，所述电路保护模块包括：
第一光耦，所述第一光耦的正极输入接入信号锁存模块输出的电平信号；所述第一光耦的负极输入接地；所述第一光耦的集电极接入工作电压；所述第一光耦的发射极连接至第五二极管的正极；所述第五二极管负极通过第二十电阻同时第六二极管的正极、第五三极管的基极和第六三极管的集电极，并通过第二十三电阻接地；所述第六二极管的负极连接第七二极管的正极；所述第五三极管的发射极通过第二十二电阻连接第七二极管的负极；所述第六三极管的基极连接第五三极管的集电极，第六三极管的发射极接地；所述第七二极管的负极连接第五十六稳压二极管的负极，并通过第二十一电阻连接第一零一场效应管的栅极；所述第一零一场效应管的源极连接第五十六稳压二极管的正极，并通过采样电阻接地；所述第一零一场效应管的漏极通过第六十九瞬态抑制二极管连接至第一零一场效应管的源极。
进一步地，所述第五二极管、第六二极管和第七二极管为肖特基二极管。
进一步地，当所述储能系统短路时，信号锁存模块由高电平信号输出切换为低电平信号输出，变换过程中第一零一场效应管的栅极、源极之间使能信号拉低，第一零一场效应管关断。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种储能系统短路检测及保护电路，通过纯电路的形式实现短路检测盒保护，降低了对芯片的依赖性，通用性更强，且无需依赖元器件的熔断实现断路控制，售后和维护成本更低；
(2)通过采集单元中的滤波电路滤除共模干扰，并通过跟随器进行信号缓冲，最后通过从而提高电路的抗干扰能力、减少损耗并提高采样精度；
(3)通过比较器对电压信号进行检测从而对电路短路做出快速响应；
(4)通过信号锁存模块对信号进行锁存，保证不会因为信号不稳定或其它外界干扰导致短路保护信号不能锁存带来的误动作，并通过微处理器进一步提供冗余保护。
附图说明
图1为一种储能系统短路检测及保护电路的模块化组成示意图；
图2为短路检测模块的电路示意图；
图3为信号锁存模块的电路示意图；
图4为电路保护模块的电路示意图；
图5为整体电路连接示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
当下短路保护实现的方法主要有两种，第一种是电池PACK内配有保险丝或直流开关实现短路保护，第二种是通过PACK内的BMS上的AFE芯片实现短路保护，其中，
保险丝或直流开关实现短路保护：短路保护上保险丝和直流开关有几个不良的共性。第一是短路保护的响应时间长，会出现PACK过热以及打火甚至冒烟的现象，给人的直观感受不良。第二是占用电池包内空间巨大，降电池包内的空间给到电芯提高容量更有意义。第三是成本高，保险丝和直流开关要达到上百元的成本。第四是电池PACK短路后保险丝熔断不可恢复，重新使用电池包需要更换保险丝，售后维护经费和人力资源都很浪费。
AFE芯片实现短路保护：通过市场上高端芯片AFE实现短路保护，这种短路保护的方式具备响应快可短路后恢复的优点。但也有三个主要的缺点，第一是芯片短缺，实现大批量量产无论是采购还是成本都有困难。第二是不能灵活匹配所需要的短路电流，根据不同电池包的功率不同，所需要的短路电流保护电流也不同。第三是如果控制充放电MOS或充放电继电器的引脚失效例如对电源短路，则无法实现短路保护功能，相当于没有冗余设计。
针对上述现有技术存在的缺点，本发明提出了一种储能系统短路检测及保护电路，包括：
短路检测模块，用于通过采集单元采集储能系统输出回路中的电压信号，并通过比较器单元以预设阈值为短路判定标准将电流信号转换为短路状态下的高电平信号或者正常状态下的低电平信号；
信号锁存模块，基于与非门电路构成锁存器对电平信号进行反转，并通过锁存器保证外界干扰下电平信号的稳定；
电路保护模块，用于在短路发生时，响应于信号锁存模块输出电平信号由高至低的过程，将电平信号拉低控制输出回路关断。
整体上来看，完成电路短路检测保护的流程大致为信号采集→滤波→隔离→放大→比较→锁存→冗余控制→保护切断，通过这一系列的信号处理及判断，从而达到保护储能系统的目的(如图5为整体电路连接图)。
其中，如图2所示，采集单元包括：
连接采样电阻RS高压端的第一端口和连接采样电阻RS低压端的第二端口；所述采样电阻RS与第五十五电容C55并联，采样电阻RS的低压端通过第八电阻R8连接第一运算放大器U1的正极输入端，采样电阻RS的高压端通过第九电阻R9连接第二运算放大器U2的正极输入端；所述采样电阻RS的低压端还通过第五十三电容C53接地，采样电阻RS的高压端还通过第五十七电容C57接地；所述第一运算放大器U1的正极输入端通过第五十四电容C54接地，并通过第五十五电容C55连接第二运算放大器U2的正极输入端，所述第二运算放大器U2的正极输入端通过第五十八电容C58接地；所述第一运算放大器U1的负极输入端连接第一运算放大器U1的输出端；所述第二运算放大器U2的负极输入端连接第二运算放大器U2的输出端。当然为了提高电路的整体适用性，这其中第五十三电容C53至第五十八电容C58的规格一致，第八电阻R8和第九电阻R9规格一致。
在这里采集分流器电阻RS上的电流，这个信号先通过C53、R8、C54、C57、R9、C58、C55、C56组成的π形滤波电路滤除共模干扰。然后再经过U1和U2电压跟随器，提高输入阻抗，这两个跟随器起到缓冲作用，减少了损耗，并实现前后隔离消除电路干扰，提高了整体的信号采样精度。
而在比较器单元中，如图2所示，则是包括：
第三运算放大器U3，所述第三运算放大器U3的负极输入端通过第十二电阻R12接地，并接入第一运算放大器U1输出端输出的电压信号(IIN+)；所述第三运算放大器U3的正极输入端通过第十一电阻R11接地，并通过第十电阻R10接入第二运算放大器U2输出端输出的电压信号(IIN-)；所述第三运算放大器U3的正电源端通过第十四电容C14接地，并接入系统电压(VVC)，所述第三运算放大器U3的负电源端接地，所述第三运算放大器的输出端通过第十三电阻R13接地，并输出放大后的电压信号至第四运算放大器U4的正极输入端；所述第四运算放大器U4的负极输入端通过第十五电阻R15接地，并通过第十四电阻R14连接至第四运算放大器U4的正电源端；所述第四运算放大器U4的正电源端接入系统电压(VCC)；所述第四运算放大器U4的负电源端接地；所述第四运算放大器的输出端输出电平信号(SCD)。
采集单元采集到的电压信号经过U3放大100倍，如果此时设置500A短路电流，RS(假设为0.05mR)上的电压＝0.025V，经过U3放大后为2.5V，此时通过U4对电压信号进行检测，由于U4采用的是灵敏型快速响应元器件，因此只要U4的输入大于2.5V，那么SCD就会等于VCC，而如果U4<2.5V，那么SCD＝0V。意思是大于2.5V输入时比较器U4的输出为高电平，小于2.5V输入时比较器U4输出低电平。因此流过RS采样电阻的电流超过500A后，比较器U4输出高电平使能。而输出的SCD短路信号一路用于触发后级信号锁存模块，另一路用于触发微处理器。这样一来，利用与U4的快速响应特性就能够快速进行储能系统短路的判定。
进一步地，为了保证短路信号不会因为信号不稳定或其他外接干扰导致短路信号不能被锁存带来的误动作，并且为了应对微处理器失效，例如控制充放电MOS或继电器的引脚对电源短路，无法实现短路保护功能的情况，本发明还设计了信号锁存模块，保证短路信号稳定和实现冗余保护，如图3所示包括：
第四三极管Q4，所述第四三极管Q4的基极通过第十六电阻R16接入比较器单元输出的电平信号，并通过第十七电阻R17接地；所述第四三极管Q4的发射极接地；所述第四三极管Q4的集电极通过第十八电阻R18接入工作电压(VCC)，并连接第三二极管D3的负极，所述第三二极管D3的正极输出电平信号(OUT)，并通过第十九电阻R19接入工作电压(VCC)，且连接第四二极管D4的正极，所述第四二极管D4的负极连接微处理器。
通过第三二极管D3、第四二极管D4和第十九电阻R19组成的与门电路，与第十六电阻R16、第十七电阻R17、第四三极管Q4和第十八电阻R18组成的非门电路，共同构成锁存器。这个锁存器有两个作用，第一个作用是不会因为信号不稳定或其他外界干扰导致短路信号不能锁存带来的误动作。另一个作用为当微处理器失效后，微处理器输出恒定为高，此时D4的阴极为高电平，但是此时的D3阴极为低电平那么OUT输出仍然为低电平，低电平会仍然会切断短路回路，从而防止因为微处理器失效导致短路回路不能切断，也就是增设了一个冗余设计。
最后，为了实现在短路发生时控制储能系统的断电，在本发明提出的电路保护模块中，如图4所示，包括：
第一光耦，所述第一光耦OP1的正极输入接入信号锁存模块输出的电平信号；所述第一光耦的负极输入接地；所述第一光耦OP1的集电极接入工作电压(VCC)；所述第一光耦OP1的发射极连接至第五二极管D5的正极；所述第五二极管D5负极通过第二十电阻R20同时第六二极管D6的正极、第五三极管Q5的基极和第六三极管Q6的集电极，并通过第二十三电阻R23接地；所述第六二极管D6的负极连接第七二极管D7的正极；所述第五三极管Q5的发射极通过第二十二电阻R22连接第七二极管D7的负极；所述第六三极管Q6的基极连接第五三极管Q5的集电极，第六三极管Q6发射极接地；所述第七二极管D7的负极连接第五十六稳压二极管D56的负极，并通过第二十一电阻R21连接第一零一场效应管Q101的栅极；所述第一零一场效应管Q101的源极连接第五十六稳压二极管D56的正极，第一零一场效应管Q101的漏极通过第六十九瞬态抑制二极管D69连接至第一零一场效应管Q101的源极。
其中，第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7为肖特基二极管。
在未短路时SCD为低电平，D3的阴极为高电平，微处理器输出高电平那么此时D4为高电平，从而OUT为高电平回路闭合。发生短路后无论微处理器是否输出低电平，只要D3的阴极为低电平那么OUT输出就为低电平。
而当储能系统短路时，短路检测模块输出高电平SCD，通过信号锁存模块将输出的高电平信号切换为低电平信号OUT输出，第一光耦QP1在接收到低电平信号时，内部发光二极管不导通，则光耦内部三极管关断，变换过程中经过D5、D6、D7肖特基二极管后，再经过R22、Q5、Q6组成的电压快速泄放电路将OUT信号也就是Q101的GS极使能信号迅速拉低，从而Q101迅速关断并将短路回路切断，而D69的作用则是吸收关断回路的电压尖峰。
综上所述，本发明所述的一种储能系统短路检测及保护电路，通过纯电路的形式实现短路检测盒保护，降低了对芯片的依赖性，通用性更强，且无需依赖元器件的熔断实现断路控制，售后和维护成本更低。
通过采集单元中的滤波电路滤除共模干扰，并通过跟随器进行信号缓冲，最后通过从而提高电路的抗干扰能力、减少损耗并提高采样精度。通过比较器对电压信号进行检测从而对电路短路做出快速响应。
通过信号锁存模块对信号进行锁存，保证不会因为信号不稳定或其它外界干扰导致短路保护信号不能锁存带来的误动作，并通过微处理器进一步提供冗余保护。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，包括：
短路检测模块，用于通过采集单元采集储能系统输出回路中的电压信号，并通过比较器单元以预设阈值为短路判定标准将电流信号转换为短路状态下的高电平信号或者正常状态下的低电平信号；
微处理器，所述微处理器输出恒为高，但当电路中发生短路，接收到短路电流检测模块的信号输入时，微处理器输出低电平；
信号锁存模块，基于与非门电路构成锁存器对电平信号进行反转，并通过锁存器保证外界干扰下电平信号的稳定以及微处理器失效时的冗余处理；
电路保护模块，用于在短路发生时，响应于信号锁存模块输出电平信号由高至低的过程，将电平信号拉低控制输出回路关断。
2.如权利要求1所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，所述采集单元包括：
连接采样电阻高压端的第一端口和连接采样电阻低压端的第二端口；所述采样电阻与第五十五电容并联，采样电阻的低压端通过第八电阻连接第一运算放大器的正极输入端，采样电阻的高压端通过第九电阻连接第二运算放大器的正极输入端；所述采样电阻的低压端还通过第五十三电容接地，采样电阻的高压端还通过第五十七电容接地；所述第一运算放大器的正极输入端通过第五十四电容接地，并通过第五十五电容连接第二运算放大器的正极输入端，所述第二运算放大器的正极输入端通过第五十八电容接地；所述第一运算放大器的负极输入端连接第一运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的负极输入端连接第二运算放大器的输出端。
3.如权利要求2所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，所述第五十三电容至所述第五十八电容的规格一致，所述第八电阻和所述第九电阻规格一致。
4.如权利要求2所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，所述比较器单元包括：
第三运算放大器，所述第三运算放大器的负极输入端通过第十二电阻接地，并接入第一运算放大器输出端输出的电压信号；所述第三运算放大器的正极输入端通过第十一电阻接地，并通过第十电阻接入第二运算放大器输出端输出的电压信号；所述第三运算放大器的正电源端通过第十四电容接地，并接入系统电压，所述第三运算放大器的负电源端接地，所述第三运算放大器的输出端通过第十三电阻接地，并输出放大后的电压信号至第四运算放大器的正极输入端；所述第四运算放大器的负极输入端通过第十五电阻接地，并通过第十四电阻连接至第四运算放大器的正电源端；所述第四运算放大器的正电源端接入系统电压；所述第四运算放大器的负电源端接地；所述第四运算放大器的输出端输出电平信号。
5.如权利要求1所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，所述信号锁存模块包括：
第四三极管，所述第四三极管的基极通过第十六电阻接入比较器单元输出的电平信号，并通过第十七电阻接地；所述第四三极管的发射极接地；所述第四三极管的集电极通过第十八电阻接入工作电压，并连接第三二极管的负极，所述第三二极管的正极输出电平信号，并通过第十九电阻接入工作电压，且连接第四二极管的正极，所述第四二极管的负极连接微处理器。
6.如权利要求5所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，所述微处理器，用于在接收到短路检测模块输出的低电平信号时，通过第三二极管、第四二极管和第十九电阻组成的与门电路，与第十六电阻、第十七电阻、第四三极管和第十八电阻组成的非门电路，共同构成锁存器，通过所述锁存器在储能系统短路时确保信号锁存模块低电平信号的输出。
7.如权利要求1所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，所述电路保护模块包括：
第一光耦，所述第一光耦的正极输入接入信号锁存模块输出的电平信号；所述第一光耦的负极输入接地；所述第一光耦的集电极接入工作电压；所述第一光耦的发射极连接至第五二极管的正极；所述第五二极管负极通过第二十电阻同时第六二极管的正极、第五三极管的基极和第六三极管的集电极，并通过第二十三电阻接地；所述第六二极管的负极连接第七二极管的正极；所述第五三极管的发射极通过第二十二电阻连接第七二极管的负极；所述第六三极管的基极连接第五三极管的集电极，第六三极管的发射极接地；所述第七二极管的负极连接第五十六稳压二极管的负极，并通过第二十一电阻连接第一零一场效应管的栅极；所述第一零一场效应管的源极连接第五十六稳压二极管的正极，并通过采样电阻接地；所述第一零一场效应管的漏极通过第六十九瞬态抑制二极管连接至第一零一场效应管的源极。
8.如权利要求7所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，所述第五二极管、第六二极管和第七二极管为肖特基二极管。
9.如权利要求7所述的一种储能系统短路检测及保护电路，其特征在于，当所述储能系统短路时，信号锁存模块由高电平信号输出切换为低电平信号输出，变换过程中第一零一场效应管的栅极、源极之间使能信号拉低，第一零一场效应管关断。
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- 2023-08-09 CN CN202310994713.3A patent/CN117154656A/zh active Pending
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| CN118061792B (zh) * | 2024-04-17 | 2024-06-25 | 深圳威宇佳半导体设备有限公司 | 一种短路保护系统、高压电源输出系统及汽车 |
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