CN117335534B - 电池充放电短路保护及采样电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电池充放电短路保护及采样电路，包括：主电路模块、电压电流转换模块、过流判定模块、锁定模块、开关驱动模块；主电路模块分别与储能电池、电压电流转换模块和开关驱动模块连接；电压电流转换模块、过流判定模块、锁定模块和开关驱动模块依次连接；主电路模块，通过充放电开关对储能电池进行充放电控制；电压电流转换模块，将储能电池充放电时采样的电压值转换为电流值；过流判定模块，对电流值进行过流与否的判定；锁定模块，在判定结果为过流时触发自锁功能，以保护电路；开关驱动模块，接收锁定模块的信号，生成用于控制充放电开关的驱动信号。本申请能够在电流充放电过程中进行精准地电流检测及短路保护，且电路成本低。

Description

电池充放电短路保护及采样电路

技术领域

本申请涉及储能技术领域，尤其是涉及一种电池充放电短路保护及采样电路。

背景技术

现有技术中，储能电池充放电短路保护及采样电路中，多数采用分别设置充电电流检测电路和放电电流检测电路，来实现两个过程中的短路保护，主要原因在于充电和放电的电流方向不同。当然也有采用特定传感芯片来同时实现充电和放电电流检测的方案，但这类芯片的成本也相对更高。另外，目前短路保护及采样电路中均未实现在短路保护的同时，完成对电池充放电电流的高精度检测。

发明内容

本申请的目的在于提供一种电池充放电短路保护及采样电路，能够在电流充放电过程中进行精准地电流检测，并进行短路保护，且电路成本低。

第一方面，本申请提供一种电池充放电短路保护及采样电路，电池充放电短路保护及采样电路包括：主电路模块、电压电流转换模块、过流判定模块、锁定模块、开关驱动模块；其中，主电路模块分别与储能电池、电压电流转换模块和开关驱动模块连接；电压电流转换模块、过流判定模块、锁定模块和开关驱动模块依次连接；主电路模块，用于通过充放电开关对储能电池进行充放电控制；电压电流转换模块，用于将储能电池充放电时采样的电压值转换为电流值；过流判定模块，用于对电流值进行过流与否的判定；锁定模块，用于在判定结果为过流时触发自锁功能，以保护电路；开关驱动模块，用于接收锁定模块的信号，生成用于控制充放电开关的驱动信号；主电路模块包括：多个电阻并联形成的采样电阻、熔断器；熔断器、采样电阻依次设置于电池负极与电池负极对应的外部连接端子的连接线路上；熔断器和电池负极之间，紧邻电池负极的位置被设置为电池地；电压电流转换模块包括：基准电压源电路、运算放大器以及电流采样芯片；将采样电阻靠近外部连接端子一侧的点作为目标点；基准电压源电路的输入端连接于目标点，输出端连接于运算放大器的正输入端；采样电阻靠近电池负极一侧的点，连接于运算放大器的负输入端；运算放大器的输出端连接电流采样芯片；基准电压源电路用于将参考电池地的第一电压值转换为参考目标点的第二电压值；运算放大器的电源端分别连接目标点和第二电压值对应输出端；电流采样芯片的地端连接目标点；运算放大器和电流采样芯片均以目标点为参考地。

进一步地，上述主电路模块还包括：第一开关管、第二开关管；第一开关管、第二开关管依次设置于电池正极和电池正极对应的外部连接端子的连接线路上，并与开关驱动模块连接。

进一步地，上述电压电流转换模块还包括：第四电阻、第九电阻、第十电阻、第四电容；第四电阻连接于采样电阻靠近电池负极一侧的点，与运算放大器的负输入端之间；第九电阻、第四电容，以并联的方式连接于运算放大器的负输入端和输出端之间；第十电阻连接于电流采样芯片和运算放大器的输出端之间。

进一步地，上述基准电压源电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五电阻、第七电阻、第八电阻、第一电容、第二电容、第三电容、稳压管；第一电容的一端、第三电阻的一端、稳压管的阳极、第二电容的一端、第七电阻的一端、第三电容的一端均连接于目标点；第一电容的另一端、第一电阻的一端均连接于第一电压值对应电压源；第一电阻的另一端分别连接于第二电阻的一端、稳压管的阴极、第二电容的另一端、第五电阻的一端，用于输出第二电压值；稳压管的控制端连接于第二电阻的另一端和第三电阻的另一端的连接线上；第五电阻的另一端分别连接于第七电阻的另一端、第三电容的另一端、第八电阻的一端；第八电阻的另一端连接于运算放大器的正输入端。

进一步地，上述过流判定模块、锁定模块、开关驱动模块均以电池地为参考地，以降低由于扰动而引起的误保护。

进一步地，上述充电保护电压和放电保护电压均为：Ue电压+UB电压；其中，Ue电压为运算放大器的输出端相对于目标点的电压；UB电压表示：目标点相对于电池地的电压，包括采样电阻和熔断器上的电压。

进一步地，上述过流判定模块包括：第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第二十八电阻、第二十九电阻、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第一比较器和第二比较器；第十一电阻的一端连接运算放大器的输出端，另一端分别连接第二十八电阻的一端、第二十九电阻的一端；第二十八电阻的另一端分别连接于第一比较器的正输入端、第七电容的一端；第一比较器的负输入端分别连接第五电容的一端、第十三电阻的一端、第十二电阻的一端；第七电容的另一端、第五电容的另一端、第十三电阻的另一端均连接电池地；第十二电阻的另一端连接第一电压值对应电压源；第一比较器的第一电压端连接电池地，第二电压端连接第一电压值对应电压源，并通过第九电容连接电池地；第二十九电阻的另一端分别连接于第二比较器的负输入端、第八电容的一端；第二比较器的正输入端分别连接第六电容的一端、第十五电阻的一端、第十四电阻的一端；第八电容的另一端、第六电容的另一端、第十五电阻的另一端均连接电池地；第十四电阻的另一端连接第一电压值对应电压源；第一比较器的输出端和第二比较器的输出端均连接锁定模块；第一比较器的输出端还通过第十六电阻连接至第一电压值对应电压源。

进一步地，上述锁定模块包括：第三开关管、第四开关管、第十九电阻、第十三电容、开关选择芯片、第二十七电阻、第十二电容、第十七电阻和第二十二电阻；第三开关管的栅极连接第二比较器的输出端，源极连接电池地，漏极通过第十七电阻连接到第一电压值对应电压源，漏极还通过第二十二电阻连接于开关选择芯片的第四引脚；漏极还与开关驱动模块连接；第四开关管的漏极连接第一比较器的输出端，栅极分别与第十九电阻的一端、第十三电容的一端、开关选择芯片的第三引脚连接；第四开关管的源极、第十九电阻的另一端、第十三电容的另一端和开关选择芯片的第二引脚均连接电池地；开关选择芯片的第五引脚通过第十二电容连接电池地，还与第一电压值对应电压源连接；开关选择芯片的第六引脚通过第二十七电阻连接电池地；开关选择芯片用于对第四开关管的栅极电压进行复位，以使锁定模块恢复初始状态。

进一步地，上述第二十二电阻和第十三电容组成的滤波模块，用于避免电池充放电短路保护及采样电路被误触发。

进一步地，上述开关驱动模块包括：第十八电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十六电阻、第十电容、第十一电容、第五开关管、第六开关管；第十八电阻的一端连接第三开关管的漏极，另一端分别连接第二十电阻的一端、第十电容的一端、第六开关管的栅极、第二十一电阻的一端、第十一电容的一端、第五开关管的栅极；第二十电阻的另一端、第十电容的另一端、第二十一电阻的另一端、第十一电容的另一端、第六开关管的源极、第五开关管的源极均接地；第六开关管的漏极通过第二十四电阻连接至第三电压值对应电压源，并通过第二十六电阻连接至第二开关管的栅极；第五开关管的漏极通过第二十三电阻连接至第三电压值对应电压源，并通过第二十五电阻连接至第一开关管的栅极。

本申请提供的电池充放电短路保护及采样电路包括：主电路模块、电压电流转换模块、过流判定模块、锁定模块、开关驱动模块；其中，主电路模块分别与储能电池、电压电流转换模块和开关驱动模块连接；电压电流转换模块、过流判定模块、锁定模块和开关驱动模块依次连接；主电路模块，用于通过充放电开关对储能电池进行充放电控制；电压电流转换模块，用于将储能电池充放电时采样的电压值转换为电流值；过流判定模块，用于对电流值进行过流与否的判定；锁定模块，用于在判定结果为过流时触发自锁功能，以保护电路；开关驱动模块，用于接收锁定模块的信号，生成用于控制充放电开关的驱动信号；

其中，主电路模块包括：多个电阻并联形成的采样电阻、熔断器；熔断器、采样电阻依次设置于电池负极与电池负极对应的外部连接端子的连接线路上；熔断器和电池负极之间，紧邻电池负极的位置被设置为电池地；电压电流转换模块包括：基准电压源电路、运算放大器以及电流采样芯片；将采样电阻靠近外部连接端子一侧的点作为目标点；基准电压源电路的输入端连接于目标点，输出端连接于运算放大器的正输入端；采样电阻靠近电池负极一侧的点，连接于运算放大器的负输入端；运算放大器的输出端连接电流采样芯片；基准电压源电路用于将参考电池地的第一电压值转换为参考目标点的第二电压值；运算放大器的电源端分别连接目标点和第二电压值对应输出端；电流采样芯片的地端连接目标点；运算放大器和电流采样芯片均以目标点为参考地，这样可以通过低成本的电路结构，实现电池充电过程和放电过程中电流的精准采样，并进行短路保护，且电路成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术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申请的一些实施方式，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为本申请实施例提供的一种电池充放电短路保护及采样电路的结构框图；

图2为本申请实施例提供的一种主电路模块的电路结构图；

图3为本申请实施例提供的一种电压电流转换模块的电路结构图；

图4为本申请实施例提供的一种过流判定模块的电路结构图；

图5为本申请实施例提供的一种锁定模块的电路结构图；

图6为本申请实施例提供的一种加滤波模块和不加滤波模块的波形图；

图7为本申请实施例提供的一种开关驱动模块的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

目前的储能电池充放电短路保护及采样电路，要么需要分别设置充电电流检测电路和放电电流检测电路，来实现两个过程中的短路保护，检测过程繁琐；要么采用特定传感芯片来同时实现充电和放电电流检测，芯片成本相对更高，并且目前短路保护及采样电路中均未实现在短路保护的同时，完成对电池充放电电流的高精度检测。

基于此，本申请实施例提供一种电池充放电短路保护及采样电路，能够在电流充放电过程中进行精准地电流检测，并进行短路保护，且电路成本低。

图1为本申请实施例提供的一种电池充放电短路保护及采样电路的结构框图，该电池充放电短路保护及采样电路包括：主电路模块11、电压电流转换模块12、过流判定模块13、锁定模块14、开关驱动模块15；其中，主电路模块11分别与储能电池、电压电流转换模块12和开关驱动模块15连接；电压电流转换模块12、过流判定模块13、锁定模块14和开关驱动模块15依次连接。

主电路模块11，用于通过充放电开关对储能电池进行充放电控制；电压电流转换模块12，用于将储能电池充放电时采样的电压值转换为电流值；过流判定模块13，用于对电流值进行过流与否的判定；锁定模块14，用于在判定结果为过流时触发自锁功能，以保护电路；开关驱动模块15，用于接收锁定模块的信号，生成用于控制充放电开关的驱动信号。

主电路模块11包括：多个电阻并联形成的采样电阻R6、熔断器F1；熔断器F1、采样电阻R6依次设置于电池负极（即第二端子CN2）与电池负极对应的外部连接端子（即第四端子CN4）的连接线路上；熔断器F1和电池负极CN2之间，紧邻电池负极CN2的位置被设置为电池地GND；电压电流转换模块12包括：基准电压源电路121、运算放大器122(即U1A)以及电流采样芯片123；将采样电阻靠近外部连接端子CN4一侧的点B作为目标点；基准电压源电路121的输入端连接于目标点，输出端连接于运算放大器122的正输入端；采样电阻靠近电池负极一侧的点A，连接于运算放大器122的负输入端；运算放大器122的输出端连接电流采样芯片123；基准电压源电路121用于将参考电池地的第一电压值（如V1=+5V）转换为参考目标点的第二电压值（如V2=4.1V，如图3中所示的4.1V）；运算放大器122的电源端分别连接目标点B和第二电压值对应输出端；电流采样芯片123的地端连接目标点。

运算放大器122和电流采样芯片123均以目标点为参考地，这样可以通过低成本的电路结构，实现电池充电过程和放电过程中电流的精准采样，并进行短路保护，且电路成本低。

下面对各个模块进行详细说明：

参见图2所示，上述主电路模块11中还包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2。

第一端子CN1、第二端子CN2分别为储能电池的正极BAT+和负极BAT-；第三端子CN3、第四端子CN4在储能电池放电时连接负载，在储能电池充电时分别连接电源的正极PACK+和负极PACK-；第一开关管Q1、第二开关管Q2依次设置于第一端子CN1和第三端子CN3的连接线路上，并分别通过两个开关的栅极Charge、Discharge与开关驱动模块15连接；熔断器F1、采样电阻R6依次设置于第二端子CN2和第四端子CN4的连接线路上；熔断器F1和第二端子CN2之间，紧邻第二端子CN2的位置被设置为电池地GND；采样电阻R6的两端分别连接电压电流转换模块12。

在CN2和CN4的连接线路上设置有熔断器F1和采样电阻R6，实际应用中，R6为多个电阻并联形成，此次用一个电阻R6作为示意。其中，紧邻端子CN2的位置被设置为电池地GND，由于储能电池具有较大容量，其负极电压稳定性好，因此，紧靠近电池负端设置的电池地GND具有很好的抗干扰能力。充电时，R6的电流方向为从左到右；放电时，R6的电流方向为从右到左。

熔断器F1则紧靠电池地GND设置在远离CN2的一侧，一方面，整体上熔断器F1更靠近电池的负极，能更快更准确地对电池进行保护，另一方面，F1熔断后也并不会将GND与电池负极断开，使得系统其他连接电池地GND的部分不会受到F1熔断的影响。

然后在熔断器F1的与端口CN4之间设置有采样电阻R6。（注意，如图2所示，CN2、GND、F1、R6、CN4之间的位置关系不能改变，原因如上面所述。这些关系也正是本申请实施例后续改进的基础）。

进一步地，参见图3所示，上述电压电流转换模块12包括：第四电阻R4、基准电压源电路（如图3中矩形框中所示电路）、运算放大器U1A、第九电阻R9、第十电阻R10、第四电容C4；第四电阻R4的一端连接于采样电阻R6靠近第二端子CN2一侧的点A，另一端连接于运算放大器的负输入端2；基准电压源电路的输入端连接于采样电阻R6靠近第四端子CN4一侧的点（即目标点），输出端连接于运算放大器U1A的正输入端3；第九电阻R9、第四电容C4，以并联的方式连接于运算放大器U1A的负输入端2和输出端1之间；运算放大器U1A的输出端1还通过第十电阻R10连接于高精度采样芯片的一端；高精度采样芯片的地端连接于采样电阻R6靠近第四端子CN4一侧的目标点B。运算放大器U1A的一个电压端连接基准电压源电路输出的4.1V，另一个电压端连接目标点B。

进一步地，上述基准电压源电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、稳压管D1；第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端、稳压管D1的阳极3、第二电容C2的一端、第七电阻R7的一端、第三电容C3的一端均连接于采样电阻R6靠近第四端子CN4一侧的目标点B；第一电容C1的另一端、第一电阻R1的一端均连接至第一电压值对应电压源，如+5V；第一电阻R1的另一端分别连接于第二电阻R2的一端、稳压管D1的阴极1、第二电容C2的另一端、第五电阻R5的一端；稳压管的阴极用于输出第二电压值4.1V；稳压管D1的控制端2连接于第二电阻R2的另一端和第三电阻R3的另一端的连接线上；第五电阻R5的另一端分别连接于第七电阻R7的另一端、第三电容C3的另一端、第八电阻R8的一端；第八电阻R8的另一端连接于运算放大器U1A的正输入端3。

进一步地，上述基准电压源电路以采样电阻靠近第四端子一侧的点B作为参考地，为高精度采样芯片和运算放大器提供以参考地为基准的参考电压。

通过图3中的A点（即采样电阻R6靠近CN2一侧的点）连接电阻R4，再连接到放大器U1A的负端。B点（即采样电阻R6靠近CN4一侧的点，同时也就是图中PACK-这一点）则通过图中元器件连接到放大器U1A的正输入端。放大器U1A采用负反馈放大接法，在完成信号检测的同时能够对其实现放大。

另外，图中E点还通过电阻R10连接到高精度采样芯片上，实现对电流的采样，用于准确记录电池充放电过程中电流的历史数据。在基准电压源电路中，B点作为基准电压源电路的参考地，通过基准电压源电路将参考电池地GND的+5V电压V1，转换为了参考B点的+4.1V电压V2（即图3中给出的+5V是相对于电池地GND而已的，+4.1V是相对于B点而言的）。

基准电压源电路的具体元件如图中所示，在生成电压V2后，其进一步通过电阻R5和R7进行分压获得D点的电压VD，本申请实施例中为+0.11V。

此外，运算放大器U1A的供电电源正极连接电压V2，负极地端连接B点（即PACK-点），高精度采样芯片的地端也连接B点。也就是说，运算放大器和采样芯片的参考地为B点，而非电池地GND。

以下对为什么需要将B点作为电压电流转换模块的参考地进行解释：

首先，如果直接将B点连接放大器的U1A的正输入端，而不做参考地的变化，那么由放大器虚断原理，电阻R4电流与电阻R9 电流相同，则可以推出如下等式：

；

由于未做参考地变化，这里的UE、UC、UA以及后面的UB都是参考电池地GND的电压；转换后为：

；

再根据放大器的虚短原理，放大器正负输入两端的电压相同，即C点电压与B点电压相同，则仅能推出：

；

在此基础上，虽然能检测出UE的电压，但仍不能确定UA-UB的值，也就是采样电阻R6两端的电压，也就无法计算出充放电电流的大小。

而本申请实施例中，将B点作为电压电流转换模块的参考地，为了方便描述，后续在上述公式的基础上以后缀为小写字母代表相对于B点的电压，如Ua代表A点相对于B点的电压。

同样根据放大器虚断的原理，可以得到相同的公式：

；

而根据放大器虚短的原理，Uc=Ud；

而D点相对于B点的电压，则是通过基准电压源电路转换后的偏置电压Udc，实例中，采用0.11V。

由于放大器以及高精度采样芯片都是以B点（PACK-）为地，因此，能够检测出E点相对于B点的电压Ue，而R4和R9为提前选好的固定电阻。由此即可计算出Ua的值，也就是采样电阻R6两端的电压，进一步可以得到流过R6的电流值，这种方式也能够实现高精度的采样。

接下来描述基准电压源电路的原理以及设置原因：

如图3中所示，基准电压源电路通过将V1与B点之间的压差进行分压，并配合稳压管获得以B点为参考地的电压V2，再通过V2分压获得正偏置电压Udc。

这里设置Udc的目的在于避免检测出负的电压。由于本申请实施例可以用一套电路采集充电和放电的电流，那么当电池充电时，B点电压高于A点电压；如果没有正偏置电压Udc，则Uc=Ud=Ub=0（以B点为电池地），那么采样出的E点就会为负的电压，从而损坏采样芯片。而设置了正偏置电压Udc后，则可以进一步通过对Udc值的设置来确保不会出现负电压。

本申请实施例中，仅通过一个放大器与多个电阻、电容等模拟器件即可实现对电池充电和放电电流的检测，无需高成本的专用检测器，成本更低，且精度高。

进一步地，参见图4所示，上述过流判定模块13包括：第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第二十八电阻R28、第二十九电阻R29、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第一比较器U2A和第二比较器U2B；第十一电阻R11的一端连接运算放大器U1A的输出端，另一端分别连接第二十八电阻R28的一端、第二十九电阻R29的一端；第二十八电阻R28的另一端分别连接于第一比较器U2A的正输入端、第七电容C7的一端；第一比较器U2A的负输入端分别连接第五电容C5的一端、第十三电阻R13的一端、第十二电阻R12的一端；第七电容C7的另一端、第五电容C5的另一端、第十三电阻R13的另一端均连接电池地GND；第十二电阻R12的另一端连接第一电压值对应电压源，如+5V；第一比较器U2A的第一电压端连接电池地GND，第二电压端连接第一电压值对应电压源，如+5V，并通过第九电容C9连接电池地GND；第二十九电阻R29的另一端分别连接于第二比较器U2B的负输入端、第八电容C8的一端；第二比较器U2B的正输入端分别连接第六电容C6的一端、第十五电阻R15的一端、第十四电阻R14的一端；第八电容C8的另一端、第六电容C6的另一端、第十五电阻R15的另一端均连接电池地；第十四电阻R14的另一端连接第一电压值对应电压源，如+5V；第一比较器U2A的输出端和第二比较器U2B的输出端均连接锁定模块14；第一比较器U2A的输出端还通过第十六电阻R16连接至第一电压值对应电压源，如+5V。

过流判定模块如图4所示，包括两个比较器，分别对应到充电过流和放电过流。由上面Ua的计算公式可知，Ue 越大，Ua越小；Ua在充电时，Ue较小；Ua在放电时，Ue较大。当Ue小于充电保护电压或者大于放电保护电压时，则会触发保护。充电保护电压和放电保护电压分别根据充电短路电流和放电短路电流对应的设置。具体值上，充电保护电压通过R12、R13对V1分压来设置；放电保护电压通过R14、R15对V1分压来设置。

如图4所示，以第一比较器U2A为主的上半部分电路实际为充电过流阈值回路，当检测到有电流超过充电电流阈值时，通过第一比较器U2A的输出端进行信号输出。以第二比较器U2B为主的下半部分电路实际为放电过流阈值回路，当检测到有电流超过放电电流阈值时，通过第二比较器U2B的输出端进行信号输出。

本申请实施例的另一个核心点在于，过流判定模块以及后续的锁定模块、开关驱动模块都是以电池地GND为参考地，主要原因在于电池地GND具有很好的抗干扰能力，能够降低由于扰动而引起的误保护。

由于参考地的变化，E点在过流判定模块中的电压转变为以电池地GND为参考的电压UE；因此，本申请实施例为了适应该变化，在电路设计时，需要将充电保护电压和放电保护电压进行适应地调整。由主电路可知，UE=Ue+UB，因此，在电路设计时，充电保护电压和放电保护电压需要在采样的Ue电压的基础上再加上UB的电压，也就是B点相对于电池地GND的电压，这部分包括采样电阻R6和熔断器F1上的电压。

即充电保护电压和放电保护电压均为：Ue电压+UB电压；其中，Ue电压为运算放大器的输出端相对于采样电阻靠近第四端子一侧的点的电压；UB电压表示：采样电阻靠近第四端子一侧的点相对于电池地的电压，包括采样电阻和熔断器上的电压。

在充电时，电流从PACK+到BAT+，再从BAT-到PACK-，形成环路。因此，UB为负。放电时，则相反，UB为正。

进一步地，参见图5所示，上述锁定模块14包括：第三开关管Q3、第四开关管Q4、第十九电阻R19、第十三电容C13、开关选择芯片U3、第二十七电阻R27、第十二电容C12、第十七电阻R17和第二十二电阻R22；第三开关管Q3的栅极连接第二比较器U2B的输出端，源极连接电池地，漏极通过第十七电阻R17连接到第一电压值对应电压源，如5V；漏极还通过第二十二电阻R22连接于开关选择芯片U3的第四引脚4；漏极还与开关驱动模块15连接；第四开关管Q4的漏极连接第一比较器U2A的输出端，栅极分别与第十九电阻R19的一端、第十三电容C13的一端、开关选择芯片U3的第三引脚3连接；第四开关管Q4的源极、第十九电阻R19的另一端、第十三电容C13的另一端和开关选择芯片U3的第二引脚2均接地GND；开关选择芯片U3的第五引脚5通过第十二电容C12连接电池地，还与第一电压值对应电压源如+5V连接；开关选择芯片U3的第六引脚6通过第二十七电阻R27连接电池地GND；开关选择芯片U3的第一引脚1悬空；开关选择芯片U3用于对第四开关管Q4的栅极电压进行复位，以使锁定模块14恢复初始状态；第二十二电阻R22和第十三电容C13组成的滤波模块，用于避免电池充放电短路保护及采样电路被误触发。

下面详细说明开关选择芯片U3的作用，U3可以通过RST端口的复位信号控制是否将COM端口的信号传输给NC端，常规状态下，RST复位信号无效，COM端口信号可以传输给NC端；当RST复位信号有效时，COM端口信号不能传输给NC端，NC端被复位到低电平。通过该开关选择芯片U3可以实现对开关Q4栅极电压的复位，使得锁定回路恢复初始状态。另外，锁定模块14中还包括本申请实施例的另一个核心点，也就是由R22和C13组成的滤波电路，其目的在于避免电池充放电短路保护及采样电路被误触发。

系统开机一瞬间或者有脉冲干扰时，可能造成开关Q4的栅极形成脉冲电压，使其误导通，最终使得该电池充放电短路保护及采样电路被误触发。考虑到这些脉冲宽度较小，因此，可以通过滤波电路的设计将这些脉冲过滤，使脉冲电压无法达到Q4栅极的开启电压。当然，该滤波电路不能影响需要保护时的触发信号达到Q4栅极的开启电压。

图6给出了对比波形示意图，其中第一个是未采用滤波模块时的干扰脉冲，其幅值超过了开关Q4的阈值电压1V，触发自锁；第二个是采用滤波模块时的干扰脉冲，其幅值被控制在了开关Q4的阈值电压1V以内，不触发自锁；第三个是采用滤波模块时真正的保护信号，其幅值仍能超过开关Q4的阈值电压1V，触发自锁进行正常保护。

进一步地，参见图7所示，上述开关驱动模块15包括：第十八电阻R18、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第十电容C10、第十一电容C11、第五开关管Q5、第六开关管Q6；第十八电阻R18的一端连接第三开关管Q3的漏极，另一端分别连接第二十电阻R20的一端、第十电容C10的一端、第六开关管Q6的栅极、第二十一电阻R21的一端、第十一电容C11的一端、第五开关管Q5的栅极；第二十电阻R20的另一端、第十电容C10的另一端、第二十一电阻R21的另一端、第十一电容C11的另一端、第六开关管Q6的源极、第五开关管Q5的源极均连接电池地GND；第六开关管Q6的漏极通过第二十四电阻R24连接至第三电压值对应电压源，如62V，并通过第二十六电阻R26连接至第二开关管Q2的栅极；第五开关管Q5的漏极通过第二十三电阻R23连接至第三电压值对应电压源，如62V，并通过第二十五电阻R25连接至第一开关管Q1的栅极。

如图7中所示，开关驱动模块15主要用于接收来自锁定模块14的信号，生成用于控制放电开关Q1和充电开关Q2的驱动信号。

以下根据实例说明该电路的工作逻辑:

假设设置充电短路电流为100A，放电短路电流为200A，经电阻阻值设计，充电100A对应的Ue=0.21V，UE=0.11V；放电200A对应的Ue=3.21V，UE=3.41V。U3初始状态是COM与NC（常闭）连接，则有如下逻辑：

①当UE小于0.11V时，U2A 的3号引脚（+）比2号引脚（-）低→U2A 的1号引脚输出低电平→开关Q3的3号引脚（D 极）输出第一高电平→开关Q4 的1号引脚（G 极）为高→U2A 的1号引脚输出低电平，信号被锁住，开关Q3 的3号引脚（D 极）一直输出第一高电平→Charge、Discharge 电平为低→充放电 MOS 被切断→系统不充不放，且软件输出充电短路故障；

②当UE大于3.41V，U2A 的5号引脚（+）比6号引脚（-）低→U2A 的1号引脚输出低电平→开关Q3的3号引脚（D 极）输出第一高电平→开关Q4 的1号引脚（G 极）为高→U2A 的1号引脚输出低电平，信号被锁住，开关Q3 的3号引脚（D 极）一直输出第一高电平→Charge、Discharge 电平为低→充放电 MOS 被切断→系统不充不放，且软件输出放电短路故障；

③当 UE 大于 0.11V 且小于 3.41V时→U2A的3号引脚（+）比2号引脚（-）高，U2A的5号引脚（+）比6号引脚（-）高→U2A 的1号引脚输出第一高电平→开关Q3的3号引脚（D极）输出低电平→开关Q4 的1号引脚（G 极）为低→U2A的1号引脚输出第一高电平，开关Q3的3号引脚（D 极）一直输出低电平→Charge、Discharge 电平为高→充放电 MOS 正常打开→系统可以充电也可以放电，系统正常运行。

本申请实施例提供的电池充放电短路保护及采样电路中，同时实现了高精度采样和可靠地短路保护；电压电流转换模块采用低成本的分立元件来实现充电与放电电流检测，即低成本实现了充电与放电电流用同一电路检测；第四开关管Q4栅极的滤波模块设计，能够避免系统开机以及脉冲干扰所造成短路保护及采样电路的误触发；充电与放电保护可设置不同的保护电流值。电压电流转换模块采用独立与其他部分的参考地的设置。过流判定模块中保护电压为适应不同参考地结合做出了调整。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，所述电池充放电短路保护及采样电路包括：主电路模块、电压电流转换模块、过流判定模块、锁定模块、开关驱动模块；

其中，所述主电路模块分别与储能电池、所述电压电流转换模块和所述开关驱动模块连接；所述电压电流转换模块、所述过流判定模块、所述锁定模块和所述开关驱动模块依次连接；

所述主电路模块，用于通过充放电开关对所述储能电池进行充放电控制；所述电压电流转换模块，用于将所述储能电池充放电时采样的电压值转换为电流值；所述过流判定模块，用于对所述电流值进行过流与否的判定；所述锁定模块，用于在判定结果为过流时触发自锁功能，以保护电路；所述开关驱动模块，用于接收所述锁定模块的信号，生成用于控制所述充放电开关的驱动信号；

所述主电路模块包括：多个电阻并联形成的采样电阻、熔断器；所述熔断器、所述采样电阻依次设置于电池负极与所述电池负极对应的外部连接端子的连接线路上；所述熔断器和所述电池负极之间，紧邻所述电池负极的位置被设置为电池地；

所述电压电流转换模块包括：基准电压源电路、运算放大器以及电流采样芯片；将所述采样电阻靠近所述外部连接端子一侧的点作为目标点；所述基准电压源电路的输入端连接于所述目标点，输出端连接于所述运算放大器的正输入端；所述采样电阻靠近所述电池负极一侧的点，连接于所述运算放大器的负输入端；所述运算放大器的输出端连接所述电流采样芯片；

所述基准电压源电路用于将参考所述电池地的第一电压值转换为参考所述目标点的第二电压值；所述运算放大器的电源端分别连接所述目标点和所述第二电压值对应输出端；所述电流采样芯片的地端连接所述目标点；所述运算放大器和所述电流采样芯片均以所述目标点为参考地；

所述主电路模块还包括：第一开关管、第二开关管；所述第一开关管、所述第二开关管依次设置于电池正极和所述电池正极对应的外部连接端子的连接线路上，并与所述开关驱动模块连接；

所述电压电流转换模块还包括：第四电阻、第九电阻、第十电阻、第四电容；所述第四电阻连接于所述采样电阻靠近所述电池负极一侧的点，与所述运算放大器的负输入端之间；所述第九电阻、所述第四电容，以并联的方式连接于所述运算放大器的负输入端和输出端之间；所述第十电阻连接于所述电流采样芯片和所述运算放大器的输出端之间。

2.根据权利要求1所述的电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，所述基准电压源电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五电阻、第七电阻、第八电阻、第一电容、第二电容、第三电容、稳压管；

所述第一电容的一端、所述第三电阻的一端、所述稳压管的阳极、所述第二电容的一端、所述第七电阻的一端、所述第三电容的一端均连接于所述目标点；所述第一电容的另一端、所述第一电阻的一端均连接于所述第一电压值对应电压源；所述第一电阻的另一端分别连接于所述第二电阻的一端、所述稳压管的阴极、所述第二电容的另一端、所述第五电阻的一端，用于输出所述第二电压值；所述稳压管的控制端连接于所述第二电阻的另一端和所述第三电阻的另一端的连接线上；所述第五电阻的另一端分别连接于所述第七电阻的另一端、所述第三电容的另一端、所述第八电阻的一端；所述第八电阻的另一端连接于所述运算放大器的正输入端。

3.根据权利要求2所述的电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，所述过流判定模块、所述锁定模块、所述开关驱动模块均以所述电池地为参考地，以降低由于扰动而引起的误保护。

4.根据权利要求2所述的电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，充电保护电压和放电保护电压均为：Ue电压+UB电压；其中，所述Ue电压为所述运算放大器的输出端相对于所述目标点的电压；所述UB电压表示：所述目标点相对于所述电池地的电压，包括采样电阻和熔断器上的电压。

5.根据权利要求3所述的电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，所述过流判定模块包括：第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第二十八电阻、第二十九电阻、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第一比较器和第二比较器；

所述第十一电阻的一端连接所述运算放大器的输出端，另一端分别连接所述第二十八电阻的一端、所述第二十九电阻的一端；所述第二十八电阻的另一端分别连接于所述第一比较器的正输入端、所述第七电容的一端；所述第一比较器的负输入端分别连接所述第五电容的一端、所述第十三电阻的一端、所述第十二电阻的一端；所述第七电容的另一端、所述第五电容的另一端、所述第十三电阻的另一端均连接所述电池地；所述第十二电阻的另一端连接所述第一电压值对应电压源；所述第一比较器的第一电压端连接所述电池地，第二电压端连接所述第一电压值对应电压源，并通过所述第九电容连接所述电池地；所述第二十九电阻的另一端分别连接于所述第二比较器的负输入端、所述第八电容的一端；所述第二比较器的正输入端分别连接所述第六电容的一端、所述第十五电阻的一端、所述第十四电阻的一端；所述第八电容的另一端、所述第六电容的另一端、所述第十五电阻的另一端均连接所述电池地；所述第十四电阻的另一端连接所述第一电压值对应电压源；所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端均连接所述锁定模块；所述第一比较器的输出端还通过所述第十六电阻连接至所述第一电压值对应电压源。

6.根据权利要求5所述的电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，所述锁定模块包括：第三开关管、第四开关管、第十九电阻、第十三电容、开关选择芯片、第二十七电阻、第十二电容、第十七电阻和第二十二电阻；

所述第三开关管的栅极连接所述第二比较器的输出端，源极连接所述电池地，漏极通过所述第十七电阻连接到所述第一电压值对应电压源，所述漏极还通过所述第二十二电阻连接于所述开关选择芯片的第四引脚；所述漏极还与所述开关驱动模块连接；所述第四开关管的漏极连接所述第一比较器的输出端，栅极分别与所述第十九电阻的一端、所述第十三电容的一端、所述开关选择芯片的第三引脚连接；所述第四开关管的源极、所述第十九电阻的另一端、所述第十三电容的另一端和所述开关选择芯片的第二引脚均连接所述电池地；所述开关选择芯片的第五引脚通过所述第十二电容连接所述电池地，还与所述第一电压值对应电压源连接；所述开关选择芯片的第六引脚通过所述第二十七电阻连接所述电池地；

所述开关选择芯片用于对所述第四开关管的栅极电压进行复位，以使所述锁定模块恢复初始状态。

7.根据权利要求6所述的电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，所述第二十二电阻和所述第十三电容组成的滤波模块，用于避免所述电池充放电短路保护及采样电路被误触发。

8.根据权利要求7所述的电池充放电短路保护及采样电路，其特征在于，所述开关驱动模块包括：第十八电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十六电阻、第十电容、第十一电容、第五开关管、第六开关管；

所述第十八电阻的一端连接所述第三开关管的漏极，另一端分别连接所述第二十电阻的一端、所述第十电容的一端、所述第六开关管的栅极、所述第二十一电阻的一端、所述第十一电容的一端、所述第五开关管的栅极；所述第二十电阻的另一端、所述第十电容的另一端、所述第二十一电阻的另一端、所述第十一电容的另一端、所述第六开关管的源极、所述第五开关管的源极均接地；所述第六开关管的漏极通过所述第二十四电阻连接至第三电压值对应电压源，并通过所述第二十六电阻连接至所述第二开关管的栅极；所述第五开关管的漏极通过所述第二十三电阻连接至第三电压值对应电压源，并通过所述第二十五电阻连接至所述第一开关管的栅极。