CN203193261U - 高压电池组输出短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高压电池组输出短路保护电路，其结构包括有检测控制电路、开关电路、扼流电路、负载容量匹配电路和开关缓冲电路。本实用新型通过检测控制电路对负载容量匹配电路或扼流电路的电压进行检测，在确定发生输出短路后，控制开关电路迅速关断；设置开关缓冲电路，使开关电路实现零压关断，由此降低了开关电路所受的能量和电压冲击，使开关电路能够安全关断。通过扼流电路限制短路电流，减小对电池组和开关电路的能量冲击。当短路故障消除后，通过检测控制电路检测开关的电压情况来控制开关打开，使电池组恢复正常供电。

Description

高压电池组输出短路保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种电源防护电路，具体地说是一种高压电池组输出短路保护电路。

背景技术

随着科技的发展，电池组的应用越来越广泛，故对其安全性能的要求也相应地提高，尤其是容量大且电压高的车用动力电池组。电池组输出短路，即由于某种原因致使电池组的输出正、负极在电阻非常小的情况下相互连接。这种短路会产生过大的电流和过多的热量，导致电池组的寿命严重受损。由于短路产生过多的热量，导致其在断路之前产生足以融化一般金属的高温，易导致电器烧坏和火灾事故的发生，使得人们生命财产安全受到很大的威胁。电池组发生输出短路，对电池组的安全性能也会产生巨大的不利影响。

目前，电池组输出短路保护的常用方法是：以回路电流的急剧增大为短路判断的依据和条件，当检测电路检测到短路发生后，通过控制电路控制开关元件断开输出回路。由于开关电路、检测电路和控制电路都有一定的延时时间，在这段延时时间内，回路电流还会迅速增大，开关电路必须承受很大的短路电流，而这些短路电流所产生的能量，很容易导致开关电路的损坏，继而导致电池组失去保护。根据短路产生的能量计算公式（Q=U²·t / R）可知，该能量与电池组输出电压的平方成正比，而这些能量都要汇聚到开关电路上，而开关电路所能承受的能量是有限的，当电池组的输出电压只有数十伏时，常用的开关电路勉强可以承受，但是，当电池组的输出电压达到上百甚至几百伏时，短路所产生的能量会巨幅增加，常用的开关电路就很难承受。所以，开关电路元器件的选择是一个十分棘手的问题。

1、如果采用机械开关，会因为机械开关断开动作很慢（时间为毫秒级），所产生的大电流会烧坏触点，造成短路后不能断开回路的严重后果。

2、如果采用电子开关，虽然断开动作快，但是电子开关承受的能量和电压有限，很容易造成功率击穿或过压击穿，从而不能断开回路。

3、如果采用可熔断保险丝，可以完成短路保护，但可熔断保险丝为一次性使用，在短路故障解决后，电路不能自动恢复，需要拆卸更换新的保险丝后才能重新投入工作。

短路时回路产生的短路电流远远超过电池组和开关元件的额定承受能力，所以在现有的保护电路技术中，即使能通过开关电路对电池组进行保护，也不能避免短路电流对电池组和开关电路所造成的伤害。而且短路伤害还会累积，从而导致开关电路的逐步失效和电池组寿命的降低。

现有保护电路的短路判断是根据回路中的电流超过某一数值作为判断标准，一般来说，该值远大于电池组输出的额定电流值。当短路状态被检测出后，控制开关电路断开输出回路。由于检测控制电路的延时，加上开关电路的延时，在此过程中，回路电流会进一步迅速增大，远远超过电池组和开关电路的额定值，所以开关电路关闭时必须承受很强大的短路电流和能量，由此使得开关电路很容易出现功率或耐压损坏。为了降低开关电路的应力，需要降低短路电流的判断值，加快检测控制电路和开关电路的速度。采取这种措施仍然不能保证开关元件不被损坏，而且还会带来新的问题。

加容性负载的瞬间会触发短路保护，因为容性负载上电瞬间回路电流很大，近似于短路电流，所以电池组带容性负载时，容易触发短路保护，不能使电池组电量正常输出。加容性负载与真正的短路，在现有电路中无法进行准确区分。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种高压电池组输出短路保护电路，以解决现有高压电池组输出短路保护电路开关电路关断应力大、短路电流大和接容性负载易导致误保护的问题。

本实用新型是这样实现的：一种高压电池组输出短路保护电路，包括有：

检测控制电路，并联连接在高压电池组的正极和负极之间，分别与开关电路、扼流电路和负载容量匹配电路相接，用于检测开关电路、扼流电路和负载容量匹配电路的电压，并根据检测结果控制所述开关电路的启闭；

开关电路，串联连接在高压电池组的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上，或是串联连接在高压电池组的正极端与上述保护电路的正极输出端之间的连线上，分别与所述检测控制电路、扼流电路和开关缓冲电路相接，用于对高压电池组的电源输出进行启闭操作；

开关缓冲电路，并联连接在所述开关电路的两边，用于在所述开关电路关闭时降低所述开关电路的损耗和电压峰值，使所述开关电路处于安全工作区；

扼流电路，分别与所述检测控制电路、所述开关电路和负载容量匹配电路相接，用于检测高压电池组的输出短路情况，并在发生输出短路时阻止回路电流的快速上升；

负载容量匹配电路，设置在上述保护电路的正极输出端与负极输出端之间，用于匹配负载容量，在接通负载的瞬间减小所述扼流电路的电压变化量，并对电源输出进行滤波。

所述开关电路为MOS管Q1，所述MOS管Q1的源极分接高压电池组的负极端和所述检测控制电路，所述MOS管Q1的漏极与所述扼流电路相接，所述MOS管Q1的栅极与所述检测控制电路相接。

所述开关缓冲电路为并联于所述MOS管Q1的源极与漏极之间的旁路电容C1。

所述扼流电路包括扼流电感L1和续流二极管D1；所述扼流电感L1的一端分接所述MOS管Q1的源极和所述检测控制电路，所述扼流电感L1的另一端与上述保护电路的负极输出端相接；所述续流二极管D1的阳极分别与扼流电感L1的一端和所述检测控制电路相接，所述续流二极管D1的阴极连接在上述保护电路的正极输出端或负极输出端上。 

所述负载容量匹配电路为连接在上述保护电路的正极输出端与负极输出端之间电容C2，所述电容C2的电容量与所述扼流电感L1的电感量相匹配。

本发明保护电路是以检测负载容量匹配电路或扼流电路的电压作为短路判断依据，区别于传统的检测回路电流作为短路判断依据的工作方式，在确定发生输出短路后，可以迅速控制开关电路进行关断。这种对电压的检测速度快于电流检测速度，可避免检测延时过长所导致的短路电流过大的情况发生。而且，在保护电路中设置有扼流电路，因此，短路电流不会迅速上升。在确定电池组发生输出短路后，检测控制电路能够迅速控制开关电路进行关断；并通过并联在开关电路两端的开关缓冲电路来实现开关电路的零压关断，由此降低了开关电路承受的能量冲击和电压冲击，使开关电路能够实现安全关断。本实用新型的关键就在于此。

由于本发明保护电路的短路电流较小，不会对开关电路和电池组造成冲击和损坏。即使是发生多次短路之后，也不会产生积累效应。当短路故障消除后，通过检测控制电路检测开关的电压情况来控制开关打开，使电池组恢复正常供电。

在本发明保护电路的正极输出端和负极输出端之间设置负载容量匹配电路，可以使电路区分容性负载和真实短路，避免电路误操作。

本发明保护电路结构简单，保护速度快，对开关电路的耐压和功率没有苛刻要求，降低了生产成本，短路关断时对开关元件没有损伤，开关电路的寿命得到保障，电池组的安全性能得以显著提高。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理框图。

图2、图3是本实用新型两种具体电路的电原理图。

图中：1、检测控制电路，2、开关电路。3、扼流电路。4、开关缓冲电路，5、负载容量匹配电路，6、N沟道MOS管，7、旁路电容，8、扼流电感，9、续流二极管，10、输出电容。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括有检测控制电路1、开关电路2、扼流电路3、开关缓冲电路4和负载容量匹配电路5等部分。其左端分别与高压电池组BT的正极端B+和负极端B–相接；其右端为本发明保护电路的正极输出端P+和负极输出端P–，也是设置本发明保护电路后的高压电池组BT的正、负极输出端。

检测控制电路1连接在高压电池组BT的正极端B+与负极端B–之间，并分别与开关电路2、扼流电路3和负载容量匹配电路5相接，用于检测开关电路2、扼流电路3和负载容量匹配电路5的电压，并根据检测结果向开关电路2输出控制信号，控制开关电路2的启闭。

开关电路2串联连接在高压电池组BT的负极端B–与本发明保护电路的负极输出端P–之间的连线上（也可串联连接在高压电池组的正极端B+与本发明保护电路的正极输出端P+之间的连线上），分别与检测控制电路1、扼流电路3和开关缓冲电路4相接，用于对高压电池组BT的电源输出进行启闭操作。

开关缓冲电路4并联连接在开关电路2的两边，用于在开关电路2关闭时降低开关电路2的损耗和电压峰值，使开关电路2处于安全工作区。

扼流电路3连接在本发明保护电路的正极输出端P+与负极输出端P–之间，分别与检测控制电路1、开关电路2和负载容量匹配电路5相接，用于检测高压电池组BT的输出短路情况，并在发生输出短路时阻止回路电流的快速上升。

负载容量匹配电路5设置在本发明保护电路的正极输出端P+与负极输出端P–之间，用于匹配负载容量，在接通负载的瞬间减小扼流电路3的电压变化量，并对电源输出进行滤波。

实施例1：

如图2所示，本实施例中的检测控制电路1可采用现有的常规电路；开关电路2为串接的MOS管Q1，MOS管Q1的源极分接高压电池组BT的负极端B–和检测控制电路1，MOS管Q1的漏极与扼流电路3相接，MOS管Q1的栅极与检测控制电路1相接。开关电路2可以是单个MOS管或数个并联的MOS管，可以是N沟道MOS管或P沟道MOS管，还可选用IGBT管。开关电路2也可以设置在高压电池组BT的正极端B+与本发明保护电路的正极输出端P+之间，控制电池组的正极输出。

开关缓冲电路4为并联于MOS管Q1的源极与漏极之间的旁路电容C1，用于在开关电路2在瞬关闭时降低开关电路2的损耗和电压峰值，使开关电路2处于安全工作区。

扼流电路3包括扼流电感L1和续流二极管D1；扼流电感L1的一端分接MOS管Q1的源极和检测控制电路1，扼流电感L1的另一端与本发明保护电路的负极输出端P–相接；续流二极管D1的阳极分别与扼流电感L1的一端和检测控制电路1相接，续流二极管D1的阴极连接在本发明保护电路的正极输出端P+上。扼流电感L1与检测控制电路1连接，与开关电路2串联，并将续流二极管D1接在扼流电感L1的能量释放到回路内。这样，在发生短路时，使流过开关电路2的电流缓慢上升。在开关电路2关断后，扼流电感L1和续流二极管D1能构成能量释放回路，续流二极管D1给扼流电感L1续流，扼流电感L1的能量不会对开关电路2造成冲击。此回路还可如图1所示串入负载容量匹配电路5，也可如图2所示将负载容量匹配电路5排除在续流电流的回路内。其中，扼流电感L1可以设置在电池组负极B–和电池组负极输出端P–之间，也可以设置在电池组正极端B+与本发明保护电路的正极输出端P+之间。

负载容量匹配电路5为连接在本发明保护电路的正极输出端P+与负极输出端P–之间电容C2，电容C2的电容量与扼流电感L1的电感量相匹配，用于在接通负载的瞬间，减小扼流电路3的电压变化量，并对电源输出进行滤波。

为了降低开关电路的应力，可以采取降低短路判断的时间和降低短路电流的措施。本发明通过检测控制电路1对负载容量匹配电路5或扼流电感L1的电压进行检测，这种对电压的检测速度快于常用的电流检测速度，可避免因不必要的时间延时导致对电池组和电路中各器件的损伤。扼流电感L1限制回路电流的增长速度，可就降低短路电流。

如果检测控制电路1检测到负载容量匹配电路5的电压迅速减小接近0伏或扼流电感L1的电压迅速变大超过一定阈值时，即确定发生输出短路，迅速控制开关电路2关断。此时，开关缓冲电路4使开关电路2的两端电压缓慢上升，以降低开关电路2所承受的能量冲击，使开关电路2能安全关断。

在开关电路2关断后，续流二极管D1为扼流电感L1续流，扼流电感L1的能量不会对开关电路2造成冲击。当短路故障消除后，通过检测控制电路1检测开关电路2的电压是否恢复为0，如果恢复为0，则控制开关电路2打开，使高压电池组BT恢复正常供电。

当高压电池组BT连接容性负载时，由负载容量匹配电路5的输出电容C2来给容性负载充电，扼流电路3的电压不会超出设定值，不做短路处理。

实施例2：

本实施例的基本结构与实施例1的相同，只是扼流电路3中的续流二极管D1的阴极连接在本发明保护电路的负极输出端P–上，即与扼流电感L1形成并联连接形式，为扼流电感L1提供一种最小、最直接的泄流回路，用以快速释放扼流电感L1中的能量。

本实施例的工作原理与实施例1的相同，并具有相同的短路保护效果。

Claims (5)

1.一种高压电池组输出短路保护电路，其特征在于，包括有： 

检测控制电路，并联连接在高压电池组的正极和负极之间，分别与开关电路、扼流电路和负载容量匹配电路相接，用于检测开关电路、扼流电路和负载容量匹配电路的电压，并根据检测结果控制所述开关电路的启闭；

开关电路，串联连接在高压电池组的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上，或是串联连接在高压电池组的正极端与上述保护电路的正极输出端之间的连线上，分别与所述检测控制电路、扼流电路和开关缓冲电路相接，用于对高压电池组的电源输出进行启闭操作； 

开关缓冲电路，并联连接在所述开关电路的两边，用于在所述开关电路关闭时降低所述开关电路的损耗和电压峰值，使所述开关电路处于安全工作区；

扼流电路，分别与所述检测控制电路、所述开关电路和负载容量匹配电路相接，用于检测高压电池组的输出短路情况，并在发生输出短路时阻止回路电流的快速上升；

负载容量匹配电路，设置在上述保护电路的正极输出端与负极输出端之间，用于匹配负载容量，在接通负载的瞬间减小所述扼流电路的电压变化量，并对电源输出进行滤波。

2.根据权利要求1所述的高压电池组输出短路保护电路，其特征在于，所述开关电路为MOS管Q1，所述MOS管Q1的源极分接高压电池组的负极端和所述检测控制电路，所述MOS管Q1的漏极与所述扼流电路相接，所述MOS管Q1的栅极与所述检测控制电路相接。

3.根据权利要求2所述的高压电池组输出短路保护电路，其特征在于，所述开关缓冲电路为并联于所述MOS管Q1的源极与漏极之间的旁路电容C1。

4.根据权利要求3所述的高压电池组输出短路保护电路，其特征在于，所述扼流电路包括扼流电感L1和续流二极管D1；所述扼流电感L1的一端分接所述MOS管Q1的源极和所述检测控制电路，所述扼流电感L1的另一端与上述保护电路的负极输出端相接；所述续流二极管D1的阳极分别与扼流电感L1的一端和所述检测控制电路相接，所述续流二极管D1的阴极连接在上述保护电路的正极输出端或负极输出端上。

5.根据权利要求4所述的高压电池组输出短路保护电路，其特征在于，所述负载容量匹配电路为连接在上述保护电路的正极输出端与负极输出端之间电容C2，所述电容C2的电容量与所述扼流电感L1的电感量相匹配。

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