CN204720969U

CN204720969U - 锂电池防爆电路

Info

Publication number: CN204720969U
Application number: CN201520464438.5U
Authority: CN
Inventors: 张建利; 王雪倩; 田新宝
Original assignee: TD Tech Ltd
Current assignee: TD Tech Ltd; TD Tech Chengdu Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2025-06-30

Abstract

本实用新型提供一种锂电池防爆电路，该锂电池防爆电路包括：至少一级短路保护电路，各级所述短路保护电路为级联关系；其中，每级所述短路保护电路包括：稳压管、三极管、场效应管、吸收电容、加速电容、限流电阻、驱动电阻、第一偏置电阻、恢复电阻、吸收电阻、第二偏置电阻、阻尼电阻及检测电阻。本实用新型的锂电池防爆电路能够精确、快速地进行短路保护，并且短路能量满足本安防爆电路的标准要求，从而采用本实施例的锂电池防爆电路的锂电池亦可应用于煤矿、石油、化工及纺织等易燃易爆场景。

Description

锂电池防爆电路

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种锂电池防爆电路。

背景技术

随着锂电池凭借其卓越的性能被广泛应用于各种电子产品，锂电池的电池容量不断增大，体积不断减小，但锂电池易燃易爆带来的电池安全性问题也越来越引起人们的关注，尤其是应用于易燃易爆环境中使用的电子设备时的场景。

现有的用于锂电池充放电管理的基本保护电路的短路电流较大(达几十安培)，短路保护响应时间较长(100微妙以上)，无法达到本安防爆短路电压/电流在12V/5A以下的标准；因此，现有的锂电池无法应用于煤矿、石油、化工及纺织等易燃易爆场景。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种锂电池防爆电路，能够精确、快速地进行短路保护。

本实用新型实施例提供一种锂电池防爆电路，包括：至少一级短路保护电路，各级所述短路保护电路为级联关系；其中，每级所述短路保护电路包括：稳压管、三极管、场效应管、吸收电容、加速电容、限流电阻、驱动电阻、第一偏置电阻、恢复电阻、吸收电阻、第二偏置电阻、阻尼电阻及检测电阻；

其中，所述限流电阻的第一端和所述驱动电阻的第一端都连接至本级短路保护电路的输入正极端和所述本级短路保护电路的输出正极端，所述限流电阻的第二端连接所述稳压管的负端和所述第一偏置电阻的第一端，所述稳压管的正端、所述恢复电阻的第一端、所述吸收电阻的第一端、所述三极管的发射极和所述场效应管的源极连接至所述本级短路保护电路的输入负极端，所述三极管的基极连接至所述第一偏置电阻的第二端、所述第二偏置电阻的第一端和所述加速电容的第一端，所述驱动电阻的第二端分别连接至所述阻尼电阻的第一端和所述场效应管的栅极，所述阻尼电阻的第二端连接至所述三极管的集电极，所述吸收电阻的第二端连接所述吸收电容的第一端，所述场效应管的漏极分别连接至所述吸收电容的第二端、所述恢复电阻的第二端及所述检测电阻的第一端，所述检测电阻的第二端分别连接至所述第二偏置电阻的第二端、所述加速电容的第二端和所述本级短路保护电路的输出负极端。

可选地，所述至少一级短路保护电路包括：第一级短路保护电路和第二级短路保护电路；其中，所述第一级短路保护电路的输出正极端连接所述第二级短路保护电路的输入正极端，所述第一级短路保护电路的输出负极端连接所述第二级短路保护电路的输入负极端。

可选地，所述锂电池防爆电路还包括：用于管理锂电池充放电的基本保护电路；其中，所述基本保护电路的输出正极端连接所述第一级短路保护电路的输入正极端，所述基本保护电路的输出负极端连接所述第一级短路保护电路的输入负极端。

可选地，所述三极管为NPN型三极管，所述场效应管为N型场效应管。

可选地，所述三极管为PNP型三极管，所述场效应管为P型场效应管。

可选地，所述场效应管为金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET。

本实用新型的锂电池防爆电路中通过稳压电路为三极管的基极施加正向偏置电压，当负载短路时，所述正向偏置电压叠加短路电流在检测电阻上产生的压降促使三极管迅速导通，进而使场效应管立即关断，从而能够精确、快速地进行短路保护，并且短路能量满足本安防爆电路的标准要求，从而采用本实施例的锂电池防爆电路的锂电池亦可应用于煤矿、石油、化工及纺织等易燃易爆场景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型锂电池防爆电路实施例一的结构示意图；

图2A为本实用新型锂电池防爆电路实施例二的结构示意图一；

图2B为本实用新型锂电池防爆电路实施例二的结构示意图二。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型锂电池防爆电路实施例一的结构示意图。如图1所示，本实施例的锂电池防爆电路包括：至少一级短路保护电路，各级所述短路保护电路为级联关系(图1以包括一级短路保护电路为例)；其中，每级所述短路保护电路包括：稳压管D1、三极管Q1、场效应管Q2、吸收电容C2、加速电容C1、限流电阻R1、驱动电阻R2、第一偏置电阻R3、恢复电阻R4、吸收电阻R5、第二偏置电阻R6、阻尼电阻R7及检测电阻R8；其中，所述限流电阻R1的第一端和所述驱动电阻R2的第一端都连接至本级短路保护电路的输入正极端(V+)和所述本级短路保护电路的输出正极端(P+)，所述限流电阻R1的第二端连接所述稳压管D1的负端和所述第一偏置电阻R3的第一端，所述稳压管D1的正端、所述恢复电阻R4的第一端、所述吸收电阻R5的第一端、所述三极管Q1的发射极和所述场效应管Q2的源极连接至所述本级短路保护电路的输入负极端(V-)，所述三极管Q1的基极连接至所述第一偏置电阻R3的第二端、所述第二偏置电阻R6的第一端和所述加速电容C1的第一端，所述驱动电阻R2的第二端分别连接至所述阻尼电阻R7的第一端和所述场效应管Q2的栅极，所述阻尼电阻R7的第二端连接至所述三极管Q1的集电极，所述吸收电阻R5的第二端连接所述吸收电容C2的第一端，所述场效应管Q2的漏极分别连接至所述吸收电容C2的第二端、所述恢复电阻R4的第二端及所述检测电阻R8的第一端，所述检测电阻R8的第二端分别连接至所述第二偏置电阻R6的第二端、所述加速电容C1的第二端和所述本级短路保护电路的输出负极端(P-)。

其中，所述稳压管D1用于使三极管Q1的基极电压稳定偏置；所述三极管Q1为短路电流快速检测器件；所述场效应管Q2为短路快速保护执行开关(需要低导通电阻和高耐压)；限流电阻R1用于向稳压管D1提供稳定的工作电流，阻值取决于电压基准工作电流(可选地，R1的阻值为1KΩ)；驱动电阻R2为所述场效应管Q2的栅极驱动电阻，为了使所述场效应管Q2在短路保护时彻底关闭，其阻值要远大于阻尼电阻R7(可选地，R2的阻值为330Ω)；第一偏置电阻R3和第二偏置电阻R6为三极管Q1的基极偏置电阻，保持三极管Q1的基极合理正向偏置(可选地，R3和R6的阻值较大，如R3的阻值为2KΩ，R6的阻值为1KΩ)；恢复电阻R4用于在负载短路解除后，使所述短路保护电路可恢复供电(可选地，R4的阻值为110Ω)；吸收电阻R5和吸收电容C2构成了场效应管Q2的漏-源电压尖峰吸收电路(可选地，R5的阻值为3Ω，C2的电容值为0.1uF)；加速电容C1用于当负载正极和负极短路时，迅速使三极管Q1进入饱和区(可选地，C1的取值为1nF)；阻尼电阻R7用于控制场效应管Q2的栅极关断速度，且影响所述场效应管Q2关断瞬间的漏-源电压(可选地，R7的阻值为33Ω)；检测电阻R8用于在负载短路瞬间产生压降，驱动三极管Q1饱和导通，从而快速关断场效应管Q2。

可选地，所述三极管为NPN型三极管，相应地，所述场效应管为N型场效应管；或者，所述三极管为PNP型三极管，相应地，所述场效应管为P型场效应管。本实施例的图1中，仅示出以三极管为NPN型三极管且场效应管为N型场效应管为例的情况，其他情况与此类似，此处不再赘述。

可选地，所述场效应管为金属氧化层半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET)。

本实施例的锂电池防爆电路在正常工作时(即负载未发生短路)，三极管Q1处于断开状态，场效应管Q2处于闭合状态(即漏源极间导通)。其中，限流电阻R1和稳压管D1构成了一个稳压电路，稳压管D1的负端的电位为额定值V_Ref；当负载电流为0时，V_Ref被第一偏置电阻R3和第二偏置电阻R6分压，施加正向偏置在三极管Q1的基极上，正向偏置电压V_be0＝V_Ref*R6/(R6+R3)(该正向偏置电压小于所述三极管Q1的导通电压)；当检测电阻R8上通过负载短路电流I时，产生一定的压降V_Drop＝I*R8；因此，此刻施加在三极管Q1基极的电压V_be为所述正向偏置电压和所述检测电阻压降的叠加，如式(1)和式(2)所示：

V_be＝V_Ref*R6/(R6+R3)+V_Drop*R3/(R6+R3) (1)

V_be＝V_Ref*R6/(R6+R3)+I*R8*R3/(R6+R3) (2)

当三极管Q1基极的电压V_be达到基极PN结的势垒电压时(即所述三极管Q1的导通电压，如V_PN＝0.65V)，三极管Q1导通，三极管Q1的集电极电压迅速降低，场效应管Q2的栅极电压也随之降低，当下降到所述场效应管Q2的导通电压时，场效应管Q2断开(即漏源极之间断开，回路电流被切断)，负载短路电流被切断；实现了快速短路保护，并且短路能量满足本安防爆电路的标准要求，从而采用本实施例的锂电池防爆电路的锂电池亦可应用于煤矿、石油、化工及纺织等易燃易爆场景。

另外，若不给三极管Q1的基极加正向偏置，则上述式(2)变为：V_be＝V_Drop＝I*R8(3)。

举例：假设短路保护电流I_set＝5A、R3＝2KΩ、R6＝1KΩ、V_Ref＝1.25V以及V_PN＝0.65V，若利用公式(2)得到R8＝0.07Ω，可选地，还可通过R3、R6和V_Ref的取值进一步优化R8的阻值；若没有正向偏置电路(即删除R3)，同样设定短路保护电流I_set＝5A，利用公式(3)得到R8＝0.13Ω，相比前者增加了几乎一倍。因此，本申请的方案相对于没有给三极管的基极正向偏置的方案，检测电阻较小，从而提升了正常工作时的负载电压，提高了锂电池利用效率。

综上所述，本实施例的锂电池防爆电路中通过稳压电路为三极管的基极施加正向偏置电压，当负载短路时，所述正向偏置电压叠加短路电流在检测电阻上产生的压降促使三极管迅速导通，进而使场效应管立即关断，从而能够精确、快速地进行短路保护，并且短路能量满足本安防爆电路的标准要求，从而采用本实施例的锂电池防爆电路的锂电池亦可应用于煤矿、石油、化工及纺织等易燃易爆场景。进一步地，由于检测电阻较小，还可提升正常工作时的负载电压，从而提高了锂电池利用效率。

在上述技术方案的基础上，可选地，所述至少一级短路保护电路包括：第一级短路保护电路和第二级短路保护电路；其中，所述第一级短路保护电路的输出正极端连接所述第二级短路保护电路的输入正极端，所述第一级短路保护电路的输出负极端连接所述第二级短路保护电路的输入负极端。

在上述技术方案的基础上，可选地，所述锂电池防爆电路还包括：用于管理锂电池充放电的基本保护电路；其中，所述基本保护电路的输出正极端连接所述第一级短路保护电路的输入正极端，所述基本保护电路的输出负极端连接所述第一级短路保护电路的输入负极端。

图2A为本实用新型锂电池防爆电路实施例二的结构示意图一，图2B为本实用新型锂电池防爆电路实施例二的结构示意图二。如图2A和图2B所示，本实施例的锂电池防爆电路包括：用于管理锂电池充放电的基本保护电路200，第一级短路保护电路201和第二级短路保护电路202，各级所述保护电路为级联关系；其中，所述基本保护电路200的输出正极端连接所述第一级短路保护电路201的输入正极端，所述基本保护电路200的输出负极端连接所述第一级短路保护电路201的输入负极端；所述第一级短路保护电路201的输出正极端连接所述第二级短路保护电路202的输入正极端，所述第一级短路保护电路201的输出负极端连接所述第二级短路保护电路202的输入负极端。可选地，基本保护电路200为传统锂电池管理芯片(Battery ManagementSystem，简称BMS)电路，该基本保护电路200采用以S8261为核心的芯片解决方案，负责锂电池的充放电管理，包括：过充、过放、限流和常规短路保护功能，其中常规短路保护功能缺点是响应速度慢、短路电流大等。如图2A和图2B所示，第一级短路保护电路201包括：限流电阻R5、驱动电阻R3、稳压管D3、第一偏置电阻R17、阻尼电阻R13、三极管Q2、MOSFET Q4(可选地，型号可以为AO6408)、检测电阻R7、吸收电阻R15、吸收电容C8、恢复电阻R9、第二偏置电阻R11及加速电容C10；其中，各个器件的连接方式及功能与上述实施例一中短路保护电路中的相应器件的一致，此处不再赘述。如图2A和图2B所示，第二级短路保护电路202包括：限流电阻R6、驱动电阻R4、稳压管D4、第一偏置电阻R18、阻尼电阻R14、三极管Q3、MOSFET Q5(可选地，型号可以为AO6408)、检测电阻R8、吸收电阻R16、吸收电容C9、恢复电阻R10、第二偏置电阻R12及加速电容C11；其中，各个器件的连接方式及功能与上述实施例一中短路保护电路中的相应器件的一致，此处不再赘述。本实施例的图2A中示出每级短路保护电路中的三极管为NPN型三极管，相应地，场效应管为N型场效应管的情况；图2B中示出每级短路保护电路中的三极管为PNP型三极管，相应地，场效应管为P型场效应管的情况。可选地，本实施例的锂电池防爆电路与现有的电池BMS管理系统完全兼容，无需改变现有电池BMS管理系统的原有功能。

本实施例的设计思路为：在不影响电池管理芯片正常充放电管理功能的前提下，S-8261电路直接与电池芯的正负级连接，同时增加两级短路保护电路，构成一个全新的达到本安防爆能量要求的电池管理系统；其中，两级短路保护电路串联；当锂电池的负载端发生短路时，回路电流分别在检测电阻R7和R8上产生电压降，其中，检测电阻R7上产生的压降与三极管Q2基极的偏置电压叠加，驱动三极管Q2导通，进而控制场效应管Q4立即关断；检测电阻R8上产生的压降与三极管Q3基极的偏置电压叠加，驱动三极管Q3导通，进而控制场效应管Q5立即关断；从而快速切断回路电流，实现了快速短路保护，且保证了短路电流和火花能量满足防爆环境的要求。可选地，当其中的任意一级短路保护电路的保护失效后，另外一级短路保护电路可以不受影响地实现快速短路保护的功能。

综上所述，本实施例的锂电池防爆电路中通过稳压电路为三极管的基极施加正向偏置电压，当负载短路时，所述正向偏置电压叠加短路电流在检测电阻上产生的压降促使三极管迅速导通，进而使场效应管立即关断，从而能够精确、快速地进行短路保护，并且短路能量满足本安防爆电路的标准要求，从而采用本实施例的锂电池防爆电路的锂电池亦可应用于煤矿、石油、化工及纺织等易燃易爆场景。进一步地，由于检测电阻较小，还可提升正常工作时的负载电压，从而提高了锂电池利用效率；并且本实施例的锂电池防爆电路的电路结构简单，电路体积小，生产制造成本低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种锂电池防爆电路，其特征在于，包括：至少一级短路保护电路，各级所述短路保护电路为级联关系；其中，每级所述短路保护电路包括：稳压管、三极管、场效应管、吸收电容、加速电容、限流电阻、驱动电阻、第一偏置电阻、恢复电阻、吸收电阻、第二偏置电阻、阻尼电阻及检测电阻；

2.根据权利要求1所述的锂电池防爆电路，其特征在于，所述至少一级短路保护电路包括：第一级短路保护电路和第二级短路保护电路；其中，所述第一级短路保护电路的输出正极端连接所述第二级短路保护电路的输入正极端，所述第一级短路保护电路的输出负极端连接所述第二级短路保护电路的输入负极端。

3.根据权利要求2所述的锂电池防爆电路，其特征在于，还包括：用于管理锂电池充放电的基本保护电路；其中，所述基本保护电路的输出正极端连接所述第一级短路保护电路的输入正极端，所述基本保护电路的输出负极端连接所述第一级短路保护电路的输入负极端。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的锂电池防爆电路，其特征在于，所述三极管为NPN型三极管，所述场效应管为N型场效应管。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的锂电池防爆电路，其特征在于，所述三极管为PNP型三极管，所述场效应管为P型场效应管。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的锂电池防爆电路，其特征在于，所述场效应管为金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET。