CN205811524U - 短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种短路保护电路，涉及电源安全技术领域，该电路包括：采样单元、比较单元以及短路保护单元，所述采样单元，用于采集待保护的均衡电路的电流，并输出至所述比较单元，所述比较单元，用于将所述均衡电路的电流与预设的电流阈值比较，若判断获知所述均衡电路的电流大于预设的电流阈值，则控制所述短路保护单元断开所述均衡电路与直流电源的连接。本实用新型提供的补电式均衡电路，能快速有效地保护补电式均衡电路，提高了电路的安全性。

Description

短路保护电路

技术领域

本实用新型涉及电源安全技术领域，具体涉及一种短路保护电路。

背景技术

由于锂电池单体在生产制造的差异，导致锂电池在成组时存在一致性问题，并且由于电池组在使用过程中的温度差异，导致锂电池组随着循环次数的增加，这种不一致性逐渐增大，因此需要均衡电路对其进行均衡，改善电池组的一致性。

均衡方式分为主动均衡和被动均衡，针对主动均衡，目前运用最多的是补电式均衡。均衡电路在使用时存在短路失效的风险，因此需要对其进行保护。目前针对电池均衡的短路保护存在以下问题：

1、通过软件控制时，短路响应时间较长，对均衡开关器件和电池组本身造成损害，同时软件的失效会导致均衡电路存在无保护状态。

2、依靠均衡电路自身的可靠性，致使均衡电路短路失效处于不可控的状态，可能造成锂电池组充放电安全性问题。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是：当补电式均衡电路短路时，如何快速有效地保护补电式均衡电路和电池组。

(二)技术方案

为解决上述问题，本实用新型提供了一种短路保护电路，包括采样单元、比较单元以及短路保护单元；

其中，所述采样单元，用于采集待保护的均衡电路的电流，并输出至所述比较单元；

所述比较单元，用于将所述均衡电路的电流与预设的电流阈值比较，若判断获知所述均衡电路的电流大于预设的电流阈值，则控制所述短路保护单元断开所述均衡电路与直流电源的连接；

所述短路保护单元包括驱动电路和短路保护开关；

所述短路保护开关包括N沟道增强型MOS场效应管；

所述驱动电路包括第一降压电阻；第一分流电阻；第一限流电阻；供电电阻；稳压管；乙类推挽式互补功率放大电路；

所述稳压管的阳极与所述MOS场效应管的源极相连；所述稳压管的阴极与所述MOS场效应管的栅极通过所述第一降压电阻相连；所述稳压管并联第一分流电阻；所述稳压管的阴极通过第一限流电阻与所述乙类推挽式互补功率放大电路的输出端相连；

所述乙类推挽式互补功率放大电路的输入端通过所述供电电阻与电源连接；

所述乙类推挽式互补功率放大电路的输入端连接短路控制信号的输入端。

优选地，所述供电电阻通过下拉电阻接地端。

优选地，所述驱动电路还包括发光二极管；所述发光二极管的阳极与乙类推挽式互补功率放大电路的输出端通过第二降压电阻连接；所述发光二极管的阴极接地端。

优选地，所述乙类推挽式互补功率放大电路包括一个NPN三极管和一个PNP三极管；所述NPN三极管的发射极与所述PNP三极管的发射极连接后作为所述乙类推挽式放大电路的输出端；所述NPN三极管的基极与所述PNP三极管的基极连接后作为所述乙类推挽式放大电路的输入端；所述NPN三极管的集电极连接电源；所述PNP三极管的集电极接地端。

所述驱动电路还包括二极管，所述二极管与所述第一限流电阻并联，所述二极管的阳极与所述发光二极管的阴极相连，所述二极管的阴极与所述乙类推挽式互补功率放大电路的输出端相连。

所述均衡电流采样电路包括调理电阻；第一滤波电容；求差放大电路；限幅二极管组；

所述求差放大电路包括集成运算放大器；

所述调理电阻接于所述求差放大电路的第一输入端和第二输入端之间；所述求差放大电路的第二输入端，通过所述第一滤波电容接地；所述限幅二极管组接于所述集成运算放大器的同相输入端和反相输入端之间，构成双向限幅二极管；

从采样单元采集的电流信号经过调理电阻调理和求差放大电路放大后输出采样电流至比较单元。

优选地，所述集成运算放大器采用单电源模式。

所述比较单元包括均衡电流阈值电路；直流平衡电阻；电压比较器；上拉电阻；第二滤波电容；第三降压电阻；第四降压电阻；第二分流电阻；晶闸管；光耦开关；

所述均衡电流阈值电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端连接电源，另一端连接第二电阻；所述第二电阻的另一端接地端；

所述光耦开关具有四个管脚；

所述电压比较器的反相输入端与所述第一电阻和所述第二电阻之间的位置相连；所述直流平衡电阻与所述电压比较器的正相输入端连接；所述上拉电阻一端与电源连接，一端与所述电压比较器的输出端连接；所述电压比较器的输出端通过所述第三降压电阻与所述晶闸管门极连接；所述第二滤波电容一端接所述晶闸管门极，另一端接地端；所述第二分流电阻一端连接晶闸管的门极，另一端接地端；所述晶闸管的阴极接地端，阳极通过所述第四降压电阻与所述光耦开关的第二管脚相连。

优选地，所述比较单元还包括发光二极管和第五降压电阻；所述发光二极管的阳极通过所述第五降压电阻与所述光耦开关的第二管脚相连，所述发光二极管的阴极与晶闸管的阳极连接。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种短路保护电路，其中的采样单元、比较单元以及短路保护单元采用全硬件设计，不涉及软件部分，避免了软件失效导致短路保护失效的问题。

另外，通过驱动电路对短路保护开关通断的控制，实现了对均衡电路的保护，即当均衡电路短路时，能立即切断均衡电路，响应时间短。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本实用新型提供的短路保护电路实施例原理框图；

图2为根据本实用新型提供的驱动电路在系统电路上实施例电路示意图；

图3为根据本实用新型提供的采样单元实施例电路结构示意图；

图4为根据本实用新型提供的比较单元实施例电路结构示意图。

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。

如图1所示，本实用新型提供了一种短路保护电路的实施例，包括采样单元、比较单元、驱动电路以及短路保护开关；

采样单元通过采样电阻对待保护的均衡电路的电流进行电流采集，采集的电流通过比较单元与预设的电流阈值比较，若判断获知所述均衡电路的电流大于预设的电流阈值，则驱动电路控制短路保护开关断开均衡电路与直流电源的连接；

短路保护开关有三个引脚，第二引脚与均衡电路中的隔离直流源相连，第三引脚通过采样电阻与均衡开关电路相连，第一引脚与驱动电路相连。

其中，采样单元、比较单元以及驱动电路以及短路保护开关采用全硬件设计，不涉及软件部分，避免了软件失效导致短路保护失效的问题。另外，通过驱动电路对短路保护开关通断的控制，实现了对均衡电路的保护，即当均衡电路短路时，可立即切断均衡电路，响应时间短。

在具体实施时，这里的驱动电路可以通过多种方式实现，下面对其中一种实施方式进行具体介绍，如图2所示，为本实施例的驱动电路在系统电路上的电路示意图，稳压管D3的阳极与MOS场效应管U3的源极相连，阴极与MOS场效应管U3的栅极通过第一降压电阻R5相连；稳压管D3并联第一分流电阻R6；稳压管的阴极通过第一限流电阻R1与乙类推挽式互补功率放大电路的输出端相连；乙类推挽式互补功率放大电路的输入端与供电电阻R2串联后与电源连接；MOS场效应管U3的源极通过采样电阻R7与均衡开关U1相连；从采样电阻R7两端输出Is+和Is-到采集单元中。

供电电阻R2通过下拉电阻R3接地端。

发光二极管D2的阳极与乙类推挽式互补功率放大电路的输出端通过第二降压电阻R4连接；阴极接地端。

乙类推挽式互补功率放大电路包括NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2；Q1的集电极连接电源；Q1的发射极与Q2的发射极连接后作为乙类推挽式放大电路的输出端；Q1的基极与Q2的基极连接后作为乙类推挽式放大电路的输入端；Q2的集电极接地端。

二极管D1与第一限流电阻R1并联，二极管D1阳极与发光二极管D2的阴极相连，二极管D1的阴极与乙类推挽式互补功率放大电路的输出端相连。

所述驱动电路工作原理如下：

输入驱动信号分为低电平信号和高电平信号，当低电平信号通过乙类推挽式互补功率放大电路的输入端输入时，驱动MOS场效应管U3截止，对均衡电路进行短路保护，此时发光二极管D2截止。

当高电平信号输入时，通过乙类推挽式互补功率放大电路放大，再经过第一限流电阻R1限流和第一降压电阻R5降压后，驱动MOS场效应管U3导通，均衡电路正常工作，此时发光二极管D2导通，起到指示的作用。

二极管D1、第二降压电阻R4和发光二极管D2形成快速释放MOS管结电容电压回路。

稳压管D3、第一分流电阻R6和第一限流电阻R1组成稳压电路，保护MOS场效应管的导通，防止电压过大而击穿。

下拉电阻R3作为+15V的负载，起到稳压的作用，防止负载过小，电压不稳。

在具体实施时，这里的采样单元可以通过多种方式实现，下面对其中一种实施方式进行具体介绍，如图3所示，为本实施例的采样单元电路结构示意图：

电阻R8、R10、R11、R12和集成运算放大器U4组成求差放大电路，其中电阻R8一端为求差放大电路的第一输入端，另一端与集成运算放大器U4的反向输入端连接；电阻R12一端接集成运算放大器U4的反向输入端，另一端接运算放大器U4的输出端；电阻R10一端为求差放大电路的第二输入端，另一端接集成运算放大器U4的同向输入端；电阻R11一端接集成运算放大器U4的同向输入端，另一端接2.048V的基准电压。

调理电阻R9接于求差放大电路的第一输入端和第二输入端之间；求差放大电路的第二输入端，通过第一滤波电容C1接地。

两个二极管D4、D5接于集成运算放大器U4的同相输入端和反相输入端之间，构成双向限幅二极管。

所述采样单元的工作原理如下：

从采样电阻R7两端采集的电流信号经过调理电阻R9的调理和求差放大电路放大后输出电流采样值至均衡电流比较电路；求差放大电路中的电阻R11一端接集成运算放大器U4的同向输入端，另一端接基准电压，能够实现高精度的采集。

在具体实施时，这里的比较单元可以通过多种方式实现，下面对其中一种实施方式进行具体介绍，如图4所示，为本实施例的比较单元的电路结构示意图，包括均衡电流阈值电路；直流平衡电阻R15；电压比较器U5；上拉电阻R16；第二滤波电容C1；第三降压电阻R17；第四降压电阻R19；第二分流电阻R18；晶闸管D7；光耦开关U6。

均衡电流阈值电路由电阻R13和电阻R14串联组成，串联后的电阻一端连电源，一端接地端。

晶闸管D7具有门极、阳极和阴极。

光耦开关U6具有四个管脚；

电压比较器U5的反相输入端与电阻R13和电阻R14之间的位置相连，直流平衡电阻R15与电压比较器U5的正相输入端连接；上拉电阻R16一端与电源连接，一端与电压比较器U5的输出端连接；电压比较器U5的输出端通过第三降压电阻R17与晶闸管D7的门极连接；第二滤波电容C1一端接晶闸管D7的门极，另一端接地端；第二分流电阻R18一端连接晶闸管D7的门极，另一端接地端；晶闸管D7的阴极接地端，阳极通过第四降压电阻R19与光耦开关U6的第二管脚相连。

发光二极管D6的阳极通过第四降压电阻R19与光耦开关U6的第二管脚相连，发光二极管D6的阴极与晶闸管D7的阳极连接。

所述比较单元工作原理如下：

从采样单元输出的电流采样值，通过直流平衡电阻R15传输到电压比较器U5，与预设的均衡电流保护值通过比较器U5相比较，如果电流采样值大于均衡电流阈值，则U5输出高电平，驱动晶闸管D7导通，则电源VCC、光耦开关U6、第四降压电阻R19、发光二极管D6、晶闸管D7、GND回路导通，光耦开关U6的第三管脚和第四管脚短路，输出低电平信号至驱动电路中的乙类推挽式互补功率放大电路的输入端，MOS场效应管U3断开，对均衡电路进行短路保护；

如果电流采样值小于均衡电流阈值，则光耦开关U6输出高电平信号至驱动电路中的乙类推挽式互补功率放大电路的输入端，MOS场效应管U3吸合，均衡电路正常工作。

通过改变R13和R14的阻值的大小，可以设定不同的电流阈值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上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精神和范围。

Claims (9)

1.一种短路保护电路，其特征在于，包括：采样单元、比较单元以及短路保护单元；

其中，所述采样单元，用于采集待保护的均衡电路的电流，并输出至所述比较单元；

所述比较单元，用于将所述均衡电路的电流与预设的电流阈值比较，若判断获知所述均衡电路的电流大于预设的电流阈值，则控制所述短路保护单元断开所述均衡电路与直流电源的连接；

所述短路保护单元包括驱动电路和短路保护开关；

所述短路保护开关包括N沟道增强型MOS场效应管；

所述驱动电路包括第一降压电阻；第一分流电阻；第一限流电阻；供电电阻；稳压管；乙类推挽式互补功率放大电路；

所述稳压管的阳极与所述MOS场效应管的源极相连；所述稳压管的阴极与所述MOS场效应管的栅极通过所述第一降压电阻相连；所述稳压管并联第一分流电阻；所述稳压管的阴极通过第一限流电阻与所述乙类推挽式互补功率放大电路的输出端相连；

所述乙类推挽式互补功率放大电路的输入端通过所述供电电阻与电源连接；

所述乙类推挽式互补功率放大电路的输入端连接短路控制信号的输入端。

2.如权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：所述供电电阻通过下拉电阻接地端。

3.如权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：所述驱动电路还包括发光二极管；所述发光二极管的阳极与乙类推挽式互补功率放大电路的输出端通过第二降压电阻连接；所述发光二极管的阴极接地端。

4.如权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：所述乙类推挽式互补功率放大电路包括一个NPN三极管和一个PNP三极管；所述NPN三极管的发射极与所述PNP三极管的发射极连接后作为所述乙类推挽式放大电路的输出端；所述NPN三极管的基极与所述PNP三极管的基极连接后作为所述乙类推挽式放大电路的输入端；所述NPN三极管的集电极连接电源；所述PNP三极管的集电极接地端。

5.如权利要求1至4任一所述的短路保护电路，其特征在于：所述驱动电路还包括二极管，所述二极管与所述第一限流电阻并联，所述二极管的阳极与所述发光二极管的阴极相连，所述二极管的阴极与所述乙类推挽式互补功率放大电路的输出端相连。

6.如权利要求5所述的短路保护电路，其特征在于：所述采样单元包括调理电阻；第一滤波电容；求差放大电路；限幅二极管组；

所述求差放大电路包括集成运算放大器；

所述调理电阻接于所述求差放大电路的第一输入端和第二输入端之间；所述求差放大电路的第二输入端，通过所述第一滤波电容接地；所述限幅二极管组接于所述集成运算放大器的同相输入端和反相输入端之间，构成双向限幅二极管；

从采样单元采集的电流信号经过调理电阻调理和求差放大电路放大后输出采样电流至比较单元。

7.如权利要求6所述的短路保护电路，其特征在于：所述集成运算放大器采用单电源模式。

8.如权利要求7所述的短路保护电路，其特征在于：比较单元包括均衡电流阈值电路；直流平衡电阻；电压比较器；上拉电阻；第二滤波电容；第三降压电阻；第四降压电阻；第二分流电阻；晶闸管；光耦开关；

所述均衡电流阈值电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端连接电源，另一端连接第二电阻；所述第二电阻的另一端接地端；

所述光耦开关具有四个管脚；

所述电压比较器的反相输入端与所述第一电阻和所述第二电阻之间的位置相连；所述直流平衡电阻与所述电压比较器的正相输入端连接；所述上拉电阻一端与电源连接，一端与所述电压比较器的输出端连接；所述电压比较器的输出端通过所述第三降压电阻与所述晶闸管门极连接；所述第二滤波电容一端接所述晶闸管门极，另一端接地端；所述第二分流电阻一端连接晶闸管的门极，另一端接地端；所述晶闸管的阴极接地端，阳极通过所述第四降压电阻与所述光耦开关的第二管脚相连。

9.如权利要求8所述的短路保护电路，其特征在于：所述比较单元还包括发光二极管和第五降压电阻；所述发光二极管的阳极通过所述第五降压电阻与所述光耦开关的第二管脚相连，所述发光二极管的阴极与晶闸管的阳极连接。