CN210444028U - 一种电池短路保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池短路保护装置，包括控制模块、电池模块、电压转换模块、分压模块、短路保护模块、充电控制模块以及放电控制模块。电池模块输出供电电源至负载，电压转换模块将供电电源转换为第一电源，分压模块对第一电源进行分压以生成驱动电源，充电控制模块和放电控制模块实现电池模块的充电和放电控制且放电控制模块对供电电源进行分压以生成检测电压，短路保护模块当检测电压大于预设电压阈值时，连通驱动电源以下拉放电控制模块的放电控制信号输入端的电压并关闭放电回路，从而通过纯硬件的方式，在电池出现短路时及时保护功率开关管，提高系统的可靠性，且电路设计简单，成本经济。

Description

一种电池短路保护装置

技术领域

本实用新型属于电池管理及保护技术领域，尤其涉及一种电池短路保护装置。

背景技术

在供电电源中，一般都有两路输出回路，一路输出给负载供电，一路输出给电池(或超级电容)充电。电池或超级电容供电时，若输出负载出现异常短路情况，则电池或超级电容的放电回路也被短路，会流过很大电流，不仅供电电源可能损坏，严重时还会导致电池损坏起火，甚至爆炸，造成严重安全事故。因此，供电电源的电池放电回路的短路保护功能逐渐被重视，某些应用行业和领域已被强制要求。

目前传统的供电电源的电池放电回路的短路保护功能，主要由电池(或超级电容)的开关控制电路、电流采样电路、逻辑控制电路组成。电流采样电路，用于与负载串联连接形成串联支路，该串联支路并联在电源输出正端与电源输出负端之间，以采样负载的电流形成采样电流；逻辑控制电路，接收电流采样电路的采样电流，并向开关控制电路输出开关控制信号；开关控制电路，接收逻辑控制电路的开关控制信号，并根据开关控制信号来进行开关元件的导通或断开控制，由此虽然能够解决电池短路保护以及电池短路保护电路误触发问题，但是电路结构复杂，关断响应速度慢。另外，传统的电池放电回路的短路保护功能还通过微处理器的控制功能来实现，依靠软件方式来实现电路复杂，成本高；甚至传统的电池放电回路通过保险丝的大电流熔断特性来进行电池放电回路短路保护，该方法电路结构简单，成本不高，但是一次性的短路保护，不能快速恢复供电。

因此，传统的电池放电回路的短路保护技术存在电池放电回路的短路保护的电路结构复杂、响应速度慢以及成本高等问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种电池短路保护装置，旨在解决传统的技术方案中存在的电池放电回路的短路保护的电路结构复杂、响应速度慢以及成本高的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种电池短路保护装置，与负载连接，包括：

用于生成充电控制信号和放电控制信号的控制模块；

用于输出供电电源至所述负载的电池模块；

与所述电池模块连接，用于根据所述供电电源生成第一电源的电压转换模块；

与所述负载连接，用于根据所述充电控制信号控制充电回路的开启和关闭的充电控制模块；

与所述充电控制模块连接，用于根据所述放电控制信号控制放电回路的开启和关闭的放电控制模块；其中，所述放电控制模块对所述供电电源进行分压以生成检测电压；

与所述电压转换模块连接，用于对所述第一电源进行分压以生成驱动电源的分压模块；

与所述分压模块以及所述放电控制模块连接，用于当所述检测电压大于预设电压阈值时，连通所述驱动电源以下拉所述放电控制模块的放电控制信号输入端的电压并关闭放电回路的短路保护模块。

在一个实施例中，所述电压转换模块包括变压器。

所述变压器的初级线圈的第一端为所述电压转换模块的第一输入端，所述变压器的初级线圈的第二端为所述电压转换模块的第二输入端；

所述变压器的次级线圈的第一端为所述电压转换模块的第一电源输出端，所述变压器的次级线圈的第二端与电源地连接。

在一个实施例中，所述短路保护模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻以及晶体管。

所述晶体管的集电极为所述短路保护模块的驱动电源输入端；

所述晶体管的基极与所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻的第一端为所述短路保护模块的第一输入端，所述第二电阻的第二端与电源地连接；

所述晶体管的发射极与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与电源地连接。

在一个实施例中，所述充电控制模块包括第一场效应管。

所述第一场效应管的栅极为所述充电控制模块的充电控制信号输入端；

所述第一场效应管的源极为所述充电控制模块的第一输入输出端；

所述第一场效应管的漏极为所述充电控制模块的第二输入输出端。

在一个实施例中，所述放电控制模块包括第二场效应管。

所述第二场效应管的栅极为所述放电控制模块的放电控制信号输入端；

所述第二场效应管的漏极为所述放电控制模块的第一输入输出端；

所述第二场效应管的源极为所述放电控制模块的第二输入输出端。

在一个实施例中，所述分压模块包括分压电阻。

所述分压电阻的第一端为所述分压模块的第一电源输入端；

所述分压电阻的第二端为所述分压模块的驱动电源输出端。

在一个实施例中，所述晶体管为NPN型晶体管。

上述的电池短路保护装置通过充电控制模块和放电控制模块实现电池模块的充电和放电控制，放电控制模块对供电电源进行分压以生成检测电压；电压转换模块将供电电源转换为第一电源；分压模块对第一电源进行分压以生成驱动电源；当检测电压大于预设电压阈值时，短路保护模块连通驱动电源以下拉放电控制模块的放电控制信号输入端的电压并关闭放电回路，通过纯硬件的方式保护充电控制模块和放电控制模块，可以在极短的时间内切断短路大电流，从而最大限度的限制短路能量的输出，保护外部线路不被损坏，提高系统的可靠性，且电路设计简单，可重复进行开断控制，快速恢复供电，成本经济。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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为本实用新型一实施例提供的一种电池短路保护装置的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的一种电池短路保护装置的示例电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的一种电池短路保护装置10的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种电池短路保护装置10与负载连接，包括电池模块11、电压转换模块12、分压模块13、短路保护模块14、充电控制模块15、放电控制模块16以及控制模块17。

控制模块17用于生成充电控制信号和放电控制信号；电池模块11用于输出供电电源至负载；电压转换模块12与电池模块11连接，用于根据供电电源生成第一电源；分压模块13与电压转换模块12连接，用于对第一电源进行分压以生成驱动电源；充电控制模块15与负载连接，用于根据充电控制信号控制充电回路的开启和关闭；放电控制模块16与充电控制模块15连接，用于根据放电控制信号控制放电回路的开启和关闭；其中，放电控制模块16对供电电源进行分压以生成检测电压；短路保护模块14与分压模块13以及放电控制模块16连接，当检测电压大于预设电压阈值时，连通驱动电源以下拉放电控制模块16的放电控制信号输入端的电压并关闭放电回路。

具体应用中，电池模块11可选的为锂电池，包括单节锂电池和/或者多节锂电池组。第一电源为稳定的直流电压，可选的第一电源的电压值为12V。

分压模块13包括分压电阻和/或分压电阻网络，分压模块13对第一电源进行分压，一方面能够防止电压过大而损坏短路保护模块14，实现对短路保护模块14的分压保护，另一方面可以生成驱动电源为短路保护模块14提供驱动。

充电控制信号包括高电平充电控制信号和低电平充电控制信号。可选的，当充电控制信号为高电平充电控制信号时，充电控制模块15开启充电回路；当充电控制信号为低电平充电控制信号时，充电控制模块15关闭充电回路。

放电控制信号包括高电平放电控制信号和低电平放电控制信号。可选的，当放电控制信号为高电平放电控制信号时，放电控制模块16开启放电回路；当放电控制信号为低电平放电控制信号时，放电控制模块16关闭放电回路。充电控制模块15和放电控制模块16对供电电源起分压作用，其中放电控制模块16对供电电源进行分压，在放电控制模块16的第一输入输出端生成检测电压。

短路保护模块14的第一输入端与充电控制模块15的第二输入输出端和放电控制模块16的第一输入输出端连接。驱动电源驱动短路保护模块14实现短路保护功能。当放电控制模块16根据放电控制信号开启放电回路，且检测电压大于预设电压阈值时，短路保护模块14连通驱动电源以下拉放电控制模块16的放电控制信号输入端的电压，从而关闭放电回路，进而保护充电控制模块15和放电控制模块16，使二者不易被损坏。预设电压阈值可选的为短路保护模块14刚好导通时短路保护模块14的第一输入端的电压值。

本实施例通过充电控制模块和放电控制模块实现电池模块的充电回路的开启和关闭以及放电回路的开启和关闭，放电控制模块对供电电源进行分压以生成检测电压；电压转换模块将供电电源转换为第一电源；分压模块对第一电源进行分压以生成驱动电源为短路保护模块提供驱动；短路保护模块用于当检测电压大于预设电压阈值时，连通驱动电源以下拉放电控制模块的放电控制信号输入端的电压并关闭放电回路，实现对充电控制模块和放电控制模块的保护，避免短路时大电流对充电控制模块和放电控制模块的损坏，通过纯硬件的方式及时关闭放电回路，可以在极短的时间内切断短路大电流，从而最大限度的限制短路能量的输出，保护外部线路不被损坏，提高系统的可靠性，且电路设计简单，成本经济。

请参阅图2，在一实施例中，电压转换模块12包括变压器T1。

变压器T1的初级线圈的第一端为电压转换模块12的第一输入端，变压器T1的初级线圈的第二端为电压转换模块12的第二输入端。

变压器T1的次级线圈的第一端为电压转换模块12的第一电源输出端，变压器T1的次级线圈的第二端与电源地GND连接。

具体实施中，电池模块11可选的为锂电池U1，P+为锂电池U1的输出正极，P-为锂电池U1的输出负极。锂电池U1的电池正极B+与变压器T1的初级线圈的第一端连接，锂电池U1的电池负极B-与变压器T1的初级线圈的第二端和变压器T1的次级线圈的第二端连接。通过变压器T1将锂电池U1的供电电源转换为第一电源并通过变压器T1的次级线圈的第一端输出。可选的，第一电源为直流稳压电源12V。

请参阅图2，在一实施例中，分压模块13包括分压电阻R4。

分压电阻R4的第一端为分压模块13的第一电源输入端。

分压电阻R4的第二端为分压模块13的驱动电源输出端。

具体实施中，分压电阻R4的第一端与变压器T1的次级线圈的第一端连接，从分压电阻R4的第二端输出驱动电源。分压电阻R4对第一电源进行分压以生成驱动电源，为短路保护模块14提供驱动。

请参阅图2，在一实施例中，短路保护模块14包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及晶体管Q3。

晶体管Q3的集电极为短路保护模块14的驱动电源输入端。

第一电阻R1的第一端为短路保护模块14的第一输入端，晶体管Q3的基极与第一电阻R1的第二端和第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端与电源地GND连接。

晶体管Q3的发射极与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端与电源地GND连接。

具体实施中，分压电阻R4的第二端与晶体管Q3的集电极连接。一方面第一电源经过分压电阻R4生成驱动电源，为晶体管Q3提供驱动电源；另一方面分压电阻R4对第一电源进行限流，防止通过晶体管Q3的集电极的电流过大而损坏晶体管Q3。

具体实施中，可选的，晶体管Q3为NPN型晶体管，NPN型晶体管易于获取，以便于构成短路保护模块14实现对锂电池U1放电短路的保护功能，且性价比高。

请参阅图2，在一实施例中，充电控制模块15包括第一场效应管Q1。

第一场效应管Q1的栅极G为充电控制模块15的充电控制信号输入端CHARGE CTRL。

第一场效应管Q1的源极S为充电控制模块15的第一输入输出端。

第一场效应管Q1的漏极D为充电控制模块15的第二输入输出端。

请参阅图2，在一实施例中，放电控制模块16包括第二场效应管Q2。

第二场效应管Q2的栅极G为放电控制模块16的放电控制信号输入端DISCHARGECTRL。

第二场效应管Q2的源极S为放电控制模块16的第一输入输出端。

第二场效应管Q2的漏极D为放电控制模块16的第二输入输出端。

具体实施中，第一电阻R1的第一端与第一场效应管Q1的漏极D和第二场效应管Q2的漏极D连接。第一电阻R1和第二电阻R2以及第三电阻R3起分压保护的作用，晶体管Q3的基极电压等于加载在第二电阻R2上的电压V2，当第二电阻R2上的电压V2大于等于晶体管Q3的导通电压Vbe和第三电阻R3两端的电压V3之和Vbe+V3时，晶体管Q3导通，使得晶体管Q3的集电极的电压降低。

具体实施中，可选的第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均为增强型NMOS管。第一场效应管Q1的漏极D与第二场效应管Q2的漏极D连接，第一场效应管Q1的源极S与锂电池U1的输出负极P-连接，第一场效应管Q1的栅极G为充电控制模块15的充电控制信号输入端CHARGE CTRL，第二场效应管Q2的源极S与锂电池U1的电池负极B-(电源地GND)连接，第二场效应管Q2的栅极G与晶体管Q3的集电极连接，第二场效应管Q2的栅极G为放电控制模块16的放电控制信号输入端DISCHARGE CTRL。

当对电池充电时，充电控制信号输入端CHARGE CTRL(第一场效应管Q2的栅极G)为高电平，充电回路导通，即锂电池U1的输出正极P+、锂电池U1的电池正极B+、锂电池U1的电池负极B-、放电控制模块16、充电控制模块15以及锂电池U1的输出负极P-组成的充电回路开启。

当对外放电的时候，放电控制信号输入端DISCHARGE CTRL(第二场效应管Q2的栅极G)为高电平，放电回路导通，即锂电池U1的输出正极P+、负载、锂电池U1的输出负极P-、充电控制模块15、放电控制模块16、以及GND(锂电池U1的电池负极B-)组成的放电回路开启。

在第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均导通的整个对外放电回路中，当负载短路时，相当于锂电池U1的输出正极P+和锂电池U1的输出负极P-两者直接连接到一起，那么整个放电回路的电阻包括锂电池U1的内阻、第一场效应管Q1的自身内阻和第二场效应管Q2的自身内阻，故在第二场效应管Q2漏极D处产生接近于供电电源的三分之一电压的检测电压，且回路中维持大电流，使得晶体管Q3的基极电压大于等于晶体管Q3的导通电压Vbe和第三电阻R3的两端电压V3之和，使得晶体管Q3导通驱动电源，从而拉低第二场效应管Q2的栅极G的电压，第二场效应管Q2截止，进而关闭放电回路，实现保护第一场效应管Q1和第二场效应管Q2等不被放电回路中过大的短路电流损坏。

本实用新型实施例在负载短路时，加载在第二场效应管Q2漏极和第二场效应管Q2源极之间的电压升高，使得晶体管Q3导通，拉低第二场效应管Q2的栅极G的电压，从而使得第二场效应管Q2截止，断开放电回路。通过纯硬件的方式，可以在极短的时间内切断短路大电流，最大限度的限制短路大电流的输出，保护外部线路不被损坏，避免发生热失控事件。

经实际验证，该电路可以在104us内断开400A以上的短路冲击。

本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。

在整个说明书中对“各种实施方式”、“在实施方式中”、“一个实施方式”或“实施方式”等的引用意为关于实施方式所述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，短语“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在实施方式中”等在整个说明书中的适当地方的出现并不一定都指同一实施方式。

虽然上面以某个详细程度描述了某些实施方式，但是本领域中的技术人员可对所公开的实施方式做出很多变更而不偏离本公开的范围。“例如”在整个说明书中的使用应被广泛地解释并用于提供本公开的实施方式的非限制性例子，且本公开不限于这样的例子。意图是包含在上述描述中或在附图中示出的所有事务应被解释为仅仅是例证性的而不是限制性的。可做出在细节或结构上的变化而不偏离本公开。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电池短路保护装置，与负载连接，其特征在于，包括：

用于生成充电控制信号和放电控制信号的控制模块；

用于输出供电电源至所述负载的电池模块；

与所述电池模块连接，用于根据所述供电电源生成第一电源的电压转换模块；

与所述负载连接，用于根据所述充电控制信号控制充电回路的开启和关闭的充电控制模块；

与所述充电控制模块连接，用于根据所述放电控制信号控制放电回路的开启和关闭的放电控制模块；其中，所述放电控制模块对所述供电电源进行分压以生成检测电压；

与所述电压转换模块连接，用于对所述第一电源进行分压以生成驱动电源的分压模块；

与所述分压模块、所述充电控制模块以及所述放电控制模块连接，用于当所述检测电压大于预设电压阈值时，连通所述驱动电源以下拉所述放电控制模块的放电控制信号输入端的电压并关闭放电回路的短路保护模块；

所述短路保护模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻以及晶体管；

所述晶体管的集电极为所述短路保护模块的驱动电源输入端；

所述第一电阻的第一端为所述短路保护模块的第一输入端，所述晶体管的基极与所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与电源地连接；

所述晶体管的发射极与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与电源地连接；

所述充电控制模块包括第一场效应管；

所述第一场效应管的栅极为所述充电控制模块的充电控制信号输入端；

所述第一场效应管的源极为所述充电控制模块的第一输入输出端；

所述第一场效应管的漏极为所述充电控制模块的第二输入输出端；

所述放电控制模块包括第二场效应管；

所述第二场效应管的栅极为所述放电控制模块的放电控制信号输入端；

所述第二场效应管的漏极为所述放电控制模块的第一输入输出端；

所述第二场效应管的源极为所述放电控制模块的第二输入输出端。

2.如权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述电压转换模块包括变压器；

所述变压器的初级线圈的第一端为所述电压转换模块的第一输入端，所述变压器的初级线圈的第二端为所述电压转换模块的第二输入端；

所述变压器的次级线圈的第一端为所述电压转换模块的第一电源输出端，所述变压器的次级线圈的第二端与电源地连接。

3.如权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述分压模块包括分压电阻；

所述分压电阻的第一端为所述分压模块的第一电源输入端；

所述分压电阻的第二端为所述分压模块的驱动电源输出端。

4.如权利要求1所述的电池短路保护装置，其特征在于，所述晶体管为NPN型晶体管。

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