CN218976389U - 电芯保护电路及电池包 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电芯保护电路和电池包，该电芯保护电路包括电芯数据采集传感器、信号比较电路、逻辑处理电路、第一开关电路和第二开关电路，第一开关电路设置在电芯的正极处，第二开关电路设置在电芯的正极与负极之间，其中，信号比较电路的第一输入端连接到电芯数据采集传感器，信号比较电路的第二输入端接收阈值信号，信号比较电路的输出端连接到逻辑处理电路的输入端，逻辑处理电路的第一输出端连接到第一开关电路的控制端，逻辑处理电路的第二输出端连接到第二开关电路的控制端。通过本申请能够直接获取电芯内部传感器数据对电芯进行保护，使得保护更加迅速。

Description

电芯保护电路及电池包

技术领域

本申请涉及电池技术领域，尤其是涉及一种电芯保护电路及电池包。

背景技术

随着经济社会的发展，能源成为社会发展的重要因素，而电能作为一种清洁能源收到人们的广泛关注，近几年以电能为主要能源的新能源汽车走入人们的视野。其中新能源汽车的主要储能设备为电池，在新能源汽车大力发展的同时，电池技术快速发展，随之而来的电池保护技术也日益增速，而电池的保护技术逐渐成为研究重点。

对于电动汽车的电池保护，目前主流是由电动汽车的BMS对电池进行信号采集，通过MCU对温度、电压、电流等信号分析判断电池状态，再将驱动信号发送给驱动电路驱动继电器闭合或打开。期间信号经历了从采样电路采集到MCU处理再到驱动继电器关断等步骤，当面对温度电压等状态变化趋势较缓的情况，该保护策略能起到相应的保护作用，但是面对变化率较大的如电芯短路、电池包内部温度压力急剧变化等情况时，在进行状态判断或者机械继电器进行动作时事故已经发生。

实用新型内容

本申请提出一种电芯保护电路及电池包，使得对电芯的保护更加迅速、及时。

第一方面，本申请实施例提供一种电芯保护电路，包括电芯数据采集传感器、信号比较电路、逻辑处理电路、第一开关电路和第二开关电路，第一开关电路设置在电芯的正极处，第二开关电路设置在电芯的正极与负极之间，其中，信号比较电路的第一输入端连接到电芯数据采集传感器，信号比较电路的第二输入端接收阈值信号，信号比较电路的输出端连接到逻辑处理电路的输入端，逻辑处理电路的第一输出端连接到第一开关电路的控制端，逻辑处理电路的第二输出端连接到第二开关电路的控制端。

可选地，还包括：信号采集调理电路，设置在电芯数据采集传感器与信号比较电路的第一输入端之间。

可选地，所述信号采集调理电路包括第一磁珠、第二磁珠、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一运算放大器、第二运算放大器，其中，第一磁珠的一端连接到电芯数据采集传感器的信号正，第一磁珠的另一端连接到第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接到第二磁珠的一端，第二磁珠的另一端连接到电芯数据采集传感器的信号负，第二二极管的阳极连接到第二磁珠的一端，第二二极管的阴极连接到第一二极管的阳极，第一电容的一端连接到第一磁珠的另一端，第一电容的另一端连接到第二磁珠的一端，第二电容的一端连接到第一电容的一端，第二电容的另一端接地，第三电容的一端连接到第一电容的另一端，第三电容的另一端接地，第一电阻的一端连接到第一电容的一端，第一电阻的另一端连接到第一电容的另一端，第二电阻的一端连接到第一电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第一运算放大器的反向输入端，第三电阻的一端连接到第一电阻的另一端、且接收参考电压，第三电阻的另一端连接到第一运算放大器的同向输入端，第一运算放大器的输出端连接到第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接到第二运算放大器的反向输入端，第五电阻的一端连接到第一电阻的另一端、且接收参考电压，第五电阻的另一端连接到第二运算放大器的同向输入端，第二运算放大器的输出端连接到第六电阻的一端，第六电阻的另一端连接到比较器的第一输入端，第七电阻的一端连接到第一运算放大器的反向输入端，第七电阻的另一端连接到第一运算放大器的输出端，第八电阻的一端连接到第二运算放大器的反向输入端，第八电阻的另一端连接到第二运算放大器的输出端。

可选地，所述信号比较电路包括比较器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻，其中，第九电阻的一端接收阈值信号，第九电阻的另一端连接到比较器的第一输入端，第十电阻的一端连接到第九电阻的另一端，第十电阻的另一端接地，第十一电阻的一端连接到电芯数据采集传感器，第十一电阻的另一端连接到比较器的第二输入端，比较器的输出端连接到逻辑处理电路的输入端，第十二电阻的一端连接到第十一电阻的另一端，第十二电阻的另一端连接到比较器的输出端。

可选地，还包括：电压生成电路，用于提供供电电压和参考电压。

可选地，所述电压生成电路包括开关电源芯片、第四电容、第五电容、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第一电感、肖特基二极管，其中，开关电源芯片的输入端连接到第一电源，开关电源芯片的输出端连接到第一电感的一端，第一电感的另一端连接到第十三电阻的一端，第十三电阻的另一端连接到第十四电阻的一端，第十四电阻的另一端接地，从第十三电阻的另一端引出第二电源和参考电压，第四电容的一端连接到开关电源芯片的输入端，第四电容的另一端接地，第十五电阻的一端连接到开关电源芯片的反馈端，第十五电阻的另一端连接到第五电容的一端，第五电容的另一端接地，肖特基二极管的阴极连接到开关电源芯片的输出端，肖特基二极管的阳极接地，第十六电阻的一端连接到开关电源芯片的输入端，第十六电阻的另一端连接到开关电源芯片的反馈端，第五电容的一端还与第一电感的另一端连接，从第一电感的另一端引出第三电源。

可选地，所述逻辑处理电路包括第一JK触发器、第二JK触发器、第一D触发器、第二D触发器、与门、第一非门、第二非门、或门，其中，第一D触发器的CLK引脚连接到信号比较电路的输出端，第一D触发器的S引脚和D引脚连接到第二D触发器的S引脚和D引脚，第一D触发器的Q引脚连接到第一非门的输入端，第一非门的输出端连接到或门的第一输入端，或门的第二输入端连接到第二D触发器的CLK引脚，或门的输出端连接到第一D触发器的R引脚，第一D触发器的Q引脚还分别连接到第一JK触发器、第二JK触发器的CLK引脚，第一JK触发器的J引脚、K引脚、CLR引脚、第二JK触发器的CLR均连接到第三电源，第一JK触发器的Q引脚连接到第二JK触发器的J引脚，第二JK触发器的K引脚连接到与门的第一输入端，第二JK触发器的Q引脚连接到与门的第二输入端，与门的输出端连接到第二D触发器的CLK引脚，第二D触发器的Q引脚连接到第一开关电路的控制端，第二D触发器的Q引脚还连接到第二非门的输入端，第二非门的输出端连接到第二开关电路的控制端。

可选地，第一开关电路包括第十七电阻、第十八电阻、第一场效应晶体管，其中，第十七电阻的一端连接到逻辑处理电路的第一输出端，第十七电阻的另一端连接到第一场效应晶体管的栅极，第一场效应晶体管的漏极连接到电芯的正极，第一场效应晶体管的源极连接到输电线上，第十八电阻的一端连接到第十七电阻的另一端，第十八电阻的另一端连接到第一场效应晶体管的源极，其中，第二开关电路包括：第十九电阻、第二十电阻、第二场效应晶体管，其中，第十九电阻的一端连接到逻辑处理电路的第二输出端，第十九电阻的另一端连接到第二场效应晶体管的栅极，第二场效应晶体管的漏极连接到第一场效应晶体管的源极，第二场效应晶体管的源极连接到电芯的负极，第二十电阻的一端连接到第十九电阻的另一端，第二十电阻的另一端连接到第二场效应晶体管的源极。

可选地，所述电芯数据采集传感器包括温度传感器、压力传感器、电流传感器、电压传感器。

第二方面，本申请实施例还提供一种电池包，包括：多个电芯以及与各电芯分别对应的上述的电芯保护电路。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本申请示例性实施例的电芯保护电路的示意图一；

图2示出了本申请示例性实施例的电芯保护电路的示意图二；

图3示出了本申请示例性实施例的电压产生电路的示意图；

图4示出了本申请示例性实施例的信号采集调理电路的示意图；

图5示出了本申请示例性实施例的信号比较电路的示意图；

图6示出了本申请示例性实施例的逻辑处理电路的示意图；

图7示出了本申请示例性实施例的第一开关电路的示意图；

图8示出了本申请示例性实施例的第二开关电路的示意图；

图9示出了本申请示例性实施例的第一开关电路和第二开关电路的设置位置示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中将会用到术语“包括”，用于指出其后所声明的特征的存在，但并不排除增加其他的特征。

随着经济社会的发展，能源成为社会发展的重要因素，而电能作为一种清洁能源收到人们的广泛关注，近几年以电能为主要能源的新能源汽车走入人们的视野。其中新能源汽车的主要储能设备为电池，在新能源汽车大力发展的同时，电池技术快速发展，随之而来的电池保护技术也日益增速，而电池的保护技术逐渐成为研究重点。

对于电动汽车的电池保护，目前主流是由电动汽车的BMS对电池进行信号采集，通过MCU对温度、电压、电流等信号分析判断电池状态，再将驱动信号发送给驱动电路驱动继电器闭合或打开。期间信号经历了从采样电路采集到MCU处理再到驱动继电器关断等步骤，当面对温度电压等状态变化趋势较缓的情况，该保护策略能起到相应的保护作用，但是面对变化率较大的如电芯短路、电池包内部温度压力急剧变化等情况时，在进行状态判断或者机械继电器进行动作时事故已经发生。

现有的电池保护电路存在以下几点缺陷：

(1)动作时间较长。目前电池保护技术绝大多数是将采集的信号通过菊花链通信传输给MCU，在MCU中统一进行信号处理，再判断并发送驱动指令到继电器。程序的运行等影响了保护时间，极易造成更大的人身财产损失。

(2)保护过于简单。在电动汽车的动力电池电池包中存在几十上百节电芯，而出于成本考虑，压力传感器或者其他传感器都只在整体中，并不能在电芯发生故障时对单个电芯进行短接，而单一电芯在发生故障时只能对电池包的主正主副继电器进行断开，即断开全部电源。在一些长途旅行中，如果电芯发生了一些不重要的故障，则只能进行熄火停车，造成不良的用户体验。

(3)检测精度不高。现在主流的温度压力检测技术是将温度传感器和压力传感器置于电池外侧，这种检测方法较为简单，成本较低，但是精度难以控制。

(4)寿命受限。一般的电芯会装置保险丝，并且继电器采用机械式继电器，保险丝在保护过程中如果出现误判则需要更换保险丝，其人工成本极高。而机械式继电器绝缘深度强，动作时间长，寿命限制较为明显，继电器的老化则会造成严重的事故。

针对上述至少一个方面的问题，本申请提出了一种基于CPLD的电芯自我保护电路，该保护电路采用直接获取电芯内部传感器数据的策略对电芯进行保护，并且全部逻辑电路均采用硬件的实现方式，相比于传统的软件方法保护更加迅速。

(1)针对动作时间较长的问题，本申请提出的电芯保护电路设计摒弃了传统的以CPU对信号进行处理的方式，采用逻辑电路直接对信号进行处理，从硬件层面直接对电芯进行保护，当故障发生时能够起到快速保护的作用。

(2)针对保护过于简单的问题，通过双MOSFET不仅可以对电池进行更加迅速地保护，也可以使电池单体发生故障时直接在主功率回路处短接，使电池包能够继续为车辆供电。

(3)针对于检测精度不高的问题，本申请采用的内置电池传感器的电池，能够更加详细的反馈电池状态，便于及时的对电池数据进行记录和对电池进行保护。

(4)针对寿命受限的问题，本申请专利采用的为N沟道耗尽型MOSFET作为电池单体的保护开关和短路开关。采用MOSFET代替机械开关可以明显增加开关使用寿命。

为便于对本申请进行理解，下面对本申请实施例提供的电芯保护电路及电池包进行详细介绍。

图1示出了本申请示例性实施例的电芯保护电路的示意图一。

如图1所示，本申请示例性实施例的电芯保护电路包括电芯数据采集传感器10、信号比较电路20、逻辑处理电路30、第一开关电路40和第二开关电路50。这里，第一开关电路40设置在电芯的正极处，第二开关电路50设置在电芯的正极与负极之间。

具体的，信号比较电路20的第一输入端连接到电芯数据采集传感器10，信号比较电路20的第二输入端接收阈值信号，信号比较电路20的输出端连接到逻辑处理电路30的输入端，逻辑处理电路30的第一输出端连接到第一开关电路40的控制端，逻辑处理电路30的第二输出端连接到第二开关电路50的控制端。

信号比较电路20可以对接收的传感器采集的信号与阈值信号进行比较，逻辑处理电路30可以根据比较结果来控制第一开关电路40和第二开关电路50的闭合和断开。

例如，当传感器采集的信号大于阈值信号时，表明该电芯可能存在故障，逻辑处理电路30控制第一开关电路40断开，控制第二开关电路50闭合，以将该存在问题的电芯从电池包中切出。当传感器采集的信号不大于阈值信号时，表明该电芯处于正常状态，逻辑处理电路30控制第一开关电路40闭合，控制第二开关电路50断开，使得该电芯接入电池包，以为车辆提供电力。

在本申请一优选实施例中，上述电芯保护电路还包括：信号采集调理电路60，设置在电芯数据采集传感器10与信号比较电路20的第一输入端之间。

图2示出了本申请示例性实施例的电芯保护电路的示意图二。

如图2所示，在本示例中，该电芯保护电路使用了4个模拟信号传感器，具体包括温度传感器11、压力传感器12、电流传感器13和电压传感器14。其中，温度传感器和压力传感器为电池内置传感器，用以采集电芯内部的温度值和压力值，电流传感器和电压传感器为外置传感器，用以采集电芯放电的电流值和电压值。

在该示例中，信号采集调理电路60可由两级放大电路构成，用以采集传感器输出的模拟信号，其中两级放大电路由两个运算放大器组成，同时运算放大电路中加入基准电压作为抬升电压。放大后的信号与输入的基准电压进行信号对比，运算放大器的基准电压可以根据需要进行配置。信号比较电路20输出信号输入逻辑处理电路30，经逻辑处理后将驱动信号发送至驱动芯片，用来驱动两路MOSFET，MOSFET1置于电池正极，MOSFET2置于电池正负极之间。当电芯无异常时，MOSFET1导通，MOSFET2关断，电池正常放电，当电芯异常时，MOSFET1关断，MOSFET2导通，电池不再工作，同时短接于电路。

各个电路模块与传感器供电部分均为5V电压，可以由电压产生电路提供。温度传感器11、压力传感器12、电流传感器13及电压传感器14分别输出信号+和信号-。

温度传感器的信号+与对应的信号采集调理电路60中的磁珠FB5相连，信号-与磁珠FB6相连，压力传感器的信号+与对应的信号采集调理电路60中的磁珠FB7相连，信号-与磁珠FB8相连，电流传感器的信号+与对应的信号采集调理电路60中的磁珠FB1相连，信号-与磁珠FB2相连，电压传感器的信号+与对应的信号采集调理电路60中的磁珠FB3相连，信号-与磁珠FB4相连。

四个信号采集调理电路的基准电压接收端连接到电压产生电路，以由该电压产生电路来提供基准电压(即，参考电压)。基准电压Vref与电压产生电路的3.3V输出相连。

信号采集调理电路的温度调制信号输出端与信号比较电路的温度调制信号输入端相连，其中温度阈值电压(即，温度阈值信号)输入由具体需求可进行配置。信号采集调理电路的压力调制信号输出端与信号比较电路的压力调制信号输入端相连，其中压力阈值电压(即，压力阈值信号)输入由具体需求可进行配置。信号采集调理电路电流调制信号输出端与所述信号比较电路电流调制信号输入端相连，其中电流阈值电压(即，电流阈值信号)输入由具体需求可进行配置。信号采集调理电路电压调制信号输出端与所述信号比较电路电压调制信号输入端相连，其中电压阈值电压(即，电压阈值信号)输入由具体需求可进行配置。

四个信号比较电路分别输出的温度报警信号、压力报警信号、电流报警信号和电压报警信号均与逻辑处理电路的比较电路输出端相连。逻辑处理电路输出的控制信号1与第一开关电路相连，逻辑处理电路输出的控制信号2与第二开关电路相连。

在本申请一优选实施例中，上述电芯保护电路还包括：电压生成电路70，用于提供供电电压和参考电压。

图3示出了本申请示例性实施例的电压产生电路的示意图。

如图3所示，本申请示例性实施例的电压生成电路70包括开关电源芯片IC、第四电容C4、第五电容C5、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一电感L1、肖特基二极管D6。

具体的，开关电源芯片IC的输入端IN连接到第一电源(如，IN+12伏)，开关电源芯片IC的输出端OUT连接到第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接到第十三电阻R13的一端，第十三电阻R13的另一端连接到第十四电阻R14的一端，第十四电阻R14的另一端接地，从第十三电阻R13的另一端引出第二电源(如，OUT+3.3伏)和参考电压(vref)。

第四电容C4的一端连接到开关电源芯片IC的输入端IN，第四电容的另一端接地，第十五电阻R15的一端连接到开关电源芯片IC的反馈端FB，第十五电阻R15的另一端连接到第五电容C5的一端，第五电容C5的另一端接地。

肖特基二极管D6的阴极连接到开关电源芯片IC的输出端OUT，肖特基二极管D6的阳极接地，第十六电阻R16的一端连接到开关电源芯片IC的输入端，第十六电阻R16的另一端连接到开关电源芯片IC的反馈端FB，第五电容C5的一端还与第一电感L1的另一端连接，从第一电感L1的另一端引出第三电源(如，OUT+5伏)。

这里，开关电源芯片IC可以为开关电源稳压芯片，如IC1LM2596，采用经典电路保证输出的电压保持在5V，同时采用分压电路产生3.3V的供电电压，3.3V同时可以作为基准电压用作电压抬升。

本申请示例性实施例的每个信号采集调理电路均可以采用图4所示的结构，图4以与电流传感器连接的信号采集调理电路为例来进行介绍，本申请对其他各信号采集调理电路不再一一赘述。

图4示出了本申请示例性实施例的信号采集调理电路的示意图。

如图4所示，本申请示例性实施例的每个信号采集调理电路包括第一磁珠FB1、第二磁珠FB2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一运算放大器ADS1、第二运算放大器ADS2。

具体的，第一磁珠FB1的一端连接到电流传感器的信号正，第一磁珠FB1的另一端连接到第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极连接到第二磁珠FB2的一端，第二磁珠FB2的另一端连接到电流传感器的信号负，第二二极管D2的阳极连接到第二磁珠FB2的一端，第二二极管D2的阴极连接到第一二极管D1的阳极。

第一电容C1的一端连接到第一磁珠FB1的另一端，第一电C1的另一端连接到第二磁珠FB2的一端，第二电容C2的一端连接到第一电容C1的一端，第二电容C2的另一端接地，第三电容C3的一端连接到第一电容C1的另一端，第三电容C3的另一端接地，第一电阻R1的一端连接到第一电容C1的一端，第一电阻R1的另一端连接到第一电容C1的另一端，第二电阻R2的一端连接到第一电阻R1的一端，第二电阻R2的另一端连接到第一运算放大器ADS1的反向输入端，第三电阻R3的一端连接到第一电阻R1的另一端、且接收参考电压，第三电阻R3的另一端连接到第一运算放大器ADS1的同向输入端，第一运算放大器ADS1的输出端连接到第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接到第二运算放大器ADS2的反向输入端，第五电阻R5的一端连接到第一电阻R1的另一端、且接收参考电压，第五电阻R5的另一端连接到第二运算放大器ADS2的同向输入端，第二运算放大器ADS2的输出端连接到第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接到信号比较电路的第一输入端，第七电阻R7的一端连接到第一运算放大器ADS1的反向输入端，第七电阻R7的另一端连接到第一运算放大器ADS1的输出端，第八电阻R8的一端连接到第二运算放大器ADS2的反向输入端，第八电阻R8的另一端连接到第二运算放大器ADS2的输出端。

上图所示的信号采集调理电路采用运算放大器对采集信号进行放大，FB1-FB2为磁珠，磁珠能够对高频信号进行滤波，除去高次杂波，保证信号质量。三个电容对模拟信号进行再次滤波，对信号的高频杂波进行过滤。输入的信号经过滤波后输入运算放大器，该设计中采用负反馈放大，能有效采集到传感器信号。同时在运放输入正极端接基准电压(Vref)进行电压抬升，保证采样电路信号始终是正值，以便于比较电路比较。

本申请示例性实施例的每个信号比较电路均可以采用图5所示的结构，图5以与电流传感器对应的信号比较电路为例来进行介绍，本申请对其他各信号比较电路不再一一赘述。

图5示出了本申请示例性实施例的信号比较电路的示意图。

如图5所示，本申请示例性实施例的信号比较电路包括比较器U、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12。

具体的，第九电阻R9的一端接收电流阈值信号，第九电阻R9的另一端连接到比较器U的第一输入端，第十电阻R10的一端连接到第九电阻R9的另一端，第十电阻10的另一端接地，第十一电阻R11的一端连接到电流传感器，以接收电流调制信号，第十一电阻R11的另一端连接到比较器U的第二输入端，比较器U的输出端连接到逻辑处理电路的输入端，第十二电阻R12的一端连接到第十一电阻R11的另一端，第十二电阻R12的另一端连接到比较器U的输出端。

信号比较电路是由比较器为主体的电路，其中8路输入信号是由4路传感器信号和4路基准电压信号组成。采样电路输出的信号由比较电路与基准电压信号进行比较，其中基准电压信号是由不同的安全等级和电池进行设置。需要注意的是，输入信号经过两级放大，需要经过分压电阻进行分压，以便与基准电压进行比较。在电源信号处加入滤波电容C，防止电源噪声影响电路。同时采用正反馈比较器接法，减少信号在衰减时与比较器多次比较产生的振荡。

图6示出了本申请示例性实施例的逻辑处理电路的示意图。

如图6所示，本申请示例性实施例的逻辑处理电路包括第一JK触发器U1、第二JK触发器U2、第一D触发器U3、第二D触发器U7、与门U4、第一非门U5、第二非门U8、或门U6。

具体的，第一D触发器的CLK引脚连接到信号比较电路的输出端，第一D触发器的S引脚和D引脚连接到第二D触发器的S引脚和D引脚，第一D触发器的Q引脚连接到第一非门的输入端，第一非门的输出端连接到或门的第一输入端，或门的第二输入端连接到第二D触发器的CLK引脚，或门的输出端连接到第一D触发器的R引脚，第一D触发器的Q引脚还分别连接到第一JK触发器、第二JK触发器的CLK引脚，第一JK触发器的J引脚、K引脚、CLR引脚、第二JK触发器的CLR均连接到第三电源，第一JK触发器的Q引脚连接到第二JK触发器的J引脚，第二JK触发器的K引脚连接到与门的第一输入端，第二JK触发器的Q引脚连接到与门的第二输入端，与门的输出端连接到第二D触发器的CLK引脚，第二D触发器的Q引脚连接到第一开关电路的控制端，第二D触发器的Q引脚还连接到第二非门的输入端，第二非门的输出端连接到第二开关电路的控制端。

该逻辑处理电路能够对比较器输入信号进行逻辑运算。其中，第一D触发器能够对比较电路输出的方波的上升沿进行识别并存储，同时设计的双JK触发器组成的两位二进制计数器能够对第一D触发器输出的信号进行计数，当计数到达4位时则输出故障信号发送给MOSFET开关电路。故障排除信号为预留控制接口(enable＝0,disable＝1)。

这里，介绍一下D触发器的工作原理。

当CLK为0时能够将D端状态输出到Q，Q*为Q的状态取反，R端为将Q端置零端，当R为0时有效；S为将Q端置1端，当S为0有效。当R,S为1时，D触发器正常工作，当CLK出现上升沿时能够将将Q置为D端状态；R＝1,S＝0时，Q强制将Q置为1；R＝0,S＝1时，Q强制将Q置为0。

这里，介绍一下双JK触发器二进制计数器。

现将双JK触发器设计组成的两位二进制真值表列出，如下所示：

CLK输入信号上升沿次数	Q2n	Q1n
			1	0	0
2	0	1
			3	1	0
4	1	1

当计数器监测到4次上升延时，能够输出两个高电平。

逻辑处理电路逻辑解释：当比较电路输出端检测到比较电路出现上升沿时，启动上升沿计数，直至上升沿出现四次，判定故障信号发生，控制信号改变，将电池单体从电池包中断开，同时不影响电池包正常运行。

比较器信号与第一D触发器的CLK输入相连，第一D触发器的Q端与双JK触发器CLK相连，U1芯片的J端、K端、CLR端、PR端与5V电源相连。

U7芯片的S端和D端与5V电源相连，UI芯片的Q端与U2芯片的J端、K端相连，U2芯片的CLR端、PR端与5V电源相连，U1芯片的Q端和U2芯片的Q端与U4输入端相连，U3芯片的Q输出端与U5芯片的输入端相连，U5芯片的输出端和U4芯片的输出端分别和U6芯片的输入端相连，U6芯片的输出端与U3芯片的R端相连，U4芯片的输出端与U7芯片的CLK端相连，逻辑处理输出信号与U8芯片的输入端相连，逻辑处理输出信号输出为控制信号1，U8芯片输出端输出为控制信号2。

当比较电路IDLE(正常状态)时，Q1为0，Q3为0，Q1*为1，则Q4为1，则R＝1，D触发器1正常等待信号。当比较电路ACTIVE(故障状态)时，CLK出现上升沿，Q1去D值1，Q1信号出现上升沿，计数器加1，Q1n，Q2n都为0，Q1*为0，Q4为0，将Q1置0。直到计数器为4，则逻辑处理电路会输出1，该高电平会将D触发器进行维持直至故障排除接受复位信号。

图7示出了本申请示例性实施例的第一开关电路的示意图。

如图7所示，本申请示例性实施例的第一开关电路包括第十七电阻R17、第十八电阻R18、第一场效应晶体管QA1。

具体的，第十七电阻R17的一端连接到逻辑处理电路的第一输出端(控制信号1)，第十七电阻R17的另一端连接到第一场效应晶体管QA1的栅极，第一场效应晶体管QA1的漏极连接到电芯的正极，第一场效应晶体管QA1的源极连接到输电线上，第十八电阻R18的一端连接到第十七电阻R17的另一端，第十八电阻R18的另一端连接到第一场效应晶体管QA1的源极。

图8示出了本申请示例性实施例的第二开关电路的示意图。

如图8所示，本申请示例性实施例的第二开关电路包括第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二场效应晶体管QA2。

具体的，第十九电阻R19的一端连接到逻辑处理电路的第二输出端(控制信号2)，第十九电阻R19的另一端连接到第二场效应晶体管QA2的栅极，第二场效应晶体管QA2的漏极连接到第一场效应晶体管QA1的源极，第二场效应晶体管QA2的源极连接到电芯的负极，第二十电阻R20的一端连接到第十九电阻R19的另一端，第二十电阻R20的另一端连接到第二场效应晶体管QA2的源极。

图9示出了本申请示例性实施例的第一开关电路和第二开关电路的设置位置示意图。

图9示出两个开关电路在电池中的位置，两个开关电路由MOSFETQA1(简述QA1)和MOSFETQA2(简述QA2)组成。

QA1的NEG端和POS端分别连接图9所示1处两端，QA2的NEG端和POS端分别连接图9所示2处两端。

控制信号1对应于IDLE为0，ACTIVE为1，控制信号2对应于IDLE为1，ACTIVE为0。QA1及QA2在控制信号为1时，S、D极导通，在控制信号为0时，S、D极关断。

当电芯正常放电或者待机时，1处MOSFET导通，2处MOSFET关断，电池正常放电或者待机。当检测到电芯发生故障时，1处MOSFET关断，2处MOSFET导通，电芯不再工作并被主回路短接。

本申请实施例还提供一种电池包，包括：多个电芯以及与各电芯分别对应的上述的电芯保护电路。

本申请提出一种防误判的可重置电芯保护电路技术。采用纯数字电路搭建，将保护技术在硬件层面实现，代替了传统的软件判别，具有可靠性高、动作迅速、成本较低的优点。

本申请提出一种电池包中电池快速切断保护技术。采用MOSFET替代机械式继电器，可靠性大大提高，动作更为迅速，开关次数也大大提高。同时当电池发生故障时，能够将电池短接出电路，不影响电池包整体运行。

本申请提出一种快速判断技术。采用比较器进行模拟信号判断，采用正反馈对比较信号进行调制，降低其敏感度，保证比较电路输出信号质量。

本申请还创新性的将CLK作为触发器输入控制信号。

本申请能够有效的提高电池可靠性。逻辑判断采用纯数字芯片，能够满足快速保护的要求，从故障发生保护动作仅需μm级别。此外，还可以提高电动汽车在使用电池时的安全性，采用单体保护模式，在电池包中对故障电池进行短接，保证电池包正确运行。

本申请具备可拓展性。电路预留复位接口，可以接受上位机控制信号，同时预留的逻辑处理电路输出信号能进行拓展，可外接上位机发送电池故障信息。此外，还能够提高寿命。采用固态开关替代机械开关，在不影响绝缘效果的情况下提高使用寿命和动作速度。

本申请中使用电池内置传感器。电池内置传感器能够更加详细并准确地记录电池温度压力信息，及时准确地反馈给保护电路。此外，还具备独立性、可移植性。由于其结构独立，仅保留两个外置接口，所以可移植性很高，较为独立，有利于电池包的密封。

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。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是在本申请的创新构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电芯保护电路，其特征在于，包括电芯数据采集传感器、信号比较电路、逻辑处理电路、第一开关电路和第二开关电路，第一开关电路设置在电芯的正极处，第二开关电路设置在电芯的正极与负极之间，

其中，信号比较电路的第一输入端连接到电芯数据采集传感器，信号比较电路的第二输入端接收阈值信号，信号比较电路的输出端连接到逻辑处理电路的输入端，

逻辑处理电路的第一输出端连接到第一开关电路的控制端，逻辑处理电路的第二输出端连接到第二开关电路的控制端。

2.根据权利要求1所述的电芯保护电路，其特征在于，还包括：信号采集调理电路，设置在电芯数据采集传感器与信号比较电路的第一输入端之间。

3.根据权利要求2所述的电芯保护电路，其特征在于，所述信号采集调理电路包括第一磁珠、第二磁珠、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一运算放大器、第二运算放大器，

其中，第一磁珠的一端连接到电芯数据采集传感器的信号正，第一磁珠的另一端连接到第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接到第二磁珠的一端，第二磁珠的另一端连接到电芯数据采集传感器的信号负，第二二极管的阳极连接到第二磁珠的一端，第二二极管的阴极连接到第一二极管的阳极，

第一电容的一端连接到第一磁珠的另一端，第一电容的另一端连接到第二磁珠的一端，第二电容的一端连接到第一电容的一端，第二电容的另一端接地，第三电容的一端连接到第一电容的另一端，第三电容的另一端接地，

第一电阻的一端连接到第一电容的一端，第一电阻的另一端连接到第一电容的另一端，第二电阻的一端连接到第一电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第一运算放大器的反向输入端，第三电阻的一端连接到第一电阻的另一端、且接收参考电压，第三电阻的另一端连接到第一运算放大器的同向输入端，第一运算放大器的输出端连接到第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接到第二运算放大器的反向输入端，第五电阻的一端连接到第一电阻的另一端、且接收参考电压，第五电阻的另一端连接到第二运算放大器的同向输入端，第二运算放大器的输出端连接到第六电阻的一端，第六电阻的另一端连接到信号比较电路的第一输入端，

第七电阻的一端连接到第一运算放大器的反向输入端，第七电阻的另一端连接到第一运算放大器的输出端，第八电阻的一端连接到第二运算放大器的反向输入端，第八电阻的另一端连接到第二运算放大器的输出端。

4.根据权利要求1所述的电芯保护电路，其特征在于，所述信号比较电路包括比较器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻，

其中，第九电阻的一端接收阈值信号，第九电阻的另一端连接到比较器的第一输入端，第十电阻的一端连接到第九电阻的另一端，第十电阻的另一端接地，第十一电阻的一端连接到电芯数据采集传感器，第十一电阻的另一端连接到比较器的第二输入端，比较器的输出端连接到逻辑处理电路的输入端，第十二电阻的一端连接到第十一电阻的另一端，第十二电阻的另一端连接到比较器的输出端。

5.根据权利要求1所述的电芯保护电路，其特征在于，还包括：电压生成电路，用于提供供电电压和参考电压。

6.根据权利要求5所述的电芯保护电路，其特征在于，所述电压生成电路包括开关电源芯片、第四电容、第五电容、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第一电感、肖特基二极管，

其中，开关电源芯片的输入端连接到第一电源，开关电源芯片的输出端连接到第一电感的一端，第一电感的另一端连接到第十三电阻的一端，第十三电阻的另一端连接到第十四电阻的一端，第十四电阻的另一端接地，从第十三电阻的另一端引出第二电源和参考电压，

第四电容的一端连接到开关电源芯片的输入端，第四电容的另一端接地，第十五电阻的一端连接到开关电源芯片的反馈端，第十五电阻的另一端连接到第五电容的一端，第五电容的另一端接地，

肖特基二极管的阴极连接到开关电源芯片的输出端，肖特基二极管的阳极接地，第十六电阻的一端连接到开关电源芯片的输入端，第十六电阻的另一端连接到开关电源芯片的反馈端，

第五电容的一端还与第一电感的另一端连接，从第一电感的另一端引出第三电源。

7.根据权利要求1所述的电芯保护电路，其特征在于，所述逻辑处理电路包括第一JK触发器、第二JK触发器、第一D触发器、第二D触发器、与门、第一非门、第二非门、或门，

其中，第一D触发器的CLK引脚连接到信号比较电路的输出端，第一D触发器的S引脚和D引脚连接到第二D触发器的S引脚和D引脚，第一D触发器的Q引脚连接到第一非门的输入端，第一非门的输出端连接到或门的第一输入端，或门的第二输入端连接到第二D触发器的CLK引脚，或门的输出端连接到第一D触发器的R引脚，

第一D触发器的Q引脚还分别连接到第一JK触发器、第二JK触发器的CLK引脚，第一JK触发器的J引脚、K引脚、CLR引脚、第二JK触发器的CLR均连接到第三电源，第一JK触发器的Q引脚连接到第二JK触发器的J引脚，第二JK触发器的K引脚连接到与门的第一输入端，第二JK触发器的Q引脚连接到与门的第二输入端，与门的输出端连接到第二D触发器的CLK引脚，第二D触发器的Q引脚连接到第一开关电路的控制端，第二D触发器的Q引脚还连接到第二非门的输入端，第二非门的输出端连接到第二开关电路的控制端。

8.根据权利要求1所述的电芯保护电路，其特征在于，第一开关电路包括第十七电阻、第十八电阻、第一场效应晶体管，

其中，第十七电阻的一端连接到逻辑处理电路的第一输出端，第十七电阻的另一端连接到第一场效应晶体管的栅极，第一场效应晶体管的漏极连接到电芯的正极，第一场效应晶体管的源极连接到输电线上，第十八电阻的一端连接到第十七电阻的另一端，第十八电阻的另一端连接到第一场效应晶体管的源极，

其中，第二开关电路包括：第十九电阻、第二十电阻、第二场效应晶体管，

其中，第十九电阻的一端连接到逻辑处理电路的第二输出端，第十九电阻的另一端连接到第二场效应晶体管的栅极，第二场效应晶体管的漏极连接到第一场效应晶体管的源极，第二场效应晶体管的源极连接到电芯的负极，第二十电阻的一端连接到第十九电阻的另一端，第二十电阻的另一端连接到第二场效应晶体管的源极。

9.根据权利要求1所述的电芯保护电路，其特征在于，所述电芯数据采集传感器包括温度传感器、压力传感器、电流传感器、电压传感器。

10.一种电池包，其特征在于，包括：多个电芯以及与各电芯分别对应的如权利要求1-9中的任意一项所述的电芯保护电路。

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