短路保護電路的制作方法

本實用新型涉及電源安全技術領域，具體涉及一種短路保護電路。

背景技術：

由于鋰電池單體在生產制造的差異，導致鋰電池在成組時存在一致性問題，并且由于電池組在使用過程中的溫度差異，導致鋰電池組隨著循環次數的增加，這種不一致性逐漸增大，因此需要均衡電路對其進行均衡，改善電池組的一致性。

均衡方式分為主動均衡和被動均衡，針對主動均衡，目前運用最多的是補電式均衡。均衡電路在使用時存在短路失效的風險，因此需要對其進行保護。目前針對電池均衡的短路保護存在以下問題：

1、通過軟件控制時，短路響應時間較長，對均衡開關器件和電池組本身造成損害，同時軟件的失效會導致均衡電路存在無保護狀態。

2、依靠均衡電路自身的可靠性，致使均衡電路短路失效處于不可控的狀態，可能造成鋰電池組充放電安全性問題。

技術實現要素：

(一)解決的技術問題

本實用新型要解決的技術問題是：當補電式均衡電路短路時，如何快速有效地保護補電式均衡電路和電池組。

(二)技術方案

為解決上述問題，本實用新型提供了一種短路保護電路，包括采樣單元、比較單元以及短路保護單元；

其中，所述采樣單元，用于采集待保護的均衡電路的電流，并輸出至所述比較單元；

所述比較單元，用于將所述均衡電路的電流與預設的電流閾值比較，若判斷獲知所述均衡電路的電流大于預設的電流閾值，則控制所述短路保護單元斷開所述均衡電路與直流電源的連接；

所述短路保護單元包括驅動電路和短路保護開關；

所述短路保護開關包括N溝道增強型MOS場效應管；

所述驅動電路包括第一降壓電阻；第一分流電阻；第一限流電阻；供電電阻；穩壓管；乙類推挽式互補功率放大電路；

所述穩壓管的陽極與所述MOS場效應管的源極相連；所述穩壓管的陰極與所述MOS場效應管的柵極通過所述第一降壓電阻相連；所述穩壓管并聯第一分流電阻；所述穩壓管的陰極通過第一限流電阻與所述乙類推挽式互補功率放大電路的輸出端相連；

所述乙類推挽式互補功率放大電路的輸入端通過所述供電電阻與電源連接；

所述乙類推挽式互補功率放大電路的輸入端連接短路控制信號的輸入端。

優選地，所述供電電阻通過下拉電阻接地端。

優選地，所述驅動電路還包括發光二極管；所述發光二極管的陽極與乙類推挽式互補功率放大電路的輸出端通過第二降壓電阻連接；所述發光二極管的陰極接地端。

優選地，所述乙類推挽式互補功率放大電路包括一個NPN三極管和一個PNP三極管；所述NPN三極管的發射極與所述PNP三極管的發射極連接后作為所述乙類推挽式放大電路的輸出端；所述NPN三極管的基極與所述PNP三極管的基極連接后作為所述乙類推挽式放大電路的輸入端；所述NPN三極管的集電極連接電源；所述PNP三極管的集電極接地端。

所述驅動電路還包括二極管，所述二極管與所述第一限流電阻并聯，所述二極管的陽極與所述發光二極管的陰極相連，所述二極管的陰極與所述乙類推挽式互補功率放大電路的輸出端相連。

所述均衡電流采樣電路包括調理電阻；第一濾波電容；求差放大電路；限幅二極管組；

所述求差放大電路包括集成運算放大器；

所述調理電阻接于所述求差放大電路的第一輸入端和第二輸入端之間；所述求差放大電路的第二輸入端，通過所述第一濾波電容接地；所述限幅二極管組接于所述集成運算放大器的同相輸入端和反相輸入端之間，構成雙向限幅二極管；

從采樣單元采集的電流信號經過調理電阻調理和求差放大電路放大后輸出采樣電流至比較單元。

優選地，所述集成運算放大器采用單電源模式。

所述比較單元包括均衡電流閾值電路；直流平衡電阻；電壓比較器；上拉電阻；第二濾波電容；第三降壓電阻；第四降壓電阻；第二分流電阻；晶閘管；光耦開關；

所述均衡電流閾值電路包括第一電阻和第二電阻，所述第一電阻的一端連接電源，另一端連接第二電阻；所述第二電阻的另一端接地端；

所述光耦開關具有四個管腳；

所述電壓比較器的反相輸入端與所述第一電阻和所述第二電阻之間的位置相連；所述直流平衡電阻與所述電壓比較器的正相輸入端連接；所述上拉電阻一端與電源連接，一端與所述電壓比較器的輸出端連接；所述電壓比較器的輸出端通過所述第三降壓電阻與所述晶閘管門極連接；所述第二濾波電容一端接所述晶閘管門極，另一端接地端；所述第二分流電阻一端連接晶閘管的門極，另一端接地端；所述晶閘管的陰極接地端，陽極通過所述第四降壓電阻與所述光耦開關的第二管腳相連。

優選地，所述比較單元還包括發光二極管和第五降壓電阻；所述發光二極管的陽極通過所述第五降壓電阻與所述光耦開關的第二管腳相連，所述發光二極管的陰極與晶閘管的陽極連接。

(三)有益效果

本實用新型提供了一種短路保護電路，其中的采樣單元、比較單元以及短路保護單元采用全硬件設計，不涉及軟件部分，避免了軟件失效導致短路保護失效的問題。

另外，通過驅動電路對短路保護開關通斷的控制，實現了對均衡電路的保護，即當均衡電路短路時，能立即切斷均衡電路，響應時間短。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為根據本實用新型提供的短路保護電路實施例原理框圖；

圖2為根據本實用新型提供的驅動電路在系統電路上實施例電路示意圖；

圖3為根據本實用新型提供的采樣單元實施例電路結構示意圖；

圖4為根據本實用新型提供的比較單元實施例電路結構示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

如圖1所示，本實用新型提供了一種短路保護電路的實施例，包括采樣單元、比較單元、驅動電路以及短路保護開關；

采樣單元通過采樣電阻對待保護的均衡電路的電流進行電流采集，采集的電流通過比較單元與預設的電流閾值比較，若判斷獲知所述均衡電路的電流大于預設的電流閾值，則驅動電路控制短路保護開關斷開均衡電路與直流電源的連接；

短路保護開關有三個引腳，第二引腳與均衡電路中的隔離直流源相連，第三引腳通過采樣電阻與均衡開關電路相連，第一引腳與驅動電路相連。

其中，采樣單元、比較單元以及驅動電路以及短路保護開關采用全硬件設計，不涉及軟件部分，避免了軟件失效導致短路保護失效的問題。另外，通過驅動電路對短路保護開關通斷的控制，實現了對均衡電路的保護，即當均衡電路短路時，可立即切斷均衡電路，響應時間短。

在具體實施時，這里的驅動電路可以通過多種方式實現，下面對其中一種實施方式進行具體介紹，如圖2所示，為本實施例的驅動電路在系統電路上的電路示意圖，穩壓管D3的陽極與MOS場效應管U3的源極相連，陰極與MOS場效應管U3的柵極通過第一降壓電阻R5相連；穩壓管D3并聯第一分流電阻R6；穩壓管的陰極通過第一限流電阻R1與乙類推挽式互補功率放大電路的輸出端相連；乙類推挽式互補功率放大電路的輸入端與供電電阻R2串聯后與電源連接；MOS場效應管U3的源極通過采樣電阻R7與均衡開關U1相連；從采樣電阻R7兩端輸出Is+和Is-到采集單元中。

供電電阻R2通過下拉電阻R3接地端。

發光二極管D2的陽極與乙類推挽式互補功率放大電路的輸出端通過第二降壓電阻R4連接；陰極接地端。

乙類推挽式互補功率放大電路包括NPN型三極管Q1和PNP型三極管Q2；Q1的集電極連接電源；Q1的發射極與Q2的發射極連接后作為乙類推挽式放大電路的輸出端；Q1的基極與Q2的基極連接后作為乙類推挽式放大電路的輸入端；Q2的集電極接地端。

二極管D1與第一限流電阻R1并聯，二極管D1陽極與發光二極管D2的陰極相連，二極管D1的陰極與乙類推挽式互補功率放大電路的輸出端相連。

所述驅動電路工作原理如下：

輸入驅動信號分為低電平信號和高電平信號，當低電平信號通過乙類推挽式互補功率放大電路的輸入端輸入時，驅動MOS場效應管U3截止，對均衡電路進行短路保護，此時發光二極管D2截止。

當高電平信號輸入時，通過乙類推挽式互補功率放大電路放大，再經過第一限流電阻R1限流和第一降壓電阻R5降壓后，驅動MOS場效應管U3導通，均衡電路正常工作，此時發光二極管D2導通，起到指示的作用。

二極管D1、第二降壓電阻R4和發光二極管D2形成快速釋放MOS管結電容電壓回路。

穩壓管D3、第一分流電阻R6和第一限流電阻R1組成穩壓電路，保護MOS場效應管的導通，防止電壓過大而擊穿。

下拉電阻R3作為+15V的負載，起到穩壓的作用，防止負載過小，電壓不穩。

在具體實施時，這里的采樣單元可以通過多種方式實現，下面對其中一種實施方式進行具體介紹，如圖3所示，為本實施例的采樣單元電路結構示意圖：

電阻R8、R10、R11、R12和集成運算放大器U4組成求差放大電路，其中電阻R8一端為求差放大電路的第一輸入端，另一端與集成運算放大器U4的反向輸入端連接；電阻R12一端接集成運算放大器U4的反向輸入端，另一端接運算放大器U4的輸出端；電阻R10一端為求差放大電路的第二輸入端，另一端接集成運算放大器U4的同向輸入端；電阻R11一端接集成運算放大器U4的同向輸入端，另一端接2.048V的基準電壓。

調理電阻R9接于求差放大電路的第一輸入端和第二輸入端之間；求差放大電路的第二輸入端，通過第一濾波電容C1接地。

兩個二極管D4、D5接于集成運算放大器U4的同相輸入端和反相輸入端之間，構成雙向限幅二極管。

所述采樣單元的工作原理如下：

從采樣電阻R7兩端采集的電流信號經過調理電阻R9的調理和求差放大電路放大后輸出電流采樣值至均衡電流比較電路；求差放大電路中的電阻R11一端接集成運算放大器U4的同向輸入端，另一端接基準電壓，能夠實現高精度的采集。

在具體實施時，這里的比較單元可以通過多種方式實現，下面對其中一種實施方式進行具體介紹，如圖4所示，為本實施例的比較單元的電路結構示意圖，包括均衡電流閾值電路；直流平衡電阻R15；電壓比較器U5；上拉電阻R16；第二濾波電容C1；第三降壓電阻R17；第四降壓電阻R19；第二分流電阻R18；晶閘管D7；光耦開關U6。

均衡電流閾值電路由電阻R13和電阻R14串聯組成，串聯后的電阻一端連電源，一端接地端。

晶閘管D7具有門極、陽極和陰極。

光耦開關U6具有四個管腳；

電壓比較器U5的反相輸入端與電阻R13和電阻R14之間的位置相連，直流平衡電阻R15與電壓比較器U5的正相輸入端連接；上拉電阻R16一端與電源連接，一端與電壓比較器U5的輸出端連接；電壓比較器U5的輸出端通過第三降壓電阻R17與晶閘管D7的門極連接；第二濾波電容C1一端接晶閘管D7的門極，另一端接地端；第二分流電阻R18一端連接晶閘管D7的門極，另一端接地端；晶閘管D7的陰極接地端，陽極通過第四降壓電阻R19與光耦開關U6的第二管腳相連。

發光二極管D6的陽極通過第四降壓電阻R19與光耦開關U6的第二管腳相連，發光二極管D6的陰極與晶閘管D7的陽極連接。

所述比較單元工作原理如下：

從采樣單元輸出的電流采樣值，通過直流平衡電阻R15傳輸到電壓比較器U5，與預設的均衡電流保護值通過比較器U5相比較，如果電流采樣值大于均衡電流閾值，則U5輸出高電平，驅動晶閘管D7導通，則電源VCC、光耦開關U6、第四降壓電阻R19、發光二極管D6、晶閘管D7、GND回路導通，光耦開關U6的第三管腳和第四管腳短路，輸出低電平信號至驅動電路中的乙類推挽式互補功率放大電路的輸入端，MOS場效應管U3斷開，對均衡電路進行短路保護；

如果電流采樣值小于均衡電流閾值，則光耦開關U6輸出高電平信號至驅動電路中的乙類推挽式互補功率放大電路的輸入端，MOS場效應管U3吸合，均衡電路正常工作。

通過改變R13和R14的阻值的大小，可以設定不同的電流閾值。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。