一种锂电池防爆电路的制作方法

1.本实用新型涉及电池防爆技术领域，具体涉及一种锂电池防爆电路。


背景技术：

2.由于锂离子电池使用寿命长、可循环使用、比能量高、高功率承受力、自放电率低等优点，锂离子电池成为越来越多人群的首选，锂电池的使用安全问题也愈发显得重要。对于防爆电池，必须要符合标准“gb3836.4
‑
2010爆炸性环境第四部分：由本质安全型“1”保护的设备”，标准中要求：
①
当设备在爆炸性环境中使用时，电池要限制能量的输出，以保证设备和电池连接瞬间产生的火花不引起可燃气体的爆炸；
②
对于“ib”保护等级，需要有两级的过流保护，这样即使一级存在故障，另一级仍可以正常保护。
3.专利cn 207353833 u公开了一种电池防爆电路，该电路虽然具有一、二级保护功能，但是，也存在比较明显的缺陷：该电路电流采样电阻较大，导致使用过程中较高能量损耗；一级与二级保护电路原理相同，系统的可靠性差。
4.专利cn 104466933 a公开了一种限能防爆电路，其主要缺陷为：该电路不具有可恢复性，限能机制一经触发，电路即永久失效；而且，该电路仅具有一重保护，无法满足gb3836.4
‑
2010标准中防爆“ib”等级的要求(gb3836.4
‑
20105.3“ib保护等级
‑
b)”。
5.因此，亟需一种保护电路，以使锂电池组在特殊应用情况下亦不具有点燃气体的条件，同时满足gb3836.4
‑
2010标准“ib保护等级”的要求，即提供电池使用的安全性。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有两级保护，且工作可靠性高的锂电池防爆电路。
7.为实现上述目的，本实用新型提供了一种锂电池防爆电路，包括待保护的电池组、一级保护电路和二级保护电路，一级保护电路包括mos开关q1、mos开关q2和集成电路，二级保护电路包括电流采样电阻rs2、mos开关q4、放大电路、比较电路和逻辑电路，其中，电流采样电阻rs2、mos开关q4、mos开关q2和mos开关q1自电池组的负极b
‑
沿电流的反方向依次串联于电池组的主回路中，且电流采样电阻rs2远离电池组负极b
‑
的一端接点；
8.一级保护电路中，由集成电路对mos开关q1和mos开关q2的通断进行控制，从而实现对电池组电路提供一级保护；
9.二级保护电路中，通过电流采样电阻rs2两端电压实现电流采样，放大电路将电池组负极b
‑
的电压进行放大，再比较电路与预设的基准电压进行比较，比较结果经逻辑电路处理后对mos开关q4进行通断控制，从而实现对电池组电路提供二级保护。
10.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述放大电路包括运算放大器u5a和运算放大器u5b，比较电路包括比较器u4a和比较器u4b，逻辑电路包括或门u3a和或门u3b，其中：
11.运算放大器u5a的同向输入端通过电阻r18连接至接地点gnd，运算放大器u5a的反
向输入端通过电阻r15连接至电池组的负极b
‑
，运算放大器u5a的输出端通过电阻r17连接至比较器u4a的“+”输入端，比较器u4a的
“‑”
输入端外连预设的第一基准电压；
12.运算放大器u5b的同向输入端通过电阻r25连接至电池组的负极b
‑
，运算放大器u5b的反向输入端通过电阻r19连接至接地点gnd，运算放大器u5b的输出端通过电阻r24连接至比较器u4b的“+”输入端，比较器u4b的
“‑”
输入端外接预设的第二基准电压；
13.或门u3a的“a”输入端通过电阻r16连接至比较器u4a的输出端，或门u3a的“b”输入端与或门u3b的输出端连接，或门u3a的输出端连接或门u3b的“a”输入端，或门u3b的“b”输入端通过电阻r23连接至比较器u4b的输出端，或门u3b的输出端用于输出逻辑信号以对mos开关q4进行通断控制。
14.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述二级保护电路还包括设置在逻辑电路与mos开关q4之间的mos开关q3，mos开关q3的g极通过r36连接至或门u3b的输出端，mos开关q3的s极与电池组的负极b
‑
连接，mos开关q3的d极与mos开关q4的g极连接。
15.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述运算放大器u5a的同向输入端与电池组的负极b
‑
之间连接有电容c15，运算放大器u5a的反向输入端与其输出端之间连接有电阻r13；运算放大器u5b的反向输入端与其输出端之间连接有电阻r20，电阻r20还并联有电容c17。
16.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述比较器u4a的“+”输入端与电池组的负极b
‑
之间连接有电容c16，比较器u4b的“+”输入端与与电池组的负极b
‑
之间连接有电阻r100。
17.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述或门u3a的“a”输入端与电池组的负极b
‑
之间连接有电容c36，且或门u3a的“a”输入端与比较器u4a的输出端之间的电阻r16并联有二极管d8，二极管d8的阳极位于连接或门u3a的“a”输入端的一侧。
18.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述锂电池防爆电路还包括基准电压电路，基准电压电路通过对工作电源进行分压以提供预设的基准电压。
19.作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述基准电压电路包括于工作电源与电池组的负极b
‑
之间沿电流方向依次串联的电阻r31、电阻r32和电阻r33，电阻r31与电阻r32之间连接点的电压为第一基准电压，电阻r32和电阻r33之间连接点的电压为第二基准电压。
20.本实用新型的锂电池防爆电路，通过采用上述技术方案，在一级保护电路的基础上设置相串联的二级保护电路对电池组进行保护，对放电的限制，有效保护了电池组在特殊应用场景下使用时，不会点燃气体，满足防爆要求；一级保护电路通过集成ic(芯片u1)进行信号采集、处理及逻辑判断，对主回路中q1和q2进行通断控制，从而实现一级保护，而二级保护电路通过运算放大器、比较器、或门组合实现过流保护的判断来控制q4的通断，从而实现二级保护，一级与二级保护电路具有极大差异性，从而有效提高了系统的可靠性。
附图说明
21.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
22.图1为本实用新型锂电池防爆电路提供的一实例的结构框图；
23.图2为一级保护电路的电路图；
24.图3为二级保护电路的电路图；
25.图4为基准电压电路的电路图。
26.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
27.下面将结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
28.如图1所示，本实用新型提供了一种锂电池防爆电路，包括待保护的电池组、一级保护电路和二级保护电路，一级保护电路包括mos开关q1、mos开关q2和集成电路，二级保护电路包括电流采样电阻rs2、mos开关q4、放大电路、比较电路和逻辑电路，其中，电流采样电阻rs2、mos开关q4、mos开关q2和mos开关q1自电池组的负极b
‑
沿电流的反方向依次串联于电池组的主回路中，且电流采样电阻rs2远离电池组负极b
‑
的一端接点。
29.在本实施例中，以具有四节电芯的电池组(待保护的锂电池)为例，该电池组的正负极分别定义为b+和b
‑
，每节电芯的正极沿其电流方向依次定义为b1、b2、b3，电池组与一级保护电路、二级保护电路的连接图参阅图2至3所示，图1中的ctr与图2中的ctr相连，图2中的b
‑
均连接到图1中电池组的负极b
‑
。
30.一级保护电路对电池组进行保护属于现有技术，本实用新型主要是在一级保护电路与电池组相连的电路中加入二级保护电路，以提升电路的可靠性，达到对电池组的进一步保护。
31.一级保护电路的集成电路具有芯片u1，芯片u1对电池组中的每节电芯的正极电压分别进行采样，而且，电流采样电阻rs2与mos开关q4之间设有电流采样电阻rs1，电流采样电阻rs2和电流采样电阻rs1之间的等电位点为接地点gnd，芯片u1还通过电流采样电阻rs1两端电压实现电流采样，芯片u1将采样结果通过其逻辑判断以对mos开关q1和mos开关q2的通断进行控制，从而实现对电池组电路提供一级保护，主要包括过压、欠压、充电过流、放电过流、短路保护等。对电芯正极电压采集时，u1以vss管脚的电压作为第一节电芯的负极电压，通过r12、c11对第一节电芯正极电压采样，通过r11、c10对第二节电芯正极电压采样，通过r10、c9对第三节电芯正极电压采样。实际应用中，一级保护电路对电池组还具有的温度检测功能，通过r6、热敏电阻rt1可实现对温度的采样，使得还可进行过温保护。
32.二级保护电路中，通过电流采样电阻rs2两端电压实现电流采样，放大电路将电池组负极b
‑
的电压进行放大，再比较电路与预设的基准电压进行比较，比较结果经逻辑电路处理后对mos开关q4进行通断控制，最终实现的结果是放电电流大于设定二级保护电流时触发二级保护，使q4关闭；或者充电电流大于设定二级恢复电流时触发二级保护恢复，使q4打开，从而实现对电池组电路提供二级保护。
33.一级保护电路和二级保护电路的过流保护值、短路保护值分别通过改变电流采样电阻值rs1和rs2来实现变更，以满足不同的使用需求，由此设置符合gb3836.4
‑
2010标准中要求的电流保护值。
34.一级保护电路和二级保护电路配合使用，在电路正常工作时，一级保护电路与二
级保护电路同时对电流做监测，因为一级过流保护触发时间相对短，所以正常情况下二级保护电路不动作，过流保护只由一级保护电路承担；当一级过流保护失效或短路保护失效时，即q2短路，当电流超过二级保护电流阈值时，触发二级过流保护，关闭q4，电池组停止放电；当二级保护电路失效时，即q4短路，电流超过一级过流保护电流阈值时，触发一级过流保护，关闭q2；由此满足gb3836.4
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2010标准中防爆“ib”等级的要求(gb3836.4
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20105.3“ib保护等级
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b)”。
35.具体实施中，所述放大电路包括运算放大器u5a和运算放大器u5b，比较电路包括比较器u4a和比较器u4b，逻辑电路包括或门u3a和或门u3b，在逻辑电路前端，连接有两条放大、比较线路，分别对电池组放电时和充电恢复时进行保护，其中：
36.运算放大器u5a的同向输入端通过电阻r18连接至接地点gnd，运算放大器u5a的反向输入端通过电阻r15连接至电池组的负极b
‑
，运算放大器u5a的输出端通过电阻r17连接至比较器u4a的“+”输入端，比较器u4a的
“‑”
输入端外连预设的第一基准电压；
37.运算放大器u5b的同向输入端通过电阻r25连接至电池组的负极b
‑
，运算放大器u5b的反向输入端通过电阻r19连接至接地点gnd，运算放大器u5b的输出端通过电阻r24连接至比较器u4b的“+”输入端，比较器u4b的
“‑”
输入端外接预设的第二基准电压；
38.或门u3a的“a”输入端通过电阻r16连接至比较器u4a的输出端，或门u3a的“b”输入端与或门u3b的输出端连接，或门u3a的输出端连接或门u3b的“a”输入端，或门u3b的“b”输入端通过电阻r23连接至比较器u4b的输出端，或门u3b的输出端用于输出逻辑信号以对mos开关q4进行通断控制。
39.具体实施中，所述二级保护电路还包括设置在逻辑电路与mos开关q4之间的mos开关q3，mos开关q3的g极通过r36连接至或门u3b的输出端，mos开关q3的s极与电池组的负极b
‑
连接，mos开关q3的d极与mos开关q4的g极连接。
40.具体实施中，所述运算放大器u5a的同向输入端与电池组的负极b
‑
之间连接有电容c15，运算放大器u5a的反向输入端与其输出端之间连接有电阻r13；运算放大器u5b的反向输入端与其输出端之间连接有电阻r20，电阻r20还并联有电容c17。
41.具体实施中，所述比较器u4a的“+”输入端与电池组的负极b
‑
之间连接有电容c16，比较器u4b的“+”输入端与与电池组的负极b
‑
之间连接有电阻r100。
42.具体实施中，所述或门u3a的“a”输入端与电池组的负极b
‑
之间连接有电容c36，且或门u3a的“a”输入端与比较器u4a的输出端之间的电阻r16并联有二极管d8，二极管d8的阳极位于连接或门u3a的“a”输入端的一侧。
43.参阅图4所示，所述锂电池防爆电路还包括基准电压电路，基准电压电路通过对工作电源vcc_5.0v进行分压以提供预设的基准电压。所述基准电压电路包括于工作电源vcc_5.0v与电池组的负极b
‑
之间沿电流方向依次串联的电阻r31、电阻r32和电阻r33，电阻r31与电阻r32之间连接点的电压为第一基准电压ref_2.5v，电阻r32和电阻r33之间连接点的电压为第二基准电压ref_0.25v。
44.在本实用新型中，采用在现有的一级保护电路的基础上设置相串联的二级保护电路对电池组进行保护，对放电的限制，有效保护电池组在特殊应用场景下使用时，不会点燃气体，满足防爆要求；一级保护电路通过集成ic(芯片u1)进行信号采集、处理及逻辑判断，对主回路中q1和q2进行通断控制，从而实现一级保护，而二级保护电路通过运算放大器、比
较器、或门组合实现过流保护的判断来控制q4的通断，从而实现二级保护，一级与二级保护电路具有极大差异性，从而有效提高了系统的可靠性。
45.虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本实用新型的原理和实质，本实用新型的保护范围仅由所附权利要求书限定。