蓄電池短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

申遠(yuǎn)，尹靜，陳曉婷，何冀軍

(1.合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院，安徽合肥230601;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230027)

蓄電池短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

申遠(yuǎn)1，2，尹靜1，陳曉婷1，何冀軍1

(1.合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院，安徽合肥230601;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230027)

介紹一種應(yīng)用于低壓直流系統(tǒng)的蓄電池短路保護(hù)電路.該電路通過檢測放電回路電流來判斷短路與否，并具有可控釋放短路保護(hù)的功能;該電路簡單、實(shí)用且有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性.還驗(yàn)證了在容性負(fù)載情況下能使系統(tǒng)正常啟動(dòng)所設(shè)置的參數(shù)，該蓄電池短路保護(hù)電路已在某公司產(chǎn)品中大量使用.

蓄電池組;短路保護(hù);容性負(fù)載

隨著蓄電池組在低壓直流系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍越來越廣，它的安全性一直是人們關(guān)注的重點(diǎn).蓄電池保護(hù)板一般都設(shè)計(jì)了電池單體均衡、電壓監(jiān)控、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過溫保護(hù)等功能結(jié)構(gòu)［1－3］.但是，在極端情況下，如負(fù)載短路、錯(cuò)誤搭接等，蓄電池組正負(fù)極將發(fā)生短路，因此蓄電池保護(hù)板的短路保護(hù)功能就顯得尤為重要［4－5］.

在低壓直流系統(tǒng)中，針對(duì)不同的應(yīng)用場景，短路保護(hù)電路存在多種實(shí)現(xiàn)方式.一般通過檢測短路時(shí)電壓驟降［6－7］或電流異常來進(jìn)行短路判斷［8－10］，隨后切斷充/放電回路.在電流檢測法中，通過檢測電流互感器或電流采樣電阻的電壓來判斷電路短路，但是毫秒級(jí)的短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間必然會(huì)使電路積聚大量的熱量，極容易燒毀電路中的功率器件，同時(shí)也會(huì)對(duì)蓄電池的性能產(chǎn)生影響［11］.作者設(shè)計(jì)一種基于電流檢測的短路保護(hù)電路，保護(hù)響應(yīng)時(shí)間在10μs左右，能有效地降低短路時(shí)電路產(chǎn)生的熱量.還通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在容性負(fù)載情況下能使系統(tǒng)正常啟動(dòng)所設(shè)置的參數(shù).

1 短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

蓄電池保護(hù)板的工作電路由單體電池檢測、溫度檢測、充電控制、放電控制、電流及短路檢測模塊組成［1－2］，如圖1所示(其中單體電池檢測、溫度檢測模塊未在圖中體現(xiàn)).

圖1 蓄電池組的工作電路Fig.1 W ork circuit of battery packs

此工作電路允許充電機(jī)和負(fù)載同時(shí)在線，通過充/放電MOS管和開關(guān)二極管來控制蓄電池組工作于充電或放電狀態(tài).正常工作狀態(tài)下，蓄電池組處于充電或放電狀態(tài)，電流及短路檢測電路檢測當(dāng)前電流.若電流處于正常范圍，則在蓄電池組狀態(tài)允許的情況下，充/放電控制狀態(tài)持續(xù);若電流過大，超過電路設(shè)計(jì)的額定過流能力的情況下，放電控制MOS管切斷.一般蓄電池組的短路保護(hù)只針對(duì)放電過程，充電過程的短路保護(hù)功能一般集成在充電機(jī)的基本功能之中.

考慮到蓄電池組的工作環(huán)境可能是無人干預(yù)的封閉環(huán)境，短路保護(hù)動(dòng)作發(fā)生以后，還需要進(jìn)行電路恢復(fù)，電流及短路檢測模塊還需要具有短路保護(hù)恢復(fù)的功能，并且短路保護(hù)恢復(fù)的時(shí)間間隔可通過軟件來自定義.此外，針對(duì)蓄電池組容量及額定工作電流的不同，可以采用適當(dāng)?shù)墓に噥聿⒔映?放電控制MOS管，以增大或減少電路的額定過流能力，重點(diǎn)解決MOS管的散熱問題.

電流及短路檢測模塊電路由電流傳感器、電流檢測、短路檢測及恢復(fù)電路組成，如圖2所示.

圖2 電流及短路檢測模塊電路Fig.2 Current and short-circuit detecting circuit

電流傳感器輸出電壓與電流成正比，最高可達(dá)5 V.蓄電池組工作回路電流在正常范圍內(nèi)時(shí)，電流傳感器的輸出一方面經(jīng)電阻R1和電容C1組成的RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾除電路噪聲后，傳給蓄電池保護(hù)板的主控單元;另一方面經(jīng)由穩(wěn)壓二極管Z1和電阻R3組成的分壓電路分壓后，經(jīng)電阻R2和電容C2組成RC濾波網(wǎng)絡(luò)形成可控硅Q1(MCR100－6)的門極觸發(fā)電壓，使得Q1不能導(dǎo)通，短路指示燈LED不亮，光敏二極管U2不工作，即短路保護(hù)不動(dòng)作.當(dāng)回路電流超過額定工作電流數(shù)倍時(shí)，可以認(rèn)為電路有短路情況發(fā)生，則Q1導(dǎo)通，短路指示燈點(diǎn)亮，U2使放電控制MOS管的柵極和源極導(dǎo)通，即切斷放電控制MOS管，短路保護(hù)動(dòng)作.此時(shí)，短路檢測(short test)點(diǎn)可檢測到電平從高到低持續(xù)變化.

短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間td由電流傳感器(U1)的響應(yīng)時(shí)間tr_I、檢測電路的延遲時(shí)間td1、可控硅Q1的響應(yīng)時(shí)間tr_Q1和光耦的響應(yīng)時(shí)間tON累加而成，即

其中:tr_I、tr_Q1和tON由所選元器件的固有屬性決定，其典型值分別為0.3、0.02和2μs;td1取決于檢測電路的具體參數(shù)，其大小主要受R2和C2組成的RC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)電流傳感器電壓輸出延遲的影響.可控硅的門極電壓V［12］GT的相關(guān)公式為

其中:VZ是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓，取3.3 V;T是RC網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)，T=R2×C2;Vout_I可從電流傳感器T60404－N4646－X651的DataSheet中查出;Ip是待檢測的蓄電池組的工作回路電流，當(dāng)Ip大于2倍的電流傳感器額定檢測電流(25 A)時(shí)，則認(rèn)為短路情況發(fā)生.

將式(3)代入式(2)，可控硅Q1的門極觸發(fā)電壓為0.62 V時(shí)，式(2)中時(shí)間t即為檢測電路的延遲時(shí)間td1，其大小為

圖3 回路電流與檢測電路延遲時(shí)間之間的關(guān)系(R2=200Ω，C2=0.1μF)Fig.3 Relationship between circuit current and delay time(R2=200Ω，C2=0.1μF)

由圖3可知，當(dāng)回路電流高達(dá)100 A時(shí)，短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間td在10μs左右.

此外，由于Q1導(dǎo)通后并不能自動(dòng)恢復(fù)，所以即使短路情況解除后放電回路也無法自動(dòng)恢復(fù)正常工作，這就需要蓄電池保護(hù)板的主控單元在檢測到短路情況發(fā)生后，經(jīng)過適當(dāng)延時(shí)后進(jìn)行放電回路恢復(fù)動(dòng)作.可以通過給Restore管腳一個(gè)高電平，N溝道場效應(yīng)管U3將Q1的正向端拉低至地(GND)，Q1再次截止，短路保護(hù)動(dòng)作取消.

可見，延遲時(shí)間td1與R2、C2成正比關(guān)系，并且隨著所檢測的蓄電池組工作回路電流的增大而減小(見圖3).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用8串30AH的磷酸鐵鋰電池組(總電壓為8×3.3 V)作為待測蓄電池組.Z1選用3.3 V的穩(wěn)壓二極管，R2和C2分別選用200Ω的電阻和0.1μF的電容，R3取1 kΩ.預(yù)先在電池組放電回路中串聯(lián)一個(gè)可控開關(guān)，開關(guān)初始狀態(tài)為斷開，此時(shí)將電池組進(jìn)行正負(fù)極短接，然后閉合可控開關(guān)，進(jìn)行短路測試.分別用示波器(型號(hào):RIGOL 2102－S)的CH1和CH2記錄放電控制MOS管的柵極(DIS_G)和源極(DIS_S)之間的壓差和電流傳感器U1的輸出，如圖4所示.

圖4 短路保護(hù)時(shí)動(dòng)作波形Fig.4 Operative waves of short－circuit protection

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)短路情況發(fā)生時(shí)，經(jīng)過檢測觸發(fā)短路保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)DIS_G與DIS_S之間的差分電壓從10 V降低到0 V，整個(gè)短路保護(hù)過程響應(yīng)時(shí)間tD在60μs左右.由于實(shí)驗(yàn)中采用手動(dòng)可控開關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間明顯延長(即從理想值0.3μs變?yōu)閳D4中的40μs(即CH2波形峰值的上升時(shí)間))，大大延長了短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)放電控制MOS管響應(yīng)時(shí)間近10μs(即CH1波形峰值的下降時(shí)間)，故短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間td1接近10μs，達(dá)到了理論分析的數(shù)值.

蓄電池保護(hù)板在實(shí)際使用中，往往面臨著并非純阻性的負(fù)載.對(duì)于容性負(fù)載而言，放電回路啟動(dòng)的瞬間，回路中有較大的充電電流，很容易發(fā)生誤觸發(fā)短路保護(hù)動(dòng)作，使得放電回路無法正常工作.由于短路保護(hù)誤動(dòng)作主要來自于Z1和R3組成的分壓網(wǎng)絡(luò)與R2和C2組成的RC濾波網(wǎng)絡(luò)之間的不匹配，故可通過選取不同的R2和R3阻值來測定該短路保護(hù)電路對(duì)容性負(fù)載的兼容性.容性負(fù)載使用高耐壓值的大電容串/并聯(lián)來模擬接在蓄電池保護(hù)板工作電路中的負(fù)載部分，啟動(dòng)工作電路的瞬間，蓄電池組對(duì)電容充電，工作電路中形成大電流，結(jié)果如表1所示，其中Vout_I_Max為電流傳感器的最大輸出電壓，tD為整個(gè)短路保護(hù)過程的響應(yīng)時(shí)間.

表1 不同容性負(fù)載條件下R2和R3的選取對(duì)短路保護(hù)功能的影響Tab.1 Results of short-circuit protection with different values of the resistances R2，R3 and capacitive load

由表1可知，容性負(fù)載越大，相應(yīng)的電流傳感器最大輸出電壓越高、短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間越長;R3與Z1的分壓網(wǎng)絡(luò)中，R3越大，在正常電流大小檢測過程中，穩(wěn)壓管達(dá)不到穩(wěn)定電壓而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的阻值越小，R3兩端分壓較高時(shí)越容易導(dǎo)致短路保護(hù)的誤動(dòng)作;R2越大，短路功能響應(yīng)時(shí)間越大，可控硅的門極觸發(fā)電壓上升越慢，即能支持較大的容性負(fù)載，不會(huì)出現(xiàn)短路保護(hù)誤動(dòng)作.因此，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場景中的負(fù)載電容的大小，需要合理選擇電路參數(shù).

3 結(jié)束語

蓄電池組作為后備電源，廣泛地應(yīng)用于低壓直流系統(tǒng)中，它的安全性尤為重要.作者介紹了一種電流檢測及短路保護(hù)的電路，電路簡單實(shí)用、能可控恢復(fù)，支持容性負(fù)載帶載啟動(dòng)，短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間在10μs左右，有效地降低了MOS管的散熱問題帶來的影響，具有較強(qiáng)的工作穩(wěn)定性及應(yīng)用價(jià)值.該蓄電池短路保護(hù)電路已在某公司產(chǎn)品中大量使用.

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(責(zé)任編輯 鄭小虎)

Design and applied research of short-circuit protection circuit for battery packs

SHEN Yuan1，2，YIN Jing1，CHEN Xiao－ting1，HE Ji－jun1
(1.School of Electronics and Information Engineering，Hefei Normal University，Hefei 230601，China; 2.School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China)

Low voltage DC system＇s short－circuit protection circuit for battery packs was introduced in the paper.This circuit determined the situation of short－circuit by detecting the anomalous discharge current，and was able to release the short－circuit protection when itwas commanded by a control signal.With strong stability and applicability，it was simple and practical.In addition，appropriate circuit parameters for different capacitive load was verified by experiments and the shortcircuit protection circuitwas applied to the actual products.

battery packs;short－circuit protection;capacitive load

TM912

A

1000－2162(2014)03－0056－05

10.3969/j.issn.1000－2162.2014.03.010

2013－12－04

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(WK209009001);安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1308085QE92);合肥師范學(xué)院人才基金資助項(xiàng)目(2013rcjj04)

申遠(yuǎn)(1985—)，男，湖南懷化人，合肥師范學(xué)院講師，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后.