蓄电池短路保护电路设计及应用研究

申远，尹静，陈晓婷，何冀军

(1.合肥师范学院电子信息工程学院，安徽合肥230601;2.中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥230027)

蓄电池短路保护电路设计及应用研究

申远1，2，尹静1，陈晓婷1，何冀军1

(1.合肥师范学院电子信息工程学院，安徽合肥230601;2.中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥230027)

介绍一种应用于低压直流系统的蓄电池短路保护电路.该电路通过检测放电回路电流来判断短路与否，并具有可控释放短路保护的功能;该电路简单、实用且有较强的稳定性和适应性.还验证了在容性负载情况下能使系统正常启动所设置的参数，该蓄电池短路保护电路已在某公司产品中大量使用.

蓄电池组;短路保护;容性负载

随着蓄电池组在低压直流系统中的应用范围越来越广，它的安全性一直是人们关注的重点.蓄电池保护板一般都设计了电池单体均衡、电压监控、过充电保护、过放电保护、过温保护等功能结构［1－3］.但是，在极端情况下，如负载短路、错误搭接等，蓄电池组正负极将发生短路，因此蓄电池保护板的短路保护功能就显得尤为重要［4－5］.

在低压直流系统中，针对不同的应用场景，短路保护电路存在多种实现方式.一般通过检测短路时电压骤降［6－7］或电流异常来进行短路判断［8－10］，随后切断充/放电回路.在电流检测法中，通过检测电流互感器或电流采样电阻的电压来判断电路短路，但是毫秒级的短路保护响应时间必然会使电路积聚大量的热量，极容易烧毁电路中的功率器件，同时也会对蓄电池的性能产生影响［11］.作者设计一种基于电流检测的短路保护电路，保护响应时间在10μs左右，能有效地降低短路时电路产生的热量.还通过实验验证在容性负载情况下能使系统正常启动所设置的参数.

1 短路保护电路设计

蓄电池保护板的工作电路由单体电池检测、温度检测、充电控制、放电控制、电流及短路检测模块组成［1－2］，如图1所示(其中单体电池检测、温度检测模块未在图中体现).

图1 蓄电池组的工作电路Fig.1 W ork circuit of battery packs

此工作电路允许充电机和负载同时在线，通过充/放电MOS管和开关二极管来控制蓄电池组工作于充电或放电状态.正常工作状态下，蓄电池组处于充电或放电状态，电流及短路检测电路检测当前电流.若电流处于正常范围，则在蓄电池组状态允许的情况下，充/放电控制状态持续;若电流过大，超过电路设计的额定过流能力的情况下，放电控制MOS管切断.一般蓄电池组的短路保护只针对放电过程，充电过程的短路保护功能一般集成在充电机的基本功能之中.

考虑到蓄电池组的工作环境可能是无人干预的封闭环境，短路保护动作发生以后，还需要进行电路恢复，电流及短路检测模块还需要具有短路保护恢复的功能，并且短路保护恢复的时间间隔可通过软件来自定义.此外，针对蓄电池组容量及额定工作电流的不同，可以采用适当的工艺来并接充/放电控制MOS管，以增大或减少电路的额定过流能力，重点解决MOS管的散热问题.

电流及短路检测模块电路由电流传感器、电流检测、短路检测及恢复电路组成，如图2所示.

图2 电流及短路检测模块电路Fig.2 Current and short-circuit detecting circuit

电流传感器输出电压与电流成正比，最高可达5 V.蓄电池组工作回路电流在正常范围内时，电流传感器的输出一方面经电阻R1和电容C1组成的RC滤波网络滤除电路噪声后，传给蓄电池保护板的主控单元;另一方面经由稳压二极管Z1和电阻R3组成的分压电路分压后，经电阻R2和电容C2组成RC滤波网络形成可控硅Q1(MCR100－6)的门极触发电压，使得Q1不能导通，短路指示灯LED不亮，光敏二极管U2不工作，即短路保护不动作.当回路电流超过额定工作电流数倍时，可以认为电路有短路情况发生，则Q1导通，短路指示灯点亮，U2使放电控制MOS管的栅极和源极导通，即切断放电控制MOS管，短路保护动作.此时，短路检测(short test)点可检测到电平从高到低持续变化.

短路保护响应时间td由电流传感器(U1)的响应时间tr_I、检测电路的延迟时间td1、可控硅Q1的响应时间tr_Q1和光耦的响应时间tON累加而成，即

其中:tr_I、tr_Q1和tON由所选元器件的固有属性决定，其典型值分别为0.3、0.02和2μs;td1取决于检测电路的具体参数，其大小主要受R2和C2组成的RC滤波网络对电流传感器电压输出延迟的影响.可控硅的门极电压V［12］GT的相关公式为

其中:VZ是稳压二极管的稳定电压，取3.3 V;T是RC网络时间常数，T=R2×C2;Vout_I可从电流传感器T60404－N4646－X651的DataSheet中查出;Ip是待检测的蓄电池组的工作回路电流，当Ip大于2倍的电流传感器额定检测电流(25 A)时，则认为短路情况发生.

将式(3)代入式(2)，可控硅Q1的门极触发电压为0.62 V时，式(2)中时间t即为检测电路的延迟时间td1，其大小为

图3 回路电流与检测电路延迟时间之间的关系(R2=200Ω，C2=0.1μF)Fig.3 Relationship between circuit current and delay time(R2=200Ω，C2=0.1μF)

由图3可知，当回路电流高达100 A时，短路保护响应时间td在10μs左右.

此外，由于Q1导通后并不能自动恢复，所以即使短路情况解除后放电回路也无法自动恢复正常工作，这就需要蓄电池保护板的主控单元在检测到短路情况发生后，经过适当延时后进行放电回路恢复动作.可以通过给Restore管脚一个高电平，N沟道场效应管U3将Q1的正向端拉低至地(GND)，Q1再次截止，短路保护动作取消.

可见，延迟时间td1与R2、C2成正比关系，并且随着所检测的蓄电池组工作回路电流的增大而减小(见图3).

2 实验结果

采用8串30AH的磷酸铁锂电池组(总电压为8×3.3 V)作为待测蓄电池组.Z1选用3.3 V的稳压二极管，R2和C2分别选用200Ω的电阻和0.1μF的电容，R3取1 kΩ.预先在电池组放电回路中串联一个可控开关，开关初始状态为断开，此时将电池组进行正负极短接，然后闭合可控开关，进行短路测试.分别用示波器(型号:RIGOL 2102－S)的CH1和CH2记录放电控制MOS管的栅极(DIS_G)和源极(DIS_S)之间的压差和电流传感器U1的输出，如图4所示.

图4 短路保护时动作波形Fig.4 Operative waves of short－circuit protection

实验证实，当短路情况发生时，经过检测触发短路保护动作，此时DIS_G与DIS_S之间的差分电压从10 V降低到0 V，整个短路保护过程响应时间tD在60μs左右.由于实验中采用手动可控开关进行实验，电流传感器的响应时间明显延长(即从理想值0.3μs变为图4中的40μs(即CH2波形峰值的上升时间))，大大延长了短路保护响应时间，同时放电控制MOS管响应时间近10μs(即CH1波形峰值的下降时间)，故短路保护的响应时间td1接近10μs，达到了理论分析的数值.

蓄电池保护板在实际使用中，往往面临着并非纯阻性的负载.对于容性负载而言，放电回路启动的瞬间，回路中有较大的充电电流，很容易发生误触发短路保护动作，使得放电回路无法正常工作.由于短路保护误动作主要来自于Z1和R3组成的分压网络与R2和C2组成的RC滤波网络之间的不匹配，故可通过选取不同的R2和R3阻值来测定该短路保护电路对容性负载的兼容性.容性负载使用高耐压值的大电容串/并联来模拟接在蓄电池保护板工作电路中的负载部分，启动工作电路的瞬间，蓄电池组对电容充电，工作电路中形成大电流，结果如表1所示，其中Vout_I_Max为电流传感器的最大输出电压，tD为整个短路保护过程的响应时间.

表1 不同容性负载条件下R2和R3的选取对短路保护功能的影响Tab.1 Results of short-circuit protection with different values of the resistances R2，R3 and capacitive load

由表1可知，容性负载越大，相应的电流传感器最大输出电压越高、短路保护响应时间越长;R3与Z1的分压网络中，R3越大，在正常电流大小检测过程中，稳压管达不到稳定电压而呈现动态的阻值越小，R3两端分压较高时越容易导致短路保护的误动作;R2越大，短路功能响应时间越大，可控硅的门极触发电压上升越慢，即能支持较大的容性负载，不会出现短路保护误动作.因此，针对实际应用场景中的负载电容的大小，需要合理选择电路参数.

3 结束语

蓄电池组作为后备电源，广泛地应用于低压直流系统中，它的安全性尤为重要.作者介绍了一种电流检测及短路保护的电路，电路简单实用、能可控恢复，支持容性负载带载启动，短路保护响应时间在10μs左右，有效地降低了MOS管的散热问题带来的影响，具有较强的工作稳定性及应用价值.该蓄电池短路保护电路已在某公司产品中大量使用.

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(责任编辑 郑小虎)

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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(WK209009001);安徽省自然科学基金资助项目(1308085QE92);合肥师范学院人才基金资助项目(2013rcjj04)

申远(1985—)，男，湖南怀化人，合肥师范学院讲师，中国科学技术大学博士后.