CN103227454A - 一种高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法和***，采用在放电过流保护场效晶体管回路中串联大功率正温度系数热敏电阻，限制动力锂电池组短路放电瞬间电流在一定的范围内；负载短路采样检测点电压大于0.7V，唤醒快速短路检测和控制电路并及时关断放电过流保护场效晶体管；放电负载短路时，一旦放电过流保护场效晶体管或快速短路检测和控制电路失效没能及时关断场效晶体管时，大功率正温度系数热敏电阻，也将在0.5s内变成高阻态阻断短路电流，将短路电流限制在mA级，将成万倍地提高***的安全可靠性；快速短路电流检测和控制电路的静态电流<2μA，以保护该放电过流保护场效晶体管不会发生过流击穿，从而有效提高动力锂电池组放电短路保护的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法和***，籍此方法和***可以有效提高动力锂电池组放电短路保护的可靠性。
背景技术
动力锂电池***5年来的应用历史发生了多起着火***恶性安全事故，其中部分原因就是由动力锂电池管理***（BMS）中短路保护失效引起的。
动力锂电池输出电流能力很强，与传统成熟的铅酸电池有着显著区别，给锂电池的短路保护的可靠性带来了困难。其工作原理如图1所示，其中锂电池的内阻=欧姆电阻+极化电阻：
1，由于动力锂电池组有很强的电容特性，开始放电瞬间极化电阻接近于零，48V/10AH动力锂电池组短路放电瞬间可以达到1KA，时间大于10μs。
2，由于动力锂电池的极化电阻在有效放电期间变化很小，同时欧姆电阻也可以制造得很小，即动力锂电池组的内阻很小，48V/10AH动力锂电池组的内阻通常为50 mΩ左右，短时间内（s数量级）可以给出>100A。
3，48V/10AH动力锂电池组负载短路，开始放电瞬间高达1KA，时间大于10μs，足可以将放电过流保护用MOSFET电流击穿而短路；而后继续给出>100A电流（s数量级）。对内可能引起锂电池组中的个别电芯过热发生着火***；对外可能引起负载过热发生着火。
发明内容
本发明的目的是要解决上述现有技术的不足，提供一种动力锂电池组放电短路保护方法和***，以解决动力锂电池组放电短路保护的可靠性问题。
本发明的目的是采用下述的技术方案来实现：
一种高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法，其特征在于：所述方法包括：
（1）采用大功率正温度系数热敏电阻（PTC）限制设定短路电流流过放电过流保护场效应晶体管（MOSFET），以保护该放电过流保护MOSFET关断时不会发生过流击穿；
（2）当负载短路时，负载短路采样检测点电压（WKUPV）将大于0.7V，唤醒快速短路检测和控制电路；
（3）所述快速短路检测和控制电路检测放电电流大于所述设定的短路电流时，及时关断所述的放电过流保护MOSFET；
（4）当所述放电过流保护MOSFET失效短路或所述快速短路检测和控制电路失效没能及时关断所述放电过流保护MOSFET时，所述的大功率PTC将在0.5秒内自动变成高阻态阻断短路电流。
上述（1）所述的采用大功率PTC限制设定短路电流流过放电过流保护MOSFET，是指在所述放电过流保护MOSFET回路中串联大功率PTC。
上述（1）所述的设定短路电流为3至4倍的额定工作电流。
所述的大功率PTC选用1.5倍额定工作电流。
所述的快速短路电流检测和控制电路包括负载短路采样电压检测点以及负载电流检测点，所述的负载短路采样电压检测点与所述的大功率PTC的一端连接，所述的负载电流检测点连接到电流检测电阻，所述快速短路电流检测和控制电路的输出与所述放电过流保护MOSFET的栅极连接。
所述的快速短路检测和控制电路的静态电流小于2μA，但所述快速短路检测和控制电路的全部响应时间累计小于50μs。
一种高安全性动力锂电池组放电短路保护控制***，所述短路保护控制***包括锂电池组、放电过流保护场效应晶体管（MOSFET）回路、电流检测电阻以及快速短路电流检测和控制电路，其特征在于：所述放电过流保护场效应晶体管（MOSFET）回路中串联大功率正温度系数热敏电阻（PTC），所述快速短路电流检测和控制电路包括负载短路采样电压检测点以及负载电流检测点，所述的负载短路采样电压检测点与所述的大功率PTC的一端连接，所述的负载电流检测点连接到电流检测电阻，所述快速短路电流检测和控制电路的输出与所述放电过流保护MOSFET的栅极连接，当所述快速短路检测和控制电路检测放电电流大于设定的短路电流时，及时关断所述的放电过流保护MOSFET。
所述的设定短路电流为3至4倍的额定工作电流。
所述的大功率PTC选用1.5倍额定工作电流。
当负载短路采样检测点电压（WKUPV）大于0.7V时，所述的快速短路检测和控制电路被唤醒进入工作状态。
所述的快速短路检测和控制电路的静态电流小于2μA，但所述快速短路检测和控制电路的全部响应时间累计小于50μs。
本发明提供的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法以及控制***，采用在放电过流保护MOSFET回路中串联大功率PTC，利用PTC-Snapback（电流折返）保护电流的特性，限制住动力锂电池组短路放电瞬间电流在一定的范围内；放电负载短路时，一旦放电过流保护MOSFET失效短路或快速短路检测和控制电路失效没能及时关断MOSFET时，大功率PTC，也将在0.5s内变成高阻态阻断短路电流，将短路电流限制在mA级，将成万倍地提高***的安全可靠性；快速短路电流检测和控制电路的静态电流<2μA，当放电负载短路时，WKUPV将大于0.7V，唤醒快速短路检测和控制电路及时关断放电过流保护MOSFET直到去掉负载，以保护该放电过流保护MOSFET不会发生过流击穿，从而有效提高动力锂电池组放电短路保护的可靠性。
附图说明
图1是锂电池内阻的电压电流曲线图；
图2是本发明实施例电路原理框图；
图3是本发明实施例放电短路保护原理图；
图4是大功率PTC电流折返电流电压曲线图；
图5是本发明放电过流保护MOSFET安全工作电压电流曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进一步加以描述：
为解决动力锂电池组放电短路保护的可靠性问题，本发明实施例提供的动力锂电池组放电短路保护控制方法包括：
（1）采用大功率PTC限制某个设定的短路电流流过放电过流保护MOSFET，以保护当负载短路时，该放电过流保护MOSFET关断时不会发生过流击穿。具体是在放电过流保护MOSFET回路中串联高压大功率PTC。
（2）当负载短路时，WKUPV将大于0.7V，唤醒与电流检测电阻连接的快速短路检测和控制电路，该快速短路检测和控制电路的静态电流小于2μA，但电路全部响应时间累计小于50μs。
（3）快速短路检测和控制电路检测到放电电流大于所设定的短路电流时，及时关断所述的放电过流保护MOSFET。
（4）当放电过流保护MOSFET失效短路或快速短路检测和控制电路失效没能及时关断该放电过流保护MOSFET时，所述的大功率PTC将在0.5秒内自动变成高阻态阻断短路电流。
本发明实施例同时提供了依据上述动力锂电池组放电短路保护控制方法的动力锂电池组放电短路保护控制***，以动力锂电池电动自行车电池管理***BMS过流保护为例，请参见图2、图3所示，本实施例动力锂电池组放电短路保护控制***包括锂电池组、放电过流保护MOSFET回路、电流检测电阻以及快速短路电流检测和控制电路。放电过流保护MOSFET回路中串联高压大功率PTC，快速短路电流检测和控制电路的负载短路采样电压检测点与大功率高压PTC的一端连接，快速短路电流检测和控制电路的负载电流检测点连接到由三个15mΩ/2W电阻并联构成的电流检测电阻，快速短路电流检测和控制电路的输出与放电过流保护MOSFET的栅极G连接，当快速短路检测和控制电路检测放电电流大于设定的短路电流时，及时关断所述的放电过流保护MOSFET。
放电过流保护MOSFET回路中串联高压大功率PTC，MOSFET漏极D连接到高压大功率PTC，MOSFET源极S连接到电流检测电阻。当WKUPV大于0.7V时，快速短路检测和控制电路被唤醒进入工作状态。快速短路检测和控制电路的静态电流小于2μA，但该电路全部响应时间累计小于50μs。设定短路电流为3至4倍的额定工作电流，当快速短路检测和控制电路检测到放电电流大于该设定的短路电流时，及时关断放电过流保护MOSFET。高压大功率PTC选用1.5倍额定工作电流。一旦放电过流保护MOSFET失效短路或快速短路检测和控制电路失效没能及时关断所述放电过流保护MOSFET时，高压大功率PTC将在0.5秒内自动变成高阻态阻断短路电流。
其中：
锂电池组放电电流参数为：
1，电池组额定工作电流PKIS；
2，电池组放电短路保护电流PKSIP：（>=4*PKIS）。
（放电短路保护响应时间<50μs）
大功率PTC电流参数：
1，PTC额定电流PTCIS：（=1.5*PKIS）；
2，PTC-Snapback保护电流PTCSKPI：（<=15*PTCIS）。
MOSFET电流及关断时间参数：
1，MOSFET短路保护关断电流MOSSIP：（>=PTCSKPI）；
2，MOSFET额定电流MOSIS：（>=1/3*MOSSIP）；
3，MOSFET短路保护关断时间MOSSIPTM：（<50μs）。
本发明***具有下述特点：
1. 在放电过流保护MOSFET回路中串联高压大功率PTC，主要具有以下三方面的作用：
A：利用PTC-Snapback保护电流的特性，限制住动力锂电池组短路放电瞬间电流。以48V/10AH电动自行车动力锂电池组为例计算：
电池组额定工作电流： PKIS=20A（2C放电）
PTC额定电流： PTCIS （=1.5*20A=30A）
PTC-Snapback保护电流： PTCSKPI （=15*30A=450A）
即如此短路电流将被限制在450A以内。
B：2只80V/80A-MOSFET并联，450A以内关断电流，在50μs以内关断。技术很成熟，可靠性很高，成本不高。
C：放电负载短路时，一旦过流保护MOSFET短路或没能及时关断，高压大功率PTC，也将在0.5s内变成高阻态，将短路电流限制在mA级，将成万倍地提高***的安全可靠性。
2. 设置快速短路电流检测和控制电路。
参数计算说明：电流检测电阻RDA//RDB//RDC= 5mΩ；2只MOSFET并联QDN1//QDN2的导通内阻= 4mΩ；大功率PTC的导通内阻>= 5mΩ。
当放电负载短路时WKUPV将大于0.7V：
1，QN1于QP1快速导通形成VCC给BJT型比较器（响应速度快，静态电流大）供电；同时R5于D1形成0.6V电压，经R6，R7分压形成0.41V短路电流参考电压（可根据定义短路电流值调节，当短路电流定义为>80A时，应设定为0.41V）。
2，短路电流经过电流检测电阻RDA//RDB//RDC形成电压，经R8，C1积分滤波（可在<=50μs内改变MOSFET关断时间）接入比较器。
3，如果TSTIV>0.41V比较器输出低电平，QP2于QN2快速导通，关断MOSFET。
4，MOSFET断开后高压的WKUPV经R16保持QN2导通，MOSFET继续保持关断状态，直到去掉负载。
当放电电流小于5A时WKUPV将小于0.1V，快速过流检测和控制电路的静态电流<2μA。
Claims (11)
1.一种高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法，其特征在于：所述方法包括：
（1）采用大功率正温度系数热敏电阻限制设定短路电流流过放电过流保护场效应晶体管，以保护该放电过流保护场效应晶体管关断时不会发生过流击穿；
（2）当负载短路时，负载短路采样检测点电压将大于0.7V，唤醒快速短路检测和控制电路；
（3）所述快速短路检测和控制电路检测放电电流大于所述设定的短路电流时，及时关断所述的放电过流保护场效应晶体管；
（4）当所述放电过流保护场效应晶体管失效短路或所述快速短路检测和控制电路失效没能及时关断所述放电过流保护场效应晶体管时，所述的大功率正温度系数热敏电阻将在0.5秒内自动变成高阻态阻断短路电流。
2.根据权利要求1所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法，其特征在于：上述（1）所述的采用大功率正温度系数热敏电阻限制设定短路电流流过放电过流保护场效应晶体管，是指在所述放电过流保护场效应晶体管回路中串联大功率正温度系数热敏电阻。
3.根据权利要求1所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法，其特征在于：上述（1）所述的设定短路电流为3至4倍的额定工作电流。
4.根据权利要求1所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法，其特征在于：所述的大功率正温度系数热敏电阻选用1.5倍额定工作电流。
5.根据权利要求1所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法，其特征在于：所述的快速短路电流检测和控制电路包括负载短路采样电压检测点以及负载电流检测点，所述的负载短路采样电压检测点与所述的大功率正温度系数热敏电阻的一端连接，所述的负载电流检测点连接到电流检测电阻，所述快速短路电流检测和控制电路的输出与所述放电过流保护场效应晶体管的栅极连接。
6.根据权利要求1所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制方法，其特征在于：所述的快速短路检测和控制电路的静态电流小于2μA，但所述快速短路检测和控制电路的全部响应时间累计小于50μs。
7.一种高安全性动力锂电池组放电短路保护控制***，所述短路保护控制***包括锂电池组、放电过流保护场效应晶体管回路、电流检测电阻以及快速短路电流检测和控制电路，其特征在于：所述放电过流保护场效应晶体管回路中串联大功率正温度系数热敏电阻，所述快速短路电流检测和控制电路包括负载短路采样电压检测点以及负载电流检测点，所述的负载短路采样电压检测点与所述的大功率正温度系数热敏电阻的一端连接，所述的负载电流检测点连接到电流检测电阻，所述快速短路电流检测和控制电路的输出与所述放电过流保护场效应晶体管的栅极连接，当所述快速短路检测和控制电路检测放电电流大于设定的短路电流时，及时关断所述的放电过流保护场效应晶体管。
8.根据权利要求7所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制***，其特征在于：所述的设定短路电流为3至4倍的额定工作电流。
9.根据权利要求7所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制***，其特征在于：所述的大功率正温度系数热敏电阻选用1.5倍额定工作电流。
10.根据权利要求7所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制***，其特征在于：当负载短路采样检测点电压大于0.7V时，所述的快速短路检测和控制电路被唤醒进入工作状态。
11.根据权利要求7所述的高安全性动力锂电池组放电短路保护控制***，其特征在于：所述的快速短路检测和控制电路的静态电流小于2μA，但所述快速短路检测和控制电路的全部响应时间累计小于50μs。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130731 |