本質安全型鋰離子電源的製作方法

2023-10-05 22:48:29

專利名稱：本質安全型鋰離子電源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電源技術領域，特別是一種在含有爆炸性氣體環境中使用的本質安全型鋰離子電源。
背景技術：
現有的鋰離子電源包括由多個鋰離子電池組成的電池組和電池組保護電路，該保護電路一般說來具有過充電、過放電、過電流、短路四種保護功能。對於在爆炸氣體環境下使用的本質安全型電源來說必須符合國家防爆檢驗標準，其中瞬間短路打火能量是非常重要的指標。為此，現有的本質安全型電源為了防爆均在電池組的輸出端串入了限流電阻，並將輸出電壓或輸出電流限制在較低範圍，對於電池組來講其輸出端串入限流電阻將有非常大的能量損耗在該電阻上。申請人認為，在某些情況下，例如在礦山救援時，所供救援設備使用的本質安全型電源其輸出電壓或電流不能太小，可以採用縮短關斷延遲時間的方法來達到降低瞬間短路打火能量的目的。但目前所有的專用鋰離子電源保護電路的過電流保護和短路保護的關斷延遲時間分別為毫秒級與微秒級，不能滿足本質安全電源的要求。

發明內容
本實用新型所要解決的問題是對現有的鋰離子電源進行改進，提供一種能量損耗小的本質安全型鋰離子電源。
解決上述問題的技術方案是所提供的本質安全型鋰離子電源包括由多個鋰離子電池組成的電池組和電池組保護電路，本實用新型的改進之處是在電池組保護電路與電源輸出端之間設有快速關斷保護電路，它由納秒級開通的三極體或場效應管和納秒級關斷的開關管構成，其中納秒級開通的三極體或場效應管的集電極通過電阻與納秒級關斷的開關管的門極相連，納秒級開通的三極體或場效應管的發射極與電池組的正極及納秒級關斷的開關管的源極相連，納秒級開通的三極體或場效應管的基極通過電阻與納秒級關斷的開關管的漏極相連。上述三極體或場效應管起著監視電池放電電流的作用，一旦該電流在該開關管及與其門極相連的電阻上的壓降超過該三極體或場效應管的閾值電壓，該三極體或場效應管會在納秒級開通，集電極電位變高，使得開關管在納秒級時間內關斷，從而實現了降低瞬間短路打火能量的目的。
與現有技術相比，由於本實用新型將關斷延遲時間降到了納秒級，所以在保證電源本質安全性的條件下，可以提高電源的輸出電壓或電流，並可取消或減小電源輸出端的限流電阻，降低電源的能耗。


圖1是本實用新型的電原理框圖。
圖2是本實用新型一個實施例的電路原理圖。
具體實施方式
如圖1所示與現有技術一樣，本實用新型的電池組1上也接有過充電、過放電、過電流和短路保護電路2，在保護電路2的後面串接兩級快速關斷保護電路3、4，這兩級快速關斷保護電路的結構相同，其中第二級快速關斷保護電路4作為一種冗餘設計，也是本質安全型電源所要求的。圖中編號5是負載。
如圖2所示電池組由15個單體鋰電池組成，每五個電池為一組，共三組，每組的五個電池並聯，然後三組電池再串聯。每個鋰電池的一端串聯一個正溫度係數的熱敏電阻，也可以在每個鋰電池的兩端分別各串聯一個正溫度係數的熱敏電阻，其作用是防止電池短路時產生大電流而引起電池過熱、起火或爆炸。
圖1中的過充電、過放電、過電流和短路保護電路2由主控晶片U1(型號MM1414)、放電場效應管Q1、充電開關管Q2、三極體Q3及電阻R1、R2、R3、R6、R7、R8電容C1、C2、C3、C4、C5、C6組成，電池組由串聯的三組電池B1、B2、B3組成。第一級快速關斷保護電路由納秒級開通的三極體Q4、納秒級關斷的開關管Q1、電阻R4、R5、R9、R10、和電容C7組成，其中開關管Q1與保護電路2共用，電阻R4的作用是將三極體Q4輸出的電流信號轉變為電壓信號，驅動開關管Q1的門極(控制極)；電容C7並聯在三極體Q4基極與發射極之間，以便去除幹擾；電阻R9、R10的作用是把電池組的放電電流轉變為電壓信號，供三極體Q4判斷；電阻R5連接在三極體Q4的基極與電阻R10的一端，其作用是採集電阻R10輸出端的電壓信號。三極體Q4時刻監視著電池的放電電流，一旦該電流在開關管Q1、電阻R9、R10上的壓降超過三極體Q4的閾值電壓，三極體Q4開通，集電極電位變高使得開關管Q1的控制極電平變高，開關管Q1在納秒級關斷。第二級快速關斷保護電路開關管Q5、三極體Q6、電阻R13、R11、R12、C10、和電容R14組成，其構成和工作原理與第一級快速關斷保護電路相同。
由於相當多的負載實際上更多為容性，這樣在開機瞬間勢必有較大的浪湧電流從電源流出，該電流會使電流快速關斷，致使負載不能啟動。為此，在快速關斷保護電路的輸出端串聯一個由負溫度係數的熱敏電阻，以便在開機啟動時把電流限制在保護電流以下。
在電源的充電端串聯兩個反向二極體D1、D2，這樣在充電時不會從充電埠放電。
權利要求1.一種本質安全型鋰離子電源，包括由多個鋰離子電池組成的電池組和電池組保護電路，其特徵是在電池組保護電路與電源輸出端之間設有快速關斷保護電路，所說的快速關斷保護電路由納秒級開通的三極體或場效應管(Q4)和納秒級關斷的開關管(Q1)構成，其中納秒級開通的三極體或場效應管(Q4)的集電極通過電阻與納秒級關斷的開關管(Q1)的門極相連，納秒級開通的三極體或場效應管(Q4)的發射極與納秒級關斷的開關管(Q1)的源極相連，納秒級開通的三極體或場效應管(Q4)的基極通過電阻與納秒級關斷的開關管(Q1)的漏極相連。
2.如權利要求1所述的鋰離子電源，其特徵是在每個鋰電池的一端串聯一個正溫度係數的熱敏電阻。
3.如權利要求1所述的鋰離子電源，其特徵是在每個鋰電池的兩端分別各串聯一個正溫度係數的熱敏電阻。
4.如權利要求1所述的鋰離子電源，其特徵是在電源的充電端串聯兩個反向二極體(D1、D2)。
5.如權利要求1或3或4所述的鋰離子電源，其特徵是在快速關斷保護電路的輸出端串聯一個由負溫度係數的熱敏電阻。
專利摘要本實用新型是一種在含有爆炸性氣體環境中使用的本質安全型鋰離子電源。它包括由多個鋰離子電池組成的電池組和電池組保護電路，在電池組保護電路與電源輸出端之間設有快速關斷保護電路，它由納秒級開通的三極體或場效應管和納秒級關斷的開關管構成，其中該三極體或場效應管的集電極通過電阻與開關管的門極相連，三極體或場效應管的發射極與電池組的正極及開關管的源極相連，三極體或場效應管的基極通過電阻與開關管的漏極相連。由於本實用新型將關斷延遲時間降到了納秒級，所以在保證電源本質安全性的條件下，可以提高電源的輸出電壓或電流，並可降低電源的能耗。
文檔編號H02H7/18GK2733704SQ20042004229
公開日2005年10月12日 申請日期2004年8月6日 優先權日2004年8月6日
發明者徐精彩, 沈濤, 徐林生, 鄭學召, 金永飛, 趙靜, 王明利 申請人:西安森蘭科貿有限責任公司