专利名称：一种具有自恢复功能的本质安全型电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种电子产品，尤其是涉及ー种用于煤矿、石油、化工等危险性环境中的本质安全型电池。
背景技术：
本质安全型电路是指电路在正常状态下和规定的故障状态下，产生的任何电火花或任何热效应都不能引起规定的爆炸混合物爆炸的电路。本质安全型电路是电子设备的重要组成部分，在某些煤矿、石油、化工等危险性环境中，要求不间断供电，需要附加备用电池。但由于电池自身的特点，一旦出现短路等故障，就会产生很大的短路电流，所引起的电火花可能会引爆易燃、易爆气体，显然是不能满足本质安全要求的。因此，为了使电池安全地应用于危险型环境中，就必须在电池和输出负载之间引入能量限制电路，将故障火花能 量限制在一定范围内。将各种非安全型电池改造为本质安全型电池，使电池在负载短路时的输出能量受到限制，满足本质安全型电路输出的技术要求。现有的能量限制电路通常采用电阻限流和稳压管或晶体管限压，来限制最大电流和最高电压，以达到限制能量的目的，这种做法不能彻底关断输入的电源能量，损耗很大，且部分能量限制电路在发生电流过大或短路故障启动后，即使电流低于限制要求仍无法自动恢复。因此，设计适用于危险性环境的可自动恢复本安型电池具有重要意义。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其结构简单，设计新颖合理，实现方便，具有自恢复功能，可提高本安输出功率，实用性强，使用效果好，便于推广使用。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，包括非本质安全型电池和接在非本质安全型电池与负载之间的电流限制电路，其特征在于所述电流限制电路包括接在非本质安全型电池与负载之间并用于实现电路中电能输入或输出的双向开关电路、与双向开关电路的输出端相接并用于实时检测电路中电流大小的电流检测电路、与电流检测电路的输出端相接并用于判定是否出现了过流或短路现象的过流及短路判别电路、与过流及短路判别电路的输出端相接并用于产生脉冲控制信号的脉冲控制电路和与脉冲控制电路的输出端相接并用于控制双向开关电路正向或反向导通的驱动电路，所述过流及短路判别电路的输入端接有用于为过流及短路判别电路提供判别基准信号的基准电路，所述基准电路与非本质安全型电池的输出端相接，所述脉冲控制电路包括用于在驱动电路关断后使驱动电路重新自动恢复开通的单稳态触发电路，所述双向开关电路与驱动电路的输出端相接。上述的ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述基准电路包括稳压管ZD1、电容C3和电阻R2，所述电阻R2 —端与非本质安全型电池的正极相接，所述电阻R2的另一端和稳压管ZDl的阳极均与过流及短路判别电路的输入端相接，所述稳压管ZDl的阴极接地，所述电容C3与稳压管ZDl并联。上述的ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述过流及短路判别电路包括电阻R9和电阻R10，所述电阻R9的一端与非本质安全型电池的负极相接，所述电阻RlO的一端为过流及短路判别电路的输入端，所述电阻R9的另一端与电阻RlO的另ー端相接且为过流及短路判别电路的输出端。上述的ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述电流检测电路包括电阻R5，所述电阻R5的一端与双向开关电路的负极输出端相接 且接地，所述电阻R5的另一端与电阻R9的一端相接。上述的ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述单稳态触发电路包括555定时器U2、电阻Rl I、R12、R13和R14以及电容C4、C5和C6，所述脉冲控制电路还包括比较器U1、所述比较器Ul的同相输入端与过流及短路判别电路的输出端相接，所述比较器Ul的输出端与555定时器U2的引脚2、电阻Rll的一端和电阻R14的一端相接,所述555定时器U2的引脚4与电阻R13的一端和电容C6的一端相接，所述555定时器U2的引脚5与电容C5的一端相接，所述555定时器U2的引脚6和引脚7均与电容C4的一端和电阻R12的一端相接，所述比较器Ul的电源输入端、555定时器U2的引脚8、电阻Rll的另一端、电阻R13的另一端和电阻R12的另一端均与稳压管ZDl的阳极相接，所述比较器Ul的反相输入端和接地端、电阻R14的另一端、555定时器U2的引脚I、电容C6的另一端、电容C5的另一端、电容C4的另一端均接地，所述555定时器U2的引脚3为脉冲控制电路的输出端。上述的ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述驱动电路包括NPN型三极管VT2和VT3以及电阻R3、R4、R6、R7和R8，所述电阻R8的一端与脉冲控制电路的输出端相接，所述电阻R8的另一端与电阻R7的一端和NPN型三极管VT3的基极相接，所述NPN型三极管VT3的集电极与电阻R4的一端、电阻R6的一端和NPN型三极管VT2的基极相接，所述电阻R4的另一端与非本质安全型电池的正极相接，所述NPN型三极管VT2的集电极与电阻R3的一端相接，所述电阻R7的另一端、NPN型三极管VT3的发射极、电阻R6的另一端和NPN型三极管VT2的发射极均接地，所述电阻R3的另一端为驱动电路的输出端。上述的ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述双向开关电路包括电阻R1、PNP型三极管VTl和ニ极管D1，所述电阻Rl的一端、PNP型三极管VTl的发射极和ニ极管Dl的阴极均与非本质安全型电池的正极相接，所述电阻Rl的另一端与PNP型三极管VTl的基极相接且与驱动电路的输出端相接，所述PNP型三极管VTl的集电极与ニ极管Dl阳极相接且为功率开关电路的正极输出端，所述功率开关电路的正极输出端与负载的正极相接。上述的ー种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述双向开关电路包括NPN型三极管VT5、PNP型三极管VTl和VT4以及电阻R1、R15、R16、R17和R18，所述电阻Rl的一端、PNP型三极管VTl的发射极和PNP型三极管VT4的集电极均与非本质安全型电池的正极相接，所述电阻Rl的另一端与PNP型三极管VTl的基极相接且与驱动电路的输出端相接，所述PNP型三极管VTl的集电极与PNP型三极管VT4的发射极、电阻R15的一端和电阻R16的一端相接且为功率开关电路的正极输出端，所述PNP型三极管VT4的基极与电阻R17的一端和电阻R15的另一端相接，所述电阻R17的另一端与NPN型三极管VT5的集电极相接，所述NPN型三极管VT5的基极与电阻R16的另一端和电阻R18的一端相接，所述NPN型三极管VT5的发射极和电阻R18的另一端均接地且为功率开关电路的负极输出端，所述功率开关电路的正极输出端与负载的正极相接，所述功率开关电路的负极输出端与负载的负极相接。本实用新型与现有技术相比具有以下优点I、本实用新型本质安全型电池的电流限制电路结构简单，设计新颖合理，实现方便。2、本实用新型脉冲控制电路包括用于在驱动电路关断后使驱动电路重新自动恢复开通的单稳态触发电路，使得本实用新型具有自恢复功能，在过流或短路故障发生时，双 向开关电路正向通路截止一定时间后自动恢复导通状态，确保故障排除后电池还能够持续给负载供能。3、本实用新型双向开关电路具有双向导通的功能，使非本质安全型电池在容量不足的情况下可以反向给非本质安全型电池充电，确保非本质安全型电池能够安全、稳定地应用于危险性环境中。4、本实用新型的功能完备，不仅实现了电池的输出限能作用，其双向开关电路可实现电池的充、放电功能，同时还具有当出现短路、过流等故障时实施彻底关断保护并自恢复的特点，能够确保故障排除后非本质安全型电池重新给负载供能。综上所述，本实用新型结构简単，设计新颖合理，实现方便，具有自恢复功能，可提高本安输出功率，实用性强，使用效果好，便于推广使用。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进ー步的详细描述。
图I为本实用新型的电路原理框图。图2为本实用新型实施例I的电路原理图。图3为本实用新型实施例2的电路原理图。附图标记说明ト非本质安全型电池；2-双向开关电路；3-基准电路；4-电流检测电路； 5-过流及短路判别电路；6_脉冲控制电路；7-驱动电路；8-负载。
具体实施方式
如图I所示，本实用新型包括非本质安全型电池I和接在非本质安全型电池I与负载8之间的电流限制电路，所述电流限制电路包括接在非本质安全型电池I与负载8之间并用于实现电路中电能输入或输出的双向开关电路2、与双向开关电路2的输出端相接并用于实时检测电路中电流大小的电流检测电路4、与电流检测电路4的输出端相接并用于判定是否出现了过流或短路现象的过流及短路判别电路5、与过流及短路判别电路5的输出端相接并用于产生脉冲控制信号的脉冲控制电路6和与脉冲控制电路6的输出端相接并用于控制双向开关电路2正向或反向导通的驱动电路7，所述过流及短路判别电路5的输入端接有用于为过流及短路判别电路5提供判别基准信号的基准电路3，所述基准电路3与非本质安全型电池I的输出端相接，所述脉冲控制电路6包括用于在驱动电路7关断后使驱动电路7重新自动恢复开通的单稳态触发电路，所述双向开关电路2与驱动电路7的输出端相接。结合图2，本实施例中，所述基准电路3包括稳压管ZDl、电容C3和电阻R2，所述电阻R2 —端与非本质安全型电池I的正极相接，所述电阻R2的另一端和稳压管ZDl的阳极均与过流及短路判别电路5的输入端相接，所述稳压管ZDl的阴极接地，所述电容C3与稳压管ZDl并联。本实施例中，所述过流及短路判别电路5包括电阻R9和电阻R10，所述电阻R9的 一端与非本质安全型电池I的负极相接，所述电阻RlO的一端为过流及短路判别电路5的输入端，所述电阻R9的另一端与电阻RlO的另一端相接且为过流及短路判别电路5的输出端。本实施例中，所述电流检测电路4包括电阻R5，所述电阻R5的一端与双向开关电路2的负极输出端相接且接地，所述电阻R5的另一端与电阻R9的一端相接。本实施例中，所述单稳态触发电路包括555定时器U2、电阻RlI、R12、R13和R14以及电容C4、C5和C6，所述脉冲控制电路6还包括比较器U1、所述比较器Ul的同相输入端与过流及短路判别电路5的输出端相接，所述比较器Ul的输出端与555定时器U2的引脚2、电阻Rll的一端和电阻R14的一端相接,所述555定时器U2的引脚4与电阻R13的一端和电容C6的一端相接，所述555定时器U2的引脚5与电容C5的一端相接，所述555定时器U2的引脚6和引脚7均与电容C4的一端和电阻R12的一端相接，所述比较器Ul的电源输入端、555定时器U2的引脚8、电阻Rll的另一端、电阻R13的另一端和电阻R12的另一端均与稳压管ZDl的阳极相接，所述比较器Ul的反相输入端和接地端、电阻R14的另一端、555定时器U2的引脚I、电容C6的另一端、电容C5的另一端、电容C4的另一端均接地，所述555定时器U2的引脚3为脉冲控制电路6的输出端。本实施例中，所述驱动电路7包括NPN型三极管VT2和VT3以及电阻R3、R4、R6、R7和R8，所述电阻R8的一端与脉冲控制电路6的输出端相接，所述电阻R8的另一端与电阻R7的一端和NPN型三极管VT3的基极相接，所述NPN型三极管VT3的集电极与电阻R4的一端、电阻R6的一端和NPN型三极管VT2的基极相接，所述电阻R4的另一端与非本质安全型电池I的正极相接，所述NPN型三极管VT2的集电极与电阻R3的一端相接，所述电阻R7的另一端、NPN型三极管VT3的发射极、电阻R6的另一端和NPN型三极管VT2的发射极均接地，所述电阻R3的另一端为驱动电路7的输出端。本实施例中，所述双向开关电路2包括电阻R1、PNP型三极管VTl和ニ极管Dl，所述电阻Rl的一端、PNP型三极管VTl的发射极和ニ极管Dl的阴极均与非本质安全型电池I的正极相接，所述电阻Rl的另一端与PNP型三极管VTl的基极相接且与驱动电路7的输出端相接，所述PNP型三极管VTl的集电极与ニ极管Dl阳极相接且为双向开关电路2的正极输出端，所述双向开关电路2的正极输出端与负载8的正极相接。实施例2结合图3，本实施例与实施例I不同的是所述双向开关电路2包括NPN型三极管VT5、PNP型三极管VTl和VT4以及电阻Rl、R15、R16、R17和R18，所述电阻Rl的一端、PNP型三极管VTl的发射极和PNP型三极管VT4的集电极均与非本质安全型电池I的正极相接，所述电阻Rl的另一端与PNP型三极管VTl的基极相接且与驱动电路7的输出端相接，所述PNP型三极管VTl的集电极与PNP型三极管VT4的发射极、电阻R15的一端和电阻R16的一端相接且为双向开关电路2的正极输出端，所述PNP型三极管VT4的基极与电阻R17的一端和电阻R15的另一端相接，所述电阻R17的另一端与NPN型三极管VT5的集电极相接，所述NPN型三极管VT5的基极与电阻R16的另一端和电阻R18的一端相接，所述NPN型三极管VT5的发射极和电阻R18的另一端均接地且为双向开关电路2的负极输出端，所述双向开关电路2的正极输出端与负载8的正极相接，所述双向开关电路2的负极输出端与负载8的负极相接。其余电路结构均与实施例I相同本实用新型的工作原理及工作过程是初始状态下，过流及短路判别电路5的输出端输出为正值，脉冲控制电路6中比较器Ul的同向输入端为正电压，比较器Ul的输出端输出高电平，555定时器U2的引脚2为高电平，555定时器U2的引脚3为低电平，NPN型三极管VT 3的基极为低电平，NPN型三极管VT3截止，NPN型三极管VT3的集电极为高电平，NPN型三极管VT2的基极为高电平，NPN型三极管VT2导通，NPN型三极管VT2的集电极电位被拉低，PNP型三极管VTl的基极为低电平，PNP型三极管VTl导通，非本质安全型电池 I开始向负载8提供能量，此时电流检测电路4中电阻R5上的电压为负值，在低于限流点时，电阻R5上的压降较小，脉冲控制电路6中比较器Ul的同向输入端为正电压，比较器Ul的输出端输出高电平，555定时器U2的引脚2为高电平，555定时器U2的引脚3输出低电平，非本质安全型电池I持续给负载8提供能量。当出现过流、短路等故障吋，电流检测电路4中电阻R5上的压降变大，比较器Ul的同向输入端变为负电压，比较器Ul的输出变为低电平，555定时器U2的引脚2为低电平，555定时器U2的引脚3输出高电平，NPN型三极管VT3导通，NPN型三极管VT3的集电极电压为被拉低，NPN型三极管VT2的基极为低电平，NPN型三极管VT2截止，PNP型三极管VTl的基极为高电平，PNP型三极管VTl截止，非本质安全型电池I停止向负载8提供能量。此时，在实施例I中，当双向开关电路2的输出端电压高于非本质安全型电池I电压和ニ极管Dl导通压降之和时，ニ极管Dl导通，双向开关电路2的输出给非本质安全型电池I反向充电；在实施例2中，将实施例I中双向开关电路的反向ニ极管Dl用PNP型三极管VT4代替，并由电阻R15、R16、R17、R18与NPN型三极管VT5组成控制电路去控制PNP型三极管VT4的导通与关断，当分压电阻R18上的电压超过三极管VT5发射极的导通电压时，三极管VT5导通，三极管VT4基极电位被拉低，三极管VT4导通，双向开关电路2的输出给非本质安全型电池I反向充电，当分压电阻R18上电压低于三极管VT5发射极的导通电压时，三极管VT5截止，三极管VT4基极为高电平，三极管VT4关断，双向开关电路2的输出停止给非本质安全型电池I反向充电。由于脉冲控制电路6中有由555定时器U2构成的单稳态触发电路，因此，在555定时器U2的引脚2上的输入信号由高电压变为低电压的瞬间，比较器Ul电源输入端电压通过电阻R12开始向电容C4充电，充电到一定的时间，555定时器U2的输出电压自动发生跳变，由高电平变为低电平，PNP型三极管VTl导通，此时，在实施例I中，ニ极管Dl截止，电路又重新恢复正常工作状态，非本质安全型电池I开始向负载8提供能量；在实施例2中，分压电阻R18上电压低于三极管VT5发射级的导通电压，三极管VT5截止，三极管VT4基极为高电平，三极管VT4关断，非本质安全型电池I重新开始向负载8提供能量。综上所述，本实用新型不仅实现了电池的限能作用，其双向开关电路2可实现电池的充、放电功能，同时还具有当出现短路、过流等故障时实施彻底关断保护并自恢复的特点，能够确保故障排除后非本质安全型电池I继续给负载8供能。本实用新型主要用于煤矿、石化等危险性环境供电系统中，达到本质安全要求。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求1.一种具有自恢复功能的本质安全型电池，包括非本质安全型电池(I)和接在非本质安全型电池(I)与负载(8)之间的电流限制电路，其特征在于所述电流限制电路包括接在非本质安全型电池(I)与负载(8)之间并用于实现电路中电能输入或输出的双向开关电路(2)、与双向开关电路⑵的输出端相接并用于实时检测电路中电流大小的电流检测电路(4)、与电流检测电路(4)的输出端相接并用于判定是否出现了过流或短路现象的过流及短路判别电路(5)、与过流及短路判别电路(5)的输出端相接并用于产生脉冲控制信号的脉冲控制电路(6)和与脉冲控制电路(6)的输出端相接并用于控制双向开关电路⑵正向或反向导通的驱动电路(7)，所述过流及短路判别电路(5)的输入端接有用于为过流及短路判别电路(5)提供判别基准信号的基准电路(3)，所述基准电路(3)与非本质安全型电池⑴的输出端相接，所述脉冲控制电路(6)包括用于在驱动电路(7)关断后使驱动电路(7)重新自动恢复开通的单稳态触发电路，所述双向开关电路⑵与驱动电路(7)的输出端相接。
2.按照权利要求I所述的一种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述 基准电路(3)包括稳压管ZD1、电容C3和电阻R2，所述电阻R2 —端与非本质安全型电池(I)的正极相接，所述电阻R2的另一端和稳压管ZDl的阳极均与过流及短路判别电路(5)的输入端相接，所述稳压管ZDl的阴极接地，所述电容C3与稳压管ZDl并联。
3.按照权利要求2所述的一种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述过流及短路判别电路(5)包括电阻R9和电阻R10，所述电阻R9的一端与非本质安全型电池(I)的负极相接，所述电阻RlO的一端为过流及短路判别电路(5)的输入端，所述电阻R9的另一端与电阻RlO的另一端相接且为过流及短路判别电路(5)的输出端。
4.按照权利要求3所述的一种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述电流检测电路⑷包括电阻R5，所述电阻R5的一端与双向开关电路⑵的负极输出端相接且接地，所述电阻R5的另一端与电阻R9的一端相接。
5.按照权利要求4所述的一种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述单稳态触发电路包括555定时器U2、电阻R11、R12、R13和R14以及电容C4、C5和C6，所述脉冲控制电路(6)还包括比较器U1、所述比较器Ul的同相输入端与过流及短路判别电路(5)的输出端相接，所述比较器Ul的输出端与555定时器U2的引脚2、电阻Rll的一端和电阻R14的一端相接，所述555定时器U2的引脚4与电阻R13的一端和电容C6的一端相接，所述555定时器U2的引脚5与电容C5的一端相接，所述555定时器U2的引脚6和引脚7均与电容C4的一端和电阻R12的一端相接,所述比较器Ul的电源输入端、555定时器U2的引脚8、电阻Rll的另一端、电阻R13的另一端和电阻R12的另一端均与稳压管ZDl的阳极相接，所述比较器Ul的反相输入端和接地端、电阻R14的另一端、555定时器U2的引脚I、电容C6的另一端、电容C5的另一端、电容C4的另一端均接地，所述555定时器U2的引脚3为脉冲控制电路(6)的输出端。
6.按照权利要求5所述的一种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述驱动电路(7)包括NPN型三极管VT2和VT3以及电阻R3、R4、R6、R7和R8，所述电阻R8的一端与脉冲控制电路(6)的输出端相接，所述电阻R8的另一端与电阻R7的一端和NPN型三极管VT3的基极相接，所述NPN型三极管VT3的集电极与电阻R4的一端、电阻R6的一端和NPN型三极管VT2的基极相接，所述电阻R4的另一端与非本质安全型电池(I)的正极相接，所述NPN型三极管VT2的集电极与电阻R3的一端相接，所述电阻R7的另一端、NPN型三极管VT3的发射极、电阻R6的另一端和NPN型三极管VT2的发射极均接地，所述电阻R3的另一端为驱动电路(7)的输出端。
7.按照权利要求6所述的一种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述双向开关电路⑵包括电阻R1、PNP型三极管VTl和二极管D1，所述电阻Rl的一端、PNP型三极管VTl的发射极和二极管Dl的阴极均与非本质安全型电池(I)的正极相接，所述电阻Rl的另一端与PNP型三极管VTl的基极相接且与驱动电路(7)的输出端相接，所述PNP型三极管VTl的集电极与二极管Dl阳极相接且为双向开关电路(2)的正极输出端，所述双向开关电路(2)的正极输出端与负载(8)的正极相接。
8.按照权利要求6所述的一种具有自恢复功能的本质安全型电池，其特征在于所述双向开关电路⑵包括NPN型三极管VT5、PNP型三极管VTl和VT4以及电阻R1、R15、R16、R17和R18，所述电阻Rl的一端、PNP型三极管VTl的发射极和PNP型三极管VT4的集电极均与非本质安全型电池(I)的正极相接，所述电阻Rl的另一端与PNP型三极管VTl的基极相接且与驱动电路(7)的输出端相接，所述PNP型三极管VTl的集电极与PNP型三极管VT4的发射极、电阻R15的一端和电阻R16的一端相接且为双向开关电路(2)的正极输出端，所述PNP型三极管VT4的基极与电阻R17的一端和电阻R15的另一端相接，所述电阻R17的另一端与NPN型三极管VT5的集电极相接，所述NPN型三极管VT5的基极与电阻R16的另一端和电阻R18的一端相接，所述NPN型三极管VT5的发射极和电阻R18的另一端均接地且为双向开关电路(2)的负极输出端，所述双向开关电路(2)的正极输出端与负载(8)的正极相接，所述双向开关电路(2)的负极输出端与负载(8)的负极相接。
专利摘要本实用新型公开了一种具有自恢复功能的本质安全型电池，包括非本质安全型电池和接在非本质安全型电池与负载之间的电流限制电路，电流限制电路包括双向开关电路、与双向开关电路相接的电流检测电路、与电流检测电路相接的过流及短路判别电路、与过流及短路判别电路相接的脉冲控制电路和与脉冲控制电路相接的驱动电路，过流及短路判别电路的输入端接有基准电路，脉冲控制电路包括用于在驱动电路关断后使其重新自动恢复开通的单稳态触发电路。本实用新型结构简单，设计新颖合理，实现方便，具有自恢复功能，可提高本安输出功率，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
文档编号H02H3/06GK202405825SQ20112056503
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者刘树林, 张兴平, 杨波, 王媛媛, 雷云 申请人:西安科技大学