宽范围高电压采样钳位保护电路的制作方法

本发明主要涉及电池模组检测过压保护领域，尤其涉及一种宽范围高电压采样钳位保护电路。

背景技术：

近几年随着在当前储能电池、汽车动力电池等呈现爆发性发展的，电池模组、电池包的设计逐步向高电压、大功率、高能量密度方向发展，电池通过串联更多单元也越来越普遍，对每串电池电压的检测要求也越来越高，特别是对生产检测设备，因接线错误或产品异常引入高压造成设备损坏的情况也越来越多，加强设备输入过压保护的功能，降低设备损坏带来财产损失和造成停线误工损失的风险，变得越来越重要。

当前多串电池的高精度检测电路单元，基本上电池串间电气是不隔离的，单组输入电压范围普遍比较低(多数在100v以内)，电压检测精度比较高，多数达到1mv的等级。随着储能电池和汽车动力电池电压越做越高，目前整个电池包的电压已经达到500v以上，对于电池串联，其电压检测电路单元只能靠通过电气隔离来实现，但由于每串电池引出线较多，人工接线容易出错，电压检测电路单元接错线的情况也不时发生，当电压超出100v以上时就会造成昂贵的电压检测电路单元损坏或元器件(仪器设备)损坏，或造成人员电击工伤。因此，不论电池包内部的电压检测电路单元，还是外部设备的电压检测单元增加过压保护电路是很有必要的。

有鉴于此，确有必要开发一种高电压采样钳位部，以保护电池包内部的电压检测电路单元和外部设备的电压检测单元。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽范围高电压采样钳位保护电路，以避免在接错线情况下电压超出安全范围而导致的电压检测电路单元损坏或电池模组损坏。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种宽范围高电压采样钳位保护电路，包括：

至少两级串联的电压检测信号电路，每级电压检测信号电路包括信号输入端、信号输出端、多个分压钳位部件和多个电压钳位部；

多个分压钳位部件依次连接于各级电压检测信号电路上的信号输入端和信号输出端之间；

分压钳位部件包括电阻和电压钳位连接端，电阻和电压钳位连接端按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

相邻两级电压检测信号电路上顺序对应的分压钳位部件中的对应电压钳位连接端之间分别连接有一个电压钳位部。

进一步地，多个分压钳位部件包括第一分压钳位部件和第二分压钳位部件；

第一分压钳位部件包括第一电阻和第一电压钳位连接端，第一电阻和第一电压钳位连接端按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

第二分压钳位部件包括第二电阻和第二电压钳位连接端，第二电阻和第二电压钳位连接端按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

相邻两级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端之间对应连接有第一电压钳位部；

相邻两级电压检测信号电路上的第二电压钳位连接端之间对应连接有第二电压钳位部。

进一步地，多个分压钳位部件包括第一分压钳位部件和第二分压钳位部件；

第一分压钳位部件包括第一电阻和第一电压钳位连接端，第一电阻和第一电压钳位连接端按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

第二分压钳位部件包括第二电阻、第二电压钳位连接端和第三电压钳位连接端，第二电阻、第二电压钳位连接端和第三电压钳位连接端按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

相邻两级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端之间对应连接有第一电压钳位部；

相邻两级电压检测信号电路上的第二电压钳位连接端之间对应连接有第二电压钳位部；

相邻两级电压检测信号电路上的第三电压钳位连接端之间对应连接有第三电压钳位部；

第二电压钳位部和第三电压钳位部的钳位阈值不同。

进一步地，第一电压钳位部包括双向瞬变电压抑制二极管，双向瞬变电压抑制二极管的其中一极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端，双向瞬变电压抑制二极管的另一极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端。

进一步地，第一电压钳位部包括稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管的正极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管的负极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端。

进一步地，第二电压钳位部包括稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管的正极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路，稳压二极管的负极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路。

进一步地，第三电压钳位部为二极管，二极管的正极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路，二极管的负极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路。

进一步地，宽范围高电压采样钳位保护电路，还包括电容器，电容器与第二电压钳位部并联。

进一步地，电阻为正温度系数的热敏电阻或普通电阻。

进一步地，宽范围高电压采样钳位保护电路，还包括熔断器，熔断器设置于每一级电压检测信号电路上，熔断器连接于信号输入端和最靠近信号输入端的分压钳位部件之间。

有益效果：本发明提供的宽范围高电压采样钳位保护电路，通过多个分压钳位部件的依次设置，并与电压钳位连接端相对应的设置电压钳位部，当两级信号输入端之间的压差超过设定阈值时，可通过多个分压钳位部件和电压钳位部的配合，对信号输入电压进行多级钳位，将两级信号输出端之间的压差钳在安全范围内，确保检测时的电压检测线路单元和元器件(仪器设备)的安全。

通过利用热敏电阻(ptc)承受高压后发热导通阻值增大的特性将检测回路中的电流限制下来；通过瞬变电压抑制二极管(tvs管)和稳压二极管的电压钳位特性，将高压异常的输入电压钳位和稳定。

附图说明

图1为本发明一实施例的宽范围高电压采样钳位保护电路结构示意图；

图2为本发明另一实施例的宽范围高电压采样钳位保护电路结构示意图；

图3为本发明第三实施例的宽范围高电压采样钳位保护电路结构示意图；

图4为本发明第四实施例的宽范围高电压采样钳位保护电路结构示意图。

图中vi为输入电压检测信号(信号输入端)，vi1、vi2、vi3、vi4逐级串联，其输入电压逐级增高；vo为输出电压检测信号(信号输出端)，vo1、vo2、vo3、vo4逐级串联，其输出电压逐级增高；vignd为输入参考地，vognd为输出参考地。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，在一实施例中，一种宽范围高电压采样钳位保护电路，包括：

至少两级串联的电压检测信号电路，每级电压检测信号电路包括信号输入端、信号输出端、多个分压钳位部件和多个电压钳位部；

多个分压钳位部件依次连接于各级电压检测信号电路上的信号输入端和信号输出端之间；

分压钳位部件包括电阻和电压钳位连接端，电阻和电压钳位连接端按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

相邻两级电压检测信号电路上顺序对应的分压钳位部件中的对应电压钳位连接端之间分别连接有一个电压钳位部。

本实施例提供的宽范围高电压采样钳位保护电路，通过多个分压钳位部件的依次设置，并与电压钳位连接端相对应的设置电压钳位部，当两级信号输入端之间的压差超过设定阈值时，可通过多个分压钳位部件和电压钳位部的配合，对信号输入电压进行多级钳位，将两级信号输出端之间的压差钳在安全范围内，确保检测时的电压检测线路单元和元器件(仪器设备)的安全。

在本实施例中，正常状态下，每相邻两级所述信号输入端vi之间形成一定的压差，每相邻两级所述信号输出端vo之间形成一定的压差，并且多个钳位部均处于截止状态。检测时，将要进行检测的设备连接到所述相邻两级信号输出端vo之间，所述相邻两级信号输出端vo连通，使所述相邻两级串联的电压检测信号电路形成闭合回路；

在本实施例中，至少两级串联的电压检测信号电路，可以是存在输入电压检测信号压差的两条或两条以上的线路，每条线路包括信号输入端vi和信号输出端vo，每条线路的信号输入端vi逐级串联。每条电压检测信号电路线路上信号输入端vi和信号输出端vo之间的分压钳位部件可以是两个、三个或者更多；每个分压钳位部件中可以包括一个电阻和一个电压钳位连接端，也可以包括一个电阻和两个电压钳位连接端。

本实施例中，如图1中vignd至vi4所示，正常状态下，vignd至vi4电压逐级增加。vignd为输入参考地，vognd为输出参考地。当任意一条线路的信号输入端vi接线出现错误时，其信号输入端vi的电压就会出现异常，包括异常增大或负电压输入。

如在这实施例中，设定分压钳位部件为两个，每个分压钳位部件中包括一个电阻和一个电压钳位连接端，当一级电压检测信号电路的信号输入端vi的电压异常增大，并超出设定阈值时，其与相邻的电压较低一级的电压检测信号电路之间的最靠近信号输入端的钳位部就会导通，如，信号输入端vi1的电压异常增大，并超出设定阈值时，此时，信号输入端vi1与vignd之间的第一电压钳位部3导通，电流通过最靠近信号输入端的电阻(第一电阻21)，分流流向最靠近信号输入端的钳位部(第一电压钳位部3)，并从第一电压钳位部3流回vignd，如此，vi1与vignd之间的电压被第一电压钳位部3件4钳位在设定的电压值v4，同时电流分流经第二电阻41，再分流流向第二电压钳位部5，电压再次被第二电压钳位部5件8钳位在设定的安全电压v8，从而使信号输出端vo1与v0gnd之间的电压被钳位在一定的范围值。

当两级串联电压检测信号电路之间的信号输入为负电压信号输入时，如因两信号输入端vi接线的对调连接，具体如，原本该接信号输入端vi2的线接入到信号输入端vi1上，原本该接信号输入端vi1的线接入到信号输入端vi2上，或者信号输入端vi1异常增大，超过了信号输入端vi2的信号电压，造成信号输入端vi1至信号输出端vo1和信号输入端vi2至信号输出端vo2两级电压检测信号电路之间的信号输入为负电压信号输入。此时，除了信号输入端vi1至信号输出端vo1和信号输入端vignd至信号输出端vognd两级电压检测信号电路之间第一电压钳位部3和第二电压钳位部5可能导通外，信号输入端vi1至信号输出端vo1和信号输入端vi2至信号输出端vo2两级电压检测信号电路之间第一电压钳位部3还将反向导通，将信号输出端vo1和信号输出端vo2之间的电压钳位在一个较低的范围内，若经该两级电路间的第一电压钳位部3分流和电压钳位后，第一电压钳位部3的反向电压还较大，则该两级电压检测信号电路间的第二电压钳位部5也将反向导通，将信号输出端vo1和信号输出端vo2之间的电压进一步的限定，保证相邻两级电压检测信号电路信号输出端vo之间的压差在设定的阈值内，保证检测线路和电压检测单元(或元器件、仪器设备)的安全。

参照图1，在一实施例中，多个分压钳位部件包括第一分压钳位部件2和第二分压钳位部件4；

第一分压钳位部件2包括第一电阻21和第一电压钳位连接端22，第一电阻21和第一电压钳位连接端22按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

第二分压钳位部件4包括第二电阻41和第二电压钳位连接端42，第二电阻41和第二电压钳位连接端42按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

相邻两级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端22之间对应连接有第一电压钳位部3；

相邻两级电压检测信号电路上的第二电压钳位连接端42之间对应连接有第二电压钳位部5。

通过两个分压钳位部件的依次设置，并与电压钳位连接端相对应的设置电压钳位部，当两级信号输入端之间的压差超过设定阈值时，可通过两个分压钳位部件和电压钳位部的配合，对信号输入电压进行两级钳位，将两级信号输出端之间的压差钳在安全范围内，确保检测时的电压检测线路单元和元器件(仪器设备)的安全。

参照图2，在一实施例中，多个分压钳位部件包括第一分压钳位部件2和第二分压钳位部件4；

第一分压钳位部件2包括第一电阻21和第一电压钳位连接端22，第一电阻21和第一电压钳位连接端22按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

第二分压钳位部件4包括第二电阻41、第二电压钳位连接端42和第三电压钳位连接端43，第二电阻41、第二电压钳位连接端42和第三电压钳位连接端43按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

相邻两级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端22之间对应连接有第一电压钳位部3；

相邻两级电压检测信号电路上的第二电压钳位连接端42之间对应连接有第二电压钳位部5；

相邻两级电压检测信号电路上的第三电压钳位连接端43之间对应连接有第三电压钳位部6；

第二电压钳位部5和第三电压钳位部6的钳位阈值不同。

在该实施例中，分压钳位部件包括第二电阻41、第二电压钳位连接端42和第三电压钳位连接端43，并在两级相邻电压检测信号电路上的第二电压钳位连接端42之间和两级相邻电压检测信号电路上的第三电压钳位连接端43之间分别对应设置第二电压钳位部5和第三电压钳位部6，第二电压钳位部5和第三电压钳位部6的钳位阈值不同。通过该设置，可通过同一个分压钳位部件和两个电压钳位部的配合，将正向异常电压或负异常电压钳位在不同的阈值内。

在一实施例中，可以选用两个相同的钳位器件，按相反的方向接入电路中，分别作为第二电压钳位部5和第三电压钳位部6，实现正向异常电压和负异常电压的钳位。

在另一具体实施例中，采用两个不同的钳位器件，按相同的方向接入电路中，分别作为第二电压钳位部5和第三电压钳位部6，该两个不同钳位器件对正向异常电压的钳位阀值不同，对负异常电压的钳位阀值也不相同，用这两个钳位器件分别作为第二电压钳位部5和第三电压钳位部6，实现在正向异常电压时，其中一个电压钳位部导通工作，进行电压钳位；在负异常电压时，另一个电压钳位部导通工作，进行电压钳位。

本实施例中，所述负异常电压指原本电压低一级的电压检测信号电路，信号输入端电压异常增大超过原本高一级电压检测信号电路的信号输入端。

参照图3，在另一实施例中，多个分压钳位部件包括第一分压钳位部件2、第二分压钳位部件4和第三分压钳位部件7；

第一分压钳位部件2包括第一电阻21和第一电压钳位连接端22，第一电阻21和第一电压钳位连接端22按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

第二分压钳位部件4包括第二电阻41和第二电压钳位连接端42，第二电阻41和第二电压钳位连接端42按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

第三分压钳位部件7包括第三电阻71和第四电压钳位连接端72，第三电阻71和第四电压钳位连接端72按照信号输入端到信号输出端的方向依次连接设置；

相邻两级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端22之间对应连接有第一电压钳位部3；

相邻两级电压检测信号电路上的第二电压钳位连接端42之间对应连接有第二电压钳位部5；

相邻两级电压检测信号电路上的第四电压钳位连接端72之间对应连接有第四电压钳位部8。

当一级电压检测信号电路的信号输入端vi(举例如vi1)的电压异常增大，并超出设定阈值时，此时，信号输入端vi1与vignd之间的第一电压钳位部3导通，电流通过第一电阻21，分流流向第一电压钳位部3，并从第一电压钳位部3流回vignd，如此，vi1与vignd之间的电压被第一电压钳位部3件4钳位在设定的电压值v4，同时电流分流经第二电阻41，再分流流向第二电压钳位部5，电压再次被第二电压钳位部5钳位在设定的安全电压v8，若经过两级钳位后，第二电压钳位部5的电压还比较高，电流分流经第三电阻71，再分流流向第四电压钳位部8，电压再次被第四电压钳位部8件钳位在设定的安全电压v12，从而使信号输出端vo1与v0gnd之间的电压被钳位在一定的范围值。

在一实施例中，第一电压钳位部3包括双向瞬变电压抑制二极管，双向瞬变电压抑制二极管的其中一极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端22，双向瞬变电压抑制二极管的另一极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端22。

通过采用双向瞬变电压抑制二极管作为第一电压钳位部3，当多级电压检测信号电路中的其中一级或多级输入电压远大于正常电压输入值时，或者当多级电压检测信号电路信号输入端vi有一级或多级异常接反，负电压输入时，双向瞬变电压抑制二极管均会导通，极大程度地将异常产生的两级压差限制住。瞬变电压抑制二极管具有较大的结面积，通流能力较强，对线路中异常突增的电流起到很好的抑制作用。

在另一实施例中，第一电压钳位部3包括稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管的正极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端22，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管的负极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路上的第一电压钳位连接端22。

通过采用稳压二极管作为第一电压钳位部3，当多级电压检测信号电路信号输入端vi有一级或多级异常接反，负电压输入时，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管将导通，实现负电压输入状态下的钳位作用。通过采用稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管作为第一电压钳位部3，用于调节稳态电压和小电流箝位具有较好的效果。

在一实施例中，第二电压钳位部5包括稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管的正极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路，稳压二极管的负极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路。

通过采用稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管作为第二电压钳位部5，当多级电压检测信号输入端vi有一级或多级异常接反，负电压输入时，稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管将导通，实现负电压输入状态下的钳位作用。通过采用稳压二极管或单向瞬变电压抑制二极管作为第二电压钳位部5，用于调节稳态电压和小电流箝位具有较好的效果。

在一实施例中，第三电压钳位部6为二极管，二极管的正极连接正常状态下电压低的一级电压检测信号电路，二极管的负极连接正常状态下电压高的一级电压检测信号电路。

通过采用二极管作为第三电压钳位部6，当电压检测信号电路的信号输入端异常接反，造成负电压输入时，该二极管导通，实现对两级电压检测信号电路的输出端电压的钳位。

参照图4，在一实施例中，宽范围高电压采样钳位保护电路还包括电容器9，电容器9与所述第二电压钳位部5并联。

通过电容器9的设置，当电压瞬间异常时，电容器9通过充放电对异常高压进行对冲，与稳压二极管配合实现稳压效果。

在一实施例中，电阻为正温度系数的热敏电阻或普通电阻。

如在本实施例中，第一电阻21为热敏电阻。通过采用热敏电阻作为第一电阻21，利用热敏电阻(ptc)承受高压后发热导通阻值增大的特性将检测回路中的电流限制下来。

参照图1至图4，在一实施例中，宽范围高电压采样钳位保护电路还包括熔断器1，熔断器1设置于每一级电压检测信号电路上，熔断器1连接于信号输入端vi和第一电阻21之间。

为保证在电压输入异常情况下电压检测线路单元和电压检测单元(或元器件、仪器设备)的安全，设置熔断器1，当电流超阈值异常，通过熔断器1熔断，保护电压检测线路单元和电压检测单元(或元器件、仪器设备)的安全。

本发明提供的宽范围高电压采样钳位保护电路，通过多个分压钳位部件的依次设置，并与电压钳位连接端相对应的设置电压钳位部，当两级信号输入端之间的压差超过设定阈值时，可通过多个分压钳位部件和电压钳位部的配合，对信号输入电压进行多级钳位，将两级信号输出端之间的压差钳在安全范围内，确保检测时的电压检测线路单元和元器件(仪器设备)的安全。

通过利用热敏电阻(ptc)承受高压后发热导通阻值增大的特性将检测回路中的电流限制下来；通过瞬变电压抑制二极管(tvs管)和稳压二极管的电压钳位特性，将高压异常的输入电压钳位和稳定。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效材料的变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。