一种保护电路、供电设备及供电系统的制作方法

1.本技术属于供电技术领域，尤其涉及一种保护电路、供电设备及供电系统。


背景技术：

2.由于具有比能量大、自放电率低和循环寿命长等优点，锂离子电池得到了广泛的应用。在使用锂离子电池时，需要使用保护电路对其进行保护。例如，当锂离子电池的电流大于或等于预设阈值时，需要关断串联在电流回路中的开关管，以关断锂离子电池。
3.在目前的保护电路中，开关管可以采用两种方式串联在电流回路中：第一种方式为开关管串联在锂离子电池的低压侧(锂离子电池的负极)，第二种方式为开关管串联在锂离子电池的高压侧(锂离子电池的正极)。由于开关管的通断特点为在其控制端的电平信号为高电平时导通(或关断)，在其控制端的电平信号为低电平时关断(或导通)，因此保护电路输出的控制信号无法同时适用于上述两种串联方式。例如，在开关管串联在锂离子电池的高压侧时，需要增加升压电路对控制信号进行升压，以便有效驱动开关管。
4.但是，升压电路的增加使得保护电路的成本较大。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种保护电路、供电设备及供电系统，旨在解决传统的保护电路存在的成本较大的问题。
6.本技术实施例的第一方面提供了一种保护电路，包括：
7.开关电路，开关电路配置为开关电源的正极和负极之间的通路；
8.控制电路，用于在电源处于第一工况下，向转换电路输出第一控制信号，以及用于在电源处于第二工况下，向转换电路输出第二控制信号；
9.转换电路，转换电路的第一端和开关电路连接，转换电路的第一端用于接入偏置电压，转换电路的第二端和电源的负极连接，转换电路用于在接收到第一控制信号时将转换电路的第一端的电压拉高为偏置电压，以关断开关电路，以及还用于在接收到第二控制信号时拉低转换电路的第一端的电压，以导通开关电路。
10.作为第一方面的一种可选实施方式，转换电路包括：
11.第一开关管，第一开关管的第一端和开关电路连接，第一开关管的第二端和电源的负极连接，第一开关管的第三端和控制电路连接，第一开关管的第三端用于在接收到第一控制信号时关断第一开关管，以及用于在接收到第二控制信号时导通第一开关管。
12.作为第一方面的一种可选实施方式，开关电路包括：
13.第二开关管，第二开关管的第一端和电源的第一输出端连接，第二开关管的第二端和电源的正极连接，第二开关管的第三端和转换电路连接，第二开关管的第三端用于在转换电路的第一端的电压拉高时关断第二开关管，以及用于在转换电路的第一端的电压拉低时导通第二开关管。
14.作为第一方面的一种可选实施方式，保护电路还包括：
15.第一分压电路，第一分压电路的第一端和控制电路连接，第一分压电路的第二端和电源的负极连接，第一分压电路的分压电压节点和转换电路连接。
16.作为第一方面的一种可选实施方式，保护电路还包括第二分压电路；
17.第二分压电路的第一端和电源的第一输出端连接，第二分压电路的第二端和转换电路的第一端连接，第二分压电路的分压电压节点和开关电路连接，电源的第一输出端的电压等于偏置电压；或者，
18.第二分压电路的第一端和电源的正极连接，第二分压电路的第二端和转换电路的第一端连接，第二分压电路的分压电压节点和开关电路连接，电源的正极的电压等于偏置电压。
19.作为第一方面的一种可选实施方式，保护电路还包括电阻，电阻串联在电源的负极和电源的第二输出端之间；
20.控制电路包括与电阻连接的第一检测电路，第一检测电路用于基于电阻两端的电压，检测电源的电流；
21.控制电路用于在电源的电流大于或等于第一预设阈值时，向转换电路输出第一控制信号。
22.作为第一方面的一种可选实施方式，控制电路还包括：
23.第二检测电路，第二检测电路与电源的正极和负极连接，用于检测电源的电压；
24.控制电路还用于在电源的电压大于或等于第二预设阈值时，向转换电路输出第一控制信号。
25.本技术实施例的第二方面提供了一种供电设备，包括上述第一方面提供的保护电路以及电源。
26.本技术实施例的第三方面提供了一种供电系统，包括上述第一方面提供的保护电路，或者包括上述第二方面提供的供电设备。
27.作为第三方面的一种可选实施方式，供电系统还包括：
28.第三检测电路，第三检测电路与电源的正极和负极连接，用于检测电源的电压，并基于电源的电压计算电源的剩余电量。
29.本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
30.控制电路在电源处于第一工况(例如电源的电压、电流或者温度出现异常)下，向转换电路输出第一控制信号。控制电路在电源处于第二工况(例如电源的电压、电流和温度均未发生异常)下，向转换电路输出第二控制信号。本实用新型实施例通过转换电路，将控制电路输出的第一控制信号转换为转换电路的第一端拉高时的电压，以关断开关电路，以及将控制电路输出的第二控制信号转换为转换电路的第一端拉低时的电压，以导通开关电路，从而实现对电源的保护(例如过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、过温保护和低温保护等)。该保护电路采用转换电路代替现有技术中的升压电路，可以降低保护电路的成本。
附图说明
31.图1至图8分别为本技术各实施例提供的保护电路的结构示意图；
32.图9为本技术一实施例提供的供电系统的部分结构示意图。
33.图示说明：
34.10、开关电路；11、第二开关管；20、转换电路；21、第一开关管；30、控制电路；31、第一检测电路；32、第二检测电路；41、第一输出端；42、第二输出端；50、第一分压电路；60、第二分压电路；70、第三分压电路；80、第四分压电路；90、第三检测电路；u、电源；v、偏置电压；r1、第一电阻；r2、第二电阻；r3、第三电阻；r4、第四电阻；r5、第五电阻；r6、第六电阻；r7、第七电阻；r8、第八电阻；r9、第九电阻；n1、第一nmos管；n2、第二nmos管；p1、第一pmos管；p2、第二pmos管。
具体实施方式
35.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.电源在放电或者充电时，需要对电源的放电电流、充电电流或者电源的电压进行限制，以实现过流保护、短路保护或过压保护。例如，在电源的放电电流(或者充电电流)大于或等于第一预设阈值，或者电源的电压大于或等于第二预设阈值时，通过保护电路关断串联在电流回路中的开关管，以中断电源的放电或者充电过程。
39.在实际应用中，开关管可以采用两种方式串联在电流回路中：第一种方式为开关管串联在电源的低压侧(电源的负极)，第二种方式为开关管串联在电源的高压侧(电源的正极)。由于开关管的通断特点为在其控制端的电平信号为高电平时导通(或关断)，在其控制端的电平信号为低电平时关断(或导通)，因此保护电路输出的控制信号无法同时适用于上述两种串联方式。例如，在开关管串联在电源的高压侧时，需要增加升压电路对控制信号进行升压，以便有效驱动开关管。
40.但是，升压电路的增加使得保护电路的成本较大。
41.有鉴于此，本技术实施例提供了一种保护电路、供电设备及供电系统，可以解决保护电路存在的成本较大的问题。
42.本技术实施例的设计思路为：在开关管串联在电源的高压侧时，通过转换电路将保护电路输出的控制信号转换为开关管所需要的控制信号，以实现对开关管的通断控制。本技术实施例提供的保护电路，采用转换电路代替升压电路，可以降低保护电路的成本。
43.需要说明的是，本技术实施例对电源的类型不做任何限定。例如，电源的类型包括但不限于：开关电源、稳压电源、可充电电池、不可充电电池、锂离子电池、电芯等。
44.需要说明的是，本技术实施例对保护的类型不做任何限定。例如，保护的类型包括但不限于过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、过温保护、低温保护等各种异常工况下
的保护。
45.为了说明本技术所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
46.图1示出了本技术一实施例提供的保护电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
47.该保护电路包括开关电路10、转换电路20和控制电路30。
48.开关电路10串联在电源u的高压侧，用于开关电源u的正极和负极之间的通路。例如，开关电路10导通时，电源u的正极电压可以传导至电源u的第一输出端41，以便向负载供电；或者，充电设备可以通过第一输出端41和开关电路10，将充电电压传导至电源u的正极，以便对电源u进行充电。反之，开关电路10关断时，电源u停止输出电压或者停止对电源u充电。
49.控制电路30用于在电源u处于第一工况下，向转换电路20输出第一控制信号，以及用于在电源u处于第二工况下，向转换电路20输出第二控制信号。
50.作为一种示例，电源u处于第一工况时，表示电源u处于异常工况。例如，第一工况包括但不限于如下工况：电源u的电流大于或等于第一预设阈值、电源u的电压大于或等于第二预设阈值、电源u的电压小于或等于第三预设阈值、电源u的温度大于或等于第四预设阈值、电源u的温度小于或等于第五预设阈值。其中，第三预设阈值小于第二预设阈值，第五预设阈值小于第四预设阈值。
51.若电源u的电流大于或等于第一预设阈值，表示电源u的电流过大，需要进行过流保护。
52.若电源u的电压大于或等于第二预设阈值，表示电源u的电压过大，需要进行过压保护。
53.若电源u的电压小于或等于第三预设阈值，表示电源u的电压过小，需要进行欠压保护。
54.若电源u的温度大于或等于第四预设阈值，表示电源u的温度过高，需要进行过温保护。
55.若电源u的温度小于或等于第五预设阈值，表示电源u的温度过低，需要进行低温保护。
56.本技术实施例对如何检测以及如何判定电源u处于第一工况不做具体限定，技术人员可以根据需要进行选择。例如，可以通过检测电路检测电源u的电压、电流或者温度，从而判定电源u是否处于第一工况。该检测电路可以与控制电路30集成在一起，也可以独立于控制电路30之外。
57.作为一种示例，电源u处于第二工况时，表示电源u处于正常工况。例如，电源u处于第二工况时，电源u未出现上述任一种异常工况。
58.作为本实施例的一种可选实施方式，控制电路30用于在电源u的电流大于或等于第一预设阈值，或者在电源u的电压大于或等于第二预设阈值时，向转换电路20输出第一控制信号，以及用于在电源u的电流小于第一预设阈值和电源u的电压小于第二预设阈值时，向转换电路20输出第二控制信号。该电流包括电源u的充电电流和/或放电电流。该电源u的电压为电源u的正极和负极之间的电压。
59.本实施例对如何检测电源u的电流和电压不做具体限定。作为一种示例，可以通过
具有电流检测功能的电路(如电流互感器，电流表)实现电流检测，并将检测结果发送给控制电路30。该具有电流检测功能的电路可以集成在控制电路30之内，也可以独立于控制电路30之外。
60.转换电路20的第一端和开关电路10连接，第二端和电源u的负极连接。转换电路20的第一端接入有偏置电压v。转换电路20还连接控制电路30，用于接收第一控制信号和第二控制信号。
61.当转换电路20接收到第一控制信号，即电源u的电流大于或等于第一预设阈值，或者电源u的电压大于或等于第二预设阈值时，转换电路20的第一端的电压拉高为偏置电压v，以关断开关电路10，从而实现电源u的过流保护、短路保护或过压保护。
62.当转换电路20接收到第二控制信号，即电源u的电流小于第一预设阈值，且电源u的电压小于第二预设阈值时，转换电路20的第一端的电压被拉低，以导通开关电路10，以便电源u正常放电或者充电。
63.本实施例对第一控制信号和第二控制信号的类型不做限定，技术人员可以根据需要进行选择。例如，根据转换电路20的需要，选择第一控制信号和第二控制信号的类型，以便拉高或者拉低转换电路20的第一端的电压。作为一种示例，第一控制信号和第二控制信号相反，如第一控制信号为低电平信号，第二控制信号为高电平信号。
64.基于上述描述可知，转换电路20的第一端的电压包括两种状态：电压拉高状态和电压拉低状态。转换电路20的第一端的电压处于电压拉高状态时，触发关断开关电路10；处于电压拉低状态时，触发导通开关电路10。
65.本实施例对转换电路20的具体电路结构不做限定，技术人员可以根据需要进行选择。例如，当需要拉高转换电路20的第一端的电压时，通过第一控制信号中断转换电路20的第一端和第二端之间的连接，使得转换电路20的第一端的电压拉高为偏置电压v。又例如，当需要拉低转换电路20的第一端的电压时，通过第二控制信号导通转换电路20的第一端和第二端之间的连接，使得转换电路20的第一端的电压拉低为电源u的负极的电压。
66.需要说明的是，上述的偏置电压v可以由电源u以外的设备提供，也可以由电源u提供。当由电源u提供时，转换电路20的第一端连接电源u的正极或者电源u的第一输出端41。
67.综上，本实施例通过转换电路20，将控制电路30输出的第一控制信号转换为转换电路20的第一端拉高时的电压，以关断开关电路10，以及将控制电路30输出的第二控制信号转换为转换电路20的第一端拉低时的电压，以导通开关电路10，从而实现电源u的过流保护、短路保护或过压保护。该保护电路采用转换电路20代替现有技术中的升压电路，可以降低保护电路的成本。
68.如图2所示，作为一种示例，转换电路20包括第一开关管21，第一开关管21的第一端和开关电路10连接，第一开关管21的第二端和电源u的负极连接，第一开关管21的第三端和控制电路30连接，第一开关管21的第三端用于在接收到第一控制信号时关断第一开关管21，以及用于在接收到第二控制信号时导通第一开关管21。
69.本实施例对第一开关管21的具体类型不做限定，技术人员可以根据需要进行选择。例如，第一开关管21包括但不限于：mos管、三极管、igbt管或者它们的结合等。
70.作为本实施例的一种可选实施方式，第一开关管21包括第一nmos管n1，第一开关管21的第一端、第二端和第三端分别为第一nmos管n1的漏极、源极和栅极。
71.根据nmos管的导通特性，第一控制信号为低电平信号时，关断第一nmos管n1，第二控制信号为高电平信号时，导通第一nmos管n1。
72.如图3所示，作为一种示例，开关电路10包括第二开关管11，第二开关管11的第一端和电源u的第一输出端41连接，第二开关管11的第二端和电源u的正极连接，第二开关管11的第三端和转换电路20的第一端连接。第二开关管11的第三端用于在转换电路20的第一端的电压拉高时关断第二开关管11，以及用于在转换电路20的第一端的电压拉低时导通第二开关管11。
73.本实施例对第二开关管11的具体类型不做限定，技术人员可以根据需要进行选择。例如，第二开关管11包括但不限于：mos管、三极管、igbt管或者它们的结合等。
74.作为本实施例的一种可选实施方式，第二开关管11包括pmos管。
75.当第二开关管11的第一端、第二端和第三端分别为pmos管的源极、漏极和栅极时，第二开关管11可用于开启或关断对电源u的充电过程。
76.当第二开关管11的第一端、第二端和第三端分别为pmos管的漏极、源极和栅极时，第二开关管11可用于开启或关断电源u的放电过程。
77.本技术实施例提供的保护电路，采用转换电路20和高压侧的pmos管代替传统的升压电路和高压侧的nmos管，可以降低保护电路的成本。
78.如图4所示，作为一种示例，保护电路还包括第一分压电路50，第一分压电路50的第一端和控制电路30连接，第一分压电路50的第二端和电源u的负极连接，第一分压电路50的分压电压节点和转换电路20连接。第一分压电路50可以提高控制电路30输出的控制信号的稳定性、可靠性。
79.本实施例对第一分压电路50的具体结构不做限定。可选地，第一分压电路50包括多个串联的电阻，例如包括第一电阻r1和第二电阻r2，第一电阻r1和第二电阻r2的连接节点为分压电压节点。
80.作为一种示例，保护电路还包括第二分压电路60。
81.如图5所示，在一些实施例中，第二分压电路60的第一端和电源u的第一输出端41连接，第二分压电路60的第二端和转换电路20的第一端连接，第二分压电路60的分压电压节点和开关电路10连接，电源u的第一输出端41的电压等于偏置电压v。例如，当开关电路10包括第二开关管11时，第二开关管11的第一端、第二端和第三端分别为pmos管的源极、漏极和栅极。
82.如图6所示，在另一些实施例中，第二分压电路60的第一端和电源u的正极连接，第二分压电路60的第二端和转换电路20的第一端连接，第二分压电路60的分压电压节点和开关电路10连接，电源u的正极的电压等于偏置电压v。例如，当开关电路10包括第二开关管11时，第二开关管11的第一端、第二端和第三端分别为pmos管的漏极、源极和栅极。
83.本实施例对第二分压电路60的具体结构不做限定。可选地，第二分压电路60包括多个串联的电阻，例如包括第三电阻r3和第四电阻r4，第三电阻r3和第四电阻r4的连接节点为分压电压节点。
84.如图7所示，在本技术的另一实施例中，转换电路20可以包括两个开关管，分别为第一开关管21和第三开关管，开关电路10可以包括两个开关管，分别为第二开关管11和第四开关管。相应地，保护电路可以包括第一分压电路50、第二分压电路60、第三分压电路70
和第四分压电路80。
85.可选地，第一开关管21包括第一nmos管n1，第三开关管包括第二nmos管n2，第二开关管11包括第一pmos管p1，第四开关管包括第二pmos管p2。
86.可选地，第三分压电路70包括串联的第五电阻r5和第六电阻r6，第四分压电路80包括串联的第七电阻r7和第八电阻r8。
87.本实施例中，第二开关管11可用于开启或关断对电源u的充电过程。第四开关管可用于开启或关断电源u的放电过程。
88.如图8所示，在本技术的另一实施例中，保护电路还包括第九电阻r9，第九电阻r9串联在电源u的负极和电源u的第二输出端42之间。
89.控制电路30包括与第九电阻r9连接的第一检测电路31，第一检测电路31用于基于第九电阻r9两端的电压，检测电源u的电流。例如，根据第九电阻r9两端的电压以及第九电阻r9的阻值，可以计算出电源u的充电电流或者放电电流。
90.作为一种示例，当控制电路30判断电源u的充电电流或者放电电流大于或等于第一预设阈值时，控制电路30控制开关电路10关断，例如控制第二开关管11或者第四开关管关断。
91.作为本实施例的一种可选实施方式，控制电路30还包括第二检测电路32，第二检测电路32与电源u的正极和负极连接，用于检测电源u的电压。
92.作为一种示例，当电源u处于充电过程时，电源u的电压可能会大于或等于第二预设阈值，例如过充电或者充电电压过大。此时可以通过第二检测电路32检测到该工况，从而通过控制电路30关断开关电路10，以避免损坏电路。
93.作为一种示例，当控制电路30通过第一检测电路31和第二检测电路32，判断电源u的充电电流或者放电电流小于第一预设阈值，且电源u的电压小于第二预设阈值时，控制电路30控制开关电路10导通，例如控制第二开关管11或者第四开关管导通。
94.在本技术的另一实施例中，提供了一种供电设备，该供电设备包括上述任一实施例提供的保护电路和上述的电源u。
95.该供电设备可以通过保护电路，在电源u处于第一工况下，关断电源u的充电过程或者放电过程。由于该供电设备的保护电路采用转换电路20代替升压电路，因此可以降低供电设备的成本。
96.作为一种示例，上述电源u可以包括至少一个电芯。当包括多个电芯时，多个电芯之间串联或者并联，此时供电设备也可以称为电池包。
97.作为一种示例，该供电设备可以应用于太阳能供电系统中。例如太阳能供电系统中的光伏板组件产生的直流电可以对供电设备进行充电，从而实现储能。供电设备也可以对外输出直流电，或者通过逆变器对外输出交流电。
98.在本技术的另一实施例中，提供了一种供电系统，包括上述任一实施例提供的保护电路，或者包括上述任一实施例提供的供电设备。
99.由于保护电路采用转换电路20代替升压电路，因此可以降低供电系统的成本。
100.作为一种示例，供电系统还可以包括光伏板组件、逆变器等。光伏板组件产生的直流电可以对上述电源u进行充电。电源u可以对外提供直流电，也可以通过逆变器对外提供交流电。
101.作为一种示例，本实施例提供的供电系统，在电源u的充电或者放电过程中，可以通过保护电路防止充电电流或者放电电流过大，或者防止电源u的电压过大，或者防止电源u的电压过小，或者防止电源u的温度过高，或者防止电源u工作在温度过低的工况下，实现过流保护、短路保护、过压保护、欠压保护、过温保护或低温保护。
102.如图9所示，作为本实施例的一种可选实施方式，供电系统还包括第三检测电路90，第三检测电路90与电源u的正极和负极连接，用于检测电源u的电压，并基于电源u的电压计算电源u的剩余电量。
103.本实施例对如何计算电源u的剩余电量不做具体限定。例如，技术人员可以根据电源u的电压，采用开路电压法、安时积分法、电池等效电路模型法或者卡尔曼滤波法等方式计算电源u的剩余电量。
104.在本实施例中，由于第三检测电路90的电压检测端可以直接连接电源u的正极和负极，因此可以不受开关电路10的限制，确保电压检测的准确性，从而确保剩余电量计算的准确性。
105.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。