CN101025436B - 用于电动汽车的高压电安全监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车或混合动力汽车用高压系统监测装置，包括电池管理模块在高压系统的一端提供一个弱信号，并在另一端接收该信号通过高压系统后的返回信号，根据该返回信号的幅值，判断高压系统是否发生短路或断路故障；正端继电器的一端连接高压系统正端，另一端连接逆变器正端；负端继电器一端连接高压系统负端，另一端连接逆变器负端；预充电继电器与预充电电阻串联组成预充电电路与正端继电器并联。本发明提供的高压电安全监测装置可以避免高压系统在接通过程中出现的电路故障及用电设备的电冲击，通过比较高压系统两端的电压和电池组两端的电压之间的关系，实现高压系统的安全接通。

Description

用于电动汽车的高压电安全监测装置
技术领域
本发明涉及使用高压电池组作为能量源的纯电动汽车或混合动力汽车高压电安全，特别是涉及电动汽车或混合动力汽车的高压系统安全接通、高压绝缘故障监测、高压环路互锁等安全监测。
背景技术
电动汽车或混合动力汽车都包括由高压电池组、电机等构成的高压系统，电池组两端的电压通常大于144V，同时，为获得更高的能量效率，需要提高高压系统的电压，从而在输出相同功率的情况下，降低电流。不断提高，要求高压系统能承受更高的电压，因此，高压系统安全技术成为纯电动汽车或混合动力汽车能否产业化的关键技术。
目前，国内在混合动力车辆高压系统保护方面还没有深入的研究，尤其是对高压系统的安全监测方面，为解决电池组高压电安全问题，目前采用多继电器串联降低电压法，如图1所示。每36V电池模块之间串接一个继电器。
作为高压系统的安全问题尚没有引起足够的重视，如高压系统的安全包括驾乘人员安全、车内用电设备安全、电池本体安全，因此要求高压电安全监测装置监测高压系统的绝缘状态、高压接地状态、高压系统连接情况、高压电路接通控制、车辆碰撞断开控制等功能，更没有提出具体的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车或混合动力汽车用高压系统监测系统，在高压系统闭合过程中，通过比较高压系统两端的电压和电池组两端的电压之间的关系，实现高压系统的安全接通。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于电动汽车的高压电安全监测装置，包括电池管理模块在高压系统的一端提供一个弱信号，并在另一端接收该信号通过高压系统后的返回信号，根据该返回信号的幅值，判断高压系统是否发生短路或断路故障；正端继电器的一端连接高压系统正端，另一端连接逆变器正端；负端继电器一端连接高压系统负端，另一端连接逆变器负端；预充电继电器与预充电电阻串联组成预充电电路与正端继电器并联。
本发明提供的高压电安全监测装置可以避免高压系统在接通过程中出现的电路故障及用电设备的电冲击，通过比较高压系统两端的电压和电池组两端的电压之间的关系，实现安全接通。
附图概述
图1是多继电器串联而成的安全电路原理图；
图2是本发明的原理图；
图3a、3b、3c、3d、3e分别是SAE J1766规定的高压系统绝缘电阻测试电路原理图；
图4是绝缘电阻测量电路。
具体实施方式
如图2所示，用于电动汽车的高压电安全监测装置包括电池管理模块10在高压系统的一端提供一个弱信号，并在另一端接收该信号，通过比较该信号的幅值，判断高压系统是否发生短路或断路故障。本发明提供的高压环路互锁功能实现了对系统电气完整性的监测，系统产生一个测量信号，并监测该信号通过高压系统后的返回信号，根据该返回信号的幅值，即可判断高压系统电路的连接状态，如电路发生断路或短路故障，信号幅值将发生很大变化，从而判断系统出现了电路故障。
车辆上设置有全方位碰撞传感器30，碰撞传感器30与电池管理模块10相连。当检测到车辆发生碰撞时，自动断开高压电池组的功能，通过安装360度全方位碰撞传感器30感受来自车辆任何方向的碰撞，当高压电安全监测装置接收到碰撞信号，会立即切断高压回路。
如图2所示，所述的高压系统由多个电池模块21与继电器22串联而成，熔断器23串联在电池模块21之间，并且保证每个电池模块电压不超过人体的安全电压，结合图1。
碰撞传感器30与揭盖保护开关100串联后一端接在电源上，另一端与电池管理模块10相连。
高压系统是由DC-DC、Inverter、交流永磁无刷电机等组成，电能由高压镍氢电池组提供，当电机处于电动状态时，直流电通过Inverter逆变成三相交流电，为电机提供电能；当电机处于发电状态时，电能通过Inverter逆变成直流电，为动力电池充电。
安全接通高压系统采用预充电继电器与大功率电阻等器件，即预充电继电器60与预充电电阻61实现高压系统的安全接通，在接通高压系统期间，检测高压系统电路，当发现电路故障时，断开高压系统继电器。
本发明还具有高压环路互锁功能，检测高压环路的完整性，当检测到高压电路失去完整性，马上切断电路。本发明使用低压信号连接到用电设备，以检测信号的完整性，此外，高压环路互锁电路连接电源开关、人工切断开关等使之成为互锁装置。
本发明提供的高压系统安全控制器，实时监测高压系统的安全状态，在高压系统断开、接通期间及闭合期间采用不同的监测控制，采用预充电电路，实现安全接通高压系统，无论继电器是否闭合，控制器实时监测系统的绝缘故障，本发明根据SAE  J1766的有关绝缘电阻的测量方法，设计了一种利用继电器实现对绝缘电阻实时快速的测试方法。
以下结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是多继电器串联安全电路，高压动力电池组由多个电池模块21与继电器22串联而成，并且保证每个电池模块21电压不超过人体的安全电压。
如图2所示，高压系统由电池模块21、熔断器23、正负端继电器40、50、预充电继电器60、碰撞开关即碰撞传感器30、逆变器70等组成。其中熔断器23串联在电池模块21之间，当电池电流过大，熔断器23熔断；正端继电器40的一端连接电池模块21正端，另一端连接逆变器70正端；负端继电器50一端连接电池模块21负端，另一端连接逆变器70负端。预充电继电器60与预充电电阻61组成预充电电路与正端继电器40并联。
环路互锁控制电路包括场效应管80，场效应管80控制端连接到电池管理模块10，场效应管80另外两端与模拟地和正端继电器40的控制端连接，当高压环路出现故障，电池管理模块10控制场效应管80关断，从而断开高压继电器；
信号采集单元90连接在电池模块21与电池管理模块10之间，采集各电池模块21的温度、电压信号，将数据通过内部总线发给电池管理模块10，电池管理模块10负责控制继电器及电池充放电控制，监测电池的状态。
为避免高压系统在接通过程中出现的电路故障及用电设备的电冲击，本发明提供了一种安全接通高压电路的方法，高压系统接通顺序如下：控制器即电池管理模块10先闭合负端继电器50和预充电继电器60，同时监测高压系统两端的电压，因为高压系统具有容性和阻性的特性，根据电容的瞬态特性，电容两端的电压是时间的积分函数，在规定的时间内，如果高压系统两端的电压达到安全接通电压要求，则闭合正端继电器40，同时断开预充电继电器60；碰撞传感器30与揭盖保护开关100串联后一端接在电源上，另一端与电池管理模块10相连，如图2所示，揭盖保护开关100和碰撞开关即碰撞传感器30可确保车辆碰撞或高压器件打开时的安全保护，当发生碰撞时，碰撞传感器30断开高压控制继电器的电源，从而断开高压系统；高压环路互锁功能的原理是高压电安全监测装置产生测试信号，并接收该信号经过高压系统后的返还信号，通过该返还信号的幅值大小即可判断高压电路的完整性。
图3是SAE J1766规定的高压系统绝缘电阻测试步骤，测试方法如下：
1.测量牵引电池电压Vb，如图3a所示；
2.测量牵引电池负极和车辆底盘之间的电压V1，如图3b所示；
3.测量牵引电池正极和车辆底盘之间的电压V2，如图3c所示。
4.如果V1＞＝V2，在电池负极和底盘之间插入标准电阻R0，测量电池负极与底盘之间的电压V1’，见图4。根据所示公式计算绝缘电阻Ri，如图3d所示；
5.如果V2＞＝V1，在电池正极和底盘之间插入标准电阻R0，测量电池正极与底盘之间的电压V2’，见图5。根据所示公式计算绝缘电阻Ri，如图3e所示；
6.标称电阻RO＝100Ω/V～500Ω/V，应该近似于车辆标称电压的500倍，单位为Ω。
图4是绝缘电阻测量电路，其中V1是负端对地的电压、V2是正端对地的电压、VB是动力电池两端的电压。根据图3的测试步骤，高压电安全监测装置测量电池组两端的电压VB、正端对地的电压V2、负端对地的电压V1，并比较V1与V2的大小，如果V1＞＝V2，则闭合K1继电器，根据绝缘电阻计算公式得：
R1＝R0〔1+V1/V2〕*〔V1-V1’〕/V1’；
如果V2＞＝V1，则闭合继电器K2，根据绝缘电阻计算公式得：
R1＝R0〔1+V1/V2〕*〔V2-V2’〕/V2’；
绝缘电阻是根据美国汽车工程学会SAE J1766的安全规定：根据图5的绝缘电阻测量方法得到的绝缘电阻值除以动力蓄电池的标称电压值，所得值应大于500Ω/V。本发明提供的绝缘电阻计算电路通过控制与标准电阻的连接，计算系统的绝缘电阻，如图4所示，通过使用贴片继电器实现了电池正极或负极与标准电阻的连接，贴片继电器具有体积小、功耗小、效应时间快、寿命长等优点，实现系统实时计算绝缘电阻。
本发明用于电动汽车或混合动力汽车高压系统安全监测，主要具有高压电路安全接通功能、高压环路互锁功能、系统绝缘故障监测功能。其特征在于不仅能保护车辆及驾乘人员的安全，也能保护电池的安全，本发明提供的高压电安全监测装置能全天候的监测高压系统的状态，并能根据系统故障的等级，控制高压系统的通断。

Claims (6)

1.一种用于电动汽车的高压电安全监测装置，其特征在于：包括电池管理模块(10)在高压系统(20)的一端提供一个弱信号，并在另一端接收该信号通过高压系统后的返回信号，根据该返回信号的幅值，判断高压系统(20)是否发生短路或断路故障；正端继电器(40)的一端连接高压系统(20)正端，另一端连接逆变器(70)正端；负端继电器(50)一端连接高压系统(20)负端，另一端连接逆变器(70)负端；预充电继电器(60)与预充电电阻(61)串联组成预充电电路与正端继电器(40)并联。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车的高压电安全监测装置，其特征在于：车辆上设置有全方位碰撞传感器(30)，碰撞传感器(30)与电池管理模块(10)相连。
3.根据权利要求1所述的用于电动汽车的高压电安全监测装置，其特征在于：所述的高压系统(20)由多个电池模块(21)与继电器(22)串联而成，熔断器(23)串联在电池模块(21)之间。
4.根据权利要求1或3所述的用于电动汽车的高压电安全监测装置，其特征在于：环路互锁控制电路包括场效应管(80)，场效应管(80)控制端连接到电池管理模块(10)，场效应管(80)另外两端与模拟地和正端继电器(40)的控制端连接。
5.根据权利要求1所述的用于电动汽车的高压电安全监测装置，其特征在于：信号采集单元(90)连接在电池模块(21)与电池管理模块(10)之间，采集各电池模块(21)的温度、电压信号，将数据通过内部总线发给电池管理模块(10)。
6.根据权利要求2所述的用于电动汽车的高压电安全监测装置，其特征在于：碰撞传感器(30)与揭盖保护开关(100)串联后一端接在电源上，另一端与电池管理模块(10)相连。
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