CN104953076A - 集成高电压服务断路器 - Google Patents

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Abstract

提供一种集成高电压服务断路器。一种牵引电池包括壳体。服务断路器基座设置在壳体的外表面上。服务断路器基座包括单端子连接器，单端子连接器设置在基座内并电连接至设置在壳体内的电池单元。服务断路器插头被构造为与基座机械地接合。服务断路器插头包括电缆，电缆被构造为在插头与基座接合时将单端子电连接至高电压总线。

Description

集成高电压服务断路器
技术领域
本公开涉及一种用于混合动力和电动车辆以限制接触到高电压电势的电池服务断路器。
背景技术
诸如电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)或全混合动力电动车辆(FHEV)的车辆包含用作车辆的能源的牵引电池总成。牵引电池可包括用于协助管理车辆性能和操作的组件和系统。牵引电池还可包括高电压组件。限制接触到高电压电势会是有益的。
发明内容
在一个实施例中，一种牵引电池包括电池壳体。服务断路器基座设置在壳体的外表面上并包括单端子连接器。单端子连接器设置在基座内，并电连接至设置在壳体内的电池单元。服务断路器插头包括本体和电缆，本体被构造为与基座机械地接合，电缆被构造为当本体与基座接合时将单端子电连接至高电压总线。
在另一实施例中，一种牵引电池包括壳体，壳体包括服务断路器基座，服务断路器基座具有与电池单元电连接的连接器。端子设置在壳体上并与电池单元电连接。服务断路器插头包括外罩部和车辆电缆，车辆电缆可与连接器机械地接合以使高电压总线与电池单元电连接。外罩部和壳体形成围绕端子的封罩以限制接触到端子。
根据本发明，提供一种牵引电池，所述牵引电池包括：壳体，包括服务断路器基座，服务断路器基座具有与电池单元电连接的连接器；端子，位于壳体上并与电池单元电连接；服务断路器插头，包括外罩部和车辆电缆，车辆电缆能够与连接器机械地接合，以将高电压总线与电池单元电连接，其中，外罩部和壳体形成围绕端子的封罩以限制接触到端子。
根据本发明的一个实施例，牵引电池还包括联锁开关，所述联锁开关包括联锁连接器和联锁插座，其中，联锁开关被构造为当联锁连接器从联锁插座移除时使端子断电。
根据本发明的一个实施例，外罩部包括限定封罩的至少一部分的顶部和侧壁。
根据本发明的一个实施例，车辆电缆包括插销，插销从服务断路器插头向外伸出并能够容纳于连接器中。
根据本发明的一个实施例，连接器包括插孔，插孔被构造为当服务断路器插头与服务断路器基座连接时容纳插销。
根据本发明的一个实施例，牵引电池还包括车辆电缆，车辆电缆与端子电连接以使端子电连接至高电压总线。
在又一实施例中，一种牵引电池包括电池壳体，在电池壳体中设置有多个电池单元。服务断路器设置在壳体的外表面上，并包括设置在服务断路器内的高电压车辆电缆和单端子。单端子与高电压车辆电缆机械地接合，以在服务断路器被连接时将高电压车辆电缆电连接至电池单元。
根据本发明，提供一种牵引电池，所述牵引电池包括：电池壳体，包括设置在电池壳体中的多个电池单元；服务断路器，设置在壳体的外表面上，并包括设置在服务断路器内的高电压车辆电缆(HVVC)和单端子，其中，单端子与HVVC机械地接合，以在服务断路器被连接时将HVVC电连接至电池单元。
根据本发明的一个实施例，牵引电池还包括设置在壳体上并与电池单元电连接的外包装端子。
根据本发明的一个实施例，服务断路器包括外罩部，外罩部被构造为当服务断路器被连接时限制接触到端子。
根据本发明的一个实施例，外罩部包括限定封罩的顶部和侧壁，当服务断路器被连接时，封罩与壳体配合以封住端子。
根据本发明的一个实施例，牵引电池还包括联锁开关，联锁开关包括联锁连接器和联锁插座，其中，联锁开关被构造为当联锁连接器从联锁插座移除时使单端子断电。
根据本发明的一个实施例，服务断路器包括能够与基座机械地接合的插头。
附图说明
图1示出了典型的插电式混合动力电动车辆的示意图。
图2示出了牵引电池总成。
图3示出了服务断路器的细节。
图4是与服务断路器开关相关联的电路的电气原理图。
图5是与包括联锁开关的服务断路器开关相关联的可选电路的电气原理图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅是示例，其它实施例可采用各种替代形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，可将参照任一附图示出并描述的各种特征与在一个或更多个其它附图中示出的特征相结合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，针对特定应用或实施，可期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。
图1示出了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)的示意图。车辆12包括机械地连接至混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置16机械地连接至发动机18。混合动力传动装置16还机械地连接至驱动轴20，驱动轴20机械地连接至车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14能够提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能够通过经由再生制动回收能量而提供燃料经济效益。电机14通过降低发动机18的工作载荷来减少污染物排放并提高燃料经济性。
牵引电池或电池包(battery pack)24储存可以被电机14使用的能量。牵引电池24通常从牵引电池24中的一个或更多个电池单元阵列(有时称为电池单元堆)提供高电压直流(DC)输出。电池单元阵列可包括一个或更多个电池单元。牵引电池24通过一个或更多个接触器(未示出)电连接至一个或更多个电力电子模块26。所述一个或更多个接触器在断开时使牵引电池24与其它组件隔离，并在闭合时将牵引电池24连接至其它组件。电力电子模块26还电连接至电机14，并且提供在牵引电池24和电机14之间双向传输电能的能力。例如，典型的牵引电池24可以提供DC电压，而电机14可能需要三相交流(AC)电压来运转。电力电子模块26可以将DC电压转换为电机14所需要的三相AC电压。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自用作发电机的电机14的三相AC电压转换为牵引电池24所需要的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。在纯电动车辆中，混合动力传动装置16可以是连接至电机14的齿轮箱并且不存在发动机18。
牵引电池24除提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气系统的能量。典型的系统可包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供应。其它高电压负载(例如，压缩机和电加热器)可直接连接至高电压而不使用DC/DC转换器模块28。在典型的车辆中，低电压系统电连接至辅助电池30(例如，12V电池)。
电池能量控制模块(BECM)33可与牵引电池24通信。BECM 33可用作牵引电池24的控制器，并且还可包括管理每个电池单元的温度和荷电状态的电子监控系统。牵引电池24可具有温度传感器31，例如，热敏电阻或其它温度计量器。温度传感器31可与BECM 33通信，以提供关于牵引电池24的温度数据。
车辆12可通过外部电源36进行再充电。外部电源36连接至电源插座。外部电源36可电连接至电动车辆供电设备(EVSE，electric vehicle supplyequipment)38。EVSE 38可提供电路和控制以调节并管理电能在电源36和车辆12之间的传输。外部电源36可向EVSE 38提供DC电力或AC电力。EVSE 38可具有用于插入到车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE 38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可电连接至充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可以调节从EVSE 38供应的电力，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE 38配合，以协调向车辆12的电力传递。EVSE连接器40可具有与充电端口34的对应的凹入匹配的插脚。
所论述的各种组件可具有一个或更多个相关联的控制器，以控制并监测组件的操作。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散的导体进行通信。
电池单元(诸如，棱柱形的电池单元或袋形的电池单元)可包括将储存的化学能转换为电能的电化学电池单元。电池单元可包括壳体、正极(阴极)和负极(阳极)。电解质可允许离子在放电期间在阳极和阴极之间运动，然后在再充电期间返回。端子可允许电流从电池单元流出以被车辆使用。当多个电池单元按照阵列定位时，每个电池单元的端子可与彼此相邻的相对的端子(正和负)对齐，汇流条可提供辅助以便于多个电池单元之间串联连接。电池单元还可并联布置，从而相似的端子(正和正或者负和负)彼此相邻。例如，两个电池单元可被布置为正极端子彼此相邻，紧挨着的两个电池单元可被布置为负极端子彼此相邻。在该示例中，汇流条可接触所有的四个电池单元的端子。
参照图2，示出了牵引电池总成或电池包50。牵引电池总成50包括电池壳体52。电池壳体52包括托盘54和外罩56，当外罩56附着至托盘54时，托盘54和外罩56配合以限定腔室60。多个电池组件设置于腔室60内。所述组件可包括接触器、电阻器、控制器、电池单元以及其它电组件。一个或更多个电池阵列62也可设置于腔室60内。每个电池阵列62包括多个堆叠的电池单元64。电池阵列62可通过电路与所述组件电连接。服务断路器(servicedisconnect)66设置在壳体52的外表面58上。服务断路器66用作硬线切断开关(hard-wire kill-switch)。当服务断路器66未被接合时，在引向外包装端子(external pack terminal)的高电压电路中形成开路。腔室60内部的电路以及至少一部分组件也被断电。外罩56和服务断路器66可被布置成使得在没有首先使服务断路器66分离的情况下不能移除外罩56。类似地，外罩56和服务断路器66可被布置成使得在外罩56没有附着至托盘54的情况下不能再次接合服务断路器66。
参照图3，示出了服务断路器66的放大视图。服务断路器66包括服务断路器插头70和服务断路器基座68。服务断路器插头70可插入于服务断路器基座68中。可选地，基座68可插入于插头70中。服务断路器插头70还可与服务断路器基座68分离。从服务断路器基座68移除断路器插头70在电连接至外包装端子90的高电压电路中形成开路。
服务断路器基座68包括顶部72和底部74。底部74附着至壳体52的外表面58。服务断路器基座68可与壳体52一体地形成。服务断路器基座68可由不导电材料(诸如，塑料)制成。服务断路器基座68包括设置于基座68内的单端子(uni-terminal)76。单端子76被示出为“负极”单端子，但是单端子76可以是“正极”单端子。单端子76包括插孔(female receptacle)78和电缆80。电缆80将单端子76电连接至所述组件和电池阵列62。插孔78由导电材料制成，并被构造为容纳服务断路器插头70的至少一部分。
服务断路器插头70包括本体82，本体82被构造为当服务断路器插头70与服务断路器基座68连接时机械地接合服务断路器基座68的至少一部分。服务断路器插头70包括插销(male prong)84，插销84部分地设置于本体82内，并具有从本体82向外伸出的突出部86。插销84由导电材料制成。插销84被构造为当服务断路器插头70连接至服务断路器基座68时容纳于插孔78中。将插销84插入于插孔78中使电路的至少一部分闭合。“负极”高电压车辆电缆(HVVC，high voltage vehicle cable)88的一部分设置于本体82中。当单端子76是“正极”单端子时，HVVC 88也可以是“正极”HVVC。HVVC 88具有第一端93和第二端(未示出)，第一端93与插销84电连接，第二端电连接至高电压总线或直接连接至电机。
当插销84容纳于插孔78中时，单端子76将HVVC 88与所述组件和电池阵列62电连接。当单端子76与插销84分离时，HVVC 88被断电，这发生在服务断路器66未被接合时。
插销84和插孔78被示出为正方形；然而，可考虑使用诸如矩形或圆形的其它构造。为服务断路器基座68提供手指保护(finger protection)会是有利的，从而手指或工具不会无意中接触到插孔78。手指保护的非限制性示例包括宽而细的插销和插孔，或者使插孔更深地凹入到服务断路器基座中。
外包装端子90设置在壳体52的外表面58上。端子90被示出为“正极”端子，但是端子90也可以是“负极”端子。端子90通过电路91与电池阵列62电连接。端子90可以是螺柱92。第二高电压车辆电缆(HVVC)94附着至端子90，以使电缆94电连接至电路91。HVVC 94被示出为“正极”HVVC，但是当端子90为“负极”端子时，HVVC 94可以是“负极”HVVC。HVVC94可包括镶孔金属环(eyelet)96，镶孔金属环96接纳在螺柱92上并利用螺母98固定至螺柱92。HVVC 94将电力从电池阵列62传输至高电压总线或直接传输至电机。螺栓紧固连接是一种可在制造过程中降低成本并提高效率的简单且廉价的连接方式。本公开可考虑用于端子-电缆连接的其它机械连接工艺。
端子90是导电的，并可在电路通电的情况下被接触时放电。服务断路器66可包括外罩部100以限制接触到端子90。外罩部100包括限定封罩106的外罩顶部102和侧壁104。当服务断路器插头70与服务断路器基座68连接时，端子90设置于封罩106内，从而限制接触到端子90。当服务断路器66被连接时，侧壁104与壳体外表面58紧密贴合，以防止物体进入封罩106。
服务断路器66可包括机械锁定机构，以将服务断路器插头70固定至服务断路器基座68。在服务断路器66中包括锁定机构消除了使用工具将服务断路器插头70从服务断路器基座68移除的需要。例如，插头70和基座68可包括通过致动器108机械地接合和分离的配合组件。所述致动器可以是使插头70和基座68中的配合锁定组件接合和分离的把手108。服务断路器66还可被设计为具有移除时间延迟。该时间延迟延缓了插头70的移除时间，这有助于确保在服务断路器插头70从服务断路器基座68移除之前使电路彻底断电。
图4示出了电路。电路110与多个电池单元114电连接。电池单元114可按照阵列112布置。电池单元114向电路110提供能量，并驱动至少一个电机。电路110还包括第一接触器116和第二接触器118。接触器116、118是使电路110断开和闭合的开关。接触器的开闭可通过一个或更多个控制器来控制。预充电电路120可被包括在电路110中。预充电电路120设置在电路110的正极端。可选地，预充电电路120可设置在电路110的负极端。预充电电路120包括电阻器122和预充电接触器124。在电路110的初始启动期间使用预充电电路120。
电路110还包括服务断路器126。服务断路器包括服务断路器基座128。基座128包括与电路110电连接的单端子130。单端子130被示出为“负极”单端子，但是，单端子130也可为“正极”单端子。单端子130包括插孔132。服务断路器126还包括服务断路器插头134。服务断路器插头134包括插销136，插销136容纳于服务断路器插孔132中。服务断路器126是一种开关，并在服务断路器插头134从服务断路器基座128移除时在电路中形成开路。
参照图5，示出了包括联锁开关142的可选电路140。联锁开关142是一种附加的切断开关。联锁开关142利用联锁电路144电连接至电路140。联锁电路144是将联锁开关142与使接触器150、152断开和闭合的致动器164连接的低电压电路。当联锁开关142断开时，接触器150、152也断开并且电路140被断电。联锁开关142包括联锁连接器151和联锁插座154。联锁连接器151可部分地嵌入在服务断路器插头156中，并可从服务断路器插头156向外伸出。联锁连接器151可以是金属条。联锁插座154可设置于服务断路器基座158中。当联锁开关142闭合时，联锁插座154接纳联锁连接器151。
从服务断路器基座158移除服务断路器插头156使得联锁开关142断开。联锁开关142可被布置为在服务断路器断开之前断开。在服务断路器插头156从服务断路器基座158移除之前，断开联锁开关142首先使电路140断电。这防止了在服务断路器插头156从服务断路器基座158移除时插销157和插孔159之间的电弧放电。具有联锁开关142和服务断路器两者还在它们中的一个出故障的罕见情况下提供冗余(redundancy)。
接触器150、152中的每个接触器包括可移动柱销(plunger)160和触头162。接触器150、152在柱销160和触头162接触时闭合，并在柱销160和触头162不接触时断开。柱销160通过弹簧偏置至断开(断电)位置。柱销160由致动器164控制。致动器164与联锁电路144电连接，并由联锁开关142控制。致动器164被构造为在联锁开关142闭合时克服弹簧偏置并将柱销160拉向触头162。致动器164可包括围绕柱销160的轴缠绕的线圈(wirecoil)166。响应于来自闭合的联锁开关142的电压信号，线圈166通过磁力将柱销160拉向触头162。可选地，联锁电路144可用于监测服务断路器的断开，而不必直接提供驱使接触器保持闭合的电流。在这样的构造中，可通过除了联锁电路144以外的组件(诸如，通过控制器)来使接触器150、152断开和闭合。这些示例不是限制性的，并且本领域普通技术人员将意识到其它构造。
虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例不意图描述了权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为提供优点或在一个或更多个期望特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，可对一个或更多个特征或特性进行折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、组装容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式合意的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (8)

1.一种牵引电池，包括：
电池壳体；
服务断路器基座，设置在所述电池壳体的外表面上并包括单端子连接器，所述单端子连接器设置在所述基座内并电连接至设置在所述电池壳体内的电池单元；
服务断路器插头，包括本体和电缆，所述本体被构造为与所述基座机械地接合，所述电缆被构造为当所述本体与所述基座接合时将所述单端子连接器电连接至高电压总线。
2.根据权利要求1所述的牵引电池，还包括联锁开关，所述联锁开关包括联锁连接器和联锁插座，其中，所述联锁开关被构造为当所述联锁连接器从所述联锁插座移除时使所述单端子断电。
3.根据权利要求1所述的牵引电池，其中，所述电池壳体包括托盘和外罩，其中，服务断路器基座设置在所述外罩的外表面上。
4.根据权利要求3所述的牵引电池，其中，服务断路器插头和外罩被布置成：除非服务断路器插头从服务断路器基座移除，否则不能从托盘移除外罩。
5.根据权利要求1所述的牵引电池，还包括联锁开关，所述联锁开关包括附着至服务断路器插头的联锁连接器和设置在服务断路器基座中的联锁插座，所述联锁开关被布置成使得当服务断路器插头从服务断路器基座至少部分地移除时，所述联锁连接器从所述联锁插座完全移除，其中，当所述联锁连接器从所述联锁插座移除时，单端子被断电。
6.根据权利要求1所述的牵引电池，其中，单端子连接器是负极单端子连接器。
7.根据权利要求1所述的牵引电池，所述牵引电池还包括设置在所述电池壳体上并与所述电池单元电连接的外包装端子，其中，服务断路器插头还包括外罩部，所述外罩部与所述电池壳体配合而形成围绕外包装端子的封罩，以限制接触到外包装端子。
8.根据权利要求1所述的牵引电池，其中，单端子连接器还包括插孔，服务断路器插头还包括电连接至电缆的插销，其中，当服务断路器插头与服务断路器基座接合时，插销容纳于插孔中，以将单端子电连接至高电压总线。
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