CN105150854A - 一种电动汽车高压安全保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车高压安全保护系统，通过电池管理系统对高压环路互锁回路状态及高压系统绝缘电阻进行检测，异常情况下使系统进入高压断电流程并对环路互锁信号状态进行诊断；通过安全气囊管理器检测碰撞状态信号并发给整车控制器及电池管理系统，当发生碰撞时整车控制器及电池管理系统进入高压断电控制流程并最终使整车高压断开。本发明大大提高了电动汽车的高压安全。

Description

一种电动汽车高压安全保护系统

技术领域

本发明涉及电动汽车安全领域，特别是涉及一种电动汽车高压安全保护系统。

背景技术

传统汽油车存在高能耗、高排放缺点，纯电动汽车只需通过电能进行驱动，不仅整车经济性好，而且实现零排放。但由于储能系统及高压部件的使用对系统的安全性和可靠性有较高的要求，如何让整车高压系统有效安全的运行，并在发生异常时进入安全状态以保证人员安全和整车安全是纯电动汽车整车安全中重要的一环。

目前纯电动车高压系统安全保护采用高压环路互锁、绝缘监测、碰撞断电等方法保障高压系统安全，但现有的安全保障方案存在以下不足：

缺点1：高压安全保护方法不完善，高压环路互锁检测无法诊断信号的有效性。互锁信号是为了检测高压系统插件是否出现断开的情况，通常是在互锁回路施加高电平，如果检测不到高电平则认为互锁回路断开，此方法无法判断互锁回路是否发生了对电源正极短路的情况，如果回路与电源正极短路的情况下高压插件被人为断开，系统无法识别，可能发生触电风险；

缺点2：忽略了一些碰撞保护功能的安全完整性，部分碰撞安全状态未考虑，一些信号的诊断及冗余设计考虑不充分。目前的碰撞高压安全主要考虑了前碰、侧碰等常规车的碰撞保护，对后碰及整车翻滚情况的高压安全未充分考虑。且碰撞信号的有效性未做充分诊断，在碰撞信号误报情况下可能断开高压系统，影响驾驶安全。

可见，现有的电动汽车高压安全保障方案不系统完善，高压环路互锁检测无法诊断信号的有效性，忽略了一些碰撞保护功能的安全完整性，部分碰撞安全状态未考虑，一些信号的诊断及冗余设计考虑不充分。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种更加安全可靠的电动汽车高压安全保护系统，用于提高现有电动汽车的高压安全保护。

本发明是这样实现的：

一种电动汽车高压安全保护系统，包括高压环路互锁回路、安全气囊管理器、电池管理系统和整车控制器；

所述高压环路互锁回路包括动力电池、动力电机、电机控制器、加热器和空调压缩机，所述动力电机连接于电机控制器，电机控制器、加热器和空调压缩机分别并联于动力电池正负极，并且所述动力电池、电机控制器、加热器、空调压缩机和电池管理系统依次用环路互锁检测线串联；

所述安全气囊管理器通过PWM信号线和CAN总线分别与电池管理系统、整车控制器连接；

电池管理系统被配置为检测高压供电系统正极和负极对地的绝缘电阻是否低于设定阈值，以及对所述环路互锁检测线发送预设占空比的PWM信号，并根据环路互锁检测线返回的PWM信号判断是否有高压插件断路，当绝缘电阻的电阻值低于设定阈值或检测到高压插件断路时，控制动力电池断开高压输出；

安全气囊管理器被配置为检测车辆是否发生前碰、侧碰、后碰或整车翻滚，以及当检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，发送CAN总线信号和通过PWM信号线发出预设占空比的PWM碰撞信号给整车控制器和电池管理系统；

整车控制器被配置为在收到碰撞信号后控制高压系统进入无负载状态，然后发送高压断电指令给电池管理系统，电池管理系统控制动力电池断开高压输出。

进一步的，所述“对所述环路互锁检测线发送预设占空比的PWM信号，并根据环路互锁检测线返回的PWM信号判断是否有高压插件断路”具体为：

所述电池管理系统对所述环路互锁检测线发送占空比为K1的PWM信号，并检测环路互锁检测线反馈回来的PWM信号的占空比；

当检测到返回的PWM信号占空比大于K2时，判断环路互锁信号线发生对电源正极短路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆；

当检测到返回的PWM信号占空比小于K3时，判断环路互锁信号线发生断路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，控制整车高压系统断开，其中K1、K2、K3介于0到1之间的小数。

进一步的，所述“安全气囊管理器被配置为检测车辆是否发生前碰、侧碰、后碰或整车翻滚，以及当检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，发送CAN总线信号和通过PWM信号线发出预设占空比的PWM碰撞信号给整车控制器和电池管理系统”具体为：

所述安全气囊管理器检测车辆是否发生前碰、侧碰、后碰或整车翻滚，在未检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，通过PWM信号线发送占空比K4的PWM信号，并通过CAN总线发送无碰撞发生状态0给整车控制器及电池管理器；当安全气囊管理器检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，通过PWM信号线发送N1个周期占空比K5的PWM方波，并通过CAN总线发送碰撞断电信号状态为1，整车控制器接收到CAN总线及PWM信号线的碰撞断电请求后控制整车各高压用电器进入无负载状态，电池管理器接收到CAN总线及PWM信号线碰撞断电请求后延时T1后断开高压继电器，其中T1和N1为正整数，K4、K5介于0到1之间的小数。

进一步的，所述整车控制器和电池管理系统还被配置为监测PWM信号线中PWM信号的占空比，并根据PWM信号的占空比判断故障类型，具体为：

安全气囊管理器在未检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，发送占空比K4的PWM信号，

整车控制器和电池管理系统监测PWM信号的占空比，当检测到PWM信号占空比大于K6时，判断PWM碰撞信号线发生对电源短路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆；

当检测到PWM信号占空比小于K7时，判断PWM碰撞信号线发生对地短路或断路，此时PWM碰撞信号不能用于碰撞PWM信号占空比高压断电控制，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆；

当PWM信号占空比介于K6与K7之间时，此信号用于整车控制系统及电池系统进行碰撞状态判断，其中，K6和K7为介于0到1之间的小数。

本发明的有益效果为：本发明通过在高压环路互锁回路施加一定占空比的PWM信号，并监测回路上的PWM信号能有效判断是否发生互锁回路是否发生对电源正极短路的情况，由于高压系统保护对整车安全有很大影响，本发明对碰撞发生后的碰撞状态通过PWM信号线(碰撞信号线)及CAN信号发送给整车控制器及电池管理系统，实现信号的冗余设计，同时通过在碰撞信号线上施加一定占空比的PWM信号，当碰撞发生时碰撞信号线上的PWM信号占空比发生变化，整车控制器及电池管理系统通过监控PWM信号的占空比判断是否发生碰撞，当碰撞信号线断路、与电源正极或负极短路的情况下，PWM信号的占空比会超出正常范围，此时诊断碰撞信号线检测失效，高压系统正常工作，防止由于信号失效异常导致的系统误动作。可见本发明大大提高了电动汽车的高压安全保护。

附图说明

图1为本发明实施方式中高压环路互锁回路的组成及连接示意图；

图2为本发明实施方式中高压碰撞安全及绝缘检测示意图；

图3为本发明实施方式中高压环路互锁回路状态检测及故障诊断流程图；

图4为本发明实施方式中高压碰撞安全控制流程图；

图5为本发明实施方式中高压碰撞PWM信号线故障诊断控制流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明实施方式电动汽车高压安全保护系统包括高压环路互锁回路、安全气囊管理器、电池管理系统(BMS)和整车控制器(VCU)；

请参阅图1，为高压环路互锁回路的组成及连接示意图，所述高压环路互锁回路包括动力电池(以下也叫高压电池或电池包)、动力电机、电机控制器、加热器和空调压缩机，所述动力电机连接于电机控制器，电机控制器、加热器和空调压缩机分别并联于动力电池正负极，并且所述动力电池、电机控制器、加热器、空调压缩机和电池管理系统依次用环路互锁检测线串联；

电池管理系统被配置为检测高压供电系统正极和负极(所述高压供电系统即动力电池)对地的绝缘电阻是否低于设定阈值，以及对所述环路互锁检测线发送预设占空比的PWM信号，并根据环路互锁检测线返回的PWM信号判断是否有高压插件断路，如果高压插件断开会导致环路互锁信号线断路，这种情况下电池管理系统无法检测到PWM信号。当绝缘电阻的电阻值低于设定阈值或检测到高压插件断路时，控制动力电池断开高压输出。

其中，电池管理系统输出环路互锁检测线(以下又叫高压环路互锁信号线或互锁信号线)到动力电机(以下也称电池包)，互锁信号线(即所述环路互锁检测线)在电池包内部通过直流母线插件后输出到电机控制器；在电机控制器内部，环路互锁信号(即所述预设占空比的PWM信号)通过电机控制器直流母线插件、电机三相插件、加热器及空调压缩机高压插件；最后通过加热器及空调压缩机控制器高压插件后输入到电池管理系统进行检测。

请参阅图2，为高压碰撞安全及绝缘检测示意图，所述安全气囊管理器通过PWM信号线(以下又称PWM硬线或硬线)和CAN总线(以下又简称为CAN)分别与电池管理系统、整车控制器连接；

安全气囊管理器被配置为检测车辆是否发生前碰、侧碰、后碰或整车翻滚，以及当检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，发送CAN总线信号和通过PWM信号线发出预设占空比的PWM碰撞信号给整车控制器和电池管理系统；

整车控制器被配置为在收到碰撞信号后控制高压系统进入无负载状态，然后发送高压断电指令给电池管理系统，电池管理系统控制动力电池断开高压输出。

在本实施方式中，当整车发生碰撞时，为了防止高压对用户和救援人员造成伤害，高压电池应该从高压用电系统中断开。通过安全气囊管理器检测整车加速度信号判断是否发生碰撞，如果发生碰撞将碰撞状态通过PWM信号线及CAN信号发送给整车控制器和电池管理系统，整车控制器根据碰撞信号的状态控制高压用电系统及电池系统的工作状态。当碰撞发生时控制高压电池断开；电池管理系统通过检测高压系统的绝缘电阻判断是否发生漏电情况，当绝缘电阻低于一定值时，高压电池断开。

请参阅图3，高压环路互锁回路状态检测及故障诊断流程，电池管理系统通过环路互锁信号线发出占空比K1的PWM信号并检测返回的PWM信号状态，当检测到返回的PWM信号占空比大于K2时，判断环路互锁信号线发生对电源正极短路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，此时整车仍能正常工作。当检测到返回的PWM信号占空比小于K3时，判断环路互锁信号线发生断路，此时高压系统高压插件可能发生断路，存在触电风险，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，此时整车高压系统断开，无法正常工作。

目前很多电动汽车直接采用在互锁回路中施加高电平，对互锁信号线的失效状态无法有效检测。互锁回路如果对电源正极短路，电池管理系统检测到PWM信号是高电平，可以理解为占空比接近100％的PWM信号，如果高压插件有断开的情况，图1所示互锁回路(即所述高压环路互锁回路)也会断开，此时整个电池管理系统检测到的PWM信号为低电平，可以理解为占空比为0的PWM信号。此处，K2大于K3，K2、K3属于标定量，可自行根据整车情况标定。

请参阅图4，为高压碰撞安全控制流程图。无碰撞发生时，安全气囊管理器发送占空比K4的PWM信号并通过CAN发送无碰撞发生状态0给整车控制器及电池管理器；碰撞发生时，安全气囊控制器通过PWM信号线发送N1个周期占空比K5的PWM方波并通过CAN发送碰撞断电信号状态为1，整车控制器接收到CAN及PWM信号线碰撞断电请求后控制各高压用电器(所述各高压用电器是指图1高压环路互锁回路中各设备)进入无负载状态，电池管理器接收到CAN及硬线碰撞断电请求后延时T1后断开高压继电器。系统最终进入安全状态。

请参阅图5，为高压碰撞PWM信号线故障诊断控制流程图。无碰撞发生情况下，安全气囊控制器发送占空比K4的PWM信号，整车控制器及电池管理系统监测PWM信号占空比。当检测到PWM信号占空比大于K6时，判断PWM碰撞信号线发生对电源短路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，此时整车仍能正常工作。当检测到小于K7时，判断PWM碰撞信号线发生对地短路或断路，此时PWM碰撞信号不能用于碰撞PWM信号占空比高压断电控制，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，此时整车仍能正常工作。当PWM信号占空比介于K6与K7之间时，此信号用于整车控制系统及电池系统进行碰撞状态判断，所述K6大于K7。

本发明实施方式通过电池管理系统(BMS)对高压环路互锁状态及高压系统绝缘电阻进行检测，异常情况下使系统进入高压断电流程并对环路互锁信号状态进行诊断；通过安全气囊管理器检测碰撞状态信号并发给整车控制器(VCU)及电池管理系统(BMS)，当发生碰撞时整车控制器(VCU)及电池管理系统(BMS)进入高压断电控制流程并最终使整车高压断开。并通过在互锁回路施加一定占空比的PWM信号并监测回路上的PWM信号能有效判断是否发生互锁回路是否发生对电源正极短路的情况。同时本发明实施方式对碰撞发生后的碰撞状态通过碰撞信号线及CAN信号发送给整车控制器及电池管理系统，实现信号的冗余设计，同时通过在碰撞信号线上施加一定占空比的PWM信号，当碰撞发生时碰撞信号线上的PWM信号占空比发生变化，整车控制器及电池管理系统通过监控PWM信号的占空比判断是否发生碰撞，当碰撞信号线断路、与电源正极或负极短路的情况下，PWM信号的占空比会超出正常范围，此时诊断碰撞信号线检测失效，高压系统正常工作，防止由于信号失效异常导致的系统误动作。从而大大提高了电动汽车的高压安全。

以上所述仅为本发明的实施例，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流程变换，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。

Claims (4)

1.一种电动汽车高压安全保护系统，其特征在于，包括高压环路互锁回路、安全气囊管理器、电池管理系统和整车控制器；

所述高压环路互锁回路包括动力电池、动力电机、电机控制器、加热器和空调压缩机，所述动力电机连接于电机控制器，电机控制器、加热器和空调压缩机分别并联于动力电池正负极，并且所述动力电池、电机控制器、加热器、空调压缩机和电池管理系统依次用环路互锁检测线串联；

所述安全气囊管理器通过PWM信号线和CAN总线分别与电池管理系统、整车控制器连接；

电池管理系统被配置为检测高压供电系统正极和负极对地的绝缘电阻是否低于设定阈值，以及对所述环路互锁检测线发送预设占空比的PWM信号，并根据环路互锁检测线返回的PWM信号判断是否有高压插件断路，当绝缘电阻的电阻值低于设定阈值或检测到高压插件断路时，控制动力电池断开高压输出；

安全气囊管理器被配置为检测车辆是否发生前碰、侧碰、后碰或整车翻滚，以及当检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，发送CAN总线信号和通过PWM信号线发出预设占空比的PWM碰撞信号给整车控制器和电池管理系统；

整车控制器被配置为在收到碰撞信号后控制高压系统进入无负载状态，然后发送高压断电指令给电池管理系统，电池管理系统控制动力电池断开高压输出。

2.根据权利要求1所述的电动汽车高压安全保护系统，其特征在于，所述“对所述环路互锁检测线发送预设占空比的PWM信号，并根据环路互锁检测线返回的PWM信号判断是否有高压插件断路”具体为：

所述电池管理系统对所述环路互锁检测线发送占空比为K1的PWM信号，并检测环路互锁检测线反馈回来的PWM信号的占空比；

当检测到返回的PWM信号占空比大于K2时，判断环路互锁信号线发生对电源正极短路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆；

当检测到返回的PWM信号占空比小于K3时，判断环路互锁信号线发生断路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆，控制整车高压系统断开，其中K1、K2、K3介于0到1之间的小数。

3.根据权利要求1所述的电动汽车高压安全保护系统，其特征在于，所述“安全气囊管理器被配置为检测车辆是否发生前碰、侧碰、后碰或整车翻滚，以及当检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，发送CAN总线信号和通过PWM信号线发出预设占空比的PWM碰撞信号给整车控制器和电池管理系统”具体为：

所述安全气囊管理器检测车辆是否发生前碰、侧碰、后碰或整车翻滚，在未检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，通过PWM信号线发送占空比K4的PWM信号，并通过CAN总线发送无碰撞发生状态0给整车控制器及电池管理器；当安全气囊管理器检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，通过PWM信号线发送N1个周期占空比K5的PWM方波，并通过CAN总线发送碰撞断电信号状态为1，整车控制器接收到CAN总线及PWM信号线的碰撞断电请求后控制整车各高压用电器进入无负载状态，电池管理器接收到CAN总线及PWM信号线碰撞断电请求后延时T1后断开高压继电器，其中T1和N1为正整数，K4、K5介于0到1之间的小数。

4.根据权利要求1所述的电动汽车高压安全保护系统，其特征在于，所述整车控制器和电池管理系统还被配置为监测PWM信号线中PWM信号的占空比，并根据PWM信号的占空比判断故障类型，具体为：

安全气囊管理器在未检测到车辆前碰、侧碰、后碰或整车翻滚时，发送占空比K4的PWM信号，

整车控制器和电池管理系统监测PWM信号的占空比，当检测到PWM信号占空比大于K6时，判断PWM碰撞信号线发生对电源短路，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆；

当检测到PWM信号占空比小于K7时，判断PWM碰撞信号线发生对地短路或断路，此时PWM碰撞信号不能用于碰撞PWM信号占空比高压断电控制，点亮高压系统报警灯并提示驾驶员及时维修车辆；

当PWM信号占空比介于K6与K7之间时，此信号用于整车控制系统及电池系统进行碰撞状态判断，其中，K6和K7为介于0到1之间的小数。