CN105932344A - 一种可级联的动力电池组安全保护模块 - Google Patents

Abstract

保护可靠的一种可级联的动力电池组安全保护模块，包括级联控制器、保护控制单元、保护开关和动力电路开关；级联控制器含第一光电耦合器和第二光电耦合器；保护控制单元含监控信号输入端口、直流电输入端口、驱动电流输出端和保护信号输出端；级联控制器中第一光电耦合器的发光二极管正极与级联控制正级输入端相连，负极与第二光电耦合器中光敏三极管集电极相连，第二光电耦合器的光敏三极管发射极与级联控制负极输出端相连，第一光电耦合器中光敏三极管集电极与驱动电流输出端相连，发射极与动力电路开关的控制端相连，第二光电耦合器发光二极管正极与驱动电流输出端相连，负极与保护开关执行机构一端相连。本发明能保护动力电池。

Description

一种可级联的动力电池组安全保护模块

技术领域

本发明涉及一种电气控制技术，更具体地涉及一种可级联的动力电池组安全保护模块，属动力电池制造领域。

背景技术

由于传统能源在使用过程中不可避免地会对环境造成影响，在环境污染日益严重的今天，迫使人们寻求环境友好的新能源技术。蓄电池在使用过程中不会对环境造成危害，而且可以重复使用，因此受到了广泛的关注。

近几年来，随着锂离子电池技术的突破，以锂离子电池为代表的动力电池得到了大规模的应用，尤其在为保护环境国家大力推广新能源电动汽车的背景下，动力电池更是获得突飞猛进的发展。

动力电池泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的蓄电池，其中以锂离子动力电池应用最为广泛。动力电池输出的电压高，电流大，如电动汽车用动力电池输出的电压在300V以上，额定容量更是高达上百安时，由于动力电池都需要高倍率放电，比如当1C放电时，输出的电流就达上百安培。

我们知道，锂电池的单体电池一般标称电压为3.7V，额定容量为10Ah，显然只有将单体电池进行适当的串并联后，才能达到上述动力电池的输出性能。由于要进行串并联的单体电池数量太多了，一般的做法是先将若干个单体电池进行串并联后组成具有一定输出性能的电池模组，如75V/30Ah。然后再将电池模组进行串并联后组成动力电池组，如600V/300Ah。动力电池组与电池管理系统(BMS)相连后就组成一个动力电池系统，该动力电池系统可以用于驱动动力装备。

如此众多的单体电池通过串并联组成的动力电池组，安全成为一个非常重要的因素，尤其是锂离子电池，其安全性更为突出。所有的动力电池系统都设置有相应的安全保护装置。

在现有的技术中，如图1所示，一般在动力电池组的正极端和负极端分别安装一个保险丝F1和F2，并在动力电路中串接一个大电流继电器K1，大电流继电器K1根据BMS的指令来切断或导通动力电路。这样的安全保护装置存在非常大的安全隐患，主要表现在：

1.用保险丝来实现短路保护，其缺点是保护动作电流具有很大的不确定性，与环境温度、散热结构及安装位置等紧密相关，如果选择电流偏大，在发生短路时可能导致线缆着火而保护动作并未执行；如果选择动作电流偏小，在高温季节动力装备启动时，很容易发生误动作而导致动力装备失去动力。再者，保险丝动作时间较长，一般为20～200毫秒，如此长时间的短路电流更容易导致电池内部部件如极板、隔膜等发生损坏，使电池容量、寿命及安全性大幅度降低。

2.现有的动力电池系统保护装置仅能用于保护整个动力电池组，只有当动力电池组外部电路发生短路时，保险丝才能熔断而切断动力电路，而当动力电池组内部的电池模组发生短路时，则无法提供保护，因此存在着火、损坏整个动力电池组的安全隐患，保护非常不充分。

3.在现有技术中，动力电池系统保护装置只用高压控制箱内的继电器来通断电路，在继电器动作时易产生电弧，且在继电器断开时电池组各端口依然输出直流高电压，而直流高电压的安全性极差，人员一旦触电伤亡率极高，导致动力电池组安装、维修困难，需要特别培训和特种工具才能实施，增加了运维成本和安全风险。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种可级联的动力电池组安全保护模块，解决现有技术中动力电池系统中的保险丝保护性能差，保护不充分，不能对电池模组进行保护，采用继电器存在安全隐患的问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案其特殊之处在于：所述安全保护模块包括：级联控制器、保护控制单元、保护开关和动力电路开关；

所述级联控制器包括：第一光电耦合器和第二光电耦合器；

所述保护控制单元包含：

a.监控信号输入端口，用于接收来自动力电池模组的监控信号；

b.直流电输入端口，用于与外部直流电源相连；

c.驱动电流输出端，用于输出驱动电流驱动所述级联控制器和所述动力电路开关；

d.保护信号输出端，当所述保护控制单元接收到的监控信号大于阈值时，所述保护信号输出端输出为高电平，用于驱动保护开关；

在所述级联控制器中，所述第一光电耦合器中发光二极管的正极与所述安全保护模块的级联控制正级输入端口相连，所述第一光电耦合器发光二极管的负极与所述第二光电耦合器中光敏三极管的集电极相连，所述第二光电耦合器的光敏三极管发射极与所述安全保护模块的级联控制负极输出端口相连，所述第一光电耦合器中光敏三极管的集电极与所述驱动电流输出端相连，所述第一光电耦合器的光敏三极管发射极与所述动力电路开关的控制端相连，所述第二光电耦合器发光二极管正极与所述驱动电流输出端相连，所述第二光电耦合器的发光二极管负极与所述保护开关的执行机构的一端相连；

所述保护开关其执行机构的一端与所述第二光电耦合器的发光二极管负极相连，保护开关执行机构的另一端接地，所述保护开关的控制端与所述保护信号输出端相连；所述保护开关为常闭型开关，当所述保护开关接收到来自所述保护信号输出端的高电平时，所述保护开关断开；

所述动力电路开关其执行机构的一端与所述安全保护模块的大电流输入端口相连，动力电路开关执行机构的另一端与所述安全保护模块的大电流输出端口相连，所述动力电路开关的控制端与所述第一光电耦合器的光敏三极管发射极相连；所述动力电路开关为常开型开关，当所述动力电路开关的控制端接收到来自所述驱动电流输出端的驱动电流时，所述动力电路开关闭合。

优选是：

所述安全保护模块上的所述大电流输入端口与电池模组的正极相连构成动力电池包，所述动力电池包的负极端口为电池模组的负极端口，所述动力电池包的正级端口为所述安全保护模块上的所述大电流输出端口；不同动力电池包之间连接为串联、并联或串并混联，所有安全保护模块上的级联控制器为串联，本级安全保护模块上的级联控制正极输入端口与上一级安全保护模块上的级联控制负极输出端口相连，本级安全保护模块上的级联控制负极输出端口与下一级安全保护模块上的级联控制正级输入端口相连；第一级安全保护模块的级联正极输入端口与最末级安全保护模块的级联控制负极输出端口与动力电池管理系统相连；电池模组内置监控信号传感器，所述监控信号传感器输出的监控信号与安全保护模块上的所述监控信号输入端口相连；当任意一级动力电池包的任一信号超过阈值时，所有动力电池包的安全保护模块都同时断开动力电路开关。

所述监控信号包括电流、电压、温度、压力和绝缘损坏中的一种或多种。

所述保护开关为电子继电器或晶闸管。

所述动力电路开关为大电流继电器、高能继电器或大功率电子开关。

所述动力电路开关至少由两个大功率电子开关并联而成。

所述安全保护模块用于动力电池模组的串联、并联或混联。

所述电压信号包括过电压信号和欠电压信号。

所述大功率电子开关包括大功率MOSFET、大功率双极晶体管、IGBT及其模组构成的半导体快速电子开关。

由此可见，本发明的有益效果包括：

1.本发明具有多点联动级联保护功能，保护动作速度快、精度高、触发源多和方式灵活的优点；

2.本发明不但可以对整个动力电池组进行保护，还可以对任何一个电池模组进行保护；

3.本发明可以对多个信号进行同时监控，包括过电流、过电压、欠电压、过热、过压力和绝缘损坏，任何一个电池模组的任何一个信号超过保护阈值，都可以触发全局保护，动力电池组得到充分的保护；

4.本发明的保护动作时间大大缩短，使故障电流维持时间极短，对电池的损伤更小，整体安全性大大高于现有技术。

附图说明

图1是现有技术中动力电池系统中的安全保护装置结构示意图；

图2是本发明提供的一种具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明提供的另一种具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明与电池模组的连接示意图；

图5是本发明提供的可级联动力电池组安全保护模块用于电池模组串联方式时的接线图；

图6是本发明用于电池模组串并混联方式时的接线图。

图中标记：1－可级联的安全保护模块；2－级联控制器；3－保护控制单元；4－保护开关；5－动力电路开关；6－电池模组；101－大电流输入端口；102－大电流输出端口；201－第一光电耦合器，202－第二光电耦合器；203－级联控制正极输入端口；204－级联控制负极输出端口；301－监控信号输入端口；302－直流电输入端口；303－驱动电流输出端；304－保护信号输出端；501－第一MOSFET；502－第二MOSFET；601－电流传感器；602－温度传感器；603－压力传感器；BT1－第一级电池模组；BTn－最末级电池模组；R1、R2－限流电阻；F1、F2－保险丝；K1－大电流继电器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

本发明是针对现有技术中动力电池系统中的保险丝保护性能差，保护不充分，不能对电池模组进行保护，继电器存在安全隐患的问题，提供一种与电池模组相连并可级联的安全保护模块。该安全保护模块与电池模组相连组成动力电池包，各个动力电池包上的安全保护可串联形成一个安全保护网络，保证任何一个电池模组发生安全故障时可以同时切断所有电池模组的动力输出。

如图2所示，是本发明提供的可级联的动力电池组安全保护模块的一个具体实施方式的结构示意图。该安全保护模块1包括级联控制器2、保护控制单元3、保护开关4和动力电路开关5。

保护控制单元3包含监控信号输入端口301、直流电输入端口302、驱动电流输出端303和保护信号输出端304。直流电输入端口302与外部的直流电源相连，用于给整个安全保护模块供电。监控信号输入端口301与电池模组的监控信号传感器相连，用于接收来自电池模组传感器的监控信号。驱动电流输出端303用于向级联控制器2和动力电路开关5供电。保护控制单元3还有另外一个重要功能就是将监控信号输入端口301接收到的各种监控信号与设定的相应阈值进行比较，如果超过阈值，则保护信号输出端输出为高电平，否则输出为低电平。

级联控制器2由第一光电耦合器201和第二光电耦合器202组成，第一光电耦合器201中发光二极管的正极与安全保护模块的级联控制正级输入端口203相连，第一光电耦合器201的发光二极管负极与第二光电耦合器202中光敏三极管的集电极相连，第二光电耦合器202的光敏三极管发射极与安全保护模块的负极输出端口204相连，第一光电耦合器201中光敏三极管的集电极与驱动电流输出端303相连，第一光电耦合器201的光敏三极管发射极与动力电路开关5的控制端相连，第二光电耦合器202的发光二极管正极与驱动电流输出端303相连，第二光电耦合器202的发光二极管负极与保护开关4的执行机构的一端相连。

在本具体实施方式中，保护开关4选用的是电子继电器，保护开关4的执行机构一端与第二光电耦合器202的发光二极管负极相连，保护开关4的执行机构另一端接地，保护开关4线圈的一端与所述保护信号输出端304相连，保护开关4线圈的另一端接地。保护开关4为常闭型开关，当保护信号输出端304输出为高电平时，保护开关4线圈中通过驱动电流，从而使保护开关4的执行机构产生动作，使保护开关4断开。

在本具体实施方式中，动力电路开关5选自大电流继电器或高能继电器，动力电路开关5的执行机构一端与安全保护模块1上的大电流输入端口101相连，动力电路开关5的执行机构另一端与安全保护模块1上的大电流输出端口102相连，动力电路开关5线圈的一端与第一光电耦合器201的光敏三极管发射极相连，动力电路开关5线圈的另一端接地。动力电路开关5为常开型开关，当第一光电耦合器201导通时，驱动电流输出端303输出的直流电通过动力电路开关5的线圈，从而使动力电路开关5的执行机构产生动作，使动力电路开关5闭合。由于采用电子继电器存在易产生电弧，安全性差，运维困难且成本高的缺点，本发明还提供了可级联动力电池组安全模块的另一具体实施方式，用晶闸管代替电子继电器作为保护开关4，用大功率电子开关代替大电流继电器或高能继电器作为动力电路开关5，如图3所示。

大功率电子开关可以选自大功率金属氧化物半导体场效应晶体管(即大功率MOSFET)、大功率双极晶体管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及其模组构成的半导体快速电子开关。在本具体实施方式中选用大功率MOSFET。

当采用晶闸管作为保护开关4时，与电子继电器与第二光电耦合器202的发光二极管串联的方式不同，晶闸管与之并联，晶闸管的门极与保护信号输出端304相连，当保护信号输出端304输出高电平时，晶闸管有门极电流通过，从而使晶闸管导通，由于晶闸管导通后的压降不足以驱动第二光电耦合器202的发光二极管，从而使发光二极管断开，所起效果与用电子继电器时常闭端口断开时完全相同。更重要的是晶闸管是一个锁存器，可以锁定故障信号，直到重新上电启动才会复位。

当用大功率MOSFET作为动力电路开关5时，MOSFET的栅极与第一光电耦合器201的光敏三极管发射极相连，MOSFET的源极与大电流输入端口101相连，漏极与大电流输出端口102相连。当第一光电耦合器201导通时，从驱动电流输出端303输出的电流通过MOSFET的栅极，从而使MOSFET导通，当第一光电耦合器201断开时，由于MOSFET失去栅极电流而截止，从而使动力电路断开，因此大功率MOSFET所起的作用与大电流继电器完全相同。

还可以将多个大功率MOSFET并联来获得更大的电流通过能力，如图3中第一MOSFET 501和第二MOSFET 502并联。

图4所示的是电池模组与安全保护模块组成的动力电池包的结构示意图。电池模组6的正极与安全保护模块1的大电流输入端口101相连，电池模组6内置多种监控信号传感器，如电流传感器601，温度传感器602，压力传感器603等，这些传感器的输出信号与安全保护模块1的监控信号输入端口301相连。安全保护模块1的直流电输入端口302与外部直流电源相连，该外部直流电源可以是蓄电池或DC/DC隔离电源。这样由电池模组6和安全保护模块1组成的单元系统称之为动力电池包，动力电池包可以单独使用，也可以通过适当的串并联后组成动力电池组以获得更大的输出电压和电池容量。

单个动力电池包中安全保护模块的工作原理简述如下：

当外部电源给安全保护模块1供电时，保护控制单元3上的驱动电流输出端303输出一个足以驱动级联控制器2和动力电路开关5的电位，由于保护开关4是常闭型开关，第二光电耦合器202中的发光二极管为正向配置，因此该发光二极管所在电路导通，第二光电耦合器202的发光二极管发光，从而使第二光电耦合器202中的光敏三极管导通，这样从级联控制正极输入端口通过正向配置的第一光电耦合器201的发光二极管，再通过第二光电耦合器202的光敏三极管，再到级联控制负极输出端口的线路是导通的，但由于在级联控制正极输入端口203和级联控制负极输出端口之间没有电流通过，因此第一光电耦合器201的发光二极管截止，第一光电耦合器201的光敏三极管没有感受到光也处于截止状态，驱动电流输出端303无法将驱动电流输送到动力电路开关5的控制端，由于动力电路开关5是常开型开关，因此与电池模组相连的动力电路处于断开状态。当级联控制正极输入端口203和级联控制负极输出端口之间接收到来自电池BMS的启动信号时，第一光电耦合器201的发光二极管有工作电流通过而发光，从而使第一光电耦合器201中的光敏三极管导通，这样从驱动电流输出端303输出的驱动电流就可以流入动力电路开关5的控制端，从而驱动动力电路开关5的常开型执行机构闭合，使电池模组的动力电路导通，可以向外输出大电流。

保护控制单元3接收来自电池模组6内置传感器的监控信号，监控信号包括电流、电压、温度、压力、绝缘层等，将这些传感器传来的信号与内置各信号的阈值进行比较，电流信号高于阈值形成过电流控制信号，温度信号高于阈值形成过热控制信号，压力信号高于阈值形成过压力控制信号，当绝缘层信号高于阈值形成绝缘层损坏控制信号，当电压信号高于阈值形成过电压控制信号，当电压信号低于阈值形成欠电压控制信号，只要任何一个控制信号形成，保护信号输出端口304就输出为高电平，与之相连的保护开关4的控制端就会有驱动电流通过，从而触发保护开关4动作，从闭合变为断开，于是第二光电耦合器202中的发光二极管失去驱动电流而处于截止状态，从而也使第二光电耦合器202的光敏三极管因感受不到光而处于截止状态，因此与第二光电耦合器202的光敏三极管相连的线路断开，第一光电耦合器201中的发光二极管也因此失去驱动电流，从而导致第一光电耦合器201中的光敏三极管也因感受不到光而处于截止状态，动力电路开关5的控制端失去驱动电流而恢复到常开状态，于是与电池模组6相连的动力电路断开，电池模组6不再向外输出直流电。

本发明的最大特点是本发明提供的可级联动力电池组安全保护模块可用于多个电池模组的串联、并联或混联的情况。

图5所示的是安全保护模块应用于多个电池模组串联时连线示意图，单个电池模组的正极与安全保护模块上的大电流输入端口相连构成动力电池包，动力电池包的负极为电池模组本身的负极，动力电池包的正极为安全保护模块上的大电流输出端口。将本级动力电池包的正极与上一级动力电池包的负极相连，本级动力电池包负极与下一级动力电池包的正级相连，这样就组成一个串联的动力电池组，该动力电池组第一级动力电池包BT1的正极和最末级动力电池包BTn的负极分别与负载的两端相连。然后将所有动力电池包上的级联控制端串联起来，即将本级动力电池包上的级联控制正极输入端口与上一级动力电池包上的级联控制负极输出端口相连，将本级动力电池包上的级联控制负极输出端口与下一级动力电池包上的级联控制正极输入端口相连，第一级动力电池包BT1的级联控制正极输入端和最末级动力电池包BTn的级联控制负极输出端分别与电池管理系统BMS相连，这样就构成一个完整的级联控制串联回路。与单个动力电池包的工作原理完全相同，在级联控制回路中有来自BMS的启动信号时，每个安全保护模块上的动力电路开关都闭合，这样整个动力电路都导通，动力电池组向负载供电。

在动力电池组中的任何一个动力电池包中，如果安全保护模块上的监控信号输入端口接收到任何一个信号超过阈值时，保护信号输出端输出高电平，从而驱动保护开关断开，导致该安全保护模块上第二光电耦合器中的发光二极管截止而不发光，与之耦合的光敏三极管也因没有光的照射而处于截止状态，于是整个串联的级联控制回路断开，串联在这个级联控制回路中的每一级安全保护模块上第一光电耦合器的发光二极管都断电而不发光，与之耦合的光敏三极管也都处于截止状态，使每个安全保护模块上的动力电路开关恢复到断开状态，从而将每一级的电池模组都与外电路断开。这样就实现了任何一个电池模组的任何一个监控信号超过阈值都可触发所有电池模组与外电路断开，从而实现全面的保护。

图6所示的是安全保护模块应用于多个电池模组串并混联时的连线示意图，与上述串联时的情况类似，先将每个动力电池包的正极和负极按串并联的要求连接好，然后再将每个安全保护模块上的级联控制端串联起来。安全保护模块在这种串并联情况下的工作原理与上述串联时的情况完全相同，不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而旬易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种可级联的动力电池组安全保护模块，其特征在于，所述安全保护模块包括：级联控制器、保护控制单元、保护开关和动力电路开关；

所述级联控制器包括：第一光电耦合器和第二光电耦合器；

所述保护控制单元包含：

a.监控信号输入端口，用于接收来自动力电池模组的监控信号；

b.直流电输入端口，用于与外部直流电源相连；

c.驱动电流输出端，用于输出驱动电流驱动所述级联控制器和所述动力电路开关；

d.保护信号输出端，当所述保护控制单元接收到的监控信号大于阈值时，所述保护信号输出端输出为高电平，用于驱动保护开关；

在所述级联控制器中，所述第一光电耦合器中发光二极管的正极与所述安全保护模块的级联控制正级输入端口相连，该发光二极管的负极与所述第二光电耦合器中光敏三极管的集电极相连，所述第二光电耦合器的光敏三极管发射极与所述安全保护模块的级联控制负极输出端口相连，所述第一光电耦合器中光敏三极管的集电极与所述驱动电流输出端相连，所述第一光电耦合器的光敏三极管发射极与所述动力电路开关的控制端相连，所述第二光电耦合器发光二极管正极与所述驱动电流输出端相连，所述第二光电耦合器的发光二极管负极与所述保护开关的执行机构的一端相连；

所述保护开关其执行机构的一端与所述第二光电耦合器的发光二极管负极相连，保护开关执行机构的另一端接地，所述保护开关的控制端与所述保护信号输出端相连；所述保护开关为常闭型开关，当所述保护开关接收到来自所述保护信号输出端的高电平时，该保护开关断开；

所述动力电路开关其执行机构的一端与所述安全保护模块的大电流输入端口相连，该动力电路开关执行机构的另一端与所述安全保护模块的大电流输出端口相连，动力电路开关的控制端与所述第一光电耦合器的光敏三极管发射极相连；所述动力电路开关为常开型开关，当所述动力电路开关的控制端接收到来自所述驱动电流输出端的驱动电流时，该动力电路开关闭合。

2.根据权利要求1所述的安全保护模块，其特征在于所述安全保护模块上的所述大电流输入端口与电池模组的正极相连构成动力电池包，所述动力电池包的负极端口为电池模组的负极端口，所述动力电池包的正级端口为所述安全保护模块上的所述大电流输出端口；不同动力电池包之间连接为串联、并联或串并混联，所有安全保护模块上的级联控制器为串联，本级安全保护模块上的级联控制正极输入端口与上一级安全保护模块上的级联控制负极输出端口相连，本级安全保护模块上的级联控制负极输出端口与下一级安全保护模块上的级联控制正级输入端口相连；第一级安全保护模块的级联正极输入端口与最末级安全保护模块的级联控制负极输出端口与动力电池管理系统相连；电池模组内置监控信号传感器，所述监控信号传感器输出的监控信号与安全保护模块上的所述监控信号输入端口相连；当任意一级动力电池包的任一信号超过阈值时，所有动力电池包的安全保护模块都同时断开动力电路开关。

3.根据权利要求1所述的安全保护模块，其特征在于所述监控信号包括电流、电压、温度、压力和绝缘损坏中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的安全保护模块，其特征在于所述保护开关为电子继电器或晶闸管。

5.根据权利要求1所述的安全保护模块，其特征在于所述动力电路开关为大电流继电器、高能继电器或大功率电子开关。

6.根据权利要求1所述的安全保护模块，其特征在于所述动力电路开关至少由两个大功率电子开关并联而成。

7.根据权利要求1所述的安全保护模块，其特征在于所述安全保护模块用于动力电池模组的串联、并联或混联。

8.根据权利要求3所述的安全保护模块，其特征在于所述电压信号包括过电压信号和欠电压信号。

9.根据权利要求5所述的安全保护模块，其特征在于所述大功率电子开关包括大功率MOSFET、大功率双极晶体管、IGBT及其模组构成的半导体快速电子开关。