CN109228874A - 一种动力电池保护系统和电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池保护系统，包括：电池管理系统BMS；高压回路继电器，用于控制高压回路的通断；继电器控制电路，根据主控模块和从控模块的控制信号，控制高压回路继电器的通断；其中，当单体电池的状态出现异常时，从控模块向继电器控制电路发出断开信号，继电器控制电路接收到从控模块发来的断开信号后，断开高压回路继电器。本发明增加了从控模块的过压和过温报警信号输出，当其中至少一个从控模块触发保护阀值后，从控模块将直接控制动力电池高压回路中的高压接触器断开，本发明使得BMS系统的主控模块和从控模块都具备了安全保护功能，从而更好的保护动力电池发生过充和过温问题，增加了系统安全保护的可靠性。

Description

一种动力电池保护系统和电动汽车
技术领域
本发明涉及电动汽车用动力电池领域，尤其涉及一种用于纯电动汽车锂离子动力电池或其它全要求较高的动力电池保护系统以及采用该动力电池保护系统的电动汽车。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长等诸多优点，但是锂离子电池需要进行过充，过温等保护控制。目前，对于动力电池的保护，是由电池管理系统(BatteryManagement System,电池管理系统)进行的，BMS系统包括主控模块和从控模块。其中，主控模块主要用于过充、过温的保护控制，负责高压回路的闭合与断开；从控模块负责单体电压和温度的采集。一般动力电池系统设计过程中，主控模块对电池具有三级保护阀值，对电池过充及过温风险进行保护。
图1示出了现有技术的BMS系统原理示意图。其中，从控模块负责采集动力电池中的单体电池的温度和电压信息，并通过CAN网络时时发送给主控模块。动力电池的电池充放电回路由主控模块进行控制断开和吸合，例如其中的主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2，其中主正高压回路继电器KM1负责动力电池的电池充放电回路的总正的通断，主负高压回路继电器KM2负责动力电池的电池充放电回路的总负的通断，控制主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2断开和吸合的控制信号均由主控模块负责。另外，为了避免动力在电池充放电时，接通瞬间导致的大电流情况，在总正一侧还设有预充电路，包括预充继电器和与之串联的预充电阻，预充电路和主正高压回路继电器KM1并联，在对动力电池充电时，先接通预充继电器，之后再接通主正高压回路继电器KM1再断开预充继电器，从而利用预充电阻的作用来平稳增加对动力电池的充电电流。
如图1所示，当从控模块检测到动力电池的单体电池出现异常(如过充电)，和/或温度出现异常时(例如温度过高)，将会通过CAN网络触发报警阀值至主控模块，主控模块接收到信号进行响应，其中包括三个级别的报警阀值，根据三个级别的报警，主控模块将作出以下三种动作：
1)一级报警：主控模块发出报警信号，不做处理；
2)二级报警：主控模块发出报警信号，并依据控制策略进行限功率输出；
3)三级报警：主控模块发出断开高压信号，延迟几秒后按照车辆指令断开高压回路(即断开主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2)。
从现有的上述BMS系统方案能够看出，单一由主控模块控制高压回路断开的设计，在主控模块本身出现故障的情况下，或者CAN通信网络出现异常时，如果无法及时断开高压回路，将会大大增加动力电池可能发生过充电或者过热等安全问题的风险。由于动力电池的安全性是第一控制指标，所以一旦发生安全问题将会产生如火灾等严重后果。因此，如何更加有效的避免电池过充过温问题的发生，是动力电池系统及其至关重要的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种动力电池保护系统，以解决当BMS中的主控模块出现故障或者CAN通信网络出现异常时，仍然能够断开动力电池的高压回路，以提高动力电池的安全性。
本发明提供了一种动力电池保护系统，包括电池管理系统BMS，所述BMS系统包括：
从控模块，所述从控模块电连接于动力电池中的单体电池以检测所述单体电池的状态；
主控模块，通过CAN网络连接于从控模块，以接收所述从控模块所检测的所述单体电池的状态；
高压回路继电器，所述高压回路继电器安装于所述动力电池的高压回路中，以控制所述高压回路的通断；
所述动力电池保护系统还包括：
继电器控制电路，所述继电器控制电路电连接于所述主控模块、所述从控模块和所述高压回路继电器之间，以根据所述主控模块和所述从控模块的控制信号，控制所述高压回路继电器的通断；其中，
当所述单体电池的状态出现异常时，所述从控模块向所述继电器控制电路发出断开信号，所述继电器控制电路接收到所述从控模块发来的断开信号后，断开所述高压回路继电器；以及
当所述主控模块向所述继电器控制电路发出断开信号后，所述继电器控制电路断开所述高压回路继电器。
进一步，所述继电器控制电路包括从控模块继电器和主控模块继电器；其中
所述从控模块继电器的控制线圈连接于所述从控模块和低压电源接地端之间；
所述主控模块继电器的控制线圈连接于所述主控模块和低压电源接地端之间；
所述从控模块继电器的常闭触点、所述主控模块继电器的常开触点和所述高压回路继电器的控制线圈串联于低压电源正极端和低压电源接地端之间；
当所述从控模块向所述从控模块继电器发出断开信号后，所述从控模块继电器的常闭触点断开，从而断开所述高压回路继电器所处的高压回路；
当所述主控模块向所述主控模块继电器发出断开信号后，所述主控模块继电器的触点断开，从而断开所述高压回路继电器所处的高压回路。
进一步，所述从控模块为多个，多个所述从控模块分别检测所述动力电池中的各个单体电池的状态；并且
所述从控模块继电器为一个，多个所述从控模块均电连接于所述从控模块继电器的控制线圈；
当所述各个单体电池中的任意一个单体电池出现异常时，检测该出现异常的单体电池的从控模块向所述从控模块继电器发出断开信号，从而断开所述从控模块继电器的常闭触点。
进一步，所述高压回路继电器包括主正高压回路继电器，所述主正高压回路继电器连接于所述动力电池的正极；
所述主控模块继电器包括正极主控继电器；其中
所述正极主控模块继电器的控制线圈连接于所述主控模块和低压电源接地端之间；
所述正极主控模块继电器的常开触点连接于所述从控模块继电器的常闭触点和所述主正高压回路继电器的控制线圈之间。
进一步，所述高压回路继电器包括主负高压回路继电器，所述主负高压回路继电器连接于所述动力电池的负极；
所述主控模块继电器包括负极主控继电器；其中
所述负极主控模块继电器的控制线圈连接于所述主控模块和低压电源接地端之间；
所述负极主控模块继电器的常开触点连接于所述从控模块继电器的常闭触点和所述主负高压回路继电器的控制线圈之间。
进一步，所述单体电池出现异常包括：
所述单体电池的温度超出设定阈值；以及，
所述单体电池的处于过充电状态。
一种电动汽车，其特征在于，采用如上任一项所述的动力电池保护系统。
从上述方案可以看出，本发明的动力电池保护系统和电动汽车中，增加了BMS系统中的从控模块的过压和过温报警信号输出，当其中至少一个从控模块触发保护阀值后，从控模块将直接控制动力电池高压回路中的高压接触器断开，由于增加了二级继电器的冗余控制电路，使得BMS系统的主控模块和从控模块都具备了安全保护功能，从而更好的保护动力电池发生过充和过温问题，增加了系统安全保护的可靠性。
附图说明
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1为现有技术的BMS系统的电路结构原理示意图；
图2为本发明实施例的动力电池保护系统结构示意图；
图3为本发明实施例的动力电池保护系统的电路结构原理图。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。
在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
在本文中，“一个”并不表示将本发明相关部分的数量限制为“仅此一个”，并且“一个”不表示排除本发明相关部分的数量“多于一个”的情形。
如图2所示，本发明实施例的动力电池保护系统，包括BMS系统1、继电器控制电路2和高压回路继电器3。其中，BMS系统1包括从控模块11和主控模块12。从控模块11电连接于动力电池中的单体电池(图中未示出)以检测单体电池的状态。主控模块12通过CAN网络连接于从控模块11，以接收从控模块11所检测的单体电池的状态。高压回路继电器3安装于动力电池的高压回路(图中未示出)中，以控制高压回路的通断。继电器控制电路2电连接于主控模块12、从控模块11和高压回路继电器3之间，以根据主控模块12和从控模块12的控制信号，控制高压回路继电器3的通断。其中，当单体电池的状态出现异常时，从控模块11向继电器控制电路2发出断开信号，继电器控制电路2接收到从控模块11发来的断开信号后，断开高压回路继电器3；当主控模块12向继电器控制电路2发出断开信号后，继电器控制电路2断开高压回路继电器3。
图3示出了本发明实施例的动力电池保护系统的电路结构原理。同时结合图2和图3所示，继电器控制电路2包括从控模块继电器KM-C和主控模块继电器(KM-M1、KM-M2)。其中，从控模块继电器KM-C的控制线圈连接于从控模块11和低压电源接地端LV-之间。主控模块继电器的控制线圈连接于主控模块12和低压电源接地端LV-之间。从控模块继电器KM-S的常闭触点、主控模块继电器的常开触点和高压回路继电器(KM1、KM2)的控制线圈串联于低压电源正极端LV+和低压电源接地端LV-之间。当从控模块11向从控模块继电器KM-S发出断开信号后，从控模块继电器KM-S的常闭触点断开，从而断开高压回路继电器所处的高压回路。当主控模块12向主控模块继电器发出断开信号后，主控模块继电器的触点断开，从而断开高压回路继电器所处的高压回路。
本发明实施例中，从控模块11的数量为多个，多个从控模块11分别检测动力电池中的各个单体电池的状态，并且从控模块继电器KM-C为一个，多个从控模块12均电连接于从控模块继电器KM-S的控制线圈。当各个单体电池中的任意一个单体电池出现异常时，检测该出现异常的单体电池的从控模块11向从控模块继电器KM-S发出断开信号，从而断开从控模块继电器KM-S的常闭触点。
继续参见图3所示，高压回路继电器包括主正高压回路继电器KM1，主正高压回路继电器KM1连接于动力电池的正极。主控模块继电器包括正极主控继电器KM-M1。其中，正极主控模块继电器KM-M1的控制线圈连接于主控模块12和低压电源接地端LV-之间，正极主控模块继电器KM-M1的常开触点连接于从控模块继电器KM-S的常闭触点和主正高压回路继电器KM1的控制线圈之间。
本发明实施例中，高压回路继电器还包括主负高压回路继电器KM2，主负高压回路继电器KM2连接于动力电池的负极。主控模块继电器还包括负极主控继电器KM-M2。其中，负极主控模块继电器KM-M2的控制线圈连接于主控模块12和低压电源接地端LV-之间，负极主控模块继电器KM-M2的常开触点连接于从控模块继电器KM-S的常闭触点和主负高压回路继电器KM2的控制线圈之间。
从图3所示可以看出，从控模块继电器KM-S、正极主控继电器KM-M1和负极主控继电器KM-M2三者只要其中任意一个进行了断路操作，就可以关断动力电池的高压回路。也就是说，当动力电池整体出现异常或者当动力电池中的任意一个单体电池出现异常(例如温度超过设定阈值或者过充电)，BMS系统中的任意一个从控模块11或者主控模块12均能够实现对动力电池高压回路的关断。
在一个具体实施例中，单体电池出现异常可以包括但不限于单体电池的温度超出设定阈值，以及单体电池处于过充电状态。
本发明实施例还提供一种电动汽车，其采用上述实施例中的动力电池保护系统。
本发明实施例的动力电池保护系统，通过增加连接于从控模块11的硬件冗余断电保护电路(即从控模块继电器KM-S相关电路)，将多个从控模块的信号进行整合，可以在主控模块12的控制失效或者因为CAN网络异常的情况下，直接控制主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2断开，增加了动力电池过充或者过温的冗余保护，大大提高了电池安全可靠性。
本发明实施例中，从控模块继电器KM-S由从控模块11直接进行控制，电路结构采用二级继电器间接控制的形式，可以避免外部电流对主控模块12可能造成的冲击损坏。
本发明实施例的具体实现过程如下：
(1)当单体电池处于充满电状态或电池温度过高时，触发电池三级报警信号，需要控制主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2断开；但当主控模块12出现故障无法断开主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2，或者CAN网络出现故障时，存在动力电池无法及时断主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2的风险。
(2)如果单体电池的电压或温度继续升高，本发明实施例中，将触发从控模块11的四级报警阀值，从控模块11通过硬线信号发出断开从控模块继电器KM-S的输出信号，使得从控模块继电器KM-S的线圈得电，进而断开从控模块继电器KM-S的常闭触点，从而断开主正高压回路继电器KM1和主负高压回路继电器KM2控制线圈的供电回路，从而达到断开动力电池高压回路，保护单体电池避免过充或过温风险发生的目的。
(3)动力电池断开高压后，通过低压电源控制从控模块11的下电，待动力电池恢复正常值后，再重新上电从控模块11，恢复保护功能。
本发明的动力电池保护系统和电动汽车中，增加了BMS系统中的从控模块的过压和过温报警信号输出，当其中至少一个从控模块触发保护阀值后，从控模块将直接控制动力电池高压回路中的高压接触器断开，由于增加了二级继电器的冗余控制电路，使得BMS系统的主控模块和从控模块都具备了安全保护功能，从而更好的保护动力电池发生过充和过温问题，增加了系统安全保护的可靠性。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种动力电池保护系统，包括电池管理系统BMS，所述BMS系统包括：
从控模块，所述从控模块电连接于动力电池中的单体电池以检测所述单体电池的状态；
主控模块，通过CAN网络连接于从控模块，以接收所述从控模块所检测的所述单体电池的状态；
高压回路继电器，所述高压回路继电器安装于所述动力电池的高压回路中，以控制所述高压回路的通断；
其特征在于，所述动力电池保护系统还包括：
继电器控制电路，所述继电器控制电路电连接于所述主控模块、所述从控模块和所述高压回路继电器之间，以根据所述主控模块和所述从控模块的控制信号，控制所述高压回路继电器的通断；其中，
当所述单体电池的状态出现异常时，所述从控模块向所述继电器控制电路发出断开信号，所述继电器控制电路接收到所述从控模块发来的断开信号后，断开所述高压回路继电器；以及
当所述主控模块向所述继电器控制电路发出断开信号后，所述继电器控制电路断开所述高压回路继电器。
2.根据权利要求1所述的动力电池保护系统，其特征在于：
所述继电器控制电路包括从控模块继电器和主控模块继电器；其中
所述从控模块继电器的控制线圈连接于所述从控模块和低压电源接地端之间；
所述主控模块继电器的控制线圈连接于所述主控模块和低压电源接地端之间；
所述从控模块继电器的常闭触点、所述主控模块继电器的常开触点和所述高压回路继电器的控制线圈串联于低压电源正极端和低压电源接地端之间；
当所述从控模块向所述从控模块继电器发出断开信号后，所述从控模块继电器的常闭触点断开，从而断开所述高压回路继电器所处的高压回路；
当所述主控模块向所述主控模块继电器发出断开信号后，所述主控模块继电器的触点断开，从而断开所述高压回路继电器所处的高压回路。
3.根据权利要求2所述的动力电池保护系统，其特征在于：
所述从控模块为多个，多个所述从控模块分别检测所述动力电池中的各个单体电池的状态；并且
所述从控模块继电器为一个，多个所述从控模块均电连接于所述从控模块继电器的控制线圈；
当所述各个单体电池中的任意一个单体电池出现异常时，检测该出现异常的单体电池的从控模块向所述从控模块继电器发出断开信号，从而断开所述从控模块继电器的常闭触点。
4.根据权利要求2所述的动力电池保护系统，其特征在于：
所述高压回路继电器包括主正高压回路继电器，所述主正高压回路继电器连接于所述动力电池的正极；
所述主控模块继电器包括正极主控继电器；其中
所述正极主控模块继电器的控制线圈连接于所述主控模块和低压电源接地端之间；
所述正极主控模块继电器的常开触点连接于所述从控模块继电器的常闭触点和所述主正高压回路继电器的控制线圈之间。
5.根据权利要求2所述的动力电池保护系统，其特征在于：
所述高压回路继电器包括主负高压回路继电器，所述主负高压回路继电器连接于所述动力电池的负极；
所述主控模块继电器包括负极主控继电器；其中
所述负极主控模块继电器的控制线圈连接于所述主控模块和低压电源接地端之间；
所述负极主控模块继电器的常开触点连接于所述从控模块继电器的常闭触点和所述主负高压回路继电器的控制线圈之间。
6.根据权利要求1所述的动力电池保护系统，其特征在于，所述单体电池出现异常包括：
所述单体电池的温度超出设定阈值；以及，
所述单体电池处于过充电状态。
7.一种电动汽车，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的动力电池保护系统。
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