CN109774481B - 一种直流电动汽车动力电池保护装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流电动汽车动力电池保护装置及其工作方法，该装置包括设置在电动汽车动力电池主回路上的四条支路，第Ⅰ支路由电力电子开关单独组成，第Ⅱ支路由直流熔断器单独组成，第Ⅲ条支路和第Ⅳ条支路均由直流机械开关单独组成，其中Ⅰ、Ⅲ两条支路并联再与Ⅱ、Ⅳ支路的并联进行串联；其控制回路配备电流检测控制模块用以检测主回路中的电流状态和控制各开关的分合，实现不同的分合逻辑；本发明实现直流机械开关闭合和通流主回路负载电流，电力电子开关开断主回路额定负载电流和过载电流，直流熔断器开断主回路短路电流；本发明充分发挥各种开关在不同故障电流范围的开断优势，实现直流电动汽车故障电流可靠分断，替代现有保护策略。
Description
技术领域
本发明涉及直流开关电器技术领域，特别涉及一种直流电动汽车动力电池保护装置及其工作方法。
背景技术
目前，低压直流应用越来越广泛，如电动汽车，未来将会逐步替代传统燃油汽车，成为主要的交通工具之一。以电动汽车为例，在电动汽车中，动力电池是其核心部件，目前，对于动力电池的保护采用空气开关与熔断器串联的方式。其中，空气开关负责开断额定电流与小过载电流，而熔断器负责开断较大的过载电流与短路电流，但是，在实际使用过程中发现，目前市场上的熔断器往往能够有效开断5倍额定电流以上的电流，而对于5倍额定电流以下的过载电流其开断能力很弱，开断时间长，甚至无法可靠开断。而对于空气开关，当开断电流超过2倍额定电流以上过载电流时，其开断寿命将大大缩短，并且开断过程有可能造成触头黏连，因此，2到5倍的过载电流区域是电动汽车很难开断的电流区段。因而，这一区段过载电流的开断解决方案是电动汽车保护的关键问题。
名称为“一种直流组合开关电器及工作方法”的专利申请(申请号：201810015469.0，公开号：CN108270198A)提供了一种解决方案。但此方案在短路电流过大的直流系统中存在缺陷。由于该方案中短路电流需要经过电力电子开关，然后经熔断器分断。因此短路电流极大的情况容易导致电力电子开关的损坏，这是电力电子器件对短路电流的耐受能力有限所致。若电子电子开关损坏，则使该方案所述的直流电动汽车动力电池保护装置无法再有效开关低倍过载电流，降低系统保护的可靠性和安全性。同时，电力电子开关价格相对较高，将会带来一定的经济损失。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，提出本发明的所述的一种直流电动汽车动力电池保护装置及其工作方法，可以导通低压直流供电系统中的负载电流，也可可靠关断低压直流供电系统中各种类型故障电流，解决现有电动汽车供电系统过载故障电流难以快速可靠分断的难题，同时能有效克服名称为“一种直流组合开关电器及工作方法”的专利申请所提供的方案的缺点。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种直流电动汽车动力电池保护装置，包括设置在电动汽车动力电池主回路上的四条支路，四条支路中的第一支路Ⅰ和第三支路Ⅲ并联，第二支路Ⅱ和第四支路Ⅳ并联，两组并联支路再串联，形成的两个端点即进线端和出线端分别连接到电动汽车动力电池主回路上的电路电源和负载；所述第一支路Ⅰ由电力电子开关1组成；所述第二支路Ⅱ由直流熔断器2组成；所述第三支路Ⅲ和第四支路Ⅳ分别由第一直流机械开关4和第二直流机械开关3组成；还包括由电流检测控制模块5、电力电子开关驱动电路6和第一直流机械开关操动机构7和第二直流机械开关操动机构8组成的控制回路，第一直流机械开关操动机构7和第二直流机械开关操动机构8一端均与电流检测控制模块5的控制信号输出端口相连接，另一端分别与第一直流机械开关4和第二直流机械开关3机械连接，电力电子开关驱动电路6一端与电流检测控制模块5的控制信号输出端口相连接，另一端与第一支路Ⅰ的电力电子开关1的控制极相连接，电流检测控制模块5的输入端连接在电动汽车动力电池主回路上。
所述第一直流机械开关4和第二直流机械开关3采用真空开关、气体开关或油开关。
所述电力电子开关1采用GTO全控型电力电子开关或IGBT全控型电力电子开关。
所述电流检测控制模块5包括主回路电流信号采集元件、电流信号处理逻辑电路以及控制信号输出端口。
所述的直流电动汽车动力电池保护装置的工作方法，当负载处于正常的工作状态时，通过电流检测控制模块5分别向第一直流机械开关4和第二直流机械开关3的第一直流机械开关操动机构7和第二直流机械开关操动机构8发送合闸信号，第一直流机械开关4和第二直流机械开关3闭合，电动汽车动力电池保护装置中通过负载电流，此时电流从进线端流入后，经闭合的第一直流机械开关4流向闭合的第二直流机械开关3，再经出线端流向负载，额定负载电流全部由机械开关通流，通流损耗小；此时电力电子开关1在电力电子开关驱动电路6的控制下保持断开；
当负载在运行过程中电动汽车动力电池主回路出现过载电流或者需要切断负载的额定电流供应时，电流检测控制模块5便能够检测到主回路上的过载电流信号，电流检测控制模块5将过载电流信号发送给其电流信号处理逻辑电路处理，处理后通过电流检测控制模块5的控制信号输出端口向电力电子开关驱动电路6发送导通控制信号，使电力电子开关1导通，然后电流检测控制模块5的控制信号输出端再向第一直流机械开关操动机构7发送分闸信号，使第一直流机械开关4分闸，过载电流转移到电力电子开关1和第二直流机械开关3组成的支路；过载电流转移完成后电流检测控制模块5向电力电子开关驱动电路6发送截止控制信号，使电力电子开关1关断，从而实现主电路中过载电流和额定负载电流的开断；
当负载在运行过程中电动汽车动力电池主回路出现短路电流，电流检测控制模块5便能够检测到短路电流信号，电流检测控制模块5将短路电流信号送给其电流信号处理逻辑电路处理，处理后通过电流检测控制模块5的控制信号输出端向第二直流机械开关操动机构8发送分闸信号，使第二直流机械开关3分闸，短路电流转移到第一直流机械开关4和直流熔断器2组成的串联支路；电流转移完成后短路电流将完全通过直流熔断器2，直流熔断器2迅速熔断，开断短路电流。
本发明具有以下有益效果：
1.运用直流机械开关闭合和断开主电路的负载电流；电力电子开关开断主电路的过载电流；直流熔断器开断主电路的短路电流，可实现电路中各类电流的可靠、迅速开断，保护用电设备的安全。
2.充分发挥各种开关开断对应故障电流的优势，规避单一直流熔断器和机械开关的组合因需要开断过载故障电流而可靠性差所带来的安全风险；又能使直流熔断器免受负载启动冲击电流影响，导致熔断器误动作，如直流熔断器的误动作可能导致的电动汽车发生交通事故的风险，因而本发明可实现低压直流系统各类故障电流的快速可靠分断。
3.只有低倍过载电流通过电力电子开关，高倍过载和短路电流均通过熔断器分断，规避了电力电子开关通过大电流而导致损坏和爆炸的风险，这一点克服了名称为“一种直流组合开关电器及工作方法”的专利申请存在的电力电子开关通短路电流容易损坏的缺陷，提升了可靠性和经济性。
4.额定负载电流通过机械开关长时间通流，由于机械开关通态电阻小，开关带来的电能损耗大大降低。
附图说明
图1是本发明的一种直流电动汽车动力电池保护装置通过额定负载电流时电路图。
图2是本发明的一种直流电动汽车动力电池保护装置通过过载电流时电路图。
图3是本发明的一种直流电动汽车动力电池保护装置通过短路电流时电路图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
如附图1所示，本发明所述的一种直流电动汽车动力电池保护装置，包括设置在电动汽车动力电池主回路上的四条支路，四条支路中的第一支路Ⅰ和第三支路Ⅲ并联，第二支路Ⅱ和第四支路Ⅳ并联，两组并联支路再串联，形成的两个端点即进线端和出线端分别连接到电动汽车动力电池主回路上的电路电源和负载；所述第一支路Ⅰ由电力电子开关1组成；所述第二支路Ⅱ由直流熔断器2组成；所述第三支路Ⅲ和第四支路Ⅳ分别由第一直流机械开关4和第二直流机械开关3组成；还包括由电流检测控制模块5、电力电子开关驱动电路6和第一直流机械开关操动机构7和第二直流机械开关操动机构8组成的控制回路，第一直流机械开关操动机构7和第二直流机械开关操动机构8一端均与电流检测控制模块5的控制信号输出端口相连接，另一端分别与第一直流机械开关4和第二直流机械开关3机械连接，电力电子开关驱动电路6一端与电流检测控制模块5的控制信号输出端口相连接，另一端与第一支路Ⅰ的电力电子开关1的控制极相连接，电流检测控制模块5的输入端连接在电动汽车动力电池主回路上。
下面详细阐述本实施例提供的一种电动汽车动力电池保护装置的额定负载工作状态。当直流系统负载需要开始正常工作时，通过电流检测控制模块5分别向第一直流机械开关4和第二直流机械开关3的第一直流机械开关操动机构7和第二直流机械开关操动机构8发送合闸信号，第一直流机械开关4和第二直流机械开关3闭合，稳定后本发明所述的直流电动汽车动力电池保护装置通过额定负载电流。如图1所示，负载电流依次通过第一直流机械开关4和第二直流机械开关3。额定负载电流全部由机械开关通流，通流损耗小。此外，电流检测控制模块5持续检测主回路中电流的状态。
下面详细阐述本实施例提供的一种电动汽车动力电池保护装置开断额定电流和过载电流的过程。当本发明所述的一种电动汽车动力电池保护装置需要开断额定负载电流，或者当电流检测控制模块5在主回路中检测到过载电流时，电流检测控制模块5首先向电力电子开关驱动电路6发送导通信号，电力电子开关1导通，然后电流检测控制模块5向第一直流机械开关操动机构7发送分闸信号，第一直流机械开关4分闸，主回路过载电流便转移到电力电子开关1和第二直流机械开关3上。电流依次流过支路Ⅰ和支路Ⅳ，如图2所示。电流检测控制模块5向电力电子开关驱动电路6发送关断信号，电力电子开关1关断主回路中的额定负载电流或过载电流。通过电力电子开关分断回路中的额定负载电流和过载电流，既可靠、迅速，又能规避直流机械开关难以可靠分断直流故障电流的风险。
下面详细阐述本实施例提供的一种电动汽车动力电池保护装置开断短路电流的过程。当本发明所述的一种电动汽车动力电池保护装置的电流检测控制模块5在主回路中检测到短路电流时，电流检测控制模块5向第二直流机械开关操动机构8发送分闸信号，第二直流机械开关3分闸，主回路电流便转移到第一直流机械开关4和直流熔断器2上，如图3所示。直流熔断器2迅速熔断，可靠分断主回路中的短路故障电流。短路电流不用经过电力电子开关，规避了短路电流损坏电力电子开关的风险，同时直流熔断器开断短路电流，既迅速，又可靠。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种直流电动汽车动力电池保护装置，其特征在于：包括设置在电动汽车动力电池主回路上的四条支路，四条支路中的第一支路(Ⅰ)和第三支路(Ⅲ)并联，第二支路(Ⅱ)和第四支路(Ⅳ)并联，两组并联支路再串联，形成的两个端点分别为进线端和出线端，进线端和出线端分别连接到电动汽车动力电池主回路上的电路电源和负载；所述第一支路(Ⅰ)由电力电子开关(1)组成；所述第二支路(Ⅱ)由直流熔断器(2)组成；所述第三支路(Ⅲ)和第四支路(Ⅳ)分别由第一直流机械开关(4)和第二直流机械开关(3)组成；还包括由电流检测控制模块(5)、电力电子开关驱动电路(6)和第一直流机械开关操动机构(7)和第二直流机械开关操动机构(8)组成的控制回路，第一直流机械开关操动机构(7)和第二直流机械开关操动机构(8)一端均与电流检测控制模块(5)的控制信号输出端口相连接，另一端分别与第一直流机械开关(4)和第二直流机械开关(3)机械连接，电力电子开关驱动电路(6)一端与电流检测控制模块(5)的控制信号输出端口相连接，另一端与第一支路(Ⅰ)的电力电子开关(1)的控制极相连接，电流检测控制模块(5)的输入端连接在电动汽车动力电池主回路上。
2.根据权利要求1所述的一种直流电动汽车动力电池保护装置，其特征在于：所述第一直流机械开关(4)和第二直流机械开关(3)采用真空开关、气体开关或油开关。
3.根据权利要求1所述的一种直流电动汽车动力电池保护装置，其特征在于：所述电力电子开关(1)采用GTO全控型电力电子开关或IGBT全控型电力电子开关。
4.根据权利要求1所述的一种直流电动汽车动力电池保护装置，其特征在于：所述电流检测控制模块(5)包括主回路电流信号采集元件、电流信号处理逻辑电路以及控制信号输出端口。
5.权利要求1至4任一项所述的直流电动汽车动力电池保护装置的工作方法，其特征在于：当负载处于正常的工作状态时，通过电流检测控制模块(5)分别向第一直流机械开关(4)和第二直流机械开关(3)的第一直流机械开关操动机构(7)和第二直流机械开关操动机构(8)发送合闸信号，第一直流机械开关(4)和第二直流机械开关(3)闭合，电动汽车动力电池保护装置中通过负载电流，此时电流从进线端流入后，经闭合的第一直流机械开关(4)流向闭合的第二直流机械开关(3)，再经出线端流向负载，额定负载电流全部由机械开关通流，通流损耗小；此时电力电子开关(1)在电力电子开关驱动电路(6)的控制下保持断开；
当负载在运行过程中电动汽车动力电池主回路出现过载电流或者需要切断负载的额定电流供应时，电流检测控制模块(5)便能够检测到主回路上的过载电流信号，电流检测控制模块(5)将过载电流信号发送给其电流信号处理逻辑电路处理，处理后通过电流检测控制模块(5)的控制信号输出端口向电力电子开关驱动电路(6)发送导通控制信号，使电力电子开关(1)导通，然后电流检测控制模块(5)的控制信号输出端再向第一直流机械开关操动机构(7)发送分闸信号，使第一直流机械开关(4)分闸，过载电流转移到电力电子开关(1)和第二直流机械开关(3)组成的支路；过载电流转移完成后电流检测控制模块(5)向电力电子开关驱动电路(6)发送截止控制信号，使电力电子开关(1)关断，从而实现主电路中过载电流和额定负载电流的开断；
当负载在运行过程中电动汽车动力电池主回路出现短路电流，电流检测控制模块(5)便能够检测到短路电流信号，电流检测控制模块(5)将短路电流信号送给其电流信号处理逻辑电路处理，处理后通过电流检测控制模块(5)的控制信号输出端向第二直流机械开关操动机构(8)发送分闸信号，使第二直流机械开关(3)分闸，短路电流转移到第一直流机械开关(4)和直流熔断器(2)组成的串联支路；电流转移完成后短路电流将完全通过直流熔断器(2)，直流熔断器(2)迅速熔断，开断短路电流。
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