CN111817256B - 一种基于精准测量的电池紧急断开系统及使用方法 - Google Patents

一种基于精准测量的电池紧急断开系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于精准测量的电池紧急断开系统，所述电池紧急断开系统包括有高压用电负载、处理器单元和电池，所述电池电性连接有燃爆式熔断器和铜排，所述燃爆式熔断器通过处理器单元电性连接高压用电负载，所述铜排通过处理器单元电性连接有温度传感器，同时所述铜排和温度传感器均电性连接有继电器，所述继电器电性连接高压用电负载。本发明的电池紧急断开系统通过替代方案降低了电池充放电的损耗、提高了保险的动作时间，最同时还增加了保险对于电池保护的电流覆盖范围，降低了电池由于过流导致的热失控风险。

Description

一种基于精准测量的电池紧急断开系统及使用方法
技术领域
本发明涉及汽车电池管理、电池保护和故障响应技术领域，尤其涉及一种基于精准测量的电池紧急断开系统及使用方法。
背景技术
随着全球气候变暖及不可再生能源的消耗，各国均在积极推动新能源产业的发展。在这个大背景下，新能源汽车发展迅速，为了提高汽车的性能以及续航能力，降低单位里程能耗，从而采用了更高能量密度、更高放电能力的电池。这就要求电池的电化学反应必须是更加活跃的，那么带来的问题就是电池更容易受到故障的影响从而导致热失控，电池故障的诊断以及有效的响应成为了保护电池系统甚至新能源汽车的关键。
在电动汽车中，通常会采用电流传感器来采集电池的充放电电流，从而估算电池的电量。同时为了保证电量估算的精度，一般采用的电流传感器会略高于峰值电流，进而存在无法采集过流信号的问题。在电流范围较小的应用场合中，有通过采样电阻采集电流的，但是这种方式会额外增加损耗，且发热较为严重。
断开装置通常采用标准的保险丝串联在回路中，当短路或过载时熔断保险丝，从而达到断开回路的状态。一般为了防止保险丝误触发，其持续电流会接近甚至高于峰值电流，这就会导致在极端情况下，短路电流较小时无法快速熔断保险丝，导致继电器粘连，无法断开。尤其在低温工况下，可能存在一定区间的盲区，导致电池及配电系统持续放电，从而引起无法预期的危害。
发明内容
发明目的：针对电池电化学反应更加活跃的同时，电池更容易因为受到故障的影响而导致热失控的问题，本发明提出一种基于精准测量的电池紧急断开系统及使用方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于精准测量的电池紧急断开系统，所述电池紧急断开系统包括有高压用电负载、处理器单元和电池，所述电池电性连接有燃爆式熔断器和铜排，所述燃爆式熔断器通过处理器单元电性连接高压用电负载，所述铜排通过处理器单元电性连接有温度传感器，同时所述铜排和温度传感器均电性连接有继电器，所述继电器电性连接高压用电负载。
进一步地讲，所述电池紧急断开系统还包括有高精度电流传感器，所述电池通过高精度电流传感器电性连接处理器单元。
进一步地讲，所述铜排的电阻值求取公式具体为：
R＝ρ*L/S
其中：R为铜排的电阻值，ρ为电阻率，L为铜排的长度，S为铜排的截面积。
进一步地讲，所述电池在过流状态下，所述电池紧急断开系统中的电流计算公式具体为：
I＝U/R'
其中：I为被测电流，U为铜排的电压，R'为经过温度补偿后的铜排电阻值。
一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：
S1：根据所述铜排的长度和宽度，获取所述铜排的电阻值；
S2：通过所述温度传感器采集铜排的实时温度，并根据所述铜排的电阻值，对所述铜排进行温度补偿，确定出经过温度补偿后的铜排电阻值；
S3：将所述经过温度补偿后的铜排电阻值，代入所述电池紧急断开系统中的电流计算公式中，计算得到所述被测电流；
S4：将所述被测电流与预先设置的电池最大放电电流进行比较，并根据所述比较结果，触发所述燃爆式熔断器或继电器后，所述高压用电负载停止工作，所述电池电流停止输出。
进一步地讲，在所述步骤S2中，确定出所述经过温度补偿后的铜排电阻值，具体如下：
S2.1：获取不同采集时刻下对应的铜排电流，并绘制成电流曲线，同时根据所述电流曲线，计算出所述铜排的电流平方时间积；
S2.2：通过所述温度传感器，获取不同采集时刻下铜排的实时温度；
S2.3：根据所述铜排的电流平方时间积和铜排的实时温度，通过热阻模型估算出铜排的内部温度，并确定出受温度影响后的电阻率；
S2.4：根据所述受温度影响后的电阻率和铜排的电阻值求取公式，确定出所述经过温度补偿后的铜排电阻值。
进一步地讲，在所述步骤S4中，触发所述燃爆式熔断器或继电器，具体如下：
当被测电流≤预先设置的电池最大放电电流时，所述燃爆式熔断器或继电器均不进行触发，所述高压用电负载继续工作，所述电池电流持续输出；
当2倍预先设置的电池最大放电电流>被测电流>预先设置的电池最大放电电流，且持续时间超过10s时，所述处理器单元向高压用电负载发送断开指令，并在所述断开指令发送1s后，判断所述高压用电负载和电池的工作状态，并根据所述工作状态，判断是否触发所述燃爆式熔断器或继电器；
当3倍预先设置的电池最大放电电流>被测电流≥2倍预先设置的电池最大放电电流时，所述处理器单元直接触发继电器，将所述高压用电负载停止工作，所述电池电流停止输出，同时在所述继电器触发后的100ms内，所述高压用电负载仍继续工作，所述电池电流仍持续输出时，则所述处理器单元直接触发燃爆式熔断器，将所述高压用电负载停止工作，所述电池电流停止输出；
当被测电流≥3倍预先设置的电池最大放电电流时，所述处理器单元直接触发燃爆式熔断器，将所述高压用电负载停止工作，所述电池电流停止输出。
进一步地讲，根据所述工作状态，判断是否触发所述燃爆式熔断器或继电器，具体为：
当所述高压用电负载停止工作，所述电池电流停止输出时，所述燃爆式熔断器或继电器不进行触发；
当所述高压用电负载仍继续工作，所述电池电流仍持续输出时，所述处理器单元触发继电器，所述高压用电负载停止工作，所述电池电流停止输出，同时在所述继电器触发后的100ms内，所述高压用电负载仍继续工作，所述电池电流仍持续输出时，则所述处理器单元直接触发燃爆式熔断器，将所述高压用电负载停止工作，所述电池电流停止输出。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明的电池紧急断开系统通过替代方案降低了电池充放电的损耗、提高了保险的动作时间，最同时还增加了保险对于电池保护的电流覆盖范围，降低了电池由于过流导致的热失控风险；
(2)本发明通过高精度电流传感器采集电流，采用固有的铜排替代传统方案中的采样电阻，由于在配电方案中本身就存在有铜排，从而无需额外增加功率部分的部件，采集一定长度内的铜排压降即可反算出电流，同时虽然铜排的温漂系数高于锰铜材料，但是采用铜排作为辅助电流检测方案，既可以达到校验电流传感器的目的，同样也可以达到过流时的电流采集的目的，且其精度只有±10％左右，并在校验和过流保护应用中并不影响效果；
(3)本发明通过燃爆式熔断器通电引爆的方式，炸开特制的铜排，实现保险断开的作用，从而本发明中的铜排不需要依赖于电流发热效应，其内阻比传统保险要低的多，且即使在双重电流采集均失效的情况下，其内部火药仍可在持续电流导致的热效应下自爆，从而使回路断开。
附图说明
图1是本发明电池紧急断开系统的电路连接示意图；
图2是本发明电池紧急断开系统使用方法的流程示意图；
图中标号对应的部件名称：
101、燃爆式熔断器；102、高精度电流传感器；103、高压用电负载；104、处理器单元；105、电池；106、铜排；107、温度传感器；108、继电器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种基于精准测量的电池紧急断开系统，该电池紧急断开系统包括有燃爆式熔断器101、高精度电流传感器102、高压用电负载103、处理器单元104、电池105、铜排106、温度传感器107和继电器108。其中电池105电性连接有燃爆式熔断器101和铜排106，燃爆式熔断器101通过处理器单元104电性连接高压用电负载103，铜排106通过处理器单元104电性连接有温度传感器107，同时铜排106和温度传感器107均电性连接有继电器108，继电器108电性连接高压用电负载103。且电池105还通过高精度电流传感器102电性连接处理器单元104。
在本实施例中，燃爆式熔断器101和继电器108均用于将高压用电负载103和电池105进行断开。
高精度电流传感器102用于测量电池105在未过流状态下对应的电流大小，并将获取得到的电流信号传输至处理器单元104中。值得注意的是，当电池105处于过流状态时，电池105在过流状态下对应的电流大小会超出高精度电流传感器102的测量量程。
高压用电负载103不仅为电池105进行充电，同时也为整个电池紧急断开系统的运行提供电源。
处理器单元104用于接收高精度电流传感器102传输过来的电流信号、温度传感器107传输过来的温度信号和铜排106的电压值。
铜排106可以通过其长度和宽度，计算得到其电阻值，且可以根据温度传感器107采集铜排106的实时温度，从而可以进行温度补偿，改善利用铜排106采集电流的精度。在本实施例中，铜排106的电阻值求取公式具体为：
R＝ρ*L/S
其中：R为铜排的电阻值，ρ为电阻率，L为铜排的长度，S为铜排的截面积。
值得注意的是，电池105在过流状态下，电池紧急断开系统中的电流计算公式具体为：
I＝U/R'
其中：I为被测电流，U为铜排的电压，R'为经过温度补偿后的铜排电阻值。
同时还值得注意的是，在采集高精度电流传感器102的电流值时，需要同步采集铜排106的电压值和温度传感器107的温度值，从而判断高精度电流传感器102的精度是否异常。具体地讲，当高精度电流传感器102的精度超过±10％时，将会影响电池105的充放电过程，并对电池105造成损伤，从而在本实施例中，将超过±10％误差认为异常，反之不超过±10％认为正常。
参考图2，本实施例还提供了一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，该使用方法具体包括如下步骤：
步骤S1：根据铜排106的长度和宽度，获取铜排的电阻值R。
步骤S2：通过温度传感器107采集铜排106的实时温度，并根据铜排的电阻值，对铜排106进行温度补偿，确定出经过温度补偿后的铜排电阻值，具体如下：
步骤S2.1：获取不同采集时刻下对应的铜排电流，并绘制成电流曲线，同时根据电流曲线，计算出铜排106的电流平方时间积。
步骤S2.2：通过温度传感器107，获取不同采集时刻下铜排106的实时温度。
步骤S2.3：根据铜排106的电流平方时间积和铜排106的实时温度，通过热阻模型估算出铜排106的内部温度，并确定出受温度影响后的电阻率R'。这是由于铜排电阻率随温度变化，铜排的温度与其流经的电流平方时间积正相关，与表面温度正相关。
步骤S2.4：根据受温度影响后的电阻率和铜排106的电阻值求取公式，可以确定出经过温度补偿后的铜排电阻值。
步骤S3：将经过温度补偿后的铜排电阻值R'，代入电池紧急断开系统中的电流计算公式中，可以计算得到被测电流I。
步骤S4：将被测电流与预先设置的电池最大放电电流进行比较，并根据比较结果，触发燃爆式熔断器101或继电器108后，高压用电负载103停止工作，电池105电流停止输出，具体如下：
当被测电流≤预先设置的电池最大放电电流时，燃爆式熔断器101或继电器108均不进行触发，高压用电负载103继续工作，电池105电流持续输出。
当2倍预先设置的电池最大放电电流>被测电流>预先设置的电池最大放电电流，且持续时间超过10s时，处理器单元104向高压用电负载103发送断开指令，并在断开指令发送1s后，判断高压用电负载103和电池105的工作状态，并根据工作状态，判断是否触发燃爆式熔断器101或继电器108。具体为：
当高压用电负载103停止工作，电池105电流停止输出时，燃爆式熔断器101或继电器108不进行触发。
当高压用电负载103仍继续工作，电池105电流仍持续输出时，处理器单元104触发继电器108，高压用电负载103停止工作，电池105电流停止输出，同时在继电器108触发后的100ms内，高压用电负载103仍继续工作，电池105电流仍持续输出时，则处理器单元104直接触发燃爆式熔断器101，将高压用电负载103停止工作，电池105电流停止输出。
当3倍预先设置的电池最大放电电流>被测电流≥2倍预先设置的电池最大放电电流时，处理器单元104直接触发继电器108，将高压用电负载103停止工作，电池105电流停止输出，同时在继电器108触发后的100ms内，高压用电负载103仍继续工作，电池105电流仍持续输出时，则处理器单元104直接触发燃爆式熔断器101，将高压用电负载103停止工作，电池105电流停止输出；
当被测电流≥3倍预先设置的电池最大放电电流时，处理器单元104直接触发燃爆式熔断器101，将高压用电负载103停止工作，电池105电流停止输出。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，其特征在于，所述电池紧急断开系统包括有高压用电负载(103)、处理器单元(104)和电池(105)，所述电池(105)电性连接有燃爆式熔断器(101)和铜排(106)，所述燃爆式熔断器(101)通过处理器单元(104)电性连接高压用电负载(103)，所述铜排(106)通过处理器单元(104)电性连接有温度传感器(107)，同时所述铜排(106)和温度传感器(107)均电性连接有继电器(108)，所述继电器(108)电性连接高压用电负载(103)；
所述使用方法包括如下步骤：
S1：根据所述铜排(106)的长度和宽度，获取所述铜排的电阻值；
S2：通过所述温度传感器(107)采集铜排(106)的实时温度，并根据铜排的电阻值，对所述铜排(106)进行温度补偿，确定出经过温度补偿后的铜排电阻值；
S3：将所述经过温度补偿后的铜排电阻值，代入所述电池紧急断开系统中的电流计算公式中，计算得到被测电流；
S4：将所述被测电流与预先设置的电池最大放电电流进行比较，并根据比较结果，触发所述燃爆式熔断器(101)或继电器(108)后，所述高压用电负载(103)停止工作，所述电池(105)电流停止输出；
在所述步骤S4中，触发所述燃爆式熔断器(101)或继电器(108)，具体如下：
当被测电流≤预先设置的电池最大放电电流时，所述燃爆式熔断器(101)或继电器(108)均不进行触发，所述高压用电负载(103)继续工作，所述电池(105)电流持续输出；
当2倍预先设置的电池最大放电电流>被测电流>预先设置的电池最大放电电流，且持续时间超过10s时，所述处理器单元(104)向高压用电负载(103)发送断开指令，并在所述断开指令发送1s后，判断所述高压用电负载(103)和电池(105)的工作状态，并根据所述工作状态，判断是否触发所述燃爆式熔断器(101)或继电器(108)；
当3倍预先设置的电池最大放电电流>被测电流≥2倍预先设置的电池最大放电电流时，所述处理器单元(104)直接触发继电器(108)，将所述高压用电负载(103)停止工作，所述电池(105)电流停止输出，同时在所述继电器(108)触发后的100ms内，所述高压用电负载(103)仍继续工作，所述电池(105)电流仍持续输出时，则所述处理器单元(104)直接触发燃爆式熔断器(101)，将所述高压用电负载(103)停止工作，所述电池(105)电流停止输出；
当被测电流≥3倍预先设置的电池最大放电电流时，所述处理器单元(104)直接触发燃爆式熔断器(101)，将所述高压用电负载(103)停止工作，所述电池(105)电流停止输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，其特征在于，所述电池紧急断开系统还包括有高精度电流传感器(102)，所述电池(105)通过高精度电流传感器(102)电性连接处理器单元(104)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，其特征在于，所述铜排(106)的电阻值求取公式具体为：
R＝ρ*L/S
其中：R为铜排的电阻值，ρ为电阻率，L为铜排的长度，S为铜排的截面积。
4.根据权利要求3所述的一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，其特征在于，所述电池(105)在过流状态下，所述电池紧急断开系统中的电流计算公式具体为：
I＝U/R′
其中：I为被测电流，U为铜排的电压，R'为经过温度补偿后的铜排电阻值。
5.根据权利要求1所述的一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，其特征在于，在所述步骤S2中，确定出所述经过温度补偿后的铜排电阻值，具体如下：
S2.1：获取不同采集时刻下对应的铜排电流，并绘制成电流曲线，同时根据所述电流曲线，计算出所述铜排(106)的电流平方时间积；
S2.2：通过所述温度传感器(107)，获取不同采集时刻下铜排(106)的实时温度；
S2.3：根据所述铜排(106)的电流平方时间积和铜排(106)的实时温度，通过热阻模型估算出铜排(106)的内部温度，并确定出受温度影响后的电阻率；
S2.4：根据所述受温度影响后的电阻率和铜排(106)的电阻值求取公式，确定出所述经过温度补偿后的铜排电阻值。
6.根据权利要求1所述的一种基于精准测量的电池紧急断开系统的使用方法，其特征在于，根据所述工作状态，判断是否触发所述燃爆式熔断器(101)或继电器(108)，具体为：
当所述高压用电负载(103)停止工作，所述电池(105)电流停止输出时，所述燃爆式熔断器(101)或继电器(108)不进行触发；
当所述高压用电负载(103)仍继续工作，所述电池(105)电流仍持续输出时，所述处理器单元(104)触发继电器(108)，所述高压用电负载(103)停止工作，所述电池(105)电流停止输出，同时在所述继电器(108)触发后的100ms内，所述高压用电负载(103)仍继续工作，所述电池(105)电流仍持续输出时，则所述处理器单元(104)直接触发燃爆式熔断器(101)，将所述高压用电负载(103)停止工作，所述电池(105)电流停止输出。
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