CN112895904B - 一种电动汽车负载保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电动汽车负载保护电路，包括：碰撞检测模块、一个或多个负载继电器、母线、一个或多个负载、以及电池，其中：每一负载通过一负载支路与母线电连接，每一负载支路设置一负载继电器，负载继电器控制负载与母线的通断，母线一端与电池电连接，另一端通过逆变器与电机电连接；碰撞检测模块分别与所有的负载继电器通信连接，在碰撞检测模块未输出碰撞断开信号时，负载继电器保持负载与母线的电连接，在碰撞检测模块输出碰撞断开信号时，所有负载继电器断开负载与母线的电连接。本发明在检测到碰撞时，通过负载继电器切断负载与母线的电连接，从而避免因负载或负载分支线束在碰撞后短路而造成的负载侧母线绝缘失效问题。

Description

一种电动汽车负载保护电路
技术领域
本发明涉及汽车相关技术领域，特别是一种电动汽车负载保护电路。
背景技术
电动汽车采用电池作为动力，电池与母线电连接，通过母线为电机及各种负载供电。
在电动汽车发生碰撞时，为了避免电池爆炸，现有技术会主动断开电池与母线的连接。
一种情况是：气囊控制器监测到碰撞，发出碰撞信号，通知车辆控制模块(VehicleControl Module，VCM)，同时，电池管理系统(Battery Management System，BMS)也会监测到系统绝缘电阻异常，此时VCM发出强电遮断指令，电池的主继电器受强电遮断指令约100ms内断开。
另一种情况是：气囊控制器未监测到碰撞，但BMS监测到系统绝缘电阻异常，此时VCM无动作，而主继电器受BMS控制5s内断开。这种情况下，在主继电器断开前(5s内)动力电池正负极直接接地，前机舱存在起火风险，同时，主继电器断开后，负载侧存在残余电能，前机舱存在小概率起火风险。
然而，现有技术，无论是哪种情况，在电动汽车发生碰撞时，仅控制主继电器断开电池与母线的连接。然而，在电池与母线断开后，负载端逆变器内的大电容仍存在电能。若某负载出现短路点，则碰撞后可能出现火花、冒烟、甚至起火等现象。
其次，仅电池与母线断开，无法解决因高压负载短路而造成的“负载侧高压母线绝缘失效”问题。“负载侧高压母线绝缘失效”为GB/T 31498《电动汽车碰撞后安全要求》的评价项，因此，在高压负载短路时，可能会不符合标准要求。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术在电动汽车发生碰撞时，仅断开电池与母线的连接，导致存在负载短路风险的技术问题，提供一种电动汽车负载保护电路。
本发明提供一种电动汽车负载保护电路，包括：碰撞检测模块、一个或多个负载继电器、母线、一个或多个负载、以及电池，其中：
每一所述负载通过一负载支路与所述母线电连接，每一所述负载支路设置一所述负载继电器，所述负载继电器控制所在负载支路的所述负载与所述母线的通断，所述母线一端与电池电连接，另一端通过逆变器与电机电连接；
所述碰撞检测模块分别与所有的所述负载继电器通信连接，在所述碰撞检测模块未输出碰撞断开信号时，所述负载继电器保持所在负载支路的所述负载与所述母线的电连接，在所述碰撞检测模块输出碰撞断开信号时，所有所述负载继电器断开所在负载支路的所述负载与所述母线的电连接。
进一步地，所述碰撞检测模块包括多个碰撞检测子模块、以及碰撞断开信号控制器，多个所述碰撞检测子模块与所述碰撞断开信号控制器的输入端通信连接，所述碰撞断开信号控制器的输出端分别与所述负载继电器的控制端通信连接，任一所述碰撞检测子模块输出碰撞检测信号时，所述碰撞断开信号控制器输出碰撞断开信号。
更进一步地，所述碰撞检测子模块包括：加速度检测模块，所述加速度检测模块包括加速度传感器、以及加速度处理控制器，所述加速度处理控制器的输入端与所述加速度传感器的输出端通信连接，所述加速度处理控制器的输出端与所述碰撞断开信号控制器的输入端通信连接；
所述加速度处理控制器接收所述加速度传感器的加速度信号，且在加速度信号超过加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器输出加速度检测断开信号，所述碰撞检测信号包括所述加速度检测断开信号。
再进一步地，所述加速度传感器为多方向加速度传感器，所述加速度处理控制器接收所述加速度传感器的加速度信号，且在加速度信号超过加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器输出加速度检测断开信号，具体包括：
所述加速度处理控制器接收所述加速度传感器多个方向的加速度信号，且在任一方向的加速度信号超过该方向的加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器输出加速度检测断开信号。
再进一步地，所述碰撞检测子模块还包括：车辆控制模块、以及电池管理系统，所述车辆控制模块、所述电池管理系统分别与所述碰撞断开信号控制器的输入端通信连接，所述车辆控制模块在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器输出车辆控制模块碰撞信号，所述电池管理系统在检测到所述电池绝缘失效时向所述碰撞断开信号控制器输出绝缘失效信号，所述碰撞检测信号包括所述车辆控制模块碰撞信号、所述绝缘失效信号。
再进一步地，所述车辆控制模块还与所述加速度处理控制器通信连接，所述车辆控制模块在检测到车辆满足正常行驶条件时，向所述加速度处理控制器输出复位信号，所述加速度处理控制器在接收到所述复位信号时，停止输出所述加速度检测断开信号。
再进一步地，所述正常行驶条件包括：车速在预设车速范围内、和/或检测到踏板踩踏信号。
再进一步地，所述车辆控制模块在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器输出车辆控制模块碰撞信号，具体包括：
所述车辆控制模块在气囊控制器检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器输出车辆控制模块碰撞信号。
再进一步地，所述车辆控制模块在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器输出车辆控制模块碰撞信号，具体包括：
所述车辆控制模块在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器输出车辆控制模块碰撞信号，同时控制所述电池的主继电器断开，控制连接所述母线的主动放电回路闭合。
再进一步地，所述碰撞断开信号控制器为或门电路、或者或非门电路。
本发明在检测到碰撞时，通过负载继电器切断负载与母线的电连接，从而避免因负载或负载分支线束在碰撞后短路而造成的负载侧母线绝缘失效问题。
附图说明
图1为本发明一实施例一种电动汽车负载保护电路的电路原理图；
图2为本发明最佳实施例一种电动汽车负载保护电路的作动逻辑图；
图3为本发明最佳实施例一种电动汽车负载保护电路的电路原理图。
标记说明
1-碰撞检测模块；11-碰撞断开信号控制器；12-加速度检测模块；121-加速度传感器；122-加速度处理控制器；13-车辆控制模块；14-电池管理系统；2-负载继电器；3-母线；31-主动放电回路；311-放电电阻；312-放电开关；4-负载；41-第一负载；42-第二负载；43-第三负载；5-电池；51-主继电器；6-逆变器；7-电机；8-气囊控制器；81-气囊传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示为本发明一实施例一种电动汽车负载保护电路的电路原理图，包括：碰撞检测模块1、一个或多个负载继电器2、母线3、一个或多个负载4、以及电池5，其中：
每一所述负载4通过一负载支路与所述母线3电连接，每一所述负载支路设置一所述负载继电器2，所述负载继电器2控制所在负载支路的所述负载4与所述母线3的通断，所述母线3一端与电池5电连接，另一端通过逆变器6与电机7电连接；
所述碰撞检测模块1分别与所有的所述负载继电器2通信连接，在所述碰撞检测模块1未输出碰撞断开信号时，所述负载继电器2保持所在负载支路的所述负载4与所述母线3的电连接，在所述碰撞检测模块1输出碰撞断开信号时，所有所述负载继电器2断开所在负载支路的所述负载4与所述母线3的电连接。
具体来说，碰撞检测模块1检测碰撞，并在检测到碰撞事件时输出碰撞断开信号。碰撞断开信号可以是高电平或低电平。碰撞断开信号控制负载继电器2，断开负载4与母线3的电连接，从而避免逆变器6所存在的电能令到负载出现短路，在汽车碰撞后能有效避免出现火花、冒烟、甚至起火等现象。同时，由于负载4与母线3直接断开，因此解决因高压负载短路而造成的“负载侧高压母线绝缘失效”问题，满足GB/T 31498《电动汽车碰撞后安全要求》的评价项。此处的绝缘失效是指母线与电平台之间的绝缘电阻小于500Ω/V工作电压。
其中，负载4包括但不限于：作为第一负载41的压缩机、作为第二负载42的W-PTC、以及作为第三负载43的B-PTC。其中，空调PTC(Wind Positive Temperature Coefficient，W-PTC)，又称PTC空气加热器，用于给冷空气加热。电池PTC(Battery PositiveTemperature Coefficient，B-PTC)又称电池温控系统，用于调节电池冷却液水温。
本发明在检测到碰撞时，通过负载继电器切断负载与母线的电连接，从而避免因负载或负载分支线束在碰撞后短路而造成的负载侧母线绝缘失效问题。
实施例二
如图1和图3所示为本发明一实施例一种电动汽车负载保护电路的电路原理图，包括：碰撞检测模块1、一个或多个负载继电器2、母线3、一个或多个负载4、以及电池5，其中：
每一所述负载4通过一负载支路与所述母线3电连接，每一所述负载支路设置一所述负载继电器2，所述负载继电器2控制所在负载支路的所述负载4与所述母线3的通断，所述母线3一端与电池5电连接，另一端通过逆变器6与电机7电连接；
所述碰撞检测模块1分别与所有的所述负载继电器2通信连接，在所述碰撞检测模块1未输出碰撞断开信号时，所述负载继电器2保持所在负载支路的所述负载4与所述母线3的电连接，在所述碰撞检测模块1输出碰撞断开信号时，所有所述负载继电器2断开所在负载支路的所述负载4与所述母线3的电连接，所述碰撞断开信号控制器11为或门电路、或者或非门电路；
所述碰撞检测模块1包括多个碰撞检测子模块、以及碰撞断开信号控制器11，多个所述碰撞检测子模块与所述碰撞断开信号控制器11的输入端通信连接，所述碰撞断开信号控制器11的输出端分别与所述负载继电器2的控制端通信连接，任一所述碰撞检测子模块输出碰撞检测信号时，所述碰撞断开信号控制器11输出碰撞断开信号；
所述碰撞检测子模块包括：加速度检测模块12、车辆控制模块13、以及电池管理系统14；
所述加速度检测模块12包括加速度传感器121、以及加速度处理控制器122，所述加速度处理控制器122的输入端与所述加速度传感器121的输出端通信连接，所述加速度处理控制器122的输出端与所述碰撞断开信号控制器11的输入端通信连接；
所述加速度处理控制器122接收所述加速度传感器121的加速度信号，且在加速度信号超过加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器11输出加速度检测断开信号；
所述车辆控制模块13、所述电池管理系统14分别与所述碰撞断开信号控制器11的输入端通信连接，所述车辆控制模块13在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器11输出车辆控制模块碰撞信号，所述电池管理系统14在检测到所述电池5绝缘失效时向所述碰撞断开信号控制器11输出绝缘失效信号，所述碰撞检测信号包括所述加速度检测断开信号、所述车辆控制模块碰撞信号、所述绝缘失效信号；
所述加速度传感器121为多方向加速度传感器，所述加速度处理控制器122接收所述加速度传感器121的加速度信号，且在加速度信号超过加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器11输出加速度检测断开信号，具体包括：
所述加速度处理控制器122接收所述加速度传感器121多个方向的加速度信号，且在任一方向的加速度信号超过该方向的加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器11输出加速度检测断开信号；
所述车辆控制模块13在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器11输出车辆控制模块碰撞信号，具体包括：
所述车辆控制模块13在气囊控制器8检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器11输出车辆控制模块碰撞信号，同时控制所述电池5的主继电器51断开，控制连接所述母线3的主动放电回路31闭合
所述车辆控制模块13还与所述加速度处理控制器122通信连接，所述车辆控制模块13在检测到车辆满足正常行驶条件时，向所述加速度处理控制器122输出复位信号，所述加速度处理控制器122在接收到所述复位信号时，停止输出所述加速度检测断开信号，所述正常行驶条件包括：车速在预设车速范围内、和/或检测到踏板踩踏信号。
具体来说，如图2所示为本发明一实施例一种电动汽车负载保护电路的作动逻辑图，包括：
逻辑S201，车辆上电，如果系统自检通过，执行逻辑S202、S204、或者逻辑S205，如果系统自检不通过，则无法启动，车辆报故障；
逻辑S202，如果气囊控制器(Airbag Control Unit，ACU)8根据设置在中央通道和车辆最前端的气囊传感器(sensor)81信息，判断监测到碰撞，VCM 13发出碰撞信号及强电遮断、主动放电指令，碰撞信号发送到碰撞断开信号控制器11执行逻辑S206，同时执行逻辑S203；
逻辑S203，主继电器51断开、负载侧主动放电回路31的放电开关312闭合，短路放电电阻311，实现主动放电；
逻辑S204，如果电池管理系统14监测到绝缘失效，则发送绝缘失效信号到碰撞断开信号控制器11，执行逻辑S206；
逻辑S205，如果加速度检测模块12监测到碰撞，加速度检测模块12向碰撞断开信号控制器11发送cut-off信号，执行逻辑S206；
逻辑S206，作为碰撞断开信号控制器11的门电路判断碰撞是否发生，如果发生则执行逻辑S207，否则返回车辆整车行驶状态；
逻辑S207，所有的负载继电器2断开，所有负载4与母线3隔离；
逻辑S208，如果加速度检测模块12监测到碰撞后，检测到整车行驶信号，包括但不限于车速信号、踏板信号，则加速度检测模块12复位，停止输出cut-off信号。
本实施例的加速度传感器121为多方向加速度传感器，优选为梳齿电容式加速度计：利用惯性质量块在加速度作用下引起弹性梁变形，通过检测其电容的变化就可获得加速度的大小。
本实施例的加速度处理控制器(cut-off control)122接收加速度传感器121的信号并进行数据处理，判断X、Y、Z向加速度是否达到cut-off阈值。达到则输出1，未达则输出0。在输出为1时，接收到VCM13的复位(正常行驶)信号，倒计时5s后输出置0。
本实施例的碰撞断开信号控制器11优选为或非门。当VCM 13输出作为车辆控制模块碰撞信号的高电平1、或者BMS 14检测电池5绝缘失效，输出作为绝缘失效信号的高电平1、或者加速度处理控制器122检测到加速度传感器121在其中一方向的加速度信号超过该方向的加速度阈值时，输出作为加速度检测断开信号(即cut-off信号)的高电平1。由于碰撞断开信号控制器11为或非门，因此接收cut-off control的cut-off信号、VCM的碰撞信号、BMS的绝缘失效信号，三者任意一个为1时输出低电平0，三者全为0时输出高电平1。而所有的负载继电器2的控制端一端接地，另一端与碰撞断开信号控制器11的输出端电连接。
本实施例的负载继电器2，在车辆正常行驶时为闭合状态，当cut-off信号、VCM的碰撞信号、BMS的绝缘失效信号任意为1时断开，实现“碰撞隔离”功能。具体来说，负载继电器2为常开继电器，当碰撞断开信号控制器11输入端没有接到高电平信号时，碰撞断开信号控制器11输出高电平，使得负载继电器2的控制端得电，负载继电器2的开关端接通，母线3与负载4电连接，为负载4供电。而当碰撞断开信号控制器11输入端接收到高电平信号时，碰撞断开信号控制器11输出低电平，负载继电器2的控制端失电，负载继电器2的开关端断开，将负载4与母线3隔离。
本实施例的应用场景分析如下：
场景一：
负载短路：
-气囊控制器8监测到碰撞，发出碰撞信号；
-加速度处理控制器122监测到碰撞，发出cut-off信号；
-BMS 14监测到系统绝缘电阻异常；
-VCM 13发出强电遮断指令；
-主继电器51受VCM强电遮断指令约100ms内断开；
-VCM 13控制主动放电回路31主动放电；
-负载继电器2受cut-off指令和VCM强电遮断指令，100ms内断开
-实用安全相关动作：1.动力电池100ms内断开；2.负载侧残余电能主动放电；
-碰撞法规相关判断：负载侧绝缘电阻符合法规。
场景二
负载短路：
-气囊控制器8未监测到碰撞；
-加速度处理控制器122监测到碰撞，发出cut-off信号；
-BMS 14监测到系统绝缘电阻异常；
-VCM 13无动作；
-主继电器51受BMS 14控制约5s内断开；
-无主动放电；
-负载继电器2受cut-off指令，100ms内断开；
-实用安全相关动作：1.动力电池5s内断开；2.负载侧短路点100ms内与高压母线脱离；
-碰撞法规相关判断：负载侧绝缘电阻符合法规。
场景三
负载短路：
-气囊控制器8监测到碰撞，发出碰撞信号；
-加速度处理控制器122未监测到碰撞；
-BMS 14监测到系统绝缘电阻异常；
-VCM 13发出强电遮断指令；
-主继电器51受VCM强电遮断指令约100ms内断开；
-VCM 13控制主动放电回路31主动放电；
-负载继电器2VCM强电遮断指令，100ms内断开；
-实用安全相关动作：1.动力电池100ms内断开；2.负载侧残余电能主动放电；
-碰撞法规相关判断：负载侧绝缘电阻符合法规。
场景四
负载短路：
-气囊控制器8未监测到碰撞；
-加速度处理控制器122未监测到碰撞；
-BMS 14监测到系统绝缘电阻异常；
-VCM 13无动作；
-主继电器51受BMS 14控制约5s内断开；
-无主动放电；
-负载继电器2受BMS强电遮断指令5s内断开；
-实用安全相关动作：1.动力电池5s内断开；2.负载侧短路点5s内与高压母线脱离；
-碰撞法规相关判断：负载侧绝缘电阻符合法规。
场景五
正常行驶：
-气囊控制器8无动作；
-加速度处理控制器122误报；
-BMS 14无动作；
-VCM 13无动作；
-主继电器51无动作；
-无主动放电；
-负载继电器2受cut-off control指令，100ms内断开，加速度处理控制器122受VCM 13复位信号，计时5s后复位；
-实用安全相关动作：电机、电池等关键部件正常运转；
-碰撞法规相关判断：正常行驶。
本发明解决了因负载或负载分支线束在碰撞后短路而造成的负载侧母线绝缘失效问题。极大降低了因ACU未监测到碰撞发生而造成车辆起火风险。本发明的加速度检测模块可集成在电源分配模块(Power Distribution Module，PDM)内，碰撞中被破坏风险小，可作为PDM的固定功能模块。同时，加速度检测模块即使误报，由于只是隔离负载与母线，不会造成实用安全风险。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种电动汽车负载保护电路，其特征在于，包括：碰撞检测模块(1)、一个或多个负载继电器(2)、母线(3)、一个或多个负载(4)、以及电池(5)，其中：
每一所述负载(4)通过一负载支路与所述母线(3)电连接，每一所述负载支路设置一所述负载继电器(2)，所述负载继电器(2)控制所在负载支路的所述负载(4)与所述母线(3)的通断，所述母线(3)一端与电池(5)电连接，另一端通过逆变器(6)与电机(7)电连接；
所述碰撞检测模块(1)分别与所有的所述负载继电器(2)通信连接，在所述碰撞检测模块(1)未输出碰撞断开信号时，所述负载继电器(2)保持所在负载支路的所述负载(4)与所述母线(3)的电连接，在所述碰撞检测模块(1)输出碰撞断开信号时，所有所述负载继电器(2)断开所在负载支路的所述负载(4)与所述母线(3)的电连接；
所述碰撞检测模块(1)包括多个碰撞检测子模块、以及碰撞断开信号控制器(11)，多个所述碰撞检测子模块与所述碰撞断开信号控制器(11)的输入端通信连接，所述碰撞断开信号控制器(11)的输出端分别与所述负载继电器(2)的控制端通信连接，任一所述碰撞检测子模块输出碰撞检测信号时，所述碰撞断开信号控制器(11)输出碰撞断开信号；
所述碰撞检测子模块包括：加速度检测模块(12)，所述加速度检测模块(12)包括加速度传感器(121)、以及加速度处理控制器(122)，所述加速度处理控制器(122)的输入端与所述加速度传感器(121)的输出端通信连接，所述加速度处理控制器(122)的输出端与所述碰撞断开信号控制器(11)的输入端通信连接；
所述加速度处理控制器(122)接收所述加速度传感器(121)的加速度信号，且在加速度信号超过加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器(11)输出加速度检测断开信号，所述碰撞检测信号包括所述加速度检测断开信号；
所述碰撞检测子模块还包括：车辆控制模块(13)、以及电池管理系统(14)，所述车辆控制模块(13)、所述电池管理系统(14)分别与所述碰撞断开信号控制器(11)的输入端通信连接，所述车辆控制模块(13)在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器(11)输出车辆控制模块碰撞信号，所述电池管理系统(14)在检测到所述电池(5)绝缘失效时向所述碰撞断开信号控制器(11)输出绝缘失效信号，所述碰撞检测信号包括所述车辆控制模块碰撞信号、所述绝缘失效信号；
所述车辆控制模块(13)还与所述加速度处理控制器(122)通信连接，所述车辆控制模块(13)在检测到车辆满足正常行驶条件时，向所述加速度处理控制器(122)输出复位信号，所述加速度处理控制器(122)在接收到所述复位信号时，停止输出所述加速度检测断开信号。
2.根据权利要求1所述的电动汽车负载保护电路，其特征在于，所述加速度传感器(121)为多方向加速度传感器，所述加速度处理控制器(122)接收所述加速度传感器(121)的加速度信号，且在加速度信号超过加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器(11)输出加速度检测断开信号，具体包括：
所述加速度处理控制器(122)接收所述加速度传感器(121)多个方向的加速度信号，且在任一方向的加速度信号超过该方向的加速度阈值时，向所述碰撞断开信号控制器(11)输出加速度检测断开信号。
3.根据权利要求1所述的电动汽车负载保护电路，其特征在于，所述正常行驶条件包括：车速在预设车速范围内、和/或检测到踏板踩踏信号。
4.根据权利要求1所述的电动汽车负载保护电路，其特征在于，所述车辆控制模块(13)在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器(11)输出车辆控制模块碰撞信号，具体包括：
所述车辆控制模块(13)在气囊控制器(8)检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器(11)输出车辆控制模块碰撞信号。
5.根据权利要求1所述的电动汽车负载保护电路，其特征在于，所述车辆控制模块(13)在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器(11)输出车辆控制模块碰撞信号，具体包括：
所述车辆控制模块(13)在检测到碰撞时向所述碰撞断开信号控制器(11)输出车辆控制模块碰撞信号，同时控制所述电池(5)的主继电器(51)断开，控制连接所述母线(3)的主动放电回路(31)闭合。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电动汽车负载保护电路，其特征在于，所述碰撞断开信号控制器(11)为或门电路、或者或非门电路。
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