CN114928123A - 独立于电池管理系统进行故障安全电池保护的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了独立于电池管理系统进行故障安全电池保护的系统和方法，具体地用于在防止过度充电的同时对电池串进行充电的方法和系统。一种系统包括：一对开关装置；配电总线，经由开关装置电连接到电池串；电池充电器，连接以将电池电力供应至配电总线以对电池串充电；模块监测单元，被配置为在充电期间感测各个电池单元电压；第一处理器，被配置为当所感测的各个电池单元电压指示过充电时促使一个开关装置断开；多个传感器，连接为感测在电池串两端测量的全串电压以及在电池串的第一半串和第二半串两端测量的第一和第二半串电压；以及第二处理器，经连接以在充电期间接收传感器数据。第二处理器被配置为当传感器数据指示连续的过度充电时独立地促使第二开关装置打开。

Description

独立于电池管理系统进行故障安全电池保护的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及用于在交通工具(诸如飞行器)上的模块化电池系统的受控或不受控充电期间缓解过度充电的系统和方法。
背景技术
当电动机用于推进飞行器时，电能由电源供应。例如，电能可由包括电池模块串的DC电源供应。如在本文中使用的，术语“电池模块”是指包括单个电池单元或串联、并联、或串并联混合接线的多个电池单元的电池。如本文中使用的，术语“电池串”表示串联接线的多个电池模块。在一个实施方式中，当通过闭合介入的开关或接触器连接至配电总线时，电池串提供高压直流(HVDC)电力。如本文中使用的，术语“连接”是指耦接以用于供应电力，并且术语“断开”是指解耦接以不供应电力。如在本文中使用的，在直流背景下的术语“高电压”实际上是指高于600VDC的任何DC电压。
在具有全电力或混合动力推进系统的一些飞行器中，高容量高电压(例如，600/1000/2000VDC)电池组用于向大型电动机提供电力。飞行器电池组可具有并联布置的多个串的架构，以确保足够的电力流入在固定的操作水平下的负载。在空中应用中，高功率/高电压电保护的安全和临界性水平是严格的，从而要求多个相异的冗余保护，包括故障安全和关闭机制。(如在本文中使用的，术语“故障安全”是指在特定类型的故障的情况下，以防止或减轻系统故障的不安全后果的方式固有地响应的设计特征或实践。)空中应用需要极高水平的临界性(criticality)和完整性以用于电池过充电保护或可能导致电池热失控的其他事件或事件的组合。
在正常再生模式或故障模式期间，电池(例如，锂离子电池)可由电池充电器电子器件和由HVDC负载充电。作为第一层保护的电池管理系统(BMS)通常包括使用单独电池电压的冗余监测和保护以使用双电池管理单元(在下文中“模块监测单元”)防止过充电。对于飞行器应用，需要与电池管理单元分离的附加的独立且相异的故障安全层来提供与CATIII适航性要求(例如，故障概率小于10-9)兼容的双重或三重冗余解决方案。
具体地，需要一种方案来解决在飞行器的电池充电期间提供冗余、独立和故障保护操作以缓解各种情形的问题。通过至少三种不同类型的故障事件可以产生锂离子电池过充电状态：(1)电池充电器调节电路故障导致电池充电电压高于充电终止电压；(2)电池内部故障导致更少的电池单元串联连接和电池充电器在其正常的充电终止电压带中操作(例如，通过内部可熔断体移除的一个电池模块的短路)；以及(3)例如，在电动机和/或逆变器发生故障或失灵的情况下，不可控制地再生反馈给电池的电力。这是地面操作和飞行操作中的重要方面，因为当前趋势旨在通过利用例如高压快速充电器来减少电池充电时间，高压快速充电器本质上较不精确地被控制或其控制需要更可靠和昂贵的解决方案。
当前，在充电过程中的保护功能是由BMS的模块管理单元(以下称为“MMU”)在充电源(如电池充电器)或主动控制负载(如果能够进行再生充电)下实现的。典型地，MMU被设计成通过监测每个单独的电池单元电压并且隔离电池来检测这些过充电条件。而且，在MMU中实现的解决方案依赖于监测单独的电池单元，这增加了电池系统的成本，并且在操作电压增加(与达到操作电压所需的串联连接的电池单元的数量的增加成比例)时降低了系统的可靠性。独立于MMU且不同于MMU的另外的保护和隔离(故障安全类型)层将为上述过充电条件提供额外的安全性。
发明内容
以下详细公开的主题涉及用于提供防止机载高压电池组(诸如用于机载电力推进系统的电池组)的过充电的冗余且相异的保护的系统和方法。如在本文中使用的，术语“电池组”包括单个电池串或并联接线的多个电池串，每个电池串包括多个串联连接的电池模块。在此提出的电池过充电保护方案包括：与模块管理单元(MMU)分离的附加的独立且相异的故障安全层，以提供与CAT III适航性要求兼容的双重或三重冗余解决方案。附加的故障安全层是鲁棒的且简单的。优选地，附加的故障安全层不使用单独的单元电压感测。
根据一些实施方式，该系统和方法包括电池保护装置，该电池保护装置连接并且被配置为在电池充电和放电周期期间提供防止电池组的过充电的冗余且相异的保护。本文提出的电池保护装置在电池管理系统的外部，还提供防止过度充电的电池独立故障安全保护。
使用与典型的电池保护系统不同的解决方案来实现所提出的独立的故障安全三重冗余电池保护系统的设计。根据一些实施例，故障安全装置使用电压传感器来测量从电池串的中间抽头分别到正母线和负母线的半串电压以及跨整个串的电压(正母线和负母线之间的电势差)。这些电压由硬件(例如，现场可编程门阵列)或以与MMU中和故障安全装置内的充电器中实现的处理不同的方式由软件进行处理并且与预定阈值水平进行比较。动态计算阈值水平以监测电压是否在安全裕度内。安全裕度被定义为防止：(a)从正侧到负侧的电池过电压；以及(b)在充电和放电周期期间，同一电池组的两个半串的电压之间的不平衡。在检测到异常状况时，故障安全控制器命令内部独立开关装置打开，从而清除故障状态(例如，通过隔离故障)。故障安全装置可以在专用壳体中实现或者嵌入在飞行器配电板内部。
尽管以下将更详细地描述用于提供防止机载高压电池组的过充电的冗余且相异的保护的系统和方法的各种实施方式，但这些实施方式中的一个或多个可以以下方面中的一个或多个为特征。
以下详细公开的主题的一个方面是一种用于对电池串进行充电的系统，电池串包括在中点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括串联连接的相应的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元，该系统包括：多个第一传感器，连接为感测跨该电池串测量的全串电压、跨该第一半串测量的第一半串电压、以及跨第二半串测量的第二半串电压；故障安全过充电系统，包括第一开关装置和处理器，所述处理器被连接为在充电期间从多个第一传感器接收传感器数据并且向所述第一开关装置发送命令；配电总线，当所述第一开关装置被闭合时，所述配电总线经由所述第一开关装置电连接至电池串；以及电池充电器，连接并且被配置为将电池电力供应至配电总线以对电池串进行充电。故障安全过充电系统的处理器被配置为当来自多个第一传感器的传感器数据指示在充电期间通过停止充电而减轻的不期望的电气状态时，发送命令以打开第一开关装置。更具体地，故障安全过充电系统的处理器被编程为从传感器数据导出第一测量值，比较第一测量值与第一阈值，并且当第一测量值超过第一阈值时发送命令以打开第一开关装置。
根据一些实施例，前一段落中描述的系统进一步包括第二开关装置，当第一和第二开关装置闭合时，配电总线经由该第二开关装置电连接至电池串。在这种情况下，故障安全过充电系统的处理器被进一步编程为从传感器数据导出第二测量值，比较第二测量值与高于第一阈值的第二阈值，并且当第二测量值超过第二阈值时发送命令以打开第二开关装置。在一个提出的实现方式中，该第一开关装置是接触器并且该第二开关装置是热电开关。
以下详细公开的主题的另一方面是一种用于对电池串充电的方法，电池串包括在中点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括相应的串联连接的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元。该方法包括：经由处于闭合状态的第一开关装置对电池串进行充电；在充电期间测量所述第一半串两端的第一半串电压；在充电期间测量第二半串两端的第二半串电压；计算所测量的第一半串电压和第二半串电压之间的差值；将差值与差值阈值进行比较；以及响应于差值大于差值阈值，向所述第一开关装置发出命令以打开。
以下详细公开的主题的另一方面是一种用于对电池串充电的系统，该电池串包括在中间点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括相应的串联连接的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元，该系统包括：第一开关装置和第二开关装置；配电总线，当第一开关装置和第二开关装置闭合时，配电总线经由第一开关装置和第二开关装置电连接至电池串；电池充电器，连接并且被配置为将电池电力供应至配电总线以对电池串充电；模块监测单元，被配置为在充电期间感测电池单元的各个电池单元电压；第一处理器，被配置为当由模块监测单元感测的各个电池单元电压指示过充电时，促使第一开关装置以断开；多个传感器，连接为感测跨电池串测量的全串电压、跨第一半串测量的第一半串电压、以及跨第二半串测量的第二半串电压；以及第二处理器，连接以在充电期间从多个传感器接收传感器数据，并被配置为当传感器数据指示过充电时促使第二开关装置以打开。
以下公开了用于提供防止机载高压电池组的过充电的冗余且相异的保护的系统和方法的其他方面。
附图说明
前述部分中讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中独立地实现，或者可以在其他实施例中组合。为了说明上述和其他方面的目的，在下文中将参考附图描述各种实施方式。所有的图都不是按比例绘制的。
图1是示出了混合电动飞行器推进架构的示图，在该架构中，通过发动机或作为替代的电动机经由变速箱驱动单个推进器。
图2是表示具有四个电池串的电池多串架构的示图，每个串由通过相应智能中点电池断开子系统串联连接的两组四个电池模块组成。
图3是示出了单个电池模块以及相关联的电池模块监测单元的示图，该电池模块监测单元被连接并且被配置为监测电池模块内部的各个电池电压。
图4是表示构成在本文提出的电池保护系统的一个实施方式中采用的逻辑的基础的电池单元过充电故障树的示图。
图5A是表示电池串的所有电池模块在电池充电期间在电池充电器调节电路故障之后保持电连接的情况的示图。
图5B是表示具有八个模块(每个模块由多个电池单元组成)的电池串的一个电池模块在电池充电过程中变得短路，从而使电池串中的剩余电池单元遭受过充电的风险的情况的示图。
图6是表示图2中描绘的系统的一部分并识别典型的中点电池断开子系统的组件的示图。该示图包括表示单个电池模块或其一部分由于电池模块内部的短路而丢失的情况的符号表示。
图7是表示图6所示的短路电池模块的内部组件的示图。
图8是表示被设置为测量具有短路的电池模块的电池串(如图5B所示)中的全串和半串电压的一组电压传感器的示图。
图9是表示混合电力飞行器推进架构的示图，在该架构中，配电板包括独立于电池管理系统提供对电池过充电的故障安全保护的故障安全装置。
图10是标示根据一个实施方式的包括两个电池串和连接至故障安全电池过充电保护电路的电池管理系统的电池系统的组件的示图。
图11是标示根据一个提议的实现方式的用于监测电池串和半串电压以防止过充电的算法的步骤的流程图。
图12是标示根据另一个实施方式的包括两个电池串和连接至故障安全电池过充电保护电路的电池管理系统的电池系统的组件的示图。该示图包括指示其中电池半串已经由于短路而丢失的情形的符号表示。
图13是表示形成在本文中提出的电池保护系统的另一个实施方式中采用的逻辑的基础的改进的电池单元过充电故障树的示图。
图14是表示图9中所描述类型的混合电力飞行器推进架构的示图，其具有结合在单独负载中的额外过电压保护层，当负载的故障引起过度增加电池电压的再生模式时，调用该单独保护。
图15是表示电连接至电动机并且包含安全控制板的电动机控制器的示图，该安全控制板用于在故障模式中保护电池免受由电动机再生的电流的影响。
在下文中，将参考附图，其中，不同附图中的类似元件具有相同的参考标号。
具体实施方式
下文更详细地描述用于提供防止机载高压电池组的过充电的冗余且相异的保护的系统和方法的说明性实施例。然而，在本说明书中没有描述实际实现的所有特征。本领域技术人员将认识到，在任何这种实施例的开发中，必须做出许多实现方式特定的决定，以实现开发者的特定目标，例如，遵守与系统相关的和与商业相关的约束，这些约束将因实现方式而异。此外，应当理解，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说仍然是常规任务。
本文提出的创新技术可添加到图1所示的混合电力飞行器推进系统2中，其中，推进器32由发动机34或替代地AC电动机30经由变速箱36驱动。然而，在此提出的技术还适用于所有电气架构。在任何一种情况下，推进器32包括机械联接到AC电动机30的输出轴的推进器轴和多个推进器桨叶。
图1所示的混合电力飞行器推进系统2包括电池系统21，该电池系统通过正和负高电压母线38a和38b(在下文中“高电压母线38a和38b”)连接至配电板20。配电板20包括配电总线44和负载侧的多个开关装置62。各种负载经由开关装置62连接至配电总线44。电池系统21包括电池组18和电池管理系统22(在下文中“BMS 22”)。电池组18向配电总线44提供电力。电池组18由BMS 22监测和操作。电池组18通过串接触器8与配电总线44连接和断开，串接触器8位于正侧和负侧或位于由相应继电器9驱动的任一侧上。由BMS 22发出命令给继电器9以打开或闭合接触器8。
来自电池组18的电力流入配电总线44(其具有两个轨道：正和负；为了简单起见，图中将两个轨道描述为单个元件)。在配电总线44的负载侧上，存在经由专用开关装置62连接的多个负载。典型的大型负载可以是AC电动机30和泵68，诸如图1中所示的那些。AC电动机30和泵68由通过配电总线44从电池组18接收DC电力的相应电动机控制器10和66供电。在混合结构中，AC电动机30可以经由变速箱36耦接到飞行器上的推进器32。在变速箱的输出轴处，附接推进器32以产生推力。较小的公用负载(例如冷却泵)可以使用阻断二极管70，该阻断二极管在再生的情况下防止电力朝向源的回流。
图1所示的混合电力飞行器推进系统2还包括电池充电器64。电池充电器64仅在飞机在地面上并且电池组18需要被充电时使用。电池充电器64通过配电总线44向电池组18提供电力流。当电池组18正在被充电时，负载通常是关闭的。在所有的飞行器负载关闭时，电池充电器64连接至负载侧的配电总线44，并且电池组18连接至电源侧的配电总线44。只要BMS 22发出相应的命令，电池组18就准备好被充电。BMS在充电周期期间连续监测电池组18。
图2是表示根据一个实施例的包括多个独立电池串的电池组18形式的电池多串架构的示图。电池组18经由电池配电单元(BPDU)12连接至配电板20(见图1)。BPDU 12实质上是包含监测、整流(变换电流方向，commutate)和控制由电池组18输出的DC电力所需的硬件的盒。
根据图2所示的电池系统21，BPDU 12包括高电压母线38a和38b。BPDU 12还包括将电池串24的一端连接到高电压母线38a的多个第一串接触器8和将电池串24的另一端连接到高电压母线38b的多个第二串接触器8。(接触器是用于切换电力电路的电控开关。接触器被设计为直接连接至高电流负载装置)。配电板20通过串接触器8(闭合时)从电池串24a至24d接收DC电力信号，并将该DC电力供应至电动机控制器10。
BPDU 12还包括电池管理系统22(以下称为“BMS 22”)。电池组18的操作由BMS 22管理。多个并联电池串24a至24d可以在电池组内部故障的情况下提供冗余。BMS 22可经配置以确保电池串的冗余保护、故障安全操作和选择性关闭。BMS 22可以被进一步配置成用于提供电池过充电保护或阻止可能导致电池热失控的其他事件或事件组合。更具体地，串接触器8的开关状态由BMS 22控制。基本上，BMS 22是与充电器相结合的第一保护层。如果任何一个发生故障，则在此提出的故障安全装置将电池与系统的其余部分断开。
在图2所示的示例中，电池组18包括四个电池串24a至24d。每个电池串由两组若干个(在此实施例中为四个)电池模块4组成，这些电池模块串联连接并且进一步经由相应的(智能的)中点电池断开(disconnect，开关)子系统14彼此串联连接。每个串由串联连接的多个电池模块4构成(在图2中描述的实例中，每个串八个电池模块)。每个电池串24a至24d中的每一个进一步包括相应的多个模块监测单元6a和6b(以下称为“MMU 6a和6b”)。相应成对的MMU 6a和6b监测每个电池模块的状态。各电池串24a-24d经由各串接触器8向高电压母线38a、38b供给DC电力。来自高电压母线38a和38b的DC电力被分配到所有HVDC负载。
如图2所示，电池串24a至24d中的每个具有位于正侧和负侧的一组专用串接触器8以逐串提供电隔离。当串接触器8闭合时，电池串24经由高电压母线38a和38b在BPDU 12中连接在一起。此外，在将每个半串25a与正(或负)高电压母线38a连接的接触器8与半串之间设置各自的专用端点电流传感器16(例如，霍尔效应电流传感器)。BMS 22被配置为(例如被编程)根据操作模式(充电、放电等)和系统/电池组保护(系统短路保护、不平衡的串电流等)来控制不同的正串接触器和负串接触器8。每对正串接触器和负串接触器8在由对应的中点电池断开子系统14和BMS 22进行的双重控制下。BMS 22出于协调的目的通信地连接至所有中点电池断开子系统14。BMS 22负责与电力推进系统的自动驾驶仪和其他线路可更换单元通信。
图2中描绘的BPDU 12还包含集成中性点接地网络52(跨电池电力输出线40a和40b连接)和绝缘监测装置26(下文称为“IMD 26”)。电池组中性点通过中性点接地网络52连接到机械接地。考虑到对地的寄生正阻抗和负阻抗以及保证人身安全所需的总的绝缘阻抗，接地阻抗用于平衡正总线电压和负总线电压。例如，接地开关可用于针对睡眠模式提升接地连接。IMD 26动态地并且主动地监测对地的阻抗。
内部电池单元中的短路可导致电池经历热失控，这可导致电池失效。通常，电池的负极和正极部分由绝缘阻隔件隔开。然而，绝缘阻隔件可能劣化，使得在正极部分和负极部分之间通过阻隔件产生短路。这种内部短路降低了电池的内部阻抗，由此增加了电池过充电或过放电的可能性，这进而增加了电池单元温度并最终可能导致热失控。
在可替换的情况下，在图1中描述的电池组18可以在放电操作(电池充电器64是关闭的)期间从连接的负载接收电力。例如，AC电动机30和电动机控制器10可在正常电动机减速、制动阶段或瞬时操作期间再生DC电力并且DC电力返回至配电总线44。此外，特定的电动机/电动机控制器故障条件也可产生具有显著再生的情形。DC再生电力将需要被电池源(或被连接到同一配电总线的其他负载)吸收。经由阻断二极管70连接的负载不会向系统再生回电力。在正常操作条件下，考虑到可允许的最大系统电压/电流，电动机和电动机控制器控制对系统和电池组18再生的能量的量。在故障状态的情况下，能够以不受控制的方式再生电力并且再生的电力潜在地由于过量的电压或电流而损坏电池组18。MMU 6a和6b(见图6)在电池系统21的内部形成第一保护层，以在电力以不受控制的方式再生时隔离电池组18。
图3是示出了根据一个提出的实现方式的单个电池模块4和相关联的MMU 6a和6b的示图。每个电池模块4是多个单独的电池单元5的并联/串联排列。在图3所示的实例中，电池模块4包括四行电池单元5，每行包括跨一对电池单元母线54a和54b并联连接的二十个电池单元。每个并联的电池单元排列被认为是虚拟电池单元(或块)。四个虚拟电池单元50a-50d串联连接。使用与每个单独的电池单元5串联的相应可熔断体56进行电池排列以防止电池失效。考虑安全电压、可管理的重量、体积和故障遏制的折衷来选择基本模块配置。
每个电池模块4由两个独立的相异的模块监测单元6a和6b(在图3中标记为MMU 1和MMU 2)监测。每个模块监测单元包括用于独立地测量每个虚拟电池单元电压和每个单独的电池单元温度的传感器58。模块监测单元6a还包括平衡电路60。平衡电路60执行被动(或主动)平衡功能，其被相关联的中点电池断开子系统14激活和控制。模块监测单元6a将表示虚拟电池单元电压和单独电池单元温度的传感器数据传送至相关联的中点电池断开子系统14。在充电模式中，智能中点电池断开子系统14向平衡电路60发送命令以保证虚拟电池单元之间的适当平衡。模块监测单元6b将表示虚拟电池单元电压和单独电池单元温度的传感器数据传送至BMS 22。此外，模块监测单元6b可以为电池单元电压和电池单元温度超出界限提供聚合标志。
当电池系统21运行时，MMU 6a和6b监测各个单独的电池单元电压并且与BMS 22和中点电池断开子系统14通信。BMS 22和中点电池断开子系统14还接收来自霍尔效应电流传感器(在图2中示出)的读数以便监测过电流情况。BMS 22和中点电池断开子系统14将检测一个或多个电池单元的电压是否超过安全裕度，从而检测过充电情况。在这种情况下，BMS22和中点电池断开子系统14都发出命令以打开接触器8以便将电池组18与潜在的额外过充电隔离。此外，在充电模式期间，BMS 22控制平衡电路60以均衡电池单元之间的电荷(参见图3)。
MMU 6a和6b监测电池单元电压和温度。如上所述，如果电池单元之一被过充电到高于安全阈值电压的水平，则BMS 22和中点电池断开子系统14都发出打开正极侧和负极侧上的接触器8的命令。图3所示的可熔断体5提供防止电池单元内部短路的保护。如果发生该事件，则所有其他并联的电池单元(在图3中描绘的示例中为19)将过大电流馈送到短路的电池单元中，该过大电流使电池模块过热至热失控状态。为了减轻这种情况，小截面的可熔断体5通常连接到正极，并且如果电流超过某个阈值则熔断。另外，其结果，在电池模块4中的串联连接的虚拟电池单元的堆的外部发生短路的情况下，电池模块中的一个虚拟电池单元的所有可熔断体5全部熔断，从而清除故障。
电池系统21可以由锂离子电池组成。通过至少三种不同类型的故障事件会产生锂离子电池过充电状态：(1)电池充电器调节电路故障导致电池充电电压高于充电终止电压；(2)电池内部故障导致更少的电池单元串联连接和电池充电器在其正常的充电终止电压带中操作(例如，通过内部可熔断体清除的一个电池模块的短路)；以及(3)在电动机和/或电动机控制器(逆变器)出现故障或失效的情况下，不可控制地再生反馈给电池的电力。
例如，在锂离子电池的情况下，电池充电器调节电路故障可能导致电池充电器调节电压高于充电终止电压(例如，900VDC)。MMU 6a和6b应通过监测每个单独的电池单元电压(例如，MMU 1>4.3VDC，MMU 2>4.4VDC)来检测这种状况。电池内部故障可导致更少的电池单元串联连接和电池充电器64在其正常的充电终止电压带中操作(例如，通过内部可熔断体清除的一个电池模块的短路)。MMU 6a和6b应通过监测每个单独电池单元电压(MMU 1>4.3VDC，MMU 2>4.4VDC)来检测这种状况，并且然后将电池模块隔离。
需要与电池系统21完全独立且相异的附加保护层以满足严格的航空航天要求。本公开解决了额外的保护层以减轻由来自HVDC负载(如电动机/电动机控制器)、电池充电器故障、或电池内部故障的不受控再生引起的过度充电风险。
图4是表示形成用于以冗余且相异的方式实现故障安全功能的逻辑的基础的电池单元过充电故障树23的示图。在图4中由与门76和78以及或门80表示逻辑。电池单元过充电故障树23基于电池单元(例如，锂离子电池单元)正常充电至4.2VDC(锂离子电池单元在正常环境条件下可以暴露的绝对最高电压为4.6VDC)的假设。因此，将由串联连接的192个电池单元构成的电池模块(此时的并联连接数无关)充电到192*4.2VDC＝806VDC(充电状态(SOC)＝100％)。如果电池充电器脱离调节(例如，输出电压超过806VDC)且MMU 1和MMU 2两者故障(作为两个独立故障)，那么电池单元变得过度充电到高于4.6VDC的电压。此时，没有其他方式防止电池单元过度充电、过热并且最终进入热失控状态。另一种情况是当电池模块之一在其端子两端短路故障并且MMU 1和MMU 2两者再次故障时。充电器继续提供806VDC，但具有较少电池模块(例如，仅具有七个电池模块而不是八个电池模块)串联。在这种情况下，电池单元也可能被过度充电并且失效。
图5A是表示电池串24的所有电池模块4在电池充电期间在电池充电器调节电路故障之后保持电连接的情况的示图。在这个实例中，最大电池充电器电压达到883.2VDC，在这种情况下，电池单元电压等于4.6VDC。因此，图5A描绘了一种情况，其中电池充电器脱离调节并且超过绝对安全极限，在此之后，锂离子电池单元进入热失控状态。因此，如果电池充电器不可控地提供192*4.6VDC＝883VDC，那么如果MMU故障，则电池单元进入热失控。
图5B是表示具有八个电池模块(每个模块由多个电池单元组成)的电池串24的一个电池模块4在电池充电期间具有内部模块短路42，从而使电池串24中的剩余电池单元经受过度充电的风险的情况的示图。当电池由串联连接的多个电池模块组成时，电池模块的尺寸可确定设计安全裕度以解决过度充电。图5B中描述的示例如下：在正常充电条件下，电池充电器提供806VDC，以将串联连接的192个电池单元中的每一个充电至4.2VDC。于是，在短路情况下，一个电池模块应包含的串联连接的电池单元的最大数量是192–806/4.6＝16个电池单元/模块。如果一个电池模块短路故障，则剩余的电池单元(数量为176)将被充电到806/176＝4.58VDC(其是异常的，但可能不会引起热失控)。相反，如果192个电池单元中仅172个电池单元是可运行的，则单独的电池单元电压将是4.7VDC，该值(超过设计极限4.6VDC)增加了过度充电的风险。因此，在此实例中避免过度充电所需的电池单元的最小数量是176。该解决方案本质上对于模块短路故障是安全的，并且在模块短路的情况下将不会驱动而过充电。然而，它强加了使用更小的电池模块以及每个电池更高的模块计数的设计限制，由此影响成本、复杂性和可靠性。
典型地，每个模块具有多于20个串联连接的电池单元(在一种情况下为24个，这将导致每个电池单元为806/(192-24)＝4.8VDC)。将电池单元的数量缩减到16将使串联连接的电池模块的数量从8增加到12。这将导致电池系统的显著更高的成本和减小的体积和比能，并且因此降低系统的效率。在此提出的技术提供了一种保护方案来解决当电池模块具有更多数量的串联连接的电池单元时的模块故障。
图6是表示根据一个提出的实现方式的图2中描绘的系统的一部分并包括中点电池断开子系统14的内部组件的示图。电池串24被示出为处于一种状态，即，其中单个电池模块或模块的一部分由于内部模块短路42而丢失。中点电池断开子系统14包括智能中点断开单元28(以下称为“SMDU 28”)和中点断开接触器48。每个电池串24具有相应的专用SMDU28。SMDU 28包括处理器，该处理器被配置成用于控制中点断开接触器48的状态。SMDU 28与BMS 22通信连接。中点电池断开子系统14进一步包括中点电流传感器46，该中点电流传感器向SMDU 28输出电信号，该电信号表示当中点电流传感器46闭合时流过中点电池断开子系统14的电流。SMDU 28还通过MMU 1/SMDU数据总线7a和MMU 2/BMS数据总线7b从模块监测单元6a和6b接收表示单独的电池单元温度和单独的虚拟电池单元电压的电信号。BMS 22和SMDU 28被配置为独立地控制串接触器8的状态。
SMDU 28的目的是确保每个电池串24的自主安全操作。SMDU 28包括智能控制器/断开系统，用于在故障的情况下实现电池以及电池串24的电气保护/隔离。中点电池断开子系统14进一步包括中点电流传感器46，该中点电流传感器向SMDU 28输出表示流过构成电池串24的串联连接的电池模块4的第一半串25a和第二半串25b的电流的电信号。中点电池断开子系统14进一步包括布置在中点电流传感器46与半串25b之间的中点断开接触器48。根据图6所示的实施方式，SMDU 28被配置为执行电池串保护功能，在由流过中点电流传感器46的电流指示故障的情况下，该功能打开中点断开接触器48。
SMDU 28还被配置为与每个模块监测单元6a通信。每个模块监测单元6a向其相应的SMDU报告其关键参数(Tcell1,、Vcell1等)。SMDU 28被配置为实现特定的电池单元保护功能以确保电池串24的安全性。根据一个提出的实现方式，SMDU 28被配置为响应于以下条件中的任一个而采取动作：过充电(例如，Vcell>4.2VDC)；过放电(例如，Vcell＜2.5VDC)；超过温度(例如，Tcell>80℃)；高充电速率(例如，对于30Q电池，Icharge>1C速率或对于具有LTO负极的电池Icharge>3C速率)；低温(例如，Tcell＜-20℃)；以及虚拟电池单元不平衡(例如，ΔVcell>50mV)。在电池模块串内部故障的情况下，SMDU 28将致动打开中点断开接触器48并且顺序地打开专用的串接触器8。
在充电模式中，SMDU 28控制嵌入在模块监测单元6a(MMU 1)中的平衡电路60以保证从虚拟电池单元到虚拟电池单元的适当平衡。对于充电或再生模式，SMDU/MMU 1电池保护将打开串接触器8以停止充电电流。可选地，电池充电器可接收信息以将充电电流调节或再生功率归零。电池组级的BMPS/MMU 2电池保护将为电池临界保护(过充电、过放电、过温度等)提供冗余和与SMDU/MMU 1的不同性。
SMDU 28还被配置为执行串电气保护功能。SMDU 28被配置为实现特定的电池串电气保护，诸如：过电流保护(跳闸曲线示例)；串差分电流保护；以及可选的串绝缘监测保护(采用图2所示的IMD 26)。
如图6所示，SMDU 28利用其与中点断开接触器48串联的集成电流传感器(例如，霍尔效应或分流型电流传感器)测量电流。在故障的情况下，SMDU 28将促使中点断开接触器48打开并且隔离电池串24。相继地在中点断开接触器48打开之后，SMDU 28将打开专用串接触器8以提供电流隔离。
图7是表示图6所示的短路电池模块的内部组件的示图。在这种情况下，内部短路42在虚拟电池单元50a的电池单元母线54a和虚拟电池单元50d的电池单元母线54b之间。一个虚拟电池单元的所有可熔断体将响应于短路而熔断，从而清除故障。(由于单独可熔断体的电阻率的随机分散，人们不能预测哪个虚拟电池单元将是第一个使其所有可熔断体熔断。)
每个电池模块4包括基本保护以确保安全的独立操作。在单独的电池单元短路故障的情况下，与故障的电池单元5串联的可熔断体56将历经所有并联的电池单元5的电流并且由于过电流而断开。故障的电池单元5将被隔离并且电池模块4将保持以降低的能力运行。不存在由于跨单个可熔断体56的低电压(例如，＜5VDC)的电弧放电。在电池模块内部短路42(在图7中示出)的情况下，一个虚拟电池单元50的组合的可熔断体56将由于过电流而断开并隔离电池模块4。因此，电池模块4将是开路并且不可操作的。模块设计(串联电池单元的数量、可熔断体尺寸等)实现一种状态，即，其中如果可熔断体56打开，(在所考虑的高度处)可熔断体56两端的电压将低于可接受的阈值并且不产生任何持续的电弧。例如，由于跨虚拟电池单元的所有可熔断体56的低电压(例如，＜100VDC)，而不存在电弧。电池单元的可熔断体56是仅用于内部电池模块故障(电池单元短路或虚拟电池单元短路)的保护特征。当安装在串中时，虚拟电池单元的组合的或单独的可熔断体不会由于外部短路而断开。在模块外部故障的情况下，可熔断体的断开(尤其对于完整的虚拟电池单元)会在非常接近电池单元处产生具有高能量的显著连续电弧。
图6和图7示出了以下情形：由于电池模块内部短路42，单个电池模块或该模块的一部分丢失。如果发生这样的故障，则非常大的电流从并联连接的电池单元(多个并联的电池单元形成虚拟电池单元；多个串联连接的虚拟电池单元形成模块)流入通过故障的位置形成的短路中。在某一时刻，一个虚拟电池单元的可熔断体56熔断，从而切断电路而使短路电流停止。然而，电池串24中的其他模块继续通过故障位置向负载供应电流，由此旁路了短路的电池模块(见图7)。
在充电周期期间，由电池充电器64(见图1)供应的电流被限制。因此，在通过熔断可熔断体56消除电池模块两端的故障之后，电池系统21保持与电池充电器64连接，继续被充电，这可能导致如上所述的电池过充电(使八个电池模块中剩余的七个过充电)。
在此提出的故障安全电池保护方案是基于提供在处于充电模式或放电模式中时独立于BMS 22的能力而将电池从充电器断开以防止电池过充电或滥用的能力的概念。提供了附加的故障安全(最后手段)保护层，该保护层：(a)独立于BMS 22和MMU 6a和6b(参见图3)；(b)使用不同的数据处理技术(例如，如果使用软件处理BMS数据，则在FPGA中进行由故障安全装置进行的数据处理)；(c)与电池系统21完全分离；(d)是简单和鲁棒的(不需要使用单独的电池单元电压)；(e)在充电模式和放电模式下阻止过度充电；以及(f)在放电模式中不使用阻断二极管(其将对于高压电力系统产生显著的损耗和额外的热量，并且不允许正常的再生/能量回收模式)。
一方面，为了检测电池充电器的调节失败的情形，这里提出的电池充电保护方案测量每个电池组的端子两端的串电压(Vbat)并检测测量的串电压何时超过指示存在异常的串电压阈值。另一方面，为了检测电池模块具有短路故障的情形，这里提出的电池充电保护方案测量每个电池串的两个半串的两端的半串电压(Vstack(+)和Vstack(―))，并检测它们的差值何时超过表示存在异常的半串电压差值阈值。可选地，可以测量各个电池模块两端的电压以检测充电期间的异常。
根据不同实施例，附加冗余电池保护可通过嵌入在配电板或单独配电箱中的简单电池保护硬件(例如，FPGA或离散逻辑)来提供，配电箱具有使用电池电压操作的专用内务电源。根据一个提出的实现方式，故障安全电池过充电保护电路包括专用接触器和专用热电开关，该热电开关可依次被促使以将电池从电池充电器断开。更具体地，如果接触器不工作，则响应于测量的过充电电压的进一步增加，可促使热电开关。可以使用额外的分路来阻止过度的充电电流和短路故障。
图8是表示一组电压传感器3a-3c的示图，该电压传感器被布置成测量具有短路42(如图5B所示)的电池串24中的全串和半串电压。图8示出了测量和报告用于得出存在异常(例如，电池模块由于短路42而断开)的结论的电压的设置。电压传感器3a测量从V(+)轨道到电池串24的中点的半串电压Vstack(+)。半串25a的端子两端的半串电压Vstack(+)等于V(+)和中点电压Vmp之间的差。电压传感器3b测量从V(-)轨道到对应于半串25b的电池串24的中点的半串电压Vstack(-)。半串25b的端子两端的半串电压Vstack(-)等于V(-)与中点电压Vmp之间的差。电压传感器3c测量从V(+)轨道到V(-)轨道的全串电压Vbat。电池串24的端子两端的全串电压Vbat等于V(+)与V(-)之间的差。根据替代性实施例，两个电压传感器的任何组合通过实施数学运算(Vstack(+)+Vstack(-)＝Vbat或Vbat-Vstack(+)＝Vstack(-)或Vbat-Vstack(-)＝Vstack(+))来实现所寻求的功能，但在这些情况下，所计算的电压不是独立的。
将测量的Vbat与设定的用于充电的电压电平相比较。如果在充电周期期间，由传感器检测的电压大于Vbat+Vacc(标称电压)以及Vbat-Vacc+dV(不允许热失控的绝对最高电压，其中，Vacc是传感器的精确度，例如，2.5％，并且dV是高于电池能够承受的标称电压的裕度，例如，对于具有标称电压4.2VDC的单个电池单元，安全裕度为0.4VDC，使得绝对最高电压可能为4.6VDC减去Vacc)，那么该状态由BMS 22(见图2)识别为过充电。例如，如果1000VDC额定传感器的精确度是±0.5％(±5VDC)，则对于由192个电池单元组成的整个电池串所测量的标称电压不应超过(192×4.2)+5＝806.54+5＝811.4VDC，并且绝对最高电压将是Vbat＝(192×4.6VDC)–5VDC＝878.2VDC。可以得出结论，安全阈值dV被确定为dV＝(Vmax_cell–Vnom_cell)×#of_cells(电池单元数量)＝(4.6-4.2)×192＝76.8VDC。
假定测量半串电压的电压传感器被额定为500V并且还具有±0.5％(±2.5VDC)的精确度。那么，对于192个电池单元的半串，标称电压是192/2×4.2VDC±2.5VDC＝403.2VDC±2.5VDC。一旦这些电池模块之一丢失，Vstack(+)和Vstack(-)的读数就由于精确度而相差超过和值2×(±2.5VDC)＝5VDC，并且阈值dV被设定成例如15V。例如，在这种情况下，最大正常差值将是20VDC，例如如果Vstack(+)和Vstack(-)的读数分别是413.2VDC和393.2VDC。实际上，这些数量应该反映每个单个电池模块的电池单元的最大数量。例如，如先前参考图5B所述，如果电池串中的电池单元的总数是192，则可以确定每个模块的电池单元最大数应该是16。因此，当丢失一个电池模块时，电池单元(在100％SOC下)暴露于每电池单元为806.2/176＝4.58VDC，并且在安全限度内。然后，不平衡电压为16×4.2VDC＝67.2VDC(大于20V阈值)。然而，实际上，原始装置制造商试图使每个电池模块的电池单元数量最大化，并且不同于BMS保护的冗余保护的实现是必要的。
向故障安全装置(除了BMS之外)报告电压传感器读数，作为三个(或最少两个)独立测量。故障安全装置包括处理器，该处理器被配置成检查电压测量值Vbat以获得绝对过电压和不平衡，并且发出命令以清除故障状态，如下面参考图11所述。替代方案是测量每个电池模块(例如八个模块)的电压并且应用类似的不平衡逻辑保护，但是在这种情况下，复杂性和成本上升并且系统可靠性降低。
图9是表示混合电动飞行器推进架构的示图，在该架构中，配电板20包括故障安全电池过充电保护装置1以独立于BMS 22提供对电池过充电的故障安全保护。故障安全电池过充电保护装置1与系统的其他部分独立如下：(a)故障安全电池过充电保护装置1通过专用内务电源11从电池组18获取自身的电力；(b)可选地，故障安全电池过充电保护装置1可以从飞行器上的辅助电源(图8中的“Aux PS”)接收电力；以及(c)故障安全电池过充电保护装置1使用其自身的专用传感器用于监测，包括图9中所示的电流传感器15和图8中所示的电压传感器3a-3c。
图9中的接触点19a-19c指示分接点，在这些分接点中，相对于参考电压测量在中点处的电压Vmp、正高电压母线38a的电压V(+)以及负高电压母线38b的电压V(-)。接触点19a-19c分别电连接至图8中所示的电压传感器3a-3c的一个输入端。该故障安全电池过充电保护装置1包括故障安全过充电处理器13，其处理来自电压传感器3a-3c的输出。接触点19a和19b处的测量电压Vmp和V(+)的差值是半串25a的端子两端的半串电压Vstack(+)。接触点19a和19c处的测量电压Vmp和V(-)的差值是半串25b的端子两端的半串电压Vstack(-)。接触点19b和19c处的测量电压V(+)和V(-)的差值是电池串24的端子两端的全串电压Vbat。在替代实施方式中，如果电池串24具有高阻抗中心抽头，则这些电压可以参考接地。可选地，故障安全电池过充电保护装置1和BMS 22可以独立地测量相同的全串电压和半串电压。此外，由于健康监测的原因，由BMS 22进行的测量可以与由故障安全电池过充电保护装置1进行的测量进行比较。
故障安全过充电处理器13接收来自内务电源11的电力，并接收来自电压传感器3a-3c的三个(或最小两个)信号。故障安全过充电处理器13然后将Vbat与如以下参考图11说明计算的预设阈值进行比较。如果Vbat超过阈值，故障安全过充电处理器13识别出过电压(在再生模式中来自电池充电器64或来自AC电动机30)并命令接触器17(在负高电压母线38b上示出)打开。该操作是可重新设定的，即，接触器17可被飞行员手控命令重新闭合。此外，作为不同的保护装置，如果接触器17焊接故障或如果接触器17不能断开电流，则也可命令热电开关72打开。该热电开关72包括沿正高电压母线38a配置的热保险丝。热保险丝是用于高电压的一种类型的保险丝，其使用爆炸性而不是熔化金属棒，从而通过更快地断开接触点来防止电弧。
当内务电源11发生故障时，故障安全电池过充电保护装置1的接触器17将自动释放至打开状态，从而将电池组18隔离至安全状态。此外，故障安全过充电处理器13接收Vstack(+)和Vstack(-)读数，并且将这些值进行比较以确定两个半串的健康，例如，以确定电池模块是否不工作。
故障安全电池过充电保护装置1能够在单独的壳体中实现。优选地，故障安全电池过充电保护装置1被嵌入现有的飞行器装置中，例如配电板20，该配电板也可以包括配电总线44和负载侧的开关装置62。此外，也可以将3个或2个电压传感器安装在配电板20内，由此确保故障安全电池过充电保护装置1与电池系统21的绝对隔离。
图10是标示了根据替代实施例的包括两个电池串25a和25b以及连接至故障安全电池过充电保护装置1的BMS 22的电池系统的组件的示图。在本例中，故障安全过充电处理器13接收来自与正高电压母线38a连接的分流型电流传感器的电流测量值。
图11是标示了根据一个提议的实现方式的用于监测全串和半串电压以防止过充电的算法100的步骤的流程图。更具体地，算法100基于电压传感器的读数和预设阈值促使保护。在电池串24被充电的同时执行算法100。例如，设置在图9所示的电池串24和电池充电器64之间的任何开关装置(包括接触器17和热电开关72)在充电期间闭合。在充电过程中，感测电压V(+)、V(-)和Vmp(步骤102)。基于这些感测到的电压，测量全串电压和半串电压。更具体地，跨半串25a测量第一半串电压Vstack(+)＝V(+)-Vmp(步骤106)，并且跨半串25b测量第二半串电压Vstack(-)＝V(-)–Vmp(步骤108)。此外，跨电池串24测量全串电压Vbat＝V(+)+V(-)(步骤110)。最后，计算所测量的第一半串电压Vstack(+)和第二半串电压Vstack(-)之间的差值ΔVstack(步骤104)。
仍然参照图11，将差值ΔVstack与差值阈值ΔVthr进行比较(步骤112)。另一方面，在步骤112中判断差值ΔVstack不大于差值阈值ΔVthr的情况下，返回到步骤102。另一方面，如果在步骤112中确定差值ΔVstack大于差值阈值ΔVthr，则故障安全过充电处理器13(参见图9)发出打开接触器17的命令(步骤120)。
此外，故障安全过充电处理器13被配置为(在硬件或软件中)将所测量的全串电压Vbat的量值与全串电压阈值Vthr(bat)相比较(步骤118)。一方面，如果在步骤118中确定所测量的全串电压Vbat不大于全串电压阈值Vthr(bat)，则处理返回到步骤102。另一方面，如果在步骤118中确定所测量的全串电压Vbat大于全串电压阈值Vthr(bat)，则故障安全过充电处理器13发出打开接触器17的命令(步骤120)。
此外，故障安全过充电处理器13被配置为将所测量的半串电压Vstack(+)的量值与半串电压阈值Vthr(+)相比较(步骤114)，并且还将所测量的半串电压Vstack(-)的量值与半串电压阈值Vthr(-)相比较(步骤116)。如果在步骤114中确定所测量的半串电压Vstack(+)不大于半串电压阈值Vthr(+)，则处理返回到步骤102。类似地，如果在步骤116中确定所测量的半串电压Vstack(-)不大于半串电压阈值Vthr(-)，则该过程返回步骤102。相反，如果在步骤114中确定所测量的半串电压Vstack(+)大于半串电压阈值Vthr(+)，并且如果在步骤116中确定所测量的半串电压Vstack(-)大于半串电压阈值Vthr(-)，则故障安全过充电处理器13通过将ΔV(+)＝Vstack(+)-Vthr(+)与ΔV(-)＝Vstack(-)―Vthr(-)进行比较来确认传感器没有故障。如果ΔV(+)＝ΔV(-)，则故障安全过充电处理器13发出打开接触器17的命令(步骤120)。
差值阈值ΔVthr被计算成使得在系统的状态是一个电池模块未运行时差值ΔVstack将大于差值阈值ΔVthr。然后，当达到第一阈值时，接触器17被命令打开。在该实现方式中，如果接触器17被接合(welded)并且电压继续增加，第二阈值可用于促使热电开关72。该协调还可考虑到，如果内务电源11失去电力，则热电开关72不能被命令断开电路，并且同时接触器(正常是打开的)由于保持低电压的损失而自动打开。
包括步骤110和118的循环监测Vbat(如果使用三个电压传感器)或计算Vstack(+)+Vstack(-)(如果使用两个电压传感器)。将测量的全串电压Vbat与全串电压阈值Vthr(bat)进行比较，全串电压阈值Vthr(bat)可由故障安全过充电处理器13使用基于消耗的能量的电池电压的编程查找表来动态调整。如果超过全串电压阈值Vthr(bat)，故障安全过充电处理器13推断电池充电器64已进入未调节状态或在再生期间产生的反馈电压过高，并且电池组18通过断开接触器17或热电开关72而断开。
图11中呈现的流程图示出了由故障安全过充电处理器13采用以确定合适的电池保护响应的基于电压的逻辑。在替代实现方式中，可以采用基于电流的逻辑。图12是标示了连接至故障安全电池过充电保护电路1的电池系统21的组件的示图，该故障安全电池过充电保护电路被配置为处理来自三个电流传感器的数据：电流传感器46，连接至半串25a和25b之间的中点；以及电流传感器15a和15b，嵌入或附接至配电板20。图12描绘了电池半串25a由于短路42而丢失的情形。
作为不同的保护装置，如果接触器17被接合或如果电流超过接触器断开电流的能力，则也可命令热电开关72断开。后一情况尤其重要，如如果故障安全装置检测到过电流条件(通过分析电流传感器15a和/或电流传感器15b的读数：如果在故障安全装置和电池系统21之间发生短路，则电流传感器15a和15b报告在充电周期期间显著大于充电电流(第一电流阈值)的电流，并且故障安全过充电处理器13命令热电开关72和接触器17断开，另一充电场景是当在电池内部发生短路(在正抽头与中抽头之间或负抽头与中抽头之间，则电流传感器46报告非常高的电流(第二电流阈值2)，该电流远高于由所有电流传感器15a、15b和46检测到的为相同值的正常充电电流)。这构成差异保护，该差异保护导致BMS 22发送关闭电池的命令，并且BMS 22将该异常情况通信至故障安全过充电处理器13，故障安全过充电处理器然后通过打开接触器17和热电开关72而促使电池充电器64的断开。热电开关72的促使导致系统的不可复位构造。如果在配电板20的上游的放电过程中在正极侧和负极侧之间发生短路，则由电流传感器15a和15b两者检测到非常高的短路电流，并且故障安全装置通过断开接触器17和热电开关72来中断短路。
图13是表示改进的电池单元过充电故障树23’的示图，该改进的电池单元过充电故障树23’形成用于以冗余且相异的方式实现故障安全功能的逻辑的基础。在图4中由与门76、78、82、84和或门80表示逻辑。电池单元过充电故障树23基于如下假设：锂离子电池单元正常充电至4.2VDC，并且在操作期间应当保持在低于2.6VDC。因此，将由串联连接的192个电池单元构成的电池模块(此时的并联连接数无关紧要)充电到192*4.2VDC＝806VDC(充电状态(SOC)＝100％)。如果电池充电器脱离调节(例如，输出电压超过806VDC)且MMU 1和MMU 2两者故障(作为两个独立故障)且存在过电压保护功能的故障，那么电池单元变得过度充电到高于4.6VDC的电压。此时，没有其他方式防止电池过度充电、过热并且最终进入热失控状态。另一种情况是，当电池模块中之一在其端子两端短路故障并且MMU 1和MMU 2两者都发生故障，并且故障安全装置与中点之间的通信故障导致保护缺失时。充电器继续提供806VDC，但具有较少的串联的电池模块(例如，仅具有七个模块而不是八个模块)。在这种情况下，电池单元也可能被过度充电并且失效。
图14是表示图9中所描述类型的混合电力飞行器推进架构的示图，其具有结合在单独负载中的附加独立过电压保护层，当负载的故障引起过度增加电池电压的再生模式时，调用该单独保护。过电压(OV)保护在多个负载和与配电总线44的其他连接(例如，电池充电器)中的每一个中实现。如何实现保护的差异主要取决于连接到系统的负载侧的装置的类型。如果一个负载失效并产生再生，则该负载优选地在启动故障安全装置之前被隔离，由此使剩余的健康负载能够保持操作。
在图14所示的实例中，电动机控制器10包括过电压保护电路90a。例如，当电动机控制器10由于故障而产生过电压时，可以通过检测其端子上的电压何时超过预设阈值来监测该过电压；另外，分流型电流传感器74a检测从电动机控制器10流出的负电流。在这种情况下，指令故障电动机控制器关闭。类似地，电池充电器64还包括从分流型电流传感器74b接收传感器数据的过电压保护电路90b。
根据一个实施例，在每个HVDC主动控制负载中嵌入分离的独立保护。这种保护是基于监测电压和电流并且然后应用逻辑以防止由于负载产生返回到配电总线44和电池系统21的过量电压或电流而引起的故障来实现的。对于可能通向总线的负载故障和电池过电压，切断负载会是有利的，从而在不中断对其他负载的服务的情况下产生安全状态。在将DC电力转换成用于AC电动机的AC电力的电动机控制器10的情况下，可以通过禁用脉宽调制驱动器和/或内务电源来终止再生模式驱动总线电压。例如，电动机控制器10中的过电压保护电路90a可被配置为在再生电压超过850VDC时启动保护。然后，在经过时间延迟之后，故障安全电池过充电保护装置1被配置为在再生电压超过865VDC(负载保护故障的情况下)的情况下，使接触器17断开。然后，在进一步的时间延迟之后，故障安全电池过充电保护装置1被配置为当再生电压超过875VDC(如果接触器未断开)时促使热电开关72。因此，故障安全装置层可以被设置到更高等级以用于协调以防止负载故障。
图15是表示电连接至AC电动机30并且包含安全控制板94的电动机控制器10的示图，安全控制板94用于在故障模式中保护电池(在图15中未示出)免受由AC电动机30再生的电流的影响。AC电动机30在电动机控制器10的控制下工作。在一些实施方式中，电动机控制器10具有三个通道，用于向AC电动机30中的各组定子绕组98提供AC电流。电动机控制器10的每个通道(在图15中仅示出了一个通道)包括并联连接至AC电动机30的绕组98的相应逆变器91。在图15所示的简化实施方式中，通道包括跨HVDC母线99a和99b连接的逆变器91(包括分别与三相关联的三组电源开关86)和DC侧电容器95。相应的二极管88与每个电源开关86反并联连接。
每个逆变器91的操作由相应的逆变器控制器92控制，逆变器控制器92经由开关信号线(在图15中未示出)将开关控制信号发送至逆变器91并且从逆变器91接收开关状态信号。逆变器14将DC电力转换成用于AC电动机30的多相AC电力。逆变器和逆变器控制器组合形成作为电动机控制器10的一部分的DC-AC转换器。更确切地说，逆变器控制器92产生脉宽调制信号，这些信号充当了需要供应给AC电动机30以便实现最佳机械扭矩输出的参考电流和电压。这些参考信号使用脉冲宽度调制(PWM)生成功能进行调制，该脉冲宽度调制(PWM)生成功能创建命令，该命令发送到由逆变器控制器92控制的逆变器91中的电源开关86的栅极驱动器。
在图15所示的情况中，再生电能的DC分量由电动机控制器10恒定地反馈到系统中。通常，电池在低于过充电条件的可接受水平下接收该电力。然而，在以下条件下，电动机反电动势突然增加：其中AC电动机30继续以相同速度旋转，并且没有任何手段来抵消所产生的电动机反电动势(EMF)。再生电压然后通过电动机控制器10的续流二极管88整流，并且所产生的电压显著高于电池系统提供的DC侧电压。当发生这种情况时，电动机30不可控制地将电力再生回电池系统。由于电池是低阻抗源并且再生电力是显著的，结果是大电流流回电池。该电流可以比电池标称充电电流大得多。这种不希望的情况可能导致电池过度充电以及随后的过热和热失控。
如果检测到流入系统的过电压和电流，则安全控制板94被配置为确定存在过充电情况并且通过从功率开关86a和86b的栅极移除电力来命令功率开关86a和86b(其可以是例如MOSFET或IGBT)断开，从而将负载(在这种情况下，AC电动机30)与系统的其余部分隔离。更具体地，安全控制板94可以包括用于测量DC侧电容器95两端的电压的电压传感器。分流型电流传感器74检测从电动机控制器10流出的负电流。关闭机构96是直接停用PWM驱动器。
不同描述的实施例中的流程图和框图示出了说明性实施例中的装置和方法的一些可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个方框可以表示模块、区段、功能和/或操作或步骤的一部分。例如，一个或多个框可以被实现为程序代码、硬件、或程序代码和硬件的组合。当以硬件实现时，硬件可例如采取被制造或配置成执行流程图或框图中的一个或多个操作的集成电路的形式。
以上公开的实施例使用一个或多个处理或计算装置。这种装置通常包括处理器、处理装置或控制器，例如，通用中央处理单元、微控制器、精简指令集计算机处理器、专用集成电路、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列、数字信号处理器、和/或能够执行在本文中描述的功能的任何其他电路或处理装置。本文描述的方法可以被编码为在非暂时性有形计算机可读存储介质(包括但不限于存储装置和/或存储器装置)中体现的可执行指令。当由处理装置执行时，这些指令使得处理装置执行本文描述的方法的至少一部分。
本文描述的方法可以被编码为在非暂时性有形计算机可读存储介质(包括但不限于存储装置和/或存储器装置)中体现的可执行指令。这样的指令，当由处理或计算系统执行时，使得系统装置执行本文描述的方法的至少一部分。
虽然已经参考各种实施方式描述了用于提供针对机载高压电池组的过充电的冗余且相异的保护的系统和方法，但本领域技术人员将理解的是，在不背离本文中教导的范围的情况下，可做出各种变化并且等同物可替代其元件。此外，在不背离其范围的情况下，可以做出许多修改以使本文中的教导适配于特定情况。因此，意图是，权利要求不限于本文公开的特定实施例。
在所附的方法权利要求中，步骤的任何字母顺序仅仅是为了使随后的对先行步骤的短手引用成为可能，而不是为了将权利要求的范围限制为要求按照字母顺序来执行方法步骤。
注意：以下段落描述了本公开的进一步方面：
A1.一种用于对电池串充电的系统，所述电池串包括在中点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括相应的串联连接的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元，所述系统包括：
第一开关(disconnect，隔离开关)装置和第二开关装置；
配电总线，当所述第一开关装置和所述第二开关装置闭合时，所述配电总线经由所述第一开关装置和所述第二开关装置电连接至所述电池串；
电池充电器，连接并且被配置为将电池电力供应至配电总线以对所述电池串充电；
模块监测单元，所述模块监测单元被配置为在充电期间感测所述电池单元的各个电池单元电压；
第一处理器，被配置为当由所述模块监测单元感测的各个电池单元电压指示过充电时，促使所述第一开关装置以断开；
多个传感器，连接以感测跨所述电池串测量的全串电压、跨所述第一半串测量的第一半串电压、以及跨所述第二半串测量的第二半串电压；以及
第二处理器，连接以在充电期间从所述多个传感器接收传感器数据，并且被配置为当所述传感器数据指示过充电时促使所述第二开关装置打开。
A2.如段落A1所述的系统，进一步包括内务(housekeeping)电源，所述内务电源被配置成用于将来自所述电池串的电力转换成用于促使所述第二开关装置断开的电力。
A3.如段落A1所述的系统，其中该第二处理器被编程为从所述传感器数据导出第一测量值，将该第一测量值与第一阈值进行比较，并且当该第一测量值超过所述第一阈值时发送命令以打开所述第一开关装置。
A4.如段落A3所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的第一半串电压与第二半串电压之间的差值，并且所述第一阈值是差值阈值。
A5.如段落A3所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的第一半串电压的幅值，并且所述第一阈值是半串电压阈值。
A6.如段落A3所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的电池串电压的幅值，并且所述第一阈值是电池串电压阈值。
A7.如段落A3所述的系统，进一步包括第三开关装置，当所述第一至第三开关装置闭合时，所述配电总线经由所述第三开关装置电连接到所述电池串，其中所述第二处理器被进一步编程为从所述传感器数据导出第二测量值、将该第二测量值与高于该第一阈值的第二阈值进行比较、并且当该第二测量值超过该第二阈值时发送命令以打开所述第三开关装置。
A8.如段落A7所述的系统，其中第二开关装置为接触器，第三开关装置为热电开关。

Claims (15)

1.一种用于对电池串充电的系统，所述电池串包括在中点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括相应的串联连接的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元，所述系统包括：
多个第一传感器，连接为感测跨所述电池串测量的全串电压、跨所述第一半串测量的第一半串电压、以及跨所述第二半串测量的第二半串电压；
故障安全过充电系统，包括第一开关装置和处理器，所述处理器被连接以在充电期间从所述多个第一传感器接收传感器数据并且向所述第一开关装置发送命令，
配电总线，当所述第一开关装置闭合时，所述配电总线经由所述第一开关装置电连接至所述电池串；以及
电池充电器，连接并且被配置为将电池电力供应至所述配电总线以对所述电池串充电，
其中，所述故障安全过充电系统的所述处理器被配置为：当来自所述多个第一传感器的所述传感器数据指示在充电期间通过停止充电能够减轻的不期望的电气状态时，发送命令以打开所述第一开关装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述故障安全过充电系统的所述处理器被编程为从所述传感器数据导出第一测量值，将所述第一测量值与第一阈值进行比较，并且当所述第一测量值超过所述第一阈值时发送所述命令以打开所述第一开关装置。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的第一半串电压与第二半串电压之间的差值，并且所述第一阈值是差值阈值。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的第一半串电压的幅值，并且所述第一阈值是半串电压阈值。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的电池串电压的幅值，并且所述第一阈值是电池串电压阈值。
6.根据权利要求2所述的系统，进一步包括第二开关装置，当所述第一开关装置和第二开关装置被闭合时，所述配电总线通过所述第二开关装置被电连接到所述电池串，其中，所述故障安全过充电系统的所述处理器被进一步编程为从所述传感器数据导出第二测量值，将所述第二测量值与高于所述第一阈值的第二阈值相比较，并且当所述第二测量值超过所述第二阈值时发送命令以打开所述第二开关装置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一开关装置为接触器，所述第二开关装置为热电开关。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个第一传感器是电压传感器。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括配电板，所述第一开关装置、所述配电总线以及所述故障安全过充电系统设置在所述配电板上。
10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
多个第二传感器，连接为感测电池单元电压和温度；以及
电池管理系统，包括第二开关装置以及处理器，所述电池管理系统的处理器被连接成在充电期间从所述多个第二传感器接收传感器数据并且向所述第二开关装置发送命令，
其中，当所述第一开关装置和所述第二开关装置闭合时，所述配电总线经由所述第一开关装置和所述第二开关装置电连接到所述电池串；以及
其中，所述电池管理系统的所述处理器被配置成：当来自所述多个第二传感器的所述传感器数据指示在充电期间通过停止充电会减轻的不期望的电气状态时，发送命令以打开所述第二开关装置。
11.一种用于对电池串充电的方法，所述电池串包括在中点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括相应的串联连接的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元，所述方法包括：
经由处于闭合状态的第一开关装置对所述电池串充电；
在充电期间测量所述第一半串两端的第一半串电压；
在充电期间测量所述第二半串两端的第二半串电压；
计算所测量的所述第一半串电压和所述第二半串电压之间的差值；
将所述差值与差值阈值进行比较；以及
响应于所述差值大于所述差值阈值而向所述第一开关装置发出打开命令。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在充电期间测量所述电池串两端的全串电压；
将所测量的所述全串电压的幅值与全串电压阈值进行比较；
将所测量的所述第一半串电压的幅值与第一半串电压阈值进行比较；以及
将所测量的所述第二半串电压的幅值与第二半串电压阈值进行比较。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，对所述电池串充电包括激活电池充电器，所述电池充电器被连接成经由所述第一开关装置向所述电池串提供直流电。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，对所述电池串充电包括经由所述第一开关装置从电动机控制器向所述电池串供应直流电。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括响应于所述第一开关装置断开的故障，促使第二开关装置断开。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11953953B2 (en) * 2018-09-27 2024-04-09 The Boeing Company Behind the radome mounting system for aircraft avionics equipment
US11279243B1 (en) * 2020-11-30 2022-03-22 Nikola Corporation High voltage electrical system for battery electric vehicle
US11682868B2 (en) * 2021-10-31 2023-06-20 Beta Air, Llc Connector with overvoltage protection and methods of use for charging an electric aircraft
CN218243061U (zh) * 2022-08-15 2023-01-06 阳光电源股份有限公司 储能装置及电池柜
US11710957B1 (en) 2022-10-07 2023-07-25 Archer Aviation, Inc. Systems and methods for redundant control of active fuses for battery pack safety
FR3144434A1 (fr) * 2022-12-21 2024-06-28 Safran Electrical & Power Système de batterie de courant continu haute tension a module de stockage basse tension
CN115995623A (zh) * 2023-03-21 2023-04-21 上海玫克生储能科技有限公司 电池管理系统
CN117335531B (zh) * 2023-11-24 2024-03-12 深圳市电科电源股份有限公司 一种光伏发电用的蓄能电池组

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012132220A1 (ja) * 2011-03-31 2012-10-04 ルネサスエレクトロニクス株式会社 電圧監視モジュール及びこれを用いた電圧監視システム
JP6111848B2 (ja) * 2013-05-15 2017-04-12 トヨタ自動車株式会社 蓄電システム
DE102014206270A1 (de) * 2014-04-02 2015-10-08 Robert Bosch Gmbh Batteriesystem mit einer Batterie zum Versorgen eines Hochvoltnetzes und mindestens einer Schalteinheit zum Begrenzen eines über die Batterie und die Hochvoltanschlüsse der Batterie fließenden Fehlerstromes und/oder zum Begrenzen einer von der Batterie über die Hochvoltanschlüsse der Batterie an das Hochvoltnetz angelegten Spannung und entsprechendes Verfahren
DE102016207572A1 (de) * 2016-05-03 2017-11-09 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul, Batterie und Vorrichtung
US10850725B2 (en) * 2017-12-08 2020-12-01 Ford Global Technologies, Llc Vehicles with modular parallel high voltage batteries

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