CN115810811A

CN115810811A - 电池包主动熔断器控制装置

Info

Publication number: CN115810811A
Application number: CN202210014976.9A
Authority: CN
Inventors: 杨井; 王照广; 李前邓
Original assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Current assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2042-01-07
Also published as: WO2023131036A1; EP4379987A1; CN115810811B

Abstract

本申请涉及一种电池包主动熔断器控制装置，包括BMS和分流电阻，BMS包括常供电的短路电流检测电路和短路电流处理电路，分流电阻和主动熔断器串接于电池包的供电回路中，短路电流检测电路连接分流电阻和短路电流处理电路，短路电流处理电路连接主动熔断器。在BMS中采用常供电的短路电流检测电路和短路电流处理电路分别进行电流采样和过流检测，短路电流检测电路在分流电流大于设定阈值时输出短路过流信号至短路电流处理电路，短路电流处理电路在接收到短路过流信号时控制主动熔断器断开，无需唤醒BMS同样可进行短路过流检测，并在检测到短路时及时断开主动熔断器，提高了对主动熔断器的控制可靠性。

Description

电池包主动熔断器控制装置

技术领域

本申请涉及电池技术领域，特别是涉及一种电池包主动熔断器控制装置。

背景技术

电池管理系统(Battery Management System，BMS)是电池与用户之间的纽带，主要对象是二次电池，目的是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电的现象，达到延长电池的使用寿命，监控电池状态的目的。主动型熔断器在电池包短路后，由BMS检测过流并驱动熔断。传统的主动型熔断器控制方案为电流传感器采样检测到过流后，再通过软件驱动执行。受限于电流传感器仅在BMS唤醒情况下工作或电流报文周期10ms限制影响，无法实现休眠情况下短路检测，且检测时间冗长以至于10ms以内断开熔断器几乎无法实现。传统的主动型熔断器控制方案存在控制可靠性低的缺点。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高控制可靠性的电池包主动熔断器控制装置。

一种电池包主动熔断器控制装置，包括BMS和分流电阻，所述BMS包括常供电的短路电流检测电路和短路电流处理电路，所述分流电阻和主动熔断器串接于电池包的供电回路中，所述短路电流检测电路连接所述分流电阻和所述短路电流处理电路，所述短路电流处理电路连接所述主动熔断器；

所述短路电流检测电路用于对流经所述分流电阻的电流进行采样得到分流电流，并在分流电流大于设定阈值时输出短路过流信号至所述短路电流处理电路，所述短路电流处理电路在接收到所述短路过流信号时控制所述主动熔断器断开。

在其中一个实施例中，所述BMS还包括电源芯片模块，所述短路电流处理电路还用于在接收到所述短路过流信号时唤醒所述电源芯片模块。

在其中一个实施例中，所述BMS还包括数字信号检测模块，所述短路电流处理电路还用于在接收到所述短路过流信号时控制所述数字信号检测模块进行过流故障记录。

在其中一个实施例中，所述短路电流检测电路包括电流采样芯片和电压比较器，所述电流采样芯片连接所述分流电阻和所述电压比较器，所述电压比较器连接所述短路电流处理电路。

在其中一个实施例中，所述短路电流检测电路还包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1和所述电阻R2串联且公共端连接所述电压比较器的同相输入端，所述电阻R1的另一端连接电源端，所述电阻R2的另一端接地，所述电压比较器的反相输入端连接所述电流采样芯片，所述电压比较器的输出端连接所述短路电流处理电路。

在其中一个实施例中，所述短路电流检测电路还包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电阻R4016，所述电容C1的一端连接电流采样芯片的VS引脚，所述电容C1的另一端接地；所述电容C2的一端连接电流采样芯片的REF引脚，所述电容C2的另一端接地；所述电阻R4016的一端连接电流采样芯片的输出引脚，所述电阻R4016的另一端连接所述电压比较器的反相输入端，并通过所述电容C3接地；所述电容C4的一端连接所述电压比较器的同相输入端，所述电容C4的另一端接地；所述电容C5的一端连接所述电压比较器的电源端，所述电容C5的另一端接地。

在其中一个实施例中，所述短路电流处理电路包括延时芯片和锁存器，所述延时芯片连接所述短路电流检测电路和所述锁存器，所述锁存器连接电源芯片模块、数字信号检测模块和主动熔断器的驱动模块。

在其中一个实施例中，所述短路电流处理电路还包括开关管Q1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R20、电阻R2电容C6和电容C7；

所述开关管Q1的控制端连接短路电流检测电路，并通过电阻R20连接电源端，所述开关管Q1的输入端通过电阻R21连接电源端，所述开关管Q1的输出端连接所述电阻R6的一端，并通过所述电阻R7接地，所述电阻R6的另一端连接延时芯片的输入引脚，并通过所述电容C6接地；所述电阻R3的一端连接延时芯片的SET引脚，所述电阻R3的另一端接地；所述电阻R4和所述电阻R5串联且公共端连接延时芯片的DIV引脚，所述电阻R4的另一端连接延时芯片的V+引脚，所述电阻R5的另一端接地；所述电容C7的一端连接延时芯片的V+引脚，所述电容C7的另一端接地；所述电阻R9的一端连接所述延时芯片的输出引脚，所述电阻R9的另一端连接所述锁存器的CP引脚，并通过所述电阻R10接地。

在其中一个实施例中，所述短路电流处理电路还包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C8、二极管D1和二极管D2，所述电阻R11的一端连接锁存器的D引脚，所述电阻R11的另一端连接电源端；所述电容C8的一端连接锁存器的电源引脚，所述电容C8的另一端接地；锁存器的Q引脚连接二极管D1的阳极、二极管D2的阳极以及电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接主动熔断器的驱动模块，并通过所述电阻R15接地；所述电阻R12的一端连接所述二极管D1的阴极，所述电阻R12的另一端连接数字信号检测模块，并通过所述电阻R13接地；所述电阻R16的一端连接所述二极管D2的阴极，所述电阻R16的另一端连接电源芯片模块，并通过所述电阻R17接地。

在其中一个实施例中，所述短路电流处理电路还包括开关管Q2、电阻R18和电阻R19，所述开关管Q2的控制端连接上位机，并通过所述电阻R18接地，所述开关管Q2的输入端连接锁存器的使能引脚，并通过所述电阻R19连接电源端，所述开关管Q2的输出端接地。

上述电池包主动熔断器控制装置，在BMS中采用常供电的短路电流检测电路和短路电流处理电路分别进行电流采样和过流检测，短路电流检测电路在分流电流大于设定阈值时输出短路过流信号至短路电流处理电路，短路电流处理电路在接收到短路过流信号时控制主动熔断器断开，无需唤醒BMS同样可进行短路过流检测，并在检测到短路时及时断开主动熔断器，提高了对主动熔断器的控制可靠性。

附图说明

图1为一实施例中电池包主动熔断器控制装置的结构框图；

图2为一实施例中短路电流检测电路的结构原理图；

图3为一实施例中短路电流处理电路的结构原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

传统电动汽车电池包中短路保护熔断器分为主动型和被动性。被动型熔断器断开时间与其本身特性相关，熔断器规格选型较小往往容易误触发断开，规格选型较大又带来无法保护继电器的问题。且当前市面上继电器型号和规格较多，选取合适的熔断器与电池包系统匹配较为困难。

主动型熔断器在电池包短路后，由BMS检测过流并驱动熔断。常规方案为电流传感器采样检测到过流后，再通过软件驱动执行。受限于电流传感器仅在BMS唤醒情况下工作或电流报文周期10ms限制影响，无法实现休眠情况下短路检测，且检测时间冗长以至于10ms以内断开熔断器几乎无法实现。

基于此，本申请提供了一种高压系统短路时间与短路电流可调节主动熔断器熔断方案，BMS通过纯硬件方式进行分流电流采集、过流故障确认和驱动断开主动熔断器，实现不同设定电流下最短3ms断开主动熔断器要求。通过调节BMS选贴电阻阻值配比，实现过流电流和过流时间可任意调节以适配不同高压电池包。此外，BMS硬件过流保护功能，可通过软件进行选择开启或者关断该功能，支持用户进行场景设定。BMS休眠情况下可以进行短路检测并断开主动熔断器。BMS休眠情况下检测到电池包短路后可以唤醒整车，告知短路故障进行后台报警。本方案解决了熔断器与电池包匹配困难问题，并极大降低主动型熔断器断开时间，同时解决了传统主动熔断型熔断器仅在ECU唤醒工作状态才能检测和断开问题。用户提供电池包系统层级短路电流与短路耐受时间，通过更改BMS硬件电阻选配的方式实现设计与需求完全一致。硬件方案主动型熔断器最短断开时间可缩短至3ms以内，减少短路时间，提高整车系统安全。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电池包主动熔断器控制装置，包括BMS和分流电阻Shunt，BMS包括常供电的短路电流检测电路(Short-Circuit Current Detect)和短路电流处理电路(Short-Circuit Current Process)，分流电阻Shunt和主动熔断器串接于电池包的供电回路中，短路电流检测电路连接分流电阻Shunt和短路电流处理电路，短路电流处理电路连接主动熔断器。短路电流检测电路用于对流经分流电阻Shunt的电流进行采样得到分流电流，并在分流电流大于设定阈值时输出短路过流信号(Over CurrentFlag)至短路电流处理电路，短路电流处理电路在接收到短路过流信号时控制主动熔断器断开。

其中，主动熔断器可包括串接于供电回路的保险丝(Pyrofuse)，以及控制保险丝的驱动模块，短路电流处理电路连接驱动模块，驱动模块可以是驱动开关。此外，供电回路中还可串接有电容X、电阻以及控制开关等元件。设定阈值的具体取值并不唯一，可通过调节短路电流检测电路内部器件的参数来调节设定阈值的取值。当分流电流大于设定阈值时，则可判定出现短路过流，短路电流检测电路输出短路过流信号至短路电流处理电路，短路电流处理电路在接收到短路过流信号时输出信号至主动熔断器的驱动模块，驱动主动熔断器断开。

在一个实施例中，BMS还包括电源芯片模块，短路电流处理电路还用于在接收到短路过流信号时唤醒电源芯片模块，实现BMS休眠情况下电池包短路唤醒功能。进一步地，BMS还包括数字信号检测模块，短路电流处理电路还用于在接收到短路过流信号时控制数字信号检测模块进行过流故障记录，利用BMS软件记录电池包系统短路过流故障，进行DTC(故障码)存储和后台告警。

可以理解，短路电流检测电路和短路电流处理电路的具体结构并不唯一，在一个实施例中，如图2所示，短路电流检测电路包括电流采样芯片U1和电压比较器U2，电流采样芯片U1连接分流电阻和电压比较器U2，电压比较器U2连接短路电流处理电路。其中，电流采样芯片U1的IN+引脚4和IN-引脚5分别连接分流电阻两端，电流采样芯片U1的VS引脚3连接电源端V5，电流采样芯片U1的接地引脚2接地，电流采样芯片U1的REF引脚1接入参考信号V_REF，电流采样芯片U1的输出引脚6与电压比较器U2的反相输入端2连接。电压比较器U2的电源端8连接电源端V5，电压比较器U2的接地端4接地。电源端V5为常供电端，具体可以是利用电池包供电，或利用储能单元进行供电。在一个实施例中，短路电流检测电路还包括电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2串联且公共端连接电压比较器U2的同相输入端3，电阻R1的另一端连接电源端V5，电阻R2的另一端接地，电压比较器U2的反相输入端2连接电流采样芯片U1，电压比较器U2的输出端1连接短路电流处理电路。

进一步地，在一个实施例中，短路电流检测电路还包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电阻R4016，电容C1的一端连接电流采样芯片U1的VS引脚3，电容C1的另一端接地；电容C2的一端连接电流采样芯片U1的REF引脚1，电容C2的另一端接地；电阻R4016的一端连接电流采样芯片U1的输出引脚6，电阻R4016的另一端连接电压比较器U2的反相输入端2，并通过电容C3接地；电容C4的一端连接电压比较器U2的同相输入端3，电容C4的另一端接地；电容C5的一端连接电压比较器的电源端8，电容C5的另一端接地。

在一个实施例中，如图2所示，短路电流处理电路包括延时芯片U3和锁存器U4，延时芯片U3连接短路电流检测电路和锁存器U4，锁存器U4连接电源芯片模块、数字信号检测模块和主动熔断器的驱动模块。其中，延时芯片U3的接地引脚2接地，锁存器U4的接地引脚2接地，锁存器U4的电源引脚5连接电源端V5。

进一步地，短路电流处理电路还包括开关管Q1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R20、电阻R2电容C6和电容C7。其中，开关管Q1可以是MOS管或三极管。本实施例中，开关管Q1为三极管。

具体地，开关管Q1的控制端连接短路电流检测电路，具体连接短路电流检测电路中电压比较器U2的输出端1，开关管Q1的控制端还通过电阻R20连接电源端V5，开关管Q1的输入端通过电阻R21连接电源端V5，开关管Q1的输出端连接电阻R6的一端，并通过电阻R7接地，电阻R6的另一端连接延时芯片U3的输入引脚1，并通过电容C6接地；电阻R3的一端连接延时芯片U3的SET引脚3，电阻R3的另一端接地；电阻R4和电阻R5串联且公共端连接延时芯片的DIV引脚4，电阻R4的另一端连接延时芯片U3的V+引脚5，电阻R5的另一端接地；电容C7的一端连接延时芯片U3的V+引脚5，电容C7的另一端接地；电阻R9的一端连接延时芯片U3的输出引脚6，电阻R9的另一端连接锁存器U4的CP引脚1，并通过电阻R10接地。

在一个实施例中，短路电流处理电路还包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C8、二极管D1和二极管D2，电阻R11的一端连接锁存器U4的D引脚3，电阻R11的另一端连接电源端V5；电容C8的一端连接锁存器U4的电源引脚5，电容C8的另一端接地；锁存器U4的Q引脚4连接二极管D1的阳极、二极管D2的阳极以及电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接主动熔断器的驱动模块，并通过电阻R15接地；电阻R12的一端连接二极管D1的阴极，电阻R12的另一端连接数字信号检测模块，并通过电阻R13接地；电阻R16的一端连接二极管D2的阴极，电阻R16的另一端连接电源芯片模块，并通过电阻R17接地。

此外，在一个实施例中，短路电流处理电路还包括开关管Q2、电阻R18和电阻R19，开关管Q2的控制端连接上位机，并通过电阻R18接地，开关管Q2的输入端连接锁存器U4的使能引脚6，并通过电阻R19连接电源端V5，开关管Q2的输出端接地。其中，开关管Q2也可以是MOS管或三极管，本实施例中，开关管Q2为MOS管。进一步地，上位机可以是MCU(MicroControl Unit，微控制单元)。

具体地，电池包主动熔断器控制装置的方案整体设计为BMS检测到分流电流大于设定阈值置位硬件短路过流故障，BMS通过对短路过流故障处理实现直接驱动主动熔断器断开、休眠时短路唤醒BMS以及BMS故障上报功能。

如图1为电池包主动熔断器系统方案设计，高压主负靠近电池侧放置shunt电阻，shunt电阻左右侧通过线束连接到BMS中进行电流采集和短路过流故障判定。Shunt电阻需要依据电池包短路能力和BMS内置电流采样芯片电压采集范围进行选型：1)shunt本体耐受电流能力大于电池系统最大短路能力；2)系统最大短路电流短路时，shunt电阻左右侧压差不能超过BMS内置电流采样芯片规格。

主动熔断型熔断器放置在电池包主正靠近电池侧位置，熔断器高压侧连接在电池放电正回路上，低压侧驱动开关通过线束连接到BMS内置高低边驱动电路。主动熔断器耐受电流能力需要大于电池系统最大短路能力。

图2为BMS短路电流检测电路的结构原理图，短路电流检测电路包含电流采样芯片和电压比较器。硬件设计电流采样芯片和电压比较器芯片为常供电，目的是保证BMS休眠情况下可以进行电流检测和短路过流信号输出给后端电路。电流检测芯片通过shunt电阻左右侧压降，将电流信号线性输出为电压信号。输出的电压信号通过与设定比较器基准电压比较后进行短路过流信号Over Current Flag输出。图2中的电阻R1和电阻R2可根据电池包系统设定的短路能力换算电压后进行调节，实现电池系统过流信号可设定功能，从而可以匹配不同短路电流的高压电池系统。

图3为BMS短路电流处理电路的结构原理图，短路电流处理电路包含延时芯片和锁存器。硬件设计图3中三极管供电、延时芯片和锁存器供电为常供电，目的是保证休眠情况下可以进行短路过流信号处理。BMS在休眠或唤醒情况下检测到Over Current Flag后，输出给延时芯片进行故障延时确认，通过调节R3/R4/R5三个电阻比例，实现短路过流故障确认时间调整，从而匹配不同耐短路能力的高压电池系统。延时芯片确认故障置位后经过锁存器进行输出，输出信号分别为Pyrofuse Cut Off、Over Current Wakeup和OverCurrent。

其中，Pyrofuse Cut Off连接BMS硬件主动型熔断器驱动模块，检测到电池包短路过流后通过硬件行为驱动主动熔断器断开。整个过程单纯硬件层级处理无软件参与，可以实现从短路过流故障发生到主动熔断器断开在3ms以内。

Over Current Wakeup连接BMS电源芯片模块，当该电平信号置位高电平时，唤醒BMS开始工作。实现BMS休眠情况下电池包短路唤醒功能。

Over Current连接BMS数字信号检测模块，检测到高电平时，BMS软件记录电池包系统短路过流故障，进行DTC存储和后台告警。

另外，图3中MCU Control信号通过MOS管连接到锁存器，通过MCU控制可以实现硬件短路过流检测功能是否需要使能，用户可根据实际高压系统使用场景进行选择性开启或关断主动型熔断器短路过流检测功能。同时可以实现当发生故障后通过MCU控制清除锁存器原有信息，使系统开启下一次硬件过流故障检测循环。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，包括BMS和分流电阻，所述BMS包括常供电的短路电流检测电路和短路电流处理电路，所述分流电阻和主动熔断器串接于电池包的供电回路中，所述短路电流检测电路连接所述分流电阻和所述短路电流处理电路，所述短路电流处理电路连接所述主动熔断器；

2.根据权利要求1所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述BMS还包括电源芯片模块，所述短路电流处理电路还用于在接收到所述短路过流信号时唤醒所述电源芯片模块。

3.根据权利要求1所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述BMS还包括数字信号检测模块，所述短路电流处理电路还用于在接收到所述短路过流信号时控制所述数字信号检测模块进行过流故障记录。

4.根据权利要求1所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述短路电流检测电路包括电流采样芯片和电压比较器，所述电流采样芯片连接所述分流电阻和所述电压比较器，所述电压比较器连接所述短路电流处理电路。

5.根据权利要求4所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述短路电流检测电路还包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1和所述电阻R2串联且公共端连接所述电压比较器的同相输入端，所述电阻R1的另一端连接电源端，所述电阻R2的另一端接地，所述电压比较器的反相输入端连接所述电流采样芯片，所述电压比较器的输出端连接所述短路电流处理电路。

6.根据权利要求5所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述短路电流检测电路还包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电阻R4016，所述电容C1的一端连接电流采样芯片的VS引脚，所述电容C1的另一端接地；所述电容C2的一端连接电流采样芯片的REF引脚，所述电容C2的另一端接地；所述电阻R4016的一端连接电流采样芯片的输出引脚，所述电阻R4016的另一端连接所述电压比较器的反相输入端，并通过所述电容C3接地；所述电容C4的一端连接所述电压比较器的同相输入端，所述电容C4的另一端接地；所述电容C5的一端连接所述电压比较器的电源端，所述电容C5的另一端接地。

7.根据权利要求1所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述短路电流处理电路包括延时芯片和锁存器，所述延时芯片连接所述短路电流检测电路和所述锁存器，所述锁存器连接电源芯片模块、数字信号检测模块和主动熔断器的驱动模块。

8.根据权利要求7所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述短路电流处理电路还包括开关管Q1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R20、电阻R21、电容C6和电容C7；

9.根据权利要求8所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述短路电流处理电路还包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C8、二极管D1和二极管D2，所述电阻R11的一端连接锁存器的D引脚，所述电阻R11的另一端连接电源端；所述电容C8的一端连接锁存器的电源引脚，所述电容C8的另一端接地；锁存器的Q引脚连接二极管D1的阳极、二极管D2的阳极以及电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接主动熔断器的驱动模块，并通过所述电阻R15接地；所述电阻R12的一端连接所述二极管D1的阴极，所述电阻R12的另一端连接数字信号检测模块，并通过所述电阻R13接地；所述电阻R16的一端连接所述二极管D2的阴极，所述电阻R16的另一端连接电源芯片模块，并通过所述电阻R17接地。

10.根据权利要求9所述的电池包主动熔断器控制装置，其特征在于，所述短路电流处理电路还包括开关管Q2、电阻R18和电阻R19，所述开关管Q2的控制端连接上位机，并通过所述电阻R18接地，所述开关管Q2的输入端连接锁存器的使能引脚，并通过所述电阻R19连接电源端，所述开关管Q2的输出端接地。