CN115871462A - 一种电池系统的激励熔断保护方法及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池系统的激励熔断保护方法及车辆，属于车辆安全防护技术领域。通过电流检测模块获取电池系统与高压回路之间流通的电流，发送给控制模块，控制模块将该电流与第一设定值进行比较，若该电流大于第一设定值，持续进行检测，若该电流持续的时间超过设定的时间标准，则认为电池系统的实际工作情况超过电池系统的耐受能力，控制模块向执行模块发送分断指令。执行模块包括导电板，导电板串联在电池系统与高压回路之间，当接收到分断指令时，断开导电板，就可以断开电池系统与高压系统的通电，保护电池系统安全。控制模块还可将该电流与第二设定值进行比较，若该电流大于第二设定值，则发送分段指令给执行模块，实现分断。

Description

一种电池系统的激励熔断保护方法及车辆

技术领域

本发明涉及一种电池系统的激励熔断保护方法及车辆，属于车辆安全防护技术领域。

背景技术

随着新能源技术的不断发展，电池系统的安全性问题已成为行业内关注的焦点，电池系统的安全保护不仅依靠单体电池安全性能的提升，更注重电池系统级别的安全性能提升，不仅有主动保护，也有被动保护。依靠接触器的主动保护方式和熔断器的被动保护方式不能实现电池系统的全范围保护，尤其是商用车基于标准平台产品的考虑，电池系统采用多支路并联方式实现，使得电池系统的保护更加复杂，存在一定的保护盲区，无法实现电池系统有效保护。

传统熔断器的短路保护已不能满足电池系统的保护需求，存在的主要问题是如果匹配的热熔熔断器规格过大，在电池系统发生短路时不能快速对电池进行有效保护，导致电池包发生热失控；如果匹配的热熔熔断器规格过小，在车辆行驶过程中短时电流冲击和持续充放电过程超过熔断器耐受冲击能力，长期使用可靠性存在风险；并且热熔熔断器在额定电压条件下出现5倍额定电流以下过载电流不能安全分断的问题。

目前行业内电池系统大部分采用接触器和熔断器配合保护的方式实现，在大电流短路情况下，依靠热熔熔断器保护，在小电流情况下依靠异常信号检测，通过外部控制接触器断开异常回路，这种保护方式存在以下问题：一是接触器和熔断器的保护范围有限，熔断器需要满足车辆正常使用过程中的短时电流冲击和持续充放电过程中的温升需求，一般可实现的短路保护电流大于3000A；而接触器采用磁吹灭弧的方式，因体积和温度影响，分断电流一般小于2000A，因此对于电池系统保护而言存在保护盲区；二是在车辆出现碰撞等异常状态下，接触器的低压供电有可能失效，这种情况下，接触器失去控制，无法及时切断2000A以下异常电流的故障回路，存在安全失效风险；三是目前电池系统配备的电流检测用传感器主要以估算电池系统电量为主，无法对1000A以上的异常电流进行有效检测。

因此，现在的新能源车辆在电池系统发生故障时难以实现安全、有效的保护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池系统的激励熔断保护方法及车辆，用于解决电池系统发生过电流故障时难以安全分断的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电池系统的激励熔断保护方法，包括如下步骤：

1)控制模块通过电流检测模块获取通过高压回路的电流；所述电流检测模块串联在电池系统与高压回路之间；

2)若通过高压回路的电流大于第一设定值，且该电流持续的时间超过第一设定值对应的设定时间，则发送分断指令给执行模块；第一设定值对应的设定时间通过预先获得的充电电流与耐受时间的对应关系获得；

若通过高压回路的电流大于第二设定值，则发送分断指令给执行模块；

所述第一设定值小于第二设定值；

所述执行模块包括导电板，所述导电板串联在电池系统与高压回路之间；所述控制模块控制连接执行模块，当执行模块收到分断指令时，断开所述导电板。

通过电流检测模块获取电池系统与高压回路之间流通的电流，发送给控制模块，控制模块将第一设定值和设定时间作为衡量电池系统耐受能力的标准，控制模块将该电流与第一设定值进行比较，若该电流大于第一设定值，继续进行检测，若该电流持续的时间超过设定的时间标准，则认为电池系统的实际工作情况超过电池系统的耐受能力，控制模块向执行模块发送分断指令。执行模块包括导电板，导电板串联在电池系统与高压回路之间，当接收到分断指令时，断开导电板，就可以断开电池系统与高压系统的通电，保护电池系统安全。控制模块还将第二设定值作为衡量电池系统耐受能力的标准，控制模块将该电流与第二设定值进行比较，若该电流大于第二设定值，则发送分段指令给执行模块，断开导电板，从而实现分断。

进一步地，在上述方法中，还定期调整第一设定值、第二设定值；在调整时获取电池系统的实时温度，若实时温度大于预设温度，则增大第一设定值和第二设定值。

电池系统的耐受能力与电池系统的内阻有关，而电池系统的内阻与温度相关，当温度增加时，电池系统内阻降低，短路电流增加，电池系统的产热增加，导致电池系统的耐受能力变差，因此根据温度对第一、第二设定值进行调整，当温度大于预设的温度值时，将第一设定值和第二设定值增大，提高比较的标准，降低安全隐患。

进一步地，在上述方法中，调整第一设定值、第二设定值的方法为：根据预先测得电池系统的内阻随温度变化的关系，获取对应实时温度的实时内阻；还获取电池系统的标称内阻，根据实时内阻和标称内阻计算修定系数，根据修定系数调整第一设定值和第二设定值。

根据出厂时预先测得的电池系统的内阻随温度变化的关系，获取电池系统在当前温度下的内阻，与电池系统在出厂时的标称内阻进行比较，通过定量计算的方法来计算出修定系数，根据修定系数调整第一设定值和第二设定值，提高调整的可靠性。

进一步地，在上述方法中，将实时内阻与标称内阻的比值作为修定系数；

将原第一设定值与修定系数的比值作为新的第一设定值，将原第二设定值与修定系数的比值作为新的第二设定值。

采用一种较为简单的计算方法，将实时内阻与标称内阻的比值作为修定系数，节省计算量，减少控制模块的功耗。

进一步地，在上述方法中，所述标称内阻为电池系统在25℃，0％SOC下的内阻值。

进一步地，在上述方法中，根据预先测得的电池系统在不同耐受电流的耐受时间，获取对应新的第一设定值的耐受时间作为新的设定时间。

在不同的耐受电流下，电池系统能够坚持不同的耐受时间，当第一设定值调整后，对设定的时间也进行调整，提高对电池系统保护的可靠性。

进一步地，在上述方法中，控制模块还对执行模块的状态进行检测，若执行模块接收到分断指令后没有断开高压回路，向整车发送报警信息。

控制模块在给执行模块发送分断指令后，还对执行模块的状态进行检查，防止执行模块的导电板没有及时分断，导致整车故障继续存在从而引起的事故。

进一步地，在上述方法中，其特征在于，还包括供电电源，所述供电电源连接电流检测模块、控制模块、执行模块。

采用独立的供电电源为电流检测模块、控制模块、执行模块供电，确保低压供电失效情况下，电池系统出现异常故障时能够及时断开失效回路。

本发明还提供一种车辆，采用上述的电池系统的激励熔断保护方法。

附图说明

图1为本发明实施例中电池系统结构示意图；

图2为本发明实施例中整车电源的电气原理图；

图3为本发明实施例中电池系统激励熔断保护方法的流程图；

图4为本发明实施例中电池系统初始的耐受电流随时间变化的折线示意图；

图5为本发明实施例中修定系数随温度变化的折线示意图；

图6为本发明实施例中耐受电流随温度变化的折线示意图。

图中：1为激励保护单元，2为控制模块，3为电流检测模块，4为执行模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

方法实施例：

如图1所示，本实施例的一种电池系统的激励熔断保护方法采用激励保护单元实现过电流安全防护。具体的，电池系统包括整车电源和激励保护单元1，激励保护单元1设置在整车电源与负载连接的高压回路上，以实现对电池系统的过电流保护。整车电源如图2所示，由多个单电池串联组成电池模组，多个电池模组并联后与高压回路串联，在每个电池模组与主电路连接的线路上设置有熔断器(Fuse)，当整车电源输出或输入的电流超过规定值时，熔断器的保险丝会被熔断，从而使电路断开，可以有效的保护电路，激励保护单元1可以替换熔断器(Fuse)，或与熔断器(Fuse)串联组成更可靠的电池系统和整车保护电路。在高压电路上设置有手动维护开关(MSD)，用于车辆维护人员在检修车辆时，快速断开电池系统与负载之间的高压连接，减少安全事故的发生。

本实施例中，激励保护单元1包括控制模块2、电流检测模块3和执行模块4。其中，电流检测模块3设置在整车电源与负载连接的高压回路上，用于检测电池系统中出现的所有故障电流，通常采用霍尔电流传感器或高精度电阻等，一般检测范围为-8000A～8000A，可根据实际使用需求调整电流检测模块3的电流检测范围，优先采用检测范围为-3000A～3000A以内的电流检测装置。当电流检测模块3的检测范围为-3000A～3000A时，可以实现短路电流在3000A以下的电路保护，此时在电路中仍然设置熔断器，实现短路电流在3000A以上的电路保护；若电流检测模块3的检测范围大于-3000A～3000A，则可以不设置熔断器，只通过激励保护单元1来保护电路。电流检测模块3与控制模块2连接，将检测到的故障电流信息发送给控制模块2。

执行模块4是用于分断高压电路的开关器件，设置在高压回路上，与整车电源串联，还与控制模块2连接，用于接收控制模块2发送的分断指令，对高压回路进行分断，确保在电池系统出现异常电流时能够最大限度保护电池。例如，执行模块4可采用公告号为CN212257338U中所述的一种集成灭弧熔体的激励熔断器，当控制模块2向执行模块4发送分断指令时，该激励熔断器的点火爆炸装置激活，推动活塞作用于导电板，使导电板断开，从而实现故障电流的分断。作为其他实施方式，执行模块4也可以是一种利用较大的输入电流进行主动熔断的保险丝，通过对该保险丝的两端施加驱动电压，使其熔断。

本实施例中，控制模块2为独立设置的控制器，作为其他实施方式，控制模块可直接采用整车控制器或者电池管理系统。

在车辆出现碰撞等异常状态时，电池系统中接触器的低压供电可能失效，此时，接触器失去控制，无法及时切断电流异常的供电回路，存在安全隐患。因此，采用独立的供电电源为激励保护单元1供电，在外部的接触器无法及时切断故障电路时，仍可确保电池系统出现电流故障时能及时断开失效回路，确保电池系统和车辆的安全。

本实施例中，供电电源具有备电功能，在外部供电异常情况下，能够持续为激励保护单元1提供10min以上的备用供电，确保低压供电失效情况下，电池系统出现异常故障时能够及时断开失效回路。

控制模块2接收电流检测模块3发送的电流信息进行分级判断处理，输出不同的判断结果给执行模块4，从而实现电池系统的激励熔断保护方法。根据故障级别的不同，执行模块4的动作时间不同。激励熔断保护方法的流程如图3所示，包括如下步骤：

1)供电电源为激励保护单元供电，激励保护单元自检，若检测到控制模块或电流检测模块或执行模块存在故障，则通过CAN通信网络向整车发送故障信息进行告警；若检测不到故障，则进行步骤2)。

2)电流检测模块实时检测通过高压回路的电流，包括充电时输入电池系统的输入电流和行车时电池系统的输出电流，并发送输入/输出电流信息给控制模块，由控制模块接收输入/输出电流信息与预设置的耐受电流标准进行比较来完成故障分级判断。

如图4所示，电池系统在不同状态下的耐受电流不同，且能够持续该耐受电流的耐受时间不同。图中所示的系统失效曲线表明，通过电池系统的电流越大，电池系统的耐受时间越短。若检测到电池系统在一定输入/输出电流下的持续时间超过系统失效曲线对应的失效时间标准，则表明电池系统失效风险较大。因此选择一组小于失效时间标准的不同电流下的耐受时间作为安全时间，拟合出系统安全曲线，表明只要电池系统在某一输入/输出电流下的耐受时间小于安全时间，电池系统就不会存在危险。因此，在不同的电流段设置不同的耐受电流和相应的耐受时间标准。

当输入/输出电流大于第一设定阈值，则认为电池系统发生过载一级故障，考虑到电池系统可以在该输入/输出电流下还能继续工作一段时间，因此间隔设定时间后再次进行检测，若输入输出电流仍大于第一设定阈值，再次间隔设定时间t检测电池系统的输入/输出电流，直到输入/输出电流超过第一设定阈值的时间达到设定时间标准T时，控制模块通过CAN通信向整车发送故障信息进行告警，同时控制模块发送分断指令驱动执行模块断开高压回路，控制模块还自动记录故障电流、故障电流持续时间和故障发生时间，用于故障信息统计分析。本实施例中，设定时间标准T不大于电池系统过载一级故障的耐受时间。

若实时检测到的输入/输出电流小于第一设定阈值，或者输入/输出电流超过第一设定阈值的时间小于T，则认为电池系统无故障，激励保护单元进行下一轮判断。

充电时段，过载一级故障对应图4中的充电保护曲线；行车时段，过载一级故障对应图4中的行车保护曲线。具体的，若在充电时段检测到电池系统的输入电流大于充电保护曲线对应的第一个耐受电流标准，而且持续该输入电流的时间超过了电池系统在能承受该耐受电流的耐受时间标准，表明电池系统在充电时段的充电电流超过了电池系统的承受能力，需要及时切断充电高压回路，此时控制器发送分断指令控制执行模块分断充电高压回路；若检测到输入电流大于充电保护曲线对应的第二个耐受电流标准，而且持续该输入电流的时间超过了电池系统能承受第二个耐受电流的耐受时间标准，表明电池系统在充电时段的充电电流超过了电池系统的承受能力，需要及时切断充电高压回路，此时控制器发送分断指令控制执行模块分断充电高压回路。

同理，若在行车时段检测到电池系统的输出电流大于行车保护曲线对应的第一个耐受电流标准，而且持续该输出电流的时间超过了电池系统在该耐受电流下能承受的耐受时间标准，表明电池系统在行车时段的放电电流超过了电池系统的承受能力，需要及时切断放电高压回路；若检测到输出电流大于行车保护曲线对应的第二个耐受电流标准，而且持续该输出电流的时间超过了电池系统在第二个耐受电流下能承受的耐受时间标准，表明电池系统在放电时段的放电电流超过了电池系统的承受能力，需要及时切断放电高压回路。

当控制模块检测到的输入/输出电流超过第二设定阈值，则认为电池系统发生过载二级故障，此时，控制模块直接向整车发送故障信息进行告警，同时控制模块发送分断指令驱动执行模块断开电池系统高压回路，控制模块还自动记录故障电流、故障电流持续时间和故障发生时间，用于故障信息统计分析。

过载二级故障对应图4中的系统安全曲线，指输入/输出电流超出电池系统安全范围，电池系统失效的风险很大。因此，发生过载二级故障需要立即执行激励熔断，分断高压回路。

控制模块实时监测执行模块的工作状态，若执行模块出现故障，无法及时分断高压电路，则向整车发送分断异常。

3)由于电池系统在充放电过程中温度会升高，导致电池系统的电阻会逐渐增大，在电池系统端电压不变的情况下，电池的耐受能力减弱。因此根据电池系统在不同温度下内阻的变化规律，确定电池系统的内阻-温度衰减模型，然后结合电池系统的电压，根据欧姆定律预判电池系统的耐受电流值。

本实施例中，在电池系统内整车电源的电源极柱、连接器端子、连接母排、接触器等部位选择合适的温度采样点，在温度采样点设置温度传感器，检测电池系统的温度。电池管理系统根据激励保护单元中的电流检测模块监测的电流值和各温度点的采样数据进行综合分析，定期通过温度-电流数学模型计算电池系统过电流保护的修定系数，根据修定系数判断电池系统耐受能力的变化趋势，再经过两次电池管理系统的综合分析验证和后台确认，确定最终的修定系数，发送给激励保护单元中的控制模块进行调整。

如图5所示，横坐标为电池系统的温度，当电池系统在不同的温度下，内阻不同，根据出厂前在实验室测得的内阻随时间变化的关系，得到电池系统在当前温度下的内阻R，纵坐标为电池内阻R与电池标称内阻R0的比值。电池标称内阻为电池系统在25℃下，SOC为0％时的内阻。将电池内阻R与电池标称内阻R0的比值作为修定系数，对图4中的耐受电流-耐受时间曲线进行修定时，耐受电流应当发生如图6所示的变化。

例如，在T℃时，电池系统的内阻为R1，则修定系数K＝R1/R0，表明电池系统在T℃时的内阻变化为原来的K倍，在电池系统端电压不变的情况下，其耐受电流应该变为原来的1/K，从而得到新的第一设定阈值和第二设定阈值，根据图4所示的耐受电流-耐受时间变化曲线进行修定时，由于对应的电池系统的失效电流和安全电流均变为原来的1/K，第一设定阈值和第二设定阈值也变为原来的1/K，也就能够得到新的耐受时间。根据耐受电流-耐受时间曲线制定新的过载一级故障标准和过载二级故障标准，可以实现在电池系统使用过程中，随着使用时间和温度导致耐受能力变化时，能够及时调整激励熔断保护方法，从而增强电池系统过电流保护的能力。

车辆实施例：

本实施例的车辆采用方法实施例中电池系统的激励熔断保护方法，关于方法实现的步骤在方法实施例中介绍的清楚明白，此处不再赘述。

Claims (9)

1.一种电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)控制模块通过电流检测模块获取通过高压回路的电流；所述电流检测模块串联在电池系统与高压回路之间；

2)若通过高压回路的电流大于第一设定值，且该电流持续的时间超过第一设定值对应的设定时间，则发送分断指令给执行模块；第一设定值对应的设定时间通过预先获得的充电电流与耐受时间的对应关系获得；

若通过高压回路的电流大于第二设定值，则发送分断指令给执行模块；

所述第一设定值小于第二设定值；

所述执行模块包括导电板，所述导电板串联在电池系统与高压回路之间；所述控制模块控制连接执行模块，当执行模块收到分断指令时，断开所述导电板。

2.根据权利要求1所述的电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，还定期调整第一设定值、第二设定值；在调整时获取电池系统的实时温度，若实时温度大于预设温度，则增大第一设定值和第二设定值。

3.根据权利要求2所述的电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，调整第一设定值、第二设定值的方法为：根据预先测得电池系统的内阻随温度变化的关系，获取对应实时温度的实时内阻；还获取电池系统的标称内阻，根据实时内阻和标称内阻计算修定系数，根据修定系数调整第一设定值和第二设定值。

4.根据权利要求3所述的电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，将实时内阻与标称内阻的比值作为修定系数；

将原第一设定值与修定系数的比值作为新的第一设定值，将原第二设定值与修定系数的比值作为新的第二设定值。

5.根据权利要求4所述的电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，所述标称内阻为电池系统在25℃，0％SOC下的内阻值。

6.根据权利要求1所述的电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，根据预先测得的电池系统在不同耐受电流的耐受时间，获取对应新的第一设定值的耐受时间作为新的设定时间。

7.根据权利要求1所述的电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，控制模块还对执行模块的状态进行检测，若执行模块接收到分断指令后没有断开高压回路，向整车发送报警信息。

8.根据权利要求1所述的电池系统的激励熔断保护方法，其特征在于，还包括供电电源，所述供电电源连接电流检测模块、控制模块、执行模块。

9.一种车辆，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的电池系统的激励熔断保护方法。

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