CN106985672B - 一种电动汽车电池包断电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电动汽车电池包系统领域，公开了一种电动汽车电池包断电系统。包括电池包电路结合器、继电器驱动控制电路和状态检测电路；电池包电路结合器包括电池包正负回路和电池包预充电回路，电池包正负回路和电池包预充电回路中串联有继电器；继电器驱动控制电路与电池包电路结合器电连接，控制电池包电路结合器中继电器通断；状态检测电路与电池包电路结合器电连接，检测电池包电路结合器与电动汽车控制器、串联电池组和充电桩的连接点电位；继电器驱动控制电路和状态检测电路分别与电池管理系统连接。本发明管理电池包电路，检测电路的工作状态和串联电池组的状态，实现了高低压信号的隔离，减少触电危险和器件损坏，避免电池充电时烧坏电路。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车电池包系统领域，尤其是涉及一种电动汽车电池包断电系统。
背景技术
电动汽车是当前研究的热点，其核心技术之一是电池管理系统，而电池管理系统中重要的一环是对高压断电单元进行有效的控制；满足正常充电、放电和相应保护的需要。现有技术中，由于缺少具体的标准，对高压控制和保护部分的应用电路结构不够完善，缺少能够对串联电池组外围连接电路的统一检测和管理的系统。现有的系统中无法做到高压电信号和低压电信号的隔离，容易造成硬件损坏和检测误差。
发明内容
本发明针对现有技术中缺少对电池包电路缺乏统一管理系统的缺点，提供了一种电动汽车电池包断电系统。
本发明提供了一种电池包断电系统的功能模块和电路结构，利用了继电器控制串联电池组外围电路的通断。同时根据电路结构提供了预充电控制策略、外围电路检测检测方式、电池包熔断器安装以及电池包维修开关的安装检测方式，满足了对高压部分全面的控制和检测需求。同时利用了光耦、三极管和二极管等电子元件的配合使用，达到了高低压隔离和继电器控制的目的。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种电动汽车电池包断电系统，分别与电动汽车内部的电池管理系统、电动汽车控制器、串联电池组和电动汽车外部的充电桩连接；包括电池包电路结合器、继电器驱动控制电路和状态检测电路；电池包电路结合器包括电池包正负回路和电池包预充电回路，电池包正负回路和电池包预充电回路中串联有继电器；继电器驱动控制电路与电池包电路结合器电连接，控制电池包电路结合器中继电器通断；状态检测电路与电池包电路结合器电连接，检测电池包电路结合器与电动汽车控制器、串联电池组和充电桩的连接点电位；继电器驱动控制电路和状态检测电路分别与电池管理系统连接；电池包电路结合器包括第一端子DZ1至第十端子DZ10、第一继电器KM1、第二继电器KM2、第三继电器KM3、第一接口组TE1、第二接口组TE2和第三接口组TE3；其中，第一端子DZ1和第十端子DZ10连接到串联电池组正负极，第四端子DZ4和第六端子DZ6连接到电动汽车控制器正负极，第八端子DZ8和第九端子DZ9连接到充电桩正负极；第七端子DZ7和第六端子DZ6连接，第一端子DZ1和第二端子DZ2之间串联有电流传感器，第二端子DZ2和第三端子DZ3在电池包电路结合器外部连接；第四端子DZ4、第五端子DZ5和第八端子DZ8连接到第一继电器KM1一端，第一继电器KM1另一端与第三端子DZ3连接，第二继电器KM2串联电阻后与第一继电器KM1并联；第六端子DZ6、第七端子DZ7和第九端子DZ9与第三继电器KM3一端连接，第三继电器KM3另一端与第十端子DZ10连接；第一接口组TE1与电流传感器连接，第二接口组TE2分别与第一端子DZ1至第十端子DZ10连接，第三接口组TE3分别与第一继电器KM1、第二继电器KM2和第三继电器KM3的线圈连接，电流传感器与电池管理系统连接。
通过继电器控制电视正负回路和预充电回路的通断，能够实现由低压信号控制高压回路的功能，结构简单，控制过程简便，使用更加安全。通过电池管理系统能够实现远程控制电路通断，从而控制串联电池组状态。通过状态检测电路能够实时监测系统的运行状态，及时对故障进行排查，提高电动汽车的安全性。电池包电路结合器通过端子与电动汽车内其他系统和器件连接。TE1与电流传感器连接，为电流传感器提供电源和参考电压，TE2为高压各点状态检测接口，分别检测各个端子的电位情况，TE3为各直流继电器的驱动接口，分别连接至各个继电器的线圈。
作为优选，还包括第一维修开关JK1和第二维修开关JK2，第一维修开关JK1和第二维修开关JK2串联在串联电池组中的两个三等分点处，设两个三等分点分别为串联电池组的第一检测点JC1和第二检测点JC2。
电动汽车使用的串联电池组总电压能够达到300伏以上，为了避免检修时触电危险，本发明将串联电池组按照数量进行三等分，在三等分点上串联检修开关，在检修时可以进行分段检修，每段电池组的最大电压可以减小到120伏左右，极大的提高了安全性。
作为优选，电池包电路结合器还包括第一熔断器FU1和第二熔断器FU2，第一熔断器FU1串联在第四端子DZ4和第一继电器KM1之间，第二熔断器FU2串联在第五端子DZ5和第一继电器KM1之间。
本系统在预充电回路中串联有熔断器，熔断器能够在电压超过安全范围时及时断开电路，避免危险。FU1作为主熔断器，额定电流大约为350安，FU2作为备用熔断器，额定电流大约为500安，满足备用需求。
作为优选，继电器驱动控制电路包括第一光耦U1、第二光耦U2、第三光耦U3、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3；第一光耦U1、第二光耦U2和第三光耦U3接收电池管理系统的电平信号，第一光耦U1输出端与第一三极管Q1的基极连接，第二光耦U2输出端与第二三极管Q2的基极连接，第三光耦U3输出端与第三三极管Q3的基极连接；第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的发射极和第三三极管Q3的发射极皆与电池包电路结合器连接；第一三极管Q1发射极串联第一二极管D1后与电池包电路结合器连接，第二三极管Q2发射极串联第二二极管D2后与电池包电路结合器连接，第三三极管Q3发射极串联第三三极管D3后与电池包电路结合器连接。
继电器驱动控制电路接收来自电池管理系统的信号，对信号进行高低压转换后输出至电池包电路结合器，控制器中的继电器通断，如此便实现了高低压信号的隔离和直流继电器的控制。二极管D1、D2和D3为续流保护二极管，给各个直流继电器断电瞬间提供放电回路，避免损坏三极管和光耦。
作为优选，状态检测电路包括第四光耦U4至第十一光耦U11，每个光耦的输出端串联电阻后与电池管理系统连接，第四光耦U4至第七光耦U7、第十光耦U10和第十一光耦U11的输入端串联电阻后与电池包电路结合器连接，第八光耦U8和第九光耦U9串联电阻后与串联电池组第一检测点JC1、第二检测点JC2连接。
状态检测电路以串联电池组负极作为参考点，光耦进行光电隔离和电平转换，一侧输入各点状态检测端子，另一侧连接至电池管理系统。电池管理系统能够通过该电路判断继电器工作状态，熔断器是否熔断和串联电池组的状态。
作为优选，第一继电器KM1、第二继电器KM2和第三继电器KM3为常开型直流继电器。
在电动汽车不工作时需要电路断开，考虑到只有在进行某些功能时才需要电路连通，使用常开型继电器能够有效延长系统工作寿命，使用过程更加安全。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：统一管理电池包电路，检测电池包电路的工作状态和串联电池组的状态，能够进行安全断电。实现了高低压信号的隔离，减少触电危险和器件损坏，避免电池充电时烧坏电路。
附图说明
图1为本发明结构和连接关系示意图
图2为本发明电池包电路结合器结构示意图；
图3为本发明高压预充电等效电路图；
图4为本发明高压预充电控制策略流程图；
图5为本发明串联电池组维修开关和检修点示意图；
图6为本发明继电器驱动控制电路结构示意图；
图7为本发明状态检测电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，一种电动汽车电池包断电系统，分别与电动汽车内部的电池管理系统、电动汽车控制器、串联电池组和电动汽车外部的充电桩连接；包括电池包电路结合器、继电器驱动控制电路和状态检测电路；电池包电路结合器包括电池包正负回路和电池包预充电回路，电池包正负回路和电池包预充电回路中串联有继电器；继电器驱动控制电路与电池包电路结合器电连接，控制电池包电路结合器中继电器通断；状态检测电路与电池包电路结合器电连接，检测电池包电路结合器与电动汽车控制器、串联电池组和充电桩的连接点电位；继电器驱动控制电路和状态检测电路分别与电池管理系统连接。
如图2所示，图中以英文简写BT表示串联电池组，电池包电路结合器包括第一端子DZ1至第十端子DZ10、第一继电器KM1、第二继电器KM2、第三继电器KM3、第一接口组TE1、第二接口组TE2和第三接口组TE3；其中，第一端子DZ1和第十端子DZ10连接到串联电池组正负极，第四端子DZ4和第六端子DZ6连接到电动汽车控制器正负极，第八端子DZ8和第九端子DZ9连接到充电桩正负极；第七端子DZ7和第六端子DZ6连接，第一端子DZ1和第二端子DZ2之间串联有电流传感器，第二端子DZ2和第三端子DZ3在电池包电路结合器外部连接；第四端子DZ4、第五端子DZ5和第八端子DZ8连接到第一继电器KM1一端，第一继电器KM1另一端与第三端子DZ3连接，第二继电器KM2串联电阻后与第一继电器KM1并联；第六端子DZ6、第七端子DZ7和第九端子DZ9与第三继电器KM3一端连接，第三继电器KM3另一端与第十端子DZ10连接；第一接口组TE1与电流传感器连接，第二接口组TE2分别与第一端子DZ1至第十端子DZ10连接，第三接口组TE3分别与第一继电器KM1、第二继电器KM2和第三继电器KM3的线圈连接，电流传感器与电池管理系统连接。
电池包电路结合器还包括第一熔断器FU1和第二熔断器FU2，第一熔断器FU1串联在第四端子DZ4和第一继电器KM1之间，第二熔断器FU2串联在第五端子DZ5和第一继电器KM1之间。
电流传感器型号为HSTS016L，其通过霍尔感应原理制成，其与接口TE1相连接，由VCC1、GND提供5V电源，Vref为参考电压点，Vo为输出，其与电池管理系统相连接，电池管理系统可以直接得到其测量值。
TE2为为各点状态检测接口，分别检测各个端子的电位情况。TE3为各直流继电器的驱动接口，其分别连接至各个继电器的线圈。FU1额定电流为350A，FU2额定电流为500A，满足备用需求。
如图3所示，用BT代表串联电池组，设其额定电压为360V。KM1、KM2、KM3为串联电池组正负回路和预充电回路的直流继电器，R为预充电电阻，电机控制器等效为一个大电容CM和一个电阻RM并联。
若不接入预充电回路，直流继电器KM1和KM3直接闭合，等效电容CM近似短路，电路中电阻仅是导线及直流继电器触点接触电阻，此电阻非常小，为毫欧级别，则此时瞬间电流可达几千甚至上万安培,远远超过继电器最大容量，继电器触点很容易就烧蚀，对导线和熔断器也将带来巨大的影响。
若采用预充电方法，则是先将直流继电器KM2和KM3闭合，此时瞬间电流为总电压除以预充电电阻，约为几个安培，对直流继电器无影响，当完成预充电后，闭合直流继电器KM1，断开直流继电器KM2。
如图4所示，图中用英文简写BMS代表电池管理系统，首先由电池管理系统获取当前串联电池组电池的总电压U和电流I，然后采集电动汽车控制器的电压Uo，和总电压U进行比较，当控制器电压Uo电压值达到电池总电压的90％时，认定预充电过程完成，并输出预充电完成信号。
如图5所示，图中以英文简写BT表示串联电池组，一般情况下，串联电池组是多个电池模组串联连接的。其总电压高达300V以上，在紧急情况和电池包维修时，此高压非常危险，因而在电池串联电路中设置维修开关是十分必要的。将电池组按电池数量均等分为3个电池串，给其中连接处分别设置两个维修开关JK1、JK2。若需要进行维修时，将两个维修开关拔除，则电池包中最大的电压都在120V以下，在一定程度上确保了维修人员的安全。检测点JC1、JC2作为维修开关状态检测端口，其与电池管理系统连接。
如图6所示，继电器驱动控制电路包括第一光耦U1、第二光耦U2、第三光耦U3、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3；第一光耦U1、第二光耦U2和第三光耦U3接收电池管理系统的电平信号，第一光耦U1输出端与第一三极管Q1的基极连接，第二光耦U2输出端与第二三极管Q2的基极连接，第三光耦U3输出端与第三三极管Q3的基极连接；第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的发射极和第三三极管Q3的发射极皆与电池包电路结合器连接；第一三极管Q1发射极串联第一二极管D1后与电池包电路结合器连接，第二三极管Q2发射极串联第二二极管D2后与电池包电路结合器连接，第三三极管Q3发射极串联第三三极管D3后与电池包电路结合器连接。
继电器驱动控制电路接收来自电池管理系统的信号，对信号进行高低压转换后输出至电池包电路结合器，控制器中的继电器通断，如此便实现了高低压信号的隔离和直流继电器的控制。二极管D1、D2和D3为续流保护二极管，给各个直流继电器断电瞬间提供放电回路，避免损坏三极管和光耦。
PB0、PB1、PB2连接至电池管理系统控制端口，以控制第一继电器KM1为例，叙述其控制原理如下：当PB0输出为高电平时，第一光耦U1输入电流为零，光耦关断，其输出不导通，第一三极管Q1截止，第一继电器KM1的线圈两端无电压，KM1主触点断开；当PB0输出为低电平时，第一光耦U1导通，其输出高电平，使得第一三极管Q1导通，线圈两端之间通过三极管接入了电源VCC2，KM1动作，主触点闭合。如此便实现了高低压信号的隔离和直流继电器的驱动控制。
如图7所示，以串联电池组负极为参考点。U4-U11为光耦，进行光电隔离和电平转换，左侧输入S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、JC1、JC2分别连接电池包电路结合器端子和串联电池组检修开关检测点。右侧输出PA0-PA7连接至电池管理系统。
S1为第一继电器KM1左端触点电位检测点，若S1与串联电池组正极接通，则其电位约为350V，通过100K的电阻R7进行限流，第四光耦U4导通，则PA0输出高电平；若S1未能与串联电池组正极接通，则第四光耦U4关断，PA0输出低电平。如此可以判断S1端是否连接至串联电池组正极。
S2为第一继电器KM1右端触点电位检测点，设S1已与串联电池组正极接通，若第一继电器KM1正常吸合，则S2端的电位约为350V，通过100K的电阻R8进行限流，第五光耦U5导通，PA1输出高电平；若第一继电器KM1未能正常吸合，则第五光耦光耦U5关断，PA1输出低电平。如此可以判断第一继电器KM1是否正常工作。
S3为第一熔断器FU1右端电位检测点，设S1与串联电池组正极接通，第一继电器KM1已经闭合，若第一熔断器FU1正常，则S3端的电位约为350V，通过100K的电阻R9进行限流，第六光耦U6导通，PA2输出高电平；若第一熔断器FU1熔断，则第六光耦U6关断，PA2输出低电平。如此可以判断第一熔断器FU1是否熔断。
S4为第二熔断器FU2右端电位检测点，设S1与串联电池组正极接通，第一继电器KM1已经闭合，若第二熔断器FU2正常，则S4端的电位约为350V，通过100K的电阻R10进行限流，第七光耦U7导通，PA3输出高电平；若第二熔断器FU2熔断，则第七光耦U7关断，PA3输出低电平。如此可以判断第二熔断器FU2是否熔断。
JC1为第一维修开关JK1左侧电位检测点，设第二维修开关JK2闭合，若第一维修开关JK1闭合，则JC1端的电位约为240V，通过30K的电阻R11进行限流，第八光耦U8导通，PA4输出高电平；若JK1断开，则JC1端的电位为0，第八光耦U8关断，PA4输出低电平。如此可以判断第一维修开关JK1是否闭合。
JC2为第二维修开关JK2左侧电位检测点，若第二维修开关JK2闭合，则JC2端的电位约为120V，通过68K的电阻R12进行限流，第九光耦U9导通，PA5输出高电平；若JK2断开，则JC2端的电位为0，第九光耦U9关断，PA5输出低电平。如此可以判断第二维修开关JK2是否闭合。
S5为第三继电器KM3左端触点电位检测点，若S5与串联电池组负极接通，则S5电位为0，通过1K的电阻R13进行限流，第十光耦U10正极输入端接入5V的电源VCC1，第十光耦U10能够导通，则PA6输出高电平；若S5未能与串联电池组负极接通，则第十光耦U10关断，PA6输出低电平。如此可以判断S5端是否连接至串联电池组负极。
S6为第三继电器KM3右端触点电位检测点，设S5与串联电池组负极接通，若第三继电器KM3正常吸合，则S6电位为0，通过1K的电阻R14进行限流，第十一光耦U11正极输入端接入5V的电源VCC1，第十一光耦U11能够导通，则PA7输出高电平；若第三继电器KM3未能正常吸合，则第十一光耦U11关断，PA7输出低电平。如此可以判断第三继电器KM3是否正常工作。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种电动汽车电池包断电系统，分别与电动汽车内部的电池管理系统、电动汽车控制器、串联电池组和电动汽车外部的充电桩连接；其特征在于:包括电池包电路结合器、继电器驱动控制电路和状态检测电路；电池包电路结合器包括电池包正负回路和电池包预充电回路，电池包正负回路和电池包预充电回路中串联有继电器；继电器驱动控制电路与电池包电路结合器电连接，控制电池包电路结合器中继电器通断；状态检测电路与电池包电路结合器电连接，检测电池包电路结合器与电动汽车控制器、串联电池组和充电桩的连接点电位；继电器驱动控制电路和状态检测电路分别与电池管理系统连接；电池包电路结合器包括第一端子DZ1至第十端子DZ10、第一继电器KM1、第二继电器KM2、第三继电器KM3、第一接口组TE1、第二接口组TE2和第三接口组TE3；其中，第一端子DZ1和第十端子DZ10连接到串联电池组正负极，第四端子DZ4和第六端子DZ6连接到电动汽车控制器正负极，第八端子DZ8和第九端子DZ9连接到充电桩正负极；第七端子DZ7和第六端子DZ6连接，第一端子DZ1和第二端子DZ2之间串联有电流传感器，第二端子DZ2和第三端子DZ3在电池包电路结合器外部连接；第四端子DZ4、第五端子DZ5和第八端子DZ8连接到第一继电器KM1一端，第一继电器KM1另一端与第三端子DZ3连接，第二继电器KM2串联电阻后与第一继电器KM1并联；第六端子DZ6、第七端子DZ7和第九端子DZ9与第三继电器KM3一端连接，第三继电器KM3另一端与第十端子DZ10连接；第一接口组TE1与电流传感器连接，第二接口组TE2分别与第一端子DZ1至第十端子DZ10连接，第三接口组TE3分别与第一继电器KM1、第二继电器KM2和第三继电器KM3的线圈连接，电流传感器与电池管理系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池包断电系统，其特征在于:还包括第一维修开关JK1和第二维修开关JK2，第一维修开关JK1和第二维修开关JK2串联在串联电池组中的两个三等分点处，设两个三等分点分别为串联电池组的第一检测点JC1和第二检测点JC2。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池包断电系统，其特征在于:电池包电路结合器还包括第一熔断器FU1和第二熔断器FU2，第一熔断器FU1串联在第四端子DZ4和第一继电器KM1之间，第二熔断器FU2串联在第五端子DZ5和第一继电器KM1之间。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池包断电系统，其特征在于:继电器驱动控制电路包括第一光耦U1、第二光耦U2、第三光耦U3、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3；第一光耦U1、第二光耦U2和第三光耦U3接收电池管理系统的电平信号，第一光耦U1输出端与第一三极管Q1的基极连接，第二光耦U2输出端与第二三极管Q2的基极连接，第三光耦U3输出端与第三三极管Q3的基极连接；第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的发射极和第三三极管Q3的发射极皆与电池包电路结合器连接；第一三极管Q1发射极串联第一二极管D1后与电池包电路结合器连接，第二三极管Q2发射极串联第二二极管D2后与电池包电路结合器连接，第三三极管Q3发射极串联第三三极管D3后与电池包电路结合器连接。
5.根据权利要求2所述的一种电动汽车电池包断电系统，其特征在于:状态检测电路包括第四光耦U4至第十一光耦U11，每个光耦的输出端串联电阻后与电池管理系统连接，第四光耦U4至第七光耦U7、第十光耦U10和第十一光耦U11的输入端串联电阻后与电池包电路结合器连接，第八光耦U8和第九光耦U9串联电阻后与串联电池组第一检测点JC1、第二检测点JC2连接。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池包断电系统，其特征在于:第一继电器KM1、第二继电器KM2和第三继电器KM3为常开型直流继电器。
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