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用于电弧检测、故障隔离和电池系统重构的设备和方法

文献发布时间:2023-06-19 18:35:48


用于电弧检测、故障隔离和电池系统重构的设备和方法

技术领域

本公开总体上涉及用于管理模块化电池系统的设备和方法,并且具体地涉及用于管理向推进器电机控制器供应高压直流(HVDC)电力的故障电池组的设备和方法。

背景技术

当交流(AC)电机用于推进飞机时,由DC电源供应的电能被转换为AC电力。例如,DC电源可以包括串联连接的电池模块的多个相互并联的串。在一个实施方式中,电池连接至HVDC总线,该HVDC总线进而连接至电机控制器,该电机控制器将DC电力转换为AC电力以供AC电机使用。如本文所使用的,在直流的上下文中,术语“高电压”是指高于540V

在一些飞机全电力或混合动力电力推进方案中,高容量高电压(例如,600/1000/2000V

飞机电池组可以具有多个串并联布置的架构,以确保在固定的操作水平下足够的功率流入负载。每个电池串包括串联连接的电池模块。串中的每个电池模块是单个单元的并联/串联布置。例如,电池模块可以包括多行单元(每行单元在此被称为“虚拟单元(virtual cell)”),每行包括跨一对阳极和阴极集电器并联连接的多个单元(在下文中被称为“单元汇流排”)。虚拟单元串联连接以形成电池模块。电池模块内的并联单元可以与保护每个单独的单元免受单元故障的相应熔丝连接环(fusible links)连接。

每个电池模块包括基本保护以确保安全的独立运行。在单个单元短路故障的情况下,与故障单元串联的熔丝连接环将经受所有并联单元的电流且由于过电流而断开。故障单元将被隔离并且电池模块将保持以降低的能力运行。由于跨单个熔丝连接环的低电压没有电弧。然而,在电池模块外部短路的情况下,一个虚拟单元的组合(例如,所有)熔丝连接环将由于过电流而断开并隔离电池模块。因此,电池模块将是开路的并且是不运行的。在没有解决方案的情况下,包括不正常的电池模块的电池串也变得不运行。

当熔丝连接环响应于跨一个或多个电池模块的外部短路而熔断时,需要在断开虚拟单元之后管理电池组的电池模块。如果电池模块的正极引线与负极引线之间由于跨电池模块的电阻的显著降低随后非常高的短路电流而发生短路,则熔丝连接环充当熔丝。在一些情况下,电弧(electric arc)可以跨熔断的熔丝连接环发生。电弧(arc)是在相反极性的两个电极之间的等离子体柱,当超过大气的介电强度时建立。当并联的单元块(虚拟单元)串联连接以产生所需电压并且电弧跨熔断的熔丝连接环燃烧时,电池组的电压可能足以维持电弧并且造成损坏。问题在于,熔丝连接环(或功能上类似的装置,称为电流中断装置或正热系数装置)充当初级源以缓解流入短路单元的过多电流,但如果高压电池模块外部发生短路,则也起到负作用。

发明内容

以下详细公开的主题涉及用于在电池组中的一个或多个电池模块外部和跨一个或多个电池模块的短路或其他故障的情况下缓解能量的突然释放的设备和方法。根据各种实施例,每个电池模块包括多个专用熔丝连接环(在下文中“弱化的熔丝连接环”),这些专用熔丝连接环比电池模块中(例如,在每个虚拟单元中)存在的其他熔丝连接环略微地“弱化”。弱化的熔丝连接环可以将相关联的单元连接至虚拟单元汇流排或可以连接未连接至电池单元的专用汇流排。本文公开了一种用于在系统设计期间对弱化的熔丝连接环确定大小的方法。本文公开的电弧检测方法不需要对电流进行恒定监测或对两个或更多个测量的比较以便检测跨由熔断的熔丝连接环形成的间隙的故障。

在故障已经被清除并且故障电池模块已经被旁路之后,电池组准备好重新连接至电网以便为负载提供电力。本文提出的电池管理技术包括检测和隔离故障,随后执行用于在熔丝连接环熔断之后将电池组重新连接至HVDC配电系统的算法。此外,公开了一种适用于准确地协调用于重新连接故障电池串中的操作(健康)模块的激活时间与用于重新连接电池组中的其他操作电池串的激活时间的方法。

如本文所使用的,术语“弱化的熔丝连接环”是指小熔丝,该小熔丝被配置(例如,定大小和定形状)为跨其长度更快地形成电弧并且具有比同一电池模块中的其他“非弱化的”熔丝连接环更低的额定电流(更快的断开时间)。这确保弱化的熔丝连接环在非弱化的熔丝连接环断开之前断开(例如,熔断)。如本文所使用的,术语“电池模块”是指包括串联、并联、或其混合接线的多个电池单元(battery cell)的电池。如本文所使用的,术语“电池串”是指串联接线的多个电池模块。

用于实施上述方法的设备的不同实施例包括以下特征中的一个或多个:(a)略微较弱的专用熔丝连接环;(b)弱化的熔丝连接环,其被设计为确保由熔丝连接环支撑的电弧对于任何系统电压自身熄灭;(c)专用装置,其检测跨弱化的熔丝连接环的电弧并且然后将该事件报告给电子负载控制单元(ELCU);(d)(在ELCU内部)命令电池模块重新连接的算法;(e)用于在馈送一个或多个负载的单个串中重新连接模块的方法;以及(f)用于在具有并联连接的其他串以馈送一个或多个负载的电池组的串中重新连接模块的方法。

尽管以下将详细描述用于缓解电池组中由于一个或多个电池模块外部和跨一个或多个电池模块的故障而引起的能量突然释放的设备和方法的各种实施例,但是这些实施例中的一个或多个可以由以下方面中的一个或多个表征。

以下详细公开的主题的一个方面是电池模块,包括:第一总线,包括第一汇流排和第二汇流排;第一多个电池单元,连接至第一汇流排和第二汇流排中的一个;多个弱化的熔丝连接环,连接至第一汇流排和第二汇流排中的另一个并且分别连接至第一多个电池单元;第二总线,包括第三汇流排和第四汇流排;第二多个电池单元,连接至第三汇流排和第四汇流排中的一个;以及多个非弱化的熔丝连接环,连接至第三汇流排和第四汇流排中的另一个并且分别连接至第二多个电池单元。弱化的熔丝连接环被配置为在跨电池模块的阳极和阴极短路的情况下在非弱化的熔丝连接环熔断之前熔断。

以下详细公开的主题的另一方面是一种电池系统,包括:正极电池汇流排和负极电池汇流排;电池串,包括跨正极电池汇流排和负极电池汇流排串联连接的第一半串和第二半串,其中,第一半串包括串联连接的多个电池模块,每个电池模块包括:阳极;阴极;多个虚拟单元(virtual cells),串联连接在阳极与阴极之间,该多个虚拟单元包括第一虚拟单元和第二虚拟单元,第一虚拟单元包括连接至弱化的熔丝连接环的并联电池单元,第二虚拟单元包括连接至非弱化的熔丝连接环的并联电池单元;旁路开关,连接至阳极和阴极;以及电弧检测设备,被定位和配置为检测第一虚拟单元中的电弧;以及电子负载控制单元,连接至每个电弧检测设备和每个旁路开关并且被配置为闭合任何电池模块的旁路开关,其中,电弧检测设备输出指示电池模块的第一虚拟单元中存在电弧的状态信号。

以下详细公开的主题的另一方面是一种电池系统,包括:一对汇流排;电池组,包括跨正极汇流排和负极汇流排并联连接的多个电池串;多个串接触器,设置在汇流排中的一个与相应电池串之间并且连接至该汇流排中的一个和相应电池串;多个电子控制单元,连接至相应电池串;以及电池组管理系统,通信地耦接至多个电子控制单元。每个电池串包括:第一半串和第二半串,跨正极电池汇流排和负极电池汇流排串联连接;以及中点断开电路,设置在第一半串与第二半串之间并且连接至第一半串和第二半串。该第一半串包括串联连接的第一多个电池模块并且该第二半串包括串联连接的第二多个电池模块。每个电池模块包括:阳极;阴极;多个虚拟单元,串联连接在阳极与阴极之间,该多个虚拟单元包括第一虚拟单元和第二虚拟单元,第一虚拟单元包括连接至弱化的熔丝连接环的并联电池单元,第二虚拟单元包括连接至非弱化的熔丝连接环的并联电池单元;旁路开关,连接至阳极和阴极;以及电弧检测设备,被定位和配置为检测第一虚拟单元中的电弧。每个电子负载控制单元连接至每个电弧检测设备和相应电池串的每个旁路开关,并且被配置为闭合任何电池模块的旁路开关,其中,电弧检测设备输出指示电池模块的第一虚拟单元中存在电弧的状态信号。

以下详细公开的主题的又一方面是一种用于配置当串接触器闭合时电连接至汇流排的电池串的方法,该电池串包括当中点断开电路闭合时串联电连接的一对半串,该对半串中的一个经由闭合的串接触器电连接至该汇流排,并且该对半串中的每一个包括相应的串联连接的多个电池模块。该方法包括:检测在包括在多个电池模块中的一个电池模块中的故障电池模块中发生电弧;以及响应于检测到电弧而闭合旁路开关,该旁路开关连接故障电池模块的阳极和阴极。根据一些实施例,该方法进一步包括在闭合旁路开关之前断开串接触器和中点断开电路。

另一方面是一种电池模块,包括:第一总线,包括第一汇流排和第二汇流排;第一多个熔丝连接环,连接至第一汇流排和第二汇流排;第二总线,包括第三汇流排和第四汇流排;多个电池单元,连接至第三汇流排和第四汇流排中的一个;以及第二多个熔丝连接环,连接至第三汇流排和第四汇流排中的另一个并且分别连接至多个电池单元,其中,第一多个熔丝连接环被配置为在跨电池模块的阳极和阴极短路的情况下,在第二多个熔丝连接环熔断之前熔断。

以下公开了用于缓解电池组中由于一个或多个电池模块外部和跨一个或多个电池模块的故障而引起的能量突然释放的设备和方法的其他方面。

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例。没有一个示图是按比例绘制的。

图1是表示根据一个实施例的具有由电池系统供电的单个推进器的航空航天电力推进系统架构的示图,该电池系统包括并联连接的多个电池串。

图2是更详细地表示图1中描绘的系统的一部分的示图,包括根据一个实施例的电池配电系统、一个电池串(未示出其他电池串)以及设置在两个半串之间的中点电池断开子系统。该电池串被示出处于一个电池模块跨多个虚拟单元短路的状态。

图3是示出了在具有设置在每个电池串的半串之间的中点电池断开子系统的电池系统中,分别跨两个相邻的电池模块、跨半串和跨八模块电池串的整个串可能发生的三种类型的故障的示图。

图4是表示根据一个实施例的单个电池模块的示图,该单个电池模块包括具有弱化的熔丝连接环的单个虚拟单元和具有未弱化的熔丝连接环的剩余的虚拟单元。

图5是表示图4中描绘的具有弱化的熔丝连接环的单个虚拟单元的示图。

图6A是表示图5中描绘的虚拟单元的单个弱化的熔丝连接环的俯视图的示图。

图6B是表示图6A中描绘的弱化的熔丝连接环的截面视图的示图。

图7是示出根据DC电弧模型,对于各种短路电流(以安培为单位),跨熔丝连接环的估计电弧电压(以伏特为单位)与熔丝连接环的长度(以mm为单位)的曲线图。

图8是示出根据DC电弧电阻模型,对于各种短路电流(以安培为单位)电弧电阻(以欧姆为单位)与由熔断熔丝连接环形成的间隙的长度(以mm为单位)的曲线图。

图9是表示系统(包括多个串联连接的虚拟单元、电线和电缆)中的电阻的示图,在该系统中,在一个位置处发生短路并且跨一个虚拟单元的熔丝连接环发生电弧。

图10是识别根据一个提出的实现方式的用于选择在图5中描绘的弱化的熔丝连接环的长度的算法的步骤的流程图。

图11是表示根据一个实施例的一串电池模块和用于检测跨一个或多个电池模块的虚拟单元中的弱化的熔丝连接环并且然后旁路这些电池模块的电弧的设备的示图。

图12是表示根据另一实施例的一串电池模块和用于检测跨一个或多个电池模块的专用总线中的弱化的熔丝连接环并且然后旁路这些电池模块的电弧的设备的示图。

图13是表示具有跨弱化的熔丝连接环的电弧的虚拟单元、用于光学检测电弧的设备和用于旁路受电弧影响的虚拟单元所驻留的电池模块的设备的示图。

图14是表示具有跨弱化的熔丝连接环的电弧的虚拟单元、用于通过电压感测来检测电弧的设备和用于旁路受电弧影响的虚拟单元所驻留的电池模块的设备的示图。

图15是表示包括分别涉及通过中点电池断开子系统与另一半串分开的一个半串的一个、两个和四个电池模块的三个故障情况的具有由电池系统供电的单个推进器的航空航天电力推进系统架构的示图,该电池系统包括跨一对电池汇流排并联连接的多个八模块电池串(仅示出一个电池串)。

图16是表示单个短路的电池模块情况的示图,其中,电弧已经跨一个虚拟单元中的弱化的熔丝连接环启动。该示图还识别用于检测电弧和旁路电池模块的相关联的设备。

图17是表示两个电池模块短路的情况的示图,其中,相应电弧跨每个电池模块的一个虚拟单元中的弱化的熔丝连接环存在。该示图还示出了用于检测电弧和旁路两个电池模块的相关联的设备。

图18是表示故障已经跨半串的四个电池模块发生,其中,跨每个电池模块中的弱化的熔丝连接环产生连续电弧。

图19是包括分别涉及一个半串的一个、两个和四个电池模块的第一电池串中的三个故障情况的表示具有由电池组供电的单个推进器的航空航天电力推进系统架构的示图,该电池组包括跨正极电池汇流排和负极电池汇流排并联连接的多个八模块电池串。

图20是示出在正常(未受干扰)操作期间(实线)以及在一个电池串中故障启动期间、在一个电池串中故障电池模块的隔离以及一个电池串的健康电池模块的后续重新连接期间(虚线)具有多个电池串的电池系统的电压和电流与时间的曲线图。

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缓解电池组中由于一个或多个电池模块外部和跨一个或多个电池模块的故障而引起的能量的突然释放的设备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施方式的所有特征。本领域技术人员将理解,在任何这种实施例的开发中,必须做出许多实施方式特定的决定,以实现开发者的特定目标,诸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。

本文公开的飞机电力推进系统包括驱动螺旋桨的旋转的电动机、被配置为将直流(DC)转换为交流(AC)的一个或多个电机控制器、以及DC电源(例如,电池系统)。DC电源可以例如包括DC-DC转换器,用于增大或升压低压DC电源的电压电平以形成高压DC(HVDC)电源。如本文所使用的,DC-DC转换器是用于改变DC电源的电压电平的电气或机电装置。HVDC电力然后可以被馈送到电机控制器的一个或多个逆变器以形成高压AC电源。

在高功率和电压潜在地超过1000V

图1是表示具有单个螺旋桨32的航空航天电力推进系统架构的示图。在图1中部分描绘的电力推进系统2包括将DC电力转换为AC电力的电机控制器50、从电机控制器50接收AC电力的AC电机30、以及由AC电机30驱动旋转的螺旋桨32。螺旋桨32包括与AC电机30的输出轴机械耦接的螺旋桨轴34和多个螺旋桨桨叶36。DC电源是电池组18,其经由HVDC配电系统20连接至电机控制器50,HVDC配电系统20包括正极HVDC电力线21a和负极HVDC电力线21b。

电池组18经由电池配电单元12(在下文中称为“BPDU 12”)连接至HVDC配电系统20。BPDU 12实质上是包含用于监测、整流和控制由电池组18输出的DC电力所需的硬件的壳体。电机控制器50经由HVDC配电系统20接收该DC电力。

根据一些实施例,电池组18包括多个独立的电池串24。每个电池串24包括一对半串25a和25b,该对半串25a和25b由相应的串联连接的电池模块的集合(图1中未示出,但参见图2中的电池模块4)组成。选择每个串中的电池模块的数量以产生具有要求的可用电压/电势的电池串24。在图1所示的示例中,每个电池串24包括(经由图1中未示出的相应中点电池断开单元)间接连接至(例如,四个)串联连接的电池模块的第二半串25b的(例如,四个)串联连接的电池模块的第一半串25a。

BPDU 12包括正极电池汇流排38a和负极电池汇流排38b(在下文中,“电池汇流排38a和38b”)。BPDU 12还包括将每个电池串24的一端连接至电池汇流排38a的第一多个串接触器8和将每个电池串24的另一端连接至电池汇流排38b的第二多个串接触器8。(接触器是用于切换电源电路的电控开关。接触器被设计为直接连接至高电流负载装置。)HVDC配电系统20经由(闭合)串接触器8从电池组18接收DC电力,并将该DC电力供应到电机控制器50。

BPDU 12还包括电池组管理系统22(在下文中,“BPMS 22”)。电池组18的操作由BPMS 22管理。多个并联电池串可在组内部故障的情况下提供冗余。BPMS 22可被配置为确保电池串24的冗余保护、故障安全操作和选择性关闭。BPMS 22可进一步被配置为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的组合。更具体地,BPMS 22具有改变串接触器8的开关状态的能力。

由电池组18生成的DC电力经由HVDC配电系统20被供应(可能具有电力损耗)到电机控制器50。在一些实施方式中,电机控制器50具有三个通道,以向AC电机30中的相应组定子绕组提供AC电流。电机控制器50的每个通道包括具有电力开关的相应逆变器52和控制电力开关的状态的相应逆变器控制器54。逆变器52连接至AC电机30的绕组(图1中未示出)。逆变器52的操作由逆变器控制器54控制,该逆变器控制器54经由开关信号线向逆变器52发送开关控制信号和从逆变器52接收开关状态信号。逆变器52将DC电力转换为用于AC电机30的多相AC电力。

如图1所示,电力推进系统2还包括发动机控制单元10(在下文中“ECU 10”)。ECU10与逆变器控制器54对接,逆变器控制器54通信地耦接以从ECU 10接收控制信号并向ECU10发送反馈信号。ECU 10针对所有逆变器控制器54执行监督和协调的作用。ECU 10进一步通信地耦接至电力推进控制器40(在下文中,“EPC 40”)。

EPC 40控制图1中描绘的飞机电力推进系统2的总体操作。EPC 40从推力控制杆和俯仰控制杆(图1中未示出)接收飞行员输入。EPC 40经由相应的控制器局域网(由图1中的CAN1和CAN2表示)与BPMS 22和ECU 10通信。EPC 40向ECU 10发送数字扭矩控制信号。EPC40还向调节器(图1中未示出)发送模拟控制信号,用于控制螺旋桨32的羽化。调节器可以是被配置为通过改变螺旋桨桨叶桨距来保持螺旋桨转速(rpm)恒定的恒定速度螺旋桨调节器。液压调节器通过使用液压阀来控制发动机油通过螺旋桨32中的液压机构的流动来实现这一点。

图2是更详细地表示根据一个实施方式的图1中所描绘的系统的一部分的配置的示图。图2中描绘的部件包括BPDU 12、一个电池串24(未示出其他电池串)、设置在电池串24的半串25a与25b之间的中点电池断开子系统14、和BPMS 22。电池串24被示出处于这样一种状态,其中,一个电池模块4a跨其阳极和阴极具有外部短路3。

虽然电池组18包括多个独立的电池组串,但是在图2中仅示出了包括相应的半串25a和25b的一个电池组串24。在图2中描绘的示例性实施例中,每个半串25a和25b由串联连接的四个电池模块4组成。半串25a和25b通过中点电池断开子系统14串联连接。每个电池串24经由相应的(闭合的)串接触器8将DC电力供应至一对电池汇流排38a和38b。来自电池汇流排38a、38b的DC电力通过相应的HVDC电力线21a、21b分配至HVDC负载。

如图2所示,每个电池串24具有位于正侧和负侧的一对专用的串接触器8,以逐串提供电流隔离(galvanic isolation)。当串接触器8闭合时,电池串24经由电池汇流排38a和38b在BPDU 12中连接在一起。此外,相应的专用端点电流传感器16(例如,霍尔效应电流传感器HESC)设置在将每个半串25a连接至正极(或负极)电池汇流排38a的串接触器8之间。

BPMS 22被配置为(例如,被编程为)根据操作模式(充电、放电等)和系统/组保护模式(系统短路保护、不平衡的串电流等)来控制不同的正极串接触器和负极串接触器8。每对正极串接触器和负极串接触器8由相应的中点电池断开子系统14和BPMS 22双重控制。为了协调的目的,BPMS 22通信地耦接到所有中点电池断开子系统14。BPMS 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。

每个电池串24进一步包括第一多个模块监测单元6a和第二多个模块监测单元6b,这些模块监测单元监测每个电池模块4内的单元的状态。每个电池模块4由两个独立的不相似的模块监测单元6a和6b监测。每个模块监测单元包括用于独立地测量每个虚拟单元电压和每个单独的单元温度的传感器。模块监测单元6a还包括平衡电路。这些平衡电路执行被动(无源,passive)(或主动(有源,active)平衡功能,该功能由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将表示虚拟单元电压和单个单元温度的传感器数据经由数据总线7a传送到相关联的中点电池断开子系统14。在充电模式中,中点电池断开子系统14向平衡电路发送命令以保证从虚拟单元到虚拟单元的正确平衡。模块监测单元6b通过数据总线7b将表示虚拟单元电压和单个单元温度的传感器数据传送到BPMS 22。此外,模块监测单元6b可以为单元电压和单元温度超出界限提供聚合标志。

中点电池断开子系统14包括智能中点断开单元28(下文中,“SMDU 28”)和中点断开接触器66。(如本文所使用的,修饰语“智能”是指基于所接收的表示电池系统的当前状态的传感器数据,由计算机或处理器发起动作或控制装置。)SMDU 28包括处理器,该处理器被配置为控制中点断开接触器66的状态。SMDU 28通信地耦接到BPMS 22。中点电池断开子系统14进一步包括中点电流传感器(CS)65,该中点电流传感器将表示当中点断开接触器66闭合时流过中点电池断开子系统14的电流的电信号输出到SMDU 28。SMDU 28还经由数据总线7a从模块监测单元6a接收表示各个单元温度和虚拟单元电压的电信号。

BPMS 22和SMDU 28被配置为独立地控制串接触器8的状态。根据一个提出的实现方式,SMDU 28被配置为执行电池串保护功能,当由流过中点电流传感器65的电流指示时,该功能在故障的情况下断开中点断开接触器66。

中点电池断开子系统14(在图2中部分地描绘)可以被配置为保护整个电池串24免受短路(由串接触器8提供附加保护,这些串接触器保护故障串免受从并联串流动的故障电流影响)。根据图3中所描绘的示例实施方式,中点电池断开子系统14包括中点断开电路15而不是中点断开接触器。中点断开电路15包括并联连接的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)88(或其他合适的半导体开关)和二极管90。固态装置可被用于大尺寸的电池组,其中,标称电压和电流可高于接触器可容忍的水平。图2所示的SMDU 28被配置为在故障的情况下执行断开MOSFET 88的电池串保护功能。

然而,中点电池断开子系统14并不防止以下各项中的任一项:跨一个半串的短路、跨单个电池模块的短路、以及跨一个半串中的两个或更多个串联连接的电池模块的短路。例如,图3示出了在由通过中点电池断开子系统14分成两个半串25a和25b的八个串联连接的电池模块4组成的电池串24中可能发生的三种类型的故障:(a)跨两个相邻电池模块4的故障3a;(b)跨一个半串25a(四个电池模块4)的故障3b;以及(c)跨整个串24的故障3c。在这些情况下,中点电池断开子系统14防止故障3c,但不防止故障3a和3b。

因此,提供用于检测和隔离跨半串的全部或一部分的故障(诸如图3中描绘的故障3a和3b)的方法和设备的改进。此外,提供用于重新连接串24中的任何电池模块4的方法和手段将是有利的,该串在跨半串的全部或一部分的故障已经被清除之后保持操作(准备好或处于恢复生成DC电力的状态)。更具体地,本文所提出的创新技术用于:(a)通过采用故意弱化的熔丝连接环来清除模块水平(模块内部)处的故障,该熔丝连接环具有比模块内部的其他保护手段更快地清除故障的能力;(2)闭合模块内部的安全旁路开关,从而使得电力能够经由旁路路径以降低的水平流动(该路径具有非常低的电阻以缓解任何未清除的故障状态);以及(3)如果故障仍然持久,则旁路为电流创建并行路径。

本文提出的电池模块的设计确保了由短路产生的并联路径不会导致额外的损坏(实际上,该旁路具有非常低的电阻,从而使得绝大多数电流流过该旁路,由此显著减少了在故障位置处生成的热量)。除了使得略微减少的电力可使用之外,本文提出的设备和方法还降低了维护成本,因为损坏的位置是已知的并且位于损坏附近的硬件可以被设计为更容易地被移除、修理和重新安装。

此外,补偿电池串24中的一个或多个电池模块4的损耗的能力能够提高系统的可用性。根据本文提出的方法,电池串24中的运行电池模块可独立于同一串的非运行电池模块运行。而且,在故障已被清除之后,BPDU 12的组件以协调的方式操作,以在清除跨任何单个电池模块或跨半串的两个或更多个串联连接的电池模块的故障之后重新连接电池串24。根据下文详细公开的另一属性,如果故障由于将大部分电流重新路由通过旁路开关的能力而未被自动清除,则可容忍故障的存在。

图4是表示根据一个提出的实现方式的单个电池模块4的示图。每个电池模块4是单个单元(电池单元,cell)5的并联/串联布置。在图4所示的示例中,电池模块4包括四行单元5,每行包括跨相应的一对单元汇流排46a和46b并联连接的二十个单元。每个并联单元布置被认为是虚拟单元(或块)。四个虚拟单元26a-26d串联连接。虚拟单元26b-26d中的每一个的单元布置使用与每个单独的单元5串联的相应的非弱化的熔丝连接环56来实现,以防止单元故障。相反,虚拟单元26a的单元布置使用并联连接的相应的弱化的熔丝连接环56a来实现,以防止单元故障。

图4中描绘的电池模块4包括基本保护以确保安全的独立操作。在单个单元短路故障的情况下,与故障单元串联的非弱化的熔丝连接环56将接收所有并联单元的电流并且由于过电流而断开。故障单元将被隔离并且电池模块4将保持以降低的能力运行。不存在由于跨单个非弱化的熔丝连接环56的低电压引起的电弧(低于单个单元的电压水平,例如,<5V

在跨电池模块4的阳极(虚拟单元26a的单元汇流排46a)和阴极(虚拟单元26d的单元汇流排46b)的电池模块外部短路(例如,图4中的故障3)的情况下,虚拟单元26a的组合的弱化的熔丝连接环56a被设计为由于过电流而断开并且隔离电池模块4。因此,电池模块4为开路、非运行的。然而,为了确保弱化的熔丝连接环56a的弱化程度(额定电流或断开时间)适合于特定的用途,必须适当地设定熔丝连接环的尺寸。现在将描述根据一个提出的实施方式的用于确定弱化的熔丝连接环的尺寸的方法。

用于单独电池模块的一个示例的设计参数包括以下各项:

V

N是一个虚拟单元中并行单元的数量;

M是每个模块的虚拟单元的数量;

L是串中模块的数量;

V

V

V

弱化的熔丝连接环具有与非弱化的熔丝连接环不同的以下属性:(a)较小的截面(较高的电阻,较短的燃烧时间);(b)跨弱化的熔丝连接环的监测电压;(c)在正常虚拟单元(NVC)中,断开时间(time-to-open)t

在内部至单元(internal-to-cell)短路的情况下,熔丝连接环是防止过电流的主要保护手段。熔丝油墨以与常规熔丝相同的方式熔断;也就是说,熔丝连接环经受热熔丝操作的I

通常,熔丝连接环燃烧的过程伴随着导电电弧的形成。电弧的温度和持续时间由流过电弧的电流和保护设备的激活时间限定。当电池单元以堆叠形式组装时,尤其是与更多数量的串联连接的单元组装时,故障期间的残余电压可能足以维持电弧足够长的时间,以便在保护太晚被激活时引起显著损坏。本文提出的创新技术的目的是将跨熔丝连接环的电弧放电时间减少到可接受的最小值,以防止当一个或多个模块或整个半串被外部短路时对电池和其他结构的灾难性损坏。

当跨电池模块的外部发生短路(例如,跨电池模块的阳极和阴极的电弧3)时,产生电弧的短路电流被跨熔丝连接环的电弧的阻抗限制,但不减小到零。换句话说,电路的闭合由两个电弧支持:故障位置处的电弧和跨熔丝连接环的电弧。因此,热能的突然释放在故障位置处持续,这可导致不可接受的损坏。在某些情况下,跨电弧的残余电压可以低至20V。

图5是表示如图4所示的具有弱化的熔丝连接环56a的虚拟单元26a的示图。跨单元汇流排46a和46b的电压(也称为“阳极和阴极集电器”)等于虚拟单元电压V

图6A是表示图5中描绘的虚拟单元26a的单个弱化的熔丝连接环56a的俯视图的示图。图6A示出了连接环的长度z。图6B是表示图6A所示的弱化的熔丝连接环56a的截面图的示图。图6B示出弱化的熔丝连接环56a的高度h和宽度w。终端9之间的长度z是导电材料的有效长度,并且为了节省空间的实际目的,弱化的熔丝连接环可具有随机形状(例如,如图6A所示的s形)。

单个弱化的熔丝连接环56a的电阻可使用以下公式计算:

其中,ρ是导电材料(例如,铜)的电阻率;z是弱化的熔丝连接环56a的长度(在图6A中示出);w是弱化的熔丝连接环56a的宽度(在图6B中示出);以及h是弱化的熔丝连接环56a的高度(图6B中所示)。熔丝长度z由选择过程确定,该选择过程基于跨电弧的期望电压降。

熔丝连接环的截面积A(w×h)由根据电流建立连接环的燃烧时间的定律限定,例如。Onderdonk方程(对于铜,I=0.188×A/t

为了计算弱化的熔丝连接环的最佳长度,使用DC电弧和DC电弧电阻模型来执行计算机模拟。图7是示出根据DC电弧模型,对于各种短路电流(从125安培至3000安培变化),跨熔断的熔丝连接环的估计电弧电压(以V为单位)与熔丝连接环的长度(以mm为单位)(当熔丝连接环熔断时,“长度”变成“电极间隙”)的曲线图。图8是示出根据DC电弧电阻模型,对于各种短路电流(从200安培至15000安培变化),电弧电阻(以欧姆为单位)与电极间隙(以mm为单位)的曲线图。

可使用图7和图8中的曲线图在包括以下步骤的过程中选择弱化的熔丝连接环的长度以实现期望的电阻:

在第一步骤(在图7中由圈起的数字“1”指示)中,可从一个虚拟单元获得的最小短路电流和最大短路电流通过从电弧电压与熔丝连接环长度的曲线图(图7)上的一组曲线中选择可应用的曲线来确定,每条曲线已针对短路电流的相应不同幅值导出。在该示例中,所选择的曲线对应于等于300安培的短路电流。最小短路电流和最大短路电流由电路在可能发生潜在故障的不同区域中的阻抗和单元的温度限定。

在第二步骤(在图7中由圈起的数字“2”表示)中,确定在跨半串或跨单个模块的故障期间的最大残余电压(图7中用水平虚线表示),其可以是短路电流的函数。

在第三步骤(在图7中由圈起的数字“3”表示)中,确定在相交处(曲线图上)熔丝连接环的长度和最大短路电流。(图7和图8是为了说明的目的,并且不表示熔丝连接环的长度、电弧电压或电阻、和短路电流的实际或典型值。)

第四,以下面参考图9描述的方式确定在电弧放电期间的熔丝连接环的电阻(R

使用上述方法计算的两个相关性都是非线性的,即,曲线针对大约5mm至10mm之间的连接环长度/间隙略微减小。在该区域中,当短路事件期间的电池剩余残余电压(其应当低于电弧电压以便不维持电弧)被选择时,则对应的纵坐标与短路电流(例如,300A)迹线相交两次。

图9是表示系统(包括多个串联连接的虚拟单元、电线和电缆)中的电阻的示图,在该系统中,在一个位置处发生短路并且跨一个虚拟单元的熔丝连接环发生电弧。R

其中,V

V

其中,V

如果电弧自熄,则:

V

或者:

其中,R

然后,使用电弧电压与熔丝连接环长度的曲线图来选择熔丝连接环的最小长度,使得电阻R

其中,C是大于或等于2的常数。

针对三种情况(没有假设和没有假设中的一个)的电弧电流可以使用以下公式来计算:

其中,常数C等于或大于2;

电阻R

与其他单元中的非弱化的熔丝连接环的截面积相比,弱化的熔丝连接环具有较小的截面积,并且因此按照公式(1),它的电阻高出非弱化的(正常的)熔丝连接环的截面积与弱化的熔丝连接环的截面积的比率的值。虽然在一个大模块(表示具有多个串联连接的单元的电池)的情况下,仅一个弱化的熔丝连接环不会对总体R

图10是识别根据一个提出的实现方式的用于选择在图5中描绘的弱化的熔丝连接环的长度的算法100的步骤的流程图。首先,确定模型化的短路故障的位置(步骤102)。然后选择关于故障位置处的电阻的三个假设中的任一个(步骤104)。可选的假设(如前所述)是:(a)故障位置处的电阻是已知的;(b)故障位置处的电阻等于零;或(c)故障位置处的电阻不小于跨熔断的熔丝连接环的电弧的电阻。接下来,对于第一近似值,对于短路电流I

I

I

另一方面,如果所选择的假设被验证,则流过系统的电弧电流I

另一方面,如果在步骤128中确定所计算的电流差Δi小于5%,则在系统设计和方法100中应用熔丝连接环的长度和截面积的电流计算终止(步骤130)。另一方面,如果在步骤128中确定所计算的电流差Δi不小于5%,则不接受电流计算,采用对所假设的短路电流I

根据本文所公开的技术的另一方面,通过采用电流旁路方案来为一个或多个电池模块提供主动保护。这通过在模块内部安装旁路开关来实现,从而使得电力能够经由旁路路径(该路径具有非常低的电阻以缓解任何未清除的故障状态)以降低的水平流动。如果故障仍然持久,则旁路为电流创建并行路径。

图11是表示根据一个实施例的一串L个电池模块和用于检测跨一个或多个电池模块4的虚拟单元26a中的弱化的熔丝连接环56a的电弧并且然后旁路这些电池模块的设备的示图。在图11中,模块1被详细示出;模块2由块表示;模块3到模块(L-1)未被示出;并且模块L由块表示。

根据一个提出的实现方式,假设每个电池模块4具有带有弱化的熔丝连接环56a的一个虚拟单元56a;同一电池模块4的其他虚拟单元26b-26d各自具有非弱化的熔丝连接环56。每个电池模块4被设计为使得虚拟单元26a的弱化的熔丝连接环56a比其他非弱化的熔丝连接环56更快地清除跨电池模块4的故障。如先前所解释的,电弧可在弱化的熔丝连接环56a已经被熔断之后跨它们引发和持续。

如图11所示,具有弱化的熔丝连接环56a的每个虚拟单元26a由相应的电弧检测单元44监测。每个电弧检测单元44(在下文中,“ADU 44”)被配置为检测跨熔断的熔丝连接环的电极9的电弧的存在并且经由相应的信号线向电子负载控制单元70(在下文中,“ELCU70”)输出状态信号(例如,报告故障)。为了说明的目的,来自ADU 44的状态信号分别被命名为ADU M1至ADU ML,其中,M1表示模块1等。响应于来自ADU 44的指示电池模块4内部存在电弧的任何状态信号,ELCU 70将接合旁路开关42以旁路整个模块,从而使该电池串的电流流动。其他模块(如果受影响)还跨它们的熔丝连接环向ELCU 70报告电弧。ELCU 70命令每个受影响的电池模块4将其自身旁路(通过闭合相关联的旁路开关42)。

图11中所见的ELCU 70是图2中所见的SDMU 28的一部分。ELCU 70是具有总体控制功能的处理单元(例如,微处理器)。它从不同低级控制器接收信息,这些低级控制器包括:差动保护模块(DP)72、绝缘监测装置(IMD)74、去饱和保护模块76、过电流保护模块(OC)78、以及软启动控制模块80。基于从较低级控制器接收的信息,ELCU 70实现与电气系统的其他元件(包括中点断开接触器66和串接触器8(参见图2))的协调。

ELCU 70进一步包括模块/串保护模块68,该模块/串保护模块68接收并存储状态信号ADU M1至ADU ML。例如,状态信号“0”指示电弧未被特定ADU 44检测到;状态信号“1”指示电弧已被特定ADU 44检测到。ELCU 70进一步被配置为接合相应的旁路开关42以旁路整个电池模块4,以便使串的电流从一个HVDC汇流排流到另一HVDC汇流排。更具体地,ELCU 70经由旁路链路BY1至BYL向相应的旁路开关42发送控制信号,以控制旁路开关42的状态。例如,控制信号“0”指示旁路开关42应该被断开;控制信号“1”指示旁路开关42应该被闭合。

在图11所描绘的示例中,响应于指示与模块1相关联的ADU 44已经检测到跨熔断的弱化的熔丝连接环的电弧的状态信号,ELCU 70发送控制信号,该控制信号命令与模块1相关联的旁路开关42闭合,由此建立用于从虚拟单元26a的电池汇流排46a(有效地是电池模块4的阳极)到虚拟单元26d的电池汇流排46b(有效地是电池模块4的阴极)的电流流动的旁路路径62。因此,旁路路径62中的电流与任何短路电流并行地流动。为了确保在模块内部的故障位置和弱化的熔丝连接环断开并且潜在地维持电弧时有效且安全的旁路,旁路路径62的电阻被选择为显著低于故障和电弧的组合电阻。实际上,该电阻应在不大于几毫欧的量级。ELCU 70被配置为以类似的方式管理用于一个电池串中的所有电池模块4的所有旁路开关42。

图11还需要以下阐明。根据下面参照图13和图14所描述的提出的实施方式,电池模块4包括图11中未示出的内部电弧检测传感器(例如,图13中的光电检测器58和图14中的具有限流能力的分压电阻器60a和60b)。此外,尽管旁路开关42在图11中被描绘为在电池模块4的外部,但是旁路开关42位于电池模块4的壳体内部。

图11示出了电池模块4,在该电池模块中,虚拟单元26a的单元经由多个弱化的熔丝连接环56a电连接至虚拟单元26a的单元汇流排46b。连接环可以连接到单独单元的阴极或阳极或阴极和阳极两侧上。相反,图12中描绘的系统包括具有连接专用总线48的汇流排48a和48b的弱化的熔丝连接环56a的电池模块。图12中所示的旁路开关42和ELCU 70与参考图11所描述的相同(并且以相同的方式操作),但是电池模块4和相关联的ADU 44不同。代替ADU 44连接至虚拟单元的单元汇流排46a和46b,ADU 44连接至相应专用总线48的汇流排48a和48b。

如图12所示,每个电池模块包括四个虚拟单元26a-26d和串联电连接在虚拟单元26b与26c之间的专用总线48。专用总线48的汇流排48a和48b经由多个弱化的熔丝连接环56a电连接。因此,在正常操作期间,电流依次流过虚拟单元26d、虚拟单元26c、专用总线48、虚拟单元26b和虚拟单元26a。然而,响应于跨电池模块4的阳极和阴极的外部短路,弱化的熔丝连接环56a在非弱化的熔丝连接环56熔断之前熔断。这跨专用总线48的汇流排48a和48b产生电弧,该电弧由相关联的ADU 44检测。

跨专用总线48的弱化的熔丝连接环56a的数量可等于跨每个虚拟单元的非弱化的熔丝连接环56的数量。然而,在替代实施方式中,跨专用总线48的弱化的熔丝连接环56a的数量可少于横跨每个虚拟单元的非弱化的熔丝连接环56的数量,如图12所示。

根据在附图中未描绘的可替代的提出的实现方式,专用总线48可被设计为具有非弱化的熔丝连接环56而不是弱化的熔丝连接环56a,假设跨专用总线48的非弱化的熔丝连接环56的数量充分小于跨专用总线48的非弱化的熔丝连接环在跨虚拟单元的非弱化的熔丝连接环之前熔断的跨每个虚拟单元的非弱化的熔丝连接环56的数量。因此,较少的非弱化的熔丝连接环将比跨虚拟单元的更多数量的非弱化的熔丝连接环更快地清除跨汇流排48a和48b且因此跨电池模块4的故障。在这种情况下,非弱化的熔丝连接环将具有相同的长度和截面,但是短路电流将跨较少的熔丝连接环分布。因此,专用总线48的每个非弱化的熔丝连接环将经受更高的短路电流,并且所有连接环将断开得比虚拟单元的非弱化的熔丝连接环更快。熔丝连接环的数量的选择过程还基于Onderdonk方程并且旨在以下列方式进行:

电弧放电时间t

t

可以假设电池模块中的熔丝连接环的长度相等并基于公式(2)计算以确保电压降足以熄灭电弧。还可以假设(为了更好的共性)所有熔丝连接环的截面是相同的。然后可基于新的要求t

因此,专用总线48中的熔丝连接环的新数量应该是跨虚拟单元的熔丝连接环的数量的0.707倍。例如,如果在每个虚拟单元中存在具有20个熔丝连接环的N=20个并行单元,则跨专用总线48的熔丝连接环的数量应为14,以便将电弧放电时间减少50%(与跨虚拟单元的电弧放电时间相比)。以广义的方式,跨专用总线的熔丝连接环的数量F可使用以下公式确定:

图12中描述的设备操作如下。ADU 44检测故障(具体参见图13和图14)。ADU 44将故障报告给ELCU 70。ELCU 70接合(闭合)相关联的旁路开关42以旁路整个电池模块4,以使得电池串的电流能够继续流动。其他电池模块(如果受影响)也跨它们的熔丝连接环将电弧报告给ELCU 70。ELCU 70命令受影响的电池模块4旁路自身(通过闭合它们的旁路开关42)。

图13是示出了表示具有跨弱化的熔丝连接环(在图13中不可见)的电弧11的虚拟单元26a、用于光学检测电弧的设备和用于响应于检测到电弧11而旁路虚拟单元的设备的示图。光学电弧检测设备包括光电检测器58和ADU 44(或其结构等效物)。光电检测器58检测由电弧11发射的光,并向ADU 44输出指示发射光强度的电信号。ADU 44被配置为检测来自光电检测器58的电信号何时指示强度超过指定阈值,该阈值先前已通过实验和校准来建立。模块旁路设备包括ELCU 70和旁路开关42(或其结构等同物)。如先前所描述的,ADU 44被配置为检测跨熔断的熔丝连接环的电极9的电弧11并且经由信号线将故障报告给ELCU70。响应于来自ADU 44的指示存在跨分别由电池模块4内部的弱化的熔丝连接环连接的一对电极9的电弧11的任何状态信号,ELCU 70激活旁路开关42以闭合,从而旁路整个电池模块4。

光电检测器58可以是光电二极管或光电晶体管。在一个提出的实施方式中,光电检测器58的阴极连接至电压源(+V),而光电检测器58的阳极连接至ADU 44。电阻器60设置在光电检测器58的阳极与接地之间。可选地,光电检测器58可与光管(图13中未示出)光耦合。光管(例如,光纤)可被配置为接收来自电弧11的光并随后沿着光管的长度将所捕获的光传输到光电检测器58上。

图14是表示具有跨弱化的熔丝连接环(在图13中不可见)的电弧11的虚拟单元26a、用于使用电压感测来检测电弧的设备和用于响应于检测到指示存在电弧的电压而旁路电池模块4的设备的示图。电弧检测设备包括电阻分压器64和ADU 44(或其结构等效物)。电阻分压器64包括具有相对高的电阻值以限制ADU输入电流的一对电阻器60a和60b,该对电阻器分别在电极9处连接至虚拟单元26a的单元汇流排46a和46b并且附加地连接至ADU44的输入端。响应于检测到大于指定阈值的电压差,ADU 44被配置为将故障报告给ELCU70。响应于来自ADU 44的指示存在电弧11的状态信号,ELCU 70激活旁路开关42以闭合。

本文公开的创新技术的另一方面是提供用于在各种情况下清除故障之后重构电池系统的手段和方法(如图15所示)。一种情况是当电池串中的单个电池模块短路时(如图16所示);另一种情况是当电池串中的多个电池模块短路时(如图17所示);以及进一步的情况是当半串短路时(如图18所示)。影响单个故障电池串的这些相同情况可能需要具有与故障电池串并联连接的额外电池串的电池组18中的更复杂的响应(如图19所示)。

图15是表示由电池系统供电的航空航天电力推进系统2的示图,该电池系统包括跨一对电池汇流排38a和38b并联连接的多个八模块电池串(在图15中仅示出了一个电池串24)。图15还包括表示分别涉及一个半串25a的一个、两个和四个电池模块的三个可选故障情况的符号。一个半串25a经由中点电池断开子系统14连接至另一半串25b。图15示出了可能在电池串24中发生的三种类型的外部故障:(a)跨单个电池模块4的故障3;(b)跨两个相邻的电池模块4的故障3a;以及(c)跨一个半串25a(四个电池模块)的故障3b。在这些情况下,中点电池断开子系统14不提供对任何故障3、3a和3b的保护,但是图11和图12中描绘的电池模块旁路子系统提供对仍然可操作的电池串24中的无故障电池模块4的保护。在电池串24中的受故障影响的电池模块已经被旁路之后,调用用于重构电池系统以在没有来自旁路的电池模块的电力的情况下恢复操作的措施。

图16是表示单个短路的电池模块情况的示图,其中,电弧11已响应于故障3而跨一个虚拟单元26a中的弱化的熔丝连接环(例如,跨电池模块4的阳极和阴极的短路)启动。电池保护系统(在图16中以高级别示出)包括先前描述的ADU 44、ELCU 70以及旁路开关42。

根据一个可能的场景,事件的顺序可以如下。首先,跨虚拟单元26a的单元汇流排46a和虚拟单元26d的单元汇流排46b(单元汇流排分别是电池模块4的阳极和阴极)发生故障3。虚拟单元26a中的弱化的熔丝连接环在t

在旁路开关42已经闭合之后,系统电流I

图17示出了a跨连接的电池模块4a和4b(例如,从电池模块4a的阳极到电池模块4b的阴极)发生故障3的情况。相应的电弧(图17中未示出)可响应于故障3a跨电池模块4a和4b内部的弱化的熔丝连接环启动。电池保护系统(在图17中以高级别示出)包括:ADU 44a,检测电池模块4a中的电弧;旁路开关42a,连接(图17中未示出的连接)至电池模块4a的阳极和阴极;ADU 44b,检测电池模块4b中的电弧;旁路开关42b,连接至电池模块4b的阳极和阴极;以及ELCU 70,连接至ADU 44a和44b。

系统设计者需要考虑弱化的熔丝连接环清除在两个电池模块内部的故障3a所需的时间(在下文中,“熔丝连接环”)的可变性。不失一般性地,可以假设电池模块4a的熔丝连接环具有略微更高的电阻,并且比电池模块4b更早地开始电弧放电。在这种情况下,在故障电流在电池模块4b中中断之前,电池模块4a中的弱化的熔丝连接环熔断。电池模块4a中的弱化的熔丝连接环在时间t

ADU 44a检测电池模块4a内部的电弧闪动并且将其报告给ELCU 70。在验证电弧熄灭所需的时间延迟之后,ELCU 70命令与电池模块4a相关联的旁路开关42a闭合。如上所述,如果故障3a已经消失,则旁路开关42a的闭合重新建立系统电流,并且电池串以与之前参照图15描述的方式相同的方式以减小的电压电平继续其正常操作。如果故障3a仍然存在,则旁路电池模块4a的动作重新建立跨电池模块4a和4b的高短路电流。现在,电池串的状态是电池模块4a已经被旁路并且电池模块4b支持故障电流。

由于故障3a的持续存在,电池模块4b中的弱化的熔丝连接环最终也熔断,但在电池模块4a中的弱化的熔丝连接环已经熔断之后。在附加的清除时间t

ADU 44b检测电池模块4b内部的电弧闪动并且将其报告给ELCU 70。在验证电弧熄灭所需的时间延迟之后,ELCU 70命令与电池模块4b相关联的旁路开关42闭合。如果故障3a已经消失,则旁路开关42b的闭合重新建立系统电流,并且电池串以减小了等于跨每个电池模块的标称电压的两倍的值的电压电平继续其正常操作。如果故障3a仍然存在,则旁路电池模块4b的动作重新建立跨电池模块4a和4b的高短路电流。现在,电池串的状态是电池模块4a和4b已经被旁路。ELCU 70现在包含以下信息:在特定的电池串中,两个电池模块被出局和旁路,并且系统电压低于由两个电池模块产生的电压所预期的电压。清除故障3a所需的总时间是t

图18是表示故障3b已经跨半串25a的四个电池模块4a-4d发生的情况的示图,其中,跨每个电池模块中的弱化的熔丝连接环产生连续(或同时)电弧。图18还示出了具有由ELCU 70控制的开关状态的相关联的旁路开关42(未示出ADU以避免附图中的混乱)。

仍然参考图18,跨半串25a的短路在每个电池模块中通过相同的序列(在每个电池模块内)熔断熔丝连接环断开、检测电弧并闭合旁路开关42而被清除(连续地)。在这种情况下,跨电池串的电压恰好是标称电池串电压的1/2,并且清除故障所需的时间是

根据另一提出的实施方式,ELCU 70可以响应于ADU 44或其他保护元件(例如,可以检测但不能清除半串25a内部的故障,例如欠压保护)所检测的故障状况协调电路的其他保护元件的激活(例如,断开图2中所见的中点断开接触器66),以确保电池串不会自动重新连接。在该操作模式中,可仅通过ELCU 70提供的命令来完成重新连接。

图15中所示的串的实施方式建议,对于具有中点电池断开子系统14的架构,弱化的熔丝连接环的最大长度应基于潜在地受故障影响的电池模块的数量(L)不超过电池串24中的电池模块4的总数量的1/2来计算。这由系统的不同保护元件之间的协调原理支持:中点断开首先响应于BPDU 12的外部故障而激活,并且由图15所示的串接触器8支持。虽然弱化一组熔丝连接环并且实现模块的旁路缓解了跨半串的一个或多个电池模块的短路,但是与中点断开激活定时(毫秒)和串接触器8之一(数十毫秒)相比,它们的激活时间需要显著更慢(数百毫秒)。

图19是表示具有由电池组18供电的单个推进器的航空航天电力推进系统架构的示图,该电池组18包括跨正极电池汇流排38a和负极电池汇流排38b并联连接的多个电池串24a、24b、...、24K。图19示出了分别涉及一个半串25a的一个、两个或四个电池模块4的电池串24a(在下文中,“故障电池串24a”)中的三种故障情况。

根据本文提出的创新技术的另一方面,提供了用于解决如下问题的手段和方法:当由于旁路引起的功率损耗小于一个整体电池串的标称功率时,如果任务需要完成或继续,则在故障清除之后重新连接故障电池串24a。涉及多个并联串的这种情况的故障检测和尤其是隔离不同于当单个串向单个负载或多个负载提供电力时的情况。

该差异与以下事实相关:并联的电池串趋于均衡它们的输出电压,并且如果一个串在清除故障之后立即重新连接,则循环电流将流动,其中,串联连接的模块数量减少。这种风险的最直接的缓解是使用阻塞二极管,但是对于系统中的实际水平的功率流(从数百千瓦到兆瓦),二极管将:(a)重,(b)拒绝必须由另外的热倾卸/冷却系统管理的数百瓦特到千瓦的热量,以及(c)需要用于正常电池充电操作的旁路电路。所有这些都将显著地降低系统效率并且使设计复杂化。但是即使如此,电池串将不能以降低的水平提供电力,因为二极管阴极处的电压将高于其阳极处的电压,并且因此二极管将保持闭合,直到并联的未受影响的电池串的电压水平自然地下降到低于故障电池串24a中剩余的串联连接的模块的水平。

根据一个提出的实施例,实现“虚拟”二极管的概念,使得仅在ELCU 70从BPMS 22接收到未受影响的电池串的系统电压下降到低于故障电池串24a的剩余健康电池模块的电压的信息之后,首先将故障电池串24a从系统断开连接并且然后连接回来。如上所述,BPMS22为了协调的目的通信地耦合到所有中点电池断开子系统14,并且具有总体控制。来自每个单独的ELCU的信息被路由到BPMS 22的主控制器中。该通信可以是双向的,这使得BPMS22能够向ELCU 70通知关于剩余的健康电池串的电压。

参考图19可以解释该过程。首先,跨故障电池串24a的半串25a中的一个或多个电池模块4发生故障3、3a或3b。当跨受影响的模块和跨整个串的电压崩溃至显著低于标称电压的水平时,该故障通过穿过电池组18的正极侧上的电流传感器16(例如,霍尔效应电流传感器)的过电流保护模块和/或通过ELCU 70内部的电压保护(图19中未示出)来检测。在故障期间,连接至总线38a和36b的受故障影响的串的电流传感器16可以感测大的负电流,因为未受影响的电池串24b至24K将向故障电池串24a供应电流以均衡所有串的电压。

当跨模块存在故障时,跨模块的电压崩溃为接近零。感测电路可以被实现为连接至差动保护模块72的电阻性压器(参见图11)。在短路的情况下,在电池模块的高侧和低侧的电压将被差动保护模块72读取为几乎相同的值-这与电压是M×V

当检测到欠压或过电流时,ELCU 70命令故障电池串24a的中点断开电路15断开。作为冗余水平,故障电池串24a与电池汇流排38a和38b之间的串接触器8也在相同情况下由ELCU 70命令断开。这些步骤独立于参考图15-图18描述的过程并且在一毫秒至数毫秒的时间帧内执行。该时间不足以使受影响的模块的弱化的熔丝连接环熔断并清除故障。然而,快速隔离故障电池串24a是重要的,因为如果其他并联电池串24b至24K将其电流提供给故障电池串24a,则这可能导致对所有电池串的电池单元的热损坏、故障位置处的热损坏和系统中不可预知的电压不稳定性。

当断开故障电池串24a时,受故障影响的电池模块4内部的弱化的熔丝连接环在清理时间t

图20是示出在正常(未受干扰)操作期间(实线)并且在一个电池串中故障启动期间、在一个电池串中故障电池模块的隔离以及一个电池串的健康电池模块的后续重新连接期间(虚线),具有多个电池串的电池系统的电压和电流与时间的曲线图。

图20指示在故障已经通过熔断一个或多个电池模块的弱化的熔丝连接环并闭合相关联的旁路开关而被清除之后故障的电池串的及时协调的重新连接。为了简单并且为了证明主要目的,故障瞬间的故障串的电压(V

V

要在ELCU中编程的连接例程是基于跨未受影响的电池组串和跨故障的电池组串中的单独模块的电压的实际测量。通过首先闭合串接触器8并且然后通过闭合中点断开接触器66(参见图2)或MOSFET 88(参见图3)来执行在时间t

此外,本公开没有解决操作具有不同充电状态但跨串具有相同或几乎相等的电压的并联单元串的问题,因此所有曲线、它们的绝对值和斜率、以及转变的精确定时仅用于说明的目的。在安全完成任务之后,将解决所有伴随的低效率和对系统的相关影响。

某些系统、设备、应用或过程在此已经被描述为包括多个模块。除了优选地实施为硬件或固件以实现如本文公开的流式计算的那些模块之外,模块可以是可以软件、硬件或其组合实施的不同功能性的单元。当通过软件在任何部分中执行模块的功能时,模块可包括非暂时性有形计算机可读存储介质。

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设备和方法的一些可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面,流程图或框图中的每个框可以表示模块、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,硬件可以例如采取被制造或配置为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。

虽然已经参考各种实施例描述了用于缓解电池组中由于一个或多个电池模块外部和跨一个或多个电池模块的故障而引起的能量的突然释放的设备和方法,但是本领域技术人员将理解,在不脱离本文中的教导的范围的情况下,可进行各种改变并且等同物可替代其元件。此外,在不脱离本文中的教导的范围的情况下,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,权利要求旨在不限于本文公开的特定实施例。

本文公开的电力推进控制器、发动机控制单元(也称为发动机控制器)、逆变器控制器和电子负载控制单元可使用硬件或硬件与软件组合来实现。例如,可使用可配置硬件、可编程装置或可配置硬件和可编程装置两者来实施控制器或控制模块。可配置硬件可以包括可配置以执行控制器的一个或多个功能的硬件。可编程装置可以包括可编程以实现控制器的一个或多个功能的任何装置。例如但不限于,可编程装置可以包括中央处理单元、微处理器或数字信号处理器。可编程装置可以被配置为以程序指令的形式运行软件或固件,以实现控制器的一个或多个功能。程序指令可以存储在任何适当的非暂时性有形计算机可读存储介质中,用于由可编程装置执行或转移到可编程装置。

具体地,本文公开的电子负载控制单元(控制模块)根据包括用于提供本文公开的电池模块保护和电池系统重构的一个或多个算法的控制逻辑来配置。控制模块可以是可以软件、硬件或软件和硬件的组合实现的不同功能的单元。当通过软件在任何部分中执行控制模块的功能时,模块可包括非暂时性有形计算机可读存储介质。以上公开的方法可以采用流式(或即时)计算,在这种情况下,被配置为执行那些计算的控制模块适合于FPGA或ASIC或其他基于硬件的实现。

本文所描述和要求保护的方法可以包括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的步骤。当由处理或计算系统执行时,这样的指令使系统装置执行本文描述的方法的至少一部分。

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速记参考成为可能,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:

A1.一种电池系统,包括:

一对汇流排(46a、46b);

电池组(18),包括跨正极汇流排和负极汇流排并联连接的多个电池串(24);

多个串接触器(8),设置在汇流排中的一个与相应电池串之间并且连接至该汇流排中的一个和相应电池串;

多个电子控制单元(70),连接至相应电池组;以及

电池组管理系统(22),通信地耦接至多个电子控制单元,

其中,每个电池串包括:第一半串和第二半串(25a,25b),跨正极电池汇流排和负极电池汇流排串联连接;以及中点断开电路(15),设置在第一半串与第二半串之间并且连接至该第一半串和第二半串;

其中,第一半串包括串联连接的第一多个电池模块(4),并且第二半串包括串联连接的第二多个电池模块(4);

其中,电池模块中的每个电池模块包括:阳极(46a);阴极(46b);多个虚拟单元(26a-26d),串联连接在阳极与阴极之间,该多个虚拟单元包括第一虚拟单元(26a)和第二虚拟单元(26b),第一虚拟单元(26a)包括连接至弱化的熔丝连接环(56a)的并联电池单元(5),第二虚拟单元(26b)包括连接至非弱化的熔丝连接环(56)的并联电池单元(5);旁路开关(42),连接至阳极和阴极;以及电弧检测设备(44),被定位和配置为检测第一虚拟单元中的电弧;并且

其中,每个电子负载控制单元连接至每个电弧检测设备并且连接至相应电池串的每个旁路开关,并且被配置为闭合任何电池模块的旁路开关,其中,电弧检测设备输出指示电池模块的第一虚拟单元中存在电弧的状态信号。

A2.根据段落A1所述的电池系统,其中,每个电子负载控制单元包括过电流保护模块(78)和差动保护模块(72),连接至相应的中点断开电路和相应的串接触器,并且进一步被配置为响应于由过电流保护模块检测到过电流状况或者由差动保护模块检测到电池模块中的欠压状况而在任何旁路开关闭合之前断开中点断开电路和串接触器。

A3.根据段落A2所述的电池系统,其中,每个电子负载控制单元进一步被配置为在未受影响的电池串的系统电压下降到故障电池串的剩余健康电池模块的电压以下时,在一个或多个旁路开关闭合之后闭合中点断开电路和串接触器。

A4.一种用于配置当串接触器(8)闭合时电连接至汇流排(38a)的电池串(24)的方法,该电池串包括当中点断开电路(15)闭合时串联电连接的一对半串(25a、25b),该对半串中的一个经由闭合的串接触器电连接至该汇流排,并且该对半串中的每一个包括相应的串联连接的多个电池模块(4),该方法包括:

检测在包括在多个电池模块中的一个电池模块中的故障电池模块(4a)中发生电弧(3);以及

响应于检测到电弧而闭合旁路开关(42),该旁路开关连接故障电池模块的阳极(虚拟单元26a的单元汇流排46a)和阴极(虚拟单元26d的单元汇流排46b)。

A5.根据段落A4所述的方法,进一步包括在闭合旁路开关之前断开串接触器和中点断开电路。

A6.一种电池模块(4),包括:

第一总线(48),包括第一汇流排(48a)和第二汇流排(48b);

第一多个熔丝连接环(56a),连接至第一汇流排和第二汇流排;

第二总线,包括第三汇流排(46a)和第四汇流排(46b);

多个电池单元(5),连接至第三汇流排和第四汇流排中的一个;以及

第二多个熔丝连接环(56),连接至第三汇流排和第四汇流排中的另一个并且分别连接至多个电池单元,

其中,第一多个熔丝连接环被配置为在跨电池模块的阳极(虚拟单元26a的单元汇流排46a)和阴极(虚拟单元26d的单元汇流排46b)短路的情况下,在第二多个熔丝连接环熔断之前熔断。

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