用于高电流电路的快速电池断开系统

相关申请的交叉引用

本公开要求2018年11月13日提交的美国临时申请62/760858的权益，该临时申请据此全文以引用方式并入本文。

引言

电动车辆通常包括连接到负载的高功率电池，诸如电驱动单元。此类电池的端子之间的电压可超过300V，其中工作电流超过500A。因为端子之间的短路会对电动车辆的乘员造成危险和/或损坏车辆的部件，所以常规的电动车辆包括与电池和负载串联的熔断器以中断短路。通常，基于电动车辆的最大预期工作电流来选择熔断器的额定电流容量。由于常规熔断器的热、非线性性质，随着熔断器的额定电流容量增加，导致熔断器中断电路所需的时间量也增加。因此，常规熔断器可能无法足够快地中断电路以防止对电路的损坏。

发明内容

在一些实施方案中，提供了一种电池系统。该电池系统包括两个熔断器、两个接触器和一个或多个电池单元。两个熔断器、两个接触器和一个或多个电池单元各自包括两个端子。一个或多个电池单元的第一端子并联电耦接到第一熔断器和第二熔断器的第一电端子。第一熔断器的第二端子电耦接到第一接触器的第一端子，并且第二熔断器的第二端子电耦接到第二接触器的第一端子。第一接触器的第二端子和第二接触器的第二端子并联电耦接(例如，经由母线)。第一熔断器和第二熔断器各自包括局部最小横截面积，该局部最小横截面积被配置为在预定电流下熔化，从而在超过该电流时中断电路。

在一些实施方案中，电池系统还包括接触器控制模块，该接触器控制模块被配置为设置第一接触器和第二接触器的打开状态和闭合状态中的至少一者。在此类实施方案中，接触器控制模块可经由相应接触器的控制端子控制第一接触器和第二接触器的状态。在一些实施方案中，接触器控制模块被配置为基于检测到预定安培范围内的电流将第一接触器和第二接触器中的一者设置为打开状态。在此类实施方案中，预定安培范围可在2,400安培至5,000安培内。在一些实施方案中，接触器控制模块被配置为基于检测到电流大于预定安培数，将第一接触器和第二接触器均保持在闭合状态。例如，在此类实施方案中，预定安培范围可为至少5,000安培。

在一些实施方案中，电池系统位于电动车辆中。在此类实施方案中，接触器控制模块被进一步配置为检测车辆故障状况。响应于检测到车辆故障状况，接触器控制模块将第一接触器设置为打开状态并将第二接触器设置为闭合状态。当存在车辆故障状况时，电动车辆可以降低的性能模式工作。

在一些实施方案中，电耦接第一接触器和第二接触器的第二端子的母线向电动车辆提供开关式功率。在一些实施方案中，第三接触器经由第一接触器端子电耦接到母线。第二接触器端子电耦接到充电端口。

在一些实施方案中，第四接触器和第五接触器的第一接触器端子中的每个接触器端子并联电耦接(例如，经由母线)到第二电池模块端子(例如，带负电的端子)。母线可并联电耦接第四接触器和第五接触器的第二接触器端子，并且可向电动车辆提供开关式功率。

在一些实施方案中，第一电池模块端子电耦接到一个或多个电池单元的正端子，并且第二电池模块端子电耦接到一个或多个电池单元的负端子。第一电池模块端子和第二电池模块端子可以是非开关式端子。在一些实施方案中，第一电池模块端子和第二电池模块端子之间的电压大于300伏。电池系统的最大工作电流可在1,000安培和2,500安培之间。

附图说明

参考以下附图详细描述了根据一个或多个各种实施方案的本公开。附图仅出于举例说明的目的而提供，并且仅示出典型的或示例性实施方案。提供这些附图以有利于理解本文所公开的概念，并且这些附图不应被认为是对这些概念的广度、范围或适用性的限制。应当指出的是，为了清楚起见和便于说明，这些附图未必按比例绘制。

图1示出了根据本公开的一些实施方案的接触器、熔断器和电池单元的示例性配置；

图2示出了根据本公开的一些实施方案的接触器、熔断器和电池单元的另外的示例性配置；

图3示出了根据本公开的一些实施方案布置的例示性接触器和熔断器；并且

图4示出了根据本公开的一些实施方案的示例性接触器控制配置。

具体实施方式

随着电池技术的进步，电动车辆电池模块的电压和工作电流均已提高。电动车辆的高功率电池模块端子之间的短路会对车辆乘员造成危险和/或损坏车辆部件。为了保护乘员和电子部件，电动车辆包括电池断开部件，通常为熔断器，该电池断开部件被配置为在过电流事件期间使电力与电池断开。通常，基于电动车辆的最大预期工作电流来选择熔断器的额定电流容量。由于常规熔断器的热、非线性性质，随着熔断器的额定电流容量增加，导致熔断器中断电路所需的时间量也增加。因为由短路事件引起的损坏可与事件的持续时间成正比，所以增加的中断时间可导致电动汽车损坏，而这种损坏原本可通过更快的断开来防止。

本公开涉及一种用于在电路正经历过电流事件的情况下将电池组与电路快速断开的系统。例如，电路(诸如电动车辆中的电路)可包括连接到多个电子器件(诸如一个或多个马达、控制器、空调系统、照明电路、信息娱乐系统等)的高功率电池组，其中线束将各种电子器件电耦接到电池。如果电路中的一个或多个部件经历电气故障(例如，由车辆碰撞或其中一个电子器件的故障引起的线束短路)，则本文所述的电池断开系统可快速地将电池从电路断开，以防止或减少由于电气故障对电路部件造成的损坏量。

图1示出了根据本公开的一些实施方案的接触器、熔断器和电池单元的示例性配置。配置100示出了接触器104A、104B和110、接触器控制模块102、熔断器106A和106B以及电池模块108，其被布置成减少在各种电路电流下将电池与负载断开所需的时间量。配置100中所示的示例性系统包括连接到电池端子(例如，电池模块108的电池端子)的至少两个并联熔断路径(例如，由接触器104A和熔断器106A形成的第一路径以及由接触器104B和熔断器106B形成的第二路径)。并联路径通过将熔断器106A的第一熔断器端子和熔断器106B的第一熔断器端子电耦接(例如，经由母线)到电池模块108的第一电池端子(例如，带正电端子)而形成。

在一些实施方案中，电池模块108包括以串联和并联连接方式连接的多个电池单元，该多个电池单元具有超过300伏的总电势。在一些实施方案中，由电池模块108提供的总电路电流可在600安培至1,000安培之间变化。因为电流在并联熔断路径(例如，由接触器104A和熔断器106A形成的第一路径以及由接触器104B和熔断器106B形成的第二路径)上大致等距地分流，所以选择每个熔断器的额定电流，使得额定电流小于所需的最大工作电路电流(例如，600安培至1,000安培)。例如，在图1所示的双熔断器配置中，熔断器106A和106B中的每个熔断器可被选择为具有所需的最大工作电路电流(例如，600安培至1,000安培)的大约一半(例如，300安培至500安培)的额定电流。由于常规熔断器的热特性，双熔断器配置中的熔断器106A和106B中的每个熔断器(例如，具有大约300安培至500安培的额定电流的熔断器)的中断时间显著低于具有两倍额定电流的常规熔断器(例如，具有600安培至1,000安培之间的额定电流的熔断器)的中断时间。因此，在超过1,000安培的过电流事件中，500安培双熔断器将比1,000安培的单熔断器更快地中断电路。

熔断并联路径中的每个熔断并联路径包括串联连接到熔断器的相应接触器。例如，接触器104A的第一接触器端子串联电耦接到熔断器106A的第二熔断器端子，并且接触器104B的第一接触器端子电耦接到熔断器106B的第二熔断器端子。接触器104A和接触器104B的相应第二接触器端子可并联电耦接(例如，经由母线)到负载(例如，负载的正端子)。

在一些实施方案中，第二组接触器电耦接到负载和电池模块。例如，接触器110中的每个接触器的第一接触器端子可电耦接(例如，经由母线)到电池模块108的第二端子(例如，带负电的端子)。接触器110中的每个接触器的第二接触器端子可并联电耦接到负载(例如，负载的负端子)。

在一些实施方案中，接触器104A、104B和110中的每个接触器可被配置为将电路与电池端子电耦接或解耦(例如，基于从接触器控制模块102接收的信号)。接触器(例如，接触器104A、104B和110)中的每个接触器具有相应的最大断开电流，并且可在小于最大断开电流的负载下安全地耦接和解耦电路。如果负载超过最大断开电流，则接触器可能在发生解耦时被损坏。在一些实施方案中，每个接触器(例如，接触器104A、104B和110)包括电耦接到接触器控制模块102的接触器控制端子。在此类实施方案中，接触器控制模块102控制接触器的打开状态和闭合状态。

在一些实施方案中，如果电池系统检测到电路的过电流事件小于每个接触器的最大断开电流，则接触器控制模块102可使接触器104A、104B和110打开，从而将电路与电池快速解耦而不会熔断熔断器。在一些实施方案中，响应于检测到过电流事件低于每个接触器的最大断开电流，接触器控制模块可指示接触器110或接触器104A和104B中的一者打开，从而将电池模块108的第一电池端子或第二电池端子与电路解耦。

在一些实施方案中，如果电池系统检测到电路的过电流事件大于每个接触器的最大断开电流，但小于最大断开电流的两倍，则系统可使一个并联路径(例如，由接触器104A和106A形成的并联路径)与电池端子解耦，从而导致第二并联路径中的熔断器(例如，熔断器106B)超过额定电流并熔断熔断器，从而断开电路。在一些实施方案中，熔断器的额定电流可被选择为类似于接触器的最大断开电流。由于熔断器的较小额定电流(相对于需要两倍额定电流的熔断器)，系统能够比需要两倍中断电流的单个熔断器所需更快地熔断并联熔断器中的一个熔断器。因为由短路事件引起的损坏可与事件的持续时间成正比，所以中断时间的减少可导致对电路的损坏减少。然而，由于电路的过电流事件超过接触器(例如，接触器104A)的最大断开电流，所以接触器将在解耦期间被损坏。在一些实施方案中，当电池系统位于电动车辆中时，电池系统将保持指示接触器中的一个接触器被损坏的记录并且将通知电动车辆的操作者。在一些实施方案中，电动车辆将以低功率模式工作(例如，正常工作的电流的一半)。在更换损坏的部件时，系统将恢复正常工作。

在一些实施方案中，如果电池系统检测到大于最大断开电流的两倍的过电流事件，则电池系统经由接触器控制模块102将接触器104A、104B和110保持在闭合状态，从而导致并联路径中的熔断器106A和106B熔断(例如，因为熔断器的额定电流被选择为小于或等于接触器的最大断开电流)。

尽管关于与电池的正端子的连接讨论了熔断并联路径，但是熔断并联路径可替代地连接到电池的负端子。在一些实施方案中，第一组并联路径可连接到电池的正端子，并且第二并联路径可连接到电池的负端子。

图2示出了根据本公开的一些实施方案的接触器、熔断器和电池单元的另外的示例性配置。在一些实施方案中，关于图1描述的接触器(例如，接触器104A、104B和110)、熔断器(例如，熔断器106A和106B)、接触器控制模块(例如，接触器控制模块102)和电池模块(例如，电池模块108)在电气上等同于图2所示的对应部件。在配置200中，熔断并联路径连接到电池模块的负端子，而不是如在配置100中那样连接到电池模块的正端子。第一熔断器(例如，熔断器206A)的第一端子和第二熔断器(例如，熔断器206B)并联电耦接到电池(例如，电池模块208)的负端子。

电池模块208可包括以串联和并联连接方式连接的多个电池单元，该多个电池单元在电池模块的最正电端子和电池模块的最负电端子之间具有超过300伏的总电势。第一熔断器(例如，熔断器206A)的第二端子电耦接到第一接触器(例如，接触器210A)的第一端子。第二熔断器(例如，熔断器206B)的第二端子电耦接到第二接触器(例如，接触器210B)的第一端子。第一接触器和第二接触器的第二端子并联电耦接。在一些实施方案中，第一接触器和第二接触器的第二端子并联电耦接到母线，该母线向电动车辆提供开关式功率。在一些实施方案中，母线电耦接到第三接触器，该第三接触器被配置为控制电池的充电电路(下文关于图3进一步讨论)。

第二非熔断并联路径连接到电池模块208的正端子。接触器204的相应第一接触器端子并联电耦接(例如，经由母线)到电池208的带正电端子。尽管配置200示出了第二并联路径中的两个接触器(例如，接触器204)，但在不脱离本公开范围的情况下，可使用一个或多个接触器。每个接触器的相应第二接触器端子可并联电耦接(例如，经由母线)。在一些实施方案中，第二接触器端子电耦接到负载和/或第三接触器，该第三接触器被配置为控制电池的充电电路。

虽然配置100和200示出了具有与接触器串联电耦接到电池的熔断器的端子的熔断并联路径，但是在不脱离本公开范围的情况下，熔断器和接触器串联的顺序可改变。例如，第一接触器(例如，接触器104A或接触器210A)的第一接触器端子可电耦接到电池模块(例如，电池模块108或208)的正端子。第一接触器(例如，接触器104A或接触器210A)的第二接触器端子可电耦接到第一熔断器(例如，熔断器106A或206A)的第一熔断器端子。第一熔断器(例如，熔断器106A或206A)的第二熔断器端子可电耦接到负载和第二并联路径(例如，熔断器106B和接触器104B之间的串联连接或熔断器206B和210B之间的串联连接)。

在一些实施方案中，当接触器控制模块102或202检测到故障事件(例如，车辆碰撞或短路)时，接触器控制模块可基于测量的电流值设置第一接触器(例如，接触器104A或210A)和/或第二接触器(例如，接触器104B或210B)的状态以最佳地最小化断开时间(关于图4进一步讨论)。当接触器控制模块检测到故障事件并且电路电流低于最大接触器断开电流(例如，由于碰撞)时，接触器控制模块可打开两个接触器(例如，接触器104A和104B或者接触器210A和210B)。当接触器控制模块检测到电流过载小于最大接触器断开电流的两倍但大于最大接触器断开电流时，接触器控制模块可打开第一并联路径上的接触器以增加第二并联路径上的电流，从而使第二并联路径上的熔断器过载(例如，接触器控制模块202可打开接触器210A并使接触器210B闭合，从而使熔断器206B熔断并中断电路)。当接触器控制模块检测到电流过载超过最大接触器断开电流的两倍时，接触器控制模块可使两个接触器(例如，两个接触器104A和104B或两个接触器210A和210B)保持闭合，从而使熔断器(例如，两个熔断器106A和106B或两个熔断器206A和206B)在两个并联路径上过载。通过在各种电流条件下为接触器中的每个接触器设置或保持打开或闭合状态，系统能够最佳地最小化断开时间。

图3示出了根据本公开的一些实施方案布置的例示性接触器和熔断器。布置300示出了与充电电路耦接的示例性熔断并联路径(例如，图1和图2所示的并联路径之一)。在布置300中，母线306将第一接触器302和第二接触器304的相应第一接触器端子并联电耦接到电池模块端子(例如，电池模块108和208的正端子或负端子)。在一些实施方案中，接触器302和304可以上文关于图1中接触器104A和104B以及图2中接触器210A和210B所述的方式工作，以减少过电流事件期间电路的断开时间。在一些实施方案中，接触器302和304各自包括相应的接触器控制端子(例如，接触器控制端子322和接触器控制端子324)，该接触器控制端子电耦接到接触器控制模块(例如，图1所示的接触器控制模块102或图2所示的接触器控制模块202)。接触器控制模块可通过经由接触器控制端子322和324发送信号以打开或闭合接触器来设置接触器的状态。

在一些实施方案中，接触器控制模块被配置为基于车辆的电路电流和/或工作状态，将接触器设置为打开状态(例如，电解耦接触器的第一端子和接触器的第二端子之间的内部连接)或闭合状态(例如，电耦接接触器的第一端子和接触器的第二端子之间的内部连接)。例如，当用户打开电动车辆时，接触器控制模块可将接触器302和接触器304从打开状态设置为闭合状态。又如，接触器控制模块可基于检测到过电流事件将接触器302和304中的一个或多个接触器从闭合状态设置为打开状态。在一些实施方案中，接触器控制模块基于检测到的电路电流(下文关于图4进一步讨论)，选择过电流事件期间处于打开状态的接触器的数量。

第一接触器302的第二接触器端子经由母线308电耦接到第一熔断器312的第一熔断器端子。第二接触器304的第二接触器端子经由母线310电耦接到第二熔断器314的第一熔断器端子。第一熔断器312和第二熔断器314的相应第二熔断器端子可经由母线316并联电耦接。在一些实施方案中，母线316电耦接到负载，诸如电动马达。熔断器312和314的额定电流可如上关于图1中的熔断器106A和106B以及图2中的熔断器206A和206B所述的那样选择。例如，如果电动车辆的预期最大电路电流为1,000安培，则熔断器312和314中的每个熔断器的额定电流可为500安培，为最大电路电流的一半。

在一些实施方案中，母线316另外经由第一接触器端子耦接到充电接触器，诸如接触器318。充电接触器318可控制电流的流入以对电池模块(例如，电池模块108或208)充电。接触器控制模块(例如，接触器控制模块102或202)可基于电池的充电状态控制接触器318的打开或闭合状态。例如，电池控制模块(例如，经由接触器控制模块108或208)可在电池未充电时将接触器318设置为打开状态(例如，经由接触器控制端子326)，并且在电池充电时将该接触器设置为闭合状态。

尽管图3被示为具有并联路径(例如，包括接触器302和熔断器312的第一路径，以及包括接触器304和熔断器314的第二路径，但在不脱离本公开范围的情况下，在电池模块和负载之间可存在一个或多个路径。在一些实施方案中，熔断器不与接触器(例如，在图1中示出为接触器110并且在图2中示出为接触器204)串联放置。在此类实施方案中，接触器302和304的第二接触器端子可经由母线316电耦接到充电接触器(例如，接触器318)，而不连接到母线308和310或熔断器312和314。

图4示出了根据本公开的一些实施方案的示例性接触器控制图示。图示400可视地示出了接触器控制模块可如何基于电路电流确定在过电流事件期间是否打开一个或多个接触器。在图示400中，接触器控制模块在电路电流低于第一阈值408时，将接触器(例如，接触器302和304)设置为第一状态402；在电路电流在第一阈值408和第二阈值410之间时，将接触器设置为第二状态404；以及在电路电流高于第二阈值410时，将接触器设置为第三状态406。图示400中所示的各种状态和阈值可基于电动车辆中的部件的电参数(例如，熔断器和接触器的额定电流、最大电路电流、断开时间等)来选择，并且被优化以减少过电流事件期间的断开时间并保护电动车辆的部件。例如，接触器能够在相同电路电流下比熔断器更快地中断电路。然而，接触器可仅在电路电流小于阈值时中断电路而不对接触器造成损坏。在特定过电流事件下，可能更有利的是通过断开两个接触器来中断电路，而在其他电路电流下(例如，如果断开，则可能发生接触器的损坏)，可能有利的是保持一个或多个接触器闭合并熔断熔断器。

在第一状态402中，接触器控制模块响应于检测到小于第一阈值的过电流事件而将两个接触器(例如，接触器302和304)设置为打开状态。例如，接触器可安全地中断每个接触器2,400安培的电流而不会被损坏。接触器控制模块可指示接触器在过电流事件低于2,400安培时打开，而不会对接触器造成损坏。例如，接触器控制模块可确定电动车辆已发生碰撞(例如，基于来自碰撞检测系统的通信)。当接触器控制模块检测到碰撞时，如果电路电流低于2,400安培，则接触器控制模块指示第一接触器(例如，接触器302)和第二接触器(例如，接触器304)打开。在一些实施方案中，断开电池模块和负载之间的电流的时间可以是控制模块控制接触器所需的时间(例如，50ms)加上接触器在接收控制信号之后打开所需的时间(例如，25ms)的总和。因为第一接触器和第二接触器打开而没有引起或等待熔断器熔断，所以系统能够比仅包括熔断器的类似系统更快地将电池模块与负载断开。此外，因为接触器在正常工作电流(例如，小于第一阈值电流)下断开，所以在车辆恢复服务之前可能不需要更换接触器和熔断器。

在第二状态404中，接触器控制模块将两个接触器中的第一接触器(例如，接触器302)，设置为打开状态并且当电流高于第一阈值408但低于第二阈值410时，将两个接触器中的第二接触器(例如，接触器304)保持在闭合状态。如上所述，可基于最大电流来选择第一阈值，在该最大电流(例如，2,400安培)下接触器可在负载下安全地断开电路而不会对接触器造成损坏。由于电流在并联的两条路径上均分，因此接触器能够在较高负载下安全地断开电路电流，使正常工作电流加倍(例如，5,000安培)。然而，在这种负载下，打开的接触器可能在断开电路时损坏。在第二状态404中，当接触器控制模块指示第一接触器(例如，接触器302)打开时，电流被引导通过第二路径(例如，包括接触器304和熔断器314的路径)。因为电路电流(例如，在2,400安培和5,000安培之间)远远超过熔断器的额定电流(例如，1,000安培)，所以熔断器熔断并且电路中断。在这种情况下，因为接触器在超过2,400安培的负载下打开，因此第一接触器(例如，接触器302)可能被损坏。

在一些实施方案中，接触器控制模块监测电池的电流输出(例如，基于来自电池监测系统、马达控制器的通信，或者通过监测电流随时间的变化，并且可确定给定时间段内的电流变化超过预定值)。例如，接触器控制模块可检测软短路，诸如具有在2,400安培的第一阈值与5,000安培的第二阈值之间的电路电流的动力系过电流事件。在一些实施方案中，中断电池模块和负载之间的电流的时间可以是控制模块控制接触器所需的时间(例如，50ms)加上接触器在接收控制信号之后打开所需的时间(例如，25ms)加上熔断器在该电路电流下熔断所需的时间(例如，0.1s)的总和。由于熔断器的热性质，中断时间可随着电路电流增加而越来越短。

在一些实施方案中，响应于检测到车辆故障状况，诸如软短路，电池系统可以低功率模式(例如，通过利用正常工作电流的50％)发动汽车。在低功率模式下，电池系统可将第一接触器设置为打开状态并将第二接触器设置为闭合状态，从而将电池系统的最大工作电流减小一半。在此类实施方案中，电池系统可结合汽车的其他系统诸如马达控制器一起工作，以保持电路电流低于减小的最大工作电流。

在第三状态406中，当电路电流高于第二阈值410时，接触器控制模块将第一接触器(例如，接触器302)和第二接触器(例如，接触器304)保持在闭合状态。例如，当过电流事件超过5,000安培时(例如，基于电池的最正极开关式端子和电池的最负极开关式端子之间的硬短路)，接触器控制模块可使第一接触器和第二接触器保持闭合，从而导致熔断器312和314熔断。在第三状态406中，断开时间高度依赖于熔断器的特性。例如，在5,000安培的过电流事件期间，两个熔断器的断开时间可比在20,000安培的过电流事件期间的断开时间大一个数量级。

在一些实施方案中，电池系统可另外包括至少一个接触器，该至少一个接触器电耦接到未熔断的电池端子(在图1中示出为接触器110并且在图2中示出为接触器204)。例如，电池系统可包括第四接触器和第五接触器，每个接触器具有并联电耦接到电池端子(例如，电池的负端子)的相应第一端子。第四接触器和第五接触器可各自包括并联耦接到母线的相应第二端子。该母线可电耦接到负载。在一些实施方案中，接触器控制模块控制第四接触器和第五接触器的状态，如上文根据图4所述。

尽管关于双接触器和双熔断器配置讨论了上述示例，但可使用一个或多个接触器。例如，一些实施方案包括三个接触器，这些接触器具有并联电耦接到第一电池端子的第一端子和串联电耦接到相应熔断器的第一端子的第二端子。相应熔断器的第二端子可并联电耦接到负载。第二电池端子可电耦接到一个或多个接触器(例如，三个接触器的未熔断并联组合)。接触器中的每个接触器可包括相应的接触器控制端子，并且接触器控制模块可控制在过电流事件或碰撞期间将接触器设置为打开或闭合状态，以最小化电池模块和负载之间的断开时间。

前述内容只是举例说明本公开的原理，并且在不脱离本公开的范围的情况下，本领域的技术人员可做出各种修改。上述实施方案是出于举例说明而非限制的目的而呈现的。本公开还可采用除本文明确描述的那些形式之外的许多形式。因此，应当强调的是，本公开不限于明确公开的方法、系统和装置，而是旨在包括其变型和修改，这些变型和修改在以下权利要求书的实质内。