独立于电池管理系统进行故障安全电池保护的系统和方法技术方案

公开了独立于电池管理系统进行故障安全电池保护的系统和方法，具体地用于在防止过度充电的同时对电池串进行充电的方法和系统。一种系统包括：一对开关装置；配电总线，经由开关装置电连接到电池串；电池充电器，连接以将电池电力供应至配电总线以对电池串充电；模块监测单元，被配置为在充电期间感测各个电池单元电压；第一处理器，被配置为当所感测的各个电池单元电压指示过充电时促使一个开关装置断开；多个传感器，连接为感测在电池串两端测量的全串电压以及在电池串的第一半串和第二半串两端测量的第一和第二半串电压；以及第二处理器，经连接以在充电期间接收传感器数据。第二处理器被配置为当传感器数据指示连续的过度充电时独立地促使第二开关装置打开。度充电时独立地促使第二开关装置打开。度充电时独立地促使第二开关装置打开。

【技术实现步骤摘要】
独立于电池管理系统进行故障安全电池保护的系统和方法


[0001]本公开总体上涉及用于在交通工具(诸如飞行器)上的模块化电池系统的受控或不受控充电期间缓解过度充电的系统和方法。

技术介绍

[0002]当电动机用于推进飞行器时，电能由电源供应。例如，电能可由包括电池模块串的DC电源供应。如在本文中使用的，术语“电池模块”是指包括单个电池单元或串联、并联、或串并联混合接线的多个电池单元的电池。如本文中使用的，术语“电池串”表示串联接线的多个电池模块。在一个实施方式中，当通过闭合介入的开关或接触器连接至配电总线时，电池串提供高压直流(HVDC)电力。如本文中使用的，术语“连接”是指耦接以用于供应电力，并且术语“断开”是指解耦接以不供应电力。如在本文中使用的，在直流背景下的术语“高电压”实际上是指高于600V
DC
的任何DC电压。
[0003]在具有全电力或混合动力推进系统的一些飞行器中，高容量高电压(例如，600/1000/2000V
DC
)电池组用于向大型电动机提供电力。飞行器电池组可具有并联布置的多个串的架构，以确保足够的电力流入在固定的操作水平下的负载。在空中应用中，高功率/高电压电保护的安全和临界性水平是严格的，从而要求多个相异的冗余保护，包括故障安全和关闭机制。(如在本文中使用的，术语“故障安全”是指在特定类型的故障的情况下，以防止或减轻系统故障的不安全后果的方式固有地响应的设计特征或实践。)空中应用需要极高水平的临界性(criticality)和完整性以用于电池过充电保护或可能导致电池热失控的其他事件或事件的组合。
[0004]在正常再生模式或故障模式期间，电池(例如，锂离子电池)可由电池充电器电子器件和由HVDC负载充电。作为第一层保护的电池管理系统(BMS)通常包括使用单独电池电压的冗余监测和保护以使用双电池管理单元(在下文中“模块监测单元”)防止过充电。对于飞行器应用，需要与电池管理单元分离的附加的独立且相异的故障安全层来提供与CAT III适航性要求(例如，故障概率小于10
‑9)兼容的双重或三重冗余解决方案。
[0005]具体地，需要一种方案来解决在飞行器的电池充电期间提供冗余、独立和故障保护操作以缓解各种情形的问题。通过至少三种不同类型的故障事件可以产生锂离子电池过充电状态：(1)电池充电器调节电路故障导致电池充电电压高于充电终止电压；(2)电池内部故障导致更少的电池单元串联连接和电池充电器在其正常的充电终止电压带中操作(例如，通过内部可熔断体移除的一个电池模块的短路)；以及(3)例如，在电动机和/或逆变器发生故障或失灵的情况下，不可控制地再生反馈给电池的电力。这是地面操作和飞行操作中的重要方面，因为当前趋势旨在通过利用例如高压快速充电器来减少电池充电时间，高压快速充电器本质上较不精确地被控制或其控制需要更可靠和昂贵的解决方案。
[0006]当前，在充电过程中的保护功能是由BMS的模块管理单元(以下称为“MMU”)在充电源(如电池充电器)或主动控制负载(如果能够进行再生充电)下实现的。典型地，MMU被设计成通过监测每个单独的电池单元电压并且隔离电池来检测这些过充电条件。而且，在MMU中
实现的解决方案依赖于监测单独的电池单元，这增加了电池系统的成本，并且在操作电压增加(与达到操作电压所需的串联连接的电池单元的数量的增加成比例)时降低了系统的可靠性。独立于MMU且不同于MMU的另外的保护和隔离(故障安全类型)层将为上述过充电条件提供额外的安全性。

技术实现思路

[0007]以下详细公开的主题涉及用于提供防止机载高压电池组(诸如用于机载电力推进系统的电池组)的过充电的冗余且相异的保护的系统和方法。如在本文中使用的，术语“电池组”包括单个电池串或并联接线的多个电池串，每个电池串包括多个串联连接的电池模块。在此提出的电池过充电保护方案包括：与模块管理单元(MMU)分离的附加的独立且相异的故障安全层，以提供与CAT III适航性要求兼容的双重或三重冗余解决方案。附加的故障安全层是鲁棒的且简单的。优选地，附加的故障安全层不使用单独的单元电压感测。
[0008]根据一些实施方式，该系统和方法包括电池保护装置，该电池保护装置连接并且被配置为在电池充电和放电周期期间提供防止电池组的过充电的冗余且相异的保护。本文提出的电池保护装置在电池管理系统的外部，还提供防止过度充电的电池独立故障安全保护。
[0009]使用与典型的电池保护系统不同的解决方案来实现所提出的独立的故障安全三重冗余电池保护系统的设计。根据一些实施例，故障安全装置使用电压传感器来测量从电池串的中间抽头分别到正母线和负母线的半串电压以及跨整个串的电压(正母线和负母线之间的电势差)。这些电压由硬件(例如，现场可编程门阵列)或以与MMU中和故障安全装置内的充电器中实现的处理不同的方式由软件进行处理并且与预定阈值水平进行比较。动态计算阈值水平以监测电压是否在安全裕度内。安全裕度被定义为防止：(a)从正侧到负侧的电池过电压；以及(b)在充电和放电周期期间，同一电池组的两个半串的电压之间的不平衡。在检测到异常状况时，故障安全控制器命令内部独立开关装置打开，从而清除故障状态(例如，通过隔离故障)。故障安全装置可以在专用壳体中实现或者嵌入在飞行器配电板内部。
[0010]尽管以下将更详细地描述用于提供防止机载高压电池组的过充电的冗余且相异的保护的系统和方法的各种实施方式，但这些实施方式中的一个或多个可以以下方面中的一个或多个为特征。
[0011]以下详细公开的主题的一个方面是一种用于对电池串进行充电的系统，电池串包括在中点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括串联连接的相应的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元，该系统包括：多个第一传感器，连接为感测跨该电池串测量的全串电压、跨该第一半串测量的第一半串电压、以及跨第二半串测量的第二半串电压；故障安全过充电系统，包括第一开关装置和处理器，所述处理器被连接为在充电期间从多个第一传感器接收传感器数据并且向所述第一开关装置发送命令；配电总线，当所述第一开关装置被闭合时，所述配电总线经由所述第一开关装置电连接至电池串；以及电池充电器，连接并且被配置为将电池电力供应至配电总线以对电池串进行充电。故障安全过充电系统的处理器被配置为当来自多个第一传感器的传感器数据指示在充电期间通过停止充电而减轻的不期望的电气状态时，发送命令以打开第一开关装置。更具体地，故
障安全过充电系统的处理器被编程为从传感器数据导出第一测量值，比较第一测量值与第一阈值，并且当第一测量值超过第一阈值时发送命令以打开第一开关装置。
[0012]根据一些实施例，前一段落中描述的系统进一步包括第二开关装置，当第一和第二开关装置闭合时，配电总线经由该第二开关装置电连接至电池串。在这种情况下，故障安全过充电系统的处理器被进一步编程为从传感器数据导出第二测量值，比较第二测量值与高于第一阈值的第二阈值，并且当第二测量值超过第二阈值时发送命令以打开第二开关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于对电池串充电的系统，所述电池串包括在中点处电连接的第一半串和第二半串，每个半串包括相应的串联连接的多个电池模块，每个电池模块包括相应的多个电池单元，所述系统包括：多个第一传感器，连接为感测跨所述电池串测量的全串电压、跨所述第一半串测量的第一半串电压、以及跨所述第二半串测量的第二半串电压；故障安全过充电系统，包括第一开关装置和处理器，所述处理器被连接以在充电期间从所述多个第一传感器接收传感器数据并且向所述第一开关装置发送命令，配电总线，当所述第一开关装置闭合时，所述配电总线经由所述第一开关装置电连接至所述电池串；以及电池充电器，连接并且被配置为将电池电力供应至所述配电总线以对所述电池串充电，其中，所述故障安全过充电系统的所述处理器被配置为：当来自所述多个第一传感器的所述传感器数据指示在充电期间通过停止充电能够减轻的不期望的电气状态时，发送命令以打开所述第一开关装置。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述故障安全过充电系统的所述处理器被编程为从所述传感器数据导出第一测量值，将所述第一测量值与第一阈值进行比较，并且当所述第一测量值超过所述第一阈值时发送所述命令以打开所述第一开关装置。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的第一半串电压与第二半串电压之间的差值，并且所述第一阈值是差值阈值。4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的第一半串电压的幅值，并且所述第一阈值是半串电压阈值。5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一测量值是所感测的电池串电压的幅值，并且所述第一阈值是电池串电压阈值。6.根据权利要求2所述的系统，进一步包括第二开关装置，当所述第一开关装置和第二开关装置被闭合时，所述配电总线通过所述第二开关装置被电连接到所述电池串，其中，所述故障安全过充电系统的所述处理器被进一步编程为从所述传感器数据导出第二测量值，将所述第二测量值与高于所述第一阈值的第二阈值相比较，并且当所述第二测量值超过所述第二阈值时发送命令以打开所述第二开关装置。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一开关装置为接触器，所述第二开关装置为热电开关。8.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：维亚切斯拉夫，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：