一种电池包安全保护系统的制作方法

1.本发明涉及动力电池技术领域，尤其涉及一种电池包安全保护系统。


背景技术：

2.随着电动车的推广和普及，为进一步提升电动车的用车便利性，电池厂家和主机厂家趋向研发和使用高功率和高倍率快充电池技术，所以电动车的充电和放电电流的不断增加，传统熔断器规格越来越高，高倍率电流情况下安全防护愈加困难。而主动式熔断器在一段周期内成为主流选择，主动式熔断器又称为智能熔断器，是一种利用火药原理实现的一款新型熔断器，其工作机理是通过触发信号引爆其内部的点火具，依靠爆炸产生的高压气体将内部铜排冲断，从而实现对电路的切断。这种新型熔断器较之传统的热熔式熔断器有诸多优点，这些优点包括：1）在低倍短路电流时可以快速切断电路；2）内阻小发热小。3）耐过载电流冲击寿命强。4）易于与高压直流接触器等被保护器件相匹配。非常适用于大电流充电和放电的新能源汽车使用。


技术实现要素：

3.新型主动熔断器需要一个外部触发电路，在需要的时候触发主动式熔断器，现有方案主要采用的是主动式熔断器和传统熔断器串联使用，低倍电流情况下主动式熔断器切断，高倍率电流情况下传统熔断器切断，这无疑限制了主动熔断器高精度安全保护性能的发挥，降低了产品竞争力。
4.有鉴于此，本发明提出了一种电池包安全保护系统。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种电池包安全保护系统，其包括电池主正端、pyrofuse（为主动熔断器）、主正继电器、预充继电器、预充电阻、电池主负端、分流器、主负继电器、bms（battery management system，为电池管理系统）、hcu（hardware control unit，为硬件控制单元）和主动熔断器控制器，所述电池主正端依次电性连接主动熔断器和主正继电器构成正极回路，所述预充继电器和预充电阻电性连接后电性并联在主正继电器两侧构成正极回路中的预充回路，所述电池主负端依次电性连接分流器和主负继电器构成负极回路，所述负极回路的分流器的内部还设置有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器和所述分流器采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路。
6.在以上技术方案的基础上，优选的，所述分流器采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器上传该信号至所述bms或hcu，所述bms或hcu发出控制指令断开所述主负继电器。
7.在以上技术方案的基础上，优选的，所述霍尔电流传感器对应电性连接所述主动熔断器控制器的内部电路依次为滤波电路、脉冲宽度检测电路和光耦隔离电路，其中所述霍尔电流传感器采集的电池包回路电流值经过滤波处理和脉冲宽度检测比较，再通过光耦隔离后，与所述预设电流阈值比较形成第一路信号值，其中，若采集的电池包回路电流值大
于或等于预设电流阈值，即第一路信号值为a；若采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值，即第一路信号值为b。
8.在以上技术方案的基础上，优选的，所述分流器对应电性连接所述主动熔断器控制器的内部电路依次为滤波电路、差分电路、运放电路、脉冲宽度检测电路和光耦隔离电路，其中所述分流器采集的电池包回路电流值经过滤波、差分处理、运算放大和脉冲宽度检测比较，再通过光耦隔离后，与所述预设电流阈值比较形成第二路信号值，其中，若采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值，即第二路信号值为a；若采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值，即第二路信号值为b。
9.在以上技术方案的基础上，优选的，若第一路信号值为a且第二路信号值为a，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路；若第一路信号值为a且第二路信号值为b，或者第一路信号值为b且第二路信号值为a，则所述主动熔断器控制器不触发所述主动熔断器动作；若第一路信号值为b且第二路信号值为b，则所述主动熔断器控制器不触发所述主动熔断器动作。
10.在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一路信号值a和第二路信号值a为低电平，所述第一路信号值b和第二路信号值b为高电平。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，所述负极回路的分流器的内部还设置有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器和所述分流器采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路，所需周期t小于1ms。
12.在以上技术方案的基础上，优选的，所述周期t小于1ms，其中具体计算公式：t=霍尔电流传感器t+运放电路1t+预充电路t+运放电路2t+光耦隔离电路t+主动熔断器控制器t +主动熔断器 t；或者t=运放电路1t+运放电路2t +运放电路3t+预充电路t+运放电路4t+光耦隔离电路t+主动熔断器控制器t +主动熔断器 t，其中t为所需时间。
13.在以上技术方案的基础上，优选的，所述分流器还集成有温度传感器，实时采集分流器当前温度，所述主动熔断器控制器上传该信号至所述bms或hcu，其中bms或hcu还信号连接整车控制单元（vehicle control unit，为整车控制单元），若分流器当前温度大于或者等于预设温度阈值，所述bms或hcu向所述整车控制单元发出过温报警信号，整车控制单元实时调整放电或充电功率。
14.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括烟雾传感器和碰撞传感器，当检测到烟雾报警信号或者碰撞报警信号，所述bms或hcu发出控制指令，触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路。
15.本发明的电池包安全保护系统相对于现有技术具有以下有益效果：通过设置分流器电流检测和霍尔电流传感器电流检测双重方式，对shunt传感器上流过的电流信号实时检测，信号检测采用滤波差分处理放大后，经比较隔离输出控制信号，与霍尔传感器电流检测信号同时达到预设电流值时，打开高边驱动，启动点火具。系统检测到预设的电流脉冲信号到切断整车供电控制在1ms内，实现对电池包电流异常可能导致系统起火等重大安全事故快速切断系统电源的目的，保护系统的安全。
16.通过设置分流器电流检测，添加检测绝缘过低和电池包电流小于2500a时的触发
阈值，由bms或hcu控制器发出指令切断主负继电器，进行电池包的安全防护。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明的电池包安全保护系统的框图；图2为本发明的电池包安全保护系统另一实施例的框图；图3为本发明的电池包安全保护系统另一实施例的框图；图4为本发明的电池包安全保护系统的主动熔断器控制器的电路图；图5为本发明的电池包安全保护系统的霍尔电流传感器的结构图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
20.本发明的技术方案是这样实现的：一种电池包安全保护系统，其包括电池主正端、pyrofuse（为主动熔断器）、主正继电器、预充继电器、预充电阻、电池主负端、分流器、主负继电器、bms（battery management system，为电池管理系统）、hcu（hardware control unit，为硬件控制单元）和主动熔断器控制器，所述电池主正端依次电性连接主动熔断器和主正继电器构成正极回路，所述预充继电器和预充电阻电性连接后电性并联在主正继电器两侧构成正极回路中的预充回路，所述电池主负端依次电性连接分流器和主负继电器构成负极回路，所述负极回路的分流器的内部还设置有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器和所述分流器采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路。
21.在以上技术方案的基础上，优选的，所述分流器采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器上传该信号至所述bms或hcu，所述bms或hcu发出控制指令断开所述主负继电器。
22.在以上技术方案的基础上，优选的，所述霍尔电流传感器对应电性连接所述主动熔断器控制器的内部电路依次为滤波电路、脉冲宽度检测电路和光耦隔离电路，其中所述霍尔电流传感器采集的电池包回路电流值经过滤波处理和脉冲宽度检测比较，再通过光耦隔离后，与所述预设电流阈值比较形成第一路信号值，其中，若采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值，即第一路信号值为a；若采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值，即第一路信号值为b。
23.在以上技术方案的基础上，优选的，所述分流器对应电性连接所述主动熔断器控制器的内部电路依次为滤波电路、差分电路、运放电路、脉冲宽度检测电路和光耦隔离电路，其中所述分流器采集的电池包回路电流值经过滤波、差分处理、运算放大和脉冲宽度检
测比较，再通过光耦隔离后，与所述预设电流阈值比较形成第二路信号值，其中，采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值，即第二路信号值为a；若采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值，即第二路信号值为b。
24.在以上技术方案的基础上，优选的，若第一路信号值为a且第二路信号值为a，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路；若第一路信号值为a且第二路信号值为b，或者第一路信号值为b且第二路信号值为a，则所述主动熔断器控制器不触发所述主动熔断器动作；若第一路信号值为b且第二路信号值为b，则所述主动熔断器控制器不触发所述主动熔断器动作。
25.在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一路信号值a和第二路信号值a为低电平，所述第一路信号值b和第二路信号值b为高电平。
26.在以上技术方案的基础上，优选的，所述负极回路的分流器的内部还设置有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器和所述分流器采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路，所需周期t小于1ms。
27.在以上技术方案的基础上，优选的，所述周期t小于1ms，其中具体计算公式：t=霍尔电流传感器t+运放电路1t+预充电路t+运放电路2t+光耦隔离电路t+主动熔断器控制器t +主动熔断器 t；或者t=运放电路1t+运放电路2t +运放电路3t+预充电路t+运放电路4t+光耦隔离电路t+主动熔断器控制器t +主动熔断器 t，其中t为所需时间。
28.在以上技术方案的基础上，优选的，所述分流器还集成有温度传感器，实时采集分流器当前温度，所述主动熔断器控制器上传该信号至所述bms或hcu，其中bms或hcu还信号连接整车控制单元（vehicle control unit，为整车控制单元），若分流器当前温度大于或者等于预设温度阈值，所述bms或hcu向所述整车控制单元发出过温报警信号，整车控制单元实时调整放电或充电功率。
29.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括烟雾传感器和碰撞传感器，当检测到烟雾报警信号或者碰撞报警信号，所述bms或hcu发出控制指令，触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路。
30.结合附图对本发明内容进一步说明，如图1所示，本发明的一种电池包安全保护系统，其包括电池主正端1、主动熔断器 2、主正继电器3、预充继电器4、预充电阻5、电池主负端6、分流器7、主负继电器8，bms9、hcu 9和主动熔断器控制器10。
31.其中，电池主正端1依次电连接主动熔断器 2和主正继电器3构成正极回路，预充继电器4和预充电阻5电连接后电性并联在主正继电器3两侧构成正极回路中的预充回路，电池主负端6依次电连接分流器7和主负继电器8构成负极回路，负极回路的分流器7的内侧还设置有霍尔电流传感器11。
32.若霍尔电流传感器11和分流器7采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值，例如：≥2500a时，主动熔断器控制器10触发主动熔断器2进行断开正极回路； 分流器7采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值，例如：＜2500a时， pyro控制器10上传该信号至bms9或hcu 9，bms9或hcu 9发出控制指令断开主负继电器8，对电池包实时安全保护。
33.其中，分流器7还集成有温度传感器，实时采集分流器7当前温度，主动熔断器控制
器10上传该信号至bms9或hcu 9，若分流器7当前温度大于或者等于预设温度阈值，例如：≥125℃时，bms9或hcu 9向整车控制器发出过温报警信号，整车控制器实时控制bms9或hcu 9调整整车电池包放电或充电功率，对电池包实时安全保护。
34.其中，本电池包安全保护系统还包括烟雾传感器（未示出）和碰撞传感器（未示出），当检测到烟雾报警信号或者碰撞报警信号，bms或hcu 9发出控制指令，触发主动熔断器 2进行断开电池包高压回路，对电池包实时安全保护。
35.如图2所示，本发明的一种电池包安全保护系统，与图1有所区别在于电池主正端连接有快充正继电器12，用于电池包快充异常情况下断开，对电池包实时安全保护。
36.如图3所示，本发明的一种电池包安全保护系统，与图1有所区别在于电池主正端连接有快充正继电器12，电池主负端连接有快充负继电器13，用于电池包快充异常情况下断开，对电池包实时安全保护。
37.如图4所示，本发明的一种电池包安全保护系统的主动熔断器控制器的实施方式，其中，霍尔电流传感器11对应电连接主动熔断器控制器10内部电路，依次为滤波电1021路、脉冲宽度检测电路1022和光耦隔离电路1023，分别进行霍尔电流检测、脉冲宽度检测比较及隔离输出。
38.首先，霍尔电流检测，采用allegro公司的acs37610 霍尔电流传感器芯片，电流检测范围达到4000a，精度
±
1%，偏置
±
3mv；其中acs37610具有左右两侧双霍尔结构，如图5所示，对两端电流采集后差分比较处理，输出磁通量与电流关系如下：
39.bdiff为bl-br差分信号，g；cf为差分连接参数，g/a；i为检测电流，a。
40.其次，脉冲宽度检测比较，放大后的霍尔电流传感器采集信号经第一级运放比较后，电阻r1对电容c1和c2进行充电，且电容c1上电压与第二级运放进行比较，实现输入信号的持续时间检测；通过r1与二极管的电性并联，电容c1放电速度是充电速度的10倍以上，实现慢充电，快放电的功能，当输入时间（检测电流脉冲宽度）低于电容c1充电阈值时间时，不触第二级运放实现电平翻转，实现脉宽检测功能；最后，隔离输出，当电容c1电压达到4v时，第二级运放输出高电平，驱动光耦隔离电路工作，输出第一路信号值a为低电平，b为高电平。
41.其中， 分流器7对应电连接主动熔断器控制器10内部电路，依次为滤波电路1011、差分电路1012、运放电路1013、脉冲宽度检测电路1014和光耦隔离电路1015，分别进行差分放大、脉冲宽度检测比较和隔离输出。
42.首先，差分放大处理， 分流器7采集的电池包回路电流值经过两级滤波后，使用rail-to-rail运放进行差分放大处理，使用两级放大，避免溢出运放带宽。
43.其次，脉冲宽度检测比较，放大后的分流器7采集信号经第一级运放比较后，再通过电阻r1对c1进行充电，且电容c1上电压与第二级运放进行比较，实现输入信号的持续检测；通过r1与二极管的电性并联，电容c1放电速度是充电速度的10倍以上，实现慢充电，快放电的功能，当输入时间（检测电流脉冲宽度）低于电容c1充电阈值时间时，不触第二级运放实现电平翻转，实现脉宽检测功能。
44.最后，隔离输出，当电容c1电压达到4v时，第二级运放输出高电平，驱动光耦隔离电路工作，输出第二路信号值a为低电平，b为高电平。
45.第一路信号和第二路信号经过与非门1030，形成控制使能信号驱动高边电路1040控制主动熔断器 2动作，保证系统触发同步。若第一路信号值为a且第二路信号值为a， 主动熔断器控制器触10发主动熔断器 2进行断开正极回路；若第一路信号值为a且第二路信号值为b，或者第一路信号值为b且第二路信号值为a，即主动熔断器控制器10不触发主动熔断器 2动作；若第一路信号值为b且第二路信号值为b，即主动熔断器控制器10不触发主动熔断器 2动作。
46.从霍尔电流传感器11和分流器7检测脉冲信号到输出触发信号时间：霍尔:t1=1.6us(霍尔)+5us(运放)+110us(rc充电)+5us(运放)+2us(光耦)+110us(触发) +0.5ms(切断)=733.6us ;shunt: t2 =5us(运放)+5us(运放)+5us(运放) +100us(rc充电)+5us(运放)+2us(光耦)+110us(触发) +0.5ms(切断)=732us;整个系统从检测异常脉冲到断开主动熔断器 2时间高度精准同步，并控制在1ms以内完成，实现对电池包电流异常可能导致系统起火等重大安全事故快速切断系统电源的目的，保护系统的安全。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电池包安全保护系统，其包括电池主正端、主动熔断器、主正继电器、预充继电器、预充电阻、电池主负端、分流器、主负继电器、bms、hcu和主动熔断器控制器，所述电池主正端依次电性连接主动熔断器和主正继电器构成正极回路，所述预充继电器和预充电阻电性连接后电性并联在主正继电器两侧构成正极回路中的预充回路，所述电池主负端依次电性连接分流器和主负继电器构成负极回路，其特征在于：所述负极回路的分流器的内部还设置有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器和所述分流器采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路。2.如权利要求1所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：所述分流器采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器上传该信号至所述bms或hcu，所述bms或hcu发出控制指令断开所述主负继电器。3.如权利要求1所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：所述霍尔电流传感器对应电性连接所述主动熔断器控制器的内部电路依次为滤波电路、脉冲宽度检测电路和光耦隔离电路，其中所述霍尔电流传感器采集的电池包回路电流值经过滤波处理和脉冲宽度检测比较，再通过光耦隔离后，与所述预设电流阈值比较形成第一路信号值，其中，若采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值，即第一路信号值为a；若采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值，即第一路信号值为b。4.如权利要求1所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：所述分流器对应电性连接所述主动熔断器控制器的内部电路依次为滤波电路、差分电路、运放电路、脉冲宽度检测电路和光耦隔离电路，其中所述分流器采集的电池包回路电流值经过滤波、差分处理、运算放大和脉冲宽度检测比较，再通过光耦隔离后，与所述预设电流阈值比较形成第二路信号值，其中，若采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值，即第二路信号值为a；若采集的电池包回路电流值小于预设电流阈值，即第二路信号值为b。5.如权利要求3或4所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：若第一路信号值为a且第二路信号值为a，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路；若第一路信号值为a且第二路信号值为b，或者第一路信号值为b且第二路信号值为a，则所述主动熔断器控制器不触发所述主动熔断器动作；若第一路信号值为b且第二路信号值为b，则所述主动熔断器控制器不触发所述主动熔断器动作。6.如权利要求3或4所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：所述第一路信号值a和第二路信号值a为低电平，所述第一路信号值b和第二路信号值b为高电平。7.如权利要求1所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：所述负极回路分流器的内部还设置有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器和所述分流器采集的电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路，所需周期t小于1ms。8. 如权利要求7所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：所述周期t小于1ms，其中具体计算公式：t=霍尔电流传感器t+运放电路1t+预充电路t+运放电路2t+光耦隔离电路t+主动熔断器控制器t +主动熔断器 t；或者t=运放电路1t+运放电路2t +运放电路3t+预充电路t+运放电路4t+光耦隔离电路t+主
动熔断器控制器t +主动熔断器 t，其中t为所需时间。9.如权利要求1所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：所述分流器还集成有温度传感器，实时采集分流器当前温度，所述主动熔断器控制器上传该信号至所述bms或hcu，其中bms或hcu还信号连接整车控制单元，若分流器当前温度大于或者等于预设温度阈值，所述bms或hcu向所述整车控制单元发出过温报警信号，整车控制单元实时调整放电或充电功率。10.如权利要求1所述的一种电池包安全保护系统，其特征在于：还包括烟雾传感器和碰撞传感器，当检测到烟雾报警信号或者碰撞报警信号，所述bms或hcu发出控制指令，触发所述主动熔断器进行断开所述正极回路。

技术总结
本发明提出了一种电池包安全保护系统，其包括电池主正端、主动熔断器、主正继电器、预充继电器、预充电阻、电池主负端、分流器、主负继电器、BMS、HCU、主动熔断器控制器，所述电池主正端依次电性连接主动熔断器和主正继电器构成正极回路，所述预充继电器和预充电阻电性连接后电性并联在主正继电器两侧构成正极回路中的预充回路，所述电池主负端依次电性连接分流器和主负继电器构成负极回路，所述负极回路的分流器的内部还设置有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器和所述分流器采集电池包回路电流值大于或等于预设电流阈值时，所述主动熔断器控制器触发所述主动熔断器进行断开正极回路。回路。回路。


技术研发人员：杜朝晖 陈凯玉 徐伟 胡振超 李瑶
受保护的技术使用者：武汉嘉晨电子技术有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/7/12