[发明专利]机载大功率模块化多串电池组的智能电池断连和保护架构

说明书

涉及机载大功率模块化多串电池组的智能电池断连和保护架构。具体地涉及用于机载大功率/高能高压模块化多串电池组(诸如用于机载电动推进系统的电池组)的保护/断连的方法和系统。该方法和系统基于相异/冗余的分布式电池组保护架构，并且结合集中式电池管理系统来使用智能中点电池断连。最终所得的电池断连/保护系统被配置成，检测母线故障、负载故障以及串故障，然后采取恰当的动作以隔离检测到的故障。例如，响应于一个电池串中的短路，可以将故障电池串与正母线和负母线断连，而剩余的电池串继续供电。

技术领域

本公开总体上涉及用于管理诸如飞行器这样的载具上的提供直流(DC)电力的电池模块系统的系统和方法。

背景技术

当将电动机用于飞行器的推进时，由电源来供应电能。例如，可以由包括电池模块串的DC电源来供应电能。在一个实现中，将电池连接至高压直流(HVDC：high-voltagedirect-current)母线。如本文所使用的，术语“连接(connected)”是指联接以供应电力，并且术语“断连(disconnected)”是指断开联接以不供应电力。如本文所使用的，在直流的背景下，术语“高压”是指高于600V_DC的任何DC电压。

在一些飞行器全电动或混合动力推进系统中，使用大容量高压(例如，600/1000/2000V_DC)电池组来向大型电动机供电。飞行器电池组可以具有采用并联设置多个串的架构，以确保在固定的运行水平下使足够的电力流入负载。在机载(airborne)应用方面，大功率/高压电气保护的安全水平和危急(criticality)水平是严格的，需要多种相异(dissimilar)的冗余保护、失效安全(fail-safe)以及关断(shutdown)机构。(如本文所使用的，术语“失效安全”是指这样的设计特征或实践，即，在特定类型的失效的情况下，固有地以防止或减轻系统失效的不安全后果的方式进行响应)。机载应用对于电池过充电保护或可能导致电池热失控的其它事件或事件组合需要极高的危急水平和完整性。

另外，电动推进系统需要防止短路。(如本文所使用的，术语“短路”是指可使电流沿着不具有或具有非常低的电阻抗的非预期路径行进的电路)。常见类型的短路发生于电池的正端子和负端子被借助于低电阻导体连接的时候。随着该连接中的低电阻，所产生的流过电池的大电流可以导致温度迅速增加。在短路失效期间，根据并联电芯(cell)的数量和类型，高压电池组能够产生超过例如每串～3,500A_DC的短路电流，根据并联串的数量，该短路电流相当于或高于系统水平下的～10,000A_DC。高工作电压(600V_DC至1000V_DC)和大短路电流(3,500A_DC/串；相当于系统下的～10,000A_DC)使得保护系统的开发成为具有挑战性的任务。诸如高压(1000V_DC)、工作海拔(55,000英尺)、振动环境以及工作寿命(25年)的机载约束是恶化的因素。

电池管理系统是通过保护电池免受不安全运行、监测电池状态、计算和报告二次数据、控制环境以及进行平衡来管理可再充电电池的任何电子系统。与具有通信数据总线的电池管理系统一起构建的电池被称为“智能电池”。

电池管理系统可以监测由各种参数表示的电池的状态，诸如：总电压、单独电芯的电压、平均温度、单独电芯的温度、指示电池的电荷水平的荷电状态、指示电池的剩余容量的健康状态(SOH：tate of health)、指示可用达限定时间间隔的电量的电力状态(SOP：state of power)、以及其它参数。电池管理系统还控制电池的再充电。电池管理系统还可以被配置成管理电池温度。电池管理系统的中央控制器内部地与在电芯级运行的硬件通信。电池管理系统可以通过防止过电流(over-current)(在充电和放电模式下可能不同)、过电压(在充电期间)、欠电压(under-voltage)(在放电期间)、温度过高、温度过低、地故障或者进行泄漏电流检测来保护其电池。