CN104626997A - 电动车辆蓄电池接触器开关监测*** - Google Patents

电动车辆蓄电池接触器开关监测*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动车辆蓄电池接触器开关监测***，其监测了多单元蓄电池组和电动车辆负载之间的接触器开关。具有底板地线的主微控制器与蓄电池组的正总线和负总线数字隔离。具有多个辅助/热敏电阻A/D输入的蓄电池监测IC测量蓄电池单元各自的电压。连接评估开关至第一接触器开关和负载之间的接头。激活评估开关以响应从主微处理器接收到的命令。在评估开关的输出和负总线之间耦接分压器以提供分出的电压输出至辅助/热敏电阻A/D输入之一。蓄电池监测IC通过串行数据链路传输代表分出的电压输出的数字值至主微处理器，并且主微处理器响应于数字值确定接触器的状态。

Description

电动车辆蓄电池接触器开关监测***
技术领域
本发明大体涉及具有电力推进的车辆，更具体地涉及通过与蓄电池电路数字隔离的微控制器监测蓄电池接触器开关。
背景技术
混合动力车辆或电动车辆的电力驱动的直流(DC)电源(如蓄电池)和其他元件需要监测以便使效率和性能最大化以及检测潜在的故障。例如锂离子(Li-Ion)这样的通常的蓄电池类型利用一起层叠到蓄电池组中的大量单元。除了监测蓄电池组输出的总电压，通常单独监测每个单元以确定它们的电压产出和其他参数。也监测每个单元的温度以便防止过热。
由于涉及的高压电平、在层叠内各自的单元运转时的中间电压范围以及需要的高的精度水平，可靠地监测各种蓄电池状况是非常具有挑战性的。商业上已研制出用于车辆环境的各种蓄电池监测集成电路(IC)设备。市场上可买到的蓄电池监测IC设备的示例包括可向马萨诸塞州诺伍德的美国模拟器件公司(Analog Devices,Inc.)购买的AD7280A设备、可向加利福尼亚米尔皮塔斯的凌力尔特公司(Linear TechnologyCorporation)购买的LTC6804设备和可向加利福尼亚米尔皮塔斯的英特矽尔公司(Intersil Corporation)购买的ISL94212多单元锂离子蓄电池管家。除了用于直接监测各自的蓄电池单元的多个输入，已知的IC设备包括几个模拟输入，用于测量用作各自的蓄电池单元的温度传感器的热敏电阻电路的输出。
测量的蓄电池单元、蓄电池组以及相关设备的参数全部被主微控制器或微处理器使用，用于执行蓄电池管理和通信。待监测的一些主要组件包括耦接蓄电池组至车辆负载(如用于驱动电动机的逆变器)的蓄电池接触器开关。主微控制器或微处理器通常位于与其他车辆组件——例如车辆***/动力***控制器或驱动接口模块——相连接的离散蓄电池控制模块或箱内。因此，主微控制器或微处理器使用底板地线作为它的基准电压。底板地线与负蓄电池总线提供的主蓄电池组的基准隔离。
部署的具有蓄电池组的蓄电池监测IC必须参考负总线监测蓄电池单元。因此，连接到高压域中的蓄电池监测IC和任何其他的监测设备必须通过域交叉元件与主微控制器或微处理器通信，域交叉元件在主微控制器或微处理器的高压蓄电池域和底板地线域(即低压域)之间提供数字隔离。为了使主微控制器或微处理器不仅控制监测元件还接收产生的测量数据，通常使用相对昂贵的组件——例如光电耦合晶体管(photoMOStransistor)和专用的高压参考模拟数字(A/D)转换集成电路。在维持接触器开关状态的稳健检测的同时避免昂贵的附加组件是非常可取的。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种电动车辆***，其具有多单元蓄电池组供应在正总线和负总线之间的主蓄电池电压。第一接触器开关可选择地耦接正总线至负载。第二接触器开关可选择地耦接负总线至负载。主微控制器监测蓄电池组和接触器开关的性能，主微控制器耦接至底板地线且与正总线和负总线数字隔离。连接蓄电池监控IC到蓄电池组以测量蓄电池组中各自的单元的电压，其中蓄电池监测IC具有隔离的至主微控制器的串行数据链路以报告测量的电压。蓄电池监测IC进一步包括多个可选择地提供驱动信号的辅助/热敏电阻A/D输入和辅助输出终端。评估开关具有输入、输出和控制终端，其中输入连接到第一接触器开关和负载之间的接头。耦接控制终端至辅助输出终端以便激活评估开关以响应通过串行数据链路从主微处理器接收到的命令。在评估开关的输出和负总线之间耦接分压器，为辅助/热敏电阻A/D输入之一提供分出的电压输出。蓄电池监测IC通过串行数据链路传输代表分出的电压输出的数字值至主微处理器，主微处理器响应于数字值确定第一接触器状态。
附图说明
图1是显示现有技术电驱动***的一个实施例的示意框图。
图2是显示图1的***中使用的方法的流程图。
图3是在接触器开关监测的较低成本的实施方式的情况下的本发明的电驱动***的一个实施例的示意框图。
图4是本发明的一种优选方法的流程图。
具体实施方式
现在参考图1，传统的电动车辆***10包括主蓄电池组11，主蓄电池组11具有包括多个典型单元11a-11k的单独的单元。多个蓄电池监测IC 12、13和14以层叠的方式连接到各自的蓄电池单元之一。单元监测输入16连接每个相应的单元至蓄电池监测IC 12-14的各自的输入引线(如单元0In，Cell0In)。蓄电池监测IC 12示出的同样的相互连接也呈现在蓄电池监测IC 13和14中，但不是图1中示出的全部。主微处理器15通过数字隔离器16从耦接的IC 12的串行输出接收测量到的数据，从而形成能够在IC 12的高压域和主微控制器或微处理器15的低压底板地线域之间双向通信的串行数据链路。当耦接隔离电路16至底板地线17和高压地线18时，主微控制器或微处理器15耦接到底板地线17。
蓄电池组11的输出耦接在正总线20和负总线21之间。车辆负载22——例如用于驱动电动机的直流交流逆变器(DC-to-AC inverter)(其可以先于直流交流升压转换器(DC-to-DC boost converter))——分别通过主接触器开关23和24从总线20和21接收直流电源。预先充电开关25和预先充电电阻器26可以跨接在正接触器开关23，这在本领域中是公知的。以本领域中公知的传统的方式驱动接触器开关。
蓄电池监测IC 12包括多个辅助/热敏电阻A/D输入30，每个通过各自的热敏电阻31a-33a耦接至负总线21和地线18。每个热敏电阻通过各自的上拉电阻31b-33b耦接至基准电压。每个热敏电阻31a-33a接近各自的蓄电池单元安装以充当温度探针。每个各自的热敏电阻电压由蓄电池监测IC 12转换成相应的数字值，该数字值连同各个单元电压通过串行数据链路被发送到主微控制器或微处理器15以允许主微控制器或微处理器15监测每个蓄电池单元的运行。
主微控制器或微处理器15也监测接触器开关23和24的状态以确保它们适当地响应它们各自的控制信号(未示出)是期望的。因此，测量在开关23和24的负载侧的电压是期望的，其需要在高压域中测量。
在传统的***中，需要专用的电路***基于在接触器开关和负载之间的接头处的测量到的电压推断接触器开关23和24的状态。例如，第一域交叉设备35可以由具有耦接的控制输入36的光电耦合设备组成以从主微控制器或微处理器15接收逻辑电平控制信号。基准输入37从电源38接收基准电压vcc。主微控制器或微处理器15降低输入36至低逻辑电平，以便激活设备35中的光电二极管光源40，从而打开输出晶体管41。
电阻器42耦接晶体管41的漏极至接触器开关23的负载侧。连接晶体管41的源极(source)至电阻器43的一侧，电阻器43的另一侧耦接至在电池组11中点的中点基准电压44。进一步连接晶体管41的源极至专用模拟数字转换器(ADC)46的转换输入45。高压域辅助电源47为ADC 46提供供应电压vhh。当主微控制器或微处理器15开始接触器开关23的状态评估时，它激活域交叉设备35，从而打开晶体管41并在接触器开关23的负载侧和基准电压44之间形成由电阻器42和43组成的分压器。在电阻器42和43的接头处的电压由ADC 46取样且产生的数字值被串行输出48输出至隔离电路50以传输回主微控制器或微处理器15的相应的串行输入。
为了确定负接触器开关24的状态，同样连接至主微控制器或微处理器15的域交叉设备50激活在中点基准电压44和开关24的负载侧之间的由电阻器51和电阻器52组成的分压器。在电阻器51和52之间出现的电压由反相放大器53转换且耦接至在ADC上的转换输入54，并且产生的数字值从输出48耦接回到主微控制器或微处理器15。在每一种情况下，主微控制器或微处理器15评估从分压器获得的数字值以确定是否看到或没看到根据接触器开关23和24的状态预期的蓄电池电压。
图2概述了用于确定接触器开关状态的现有技术方法。在步骤55，根据负载是否应该连接至蓄电池而为蓄电池接触器开关设定适当的驱动信号。在步骤56，当主微控制器或微处理器正试图核实已获得接触器开关的期望位置时，它打开域交叉设备。在步骤57，高压域中专用的模拟数字转换器通过专用的隔离串行链路发送来自各自的分压器的测量到的电压至主微控制器或微处理器。在步骤58，主微控制器或微处理器检查电压测量结果以确定接触器开关的状态。例如，当接触器开关关闭时，正电压大于预定临界值将是预期的。如果当接触器开关被命令关闭时，没有达到要求的电压，那么推测接触器开关故障。
域交叉开关和专用组件(如包括模拟数字转换器、数字隔离和反相放大器)导致花费显著增加。在没有增加高成本组件的情况下更好地利用蓄电池监测IC的性能评估接触器状态是合意的。
如图3所示，本发明通过蓄电池监测IC的辅助/热敏电阻A/D输入的再利用实现了前述目标，辅助/热敏电阻A/D输入从执行温度监测到执行接触器状态确定。
多单元蓄电池组60提供了正总线61和负总线62之间的主蓄电池电压。电动车辆负载63(如升压转换器和逆变器)通过正接触器开关64和通过负接触器开关65耦接到总线61和62。多个蓄电池监测IC 66-68以相同的方式连接到各个蓄电池单元，用于监测单元电压和诸如此类。每个蓄电池监测IC具有与主微控制器或微处理器70的串行数据链路，例如通过数字隔离电路72从蓄电池监测IC 66的串行输出引线83到主微控制器或微处理器70提供的串行链路71。如现有技术中所公知的，通过高压、低压域屏障(low voltage domain barrier)发送串行链路(如SPI＝小***接口)可以使用数字隔离器(如美国模拟器件公司(Analog Devices)的ADuM1401四通道数字隔离器)实现。主微控制器或微处理器70参考底板地线73，而高压域参考高压地线74。主微控制器或微处理器70与总线61和62数字隔离以便它可以容易地连接到遍及车辆的其他控制模块(未示出)。
为了确定正接触器开关64的状态，高压评估开关75具有耦接到正接触器开关64和负载63之间的接头的输入，以及通过由电阻器76和77组成的分压器耦接到负总线62的输出。反向电压阻流二极管78可以耦接在开关75的输出和电阻器76之间以操作开关和其他瞬态。在高侧电阻器76和低侧电阻器77之间的接头80通过为进一步减小噪音和瞬态可选地包括的滤波器82提供了分出的电压输出至IC 66的辅助/热敏电阻A/D输入81。
评估开关75可以包括适当偏置的开关晶体管86和87，用于切换输出以响应从IC 66的辅助输出终端85接收到的可选择的驱动信号。终端85可以是如现有技术中通常使用的通用输入/输出引线。许多其他可接受的晶体管设备和驱动配置可以用作开关75。
当主微控制器或微处理器70需要确定正接触器开关64的状态时，它通过串行链路71发送相应的命令至蓄电池监测IC 66。作为响应，驱动辅助输出终端85为高以便打开评估开关75。如果接触器开关64的状态是关闭的，那么总线61和62之间的主蓄电池电压跨接二极管78和电阻器76和77。在耦接到辅助A/D输入81的输出80产生正电压以便相应的数字值通过串行数据链路71传送到主微控制器或微处理器70。代表分出的电压输出的数字值由主微控制器或微处理器70与适当的临界值进行比较，以便确定接触器开关64是否处于预期的关闭。如果接触器开关64没有关闭，那么负载63将仍然无动力且分出的电压输出80将有对应于负总线62的电压。因此，只使用相对便宜的组件在高压域中确定了接触器开关64的状态。
为了确定负接触器开关65的状态，IC 66的正电压供应终端90通过由电阻器91和92组成的分压器与反向电压阻流二极管93串联耦接至接触器开关65和负载63之间的接头。分压器电阻器91和92之间的接头耦接至IC 66的第二辅助/热敏电阻A/D输入引线84。当接触器开关65打开时，那么没有电流流过第二分压器91/92且在输入84的电压大致等于来自电源终端90的正电压。当接触器开关65关闭时，流过电阻器91和92的电流在输入84产生低于正电压供应的第二分出的电压。代表第二分出的电压的第二数字值由IC 66通过串行数据链路71传输到主微控制器或微处理器70，主微控制器或微处理器70将第二分出的电压与第二临界值进行比较从而确定接触器开关65是否关闭。
通过利用蓄电池监测IC的热敏电阻A/D输入代替执行接触器开关状态评估，输入对于执行至少一些蓄电池单元的温度监测不再有效。然而，用于温度监测的热敏电阻不需要连接在高压域中。因此，本发明可以通过连接相应的热敏电阻93-95至主微控制器或微处理器70的有效A/D输入继续监测连接到蓄电池监测IC 66的单元的温度。电阻器96是用于热敏电阻93-95的上拉电阻。因为只有蓄电池监测IC 66的辅助A/D输入改变用途，相应的用于由IC 67和68监测的单元的热敏电阻可以继续连接到IC 67和68，相应的数据通过相应的串行数据链路提供至主微控制器或微处理器70。
图4中的流程图示出了本发明的优选方法。在步骤100，设置至接触器开关的驱动信号。在步骤101，在它操作的适当时间，主微控制器或微处理器命令蓄电池监测IC开始接触器开关的评估。在步骤102，通用输入/输出引线切换到高压以打开高压开关，从而在正接触器开关的负载侧和负总线之间耦接相应的分压器。在步骤103，取样来自分压器的分出的输出电压且使用串行数据链路将分出的输出电压发送到主微控制器或微处理器。在步骤104，由蓄电池监测IC取样连接到负接触器开关的负载侧的第二分压器的输出且将该输出发送到主微控制器或微处理。然后，在步骤105，主微控制器或微处理器检查电压测量结果以确定接触器开关的状态。因此，在不需要高压域中光电耦合设备或其他专用的高成本组件的情况下可以确定接触器开关的状态。而早已存在的蓄电池监测IC可以通过与主微控制器或微处理器的串行链路进行控制，其已有用于在两个电压域之间移动的机构。

Claims (6)

1.一种电动车辆***，其特征在于，包含：
多单元蓄电池组，其提供正总线和负总线之间的主蓄电池电压；
第一接触器开关，其可选择地耦接正总线至负载；
主微控制器，其监测蓄电池组、接触器开关的性能，主微控制器耦接至底板地线且与正总线和负总线数字隔离；
蓄电池监测IC，其连接到蓄电池组以测量蓄电池组中各自的单元的电压，其中蓄电池监测IC具有隔离的至主微控制器的串行数据链路以报告测量到的电压，其中蓄电池监测IC进一步包括多个可选择地提供驱动信号的辅助/热敏电阻A/D输入和辅助输出终端；
评估开关，其具有输入、输出和控制终端，其中输入连接到第一接触器开关和负载之间的接头，并且其中控制终端耦接到辅助输出终端以便激活评估开关以响应通过串行数据链路从主微处理器接收到的命令；以及
分压器，其耦接在评估开关的输出和负总线之间，并提供分出的电压输出至辅助/热敏电阻A/D输入之一；
其中蓄电池监测IC通过串行数据链路传输代表分出的电压输出的数字值至主微处理器，并且其中主微处理器响应于数字值确定第一接触器的状态。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，分压器是由高侧电阻器和低侧电阻器串联耦接组成，其中电阻器之间的接头提供分出的电压输出，并且其中该***进一步包含耦接在评估开关和高侧电阻器之间的反向电压阻流二极管。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，进一步包含耦接在辅助/热敏电阻A//D输入和在高侧和低侧电阻器之间的接头之间的滤波器。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，蓄电池监测IC具有正电压供应终端，其中该***进一步包含：
第二接触器开关，其可选择地耦接负总线至负载；
第二分压器，其从正电压供应终端耦接至第二接触器开关和负载之间的接头，其中第二分压器提供第二分出的电压至第二辅助/热敏电阻A/D输入之一；
其中蓄电池监测IC通过串行数据链路传输代表第二分出的电压的第二数字值至主微处理器；其中主微处理器响应于第二数字值确定第二接触器的状态。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，进一步包含反向电压阻流二极管，其耦接第二分压器至第二接触器开关和负载之间的接头。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，进一步包含热敏电阻，其安装用于感测蓄电池组的温度且其耦接到主微处理器的A//D转换输入和底板地线。
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