CN109690330B - 用于测量隔离电阻的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种能量存储***可包括电池组，使得电池组的一个端子电耦接到代表电池***的隔离电阻的电阻器。该***可包括半导体继电器开关、被配置为经由半导体继电器开关电耦接到电池组的多个电阻器、被配置为使多个电阻器中的至少一个电阻器电短路的增益场效应晶体管(FET)、以及控制***。控制***可向半导体开关发送第一命令以使其闭合，获取第一电压波形，向半导体开关发送第二命令以使其断开，向增益FET发送第三命令以使其闭合，向半导体开关发送第四命令以使其闭合，获取第二电压波形，并基于第一电压波形和第二电压波形确定隔离电阻。

Description

用于测量隔离电阻的***和方法
背景技术
本公开总体涉及电池和电池***领域。更具体地，本发明涉及用于电池***的隔离阻障故障检测。
该部分旨在向读者介绍可能与本公开各个方面相关的本领域的各个方面，其将在下面描述。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来阅读，而非作为对现有技术的承认。
电气***通常包括电池***以捕获(例如存储)所产生的电能和/或供应电力。例如，固定动力***可包括电池***，该电池***接收由发电机输出的电力并将电力存储为电能。以这种方式，电池***可使用存储的电能向电气部件供应电力。
另外，电池***可以包括在机动车辆的电气***中，以供应用于补充机动车辆的原动力(例如功率)的电力。这种机动车辆可以被称为xEV，其中术语“xEV”在本文中定义为包括使用电力来补充车辆原动力的所有以下车辆或其任何变型或组合。例如，电动车辆(EV)可包括电池***，该电池***向利用电池供电的电力推进***(例如一个或多个电动机)供应电力，该电力推进***提供所有车辆原动力。另外，混合动力电动车辆(HEV)(也被认为是xEV)可使用内燃发动机推进***和电池供电的电力推进***的组合来提供车辆原动力，该电力推进***例如由48伏特或130伏特电池***供电。
在任何情况下，电气***中的电气部件可使用不同的电压域(例如范围)来运行。例如，电动机可使用高电压(例如48伏特)电力来运行，而控制***可使用低电压(例如12伏特)电力来运行。为了便于实现多个不同的电压域，可在不同的电压域之间使用一个或多个隔离阻障，例如，在多个电气部件之间和/或在电气部件与公共(例如***)接地之间。在一些情况下，隔离阻障中的故障可能影响电气***和/或电池***的运行。考虑到这一点，现在认识到，用于监测隔离阻障的隔离特性(例如电阻)的改进的***和技术可以改善故障检测效率，并从而改善电气***和/或电池***的运行。
发明内容
本文公开的某些实施例的概述如下。应当理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本发明可以涵盖可能未在下面阐述的各个方面。
为了便于实现多个不同的电压域，在一些实施例中，电池***可包括不同组的电池模块(例如电池组)，其在不同电压域中输出电压。另外地或可替代地，电气***可包括转换器，以在不同电压域之间转换电力。此外，在一些实施例中，电池***可以在第一电压域中提供电力，并且外部电源(例如电网)可以在第二电压域中提供电力。
此外，电池***中可包括一个或多个隔离阻障，以降低电力偏离目标(例如期望的)路径的可能性。例如，不同电压域之间的不期望的连接(例如短路)可能影响供应给电气***中的电气部件的电压，并因此影响电气***中的电气部件的运行——特别是当电压偏离电气部件的目标工作电压时。因此，隔离阻障可被包括在电气***中的不同电压域之间。例如，可在运行于第一(例如高)电压域中的电气部件与运行于第二(例如低)电压域中的电气部件之间实现隔离阻障。另外地或可替代地，可在电气部件与公共接地(例如车辆底盘和/或电气***的壳体)之间实现隔离阻障。在任一种情况下，可采用一个或多个隔离阻障来降低影响电池***运行、电气***运行和/或周围环境的故障的可能性。
因此，本公开提供了通过提高对于在一个或多个隔离阻障中发生的故障的检测效率来改善电池***和/或电气***运行的技术。在一些实施例中，电池***可包括隔离测量电路，其定期地确定一个或多个隔离阻障中是否存在故障。特别地，隔离测量电路可以便于确定隔离阻障的特性(例如隔离电阻)，该特性指示隔离阻障中是否预期存在故障。例如，隔离测量电路可输出测量值，该测量值用于确定由隔离阻障隔开的电气部件之间的隔离电阻和/或由隔离阻障隔开的电气部件与公共接地之间的隔离电阻。
附图说明
通过阅读以下详细描述并参考附图，可以更好地理解本发明的各个方面，在附图中：
图1是根据本文给出的实施例的电气***的框图，
图2是根据本文给出的实施例的包括使用电池***实现的图1的电气***的车辆的剖面示意图；
图3是根据本文给出的实施例的包括隔离测量电路的图2的电池***的框图；
图4是根据本文给出的实施例的图3的隔离测量电路的示意图；
图5是根据本文给出的实施例的用于运行图3的隔离测量电路的过程的流程图；
图6是根据本文给出的实施例的由图3的隔离测量电路确定的示例波形的图；和
图7是根据本文给出的实施例的使用图4的隔离测量电路确定隔离阻障的隔离特性的过程的流程图。
具体实施方式
下面将描述一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，并未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的研发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多专门针对实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守与***相关以及与业务相关的约束条件，这些约束条件可能因实施方式而改变。此外，应当理解，此类研发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制备和制造的常规任务。
本公开涉及电池和电池***。更具体地，本公开涉及确定电池***和/或利用该电池***的电气***中的不同电压域之间的隔离阻障的隔离特性。
通常，电气***可包括电池***以捕获(例如存储)所产生的电能和/或向电气部件(例如设备、机器和/或器件)供应电力。例如，机动车辆可包括用于向电动机、电池控制单元、车辆控制单元、收音机和/或灯供电的电池***。在一些实施例中，不同的电气部件可以使用不同电压域中的电力来运行。例如，电动机可以使用高电压(例如48伏特)电力来运行，而车辆控制单元可以使用低电压(例如12伏特)电力来运行。
因此，如上所述，本公开提供了通过提高在一个或多个隔离阻障中发生的故障的检测效率来改进电池***和/或电气***的运行的技术。在一些实施例中，隔离测量电路可便于确定隔离电阻，而无需将隔离测量电路或者一个或多个电池模块直接耦接到公共接地。为了便于确定隔离电阻，隔离测量电路可耦接到电压源(例如，电池***中的电池模块之一)。另外，在一些实施例中，隔离测量电路还可以包括半导体继电器开关(例如
Figure GDA0003123809740000041
)、多个增益场效应晶体管(FET)和/或多个可选择性连接的电阻器。
在运行中，例如通过使第一增益FET保持断开，隔离测量电路可以闭合半导体继电器开关并将具有第一已知电阻的第一电阻器电路耦接到电池模块。当半导体继电器开关闭合时，隔离测量电路可以捕获(例如输出)第一电压波形，该第一电压波形指示电压源与公共接地之间的隔离阻障的隔离电阻。例如，第一电压波形可以指示由于电压源与公共接地之间的电容和电阻(例如第一已知电阻和隔离电阻)导致的第一电阻器-电容器衰减。至少部分地基于第一电压波形和第一已知电阻，在一些实施例中，控制***(例如电池控制单元)可确定电压源与公共接地之间的隔离电阻。
然而，在一些情况下，电压源与公共接地之间的电容可能变化(例如，难以精确确定)，从而影响仅使用第一电压波形确定的隔离电阻的精度。为了提高精度，在一些实施例中，例如通过闭合第一增益FET，隔离测量电路可以闭合半导体继电器开关并将具有第二已知电阻的第二电阻器电路耦接到电池模块。当半导体继电器开关闭合时，隔离测量电路可捕获(例如输出)第二电压波形，该第二电压波形例如指示由于电压源与公共接地之间的电容和电阻(例如第二已知电阻和隔离电阻)导致的第二电阻器-电容器衰减。
至少基于两个电压波形和两个已知电阻，控制***可确定电压源与公共接地之间的隔离电阻。通过利用两个电压波形，控制***可确定同电压源与公共接地之间的电容无关的隔离电阻。以这种方式，可降低电容变化对确定隔离电阻造成影响的可能性。
另外，至少部分地基于隔离电阻，控制***可确定何时故障预期存在于隔离阻障中并相应地控制电池***和/或电气***的运行。例如，当隔离电阻低于阈值电阻(例如，预期足以将两个电压域隔离开的最小电阻)时，控制***可以确定故障预期存在。另外，在一些实施例中，当预期故障存在于隔离阻障中时，控制***可以发送控制命令，该控制命令指示继电器或断路器断开电压源。以这种方式，可降低隔离阻障中的故障影响电池***、电气***和/或周围环境的可能性。
为了帮助说明，图1中示出了电气***10的框图。在图示实施例中，电气***10包括隔离测量电路12、隔离阻障14、公共接地16、一个或多个第一电气部件18、一个或多个第二电气部件20、第一电压源22和第二电压源24。在一些实施例中，第一电气部件18和/或第二电气部件20可包括至少部分地使用电力运行的设备、机器和装置的任何组合。另外，在一些实施例中，第一电气部件18可被设计为(例如，目标为)使用由第一电压源22供电的第一电压域中的电力来运行，并且第二电气部件20可被设计为使用由第二电压源24供电的第二电压域中的电力来运行。
在一些实施例中，第一电气部件18和第二电气部件20的目标工作电压可以不同。例如，第一电气部件18的目标工作电压可以在48伏特域中(例如，48伏特左右的电压范围)。另一方面，第二电气部件20的目标工作电压可以在12伏特域中(例如，12伏特左右的电压范围)。换言之，第一电气部件18可以在高电压域中运行，并且第二电气部件20可以在低电压域中运行，或者是相反情况。
如上所述，隔离阻障14可以实现为电隔离不同的电压域。因此，在图示的实施例中，隔离阻障14可以实现为将第一电气部件18与第二电气部件20电隔离。此外，由于公共接地16的电压域(例如零伏)可与第一电气部件18的目标工作电压和/或第二电气部件20的目标工作电压不同，因此隔离阻障14可以另外地或可替代地将公共接地16与第一电气部件18和/或第二电气部件20电隔离。
为了降低隔离阻障中的故障影响电气***10和/或周围环境运行的可能性，隔离测量电路12可便于确定指示隔离阻障14中故障的特性(例如隔离电阻)。例如，隔离测量电路12可便于确定第一电气部件18与第二电气部件20之间的隔离电阻。另外地或可替代地，隔离测量电路12可便于确定公共接地16与第一电气部件18之间的隔离电阻、和/或公共接地16与第二电气部件20之间的隔离电阻。
此外，在一些实施例中，隔离测量电路12可便于确定电气***10中的电压和电流测量值。例如，隔离测量电路12可便于确定第一电压源22的电压、第二电压源24的电压、供应给第一电气部件18的电流和/或供应给第二电气部件20的电流。换言之，可使得隔离测量电路12除了隔离电阻之外还能够确定电气***10的其他运行参数——特别是当隔离测量电路12电耦接到高电压域时。
作为非限制性实例，可在使用如图2所示的电池***26的机动车辆中实现电气***10。如图所示，电池***26包括电耦接到机动车辆中各个电气部件(诸如点火***、交流发电机、车辆控制台、电动机等)的能量存储部件27。如上所述，在一些实施例中，电气***10中的不同电气部件可以使用不同电压域中的电力运行。例如，电动机可使用48伏特域中的电力来运行，而电池控制单元36(例如控制***)可使用12伏特域中的电力来运行。
因此，在一些实施例中，电池***26可包括多个电池模块(例如电池组)，其被布置成在不同的电压域中供应电力。例如，在图示的实施例中，能量存储部件27包括在第一电压域中供应电力的第一电池模块28(例如第一电压源22)、以及在第二电压域中供应电力的第二电池模块30(例如第二电压源24)。尽管被图示为彼此相邻的，但是在一些实施例中，第一电池模块28和第二电池模块30可定位在车辆的不同区域中。此外，在其他实施例中，能量存储部件27可包括任何数量的电池模块。
为了便于接收和/或供应电力，每个电池模块可以包括第一端子32和第二端子34。在一些实施例中，第一端子32可以提供正电压连接，第二端子34可以提供电池***接地连接，该电池***接地连接可以通过一个或多个电容器与公共接地16分隔开。由此，电池***接地和公共接地16处的电压可以不同。
图3中示出了能量存储部件27的实施例的更详细视图。如图所示，能量存储部件27包括第一电池模块28、第二电池模块30、电池控制单元36和隔离测量电路12。在一些实施例中，电池控制单元36可以总体控制电池***26的运行，例如，通过监测与第一电池模块28以及第二电池模块30相关的运行参数。此外，电池控制单元36可以控制隔离测量电路12、电连接到能量存储部件27的一个或多个继电器等的运行。
为了便于控制各种运行，电池控制单元36可包括存储器38和处理器40。在一些实施例中，处理器40可执行存储在存储器38中的指令。因此，在一些实施例中，处理器40可包括一个或更多个通用微处理器、一个或多个专用处理器(ASIC)、一个或多个现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其任何组合。另外，在一些实施例中，存储器38可包括一个或多个有形的、非暂时性的计算机可读介质。例如，存储器38可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可重写非易失性存储器(诸如闪存、硬盘驱动器、光盘等)。此外，在一些实施例中，电池控制单元36的一些部分可以被包括在车辆控制单元(VCU)中和/或作为单独的控制单元。
如上所述，可以至少部分地基于隔离阻障14上的隔离电阻来检测隔离阻障14中的故障。为了便于检测到故障的发生，隔离测量电路12可便于确定第一电池模块28与第二电池模块30之间的隔离电阻。另外地或可替代地，隔离测量电路12可便于确定公共接地16与第一电池模块28或第二电池模块30之间的隔离电阻。因此，如图所示，隔离测量电路12电耦接到第一电池模块28和第二电池模块30。
考虑到前述内容，图4示出了隔离测量电路12的示例实施方式。尽管图4示出了作为隔离测量电路12的一部分的多个部件，但是应当理解，所描绘的部件是示例性部件，并且隔离测量电路12可以采用各种不同的合适部件来代替。
参考图4，隔离测量电路12可以选择性地耦接到电压源66，电压源66在特定电压域中供应电力。因此，在一些实施例中，电压源66可包括第一电池模块28和/或第二电池模块30。另外，在某些实施例中，电压源66可对应于在较高电压域中供应电力的电池模块。由此，隔离测量电路12的部件可能已经暴露于高电压域，从而避免了额外的硬件或保护部件以将隔离测量电路12的部件与较高电压域隔离。以这种方式，可以实现隔离测量电路12以便于确定运行参数，包括通常在高电压域中确定的隔离电阻。
在图示实施例中，隔离测量电路12可以经由半导体继电器开关72(例如
Figure GDA0003123809740000081
)选择性地耦接到电压源66。在一些实施例中，半导体继电器开关72可以使用发光二极管(LED)作为输入并且使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为输出。因此，通过实施半导体继电器开关72，电压源66可以选择性地连接到隔离测量电路12，同时保持与公共接地16电隔离。以这种方式，可降低在确定隔离电阻时电压源66影响环境周围的可能性。通常，PhotoMOS型半导体继电器开关与PhotoMOS型半导体继电器开关所切换的电路隔离并且具有低泄漏特性。由于电路之间的隔离有助于测量绝缘电阻的过程，因此由PhotoMOS型半导体继电器开关提供的隔离特征更好地使隔离测量电路12能够测量隔离电阻。
特别地，半导体继电器开关72可以选择性地将具有已知电阻的一个或多个电阻器连接到电压源66。例如，在所示实施例中，半导体继电器开关72可以将第一电阻器74、第二电阻器76、第三电阻器78、第四电阻器80和第五电阻器82的一些组合选择性地连接到电压源66。在一些实施例中，电阻器74-82的大小可以基于电池***的特性以各种合适的电阻确定。应当理解，尽管图4描绘了五个不同的电阻，但是在其他实施例中，隔离测量电路12可以包括任何数量的电阻器。例如，电阻器74-82中的任何一个也可以实现为单个电阻器、串联电阻器、并联电阻器、或串联与并联电阻器的组合。另外，可以将多个电阻器74-82组合在一起。
如图所示，隔离测量电路12还包括第一增益场效应晶体管(FET)84和第二增益FET86。在一些实施例中，第一增益FET 84和/或第二增益FET 86可以被断开和闭合以通过隔离测量电路12调节连接到电压源66的电阻。具体地，可以断开和闭合第一增益FET 84以控制在隔离测量电路12中何时连接第三电阻器78何时连接。另外，可以断开和闭合第二增益FET86以控制在隔离测量电路12中何时连接第四电阻器80。在一个实施例中，增益FET 84可以是200伏特放大器器件，增益FET 86是低电压(例如10-20V)放大器器件。另外，增益FET 84和增益FET 86可各自包括两个或三个开关，这些开关可通过从控制***(例如电池控制单元36)接收的控制命令(例如门信号)来控制。在一个实施例中，电池控制单元36可以控制隔离测量电路12的每个开关和每个增益FET的运行，但是应当注意，任何合适的处理器或处理器件都可以这样做。
在运行中，电池控制单元36可以确定正总线(例如电压源66的正端子)与公共接地16之间的隔离电阻88。另外地或可替代地，电池控制单元36可确定负总线(例如电池***接地)与公共接地16之间的隔离电阻90。即，电池控制单元36可以首先闭合半导体继电器开关72并获取第一RC衰减波形。然后，电池控制单元36可断开半导体继电器开关72并闭合增益FET 84，从而有效地从隔离测量电路12移除电阻器78。然后，电池控制单元36可以再次闭合半导体继电器开关72并获得第二RC衰减波形。使用两个获取的RC衰减波形和隔离测量电路12的已知电阻，电池控制单元36可确定隔离电阻88和/或隔离电阻90，例如，取决于第一开关62闭合还是第二开关64闭合。应当注意，电阻88和90以及开关62和64不是隔离测量电路12的一部分。相反，提供这些部件用于模拟电路设计而非作为如上所述的测量隔离电阻的实施例的一部分。
考虑到前述内容，图5描述了用于运行隔离测量电路12以便于确定隔离电阻88和/或隔离电阻90的过程100。在一个实施例中，过程100可以由电池控制单元36(例如，经由处理器40)执行，但是应当注意，任何合适的处理器可以执行过程100。虽然过程100被描述为以特定顺序执行，但是应当理解，过程100可以以任何合适的顺序执行。
现在参考图5，在框102处，电池控制单元36可发送指示半导体继电器开关72闭合的控制命令(例如门信号)。在一些实施例中，在发送该控制命令之前，电池控制单元36可确认第一增益FET 84是断开的。在半导体继电器开关72闭合之后，在框104处，电池控制单元36可经由隔离测量电路12的输出电压节点(Vout)获取第一电压波形。在一些实施例中，第一电压波形可对应于第一RC衰减，其可用下面的等式1表示。
Figure GDA0003123809740000101
其中Vout对应于隔离测量电路12的输出电压节点，V1对应于电压源66，R对应于电压源66与公共接地16之间的等效电阻，C对应于电压源66与公共接地16之间的电容(例如，电容器68和/或电容器70的电容)。在一些实施例中，Vout节点可以耦接到模数转换器(ADC)，该模数转换器(ADC)可用于确定第一电压波形以由电池控制单元36处理。
出于说明目的，图6的图表120示出了可以确定的第一电压波形的实例。简要地参考图6，第一RC衰减波形测量由曲线122表示。
至少部分地基于第一电压波形，电池控制单元36可以在曲线的衰减部分期间的四个不同时间获得四个电压样本，使得四个的相邻时间彼此之间具有相等的时间量。然后可以使用四个电压样本来确定等式1的导数，如下面的等式2所示。
Figure GDA0003123809740000102
等式2生效的前提是在给定的样本窗口中时间导数值(例如dt)相等。应当注意，时间导数值可以对应于曲线122的第一时间常数区域并且大约在30-70ms之间。关于如何使用时间导数值来确定隔离测量电路12的隔离电阻的其他细节将在下面参考图7讨论。在一些实施例中，为了便于实现目标采样率，可以通过硬件电路实现样本的确定。
返回参照图5，在框106处，电池控制单元36可以在确定第一电压波形之后向半导体继电器开关72发送控制命令以使其断开。然后，在框108处，电池控制单元36可以发送指示第一增益FET 84闭合的控制命令。在第一增益FET 84闭合之后，在框110处，电池控制单元36可以发送另一个控制命令，其指示当增益FET开关84闭合时半导体继电器开关72闭合。
在框112处，当第一增益FET开关84闭合并且电阻器78与隔离测量电路12及因此电压源66实际断开时，电池控制单元36可获取第二电压波形。至少部分地基于第二电压波形，电池控制单元36可以在曲线的衰减部分期间的四个不同的时间再次获得四个电压样本，使得这四个相邻的时间在彼此之间具有相等的时间量。用图6的曲线124描绘示例性第二电压波形。如图6中所示，曲线124的斜率不同于曲线122的斜率。这两条曲线之间的差异归因于连接到电压源66的隔离测量电路12的电阻之间的差异。
在获取第二电压波形之后，在框114处，电池控制单元36可以至少部分地基于第一电压波形和第二电压波形来确定隔离电阻88和/或隔离电阻90的戴维南(Thevenin)等效电阻。在一些实施例中，电池控制单元36可定期监测隔离电阻88并将隔离电阻与阈值电阻进行比较。如果隔离电阻88低于阈值，则电池控制单元36可以发送控制命令，该控制命令指示继电器或断路器将电压源66与电池***26和/或电气***10断开。由此，当预期隔离阻障14中的故障已经发生时，电池控制单元36可有效地移除电源，从而降低故障影响电池***26、电气***12和/或周围环境的可能性。
通过利用第一电压波形和第二电压波形，电池控制单元36可以确定隔离电阻，假设在确定隔离电阻时电压源66与公共接地16之间的电容相对恒定。以这种方式，电池控制单元36可以降低电容器68和/或70的电容对于隔离电阻的确定产生不确定性的可能性，从而提高隔离电阻确定的准确度。然而，在一些情况下，可以通过相对的精度确定电压源66与公共接地16之间的电容，例如在电压源66启动时。在这种情况下，电池控制单元36可以使用已知的电容来仅使用一个电压波形确定隔离电阻。
图7描述了用于至少部分地基于所确定的一个或多个电压波形来确定隔离电阻的过程130。如上面参考图6的过程100所讨论的，过程130的以下描述被描述为由电池控制单元36执行，但是应当理解，任何合适的处理器可以执行过程130。此外，尽管过程130的以下描述是以特定顺序描述的，但应当注意，方法130可以以任何合适的顺序执行。
现在参考图7，在框132处，电池控制单元36可以接收来自RC衰减波形测量值(例如，在过程100的框104处确定的波形测量值)的至少四个电压测量值。在一些实施例中，可以在第一RC衰减波形的衰减部分期间获取电压测量值。如上所述，当第一增益FET 84断开时，获取第一RC衰减波形测量值。四个电压值可以表示为相对于第一RC衰减波形测量值(例如曲线122)在时间t1处的电压V1、在时间t2处的电压V2、在时间t2处的电压V3、以及在时间t4处的电压V4。
使用这些电压测量值，在框134处，电池控制单元36可基于四个电压测量值确定第一时间常数τ1。例如，基于四个电压测量值，电池控制单元36可以获得两个差电压(DV)：(1)DV1＝V2-V1和(2)DV2＝V4-V3。
如上所述，每个相邻电压测量值之间的时间差可以基本相等。这样，时间t2和时间t1之间的差应当等于时间t4和时间t3之间的差，如下面在等式3中提供的。
t2-t1＝t4-t3 等式3
基于等式3中描述的时间关系，电池控制单元36可获得两个电压差值(例如dv/dt)。因此，基于等式3的时间关系以及等式1的获取的电压波形测量特性曲线，可以根据下面的等式4和5描述两个电压差值。
Figure GDA0003123809740000121
Figure GDA0003123809740000122
其中R1是基于第一获取的RC衰减波形测量值的确定的隔离电阻。
通过重新排列等式4和5以求解时间差dt，电池控制单元36可将等式4设置为等于等式5，因为dt1＝dt2。结果，电池控制单元36可获得表示第一时间常数τ1的等式6。
Figure GDA0003123809740000123
回过头来参考图6的过程130，在框136处，电池控制单元36可以接收来自第二RC衰减波形测量值(例如在过程100的框112处确定的第二RC衰减波形测量值)的四个电压测量值(例如，时间t5处的电压V5、时间t6处的电压V6、时间t7处的电压V7以及时间t8处的电压V8)。。与在框132处接收的前四个电压测量值一样，每个相邻电压测量值之间的时间差可以基本相等，如下面在等式7中所提供的。
t6-t5＝t8-t7 等式7
此外，应当注意的是，来自第一组电压测量值(例如V1-V4)的电压测量值的每个相邻时间值之间的差值等于来自第二组电压测量值(例如V5-V8)的电压测量值的每个相邻时间值之间的差值。
在框138处，电池控制单元36可使用与上面关于框134描述的相同的过程，基于与第二组电压测量值相关联的四个电压测量值来确定第二时间常数τ2。因此，电池控制单元36可根据等式8确定第二时间常数τ2。
Figure GDA0003123809740000131
在框140处，电池控制单元36可基于第一时间常数τ1和第二时间常数τ2确定隔离电阻(例如电阻88和/或电阻90)。由于τ1＝R1C并且τ2＝R2C，每个相邻电压测量值之间的时间差可以基本相等，电池控制单元36可以重新排列等式4和5以及基于第二组电压确定的类似等式以隔离C，从而获得等式9。
Figure GDA0003123809740000132
由于电容器容差会变化(例如变化10％)，因此即使电容值在***中是已知的，电池控制单元36也可以隔离电容C。电阻R1和R2分别代表隔离电阻和测量电路电阻的戴维南等效电阻。R1和R2对应于***中的Cy电容器耦接至的戴维南等效物。通过应用2个不同的已知电阻(例如Rcirc1和Rcirc2)以及未知电阻(例如Riso)(该未知电阻在两种情况下都是相同的)，将实现下面提供的针对R1和R2的两个等式。将R1和R2的等式代入等式9，以将电阻R1和R2表示为：
Figure GDA0003123809740000133
Figure GDA0003123809740000141
其中Riso对应于隔离电阻88和/或电阻90，其中Rcircl对应于当第一增益FET84断开时隔离测量电路12的等效电阻，并且其中Rcirc2对应于当第一增益FET 84闭合时隔离测量电路12的等效电阻，如上面关于图5的方法100所述。Riso是隔离测量电路12试图确定的未知电阻。Rcirc1和Rcirc2是应用于***以确定Riso的已知电阻。
然后，电池控制单元36可以合成等式10和11以得到：
Figure GDA0003123809740000142
其中Rsca和Rscb代表不同的测量电路。通常，Rsa和Rsca是Rcircl的分量；Rsb和Rscb是Rcirc2的分量。Rfinal代表从***中的Cy电容看到的戴维南电阻。
然后，电池控制单元36可以根据等式13确定隔离电阻(例如电阻88和/或电阻90)。
Figure GDA0003123809740000143
Rpul是在***中被拉高到中间值的电阻。在隔离故障接地的情况下提供Rpul。在这种情况下，由于输入已经接地(此时开关断开、应用接地)，电压输入不会移动至转换器。这将确保ADC的一些移动以及由***电容引起的RC衰减，从而可获得测量结果。
通过采用隔离测量电路12来确定隔离电阻，电池控制单元36能够以对Cy电容、模数转换器(ADC)精度和/或ADC基准不敏感的方式确定(例如测量)隔离电阻。另外，相比于用于测量隔离电阻的先前***和技术(其在电池***12的正端子处提供电压并接着在电池***12的负端子处产生电压)，隔离测量电路12可以使用更少的半导体继电器开关来实现，更容易校准，并且通过在高电压侧执行隔离测量来消除经由电池***12的高电压侧产生故障的可能性。
此外，在其他实施例中，电池控制单元36将等待直到波形由于RC衰减而变得稳定。相比之下，实现上述技术使得电池控制单元36能够利用RC衰减并使其成为测量的一部分。以这种方式，电池控制单元36可以更快和/或更早地检测故障，从而降低故障影响电池***26、电气***12和/或周围环境的可能性。
由此，当前公开的实施例使用较少的硬件并且不涉及专用ADC或精确基准。此外，ADC精度不会影响隔离电阻测量的精度。不使用校准来核实隔离电阻测量值，并且Cy电容不会改变隔离电阻测量值。此外，通过使用两个RC衰减波形的衰减部分，相比于在执行隔离电阻计算之前等待每个RC衰减波形稳定到相对恒定的值，当前公开的实施例可以更快地确定隔离电阻测量值。
所公开的实施例中的一个或多个(单独或组合)可以提供一种或多种技术效果，包括监测电池***26的隔离电阻以及将电压源66(例如，第一电池组28和/或第二电池组30)与电池***26和/或电气***10断开。即，当隔离电阻小于某个阈值时，在一个或多个隔离阻障14中可能存在故障。因此，当前公开的***和技术有助于识别电池***26和/或电气***10中何时存在潜在故障并隔离故障源。
虽然仅示出并描述了某些特征和实施例，但是本领域技术人员可以想到许多修改和变化(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化、参数(例如温度、压力等)的值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)，而不实质上脱离所公开的主题的新颖教导和优点。根据替代实施例，可以改变任何过程或方法步骤的次序或顺序或对其进行重新排序。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。此外，为了提供示例性实施例的简明描述，可能未描述实际实现的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，可以做出许多特定实现的决定。这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本发明的普通技术人员来说，仍然是设计、制备和制造的常规任务，而无需过多的实验。

Claims (46)

1.一种能量存储***，所述能量存储***被配置为输出至少两个电压波形，所述能量存储***包括：
半导体继电器开关；
一个或多个电池组，其中所述能量存储***的所述一个或多个电池组的一个端子电耦接到多个电阻器中的电阻器，其中所述多个电阻器被配置为经由所述半导体继电器开关电耦接到所述一个或多个电池组；
增益场效应晶体管(FET)，所述增益场效应晶体管被配置为使所述多个电阻器中的至少一个电阻器电短路，其中所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器直接耦接到电压输出端子，所述电压输出端子被配置成输出所述至少两个电压波形以确定所述能量存储***的隔离电阻；以及
控制***，所述控制***被配置为：
向所述半导体开关发送第一命令以使其闭合；
在所述第一命令发送之后，获得第一电压波形，所述第一电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第一时间段内的第一电压测量值；
向所述半导体开关发送第二命令以使其断开；
在所述第二命令发送之后，向所述增益场效应晶体管发送第三命令以使其闭合，其中所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器在所述增益场效应晶体管闭合时电短路；
在所述第三命令发送之后，向所述半导体开关发送第四命令以使其闭合；
在所述第四命令发送之后，获取第二电压波形，所述第二电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第二时间段内的第二电压测量值；以及
至少部分地基于由所述第一电压波形和所述第二电压波形计算的戴维南等效电阻确定所述隔离电阻。
2.根据权利要求1所述的能量存储***，其中所述一个或多个电池组包括一个或多个铅酸电池组或者一个或多个锂离子电池组。
3.根据权利要求1所述的能量存储***，其中，所述半导体继电器开关包括作为输入的发光二极管和作为输出的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
4.根据权利要求1所述的能量存储***，其中所述半导体继电器开关包括PhotoMOS开关。
5.根据权利要求1所述的能量存储***，其中所述增益场效应晶体管被配置为电耦接到***接地。
6.根据权利要求1所述的能量存储***，其中所述增益场效应晶体管包括200伏特额定值。
7.根据权利要求1所述的能量存储***，所述能量存储***包括第一开关和第二开关，所述第一开关被配置为将第一电阻器电耦接到所述一个或多个电池组，所述第二开关被配置为将第二电阻器电耦接到所述一个或多个电池组。
8.根据权利要求1所述的能量存储***，所述能量存储***包括一个或多个电容器，所述一个或多个电容器电耦接到车辆的***接地以及所述一个或多个电池组。
9.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被配置为使处理器：
当电池***的多个电阻器经由半导体继电器开关电耦接到一个或多个电池组时，获取第一电压波形，所述第一电压波形对应于电压输出端子处的、在第一时间段内的第一电压测量值，所述电压输出端子被配置为输出至少两个电压波形；
响应于直接耦接到所述电压输出端子的、所述多个电阻器中的至少一个电阻器经由增益场效应晶体管(FET)被电短路，获取第二电压波形，所述第二电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第二时间段内的第二电压测量值；
至少部分地基于由所述第一电压波形和所述第二电压波形计算的戴维南等效电阻确定电池***与底盘之间的隔离电阻；以及
响应于所述隔离电阻低于阈值电阻值，将所述一个或多个电池组从所述电池***断开。
10.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述处理器被配置为当所述增益场效应晶体管断开时获取所述第一电压波形。
11.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述处理器被配置为当所述增益场效应晶体管闭合时获取所述第二电压波形。
12.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述第一电压波形对应于电阻器-电容(RC)衰减波形。
13.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述第一电压测量值和所述第二电压测量值各自包括至少四个测量值。
14.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述第一电压测量值和所述第二电压测量值的每对相邻电压测量值彼此之间包括相等量的时间。
15.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述戴维南等效电阻是在所述电池***与所述底盘之间的等效电阻。
16.一种用于测量隔离电阻的隔离测量电路，所述隔离测量电路包括：
半导体继电器开关；
多个电阻器，所述多个电阻器被配置为经由所述半导体继电器开关电耦接到一个或多个电池组，其中所述一个或多个电池组的一个端子电耦接到电池***的所述多个电阻器中的电阻器；
增益场效应晶体管(FET)，所述增益场效应晶体管被配置为使所述多个电阻器中的至少一个电阻器电短路，其中所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器直接耦接到电压输出端子，所述电压输出端子被配置为输出电压波形以确定所述电池***与底盘之间的隔离电阻；
一个或多个电容器，所述一个或多个电容器耦接到车辆的***接地以及所述一个或多个电池组；以及
控制***，所述控制***被配置为：
当所述多个电阻器经由所述半导体继电器开关电耦接到所述一个或多个电池组时，获取第一电压波形，所述第一电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第一时间段内的第一电压测量值；
响应于直接耦接到所述电压输出端子的、所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器经由所述增益场效应晶体管(FET)被电短路，获取第二电压波形，所述第二电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第二时间段内的第二电压测量值；以及
至少部分地基于由所述第一电压波形和所述第二电压波形计算的戴维南等效电阻确定所述电池***与所述底盘之间的所述隔离电阻。
17.根据权利要求16所述的隔离测量电路，其中所述半导体继电器开关包括作为输入的发光二极管和作为输出的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
18.根据权利要求16所述的隔离测量电路，其中所述半导体继电器开关包括PhotoMOS开关。
19.根据权利要求16所述的隔离测量电路，其中所述增益场效应晶体管包括200伏特放大器器件。
20.根据权利要求16所述的隔离测量电路，其中所述第一电压波形对应于电阻器-电容(RC)衰减波形。
21.一种能量存储***，所述能量存储***被配置为输出至少两个电压波形，所述能量存储***包含：
一个或多个电池组，其中所述一个或多个电池组的一个端子电耦接到所述能量存储***的电阻器；
半导体继电器开关；
多个电阻器，所述多个电阻器被配置为经由所述半导体继电器开关电耦接到所述一个或多个电池组；
增益场效应晶体管(FET)，所述增益场效应晶体管被配置为使所述多个电阻器中的至少一个电阻器电短路，其中所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器直接耦接到电压输出端子，所述电压输出端子被配置成输出所述至少两个电压波形以确定所述能量存储***的隔离电阻；以及
控制***，所述控制***被配置为：
向所述半导体继电器开关发送第一命令以使其闭合；
在所述第一命令发送之后，获得第一电压波形，所述第一电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第一时间段内的第一电压测量值；
向所述半导体继电器开关发送第二命令以使其断开；
在所述第二命令发送之后，向所述增益场效应晶体管发送第三命令以使其闭合，其中所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器在所述增益场效应晶体管闭合时电短路；
在所述第三命令发送之后，向所述半导体继电器开关发送第四命令以使其闭合；
在所述第四命令发送之后，获取第二电压波形，所述第二电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第二时间段内的第二电压测量值；以及
至少部分地基于由所述第一电压波形和所述第二电压波形计算的戴维南等效电阻确定所述隔离电阻。
22.根据权利要求21所述的能量存储***，其中所述一个或多个电池组包含一个或多个铅酸电池组或者一个或多个锂离子电池组。
23.根据权利要求21所述的能量存储***，其中，所述半导体继电器开关包含作为输入的发光二极管和作为输出的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
24.根据权利要求21所述的能量存储***，其中所述半导体继电器开关包含PhotoMOS开关。
25.根据权利要求21所述的能量存储***，其中所述增益场效应晶体管被配置为电耦接到***接地。
26.根据权利要求21所述的能量存储***，其中所述增益场效应晶体管包含200伏特额定值。
27.根据权利要求21所述的能量存储***，所述能量存储***包含：第一开关和第二开关，所述第一开关被配置为将第一电阻器电耦接到所述一个或多个电池组，所述第二开关被配置为将第二电阻器电耦接到所述一个或多个电池组。
28.根据权利要求21所述的能量存储***，所述能量存储***包含一个或多个电容器，所述一个或多个电容器电耦接到车辆的***接地以及所述一个或多个电池组。
29.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包含计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被配置为使处理器：
当根据权利要求21至28中任一项所述的能量存储***的多个电阻器经由半导体继电器开关电耦接到一个或多个电池组时，获取第一电压波形，所述第一电压波形对应于电压输出端子处的、在第一时间段内的第一电压测量值，所述电压输出端子被配置成输出至少两个电压波形；
响应于直接耦接到所述电压输出端子的、所述多个电阻器中的至少一个电阻器经由增益场效应晶体管(FET)电短路，获取第二电压波形，所述第二电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第二时间段内的第二电压测量值；以及
至少部分地基于由所述第一电压波形和所述第二电压波形计算的戴维南等效电阻确定所述能量存储***与底盘之间的隔离电阻；以及
响应于所述隔离电阻低于阈值电阻值，将所述一个或多个电池组从电池***断开。
30.根据权利要求29所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述处理器被配置为当所述增益场效应晶体管断开时获取所述第一电压波形。
31.根据权利要求29所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述处理器被配置为在所述增益场效应晶体管闭合时获取所述第二电压波形。
32.根据权利要求29所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述第一电压波形对应于电阻器-电容(RC)衰减波形。
33.根据权利要求29所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述第一组电压测量值和所述第二组电压测量值各自包含至少四个测量值。
34.根据权利要求29所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述第一组电压测量值和所述第二组电压测量值的每对相邻电压测量值彼此之间包含相等量的时间。
35.根据权利要求29所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述戴维南等效电阻是所述电池***与所述底盘之间的等效电阻。
36.一种用于测量隔离电阻的隔离测量电路，所述隔离测量电路包含：
半导体继电器开关；
多个电阻器，所述多个电阻器被配置为经由所述半导体继电器开关电耦接到一个或多个电池组，其中所述一个或多个电池组的一个端子电耦接到根据权利要求21至28中任一项所述的能量存储***的所述多个电阻器中的电阻器；
增益场效应晶体管(FET)，所述增益场效应晶体管被配置为使所述多个电阻器中的至少一个电阻器电短路，其中所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器直接耦接到电压输出端子，所述电压输出端子被配置成输出电压波形以确定电池***与底盘之间的隔离电阻；
一个或多个电容器，所述一个或多个电容器电耦接到车辆的***接地以及所述一个或多个电池组；以及
控制***，所述控制***被配置为：
当所述多个电阻器经由所述半导体继电器开关电耦接到所述一个或多个电池组时，获取第一电压波形，所述第一电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第一时间段内的第一电压测量值；
响应于直接耦接到所述电压输出端子的、所述多个电阻器中的所述至少一个电阻器经由所述增益场效应晶体管(FET)电短路，获取第二电压波形，所述第二电压波形对应于所述电压输出端子处的、在第二时间段内的第二电压测量值；以及
至少部分地基于由所述第一电压波形和所述第二电压波形计算的戴维南等效电阻确定所述电池***与所述底盘之间的所述隔离电阻。
37.根据权利要求36所述的隔离测量电路，其中所述半导体继电器开关包含作为输入的发光二极管和作为输出的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
38.根据权利要求36所述的隔离测量电路，其中所述半导体继电器开关包含PhotoMOS开关。
39.根据权利要求36所述的隔离测量电路，其中所述增益场效应晶体管包含200伏特放大器器件。
40.根据权利要求36所述的隔离测量电路，其中所述第一电压波形对应于电阻器-电容(RC)衰减波形。
41.一种能量存储***，包括权利要求1-8中的任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
42.一种非暂时性计算机可读介质，包括权利要求9-15中的任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
43.一种隔离测量电路，包括权利要求16-20中的任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
44.一种能量存储***，包括权利要求21-28中的任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
45.一种非暂时性计算机可读介质，包括权利要求29-35中的任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
46.一种隔离测量电路，包括权利要求36-40中的任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
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