專利名稱：大型電動載具的電池系統(tǒng)的安全和效能優(yōu)化控制的制作方法
大型電動載具的電池系統(tǒng)的安全和效能優(yōu)化控制相關(guān)申請案本申請案主張于2010年2月26日所提申的美國臨時申請案第61/338，990號(律師檔案編號3853. 1047-001)和2009年9月1日所提申的美國臨時申請案第61/238，961 號(律師檔案編號3853. 1047-000)的權(quán)利。上述申請案的整體教示以引用方式納入本文中。
背景技術(shù)：
大型電池系統(tǒng)在各種電動及混合式電動載具中被使用做為電力儲存裝置。可以用電力或混合式動力驅(qū)動的一些載具實(shí)例包括汽車、船只及電車。這些電池系統(tǒng)的容量范圍通常介于IOkWh到IOOkWh之間，且通常具有介于44. 4VDC到444VDC之間的標(biāo)稱電壓額定值。在這些大型電池系統(tǒng)之中，機(jī)械及電子控制的設(shè)計必須使效能和安全達(dá)到優(yōu)化。 若此等控制有被正確地設(shè)計及實(shí)施，則電池組(pack)將具有接近所包含的個別電池單體的效能及安全性特性。電池管理系統(tǒng)(BMS)控制電子的架構(gòu)是一主/從形式的分布式處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)包含單一主處理器，以下稱其為BMS主控制器(BMSHC)。每一如圖1所示的模塊同時亦包含所執(zhí)行該部分功能的一通用微控制器或一特定用途集成電路(ASIC)，本文以下稱其為"模塊控制器"或"模塊ASIC"。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有大型電動載具系統(tǒng)及其他大型電池系統(tǒng)并未提供一種在電池系統(tǒng)連接及分離二種模式下用以偵測各種電力總線隔離故障狀況結(jié)合一安全總線放電機(jī)制的方法?，F(xiàn)有大型電動載具系統(tǒng)及其他大型電池系統(tǒng)并未提供一種依據(jù)充電狀態(tài)(state of charge ;S0C)、健康狀態(tài)(state of health ;S0H)、壽命狀態(tài)(state of life ;SOL)參數(shù)，藉由利用回授信號，在運(yùn)作期間調(diào)整輸出電流限制的方法。本發(fā)明的實(shí)施例提出一種電動載具電力系統(tǒng)，包含一電池系統(tǒng)；一總線，配置以傳輸電力至一馬達(dá)驅(qū)動裝置；及一控制電路，以選擇性地耦接該電池至該總線。該控制電路是用以在該電池及該總線分離時使該總線的電容放電至一底盤。此外，該控制電路量測跨于該總線的阻抗。因此，該控制電路可監(jiān)測該總線的健全度(integrity)并偵測故障，諸如短路或是總線絕緣度降低。在其它實(shí)施例中，該控制電路在上述分離后的一段時間長度中量測跨于該總線的阻抗。該電池系統(tǒng)可以包含一電池管理單元，配置以監(jiān)測該電池系統(tǒng)內(nèi)復(fù)數(shù)電力單體的狀態(tài)。該電力系統(tǒng)可以更包含一主控制器，其依據(jù)上述的狀態(tài)限制所傳輸至該馬達(dá)驅(qū)動裝置的一放電電流。該狀態(tài)可以包含一電池充電狀態(tài)、健康狀態(tài)、以及壽命狀態(tài)。在其它另外的實(shí)施例，該控制電路可以配置以依據(jù)跨于該總線量測的阻抗決定該總線健全度中的一故障。針對該故障，該控制電路可以響應(yīng)以將電池自該總線分離。該控制電路可以量測介于電池及一底盤間的一度量，諸如AC阻抗和DC電阻。同樣地，該控制電路可以量測介于總線及一底盤間的一度量，諸如AC阻抗和DC電阻。依據(jù)此度量，其可以決定一故障，該故障指出一絕緣失效、一短路狀況、或其它失效。本發(fā)明實(shí)施例可包含一具有多重組態(tài)及量測模式的高電壓前端(HVFE)電路，其之一可在總線未連接至電池期間使儲存于電力總線及底盤間的電容的電荷進(jìn)行放電。另一實(shí)施例包含一 HVFE電路組態(tài)及量測模式以驗(yàn)證該電力總線是處于一放電狀態(tài)。本發(fā)明的另一實(shí)施例是一 HVFE電路組態(tài)及量測模式，以監(jiān)測AC阻抗(電容)而識別高電壓總線絕緣健康度及可能發(fā)生的絕緣失效。本發(fā)明另一實(shí)施例是HVFE電路組態(tài)及量測模式以監(jiān)測從二個電池接頭到底盤及從二個電力總線接頭到底盤的AC及DC電阻，以偵測一可能絕緣失效或短路故障狀況。本發(fā)明另一實(shí)施例是一種傳送電流限制至諸如馬達(dá)控制單元的載具電子控制模土夬，以依據(jù)BMSHC決定的SOC、SOH及SOL水平來致能放電電流限制的回授控制的方法。


經(jīng)由本發(fā)明示范性實(shí)施例的具體詳盡說明，前述特點(diǎn)將趨于明顯，該等說明是配合所附圖式進(jìn)行，不同視圖中相同的參照字符表示相同的部件。圖式未必成比例繪制，其可能基于本發(fā)明實(shí)施例的例示所需而予以夸示強(qiáng)調(diào)。圖1例示可以實(shí)施于本發(fā)明實(shí)施例中的一電池模塊。圖2例示包含復(fù)數(shù)電池模塊的一電池串(string)。圖3是一包含本發(fā)明實(shí)施例的電池組的功能方塊圖。圖4是一用以提供電力至一馬達(dá)驅(qū)動裝置的電力總線的功能方塊圖。圖5A是一用以放電一總線的高電壓前端(HVFE)電路組件。
圖5B是一用以量測阻抗的HVFE電路組件。圖6是一 HVFE控制電路的詳細(xì)示意圖。圖7A-C是例示一 HVFE量測功能的波形。圖8是例示依據(jù)一實(shí)施例操作一電動載具的一方法流程圖。
具體實(shí)施例方式以下是本發(fā)明示范性實(shí)施例的描述。本發(fā)明實(shí)施例是有關(guān)于大型電動載具電池系統(tǒng)的控制。說明于下的本發(fā)明的一些實(shí)施例針對該電池系統(tǒng)及在該電池系統(tǒng)之內(nèi)提供電力總線放電及故障監(jiān)測以增進(jìn)電力系統(tǒng)的安全及效能。圖1例示可以實(shí)施于本發(fā)明實(shí)施例中的一電池模塊100。模塊100包含由電池單體組成的一區(qū)塊105。區(qū)塊105可以包含一或多種組態(tài)的復(fù)數(shù)個電池單體，諸如配置成復(fù)數(shù)串聯(lián)連接的電池單體數(shù)組，其中每一電池數(shù)組更包含復(fù)數(shù)并聯(lián)連接的電池單體，如圖中所示。每一模塊100同時亦包含一模塊控制器110，其可以是一微控制器或是一特定用途集成電路(ASIC)。若電池模塊100是配置于一電池模塊的階層式組態(tài)之中，則模塊控制器110 可如下所示與其他模塊控制器(未圖標(biāo))或一主控制器通信。模塊控制器110可以配置成獨(dú)立地或是基于對一主控制器或其他單元指令的響應(yīng)而執(zhí)行一些功能
1.區(qū)塊電壓的模擬至數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換。2.取樣區(qū)塊電壓(例如，在一主控制器的請求之下)。3.區(qū)塊溫度傳感器輸入的A/D轉(zhuǎn)換。4.依據(jù)可設(shè)定的警示參數(shù)進(jìn)行警示回報。5.依據(jù)主控制器的指令進(jìn)行區(qū)塊平衡電路的開關(guān)及設(shè)定電流/時序參數(shù)。6.依據(jù)內(nèi)部故障偵測及/或來自主機(jī)的指令進(jìn)行一選擇性模塊安全裝置的開關(guān)。圖2例示一電池串，其包含所配置成串聯(lián)組態(tài)的復(fù)數(shù)個電池模塊100(如圖1所示)。通往一主控制器(未圖示)的一通信鏈接可以一菊煉式(daisy chain)串接的形式連接至每一電池模塊。大型電池系統(tǒng)可以包含復(fù)數(shù)電池模塊(例如，如圖1所示的電池模塊100)、電池串 (例如，如圖2所示的電池串200)、或其他電池單體的配置，以及額外的電路以監(jiān)測及控制電池的運(yùn)作。此配置可以被稱為電池的"電池組"，參照圖3說明如下。電池組可以包含一串聯(lián)及并聯(lián)電池單體的數(shù)組以及額外的控制電路。一群以并聯(lián)形式連接的個別電池單體構(gòu)成一"區(qū)塊"。一區(qū)塊或區(qū)塊群組以串聯(lián)形式相連接并伴同監(jiān)測及平衡電子組裝在一起則形成一模塊，其中一實(shí)例參照圖1說明于上。一群模塊以串聯(lián)形式相連接構(gòu)成一電池串， 其中一實(shí)例參照圖2說明于上。此外，多個電池串可以并聯(lián)方式相連，加上個別保險絲及/ 或接觸器(contactor)以形成一電池組，其中一實(shí)例參照圖3說明于上。就每一電池串而言，保險絲可以被額定為最大電池串電壓及電流。接觸器可以被額定為最大系統(tǒng)電壓及電流。在這些大型電池系統(tǒng)之中，可以實(shí)施機(jī)械及電子控制以使效能和安全達(dá)到優(yōu)化。 若此等控制有被正確地設(shè)計及實(shí)施，則電池組將具有接近其所包含的個別電池單體的效能及安全特性。一電池管理系統(tǒng)(BMS)控制電子的架構(gòu)可以被配置成一主/從形式的分布式處理系統(tǒng)。此一系統(tǒng)包含一單一主處理器，以下稱其為BMS主控制器(BMSHC)，與復(fù)數(shù)電池模塊控制器連接。圖3例示一電池組300。電池組300包含復(fù)數(shù)個電池串310A-C，以并聯(lián)方式連接于一高電壓前端(HVFE) 340處。該HVFE340選擇性地耦接該等電池串310A-C至一總線(未圖標(biāo))，并執(zhí)行如下所述的額外診斷及控制功能。一電池管理系統(tǒng)主控制器350通信耦接至位于每一電池串310A-C的電池模塊控制器(未圖標(biāo))。該BMS主控制器350可以配置以執(zhí)行有關(guān)電池組300安全及效能的各種功能。一些類別的數(shù)據(jù)可以周期性地自模塊控制器取樣，包含區(qū)塊電壓、區(qū)塊溫度以及模塊警示。主控制器350執(zhí)行信號調(diào)節(jié)以及所有電池串電流感測輸入的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)。主控制器更收集可用的高電壓前端(HVFE) 340數(shù)據(jù)，其可以包含電池串電壓、接觸器溫度、接觸器狀態(tài)、鎖扣狀態(tài)以及絕緣故障狀態(tài)。主控制器350以開路集極輸出的形式提供輸出信號以進(jìn)行HVFE340的控制，諸如預(yù)充電及總線正接觸器、用于總線負(fù)接觸器控制的開路集極輸出、以及用于冷卻系統(tǒng)控制的開路集極輸出。主控制器350可以進(jìn)一步提供2Hz脈沖寬度調(diào)變(PWM)輸出信號，代表有關(guān)組成電池單體的狀態(tài)的估算，包含充電狀態(tài)(SOC)、可取用的放電脈沖功率、可取用的再生制動脈沖功率以及固定電流充電速率。電池單體(和以其為組件的電池組合體)的效能通常是以該電池壽命中每一次循環(huán)利用時所送出的能量加以衡量。針對此效能的量測及預(yù)測，其可以偵測電池溫度、電壓、負(fù)載概況、以及充電速率。這些量測數(shù)值可用以估測三個重要參數(shù)1)充電狀態(tài)(S0C)、2) 健康狀態(tài)(SOH)、以及3)壽命狀態(tài)(SOL)。此等參數(shù)指出電池實(shí)時運(yùn)作的情況。該等估測的精確度取決于數(shù)個系統(tǒng)設(shè)計元素，包含溫度、電壓、及電流量測值的精確度和分辨率、前述量測值的采樣率、以及用以預(yù)測電池理論效能的數(shù)據(jù)的精密度。該BMS主控制器350提供一控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線接口給予支持以下訊息的載具故障警告、故障警示、S0C、健康狀態(tài)(SOH)、壽命狀態(tài)(SOL)、接觸器狀態(tài)、鎖扣狀態(tài)、 最高區(qū)塊溫度、最低區(qū)塊溫度、平均區(qū)塊溫度。該BMS主控制器CAN執(zhí)行區(qū)塊阻抗計算。其包含SOC、SOH、SOL的計算算法及具有溫度及阻抗補(bǔ)償?shù)膮^(qū)塊平衡控制。在電池停用期間 (意即無充電或放電電流)，BMS主控制器350周期性地利用電池單體平衡控制定期估算阻抗(時序可調(diào)整)以產(chǎn)生一已知電流及量測電壓。該BMS主控制器判定可設(shè)定及不可設(shè)定的故障狀況并采取適當(dāng)行動。電池組300中的電壓量測可在電池單體的位階進(jìn)行。一電池組的效能是受限于系統(tǒng)中最弱的電池單體；因此，效能估測必須利用最弱的電池單體的電壓進(jìn)行。此外，電池組中最弱電池單體的位置可能隨時間變動；因此，所有的電池單體電壓均必須被監(jiān)測。電壓量測精確度基本上是模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的函數(shù)，然而亦受到量測連接實(shí)施方式的影響。從電池單體接頭到ADC輸入端的距離應(yīng)被最小化以避免電磁干擾(EMI)。若有必要，其亦可以運(yùn)用被動濾波器電路以最小化EMI。電壓量測路徑可以包含印刷電路板(PCB)上的接線、連接器、及/或銅質(zhì)跡線。若該路徑的任一部分同時亦用以承載電流，則肇因于該電流的壓降亦將影響電壓量測的精確度。任一電流承載路徑的電阻應(yīng)低到足以使得上述壓降在最大負(fù)載下可以被忽略。如同電壓一般，溫度量測可以在電池單體或是盡量接近電池單體的位階進(jìn)行，以提供最佳的效能估測精確度。電池單體的容量及循環(huán)壽命受溫度的影響極大。一些電池單體可能變得比其它單體更熱，故個別電池單體的量測對整個電池組的效能估測可能有所幫助。彼此有熱接觸的電池單體群組的溫度可以使用于個別電池單體的溫度無法被直接量測的情況。一個量測溫度的常用方式是使用一偏壓負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻器 (thermistor)裝置。此方法提供一正比于該熱敏電阻的溫度的電壓，而可以用一 ADC加以量測。從熱敏電阻到ADC輸入端的距離應(yīng)被最小化以避免電磁干擾(EMI)。若有必要，其亦可以運(yùn)用被動濾波器電路以最小化EMI。電池單體電壓和電池組電流應(yīng)同時取樣以精確地量測AC阻抗。電池單體電壓和電池組電流取樣的同步對于AC阻抗的量測相當(dāng)關(guān)鍵。Swing電池單體的工廠規(guī)格阻抗數(shù)據(jù)系標(biāo)準(zhǔn)的IkHz AC阻抗量測值，因此BMS應(yīng)能在Ims內(nèi)擷取二個連續(xù)的資料取樣。此例中， 阻抗量測僅能在充電電流時段下進(jìn)行。連續(xù)充電期間，其需要不定時改變電流以進(jìn)行阻抗量測。放電期間，可在下述前提取得多個取樣群集1) 一可接受的阻抗量測值所需的電流最小變化必須大于電流傳感器的分辨率。2)電流上具有最大變化的取樣群集應(yīng)被采用以提供最大精確度。溫度量測的時序較為次要，因?yàn)橄到y(tǒng)的熱質(zhì)量(thermal mass)將限制溫度變化的速率。存有數(shù)個充電狀態(tài)(SOC)估測方法可以配合鋰離子電池化學(xué)使用，包含庫倫計數(shù) (Coulomb counting)以及電壓式估測。庫倫計數(shù)是藉由監(jiān)測電池組電流而達(dá)成，且藉由對初始值加上或減去Ah而推導(dǎo)出S0C。此方法的主要難處在于實(shí)時決定電池的總?cè)萘?。此問題藉由利用一具有該電池在各種溫度下的理論阻抗對容量曲線的對照表，從實(shí)時阻抗量測值內(nèi)插出實(shí)時容量而得到解決。此方法的另一個缺點(diǎn)是精確度受限于電流取樣頻率。在電壓式估測方法中，電池在一些溫度及速率下的理論充電及放電電壓對SOC曲線被儲存于一對照表中，而自最弱電池單體的電壓內(nèi)插出S0C。此方法有二困難點(diǎn)必須處理。在儲存及低速率放電期間，電池單體電壓在25%及75% SOC之間的可變化幅度小于 200mV而限制精確度。在固定電壓(CV)充電期間，因?yàn)殡妷汗潭ǘ鵁o法決定S0C。針對前述二方法限制，常用于鋰離子HEV及PHEV應(yīng)用的一 SOC估測方式是以如下方式結(jié)合上述方法。在CV充電期間可使用庫倫計數(shù)，因?yàn)殡娏鞯淖兓俾史€(wěn)定，從而降低必要電流采樣率。在儲存及低速率放電期間，當(dāng)SOC介于25%及75%之間時可使用庫倫計數(shù)驗(yàn)證電壓式估測的精確度。電壓式估測可于所有其他運(yùn)作條件下使用。健康狀態(tài)(SOH)是定義為該電池的實(shí)時容量相對于被循環(huán)使用前的容量的比例。 估測SOH的最佳方式是在系統(tǒng)配置電池的理論容量，并將該數(shù)值與實(shí)時容量比較。實(shí)時容量的決定藉由利用具有該電池在各種溫度下的理論阻抗對容量曲線的對照表，從實(shí)時阻抗量測值內(nèi)插出實(shí)時容量。壽命狀態(tài)(SOL)是定義為在電池的總?cè)萘课s到一可設(shè)定的位準(zhǔn)(通常是理論容量的80%)以下之前，尚殘余的完整放電循環(huán)的數(shù)目。SOL的估測是藉由利用具有各種溫度下的循環(huán)壽命對容量曲線的對照表，從實(shí)時阻抗估測內(nèi)插出SOL。其應(yīng)注意S0L實(shí)際上預(yù)測的成份大于估測，因此當(dāng)電池的運(yùn)作狀況隨時間改變而可能增加或減少。在一電動載具電池組中，在電池單體和模塊間平衡電荷的能力對于電池組達(dá)成高效能系一重要能力。在一鋰離子電池組中，單一較弱組件因老化或循環(huán)使用而容量減損將使得該電池組的其余部分無法充分發(fā)揮其效能。當(dāng)一串聯(lián)電池串中的一電池單體在放電期間領(lǐng)先電池組的其余部分抵達(dá)其最低電壓時，該電池組即必須截止放電，而此時尚有可觀的能量殘留于狀況良好的電池單體之中。所用的平衡技術(shù)通常是被動式或主動式。被動式技術(shù)包含經(jīng)由一散熱逸電阻器(dissipating resistor)使過度充電(較高電壓)的電池單體進(jìn)行放電。此過程具有產(chǎn)生廢熱的缺點(diǎn)。主動式平衡技術(shù)在能量上較有效率，其通常利用開關(guān)電容電路以傳輸電荷至鄰近電池單體(例如參見美國專利公開案第2005/0024015號， 其整體以參照方式并入本說明書)或者利用變壓器耦合以傳輸電荷至整個模塊電池串。當(dāng)電池組變大而具有較大容量，就安全性及效能而言，監(jiān)測電力總線的狀況及狀態(tài)變得相當(dāng)重要，特別是提供總線隔離故障監(jiān)測。此外，當(dāng)電力總線未連接至電池時，使其進(jìn)行放電并確認(rèn)足夠的放電位準(zhǔn)是極為重要。效能的進(jìn)一步優(yōu)化可依據(jù)該電池系統(tǒng)的特性藉由控制電池輸出電流限制而達(dá)成。 此等特性可包含SOC、SOH及S0L，且可由一利用CAN總線或其他I/O通信方式通往一外部系統(tǒng)的回授信號指示。(利用諸如CAN總線的數(shù)據(jù)通信接口系統(tǒng)致能介于一載具中各種控制單元之間的通信。)因此可依據(jù)電力系統(tǒng)內(nèi)的電池狀態(tài)對通往一馬達(dá)驅(qū)動裝置的輸出電流加以限制。例如參照圖3，該BMS主控制器350可透過CAN總線傳送一電流限制至一諸如馬達(dá)控制單元的載具電子控制模塊(未圖標(biāo))。此通信依據(jù)BMS主控制器決定的SOC、SOH 及SOL的水平，致能放電電流限制的回授控制。在一實(shí)例中，電池SOC可被用以提供一電流限制回授至馬達(dá)驅(qū)動裝置(例如，用以驅(qū)動電動載具的馬達(dá)組件)處的負(fù)載，意味該電流限制因SOC隨時間遞減而以該SOC的函數(shù)形式遞減。在其他實(shí)施例中則使用其他參數(shù)限制電池電流，諸如BMS主控制器量測及估測的電池SOH及SOL。舉例而言，若BMS主控制器判定電池單體已老化(意即，SOL減少)至一門坎值限制及一縮減水平的S0H，則BMS主控制器可降低最大電池電流限制。調(diào)整用以控制每一馬達(dá)旋轉(zhuǎn)扭矩及速度的PWM信號以反映較低電流限制。圖4是一用以提供電力至一馬達(dá)驅(qū)動裝置405的電力系統(tǒng)400的功能方塊圖。電力系統(tǒng)400包含一電池410 (其可包含電池單體配置及相關(guān)電路，如前參照圖1-3所述)、 一電力總線Vbus 450、一 HVFE控制電路430、及作為該HVFE的組件的一接觸器(SW-PRE、 Sff-P,Sff-N)的配置。該HVFE控制電路430連接至正端及負(fù)端電池接頭V_Bat+&V_Bat-。 此外，該HVFE控制電路430經(jīng)由線路Vprecharge提供一通往電力總線450的直接連接，選擇性地繞過主要電力總線接觸器SW-P和SW-N(以下參照圖5A-B和圖6進(jìn)一步詳述)。此通往電力總線450的直接連接使得HVFE控制電路430在主要電力總線接觸器SW-P和SW-N 斷開時，可以對電力總線450進(jìn)行監(jiān)測及放電。該HVFE控制電路430更提供一連接通往載具底盤445。一總線預(yù)充電電路470使得系統(tǒng)400可以在主要電力總線接觸器SW-P、SW_N關(guān)合之前等化介于電池接頭Vbat和電力總線450之間的電壓。當(dāng)BMS主控制器(未圖示)命令HVFE關(guān)合電力總線預(yù)充電開關(guān)SW_PRE之時，電荷由電池410流向電力總線450和電流限制預(yù)充電電阻器ILPrecharge，直到總線電壓等于電池電壓為止，而因此使該總線被充電。電容C_FP及C_FN代表與電池410和馬達(dá)驅(qū)動裝置405相連的濾波器電容器的結(jié)合電容。電容C_BP及C_BN代表電力總線450至底盤445的結(jié)合分布電容，且例如包含跨于電力總線絕緣的電容。電阻R_BP及R_BN代表電力總線450至底盤445的結(jié)合分布電阻， 且例如包含跨于電力總線絕緣的電阻。除連接及分離電池410與電力總線450之外，HVFE控制電路430尚提供一些功能。 HVFE控制電路在總線450未連接至電池410期間，控制儲存于電力總線450及底盤445間的電容中的電荷放電。HVFE控制電路430亦確認(rèn)總線已放電。此外，HVFE控制電路430監(jiān)測AC阻抗(電容)以決定電力總線450的絕緣健康度及可能發(fā)生的絕緣失效。該HVFE控制電路430亦監(jiān)測從二電池接頭Vbat到底盤445及從電力總線接頭Vbus到底盤445的AC及DC電阻，以偵測可能的絕緣失效或短路故障狀況。 以下參照圖6說明一 HVFE控制電路的詳細(xì)示意圖，而此電路的一部分，特別針對上述的功能，亦參照圖5A及5B說明于下。圖5A顯示一 HVFE控制電路的一部分，其基于圖6的HVFE控制電路，且致能儲存于電力總線及底盤間的電容中的電荷的放電。參照圖4，被圖5A電路放電的電容系C_FP、C_ FN、C_BP及C_BN。電力總線可在總線未連接至電池時(意即當(dāng)圖4的接觸器SW-P及SW-N 斷開時)的所有時間內(nèi)放電?；仡^參照圖5A，BMS主控制器(未圖示)指示HVFE關(guān)合開關(guān)構(gòu)件U12、U3、TO和U72。該等開關(guān)構(gòu)件的實(shí)施方式可使用一光隔離式固態(tài)功率晶體管(例如，Panasonic型號AQV258A)、或替代性地使用一機(jī)械式致動中繼開關(guān)或藉由一類似電氣開關(guān)構(gòu)件。當(dāng)前述的開關(guān)構(gòu)件關(guān)合時，電流流過介于V_Bus+、V_Bus-及底盤間的放電電阻器Rl及R6，直到總線電壓V_Bus+和V_Bus-與底盤的電壓位準(zhǔn)相同為止。其可選擇電阻器 Rll及R66以抵抗大于最高總線電壓位準(zhǔn)的壓降，且使得其電阻值具有大于最大總線電壓消耗功率的功率額定值(例如，具有10. OM Ohm電阻和1000V最大電壓額定值的電阻器)。圖5B顯示一 HVFE控制電路的一部分，其基于圖6的HVFE控制電路來致能AC阻抗(電容)的監(jiān)測以識別高電壓總線絕緣健康度及絕緣失效的產(chǎn)生?？偩€阻抗的量測是利用一切換式RC網(wǎng)絡(luò)，其以分別正比于正端或負(fù)端總線電容C_BP或C_BN的一時間常數(shù)進(jìn)行充電。雖然圖5A的電路例示一通往電力總線Vbus的連接，但該電路可以被切換成跨越電池接頭Vbatt+及Vbatt-以量測跨越該電池的AC阻抗和DC電阻，透過一如下參照圖6所述的替代組態(tài)。一電壓比較器電路U5A，其運(yùn)作是充當(dāng)一偵測器以偵測充電至一參考電壓的時間，當(dāng)該RC電路抵達(dá)一等于一參考電壓位準(zhǔn)V_ref的電壓時觸發(fā)一輸出信號VSD0。上述的AC阻抗監(jiān)測模式是當(dāng)BMS主控制器(未圖示)指示HVFE將開關(guān)U3斷開的時被致能。 開關(guān)Ul接著被關(guān)合以監(jiān)測正端電容C_BP，或者開關(guān)U7被關(guān)合以監(jiān)測負(fù)端電容C_BN。針對診斷的目的，Ul和U7 二者均可以被斷開以監(jiān)測與C_3并聯(lián)的已知量測阻抗R_M。此外，針對底盤電壓的診斷，開關(guān)Ul和U7可以被斷開，而開關(guān)U3可以被關(guān)合。圖5B開關(guān)的適當(dāng)組態(tài)依據(jù)預(yù)定采取的量測動作被啟用后，BMS主控制器提供數(shù)字驅(qū)動信號乂_20以將充電電容"歸零"。V_ZCC的高位準(zhǔn)應(yīng)足以將歸零晶體管置于導(dǎo)通狀態(tài)。V_ZCC的低位準(zhǔn)應(yīng)將該歸零晶體管置于非導(dǎo)通狀態(tài)。一典型數(shù)字驅(qū)動信號顯示于圖7A。 該驅(qū)動信號的頻率被選擇以等于或大于一健康電力總線的預(yù)期RC時間常數(shù)。圖5B的電路運(yùn)作如下，假定開關(guān)U3被斷開，開關(guān)Ul被關(guān)合且開關(guān)U7被斷開。當(dāng)輸入數(shù)字驅(qū)動信號v_zcc是高位準(zhǔn)，則歸零晶體管導(dǎo)通，且所有總線電容均透過該歸零晶體管放電而比較器被箝制至一低輸出位準(zhǔn)。該電容因此被"歸零"。當(dāng)輸入數(shù)字驅(qū)動乂_ ZCC是低位準(zhǔn)，則歸零晶體管未導(dǎo)通而總線電容以RC時間常數(shù)(R_M+R_BP)*(C3+C_BP)進(jìn)行充電。圖7B顯示跨于量測電容C3的一典型充電及放電波形。比較器上的輸出V_SD0是低位準(zhǔn)，直到跨于C3的量測電壓抵達(dá)在比較器切換至高位準(zhǔn)時位準(zhǔn)。該比較器的典型輸出顯示于圖7C。當(dāng)總線電容C_BP發(fā)生變化，可能肇因于絕緣失效的發(fā)生或?qū)偩€絕緣的其他損傷，該量測時間常數(shù)改變且比較器判定成立的總時間亦產(chǎn)生變化?？偩€電容改變的效應(yīng)顯示于圖7A、B及C中的左側(cè)及右側(cè)間。在左側(cè)，比較器切換至高位準(zhǔn)一段時間長度tl，而在右側(cè)，比較器僅在時間長度t2上被導(dǎo)通。量測該時間長度的一個方式是位于 BMS主控制器中并監(jiān)測比較器輸出位準(zhǔn)V_SD0的一個定時器。若該時間長度位于一特定范圍之內(nèi)或在一特定位準(zhǔn)上，則可推測其可能與源于絕緣失效或損傷的總線電容變化有關(guān)。圖5B中AC阻抗量測電路的另一特征在于量測電力總線絕緣電容特有的一預(yù)定范圍中的阻抗的組態(tài)，而對源于諸如馬達(dá)驅(qū)動裝置中濾波器的其他電容并不敏感。此是藉由加入勘與預(yù)期的電力總線電阻R_BP及電容C_BP相比較的參考電容C3和參考電阻R_M而達(dá)成。歸零晶體管驅(qū)動信號的頻率被選擇以偵測量測RC時間常數(shù)。當(dāng)總線電容或電阻改變時，該時間常數(shù)將以該量測RC時間常數(shù)的級數(shù)進(jìn)行變化。諸如源于馬達(dá)驅(qū)動裝置電路中的濾波電容而遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于該總線對底盤阻抗的其他阻抗相對于該量測RC時間常數(shù)將不致有巨幅變化。圖6顯示一 HVFE控制電路的詳細(xì)示意圖。該HVFE控制電路利用SPI隔離緩沖器 U4提供一隔離數(shù)字通信接口。介于BMSHC及該HVFE電路間的數(shù)字通信通過該隔離緩沖器 U4。穿過U4的通信通道是提供通往模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)US的SPI信號、通往歸零晶體管Ql的歸零電容頻率信號、比較器U5A輸出、開機(jī)信號、及致能輸出信號。
在另一運(yùn)作模式中，HVFE監(jiān)測介于1)電池接頭和底盤之間及2)電力總線接頭和底盤之間的AC阻抗及DC電阻。該監(jiān)測致能諸如絕緣失效或短路的一或多個故障狀況的偵測，且可藉由ADC U8所指示。ADC U8提供位于圖5B中的比較器輸入處及跨于量測阻抗 (C3及R_M)的瞬間模擬電壓位準(zhǔn)的一數(shù)字化量測值。當(dāng)主要接觸器連接總線至電池時，該電壓位準(zhǔn)提供電力總線相對于底盤的DC和AC電阻的一指示。當(dāng)主要接觸器分離總線與電池時，U8提供電池接頭相對于底盤的DC和AC電阻的一指示。例如，若電力總線與電池分離，主動AC量測模式被禁能，且U8對電池正接頭BAT1000V_Plus和底盤之間的量測指示一零伏特電位差，則將指示一跨于電池正接頭至底盤的可能短路狀況。此外，可使用ADC U8 以確認(rèn)電力總線已然被充分地放電。例如，若前述的HVFE放電模式被致能，一跨于量測阻抗的零電壓指出正端及負(fù)端電力總線軌均已放電至底盤的位準(zhǔn)?？墒褂脠D7所示齊納箝位二極管Dl以保護(hù)并限制比較器U5A上的輸入電壓位準(zhǔn)。 二極管Dl可選擇使所具有一箝位電壓小于跨于比較器所允許的最大輸入電壓，并大于跨于量測電容的預(yù)期最高電壓。此箝位可用以防止一錯誤量測狀況。例如，若開關(guān)Ul及U7 二者同時關(guān)合，則整個總線電壓將呈現(xiàn)跨于比較器并被Dl箝制至一安全位準(zhǔn)。各種不同的固態(tài)開關(guān)控制圖6中的模式的組態(tài)。開關(guān)UO利用一跨于R5及R7的電阻分壓器致能一 V_PRECHARGE電壓位準(zhǔn)的探測。此線路亦用以在當(dāng)主要接觸器偵測SW-N 及SW-P斷開時偵測正端總線電壓。其藉由啟用開關(guān)U12、U3、U6及U72致能總線放電組態(tài)(圖5A)，從而使得電阻器 Rll及R66做為從總線跡線到底盤的一條放電路徑。總線可以被放電至與底盤相同的電壓位準(zhǔn)。AC及DC阻抗量測模式(圖5B)藉由啟用開關(guān)Ul及U7并斷開開關(guān)U3而被致能。圖8是例示依據(jù)一實(shí)施例操作一電動載具的一方法程圖。該方法可藉由一電力系統(tǒng)以及如前述參照圖1-6的相關(guān)組件完成，特別是前述參照圖4-6的HVFE控制電路。在一分離及放電狀態(tài)之中805，諸如當(dāng)該載具斷電之時，電池自電力總線分離。 HVFE電路進(jìn)入一如圖5A中的組態(tài)以使電力總線進(jìn)行放電并藉由量測位于V_PreCharge在線的正電壓位準(zhǔn)確認(rèn)總線被放電。此外，HVFE電路可實(shí)行一些診斷測試以確保電力總線、電池及相關(guān)硬件的健全度，包含驗(yàn)證電池接頭相對于底盤的電壓以確保電池接頭至底盤未短路(DC電阻檢查)；周期性核驗(yàn)總線對底盤放電(若未確認(rèn)總線放電則重復(fù)放電動作)； 核驗(yàn)電池接頭的AC阻抗，從而確認(rèn)電池接頭的絕緣健康度；及利用V_Precharge線路核驗(yàn)正端總線接頭相對于底盤的AC阻抗。此等診斷測試參照圖4-7說明于上。針對一用戶指令(例如，轉(zhuǎn)動一發(fā)動鑰匙)作響應(yīng)以起始一電力啟動程序806。在將電池連接至總線前，HVFE實(shí)施一些測試以驗(yàn)證總線及電池系統(tǒng)的健全度810。這些測試可包含上述在分離及放電狀態(tài)的步驟805中的測試。若電池及總線通過核驗(yàn)815，則起始一預(yù)充電程序以將總線的電壓升高至一相當(dāng)于電池電壓的電壓820。核驗(yàn)上述的預(yù)充電821， 且若該總線電壓抵達(dá)一目標(biāo)電壓822，則HVFE將電池連接至總線830。此時當(dāng)該預(yù)充電斷開時，可利用V_PRECHARGE核驗(yàn)總線電壓，從而確認(rèn)正端總線接觸器的正確運(yùn)作。在此狀態(tài) 830中，使用者可利用電池供應(yīng)電力予該載具來操作840。在此操作期間，BMS主控制器可依據(jù)量測或估算電池S0C、S0H及/或SOL調(diào)整對馬達(dá)驅(qū)動裝置的一輸出電流限制845。此夕卜，HVFE控制電路可持續(xù)或周期地監(jiān)測總線及電池的健全度850。在此狀態(tài)中，HVFE電路可實(shí)施一些診斷測試，包含一 V_BAT1000V_PLUS至底盤的AC阻抗檢查以核驗(yàn)正總線側(cè)絕緣健康度或偵測將發(fā)生的失效；一 V_BAT1000V_MINUS至底盤的AC阻抗檢查以核驗(yàn)負(fù)總線側(cè)絕緣健康度或偵測將發(fā)生的失效；V_BAT1000V_PLUS的DC電阻檢查以偵測總線正端相對于底盤是否有漏電阻或短路；以及一 V_BAT1000V_MINUS的DC電阻檢查以偵測總線負(fù)端相對于底盤是否有漏電阻或是短路。若偵測到一故障860，則可以使電池自總線分離以確保電力系統(tǒng)的安全805。否貝IJ，若總線及電池健全度被確認(rèn)，則該載具可以繼續(xù)正常運(yùn)作840。雖然本發(fā)明以示范性實(shí)施例的方式詳細(xì)說明如上，但習(xí)于此系技術(shù)人士應(yīng)能理解，各種結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)的變更均可在未脫離后附申請專利范圍所包含的本發(fā)明范疇下實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種電動載具電力系統(tǒng)，包含一電池系統(tǒng)；一總線，配置以傳輸電力至一馬達(dá)驅(qū)動裝置；以及一控制電路，配置以選擇性地耦接該電池至該總線，并監(jiān)測該總線的健全度 integrity，該控制電路針對該電池及該總線間的一分離進(jìn)行響應(yīng)以將該總線的電容放電至一底盤；及量測跨于該總線的阻抗。
2.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路在該分離之后的一段時間長度中量測跨于該總線的阻抗。
3.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該電池系統(tǒng)包含一電池管理單元，其配置以監(jiān)測該電池系統(tǒng)內(nèi)復(fù)數(shù)個電力單體的狀態(tài)。
4.如申請專利范圍第3項的電動載具電力系統(tǒng)，更包含一主控制器，其依據(jù)該狀態(tài)來限制所傳輸至該馬達(dá)驅(qū)動裝置的一放電電流。
5.如申請專利范圍第4項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該狀態(tài)是一電池充電狀態(tài)、健康狀態(tài)、以及壽命狀態(tài)中的一或多項。
6.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路更配置以依據(jù)跨于該總線所量測的阻抗決定該總線的健全度中的一故障。
7.如申請專利范圍第6項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路更配置以依據(jù)該故障將該電池自該總線分離。
8.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路更配置以量測介于該電池和一底盤間的一度量，該度量是AC阻抗及DC電阻中至少其
9.如申請專利范圍第8項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路更配置以依據(jù)該度量來判定一故障，該故障指示一絕緣失效以及一短路狀況中至少其一。
10.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路更配置以量測介于該總線和一底盤間的一度量，該度量是AC阻抗及DC電阻中至少其一。
11.如申請專利范圍第10項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路更配置以依據(jù)該度量來判定一故障，該故障指示一絕緣失效以及一短路狀況中至少其一。
12.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該電池系統(tǒng)包含復(fù)數(shù)個電池單體。
13.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路包含一切換式電阻器-電容器RC電路，配置以正比于所跨于該總線的一電容的一時間常數(shù)進(jìn)行充電，以及一偵測器以偵測所充電至一參考電壓的一時間。
14.如申請專利范圍第13項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路將該總線電容選擇成一正端總線電容和一負(fù)端總線電容中一者。
15.如申請專利范圍第13項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路配置成使該RC電路在用以量測跨于該總線的阻抗的一組態(tài)和量測跨于該電池的阻抗的一組態(tài)之間進(jìn)行切換。
16.如申請專利范圍第13項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路系配置以切換該RC 電路來量測跨于該底盤的一電壓。
17.如申請專利范圍第13項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路更配置成以該總線電容的變化函數(shù)來回報一故障。
18.如申請專利范圍第1項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該控制電路配置以切換運(yùn)作的復(fù)數(shù)個模式，該等模式包含使該總線電容進(jìn)行放電；以及量測跨于該總線的阻抗。
19.如申請專利范圍第18項的電動載具電力系統(tǒng)，其中該運(yùn)作的模式更包含 量測跨于該電池的阻抗；以及量測跨于該底盤的電壓。
全文摘要
一種電動載具電力系統(tǒng)包含一電池系統(tǒng)；一總線，配置以傳輸電力至一馬達(dá)驅(qū)動裝置；以及一控制電路，以選擇性地耦接該電池至該總線。該控制電路是用以針對該電池及該總線的一分離進(jìn)行響應(yīng)，以使該總線的電容放電至一底盤。此外，該控制電路量測跨于該總線的阻抗。因此，該控制電路可監(jiān)測該總線的健全度并偵測故障，諸如短路或是總線絕緣度降低。
文檔編號B60L11/18GK102481858SQ201080038808
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者普爾·歐娜魯?shù)? 杰-羅杰·林納, 查德·索莎, 約翰·華納 申請人:波士頓電力公司