CN101576584A - 用于混合动力和电动交通工具的高压电池的电压测量 - Google Patents

用于混合动力和电动交通工具的高压电池的电压测量 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于混合动力和电动交通工具的高压电池的电压测量。提供了一种用于精确测量混合动力和电动交通工具的高压电池的电压的系统，其包括电压测量电路，该电压测量电路包括模拟感测电路、波形发生器电路以及比较器。模拟感测电路感测高压电池的模拟电压。波形发生器电路产生模拟周期信号。比较器接收感测的模拟电压以及来自波形发生器电路的模拟周期性信号。比较器基于对输入的比较产生输出信号，并且输出信号采取指示高压电池的电压的数字周期信号的形式。

Description

用于混合动力和电动交通工具的高压电池的电压测量
发明领域
本发明涉及用于混合动力和电动交通工具(hybrid and electricvehicle)的高压电池的电压测量。
背景技术
混合动力和电动交通工具使用高压电池来向电动机以及车内的其它电气器件供给电能。交通工具也仍然包括低压电池(例如，14伏电池)。这些电气模块的控制处于交通工具电气系统的低压侧。存在在系统的高压电池侧和低压电池侧之间设置隔离的需要。
高压电池被称为牵引用蓄电池(traction battery)，因为它们给交通工具的驱动提供能量。在混合动力或电动交通工具中，精确监测牵引用蓄电池的个体电压是非常重要的。
精确监测帮助有效地给电池充电，以及在交通工具开动时有效地控制电池的放电。电池监测系统的一个重要特征是保持一般地在交通工具电气系统的低压部分和牵引用蓄电池之间提供的电压隔离，所述低压部分一般地被称为底盘接地(chassis ground)。
存在测量牵引用蓄电池的电压的现有方法，例如，使用分压器网络或将输入切换到差分放大器，并且保持电压隔离。已有这种电路，即被设计成用隔离层(isolation barrier)感测电池电压，但是这些电路中大多数使用模拟信号，因而他们必须在电池侧和交通工具侧(底盘)之间提供隔离。现有的电路使用模拟器件，比如线性模拟光耦合器或隔离的模拟放大器。
在这些现有电路中使用的器件的问题是：在某些情况下，在器件的使用寿命中可能发生非线性和传递增益变化的一些问题，从而引起测量误差。在这些现有的电路中，当要求高精度时，则期望使用昂贵的器件。
已经认识到使模拟信号通过光耦合器的问题。已经设想了测量电池电压的方法，其中放大器输出被耦合至模-数转换器，该模-数转换器又被耦合至光耦合器。
背景信息可以在序号为5,712,568和6,362,627的美国专利中找到。
发明简述
本发明的目的是提供一种改进方法，以精确测量用于混合动力和电动交通工具的高压电池的电压，同时在高压电池侧和交通工具侧低压(底盘接地)之间提供隔离层。
依据本发明，混合动力或电动交通工具的高压电池用隔离层来测量。更详细地，使用脉冲宽度调制(PWM)的周期信号测量高压电池。本发明的实施方式可以使用单工电路(simplex circuit)，从而降低成本。另外，使用PWM将测量的信号数字化为周期信号在面对高压系统中存在的干扰时增加了稳健性(robustness)。
依据本发明，用于测量混合动力或电动交通工具的高压电池的电压测量电路包括用于感测高压电池的电压的模拟感测电路。模拟感测电路产生指示高压电池的电压的模拟信号。该电压测量电路进一步包括用于产生模拟周期信号的波形发生器电路。
比较器具有接收指示高压电池的电压的模拟信号的第一输入。该比较器具有从波形发生器电路接收模拟周期信号的第二输入。比较器基于两个输入的比较产生输出。输出采取指示高压电池的电压的数字周期信号的形式。
在优选的实施方式中，模拟周期信号为锯齿波。因此，比较器输出信号具有和来自波形发生器电路的模拟周期信号相同的周期。另外，比较器输出信号具有指示在高压电池处的电压的脉冲宽度。
应理解锯齿波为来自波形发生器电路的模拟周期信号的优选形式。但是，其它的模拟周期信号可以被用在可选择的实施方式中。锯齿波有益地使得比较器输出信号的脉冲宽度与在高压电池处的电压成比例。使用不同类型的来自波形发生器的模拟周期信号仍使得比较器输出采取数字周期信号的形式；但是，模拟周期信号的选择将影响在比较器输出中指示的高压电池的电压的方式。
附图简述
图1为依据本发明制造的用于测量混合动力或电动交通工具的高压电池的电压的电路的基本电路图；
图2为分压器的详细的示意图；
图3为锯齿波发生器的详细的示意图；以及
图4为比较器以及光耦合器的详细的示意图。
优选实施方式详述
图1至图4以本发明的示例性实施方式示出了用于测量混合动力或电动交通工具的高压电池的电压的电路。图1以10表示整个系统。系统10包括电压测量电路，该电压测量电路包括用于感测高压电池20的模拟电压的模拟感测电路12。波形发生器电路14产生模拟周期信号。比较器16从模拟感测电路12接收感测到的模拟电压，并且从波形发生器电路14接收模拟周期信号。比较器16基于两个输入的比较产生输出信号。光耦合器18接收比较器输出信号，并且提供采取数字周期信号32的形式的数字输出信号。数字周期信号指示高压电池20的电压。光耦合器18在高压电池和接收数字输出信号32的低压系统之间提供隔离层30。
在优选的实施方式中，系统10具有高精度。测量误差仅仅取决于分压器的器件的容许值以及参考电压，并且波形发生器电路14的容许值不影响最终测量结果。
图2示出了模拟感测电路12，更详细地，其采取了分压器的形式。电路12包含由电阻R37、R36、R35和R51组成的简单分压器，以及在电压跟随器结构中的运算放大器U3：B。电路12也包括电容器C42以提供低通滤波器。电路12提供与高压电池成比例的低压信号。
图3示出了波形发生器电路14，更详细地，其采取了锯齿波发生器的形式。斜坡发生器电路(ramp generator circuit)用恒流源对电容器C52充电。电路的这部分由电容器C52、运算放大器U3：A、参考电压40，以及多个电阻形成。更详细地，在斜坡输出达到参考电压时，比较器U4：B复位(reset)电压电容器C52，以便产生周期信号。如所示的，参考电压为8伏特。
为示出电路14的工作，最初假设电容器C52被完全放电。当MOSFETQ5断开并且电容器C52开始充电到电源电压时，因电流为恒定的，因此电压线性地增加。当电容器C52的电压等于参考电压时，比较器U4：B使MOSFET Q5闭合并通过电阻R67将电容器C52短路到地。接着电容器C52放电，并且一旦电压变低，则比较器U4：B断开MOSFET Q5并且电容器C52再次开始充电。
更详细地，电压调节器40由分路调节器U7、电阻R62、R66以及电阻R72，以及电容器C53组成。电压调节器40提供8伏特的参考电压。比较器U4：B被布置成具有输入电阻R63和在正反馈回路中的电阻R64二极管D5。比较器U4：B在负输入端接收输出的斜坡信号。比较器U4：B的输出通过晶体管Q4以及电阻R73被耦合至MOSFET Q5。当MOSFETQ5断开时，电容器C52将充电。当MOSFET Q5闭合时，电容器C52将通过电阻R67和在Q5处的损耗放电。电容器C52上的电压被连接到运算放大器U3：A，该放大器U3：A处于电压跟随器结构中。分路调节器U5、电阻R55，以及电压源42提供关于运算放大器输出的稳定电压(regulatedvoltage)，以保持通过电阻R61的恒定的充电电流。电容C44被表示为在运算放大器U3：A的高压电源侧(high side supply)。
图4示出了比较器电路16。如所示的，比较器U4：A具有两个模拟输入信号。比较器U4：A从波形发生器电路接收锯齿波，以及从电压电池分压器(divisor)接收感测到的模拟信号。比较器U4：A被布置成具有输入电阻R50以及正反馈回路电阻R56和二极管D4。电容器C30被示为在比较器U4：A的高压电源侧。比较器U4：A对输出进行脉冲宽度调制，其中输出信号的脉冲宽度与电池电压成比例，并且输出信号的周期等于锯齿波的周期。光耦合器18(U6)将脉冲宽度调制信号从高压电池侧传送到交通工具侧以提供隔离。
更详细地，比较器U4：A的输出通过晶体管Q1和电阻R52被耦合至光耦合器18(U6)。在光耦合器18的输出侧，电阻R53以及电容器C46和C45被布置成在40处提供数字输出信号，以进行高电压监测。微控制器测量两个参数，即输出信号的脉冲宽度以及输出信号的周期，并计算高压电池的电压。特别地，脉冲宽度对周期的比率、电压分压比(voltagedivisor ratio)以及参考电压允许计算高压电池电压。
本发明的实施方式具有很多优势。例如，高压电池的电压值被转换成数字信号并且通过数字隔离光耦合器被发送到交通工具低压侧。有益地，非线性以及传递增益的变化不影响最终测量结果。同样，高速器件(放大器、光耦合器)不是必需的，因为输出信号的频率可以为例如100Hz。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，但是这些实施方式并不旨在示出和描述本发明的所有可能形式。而且，说明书中所使用的词汇是描述性词汇而非限制性词汇，并且应理解在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种变化。

Claims (20)

1.一种系统，所述系统用于混合动力和电动交通工具的高压电池的精确电压测量，所述系统包括：
电压测量电路，其包括用于感测所述高压电池的模拟电压的模拟感测电路、用于产生模拟周期信号的波形发生器电路，以及比较器，
所述比较器具有从所述模拟感测电路接收所感测到的所述模拟电压的第一输入，以及从所述波形发生器电路接收所述模拟周期信号的第二输入，所述比较器基于所述第一输入和所述第二输入的比较产生输出信号；以及
光耦合器，其接收所述比较器的输出信号并且提供采取数字周期信号形式的数字输出信号，所述数字周期信号指示所述高压电池的电压，从而所述光耦合器在所述高压电池和接收所述数字输出信号的低压系统之间提供隔离层。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述模拟感测电路包括分压器。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述模拟感测电路进一步包括处于电压跟随器结构中的运算放大器，所述分压器被连接到所述运算放大器。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述波形发生器电路包括锯齿波发生器，并且其中所述模拟周期信号为锯齿波，从而所述数字输出信号具有指示所述高压电池的电压的脉冲宽度。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
电容器；
恒流源，其向所述电容器充电；
运算放大器，其处于电压跟随器结构中，所述运算放大器具有连接到所述电容器的输入以及提供所述锯齿波的输出；以及
比较器，其具有接收参考电压的第一输入，以及具有接收所述运算放大器的输出的第二输入，在所述运算放大器的输出达到所述参考电压时，所述比较器复位所述电容器的电压以产生所述锯齿波。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
晶体管，其连接在所述电容器两端，其中所述比较器通过使所述晶体管闭合来复位所述电容器的电压。
7.如权利要求4所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
电容器；
恒流源，其向所述电容器充电；以及
比较器，其具有接收参考电压的第一输入，以及具有接收指示所述电容器的电压的电压的第二输入，当所述电容器的电压达到所述参考电压时，所述比较器复位所述电容器的电压以产生所述锯齿波。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
晶体管，其连接在所述电容器两端，其中所述比较器通过使所述晶体管闭合来复位所述电容器的电压。
9.如权利要求4所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
电容器；
电阻，其连接到所述电容器；
运算放大器，其处于电压跟随器结构中，所述运算放大器具有连接到所述电容器的输入以及提供所述锯齿波的输出；
电压调节器，其连接到电压源并连接到所述运算放大器的输出，所述电压调节器提供关于所述运算放大器的输出的稳定电压，所述稳定电压通过所述电阻对所述电容器充电，以便以恒定电流提供充电；以及
比较器，其具有接收参考电压的第一输入，并且具有接收所述运算放大器的输出的第二输入，当所述运算放大器的输出达到所述参考电压时，所述比较器复位所述电容器的电压以产生所述锯齿波。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
晶体管，其连接在所述电容器两端，其中所述比较器通过使所述晶体管闭合来复位所述电容器的电压。
11.一种系统，所述系统用于混合动力和电动交通工具的高压电池的精确电压测量，所述系统包括：
电压测量电路，其包括用于感测所述高压电池的模拟电压的模拟感测电路、用于产生模拟周期信号的波形发生器电路，以及比较器，
所述比较器具有从所述模拟感测电路接收所感测到的所述模拟电压的第一输入，以及从所述波形发生器电路接收所述模拟周期信号的第二输入，所述比较器基于所述第一输入和所述第二输入的比较产生输出信号，所述输出信号采取指示所述高压电池的电压的数字周期信号的形式。
12.如权利要求11所述的系统，其进一步包括：
光耦合器，其接收所述比较器的输出信号并且提供数字输出信号，从而在所述高压电池和低压系统之间提供隔离层，所述低压系统从所述光耦合器接收所述数字输出信号；以及
其中所述波形发生器电路进一步包括：
电容器；以及
电流源，其向所述电容器充电。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述模拟感测电路包括分压器。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述模拟感测电路进一步包括处于电压跟随器结构中的运算放大器，所述分压器连接到所述运算放大器。
15.如权利要求11所述的系统，其中所述波形发生器电路包括锯齿波发生器，并且其中所述模拟周期信号为锯齿波，从而所述比较器的输出信号具有指示所述高压电池的电压的脉冲宽度。
16.如权利要求11所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
电容器；
恒流源，其向所述电容器充电；以及
比较器，其具有接收参考电压的第一输入，并且具有接收指示所述电容器的电压的电压的第二输入，当所述电容器的电压达到所述参考电压时，所述比较器复位所述电容器的电压以产生所述模拟周期信号。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
晶体管，其连接在所述电容器两端，其中所述比较器通过使所述晶体管闭合来复位所述电容器的电压。
18.如权利要求11所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
电容器；
电阻，其连接到所述电容器；
运算放大器，其处于电压跟随器结构中，所述运算放大器具有连接到所述电容器的输入以及提供所述模拟周期信号的输出；
电压调节器，其连接到电压源并连接到所述运算放大器的输出，所述电压调节器提供关于所述运算放大器的输出的稳定电压，所述稳定电压通过所述电阻对所述电容器充电；以及
比较器，其具有接收参考电压的第一输入，并且具有接收所述运算放大器的输出的第二输入，当所述运算放大器的输出达到所述参考电压时，所述比较器复位所述电容器的电压以产生所述模拟周期信号。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述波形发生器电路进一步包括：
晶体管，其连接在所述电容器两端，其中所述比较器通过使所述晶体管闭合来复位所述电容器的电压。
20.一种方法，所述方法用于混合动力和电动交通工具的高压电池的精确电压测量，所述方法包括：
感测所述高压电池的模拟电压；
产生模拟周期信号；
比较所感测到的所述模拟电压与所述模拟周期信号，以基于所述比较产生输出信号；以及
其中所述输出信号采取指示所述高压电池的电压的数字周期信号的形式。
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