CN101712302A - 带有一体式高电压互锁装置的高电压端子组件 - Google Patents

带有一体式高电压互锁装置的高电压端子组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有一体式高电压互锁装置的高电压端子组件。一种车辆，包括高电压(HV)储能系统(ESS)、具有HVIL源和返回(SR)引脚和HV插座的HV装置、HV电缆以及HV端子组件。端子组件包括托架部分和用于将HV电缆与HV插座对齐的保持器。HVIL跳线装置连接在托架部分上且可电连接到HVIL SR引脚上。端子组件包括可拆卸地安装到托架部分上以提供适当的EMF屏蔽和防风雨密封的盖子部分。盖子部分包括HVIL短路插塞。只有在这三个HVIL部件，即HVIL SR引脚、HVIL跳线装置和HVIL短路插塞都相互电连接以形成闭合的HVIL电路，并且同时HV电缆正确地连接时，才从ESS向HV装置供给HV电能。

Description

带有一体式高电压互锁装置的高电压端子组件
技术领域
本发明总体上涉及一种车辆电气系统，并且尤其涉及一种具有高电压互锁装置或HVIL能力的高电压端子组件，用于电动、混合动力、燃料电池或其它高电压推进的车辆。
背景技术
在高电压推进车辆(HVPV)中，例如混合动力-电动车辆(HEV)、可外接充电式混合动力电动车辆(PHEV)、燃料电池电动车辆(FCEV)，或电动车辆(EV)中，高电压(HV)电源或储能系统(ESS)，例如可再充电电池组或其它HV电化学储能装置，提供用于推进车辆所需的HV电能的至少一部分的来源或供应源。在一些构造中，只要车辆处于怠速或停车状态，内燃机可关闭或选择性地减低功率以节约燃料，和/或车辆可完全在由ESS提供的HV电能下运转，这取决于车辆的具体设计。
为了提供足够的HV电能以部分地或完全地推进车辆，并且给车辆上的各种HV部件通电，ESS包含或储存着相对高的潜在能量或电压，通常在大约60至300伏或更大的数量级上。典型的HVPV上用的常用HV部件可包括，例如，一个或多个电动发电机、空调控制模块(ACCM)、动力转向控制器、功率变换器模块(PIM)、辅助动力单元或模块(APM)和/或其它HV装置。
在给定的HV车辆部件内，HV电连接通常是通过将标准两相或三相HV电缆螺栓连接到或固定到HV插座和/或母线上而完成的。为了防止无意的接入车辆上的HV电路，许多厂商采用公知为高电压互锁回路或HVIL电路。HVIL电路是专门改造的低电压电路，通常由12伏的辅助电池组供电，并且适合于在安全地使任何局部电能电荷释放的同时断开HV电源。该HVIL电路通常路由至可能的HV接入点，例如接线盒或接入HV装置中的接口。HVIL电路通过检测形成HVIL电路的低电压导线或线的某些电特性的变化来感测至HV接入点的任何可能的接入。
通常，与HV电缆一样，HVIL线路由至车辆中的相同位置或接入点。因此，常规地，低电压HVIL线与HV电缆捆在一起并且一前一后地路由至各个HV接入点。然而，这种方式的捆扎可能不是最佳的，主要因为各个线组或电缆组的规格差异太大。随着时间的过去，相对大规格HV电缆的任何振动、动作或弯曲可能会影响捆在一起的任何较小规格HVIL线的耐久性。而且，不管动态系统例如机动车中因捆扎不同规格电线或电缆所产生的耐久性问题，常规的HV连接方法也没有最佳地确定在闭合HVIL电路之前，HV接头是否正确就位或正确地安装。
发明内容
因此，提供了一种高电压(HV)接头或端子组件，其利用高电压互锁(HVIL)电路既检测至车辆上的HV电路的试图接入，又检测在向HV电路通电之前HV电缆在HV装置上的正确电连接或安装。该HV端子组件可以与常规的环形端子结构以及其它的HV连接装置一起工作。因为该HV端子组件与车辆的HVIL电路集成在一起，所以不需要附加的零件或部件例如限位开关或其它可能焊接、腐蚀或冻结的开关装置来在车辆组装或后来的车辆维修工作之后精确地感测或检测HV电缆的完全和正确连接。不同于上述常规方法，根据本发明，小规格、低电压HVIL电缆或导线没有与大规格HV电缆享有共同路由，因此优化了HVIL电路的长期耐久性。这些只是从如下文所述的本发明得到的一些益处，本领域普通技术人员可以很容易地想到其它相关的技术方面、制造方面和/或部件或车辆生产效率方面的优势和益处。
HV端子组件采用嵌入式HVIL跳线装置和短路插塞，从而使HVIL电路在操作者或技术人员在给定HV接入点处接入所连接的HV装置之前自动打开。低电压HVIL电路不会再次闭合，除非并且直到HV端子组件再次正确地连接或组装。HVIL跳线装置可以制造成如下所述HV端子组件的一部分，并且HVIL短路插塞可以制造成HV端子组件的独立、可拆卸地安装的盖子部分的一部分。HVIL跳线装置充当必要的接口，其插在或定位在HV装置内或上的HVIL线束的HVIL源和返回(SR，source and return)引脚(pin)与HVIL短路插塞之间。低电压HVIL电路只有在HVIL短路插塞正确地连接至HVIL跳线装置并且HVIL跳线装置又连接至HVIL SR引脚时才闭合。
在本发明的范围内，一种车辆包括：储能装置或ESS，其适合于储存和供给HV电能；HV装置，其具有HVIL源和返回(SR)引脚和HV母线或插座；HV电缆；以及HV端子组件。HV端子组件包括大体为凹形的盒子或托架部分和适于将HV电缆固定并使之与HV装置上的HV插座对齐的保持器。托架部分能安装到HV装置上，例如通过使用螺栓组或其它适当的紧固件。
HVIL端子组件包括HVIL跳线装置，其可操作地连接至托架部分或与其一体形成，并且可直接电连接到HVIL SR引脚。HV端子组件还包括盖子部分，其又可以使用任何适当类型的紧固件可拆卸地安装到托架部分上从而为HV接入点提供适当的EMF屏蔽和防风雨密封。盖子部分包括HVIL短路插塞或适当的衰减电阻。只有在所有三个HVIL部件即HVIL SR引脚、HVIL跳线装置和HVIL短路插塞都相互电连接以形成闭合的HVIL电路，并且同时HV电缆正确地连接时，才从所述ESS向HV装置供给HV电能。
HV装置能被配置成两相或三相电气装置，例如但不限于功率变换器模块(PIM)、辅助动力模块(APM)、电动发电机等等。HV装置包括信号接头，其电连接到辅助电源，例如经由路由至HV装置或在HV装置内的低电压线束。信号接头检测、感测或确定何时HVIL SR引脚、HVIL跳线装置和一体的HVIL短路插塞每个都正确地互相连接从而形成闭合的HVIL电路。只有当这三个HVIL装置正确地连接时，HV装置才可获得HV功率。
正如下文将要解释的，HV端子组件被配置成防止盖子部分的HVIL短路插塞与HV装置的HVIL SR引脚的直接电连接。有多种方式可得到这个结果，例如但不限于将盖子部分中的HVIL短路插塞和HVIL SR引脚配置成使得物理上不可能有这种直接连接，例如将每个HVIL装置配置成不相容的阳性连接或阴性连接。可替代地，盖子部分与HV装置的间距和/或配合能被配置、尺寸设计和/或形状设计成在盖子部分中的HVIL短路插塞与HVIL SR引脚之间提供间隙，该间隙只能通过HV端子组件的HVIL跳线的插入而闭合。
参照附图考虑时，从下面对实施本发明的最佳方式的详细描述中，可以明显看出本发明的上述特征和优点及其他特征和优点。
附图说明
图1是具有高电压(HV)电源和至少一个HV装置的高电压推进车辆或HVPV的示意图；
图2是用于图1的车辆的HV端子组件和示例性HV装置的示意图；以及
图3是图2的HV端子组件的透视俯视示意图。
具体实施方式
参照附图，其中，相似的附图标记代表相似的部件，从图1开始，车辆10被配置成高电压推进的车辆(HVPV)，例如如图所示的示例性混合动力-电动车辆(HEV)。在本发明范围内可以是其它的HVPV车辆结构，例如：燃料电池电动车辆(FCEV)、纯电动车辆(EV)、可外接充电式混合动力电动车辆(PHEV)等等。图1的车辆10包括内燃发动机(E)和变速器(T)14，变速器14可选择性地连接到发动机12从而向车轮组15传递转矩，根据车辆10的设计，这能以前轮驱动、四轮驱动、全轮驱动或后轮驱动方式推进车辆10。
变速器14可以是常规的自动齿轮传动或手动齿轮传动变速器、电可变变速器或其它变速器设计，而不脱离本发明的范围。根据车辆10的具体设计，可提供离合器装置18以根据需要选择性地使发动机12与变速器14断开连接，以便例如允许利用代用能量源例如电动发电机(M/G)17进行车辆推进。
不管动力系结构如何，在车辆10上向各个HV装置供给大约60-300V或更高数量级的高电压(HV)电能，从而总体上限定HV电路。这种HV装置可包括但不限于功率变换器模块或PIM 44、电动发电机(M/G)17、ESS 19、辅助动力单元或模块(APM)11和/或任何其它可能设置或包含在车辆10中的HV装置。
为了存储和供给HV电能，储能系统(ESS)19经由HV线或电缆23通过PIM 44电连接到M/G 17。正如本领域技术人员将能理解的，HV电缆23包含在适当的半柔性电介质绝缘覆层例如聚乙烯、橡胶、碳氟化合物或其它适当的电介质或绝热材料内的HV导线。PIM 44经由相似成组的上述HV电缆23电连接到ESS 19和APM 11。通用或顶级电子控制单元或控制器(C)16还提供对车辆10上各个系统的各种顶级控制和协调，包括如下所述的启用/禁用高电压电路连通的判断权限逻辑。
ESS 19可被配置成一个或多个电池，例如镉镍电池、锂离子电池或其它适当的可再充电电池装置，但是在本发明范围内也可以使用其它具有根据需要交替地储存和输送HV电能到车辆10上的各个HV装置的能力的电气和/或电化学装置。可根据期望ESS 19激励或支持的所需功能，包括任何再生制动需求或推进需求，设定ESS 19的尺寸。如上所述，ESS 19供给约为60至300伏的高电压电能，通常以直流电压(VDC)的形式。
除ESS 19之外，APM 11还经由低电压线束50电连接到ESS19和一个或多个辅助系统(AUX)20。APM 11可操作以将来自ESS 19的高电压转变为12伏功率，从而使12伏的电池(B)38保持充电，从而驱动所有12伏的辅助负载或系统20。电池38可以是常规的12伏电池、低电压电容装置和/或任何其它适当的低电压能量供应或能量源，在本文中术语″低电压″是指与先前描述的约为60-300V的高电压或HV相比的APM 11的相对电压水平。
电池38经由线束50的一组低电压线25电连接到辅助负载或系统20。APM 11还电连接到位于各个HV装置和控制器16上或之内的信号接头13。信号接头13充当高电压互锁(HVIL)电路的一部分，其功能在上文的背景技术部分大体作了描述。信号接头13充当HV端子组件24之内的整体检验装置，如现在将参照图2和3进行描述的。
参照图2，在车辆10上的给定HV接入点，HV端子组件24将HV电缆23连接在HV装置上，此处示为M/G 17。为简单起见，在下文中，将M/G 17用作示例性HV装置，然而这个描述适用于用在图1的车辆10上的任何HV装置。图1的线束50包括一体的高电压互锁(HVIL)源和返回(SR)引脚组32C，其连接在M/G 17之内或连接于M/G 17。M/G 17包括HV母线或HV插座37。为简单起见，在图2中只示出了HV插座37的一个连接端口或出口，然而在本发明范围内，根据用于向HV装置通电的电流的具体类型，可以使用两个或三个HV插座37或需要很多。
HV端子组件24包括托架部分28A，其经由螺栓组27(参见图3)可拆卸地安装到M/G 17上，并且其被配置成一旦这样连接起来就将HV电缆组23可靠地与HV插座37对齐。托架部分28A包含端子34，其被配置成由电镀铜或其它适当的导电材料制成的单个冲压件，其形状或大小根据包括HV电缆23的单根电缆的数目的需要来设计。在一个实施例中，端子34是环形端子，但也可以是任何其它适当的结构，用于经由按照箭头B的方向安装的螺栓36或其它紧固件将HV电缆23连接在高电压母线或HV插座37上。
HV端子组件24包括HVIL跳线装置32B，其连接于托架部分28A并且可电接合或电连接到HVIL SR引脚组32C上，只要托架部分28A按照大体上由箭头A指示的方向正确地安装到M/G 17上。盖子部分28B，其优选为由铝制成，其向托架部分28A内的各个电连接提供防风雨和电磁场(EMF)屏蔽，盖子部分28B可以可拆卸地安装到托架部分28A上。
盖子部分28B包括一体的HVIL短路插塞32A。短路插塞32A就其被锁定、固定、保持或以其它方式包含在形成盖子部分28B的总体结构之内而言是″一体的″。HVIL短路插塞32A包括短路元件39，例如一段导线或电阻，适于在盖子部分28B被正确地安装时使车辆10上的HVIL电路完整。当被配置成电阻时，根据一个实施例，短路元件39具有约2.5至3.5kΩ的电阻值，但是在不背离预定范围的情况下，在本发明范围内，也可以使用此范围之外的其它电阻值。
再次短暂地参照图1，HV装置，例如M/G 17、PIM 44、APM 11、ESS 19和/或车辆10上的任何其它HV装置，每个都包括上述信号接头13。信号接头13电连接到线束50或者以其他方式直接或间接地连接到APM 11，并且适于检测何时HVIL SR引脚32C、HVIL跳线装置32B和一体的HVIL短路插塞32A中的每一个相互电连接以形成闭合的HVIL电路，该术语是HVIL装置领域的普通技术人员所能理解的。这三个HVIL部件32A-C中的任一个的拆除或断开都必然会断开或中断低电压HVIL电路，并且因此断开由箭头is代表的HVIL电信号，只有在所有这三个HVIL部件32A-C都相互电连接且正确定位时才从ESS 19向HV装置供给HV能量。
参照图3，为了清楚起见，示出的是移除了图2的盖子部分28A后的图2的HV端子组件24，但示出了附接的HVIL短路插塞32A，就像有盖子部分28A时一样。托架部分28A具有由内周边壁30限定的大体为凹形的内部。托架部分28A可由任何适当的防护性、屏蔽且隔离材料例如铝制成，并且可由密封件或垫圈29从下方形成电磁屏蔽或环境密封，如假想线所示。
托架部分28A包含或容纳端子34，如上所述，端子34可被配置成环形端子34(见图2)，多个单独的端子或环34A中的每个都与HV电缆23内的不同电缆或导线相对应。如图3所示，HV电缆23是三相AC电缆，具有三根不同的电缆，但是在本发明范围内，也可以使用更少或更多的电缆。托架部分28A还包括保持板31，其以预定方式接收HV电缆23并可靠地对齐HV电缆23，从而便于HV电缆23连接到HV插座37(见图2)上。HV电缆23和端子34会永久地固定到保持板31上，HVIL跳线或低电压导线25也是如此，从而使保持板31不会在没有HV电缆23和接头34的情况下固定或附接就位。可以包括可选组的对齐销35，以助于托架部分28A的定位。
例如，保持板31可具有多个凸起的指状物、脊状物或花键40，其侧向面或侧面42的形状、大小、轮廓设计成或构造成可靠地在其中接收和保持给定HV电缆23和相应的环34A。然后根据需要使用多个相应的螺栓和螺母26、27将托架部分28A可靠地螺栓连接或固定到HV装置，此处示为示例性M/G 17。还可以使用与固定盖子部分28B所用的相同的螺栓、螺钉或其它紧固件将保持板31固定就位。可经由一组螺栓36将保持板31和环34A螺栓连接或固定到电动发电机17上，从而完成在该特定HV接入点处的HV电连接。
如图3所示，托架部分28A的HVIL跳线装置32B电连接到M/G 17的HVIL SR引脚32C上(见图2)，HVIL SR引脚32C又连接至信号接头13，也如图2所示。通过垫圈29，托架部分28A与M/G 17之间的界面得到环境和电磁密封和屏蔽。因此，一旦盖子部分28B(见图2)正确地安装了，就能再次向M/G 17供给HV电能。也就是说，一旦HVIL短路插塞32A如图3所示那样电连接到HVIL跳线装置32B上，只有在盖子部分28B完全且正确地安装时，连接才可行，低电压HVIL电路才闭合。经由信号接头13(见图1)向控制器16传递闭合的HVIL电路状态，从而恢复了与图1的ESS 19的HV功率连通。
尽管详细描述了实施本发明的最佳方式，但熟悉本发明所涉及领域的技术人员将认识到在所附权利要求范围内实施本发明的多种可替换设计和实施例。

Claims (15)

1.一种车辆，包括：
储能系统，其适合于储存和供给高电压电能；
辅助能量源，其适合于储存和供给低电压电能；
高电压装置，其具有电连接至所述辅助能量源的高电压插座和高电压互锁源和返回引脚；
高电压电缆，其适合于将所述储能系统电连接至所述高电压插座；以及
高电压端子组件，包括：
可连接至所述高电压装置且被配置成使所述高电压电缆与所述高电压插座对齐的托架部分；
高电压互锁跳线装置，其可操作地连接至所述托架部分且可与所述高电压互锁源和返回引脚电连接；以及
可拆卸的盖子部分，其可安装到所述托架部分上并且具有高电压互锁短路插塞；
其中，所述高电压端子组件被配置成，只有在所述高电压互锁源和返回引脚组、所述高电压互锁跳线装置和所述一体的高电压互锁短路插塞中的每一个都相互电连接以形成闭合的高电压互锁电路时，才允许从所述储能系统向所述高电压装置供给所述高电压电能。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述高电压装置是两相和三相交流电气装置中的一种。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述高电压装置是功率变换器模块、辅助动力模块、高电压储能系统和电动发电机中的一种。
4.如权利要求1所述的车辆，还包括低电压线束，其中，所述高电压装置包括信号接头，该信号接头电连接至所述低电压线束且适合于检测何时所述高电压互锁源和返回引脚组、所述高电压互锁跳线装置和所述一体的高电压互锁短路插塞中的每一个都相互电连接从而形成所述闭合的高电压互锁电路。
5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述盖子部分的所述高电压互锁短路插塞包括具有约2.5至3.5kΩ的电阻值的电阻。
6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述高电压互锁短路插塞被配置成防止所述高电压互锁短路插塞与所述高电压互锁源和返回引脚之间的直接电连接。
7.一种高电压端子组件，用于在车辆上的高电压接入点处将高电压电缆组连接至高电压装置，该高电压装置具有一体的高电压互锁源和返回引脚组，该高电压端子组件包括：
凹形托架部分，其可以可拆卸地安装到高电压装置上并且被配置成以预定方式可靠地将高电压电缆组对齐；
高电压互锁跳线装置，其连接在所述凹形部分上并且可与所述高电压互锁源和返回引脚组电接合；以及
可拆卸的盖子部分，其可以可拆卸地安装到所述凹形托架部分上，所述可拆卸的盖子部分具有一体的高电压互锁短路插塞；
其中，只有在高电压互锁源和返回引脚组、所述高电压互锁跳线装置和所述一体的高电压互锁短路插塞中的每一个都相互连接时才经由高电压电缆组向所述高电压接入点供给高电压。
8.如权利要求7所述的高电压端子组件，其中，所述凹形托架部分包含保持装置，该保持装置适合于固定所述高电压电缆中的不同电缆。
9.如权利要求8所述的高电压端子组件，其中，所述保持部分是环形端子。
10.如权利要求7所述的高电压端子组件，其中，所述高电压互锁跳线装置与所述凹形托架部分一体形成。
11.如权利要求7所述的高电压端子组件，其中，所述高电压互锁短路插塞包括短路导线和电阻中的一种。
12.如权利要求7所述的高电压端子组件，其中，所述高电压互锁短路插塞被配置成防止所述高电压互锁短路插塞与所述高电压互锁源和返回引脚之间的直接电连接。
13.如权利要求7所述的高电压端子组件，其中，高电压装置是电子控制单元和配置成推进车辆的电动发电机中的一个。
14.如权利要求7所述的高电压端子组件，还包括定位在高电压装置与所述凹形托架部分之间的密封垫圈。
15.一种车辆，包括：
高电压储能系统；
电动发电机，其可操作以推进车辆，并且具有一体的高电压互锁源和返回引脚组；
三相高电压电缆组，其用于在高电压接入点处将所述电动发电机电连接到所述储能系统；以及
高电压端子组件，包括：
凹形托架部分，其可以可拆卸地安装到所述电动发电机上，所述凹形托架部分适于以预定方式可靠地将所述三相高电压电缆组的每一根电缆对齐；
高电压互锁跳线装置，其与所述凹形托架部分一体形成，所述高电压跳线装置可与所述高电压互锁源和返回引脚直接电接合；以及
可拆卸的盖子部分，其可安装到所述凹形托架部分上，并且具有连接到所述可拆卸的盖子部分的内表面上的一体的高电压互锁短路插塞，所述一体的高电压互锁短路插塞只与所述高电压互锁跳线可直接电接合；
其中，只有在所述高电压互锁短路插塞电连接到所述高电压互锁跳线装置，同时所述高电压互锁跳线装置电连接到高电压互锁源和返回引脚组时，才从所述储能系统向所述高电压接入点供给高电压。
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