CN102092351A

CN102092351A - 用于具有多个接地参考的电子控制单元的嵌入式无线通信

Info

Publication number: CN102092351A
Application number: CN2010105619221A
Authority: CN
Inventors: 拉法尔·希门尼斯·皮诺; 米格尔·安琪尔·阿希娜
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2011-06-15
Also published as: DE102010062038B4; DE102010062038A1; US20110140512A1; US8203232B2

Abstract

本发明涉及用于具有多个接地参考的电子控制单元的嵌入式无线通信。提供了一种被配置成便于在不同地平面之间的无线通信的系统。该系统可以依靠在电隔离的组件之间的双向通信来支持任何数量的操作，包括但不限于与支持在三个或更多个隔离地平面之间的无线消息通信相关的操作，例如但不限于支持被包括在车载交通工具充电器内的三个或更多个地平面之间的通信。

Description

用于具有多个接地参考的电子控制单元的嵌入式无线通信

发明背景

1.技术领域

本发明涉及被包括在不同地平面上的元件之间的无线通信，例如但不限于支持具有多个孤立电力系统的交通工具内的无线通信。

2.背景技术

具有两个电隔离的地平面的设备依靠光耦合器来支持在地平面之间的数据通信。因为光耦合器需要在通信元件的每一个之间的专用通信信道，即，一个元件不能使用单个光耦合器来与多个元件通信，所以光耦合器可能是有问题的。一些元件以串联布置来配置这些专用通信信道，在串联布置中一个信道被配置成在多个元件之间运行。该信道例如通过第一光耦合器将第一元件连接到第二元件，通过第三光耦合器将第二元件连接到第三元件，并且通过第三光耦合器将第三元件连接到第一元件。这种类型的串联配置需要消息在单一方向上行进，需要被串联地寻址，且每当消息无意用于紧跟着的元件时需要通过多个光耦合器。这可能是有问题的，假如光耦合器中的一个出故障，因为它可能阻止消息被分发到位于出故障的光耦合器下游的任何设备。

附图的简要说明

本发明特别在所附权利要求中被指出。然而，通过结合附图参考以下详细描述，本发明的其他特征将变得更加明显，并且本发明将被最好地理解，其中：

图1根据本发明的一个非限制性方面示出具有三个孤立电力系统的交通工具系统；

图2根据本发明的一个非限制性方面示意性示出可被包括来支持多个交通工具相关操作的其他设备；

图3根据本发明的一个非限制性方面示出充电器与三个孤立电力系统中的每一个的连接；以及

图4根据本发明的一个非限制性方面示出控制板的示例性配置，其中组件块被包括在同一个PCB上并且彼此电隔离。

优选实施方式的详细描述

图1根据本发明的一个非限制性方面示出具有三个孤立电力系统12、14、16的交通工具系统10。这三个电力系统12、14、16被称为电源电力系统12、高电压(HV)电力系统14、以及低电压(LV)或数据网络电力系统16。在电流不在电力系统12、14、16之间直接流动的意义上，电力系统12、14、16中的每一个可被认为是彼此电隔离的，即，电力系统12、14、16可以彼此电隔离。然而，电力系统12、14、16是互连的，因为通过电容性或电感性耦合并且通过其他的无线通信形式，能够在这些电力系统之间运送能量。

电力系统12、14、16一般关于与之相关的操作被参考，而不是用来限制本发明的范围和计划。电源电力系统12被配置成连接家用的或非交通工具的电力系统，比如但不限于在100Vac上以60Hz操作的或者在220Vac上以50Hz操作的类型。HV电力系统14被配置成通过给电动机20供电来支持电潜水驱动能力，例如但不限于在300-400Vdc范围内操作的类型。LV电力系统16被配置成支持在用来支持其他电力系统的操作的各种设备与用来支持低电压操作的其自己的设备22之间的数据通信，比如但不限于在接近12Vdc处操作的类型。

系统10可包括车载充电器24，其与三个孤立的电力系统12、14、16中的每一个相互作用。车载充电器24可以被配置成支持从由家用墙壁插座或其他充电源28提供的能量给HV和LV电力系统14、16充电。如图1所示，来自充电器24的能量流入HV电池30、HV/LV、DC/DC转换器32、一个或多个HV负载34、被用来驱动电动机20的DC/AC变换器36，以及通过转换器32流入LV负载22中的一个或多个。这些设备中的每一个都连接到电力系统12、14、16中的一个或多个并且连接到与所述电力系统相关的地平面，这些地平面被称为电源地平面、HV地平面、LV地平面。图1仅示出了可被包括在系统内的设备的示例性的一部分。图2根据本发明的一个非限制性方面示意性地示出可被包括在系统内以支持许多交通工具相关操作的其他设备。

在图1中所示的设备包括到LV系统16的接口以支持数据通信和其他操作，该接口对每个设备用箭头来表示。这些箭头用来代表数据接口而不是设备的接地。包括这些设备的每个组件(未显示)可以被接地到所述地平面中的一个，并且根据设备的配置，多个组件可以被包括在印刷电路板(PCB)上，使得一些组件可以被接地到所述地中的一个，并且另一部分组件可以被接地到所述地平面中的另一个，例如，充电器被示为包括在同一个PCB内的被接地到电源地平面、HV地平面、和LV地平面中的每一个的组件。图3根据本发明的一个非限制性方面示出充电器到三个孤立电力系统中的每一个的连接。

被用来支持所提到的设备的操作的地平面中的每一个可以彼此电隔离，因为电流不能在地平面之间直接流动。因此，在设备控制器与其他智能的功能元件之间所需的、对确保设备的操作必需的任何通信可能发生，而不依赖于直流电流，即，不依赖于某种类型的有线通信。根据本发明的一个非限制性的方面，系统可被配置成支持在电隔离的设备/元件中的一个或多个之间的无线通信。在对基于光耦合器的系统提高通信速度和安全方面，无线通信可能是有益的，因为单个消息可同时从一个源发送至多个接收者，而不必通过相应数量的光耦合器。在接收消息的接收者中的一个未能接收到消息或者未能正确处理消息的情况下，本发明允许消息仍由其他接收者接收，即，失败的接收者不一定会影响消息到达其他接收者的能力。

充电器被示为包括在初级块48、次级块部分50和通信块52内的无线接口40、42、44。块48、50、52中的每一个可以由实现由本发明所设想的功能和操作所必需的任何数量的组件和元件组成。这些组件中的每一个可以被包括在同一个或不同的PCB上，并且与其他块的组件电隔离。图4示出控制板54的示例性配置，该控制板54被包括为充电器24的一部分以控制电力组件和远离更加敏感的控制组件被包括在另一个PCB上的其他更庞大的组件。根据本发明的一个非限制性的方面，每个块48、50、52中的组件被示为包括在同一个PCB 58上，并且彼此电隔离。为了便于在电隔离的块中的每一个之间交换数据，无线接口40、42、44可以被包括在每个块48、50、52内。无线接口40、42、44可被包括在每个块48、50、52内。

无线接口40、42、44中的每一个可包括天线60、RF数据调制解调器62和微控制器64。RF数据调制解调器62可包括Rx/Tx模拟RF收发器66和Rx/Tx基带收发器68。基带收发器68可以由数字通信元件——例如但不限于SPI和I2C——组成，以便支持与微处理器64的板内通信。RF收发器66可以被配置成通过数据总线从微控制器64接收数字数据，并将该数字数据向上调制到标准的RF，以便发射数据和反过来接收数据。微控制器64可以包括应用层70、通信协议层72和设备驱动层74，以便于本发明所设想的基于消息的无线通信。这些组件中的每一个可以被包括在由外壳所提供的围壁(由覆盖区76标注)内，使得在接口之间设定的任何无线信号被围壁屏蔽而不会发射出外壳。可选地，接口40、42、44的无线范围可以被抑制，以便例如通过将信号的范围限制到PCB 58长度的两倍来限制无线信号的发射。当然，本发明没有被规定为限制到无线接口40、42、44的所示配置，并且充分设想任何其他无线接口的使用，这些无线接口在范围内操作并执行与此处所设想的功能相似的功能。

回到图3，无线接口40、42、44中的每一个都被示为与每个块相关的控制器80、82、84的一部分。控制器80、82、84是负责支持和控制由每个块48、50、52所执行的操作的任何数量的组件的示意性代表。初级块48可以负责管理通过电源电力系统12运送的电力，即，该电力可以在从家用墙壁插座给交通工具充电并将电力传递至次级块50时被提供。次级块50可以负责管理从初级块48接收的电力，用于分配到在图1和2的系统内示出的设备中的一个或多个。通信块52的控制器84可以被配置成提供从接收电力的设备到控制器80、82中的每一个的反馈，所述控制器80、82负责控制初级块48和次级块50，以便确保正确充电和以其他方式维持安全。

充电器24可以包括变压器88和很多相关的电力元件(未显示)，以便促进在电源电力系统12与HV电力系统14之间的能量传递。因为主电源充当AC源，变压器88和相关的电力元件(其可被包括在与所示控制块分离的PCB上)可被布置成变换器配置，以便支持AC能量到DC能量的变换。然而，在不偏离本发明的范围和计划的情况下，变压器88和相关电力元件可以被配置为转换器，其将来自DC源的能量转换成HV系统所需的DC能量。初级块控制器80和次级块控制器82可被配置成根据从其他无线接口40、42、44无线接收的消息来控制相应电力元件的切换和其他操作。

根据系统10的操作参数和控制器80、82、84所依靠的信息来控制其相应的操作；可以从无线接口40、42、44中的一个或多个请求不同的消息。例如，当需要源自连接到LV电力系统16的设备中的一个的数据时，相应于该数据的单个消息可以同时从通信无线接口44传输到第一块无线接口40和第二块无线接口42中的每一个。(具有到数据网络的接口的每个设备可以依靠数据网络和通信控制器84来将相关的数据传递到其他的控制器80、82。可选地，在接收到消息时，可请求接收无线接口40、42中的每一个传输确认消息，以便保证正确接收。在仅接收到一个确认的情况下，通信无线接口可以生成警告消息以指示确认传输无线接口40、42中的一个出故障。

可选地，可通过镜像无线接口40、42、44中的每一个与附加的接口来包括附加的冗余度，所述附加的接口能够在其他接口出故障的情况下支持相同的无线通信；和/或在无线接口40、42、44中的一个出故障的情况下可包括光耦合器或电连接作为后备。在有附加的光耦合器或电连接的情况下，这些后备连接可以被配置成支持串行通信，即，在到达目的地前消息可能需要穿越多个控制器块，和/或可能包括到每个无线接口的分离路径，使得消息能够在起点位置与目的地位置之间直接行进，即，不必由无线接口中的另一个分程传递。可能在逐情况的基础上出现后备电路的实现，因为所述路径中的一个或多个可被选择性地启用，而不必启用所有路径，以便允许在不同块之间的有线通信和无线通信的某种组合。

如上文所支持的，三个不同的微控制器(MCU)可以被实现在每个不同的地平面上(12V电池接地参考、电源接地参考以及高电压接地参考)。所有MCU需要知道全局环境温度，其依靠为所有单元所捕获的局部温度在12V电池MCU中被计算(每个MCU通过读取放置在每个地平面上的温度传感器来捕获局部温度)。所有这些局部测量可以被无线地发送至做出最终的计算的MCU，且随后最终结果被发送至所有的单元，以便设定功能的工作点。使用由本发明的一个非限制性的方面所设想的RF链路，所捕获的本地数据可被独立地传输至MCU(当数据可用时，每个MCU发送该数据，而不依赖在其余单元上的执行)。处理信息的单元产生结果，并将其广播至系统，使得信息流的速度最大化。这可快于每个局部温度被测量并且通过使用隔离链路(一般是光耦合器)被发送至负责计算的MCU，以致于仅在所有的数值被传输至其余的MCU之后才做出最终的确定。根据本发明分发的消息可以按更加一致的方式实现，以便更容易为所有信号设定同步。此外，信息能够在同一时间(广播模式)或以单独的模式发送到所有的单元，由此允许对于改进或引入改变的更高的灵活性。此外，在关键的系统信息在三个微控制器中间共享的情况下，用于专用闭环控制功能的两个MCU之间的任何单个链路能够在MCU暂时断电的情况下由与第三冗余MCU的链路代替，以便保持系统的操作安全。

根据需要，此处公开了本发明的详细实施方式；然而，应理解，被公开的实施方式仅是本发明的示例，本发明可以体现在各种和可选的形式中。附图不一定按比例绘制，一些特征可被放大或最小化以显示特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅作为权利要求的代表性基础，和/或作为用于教导本领域中的技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。各种实现的实施方式的特征可以被组合以形成本发明的另外的实施方式。

虽然本发明的实施方式以被示出并描述，但意图不是这些实施方式示出和描述本发明所有可能的形式。正相反，说明书中使用的词语是说明性而非限制性的词语，并且应理解，可作出各种改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种供具有三个或更多个孤立电力系统的交通工具车载使用的电力电子设备，所述电力电子设备包括：

转换器，其用于管理在所述孤立电力系统中的第一孤立电力系统与第二孤立电力系统之间的能量流，所述转换器具有在第一地平面上的第一级和在第二地平面上的第二级，所述第一地平面和所述第二地平面是彼此电隔离的，并且包括多个开关电力元件，以便于管理在所述第一孤立电力系统和所述第二孤立电力系统之间的能量流；以及

电子控制系统(ECS)，其被配置成根据从所述孤立电力系统中的每一个接收的消息来控制所述开关电力元件，所述ECS使用无线通信来在所述孤立电力系统中的每一个之间传递消息。

2.如权利要求1所述的设备，还包括在所述第一地平面上的第一收发器、在所述第二地平面上的第二收发器和在第三地平面上的第三收发器，所述第三地平面由第三孤立电力系统的数据网络使用，所述第三孤立电力系统与所述第一地平面和所述第二地平面中的每一个电隔离，其中所述ECS使用所述收发器在所述隔离电力系统中的每一个之间传递消息。

3.如权利要求2所述的设备，其中每个消息从所述收发器中的一个发送，并且由其他收发器中的每一个接收。

4.如权利要求2所述的设备，其中每个收发器被配置成支持彼此的双向通信。

5.一种车载高电压充电器，其用在具有电源电力系统、高电压(HV)电力系统和低电压(LV)电力系统的交通工具中，所述电源电力系统、所述HV电力系统和所述LV电力系统中的每一个具有分别被称为电源地平面、HV地平面和LV地平面的电隔离的地平面，所述充电器包括：

变压器，其用于通过在初级中的初级线圈与次级中的次级线圈之间的电耦合将能量从所述电源电力系统传递到所述HV电力系统，所述初级线圈连接到所述电源电力系统，并且所述次级线圈连接到所述HV电力系统，其中使用第一多个电力元件控制到达所述初级线圈的能量流，并且使用第二多个电力元件控制来自所述次级线圈的能量流；以及

电子控制单元(ECU)，其被配置成控制所述第一多个电力元件和所述第二多个电力元件，所述ECU具有分别连接到所述电源地平面、所述HV地平面和所述LV地平面的电源无线接口、HV无线接口和LV无线接口，所述ECU依靠在所述无线接口中的每一个之间的消息的无线交换来控制所述第一电力元件和所述第二电力元件的操作，其中所述无线接口是彼此电隔离的。

6.如权利要求5所述的充电器，其中所述无线接口根据冗余的数据通信协议来无线地交换消息，所述数据通信协议要求所述无线接口的传输无线接口中的每一个将所述消息广播至每个非传输无线接口。

7.如权利要求6所述的充电器，其中所述数据通信协议在同一时间仅允许所述无线接口中的一个传输数据。

8.如权利要求6所述的充电器，其中在接收到所传输的数据之后，所述非传输无线接口中的每一个将确认传输至所述无线接口中的所述传输无线接口。

9.如权利要求8所述的充电器，其中接收所述确认的所述无线接口中的一个在仅收到一个确认的情况下传输警告消息以指示传输确认的无线接口中的一个出故障。

10.如权利要求5所述的充电器，其中每个消息包括对试图接收所述消息的无线接口的标识。

11.如权利要求5所述的充电器，其中所述无线接口中的每一个包括微控制器和RF数据调制解调器，每个微控制器被配置成处理通过相应电力系统的网络传送的消息。

12.如权利要求5所述的充电器，还包括连接到所述变压器、电力元件、无线接口和ECU中的每一个的一个或多个印刷电路板(PCB)。

13.如权利要求12所述的充电器，还包括被配置成保护在围壁内的每个PCB、变压器、电力元件、无线接口和ECU的外壳。

14.如权利要求13所述的充电器，其中所述外壳防止在所述无线接口之间传输的无线信号被发射出所述围壁。

15.如权利要求12所述的充电器，其中所述无线接口中的每一个的无线通信范围不大于所述PCB长度的两倍。

16.一种车载高电压充电器，其在具有电源电力系统、高电压(HV)电力系统和数据网络的交通工具中使用，所述电源电力系统、所述HV电力系统和所述数据网络中的每一个具有分别被称为电源地平面、HV地平面和数据网络地平面的电隔离地平面，所述充电器包括：

电子控制单元(ECU)，其被配置成控制所述第一多个电力元件和所述第二多个电力元件，所述ECU具有分别连接到所述电源地平面、所述HV地平面和所述数据网络地平面的电源无线接口、HV无线接口和数据网络无线接口，所述ECU部分地基于从所述数据网络无线接口传输到所述电源无线接口和所述HV无线接口中的至少一个的消息来控制所述电力元件，其中从所述数据网络无线接口传输的所述消息中的至少一部分源自连接到所述数据网络的一个或多个数据收集元件。

17.如权利要求16所述的充电器，其中所述无线接口是彼此电隔离的。

18.如权利要求16所述的充电器，其中所述一个或多个数据收集元件中的每一个是与所述电源地平面和所述HV地平面中的每一个电隔离的。

19.如权利要求16所述的充电器，其中所述数据网络无线接口将每个消息传输至所述电源无线接口和所述HV无线接口，并且所述电源无线接口和所述HV无线接口中的每一个在接收到所述消息时生成确认消息。

20.如权利要求19所述的充电器，其中在所述数据网络无线接口仅接收到一个确认的情况下，所述ECU传输警告消息以便指示故障，并且其中所述ECU依靠后备的非无线通信来执行之前由所述无线接口中出故障的一个所执行的通信。