CN102189941A - 混合型高电压隔离接触器控制 - Google Patents

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Abstract

一种车辆用牵引电池的隔离系统包括具有闭合状态和断开状态的电池接触器。通过要么对降低工作电平要么对切断选择负载而管理在两种状态之间变换期间从牵引电池汲取的电流，从而减少总电流汲取。车辆工作状态——例如状态变换的方向——可控制变换期间对工作负载的选择。

Description

混合型高电压隔离接触器控制
背景
技术领域
本技术领域总的涉及电动车和混合型电动车，更具体地涉及对高电压电池隔离接触器的控制。
技术领域
电动和混合型电动车承载相对高电压的电池设备(牵引电池)，该电池设备用于向车辆牵引电机和其它车辆电气系统供电。牵引电池通常具有足以支持来自逆变器的340伏rms三相电力——在某些情形下700伏rms电力——的额定输出电压。相比而言，传统汽车电池在提供大约12伏DC的电压。
牵引电池设备通常被物理地隔离在其本身的隔室内以避免车上工作人员不利地暴露于高电压之下。功能上类似于断路器的接触器被提供在隔室内以将电池设备有选择地连接于车辆电气系统或与之断开。在一些情形下，通过断开隔室内的接触器而使电池设备电气隔离以防止高电压出现在电池隔室外的车辆电气系统的各个位置。
电动和混合型电动车比传统车辆对电力作出更为广泛的使用，从而支持例如来自电动机的动力转向或空调压缩机运作的车辆功能。在电动车上，这基本上是无法避免的。在混合型车辆上，使用电动机运行空调或动力转向泵使得这些功能在操作上与车辆内燃机无关。另外，当代车辆更为广泛地使用消耗电力的电子计算机。结果，车辆牵引电池上的电流负载可能变得非常高。
高电流负载可能危及牵引电池隔离接触器使用寿命。如果车辆的许多或全部可能的电气负载是工作的，则车辆会汲取高达几百安培的大电流。在断开和尤其是闭合期间的接触器起弧能导致隔离接触器劣化并在闭合期间导致焊连形成，这可能将接触器保持在闭合位置。这个结果危及到接触器的隔离功能。
概述
车辆用牵引电池的隔离系统包括具有闭合状态和断开状态的电池接触器。通过要么对降低工作电平要么对停止运作选择负载而管理在两种状态之间变换期间从牵引电池汲取的电流，从而减少总电流汲取。车辆工作状态——例如状态变换的方向——可控制在变换期间用于操作的负载选择。
附图简述
图1是混合型电动车的车辆传动链和车辆控制系统的高层示意图。
详细描述
在下面的详细说明例中，尺寸/模型/值/范围可参照特定实施例给出但并非将其概括地视为限定。尽管将并行混合型电动车用于阐述，然而这里教示的原理很容易延及电动车或串行混合型电动车。
参见图1，图中示出为车辆传动链20提供控制和能量使用管理的控制系统21的高层示图。电气系统控制器(ESC)24(主体计算机类型)作为系统管理机工作并通过公共数据链路18链接于多个局部控制器，所述局部控制器进而对不由ESC 24直接控制的各种车辆功能执行直接控制。如能推断出的那样，ESC24通常直接连接于选择的输入(包括传感器)和输出。传感器组16代表这些传感器并可包括制动踏板位置传感器、节流位置传感器以及突然减速传感器。另外，ESC 24与仪表盘44通信，从仪表盘44可获得指示点火状态、前灯开/关变换位置的信号并将开/关信号提供给其它部件，例如前灯(未示出)。关于动力输出操作(PTO)的信号通过SAE J1708适应数据链路64在驾驶室开关组56和ESC 24之间通信。数据链路64是低波特率数据连接，一般大约为9.7千波特。
除ESC 24外，将六个代表性局部控制器示出为连接于公共数据链路18。这些控制器包括引擎控制器46、传动控制器42、混合型控制器48、量表控制器58和防抱死制动系统控制器(ABS)50。要理解其它控制器可安装在与数据链路18通信的车辆上。这些控制器控制各车辆电气负载并表征负载本身。这些附加控制器由用于控制负载19的普通“负载”控制器17表示。各传感器可连接于若干局部控制器。数据链路18优选为遵循SAE J1939标准的公共控制器区域网(CAN)总线，在当前实践中支持高达250千波特的数据传输。
混合型控制器48、传动控制器42和引擎控制器46协调传动链的操作以在引擎28和牵引电动机32之间择一作为车辆的原动机(或如有要求则组合使用引擎和牵引电动机输出)。在制动过程中，这些控制器协调引擎28的脱离和停机以及牵引电动机32在其发电机模式下的操作以重新获取车辆的动能。ESC24和ABS控制器50在用于这些操作的数据链路18上提供数据，包括制动踏板位置、关于滑动的数据、节流位置以及对例如PTO 22的其它电力需求。混合型控制器进一步监视关于电池34充电状态(SOC)的代理。
传动链20是并行混合型柴油电气系统，其中牵引电动机/发电机32通过自动离合器30与引擎28相连以使引擎28、牵引电动机32或两者的组合能发挥车辆原动机的作用。如同其它混合型设计，系统旨在重新获得车辆的惯性动量并将其存储为势能以供将来使用，包括对传动链20的恢复。在并行混合式电动车中，牵引电动机/发电机32通过使用驱动轮26反向驱动牵引电动机/发电机32并通过从中生成电能捕获一部分车辆动能而在减速期间重新获得车辆动能。在牵引电动机32被反向驱动期间，通过断开自动离合器30使引擎28与传动列20中的其它组件脱离。
正和负牵引电动机32之间变换的电能消耗用过混合型控制器48检测和管理。牵引电动机/发电机32在制动期间产生三相交流电，该三相交流电施加于逆变器36以转换成直流电(DC)并随后通过接触器35流至牵引电池设备电池34。当牵引电动机32作为车辆原动机时，电力流动是相反的。电池34一般为锂离子电池设备并可例如通过传统的12伏电池补充作为存储的电能源。
大质量车辆往往表现出比汽车更差的源自混合式运动的得益。因此，从牵引电池34获得的电能经常向例如基于电动机的PTO设备22的其它车辆系统供电，(这类PTO系统可包括有人驾驶的“动臂装卸机”、绞盘电动机等)。牵引电动机32本身可为PTO设备22(例如液压电动机)提供原动力。另外，牵引电动机/发电机32可用于起动引擎28。如果对这些操作的请求通过接触器35变换至闭合位置而同时兑现，则在接触器35闭合前从牵引电池34汲取大量电流，这导致在接触器完全闭合前产生电弧。
各局部控制器可编程以对从ESC 24传至数据链路18的数据作出应答。混合型控制器48基于可用电池充电状态确定对功率的请求。混合型控制器48加上ESC 24产生施加于数据链路18的合适信号以指示引擎控制器46导通和切断引擎28，并且如果处于导通状态则指示什么样的功率输出用来驱动引擎。传动控制器42控制自动离合器30的配合。传动控制器42进一步响应传动按钮控制器72控制传动机构38的状态，判断传动机构的齿轮接入或传动机构是否将传动转矩传递至驱动轮26或传递至作为PTO系统22一部分的液压泵(或在传动机构38充当液压泵的情形下，只是至PTO系统22的加压液压流体)或传动机构是否处于中间位置。
PTO控制是通过一个或多个远端功率模块(RPM)40实现的。远端功率模块40是专用于ESC 24的数据链路的扩展输入/输出模块，ESC 24被编程以利用这些模块。RPM 40充当PTO 22的控制器，并提供关联于PTO设备22并可能去往和来自PTO负载23的任何硬线输出70和硬线输入66。对负载23操作的请求以及可能的响应报告被施加于数据链路74以传输至ESC 24，ESC 24将这些请求和报告转换成对其它控制器的具体请求，例如对功率的请求。ESC 24也编程为通过PTO设备22中的RPM 40控制值状态。远端功率模块在美国专利6,272,402有完整的记载。该专利被转让给本发明的受让人并全篇地援引包含于此。在’402专利撰写时，本文中冠名的“远端功率模块”被表述为“远端接口模块”。
如果给出补充的12伏系统，则一些电力可从混合型逆变器35转移以通过DC/DC逆变器62维持对传统12伏DC底盘电池60充电。基于引擎驱动的交流发电机12伏DC电动机车辆电力系统以及12伏、6节铅酸性电池已使用了几十年并且是本领域内技术人员公知的。在撰写该申请同时代的车辆中，众多12伏应用仍然是普遍使用的并且包含传动链20的混合型电动车可配有补充的12伏系统以支持这类系统。在这类情形下，电力可从混合式逆变器36转移至DC/DC逆变器62，该DC/DC逆变器62使功率逐级下降以维持对传统12伏DC底盘电池60的充电。引入这样的并行系统将允许使用针对电动车辆使用设计的容易获得和低成本的组件，例如用于照明的白炽灯泡。不然，使用12伏组件带来了重量不利因素并增加了车辆的复杂性。电池34有时被称为牵引电池以与补充的12伏电池60区别开。
传动控制器和ESC 24均作为各数据链路68、18、74和64之间的入口和/或移送器件。数据链路68和74可以是专用的并以比公共数据链路18明显更高的波特率工作，并因此对从一个链路至另一链路传递的消息提供缓冲。另外，消息必须被重构，或者一条链路上的消息可能需要第二链路上另一类型的消息，例如数据链路74上的移动请求可转换成对从ESC 24至传动控制器42的传动机构配合的请求。数据链路18、68和74是常见控制器区域网总线并可遵循SAE J1939协议。
在高电压隔离接触器35将混合型系统的牵引电池34中存储的能量与混合型系统其余部分分离的重型混合型车辆的情形下，当高电压系统处于负载状态时，可移动部件可能因高电压隔离接触器35的变换(断开和闭合)而焊连在一起。在高电压隔离接触器35变换时，焊连可因源自底盘电气系统和子电气系统的额外电流负载而通过混合型系统DC-DC变压器62进一步恶化，所述底盘电气系统和子电气系统由混合型高电压系统承载，导致接触器的引弧和焊连。
控制系统21促成控制元件的协作以命令车辆运作最小化在接触器35变换过程中汲取的电流。在高电压混合型隔离接触器35断开与合上之前、之中和之后，施加在底盘上的电气负载减小。可重配置软件和电气硬件架构协调由底盘电气系统和/或其子电气系统施加的电流负载的导通和断开，这些系统与混合型系统的高电压接触器的断开和闭合协调。发生在传感器16之间或仪表盘44上的状态变化可作为接触器35变换的最初需求的指示器。例如，点火开关从OFF(关)至ON(开)或START(起动)的移动可能触发闭合接触器35的要求。用来触发气囊展开的来自传感器的突然减速指示可用作断开接触器35的触发器。
已有车辆数据链路环境允许对车辆混合型电气传动链20和以负载19、PTO22、DC/DC逆变器62为代表的各类负载以及例如ABS控制器50的各类局部控制器的操作作出控制，所有这些部件均汲取电力。车辆组件、系统和子系统例如：底盘负载管理器、电气冷凝器推动风扇、带电附件(AC压缩机、电力操纵、空气压缩机DC-DC变压器等)、卡车配件制造商(TEM)安装设备(灯、电动机、电磁线圈等)全部隶属于中央控制。通过在底盘之间完全集成负载管理系统，在混合型高电压接触器的实际断开和闭合期间，TEM安装设备和混合型电力电子系统电流负载尽可能地减小。
负载控制是通过控制器区域网(CAN)通信策略实现的，在前述通信策略中，不同的CAN模块/局部控制器在数据链路环境(包括数据链路18)上通信以协同两个混合型高电压隔离接触器35的断开和闭合来控制各底盘电气负载(包括负载19和PTO 22)和各局部控制器。高电压隔离接触器35具有默认的断开状态和供电(闭合)状态。例如，从断开状态至闭合状态的变换将关联于罩内钥匙(in-can key)转换至其启动混合型电气系统和车辆控制系统的“On(导通)”状态的循环。
通常控制混合型高电压隔离接触器35(或者由ESC24控制)的混合型控制器48在请求ESC的数据18上通过其本身的物理输出44或通过例如远端功率模块(RPM)40的辅助CAN模块将经编码的数字消息发送至主体控制器(ESC 24)，以期在混合型控制器48闭合混合型高电压隔离接触器35时断开或减小全部“非临界”电气负载19、22。一旦ESC 24(要么直接通过RPM 40或通过其它控制器)已在车辆当前工作模式下“断开”和/或减小所有可用电气负载或使某一负载延迟导通，ESC 24则在数据链路18上传输包含底盘电气系统的瞬时负载状态的经编码数字消息。该状态通信可如同广播指示电气负载能被“切断”或减少、已被“切断”或减少至其最大程度的抽象消息那样简单。该状态通信也可包含实际或计算得到的电流负载。一旦混合型控制器48接收ESC24状态消息，则它基于包含在消息状态中的信息判决使混合型高电压隔离接触器35从其当前状态变换，或将它们保持在当前状态。
PTO设备22是可纳入当前系统的灵活性的一个很好的例子。常见地，PTO22可以是用于在接触器35变换时断开或降低电平工作的主要候选结构。然而，PTO 22的操作在某些变换动作下是否不连续可留待操作者基于变换动作的性质和状况而予以判断。
常见地还通过对ESC 24的适当编程提供初始化定时器。初始化定时器的目的是在混合型系统激活(例如“接通”罩内钥匙开关)期间创建一时间间隔，在这一时间间隔内自动“断开”或减小一系列预定负载。这些负载在可编程的时间间隔内被“断开”或减少，用以在正常负载管理过程中引入全部关联的控制器变得全部初始化之前最小化施加在混合型高电压隔离接触器35上的电流负载。在初始化定时器超时之时，所有引入的控制器应当已具有足够的时间以初始化并在功能上呈现如本教义的第一部分描述的正常负载管理的模式。
通过管理负载，混合型高电压隔离接触器25在其变换期间携带的电流量减少，由此减轻过早损坏和焊连课题。
源自底盘电气系统和子电气系统的各种负载的控制基于“逻辑”和数据链路信号。这允许定制车辆配件特征和功能，而对实际车辆硬件架构改变甚小甚至没有改变。由于控制配置的数据链路和软件驱动特征，特定负载的控制可以车辆的工作模式为条件并允许选择车辆负载以基于变换是从断开至闭合还是从闭合至断开来作出切断或限制。例如，如果车辆处于静止运行模式且前灯熄灭，则可去除通过仪表盘44或负载控制器17的挡风玻璃雨刮器功能。在其它情形下，挡风玻璃雨刮器可以是通过接触器35的变换维持的优选功能。针对变换切断或减少的模式灵敏有效性的负载示例包括前灯、信号灯、加热、通风和空调鼓风电动机、电力动力操纵、电动空气压缩机、卡车配件制造商(TEM)配件、电动冷却风扇、各种系统控制器(例如如果车辆静止且驻车制动设定时的ABS控制器50)。
由于该系统使用已有的车辆架构，因此成本得以降低。通过使用数据链路和控制器环境而使系统健全度提高。通过提高接触器35在事故发生时保持断开以减少车辆电气系统露出部分电压的几率，增强的健全性提高了安全性。

Claims (9)

1.一种车辆，包括：
高电压电气系统；
牵引电池；
在所述牵引电池和所述高电压电气系统之间的接触器，所述接触器具有闭合状态和断开状态；
多个车辆电气负载；
用于指示车辆工作状态的传感器；
车辆控制系统，所述车辆控制系统耦合以接收由所述传感器产生的输出信号，包括产生所述接触器的状态变换的输出信号并包括控制所述接触器的状态变换的装置并进一步包括控制每个车辆电气负载所能汲取的电量的装置；以及
车辆控制系统，所述车辆控制系统响应车辆工作状态产生所述接触器的状态变化以减少所述多个车辆负载的电流汲取。
2.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，还包括：
所述车辆控制系统被编程以提供车辆电气负载的选择，以响应不同车辆工作状态减小所述电气负载。
3.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，还包括：
所述车辆控制系统被编程以提供车辆电气负载的选择，以响应所述状态从断开至闭合以及从闭合至断开的变换来减小所述电气负载。
4.如权利要求2所述的车辆，其特征在于，还包括：
所述车辆控制系统被编程以提供车辆电气负载的选择，以响应所述状态从断开至闭合以及从闭合至断开的变换来减小所述电气负载。
5.如权利要求4所述的车辆，其特征在于，所述车辆具有混合型电气传动链并且所述混合型电气传动链包括电气牵引电动机以及内燃机，其中所述内燃机或所述电气牵引电动机可作为车辆原动机工作。
6.一种车辆用牵引电池隔离系统，包括：
具有闭合状态和断开状态的电池接触器；
用于建立车辆工作状态的装置；
响应车辆工作状态以使电池接触器在两种状态之间摆动的控制装置；
多个车辆电气负载；以及
所述控制装置还在所述电池接触器的状态变换过程中响应于特定车辆工作状态以选择车辆电气负载以进行有限的运作。
7.如权利要求6所述的牵引电池隔离系统，其特征在于，还包括：
所述控制装置对车辆负载的选择进一步响应所述接触器的状态变换是从闭合至断开还是从断开至闭合。
8.如权利要求7所述的牵引电池隔离系统，其特征在于，还包括：
所述控制装置对车辆负载的选择进一步响应于车辆工作状态的改变。
9.在一种混合型电动车辆或电动车辆中，所述车辆配有：电力分配系统；可从所述电力分配系统汲取电流的多个负载、牵引电池设备以及接触器，所述接触器具有使所述牵引电池设备与电力分配系统耦合或隔离的闭合状态和断开状态，一种运作所述接触器的方法包括步骤：
在所述接触器状态变换期间，响应车辆工作状态的改变选择工作负载；
执行所述接触器的状态变换；以及
在所述接触器状态变换完成后，基于所述车辆工作状态选择工作负载。
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