CN103515155A - 用于车辆电池系统的继电器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于车辆电池系统的继电器模块，其包括：可移动单元，其被配置成通过继电器内的线圈所产生的磁场和复位弹簧而被移动，并控制继电器电极之间的电连接状态；以及安装在可移动单元和固定单元之间的微传感器，所述微传感器相对于可移动单元保持固定位置，并且被配置成取决于可移动单元相对于固定单元的位置变化而诱发电物理量的变化。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种用于车辆电池系统的继电器模块，并且更特别地涉及与构成车辆中安装的用于供应电力的电池系统中所设置的电力继电器组合件的一部分的继电器模块相关的技术，所述电力被用于驱动诸如混合动力车或电动车之类的车辆（在本文中被称为环境友好型车辆）。
背景技术
安装在环境友好型车辆中的电池系统被配置成如图1所示，其中虚线指示的部分表示电力继电器组合件（PRA）500。这样的PRA500用来保证各车辆系统之间的高度电气绝缘和电气安全，还用来防止事故发生时二次重大事故（诸如高电压所导致的电击、或可归因于电气故障的火灾）的发生。PRA500还可以用来阻断从高电压电池流出的暗电流。
上述电力继电器组合件500被配置成包括正（+）主继电器502、负（-）主继电器504、和初始充电继电器506。继电器接通控制序列按照以下方式实现：当车辆进入点火装置接通状态时，负主继电器504被接通，此后初始充电继电器506被接通，从而使电阻器引起的峰值电流能够受到限制。当在电容器的充电已经完成时接通正主继电器502后，初始充电继电器506被关断，从而完成继电器接通控制序列。此后，实现继电器关断控制序列，使得当车辆进入点火装置关断状态时，在初始充电继电器506被关断的状态下，正主继电器502和负主继电器504被同时关断。
在电池管理系统（BMS）中，为了诊断诸如如上所述工作的继电器的熔焊之类的故障，利用以涉及如上所述工作的各继电器的一系列操作为基础的逻辑来间接进行诊断。基于这种逻辑的这种间接诊断的缺点在于，当车辆被启动时，只能诊断出诸如继电器熔焊、和初始充电继电器506的开路失效之类的故障，使得当在继电器接通序列被启动时出现问题时，难以确定该问题是由继电器自身所导致的、还是由BMS的内部控制电路的错误所导致的、还是由控制输出线路的断路或短路所导致的。此外，即使问题被确定为由继电器自身导致，也无法精确地确定该问题是否由继电器的触点熔焊所导致、或者该问题是否由开路失效所导致、或者该问题出现在哪里（即正主继电器502、负主继电器504、和初始充电继电器506）。
因此，存在着这样的问题：当作为电力继电器组合件500的一部分的继电器中出现故障时，无法立即且精确地诊断出问题。此外，当基于对继电器相关故障的判定而仅替换了特定继电器时，存在着实际出故障的继电器实际上尚未被替换的可能性，从而导致使车辆暴露于预料不到的危险处境。另外，当检查车辆时，由于继电器和BMS必须被分别单独替换、并随后进行有关故障检测的检查，所以故障修复的工作效率大大降低，从而带来时间和经济上的损失。
前述内容仅仅旨在帮助更好地理解本发明的背景，而并不意味着本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
因此，本发明是考虑到现有技术中出现的上述问题而做出的，并且本发明的目的是提供一种用于车辆电池系统的继电器模块，当在继电器中出现故障/问题/失效时，能够直接、精确、且迅速地检测出构成电力继电器组合件的一部分的相关继电器中的故障，使得成本和时间由于故障修复的工作效率的改进而能够极大减少。此外，由于故障修复的可靠性得到改进，所以可以防止车辆暴露于预料不到的危险处境中。本发明还可以实时地监测各个继电器的状态，使得故障诊断性能（即确定故障是由于各继电器自身的失效、还是由于BMS中设置的继电器控制电路、还是由于控制输出线路的短路或断路）得到改进，从而保证车辆系统的安全性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于车辆电池系统的继电器模块，包括：可移动单元，其被配置成通过继电器内的线圈的磁场和复位弹簧而被移动，并控制继电器电极之间的电连接状态；以及安装在可移动单元和固定单元之间的微传感器。该微传感器被配置成相对于可移动单元保持固定位置，并取决于可移动单元相对于固定单元的位置变化而诱发电物理量的变化。
附图说明
根据结合附图给出的以下详细说明，本发明的上述及其它目的、特征和优点将会更清楚地得到理解，在附图中：
图1是示出常规电力继电器组合件的图；
图2是示出根据本发明的用于车辆电池系统的示例性继电器模块的图；
图3是示出图2的微传感器的示例性配置的图；
图4是示出与图3相比，当继电器模块被接通时微传感器的示例性状态变化的图；并且
图5是示出使用根据本发明的继电器模块的故障诊断的示例性概念的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。
应理解的是，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆（诸如包括运动型多功能车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客车）、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它代用燃料车（例如从除石油以外的资源中取得的燃料）。如本文中所述，混合动力车是具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。
参考图2至4，本发明的示例性实施例包括可移动单元5，其被配置成通过继电器内的线圈1所产生的磁场和复位弹簧3而被移动，并控制继电器电极11的电连接状态。微传感器9可以安装在可移动单元5和相对于可移动单元5保持固定位置的固定单元7之间，并被配置成取决于可移动单元5相对于固定单元7的位置变化而使电物理量（例如，电阻、电流等）发生变化。
微传感器9可以具有非常小的尺寸，且与继电器电极11的控制操作协同工作，并且可以被包含在和/或集成到常规继电器中，从而使相应继电器的故障能够被实时地直接检测。
微传感器9可以包括：两个传感电极13，它们以预定距离相互间隔开，从而使所述两个传感电极13之间的电阻能够被测量；以及传感接触部件15，其被配置成当可移动单元5在使继电器电极11能够相互电连接的方向上移动时，所述传感接触部件15在与可移动单元5相同的方向上移动，从而使两个传感电极13能够相互电连接。
也就是说，微传感器9可以配置成使得当向线圈1供应电力、并且随后可移动单元5使继电器电极11相互连接时，传感接触部件15使两个传感电极13相互连接，并且测量出的电阻被迅速减小，从而使相应继电器的正常接通操作能够借助于可移动单元5和继电器电极11的正常操作来识别。相反，当中断对线圈1的电力供应、且可移动单元5中断继电器电极11时，传感接触部件15中断两个传感电极13，并且随后电阻迅速增加，从而使相应继电器的正常关断操作能够借助于可移动单元5和继电器电极11的正常操作来识别。
在示例性实施例中，如图3所示，微传感器9包括测量单元17和基准单元23。测量单元17包括：两个传感电极13，它们以预定距离相互间隔开，从而使所述两个传感电极13之间的电阻能够被测量；以及传感接触部件15，其被配置成当可移动单元5在使继电器电极11能够相互电连接的方向上移动时，所述传感接触部件15在与可移动单元5相同的方向上移动，从而使两个传感电极13能够相互电连接。基准单元23可以设置有以预定距离相互间隔开从而使其间的电阻能够被测量的两个基准电极19，并且包括操作单元21，该操作单元21被配置成当可移动单元5在使继电器电极11能够相互电连接的方向上移动时，所述操作单元21在与测量单元17协同工作的同时在与可移动单元5相同的方向上移动。在本发明的示例性实施例中，操作单元21可以优选地仅由抑制基准电极19电连接的非导体制成。
也就是说，微传感器9可以仅使用测量单元17来实现，而基准单元23是与测量单元17并行地附加设置的，以便更精确且可靠地确定继电器的状态。此处，BMS旨在通过考虑测量单元17的两个传感电极13之间的电阻变化和基准单元23的两个基准电极19之间的电阻变化来确定相应继电器的状态。
如上所述，测量单元17按照与仅利用如上所述的测量单元17实现的微传感器9相同的方式工作。不同于测量单元17，基准单元23的特征在于操作单元21不设有传感接触部件15、并且仅由非导体制成。因此，即使当测量单元17的两个传感电极13如图4的左侧所示相互电连接时，在两个基准电极19之间仍必然检测到高电阻值。此外，即使当操作单元21已经如图3所示离开两个基准电极19移动了显著的距离时，两个基准电极19之间的电阻仍应当没有变化。
也就是说，当测量单元17的两个传感电极13之间的电阻发生变化时，仅在基准单元23的两个基准电极19之间的电阻持续维持在恒定状态时才能确定相应继电器是正常的。相反，如果由于微传感器9的故障或者噪声而导致基准电极19之间的电阻发生变化，则确定继电器异常。
优选地，测量单元17和基准单元23可以在与可移动单元5的移动方向垂直的方向上并列布置，并且可以并行地与可移动单元5的操作协同工作。
特别地，可以利用诸如聚二甲基硅氧烷（PDMS）之类的柔性硅基材料、通过半导体制造工艺来制造微传感器9。优选地，为了保证安全性，测量单元17的传感电极13和传感接触部件15以及基准单元23的基准电极19和操作单元21可以被分别单独密封，如图所示。也就是说，利用柔性硅基材料通过半导体制造工艺来制造微传感器9。引起电物理量变化的部分借助于等离子工艺等而被配置为完全密封结构，从而保证防止异物渗透的安全性和可靠性。
在本实施例中，可移动单元5由接触芯25和滑动芯27构成，接触芯25由导体制成且与继电器电极11直接接触，滑动芯27被连接成与接触芯25成一体、并被配置成沿着位于线圈1的中心的直线路径滑动。微传感器9安装在固定芯29（固定单元7的一部分）和滑动芯27之间，固定芯29用于沿着位于线圈1中心的直线路径引导可移动单元5并相对于滑动芯27提供固定位置。
在本发明的一些示例性实施例中，除了上述接触传感器之外，微传感器9还可以被实现为依据常规技术的超声传感器或红外传感器。
用于电池系统的电力继电器组合件可以配置成包括正主继电器、负主继电器、和初始充电继电器，每个继电器被实现为具有上述配置的本发明的继电器模块。图5示意性地示出用于检查上述电力继电器组合件的每个继电器的配置。也就是说，用于检查继电器的配置可以被实现为使得BMS31能够实时地监测微传感器9的测量单元17和基准单元23的电阻值。此外，BMS31可以从发动机控制单元（ECU）33接收点火装置接通/关断信号，并向继电器的线圈1供应电力或中断电力供应。这样做就使得可以把关于BMS31的操作信息提供给ECU33。
在上述配置中，如上所述，BMS31不仅取决于ECU的点火装置接通/关断状态而向线圈1供应电力，而且测量和比较微传感器9的电阻，从而立即且直接地确定相应继电器是否正常工作。
例如，当ECU33传送点火装置接通信号时，BMS31通过在向线圈1供应电力的同时，测量正主继电器、负主继电器、以及初始充电继电器中的每一者的传感电极13之间的电阻变化和基准电极19之间的电阻变化来诊断错误。例如，当在正主继电器中出现熔焊错误时，正主继电器的传感电极13持续呈现出低电阻。BMS31检测出该低电阻并确定正主继电器中的错误起因于熔焊错误，并在此后经由警告灯等来向用户通知这一错误，从而使后续的测量（诸如修复操作）能够进行。
如上所述，当在继电器中出现错误时，本发明可以直接、精确、且迅速地检测并识别出构成电力继电器组合件的每个继电器中的错误，使得成本和时间由于故障修复的工作效率的改进而能够得到极大减少。此外，由于故障修复的可靠性得到改进，所以可以防止车辆暴露于预料不到的危险处境中。另外，本发明可以实时地监测各个继电器的状态，使得故障诊断性能（即确定故障是由于各继电器自身的失效、还是由于BMS中设置的继电器控制电路、还是由于控制输出线路的短路或断路）得到改进，从而保证车辆系统的安全性。
尽管出于说明的目的已经公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员应理解的是，可以做出各种修正、添加和替换，而不脱离所附权利要求所公开的本发明的范围和精神。
Claims (20)
1.一种用于车辆电池系统的继电器模块，包括：
可移动单元，其被配置成通过继电器内的线圈所产生的磁场和复位弹簧而被移动，并控制继电器电极之间的电连接状态；以及
安装在所述可移动单元和固定单元之间的微传感器，所述微传感器相对于所述可移动单元保持固定位置，并且被配置成取决于所述可移动单元相对于所述固定单元的位置变化而诱发电物理量的变化。
2.如权利要求1所述的继电器模块，其中所述微传感器包括：
两个传感电极，其以预定距离相互间隔开，从而使所述两个传感电极之间的电阻能够被测量；
传感接触部件，其被配置成当所述可移动单元在使所述继电器电极能够相互电连接的方向上移动时，所述传感接触部件在与所述可移动单元相同的方向上移动，从而使所述两个传感电极能够相互电连接。
3.如权利要求2所述的继电器模块，其中所述微传感器包括：
测量单元，其包括：两个传感电极，所述两个传感电极相互间隔开从而使所述两个传感电极之间的电阻能够被测量；以及传感接触部件，其被配置成当所述可移动单元在使所述继电器电极能够相互电连接的方向上移动时，所述传感接触部件在与所述可移动单元相同的方向上移动，从而使所述两个传感电极能够相互电连接；以及
基准单元，其包括：两个基准电极，所述两个基准电极相互间隔开从而使所述两个基准电极之间的电阻能够被测量；以及操作单元，其被配置成当所述可移动单元在使所述继电器电极能够相互电连接的方向上移动时，所述操作单元在与所述测量单元协同工作的同时、在与所述可移动单元相同的方向上移动。
4.如权利要求3所述的继电器模块，其中所述操作单元由抑制所述基准电极电连接的非导体制成。
5.如权利要求3所述的继电器模块，其中所述测量单元和所述基准单元在与所述可移动单元的移动方向垂直的方向上并列布置。
6.如权利要求3所述的继电器模块，其中所述微传感器由柔性硅基材料制成，并且所述测量单元的传感电极和传感接触部件、以及所述基准单元的基准电极和操作单元被分别单独密封。
7.如权利要求1所述的继电器模块，其中所述微传感器由柔性硅基材料制成，并且引起电物理量发生变化的部分被密封。
8.如权利要求1所述的继电器模块，其中：
所述可移动单元包括：接触芯，其由与所述继电器电极直接接触的导体制成；以及滑动芯，其被连接成与所述接触芯成一体、并被配置成沿着位于线圈中心的直线路径滑动；并且
所述微传感器被安装在固定芯和所述滑动芯之间，所述固定芯是用于沿着位于线圈中心的直线路径引导所述可移动单元、并且相对于所述滑动芯提供固定位置的固定单元。
9.如权利要求1所述的继电器模块，其中所述微传感器被实现为超声传感器。
10.如权利要求1所述的继电器模块，其中所述微传感器被实现为红外传感器。
11.一种用于电池系统的电力继电器组合件，包括：
正主继电器、负主继电器、和初始充电继电器，每个继电器被实现为电路中的继电器模块，每个继电器模块包括：
可移动单元，其被配置成通过继电器内的围绕铁芯的线圈所产生的磁场和复位弹簧而被移动，所述可移动单元控制继电器模块中的继电器电极之间的电连接状态；以及
安装在所述可移动单元和固定单元之间的微传感器，所述微传感器相对于所述可移动单元保持固定位置，并且被配置成取决于所述可移动单元相对于所述固定单元的位置变化而诱发电物理量的变化。
12.如权利要求11所述的电力继电器组合件，其中所述微传感器包括：
两个传感电极，其以预定距离相互间隔开，从而使所述两个传感电极之间的电阻能够被测量；
传感接触部件，其被配置成当所述可移动单元在使所述继电器电极能够相互电连接的方向上移动时，所述传感接触部件在与所述可移动单元相同的方向上移动，从而使所述两个传感电极能够相互电连接。
13.如权利要求12所述的电力继电器组合件，其中所述微传感器包括：
测量单元，其包括：两个传感电极，所述两个传感电极相互间隔开从而使所述两个传感电极之间的电阻能够被测量；以及传感接触部件，其被配置成当所述可移动单元在使所述继电器电极能够相互电连接的方向上移动时，所述传感接触部件在与所述可移动单元相同的方向上移动，从而使所述两个传感电极能够相互电连接；以及
基准单元，其包括：两个基准电极，所述两个基准电极相互间隔开从而使所述两个基准电极之间的电阻能够被测量；以及操作单元，其被配置成当所述可移动单元在使所述继电器电极能够相互电连接的方向上移动时，所述操作单元在与所述测量单元协同工作的同时、在与所述可移动单元相同的方向上移动。
14.如权利要求13所述的电力继电器组合件，其中所述操作单元由抑制所述基准电极电连接的非导体制成。
15.如权利要求13所述的电力继电器组合件，其中所述测量单元和所述基准单元在与所述可移动单元的移动方向垂直的方向上并列布置。
16.如权利要求13所述的电力继电器组合件，其中所述微传感器由柔性硅基材料制成，并且所述测量单元的传感电极和传感接触部件、以及所述基准单元的基准电极和操作单元被分别单独密封。
17.如权利要求11所述的电力继电器组合件，其中所述微传感器由柔性硅基材料制成，并且引起电物理量发生变化的部分被密封。
18.如权利要求11所述的电力继电器组合件，其中：
所述可移动单元包括：接触芯，其由与所述继电器电极直接接触的导体制成；以及滑动芯，其被连接成与所述接触芯成一体、并被配置成沿着位于线圈中心的直线路径滑动；并且
所述微传感器被安装在固定芯和所述滑动芯之间，所述固定芯是用于沿着位于线圈中心的直线路径引导所述可移动单元、并且相对于所述滑动芯提供固定位置的固定单元。
19.如权利要求11所述的电力继电器组合件，其中所述微传感器被实现为超声传感器。
20.如权利要求11所述的电力继电器组合件，其中所述微传感器被实现为红外传感器。
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