CN103972952A - 用于插入式电动交通工具的可缩放高电压充电和检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于交通工具的高电压继电器系统。所述系统包括高电压总线、并联继电器组和控制器。并联继电器组包括并联地连线且电联接至高电压总线的两个或更多个继电器。控制器被安排成在并联继电器组中的继电器之一中检测到故障时调节流动通过并联继电器组的电能。该系统可包括高电压电源，其通过并联继电器组电联接至高电压总线，其中控制器通过降低高电压电源的输出来降低流动通过并联继电器的电能。该系统可包括高电压电动机，其通过并联继电器组电联接至高电压总线，其中控制器通过降低电动机的电能需求来降低流动通过并联继电器组的电能。

Description

用于插入式电动交通工具的可缩放高电压充电和检测系统
技术领域
本发明总体上涉及交通工具中的高电压并联继电器系统，并且更特别地涉及当在并联继电器组中的继电器之一中检测到故障时调节流动通过并联继电器组的电能的高电压并联继电器系统。
背景技术
电动交通工具和电动混合动力交通工具包括常常为机电装置的继电器，其使用电磁线圈来将接触系统移动到导电(闭合)位置。继电器常常被使用在充电电路和推进电路中，来用于引导电力去往和来自用于高电压电池的高电压总线。
电动交通工具中采用的继电器通常定尺寸为用于高电压电池的峰值速率。峰值速率是用于充电电路的峰值充电速率，并且是电力推进单元能加在高电压电池上达给定时间的最大负载。例如，电动汽车可以具有在300伏特时为10安培的充电最大值，因此约为3千瓦。通常将存在连接至电池的正端子的继电器和连接至电池的负端子的继电器。当在新的电动或电动混合动力交通工具上开始工程工作时，新的交通工具有可能具有与先前已经设计出的交通工具不同的峰值速率，原因是快速地发展的技术。因此，将有必要开发新的继电器，其能以新的峰值速率来运转。此外，随着逐渐来临的不同程度的混合化，例如起动和停止电动混合动力交通工具，可能存在过多的高电压电能总线都需要生成独特的继电器需求。这不同于交通工具的低电压侧，其中继电器已经标准化多年，例如，在12伏特时为5、10、15、20或40安培。
在汽车工业中已经需求来使一组高电压继电器通用化。然而，因为技术保持变化，还不切实际来了解什么样的设计标准将适于将来所需的所有高电压继电器。工程师已讨论了使用并联连接的较低电流高电压继电器。并联继电器具有某些优点，特别是，每个继电器需要容纳的功率值将被降低，其允许继电器设计更简单且更便宜。此外，通过使用并联地电联接的继电器，将不必为每个新交通工具设计新的单个高电压继电器。相反，一旦用于新交通工具的峰值电能被已知后，则适当数量的较低电流高电压继电器可以被并联地连线来用于新交通工具。
与使用并联地电联接的多个继电器相关联的一个问题是：如果继电器之一发生故障，则继电器的整个并联组可能不能如其特定设计的结果那样发挥功能。如果损坏的继电器陷于常开，则其余继电器必须处理更多的电能，这可能趋于使其它继电器过热，从而可能使它们变成陷于常闭。如果损坏的继电器陷于常闭，其是更有可能发生的情形(由于高电压和上升的电能水平而被焊死)，则系统丧失用以控制电池的充电或放电(推进)的能力。因此，继电器设计通常增加一个大继电器的结构和耐久性，其趋于增加成本，并提供单点的失效，其使系统易于发生“步行回家”的状况。
另外，存在激增的充电需求，其始于各个国家具有不同的A/C电能，例如，美国使用120伏特而欧洲使用220伏特。不同国家实施不同的规则来更快地为交通工具充电，例如三阶段充电。因此，如果开发不同的继电器，比如每个国家、地区或各种交通工具的电能水平阶段各一个，则将需要开发、生效和维持大量不同的继电器。
所需的是这样一种方式来利用并联的继电器，而不在并联组中的较低电流高电压继电器之一失效时发生完全失效的非所需后果。
发明内容
依据本发明的教导，公开了一种用于交通工具的高电压继电器系统。所述系统包括高电压总线、并联继电器组和控制器。并联继电器组包括并联地电联接且电联接至高电压总线的两个或更多个继电器。控制器能够在并联继电器组中的继电器之一中检测到故障时调节流动通过并联继电器组的电能。该系统可包括高电压电源，其通过并联继电器组电联接至高电压总线，其中控制器通过降低高电压电源的输出来降低流动通过并联继电器的电能。该系统可包括高电压电动机，其通过并联继电器组电联接至高电压总线，其中控制器通过降低电动机的电能需求来降低流动通过并联继电器组的电能，或类似地降低高电压加热系统或辅助电源系统(DC/DC转换器)的电能需求。
本发明还提供以下技术方案：
1. 一种交通工具中的高电压继电器系统，包括：
高电压总线；
并联继电器组，其包括并联地电联接的且电联接至所述高电压总线的两个或更多个继电器；和
控制器，其被安排为检测所述并联继电器组的至少一个继电器中的故障，并响应于所述故障来调节流动通过所述并联继电器组的电能，方法是通过调节越过所述并联继电器组供应的电能、或者调节越过所述并联继电器组引出电能的电能需求。
2. 如技术方案1所述的系统，其中，所述至少一个继电器包括线圈，并且其中所述控制器通过测量所述线圈的电感来检测所述继电器的故障。
3. 如技术方案1所述的系统，进一步包括：高电压传感器，其提供对所述至少一个继电器的高电压开关处的电压的测量值，其中所述控制器通过电压的测量值的变化来检测故障。
4. 如技术方案1所述的系统，其中，所述至少一个继电器包括开关，并且其中所述控制器在所述开关陷于常闭时检测故障。
5. 如技术方案1所述的系统，其中，所述至少一个继电器包括开关，并且其中所述控制器在所述开关陷于常开时检测故障。
6. 如技术方案1所述的系统，其中，所述控制器在检测到故障时降低流动通过所述并联继电器组的电能。
7. 如技术方案1所述的系统，其中，所述并联继电器组中的继电器被设计成用于1千瓦或更多的功率。
8. 如技术方案1所述的系统，进一步包括：高电压电源，其通过所述并联继电器组电联接至所述高电压总线，其中所述控制器通过调节所述电源的输出来调节越过所述并联继电器组供应的电能。
9. 如技术方案8所述的系统，其中，所述控制器降低所述电源的电能输出。
10. 如技术方案1所述的系统，进一步包括：电动机，其通过所述并联继电器组电联接至所述高电压总线，其中所述控制器通过调节所述电动机的电能需求来调节越过所述并联继电器组引出电能的电能需求。
11. 如技术方案10所述的系统，其中，所述控制器降低所述电动机的电能需求。
12. 如技术方案1所述的系统，其中，所述高电压总线具有高于60伏特的电压。
13. 一种交通工具中的高电压继电器系统，包括：
高电压总线；
并联继电器组，其包括并联地电联接的且电联接至所述高电压总线的两个或更多个继电器；
高电压电源，其通过所述并联继电器组电联接至所述高电压总线；和
控制器，其被安排为检测所述并联继电器组的至少一个继电器中的故障，并响应于所述故障通过调节所述电源的输出来调节流动通过并联继电器的电能。
14. 如技术方案13所述的系统，其中，所述控制器降低所述电源的电能输出。
15. 如技术方案13所述的系统，其中，所述并联继电器组中的继电器被设计成用于1千瓦或更多的功率。
16. 如技术方案13所述的系统，其中，所述高电压总线具有高于60伏特的电压。
17. 一种交通工具中的高电压继电器系统，包括：
高电压总线；
并联继电器组，其包括并联地电联接的且电联接至所述高电压总线的两个或更多个继电器；
电动机，其通过所述并联继电器组电联接至所述高电压总线；和
控制器，其被安排为检测所述并联继电器组的至少一个继电器中的故障，并响应于所述故障通过调节所述电动机需求的电能来调节流动通过并联继电器的电能。
18. 如技术方案17所述的系统，其中，所述控制器降低所述电动机的电能需求。
19. 如技术方案17所述的系统，其中，所述并联继电器组中的继电器被设计成用于1千瓦或更多的功率。
20. 如技术方案17所述的系统，其中，所述高电压总线具有高于60伏特的电压。
从以下描述和所附权利要求书中，结合附图理解，本发明的附加特征将变得清楚明了。
附图说明
图1是混合动力交通工具的简化平面图；
图2是具有单个高电压继电器的充电系统的图示；
图3是充电电流图，示出了使用图2的充电系统在启动时随时间推移的电流需求和容量；
图4是具有并联继电器组的充电系统的图示；
图5是示出了用于图4的充电系统的在启动时随时间推移的电流需求和容量的图；
图6是具有并联继电器组和高电压传感器的充电系统的图示；
图7是可被使用来实施本发明的电路的示意图；并且
图8是控制算法的一个可能实施例的流程图。
具体实施方式
以下对涉及用于调节去往一组高电压继电器的电能的系统的本发明的实施例的论述在本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明或其应用或用途。
图1是混合动力电动交通工具10的简化平面图，其包括高电压电池12、充电源14、推进单元16和控制器18。推进单元可为具有电动机的牵引逆变器系统。充电源14通过充电电路20对高电压电池12充电。高电压电池12通过推进电路22向推进单元16提供电力。控制器18表示对于从充电源14流动通过充电电路20至电池12然后通过推进电路22至推进单元16的电能的操作和控制所需的所有控制模块和装置。充电源14可为发电机，其联接至内燃发动机、燃料电池或来自A/C电网例如标准壁式插座的电力。在一个实施例中，控制器18可以包括交通工具集成控制模块，其具有一个或多个从属控制模块，例如但不限于高电压电池控制器、电池系统模块(BSM)等。控制器18可检测和调节标准可缩放(scalable)高电压继电器中的故障，如将在下面论述的。本领域的技术人员将明白的是：交通工具10的具体构造只用于例示的目的，并且可使用许多不同的构造来实施在本说明书中公开的系统和算法。
如将在下面论述的，充电电路20和推进电路22各自包括标准可缩放高电压(SSHV)继电器的并联继电器组。SSHV继电器可为在被用信号通知时能够形成电连接的任何机电装置或固态器件。通常，机电继电器将具有线圈，所述线圈具有单掷或双掷开关。SSHV继电器的并联继电器组允许在使用已经设计出的且经过验证的、“现成”可获得的SSHV继电器的同时实现更高阶段的电能。SSHV继电器的并联继电器组可用于各种负载和操作模式。对单个SSHV继电器发生故障时损失并联继电器组的忧虑通过检测个体继电器的状态而得到矫正。如果SSHV继电器被发现有故障(常开或常闭)，则控制器18可采取补救动作，比如将交通工具的负载/充电系统调节至较低电能水平(power level)，直到并联继电器组功能恢复。因为存在更少的电流流动通过每个SSHV继电器，所以对SSHV继电器的触点的要求降低。如果常规的单个大高电压继电器失效，则该途径会防止高电压系统的完全失效。相反，SSHV继电器的并联组得到更能容错的系统，其为交通工具提供延长的使用模式来供使用直到修理完成。
图2是充电系统30的图示，其中与图1中的交通工具10的框图相似的元件被标注为相同的附图标记。充电系统30包括充电电路20'，其中充电电路20'由包括线圈34和开关36的单个高电压继电器32控制，并且其中开关36被示出为处于闭合位置用于从充电源14对电池12进行充电。
图3是充电电流图40，横轴46为时间而纵轴48为电流，示出了系统30的充电。充电电流图40示出了继电器32的继电器额定电流容量44和充电曲线50。充电电流图40示出了：充电曲线42随时间推移而变化，其中单个高电压继电器电流容量44超过最大充电点50的量比以后在充电电流图40的较低充电区域52中小。
图4是充电系统60的图示，其中与充电系统30相似的元件被标注为相同的附图标记。充电系统60包括具有并联继电器组62的充电电路20''，所述并联继电器组62具有两个并联的SSHV继电器64和66，它们从充电源14对高电压电池12充电。SSHV继电器64和66可为任意类型的继电器，并且只为了例示目的而示出为具有线圈68和机械开关70的机电继电器。
图5是示出了充电系统60的充电的充电电流图74，其中与图40相似的元件被标注为相同的附图标记。在开始时(图的左侧)，SSHV继电器64和66都闭合，这时充电电流处于其最大值50。一旦充电电流已降低，则控制器18在时间76处断开继电器66，从而充电电流只通过继电器64。当观看图74时，可从继电器的额定充电电流44'看出：并联继电器组62更有效地使用两个SSHV继电器64和66，并且SSHV继电器64和66不必容纳如传统单个大高电压继电器32那样多的电流。
图6是充电系统80的图示，其中与充电系统30相似的元件被标注为相同的附图标记。充电系统80包括具有并联继电器组82的充电电路20'''，所述并联继电器组82具有两个并联的固态SSHV继电器84和86，它们从充电源14对高电压电池12充电。SSHV继电器84和86可为任意类型的继电器，并且只为了例示目的而示出为固态SSHV继电器。高电压传感器88传感电压，并且可被使用来检测SSHV继电器84和86是否正恰当地发挥功能。
因为控制器18能检测并联继电器组62中的SSHV继电器64和66的状态，所以整体系统具有更多的灵活性和可靠性。在本发明之前，用以检测失效继电器的能力的缺乏使得将高电压继电器置于并联是不切实际的。
图7示出了并联继电器组控制器电路90的示意图，其中与在图1中示出的交通工具10相似的元件被标注为相同的附图标记，并且其中线圈68和开关70被标注为在图4中示出的相同附图标记。并联继电器组控制器电路90包括电池12，其为驱动推进单元16的推进电路22提供电能。推进单元16包括电容器108和为电动机112提供电能的三相逆变器110。推进电路22还包括：正并联继电器组92，其包括SSHV继电器96、98和100；和负并联继电器组94，其包括SSHV继电器102、104和106。SSHV继电器96-106可为任意类型的继电器，并且只为了例示目的而示出为具有线圈68和机械开关70的机电继电器。控制器18检测继电器96、98、100、102、104和106的状态，并在SSHV继电器96-106中的任一个不正常工作时对推进单元16的电能需求做出调节。该设计允许推进电路22中通电的SSHV继电器的数量与电能需求协同地增加和减小。例如，在推进单元16的情况下，当交通工具10正加速时，需要更多的电能，而当交通工具10正减速时，需要更少的电能。如果继电器96的状态被检测为“常开”，则控制器18可以将推进单元16可加于电池12上的电能需求降低三分之一。该途径能在存在继电器失效时为交通工具10提供跛行回家(limp-home)操作模式。
尽管图7绘出了处于并联继电器组控制器电路90中的推进电路22，但是这只是用于例示目的，因为并联继电器组92和94可以被使用在充电电路14、高电压加热系统、高电压辅助电源(DC/DC转换器)或高电压系统的任何电路中。
图8是控制器18可以使用的一个可能算法的流程图120。流程图120开始于框124处，这时控制器18接收用以对电池12充电或放电的请求。接下来，在框126处，控制器18确定所有SSHV继电器的状态。
存在多种方式来供控制器18确定SSHV继电器的状态。确定机电继电器是否正恰当地操作的一种方式是测量继电器的线圈的阻抗，并且从阻抗来检测继电器是否卡在断开或闭合位置，如题为“Diagnosis of HEV/EV battery disconnect system”的美国专利申请No. 13/198,340中描述的，其通过引用整体并入本文。以线圈电感进行测试的一个优点是：它不需要高电压总线的侵入，这可能是昂贵的。因此，线圈电感测试提供了更低的系统成本、更高的性能和更好的容错性。
检测SSHV继电器的状态的另一方式，其将对固态继电器起作用，将是在继电器开关的高电压侧具有电压检测电路，并在继电器被通电之后监测电压从而查看电压是否适当地改变。
SSHV继电器可向线圈提供高电压电能引线和触点来开闭高电压触点。控制器18可向继电器的线圈发送信号来检测其阻抗，并解释结果来确定继电器的状态，如以上所描述的。一替代实施例将是使继电器来检测线圈的阻抗并确定开关的状态(例如恰当地操作、卡住等)，然后继电器会将所述状态通信至控制器18。
接下来，在框128处，控制器18接收来自个体继电器线圈的响应，并确定继电器的状态。控制器18可以使用的一个特定算法是赋予状态码1或0。如果继电器恰当地发挥功能，则它被赋值为1。如果继电器未恰当地发挥功能，则它被赋值为0。0可意味着继电器陷于常开或常闭。
在框130处，控制器18使用查询表1来确定用于充电或放电的电能水平。表1使用三个高电压继电器(SSHV继电器1、SSHV继电器2和SSHV继电器3)的状态来查询电能水平。电能水平的范围可为最高电能的3到没有电能的0。
表1
基于继电器状态的电能状态查询
接下来，在框132处，正恰当地工作的高电压继电器被通电。最后，在框134处，控制器18基于电能水平来限制或降低交通工具10的充电或推进。
用于调节流动通过并联继电器组的电能的许多其它控制算法也是可能的。本领域的技术人员将轻松地看出可如何对控制算法做出替代、修改和变型。例如，以上算法的一种替代方法是基于是常开还是常闭来区分0状态码，拥有该进一步的区别，控制算法可以变得更精炼。
使用关于SSHV继电器状态的信息，控制器18可对将流动通过并联继电器组的电能做出调节。例如，如果确定正充电SSHV继电器被焊接在闭合位置的双掷继电器的一掷卡住(使得它为开路)，则可跳过该常开继电器，其余的正常工作的继电器可被接合，并且来自充电源14的输出可被限制。
使用该途径，如果在并联继电器组中存在两个SSHV继电器并且一个失效，则控制器18可提供降低容量模式来实现“跛行回家”。混合动力/电动交通工具的一常见能力是控制充电速率和推进电能需求的能力。如果只有一个继电器可用，则告诉充电源14和/或电力推进单元16降低电能、并调节并联继电器组，则用以降低容量模式提供交通工具的继续操作。例如，在并联继电器组中存在两个SSHV继电器的情况下，如果正常峰值电流为10安培，则控制器18可以将峰值充电限制为其一半(即5安培)。
许多充电系统以恒定电流充电模式开始，然后进入恒定电压充电模式。控制器18可以基于控制器18是在恒定电流模式(较高电能，即较多SSHV继电器)中还是在恒定电压模式(较低电能，即较少SSHV继电器)中进行充电，来将并联继电器组调节至适当的电流容量。
具有故障检测的SSHV继电器允许缩放。通过具有并联继电器组的设计选项，一旦对于新电动交通工具确定了需求后，则可适当地设定并联的SSHV继电器的数量和尺寸，来满足新交通工具的电力设计需求。
具有SSHV继电器和故障检测的并联继电器组允许独特地提供每个新交通工具，同时维持常见设计足迹。SSHV并联继电器组允许使用多个、较小的有效部件来代替用于新交通工具的一个较大的独特地设计的单元。例如，如果交通工具可需求6.6千瓦，则可以使用两个并联的SSHV继电器，然后如果只需要3.3千瓦的功率，则可以只接合单个SSHV继电器。
具有故障检测的并联的SSHV继电器改进系统用以处理硬件失效的能力。例如，如果电池电动交通工具充电接触器失效，则它不会导致死车或步行回家的情况，而是导致较长的充电时间或降低的交通工具速度。如果在推进电路中继电器失效，则交通工具仍然能移动，只是在降低的功率下。这明显好于单个大继电器，其中单个继电器失效的话，则意味着交通工具驾驶员必须步行回家。
SSHV继电器的并联继电器组还提供能量节省，原因是低功率操作期间的降低的接触器线圈电流，因为存在较小的继电器线圈被保持通电。
前述论述仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种论述以及从附图和权利要求书中将轻易地意识到：可以在其中进行各种改变、修改以及变型，而不偏离如在后附权利要求书中限定出的本发明的精神和范围。
给予在权利要求书中使用的所有术语以它们最宽的合理构造和它们的普通意义，正如本领域技术人员所明白的。比如“一”、“该”、“所述”等单数冠词的使用应该被解读成叙述所指示要素中的一个或多个。

Claims (10)

1. 一种交通工具中的高电压继电器系统，包括：
高电压总线；
并联继电器组，其包括并联地电联接的且电联接至所述高电压总线的两个或更多个继电器；和
控制器，其被安排为检测所述并联继电器组的至少一个继电器中的故障，并响应于所述故障来调节流动通过所述并联继电器组的电能，方法是通过调节越过所述并联继电器组供应的电能、或者调节越过所述并联继电器组引出电能的电能需求。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个继电器包括线圈，并且其中所述控制器通过测量所述线圈的电感来检测所述继电器的故障。
3. 如权利要求1所述的系统，进一步包括：高电压传感器，其提供对所述至少一个继电器的高电压开关处的电压的测量值，其中所述控制器通过电压的测量值的变化来检测故障。
4. 如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个继电器包括开关，并且其中所述控制器在所述开关陷于常闭时检测故障。
5. 如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个继电器包括开关，并且其中所述控制器在所述开关陷于常开时检测故障。
6. 如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器在检测到故障时降低流动通过所述并联继电器组的电能。
7. 如权利要求1所述的系统，其中，所述并联继电器组中的继电器被设计成用于1千瓦或更多的功率。
8. 如权利要求1所述的系统，进一步包括：高电压电源，其通过所述并联继电器组电联接至所述高电压总线，其中所述控制器通过调节所述电源的输出来调节越过所述并联继电器组供应的电能。
9. 一种交通工具中的高电压继电器系统，包括：
高电压总线；
并联继电器组，其包括并联地电联接的且电联接至所述高电压总线的两个或更多个继电器；
高电压电源，其通过所述并联继电器组电联接至所述高电压总线；和
控制器，其被安排为检测所述并联继电器组的至少一个继电器中的故障，并响应于所述故障通过调节所述电源的输出来调节流动通过并联继电器的电能。
10. 一种交通工具中的高电压继电器系统，包括：
高电压总线；
并联继电器组，其包括并联地电联接的且电联接至所述高电压总线的两个或更多个继电器；
电动机，其通过所述并联继电器组电联接至所述高电压总线；和
控制器，其被安排为检测所述并联继电器组的至少一个继电器中的故障，并响应于所述故障通过调节所述电动机需求的电能来调节流动通过并联继电器的电能。
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