CN106053975B - 车辆高电压系统的隔离测试 - Google Patents

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Abstract

公开了一种车辆高电压系统的隔离测试。一种用于车辆的测试系统包括通信接口、电流传感器、多个阻抗和控制器。所述控制器被配置为：在车辆的牵引电池和低电压子系统之间电连接所述阻抗中的选择的一个。所述连接在所述牵引电池和所述子系统之间创建泄漏路径。所述控制器还被配置为：基于与所述泄漏路径有关的电流和通过通信接口接收到的指示所述电池和所述子系统之间的隔离故障的信号，输出诊断状态。

Description

车辆高电压系统的隔离测试
本申请要求于2015年4月16日提交到美国专利商标局的申请号为14/688658的美国专利申请的权益，在此通过引用将其公开内容全部包含于此。
技术领域
本申请涉及测试与高电压电系统和低电压电系统之间的隔离有关的混合动力电动车辆电组件的性能。
背景技术
高电压牵引电池可应用于混合动力电动车辆。具有牵引电池的车辆可包括具有电池电子控制模块(BECM)的电池管理系统(BMS)，其中，电池电子控制模块(BECM)监测车辆的高电压系统和低电压系统之间的隔离。如果高电压系统和低电压系统之间的隔离受损，则BECM可提供诊断指示器和/或关闭各种系统或子系统。
在BECM硬件和软件的开发周期中，尽早估计隔离监测器功能的性能会是有益的。然而，只有在样品牵引电池包或样品车辆可用时，才能够实现适当的测试环境。此外，车辆开发期间的硬件或软件改变可能影响隔离监测，并且由于可用资源有限，使得立即验证和测试可能难以在电池包和车辆级别进行管理。
发明内容
一种用于车辆的隔离测试器包括通信接口、多个阻抗和控制器。所述控制器被配置为：在车辆的牵引电池和子系统之间电连接所述阻抗中的选择的一个。所述连接在所述牵引电池和所述子系统之间创建泄漏路径。所述控制器还被配置为：基于与所述泄漏路径有关的电流和来自通信接口的信号，输出诊断状态。
根据本发明，提供一种用于车辆的隔离测试器，所述隔离测试器包括：通信接口、多个阻抗和控制器，控制器被配置为：在车辆的牵引电池和子系统之间电连接所述阻抗中的选择的一个，以在车辆的牵引电池和子系统之间创建泄漏路径；基于与所述泄漏路径有关的电流和通过通信接口接收到的指示所述牵引电池和所述子系统之间的隔离故障的信号，输出诊断状态。
一种用于车辆的测试系统包括电流传感器、多个阻抗、通信接口和控制器。所述控制器被配置为：对来自通信接口的隔离故障反馈进行响应。所述控制器还被配置为：将所述阻抗中的选择的一个与车辆的电流传感器、电池和子系统串联连接，以在车辆的高电压总线和所述子系统之间创建桥接隔离势垒(isolation barrier)的泄漏路径。
根据本发明的一个实施例，所述子系统是低电压正端子、低电压地或底盘。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于来自通信接口的进一步的隔离故障反馈，选择所述阻抗中的不同的一个，与所述阻抗中的所述选择的一个断开连接，将所述阻抗中的所述不同的一个连接到所述电池，输出另一诊断状态。
根据本发明的一个实施例，通信接口是控制器局域网络(CAN)接口或以太网。
根据本发明的一个实施例，所述测试系统还包括高电压互锁旁路电路，高电压互锁旁路电路被配置为：当高电压互锁旁路电路被启用时，传输与所述泄漏路径关联的电流。
一种通过控制器进行车辆隔离测试的方法包括：在车辆的牵引电池和子系统之间电连接选择的阻抗。所述方法还包括：控制器启用牵引电池以经由高电压互锁电路对所述阻抗供电，其中，高电压互锁电路通过传感器和所述阻抗将来自所述电池的泄漏电流传输至所述子系统。此外，所述方法包括：控制器基于所述泄漏电流和通过通信接口接收到的指示所述电池和所述子系统之间的隔离故障的信号，输出诊断状态。
根据本发明的一个实施例，所述子系统是低电压正端子、低电压地或底盘。
根据本发明的一个实施例，所述传感器以电方式被布置在所述阻抗和所述牵引电池之间。
根据本发明的一个实施例，启用牵引电池以对所述阻抗供电的步骤包括：电连接比所述牵引电池的全部电池单元少的电池单元，以在所述牵引电池和所述子系统之间产生电势。
根据本发明的一个实施例，通信接口是控制器局域网络(CAN)接口或以太网。
附图说明
图1是根据本公开各个实施例的具有牵引电池和相关控制器的代表性车辆的示图，其中，所述牵引电池和相关控制器具有用于监测高电压电气系统和低电压电气系统之间的隔离的隔离监测器；
图2是包括用于监测隔离的控制器和电路的代表性牵引电池包的示图；
图3是示出隔离监测器测试装置的代表性实施例的示图，其中，所述隔离监测器测试装置具有将高电压单元串连接到泄漏阵列和泄漏目的点或接收器(sink)的泄漏总线；
图4是示出根据本公开的实施例的用于估计隔离监测器的性能工具的操作的示图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解，公开的实施例仅是示例，并且其它实施例可采用多种和替代的形式。附图不必按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能的细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员多样地采用本发明的代表性基础。本领域普通技术人员将理解，参照任一附图示出和描述的各个特征可与在其它的一幅或多幅附图中示出的特征组合，以产生没有明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。特征的各种组合和修改与本公开的教导一致，然而，可以期望所述各种组合和修改用于特定应用或实施。
图1描绘了具有牵引电池的代表性车辆。虽然示出的代表性实施例描绘了插电式混合动力电动车辆，但是本领域普通技术人员将认识到，通过其它类型的具有牵引电池的电动和混合动力车辆来使用各种实施例。例如，在此描述的系统和方法可同等地应用于没有内燃机的电动车辆、或使用牵引电池或电池包的其它装置以及与低电压(通常为12V或24V)电系统电隔离的相关的高电压系统。
典型的插电式混合动力电动车辆2可包括机械地连接到混合动力传动系统6的一个或更多个可操作为电动马达4的电机。此外，混合动力传动系统6机械地连接到发动机8。混合动力传动系统6还可机械地连接到传动轴10，其中，传动轴10机械地连接到车轮12。电动马达4可在发动机8开启或关闭时提供推进和减速能力。电动马达4还可用作发电机，并可通过回收在摩擦制动系统中通常作为热而损失的能量来提供节能效益。由于混合动力电动车辆在特定条件下可在电动模式下操作，因此电动马达4还可减少污染排放。
牵引电池包14存储可被电动马达4使用的能量。车辆电池包14通常提供高电压DC输出。电池包或牵引电池14电连接到电力电子模块16。电力电子模块16还电连接到电动马达4，并提供在电池包14和电动马达4之间双向地传输能量的能力。例如，典型的牵引电池14可提供DC电压，而电动马达4可能需要三相AC电流来工作。电力电子模块16可将DC电压转换为电动马达4所需要的三相AC电流。电力电子模块16还可将电池电压转换为用于驱动电动马达4的高电压，通过可变电压DC/DC转换器(也被称为高电压转换器)来实现这种转换。在再生模式下，电力电子模块16将来自用作发电机的电动马达4的三相AC电流转换为电池包14所需要的DC电压。此外，在再生模式下，电力电子模块可将来自电动马达4的高电压转换为电池电压。高电压互锁可用于牵引电池14和高电压总线上的高电压组件二者。所述高电压组件包括电动马达4、电力电子模块16、电池包14、DC/DC转换器模块18以及利用电池电压或来自可变电压转换器的高电压操作的关联组件。高电压互锁可用于禁止在电池包14的端子处的电流流动和高电势。为了使在电池包14的端子处产生电流流动和高电势，必须进行高电压互锁的电连接和机械连接。高电压互锁通常被配置在电池和高电压系统中，但是，外部高电压互锁旁路电路可与高电压互锁结合使用以允许在测试与估计期间启动高电压系统。此外，高电压互锁可用于通过以电方式断开高电压组件和牵引电池包14之间的连接来断开或禁用高电压组件与牵引电池包14的连接。
除了提供用于推进的能量之外，电池包14还可提供用于其它车辆电系统的能量。典型的系统可包括将电池包14的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供应的DC/DC转换器模块18。低电压DC供应具有正端子和负端子(也被称为地)。负端子或地可电连接至车辆底盘，在这种情况下，底盘、负端子和地在电连接的同时可具有不同的电特性。其它高电压负载(诸如压缩机和电加热器)可直接连接到来自电池包14的高电压总线。在典型的车辆中，低电压系统电连接到12V电池20，并与高电压电系统电隔离。全电动车辆可具有相似构造但没有发动机8。
电池包14可被外部电源26再充电。外部电源26可通过经由充电端口24电连接而将AC或DC电力提供给车辆2。充电端口24可以是被构造为将来自外部电源26的电力传输给车辆2的任意类型的端口。充电端口24可电连接到电力转换模块22。电力转换模块可调节来自外部电源26的电力，以向电池包14提供合适的电压和电流水平。在一些应用中，外部电源26可被构造为向电池包14提供合适的电压和电流水平，因此电力转换模块22可不是必需的。在一些应用中，电力转换模块22的功能可收容在外部电源26中。
可通过各种化学配方构建电池包。典型的电池包的化学成分是铅酸、镍-金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出N个电池单元32的简单串联构造的典型的电池包30。然而，其它电池包可包括串联或并联或以串联和并联的组合方式连接的任意数量的单独电池单元。典型的系统可具有监测并控制电池包30的性能的一个或更多个控制器，诸如电池能量控制模块(BECM)36。BECM 36可监测多个电池包水平特性，诸如包电流38、包电压42和包温度40。BECM 36可具有非易失性存储器，从而当BECM在关闭状态下时可保存数据。在下一个点火(key)周期可使用保存的数据。
BECM 36可包括用于执行隔离监测器功能的硬件和/或软件。隔离监测器功能通过检测泄漏电流来监测车辆的高电压电系统与低电压电系统的电隔离。当检测到泄漏电流超过预定水平时，隔离监测器可设置诊断代码和/或执行各种控制功能以关闭或禁用一个或更多个车辆系统或子系统，以减少或阻止车辆组件、服务技术人员或乘员继续暴露在高电压下。根据本公开实施例的隔离监测器性能工具可用于估计车辆外部的BECM 36硬件和相关软件，从而不需要实际的车辆或牵引电池包。
根据本公开的实施例，除了电池包水平特性以外，可能存在被BECM 36测量和监测的电池单元水平特性和通过隔离监测器工具估计的适当的操作。例如，可测量每个电池单元的端电压、电流和温度。电池控制器36可包括电压监测电路34，电压监测电路34测量跨过电池包30的N个电池单元32中的每个电池单元的端子的电压。电压监测电路34可以是被构造为对电池单元电压信号进行适当缩放和滤波的电阻器和电容器的网络。电压监测电路34还可包括用于对电池单元电压进行适当采样并将所述电压转换为用于微处理器的数字值的其它组件。电压监测电路34还可使用BECM 36提供隔离，从而高电压将不会损坏其它电路。根据本公开的实施例的隔离监测器性能工具可用于估计这些组件和电路的操作以及BECM隔离监测器软件的能力，以通过这些组件和电路中的一个或更多个来检测泄漏电流。可使用隔离监测器性能工具来测试BECM隔离监测器软件的性能。
如在图3的代表性实施例中总体示出的，隔离监测器性能工具100可包括泄漏总线106、泄漏阵列102和泄漏目的点104。在一实施例中，泄漏目的点104被集成或包括在电池模拟器98硬件接口层中。在操作期间，在模拟多个电池单元的高电压车辆牵引电池的高电压单元串110内的单元108的端子在微处理器114的控制下经由一个或更多个相关源开关122被选择性地连接到泄漏总线106。泄漏阵列102包括多个组件116、118以提供期望的实数阻抗或复阻抗。在示出的实施例中，经由微处理器114，通过一个或更多个电平开关112选择性地分别开关并联的具有不同电阻值的电阻器116和不同电容值的电容器118的阵列，以在泄漏电路106或路径中提供期望的实数阻抗或复阻抗。其它实施例还可包括电感负载。微处理器114选择性地激活目的点开关120以完成泄漏路径或电路。在示出的实施例中，一个目的点是表示典型的车辆低电压系统的第二电压源，该第二电压源例如可以是12V。另一目的点可以接地以模拟车辆底盘。其它实施例可包括改变电压水平的多个目的点。
隔离监测器性能工具100可包括用于连接到电池控制器的线束(harness)。电池模拟器98内的电压源108可以以与牵引电池包内的实际电池单元相同的方式连接到电池控制器。高电压单元串110可模拟实际电池单元(图2中的32)。对于电池控制器而言，当开关未被激活时，高电压单元串110可表现为正常电池包。当不同组合的开关被激活时，电池控制器可使用内部隔离监测器来检测泄漏电流。
微处理器114可应用开关的各种组合来测试测试中的隔离监测器的反应。微处理器114可通过外部通信链路124监测测试中的隔离监测器的响应。测试中的隔离监测器可通过外部通信链路124发送指示隔离检测的一个或更多个诊断代码。微处理器114可将诊断代码与开关设置进行关联，以确认隔离监测器是否采取了适当的动作。微处理器可以以开环控制模式来操作，在开环控制模式下，不同的阻抗基于故障与阻抗的关联被手动执行的时间而被选择性地耦合和解耦。可选地，微处理器可基于闭环反馈来操作，在闭环反馈中，响应于从BECM接收到的信号，微处理器选择性地对阻抗进行耦合和解耦。例如，测试器100可在牵引电池和目的点(低电压的正极、负极、地或底盘)之间耦合非常低的阻抗，此后，BECM将检测隔离故障并通过通信接口(CAN或以太网)传达故障的状态。基于来自BECM的状态信号，测试器100可对阻抗解耦并选择另一阻抗来耦合，以测试BECM隔离测试的灵敏度。为了提高性能，期望具有置于测试器100中的在泄漏总线106或泄漏目的点总线104上的电流传感器。在此，电流传感器被实现为与所述阻抗无关并提供更准确的泄漏电流读数。
可使用多个组件实现开关。开关或开关元件可被实施为继电器。微处理器可激励与继电器相关的线圈以移动触点。开关还可被实施为固态装置，诸如晶体管。微处理器可具有用于驱动晶体管装置的栅极以激活开关装置的相关电路。
图4示出从高电压单元串110的顶部开始、通过电阻器R1 150到低电压域中的12V电源158的泄漏路径的创建。这通过微处理器114闭合开关152、154、156(在附图中用椭圆表示)来实现。微处理器114还可提供外部通信接口124(诸如以太网或CAN)，以允许对系统的外部控制并向外部控制提供状态和反馈。
再次参照图3，在微处理器114中实施的策略可确保在任何时间仅一个源开关122闭合，以避免短接(shorting)单元输出。在图3中示出的构造中，该策略还可确保在任何时间仅一个目的点开关120闭合，防止直接将12V的低电压源短接到地面。
本公开的隔离监测器性能工具100可用于电池系统和车辆开发的所有阶段期间的实验室测试环境。性能工具还可被服务技术人员使用以在车辆服务期间测试电池电子控制模块(BECM)的操作和相关电路。
隔离监测器性能工具100的使用可在样品高电压牵引电池或其它系统组件可能不可用时的车辆开发的早期阶段提供用于电池控制器设计和实施的有用信息。各个实施例的隔离监测器性能工具100可集成到现有电池模拟器装置98中，可允许在不需要人为接触潜在高电压的组件的情况下将可变泄漏引入高电压系统，或者可允许将复阻抗引入高电压系统。根据本公开实施例的隔离监测器估计工具的其它优点可包括提供对泄漏源、可变的实数阻抗或复阻抗和可选择的目的点或接收器(sink)的自动化控制。此外，各个实施例允许在沿着单元串的任何点自动地引入泄漏。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，处理、方法或算法可被存储为可由控制器或计算机以多种形式执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于永久地存储在不可写存储介质(诸如ROM装置)上的信息和可变地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、CD、RAM装置和其他磁和光介质)上的信息。处理、方法或算法还可以以软件可执行对象实现。可选择地，可使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置)或者硬件、软件和固件部件的组合来部分或全部地实施处理、方法或算法。
虽然以上描述了示例性实施例，但是不意图这些实施例描述由权利要求包含的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性而非限制性的词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前所述，可以组合各种实施例的特征以形成可能没有明确描述或说明的本发明的进一步的实施例。尽管已经通过针对一个或更多个期望特性提供优点或者在其他实施例或者现有技术实现之上被优选出来的方式描述了各种实施例，但是本领域普通技术人员应认识到，可组合一个或更多个特征或特性以实现依赖于特定应用和实现的期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、寿命、生命周期成本、市场、外观、包装、尺寸、可服务性、重量、生产、组装的容易性等。这样，针对一个或更多个特性描述的比其他实施例或现有技术实现更非期望的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (5)

1.一种用于车辆的隔离测试器，包括：
通信接口；
多个阻抗；
控制器，被配置为：
响应于通过通信接口接收到的隔离故障反馈，在车辆的牵引电池和子系统之间电连接所述阻抗中的选择的一个，以在车辆的牵引电池和子系统之间创建泄漏路径；
基于与所述泄漏路径有关的电流和通过通信接口接收到的指示所述牵引电池和所述子系统之间的隔离故障的信号，输出诊断状态；
响应于通过通信接口接收到的进一步的隔离故障反馈，选择所述阻抗中的不同的一个；
与所述阻抗中的所述选择的一个断开连接；
将所述阻抗中的所述不同的一个连接到所述牵引电池，输出另一诊断状态；
高电压互锁旁路电路，被配置为：当高电压互锁旁路电路被启用时，传输与所述泄漏路径有关的电流；
电流传感器，以电方式被布置为与所述牵引电池和所述子系统串联以测量与所述泄漏路径有关的电流。
2.如权利要求1所述的隔离测试器，其中，通信接口是控制器局域网络接口或以太网。
3.如权利要求1所述的隔离测试器，其中，在车辆的牵引电池和子系统之间电连接所述阻抗中的选择的一个的步骤包括：将所述阻抗中的所述选择的一个连接到比所述牵引电池的全部电池单元少的电池单元，以在所述牵引电池和所述子系统之间产生电势。
4.如权利要求1所述的隔离测试器，其中，所述电流传感器以电方式被布置在所述阻抗中的所述选择的一个和所述牵引电池之间，其中，所述电流的大小是基于所述电流传感器的输出的。
5.如权利要求1所述的隔离测试器，其中，所述子系统是低电压正端子、低电压地或底盘。
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