CN106926715B - 电气化车辆的电池组电压测量的功能评估和冗余 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电气化车辆的电池组电压测量的功能评估和冗余。用于测量电气化车辆(诸如，电动车辆或混合动力车辆)的电池组的电压的系统和方法包括：具有测量电池组电压和单独的电池单元电压的内部电路的电池、处理器和经由测量电池组电压的外部电路由电池供电以推进车辆的电机，所述处理器被配置为：响应于内部电路之间的电压差小于阈值，基于第一内部电路电压向车辆网络发布电池组电压，否则基于单独的电池单元电压向车辆网络发布电池组电压。例如，发布的电池组电压可由一个或更多个电池控制器或车辆控制器用于控制多个电池功能和车辆功能，所述电池功能和车辆功能包括混合动力车辆内的发动机起动以及电池充电和放电。

Description

电气化车辆的电池组电压测量的功能评估和冗余
技术领域
本公开的多个方面涉及用于确保电气化车辆(诸如，电动车辆和混合动力车辆)的电池组电压测量的正常运行和备份冗余的系统和方法。
背景技术
电气化车辆(诸如，电动车辆和混合动力车辆)包括电池组(也被称作牵引电池或牵引电池组)和用于推进车辆的电机。混合动力车辆包括可被用于对电池组进行充电和/或结合电机对车辆进行推进的内燃发动机。牵引电池组包括用于向车辆提供电力的彼此连接的多个单独的电池单元。电气化车辆中的电池管理系统(BMS)测量牵引电池组的电压以及单独的电池单元的电压。各个高电压(HV)模块或电路可由电池组供电，并且可通过车辆网络与BMS进行通信。电池组电压通常被用在车辆和电池控制的很多方面(例如，电池在线功率容量估计、电池单元平衡、电池过充电和过放电保护、发动机转动起动可用性确定(在混合动力车辆中)、电池寿命结束判断、电流泄漏测量、接触器状态确定、电池充电等)。
一个或更多个工业功能规范或标准可应用于BMS或相关的组件和电路的特定功能。车辆可包括自诊断，在一些情况下，还可包括用于各种BMS相关组件或功能的冗余，以满足由标准委员会发布的特定标准或者达到由评级机构发布的特定评级。
发明内容
在一个或更多个实施例中，一种车辆可包括牵引电池组，所述牵引电池组具有高电压总线和多个单独的电池单元，所述牵引电池组包括多个内部电路，所述多个内部电路提供牵引电池组电压的对应的多个独立内部测量值。所述车辆还可包括多个外部电路，所述多个外部电路在所述牵引电池组外部并连接到高电压总线，所述多个外部电路提供所述牵引电池组电压的对应的多个独立外部测量值。电机与控制器进行通信，所述电机经由所述多个外部电路中的一个由所述牵引电池组供电以推进车辆，所述控制器与所述多个内部电路和所述多个外部电路通信且被配置为将电池组电压发布到车辆网络。所述电池组电压响应于所有独立内部测量值之间的电压差小于阈值而与第一独立内部测量值对应，所述电池组电压响应于所述电压差超过所述阈值而与第二独立内部测量值对应，所述电池组电压响应于任何内部测量值都是无效的而与所述独立内部测量值和所述独立外部测量值的统计测度对应。外部电路可包括可发布或广播关联的独立外部电压测量值的逆变器电路、电动空气调节(eAC)电路和DC/DC转换器电路。内部电路可包括电池组电压测量电路，所述电池组电压测量电路测量跨越所述多个单独的电池单元的牵引电池组电压。在一个实施例中，内部电路包括多个电池监测集成电路，每个电池监测集成电路测量跨越单独的电池单元的对应组的电压。
多个实施例可包括一种车辆，所述车辆具有电池、电机和处理器，所述电池具有测量电池组电压和单独的电池单元电压的内部电路，所述电机经由测量电池组电压的外部电路由所述电池供电以推进车辆，所述处理器被配置为：响应于内部电路之间的电压差小于阈值而基于第一内部电路电压发布电池组电压，否则，基于单独的电池单元电压发布电池组电压。所述内部电路可包括：正分支泄漏检测电路，测量从单独的电池单元中的最正的单独的电池单元到车辆地的牵引电池组电压；负分支泄漏检测电路，测量从单独的电池单元中的最负的单独的电池单元到车辆地的牵引电池组电压。所述车辆还可包括第二外部电路，所述第二外部电路测量电池组电压，所述处理器还被配置为：基于来自内部电路和外部电路的电池组电压测量值的集中趋势的统计测度而发布电池组电压。所述处理器还可被配置为响应于外部电路之间的电压差超过第二阈值而存储诊断代码，并且还可被配置为响应于外部电路之间的电压差低于第二阈值而基于来自内部电路和外部电路的电池组电压测量值的中值而发布电池组电压。
根据本发明的一个实施例，第二外部电路包括电动空气调节电路和DC/DC转换器电路中的一个。
根据本发明的一个实施例，外部电路将电池组电压测量值发布到车辆网络。
一个或更多个实施例包括一种用于具有连接到电机的牵引电池的电动车辆的控制方法，所述电动车辆具有车辆处理器，所述车辆处理器响应于内部电压测量值之间的电压差小于阈值而基于所述内部电压测量值将电池组电压输出到车辆网络，否则所述车辆处理器基于所述内部测量值和来自外部电路的发布的电压测量值的统计函数而输出电池组电压。所述控制方法可包括使用集中趋势的统计测度(诸如，与单独的电池单元关联的内部测量值的中值和/或求和)。在一个实施例中，所述统计函数包括：响应于来自外部电路的发布的电压测量值的电压差低于关联的阈值，求内部电压测量值与来自外部电路的发布的电压测量值的中值。
根据本公开的实施例可提供一个或更多个优点。例如，根据本公开的实施例可使用来自内部和/或外部电路的测量值提供电池组电压测量值的有效性的功能评估。另外，当功能评估指示内部电路或外部电路中的一个或更多个未如预期地运转时，实施例可提供电池组电压的可靠指示。多个实施例结合冗余度提供使用在此描述的功能评估的自诊断，以提供用于控制电池和/或车辆的备份电池电压测量值。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的具有车辆处理器或控制器的代表性电动车辆的框图，其中，所述车辆处理器或控制器使用基于内部电压测量值和外部电压测量值的功能评估的发布的电池组电压来控制电池和/或车辆；
图2是根据本公开的实施例的示出具有代表性的内部和外部电压测量电路或模块的车辆的代表性实施例的框图；
图3是根据本公开的实施例的示出用于功能评估和电池组电压冗余的包括牵引电池组的电池单元监测IC的代表性内部电路的框图；
图4是根据本公开的实施例的示出用于功能评估和电池组电压冗余的包括泄漏检测电路的另外的代表性内部电路的框图；
图5是根据本公开的实施例的示出用于控制电动车辆的系统或方法的操作的框图，其中，所述操作包括基于来自内部电路和/或外部电路的电压测量值输出或发布电池组电压。
具体实施方式
根据需要，在此公开详细实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅代表要求保护的主题，其可以以多种和替代形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员以多种形式利用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未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。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
本公开的实施例总体上提供了多个内部电路和外部电路或其它电气装置。当提及所述电路和其它电气装置以及由它们中的每一个提供的功能时，都不意在限于仅涵盖在此示出和描述的内容。虽然特定标号可被分配给公开的各种电路或其它电气装置，但是这样的标号不意在限制所述电路和其它电气装置的操作范围。可基于所期望的特定类型的电实现方式，按照任何方式将所述电路和其它电气装置彼此组合和/或分离。应该认识到，在此公开的任何电路或其它电气装置可包括任意数量的分立的无源器件和有源器件(诸如，电阻器、电容器、晶体管、放大器、模数转换器(ADC或A/D转换器))、微处理器、集成电路、非暂时性存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或上述项的其它适当变型)和软件，它们彼此协作以执行在此公开的操作。此外，任意一个或更多个电气装置可被配置为执行在非暂时性计算机可读存储介质中实现的计算机程序，其中，所述计算机程序包括用于对计算机或控制器进行编程以执行公开的任意数量的功能的指令。如在此所使用的，内部电路通常指的是具有电池组内的组件的电路，外部电路通常指的是由电池组供电但位于车辆内和电池组外部的电路或模块。
图1是根据本公开的实施例的具有车辆处理器或控制器的代表性电动车辆的框图，其中，所述车辆处理器或控制器使用基于来自内部电池电路或模块和/或外部电池电路或模块的电压测量值的发布的电池组电压来控制车辆。尽管在该代表性实施例中示出了具有内燃发动机的插电式混合动力车辆，但是本领域普通技术人员将认识到，所公开的实施例也可在传统的混合动力车辆、电动车辆或具有被用于在至少一些操作状况下推进车辆的具有单独的电池单元的电池组的任何其它类型的车辆中实现。
插电式混合动力电动车辆12可包括机械地连接到混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转。对于混合动力车辆，传动装置16机械地连接到内燃发动机18。传动装置16还机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。在此的描述同样适用于纯电动车辆(BEV)，在纯电动车辆中，混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且如前所述发动机18可被省略。无论发动机18是否运转，电机14都可提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且可通过回收在摩擦制动系统中通常作为热损失掉的能量来提供燃料经济性效益。通过允许发动机18以更高效的速度运转并允许混合动力电动车辆12在特定状况下以发动机18关闭的电动模式运转，电机14还可减少车辆排放。利用不包括内燃发动机18的电动车辆可获得类似的优点。
牵引电池或牵引电池组24将可由电机14使用的能量储存在连接到一起的多个单独的电池单元中。车辆电池组24通常向高电压总线50提供高电压DC输出，但是电压和电流可根据特定操作状况和负载而变化。牵引电池组24电连接到一个或更多个外部电路52，所述一个或更多个外部电路52可包括：例如，电力电子器件或逆变器电路26、电动空气调节(eAC)电路27、DC/DC转换器电路28和/或电力转换模块或电路32。一个或更多个接触器(在图2和图3中最佳地示出)可在断开时使牵引电池组24与其它组件隔离，并在闭合时将牵引电池组24连接到其它组件。如在此更详细地描述的，各种内部电压测量电路可根据哪些接触器断开或闭合来提供独立的电池组电压测量值。电力电子器件或逆变器电路26还电连接到电机14，并且在牵引电池组24和电机14之间提供双向传输能量的能力。例如，典型的牵引电池组24可提供DC电压，而电机14可能需要三相AC电压或电流来高效地运转。电力电子器件或逆变器电路26可将DC电压转换为供应给电机14的三相AC电流。在再生模式下，电力电子器件或逆变器电路26可将来自用作发电机的电机14的三相AC电流转换为供应给牵引电池组24的DC电压。
如前所述，牵引电池组24除了提供用于推进的能量之外，还可为连接到高电压总线50的其它外部电路52提供能量。车辆12可包括经由关联的电动空气调节(eAC)模块或电路27由牵引电池24供电的压缩机(未示出)，以对车厢和/或牵引电池24进行调节。车辆12还可包括DC/DC转换器模块或电路28，DC/DC转换器模块或电路28将牵引电池组24的高电压DC输出转换为与其它车辆负载相兼容的低电压DC供电。其它外部高电压电路或负载(诸如，用于车厢或组件加热器的外部高电压电路或负载)可不使用DC/DC转换器模块28而直接连接到高电压总线50。低电压系统可电连接到辅助电池30(例如，12V、24V或48V电池)。
本公开的实施例可包括诸如车辆12的车辆，所述车辆可以是混合动力车辆或增程式混合动力车辆、或者电动车辆或插电式混合动力车辆，在电动车辆或插电式混合动力车辆中可通过外部电源36对牵引电池组24进行再充电。外部电源36可以是到连接到电网的电插座的连接。外部电源36可电连接到电动车辆供电设备(EVSE)38。EVSE 38可提供用于对电源36和车辆12之间的能量传输进行调节和管理的电路和控制。外部电源36可向EVSE 38提供DC电力或AC电力。EVSE 38可具有用于插入到车辆12的充电端口34的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE 38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可对从EVSE 38供应的电力进行调节，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE 38进行接口连接，以协调对车辆12的电力传输。EVSE连接器40可具有与充电端口34的对应凹入紧密配合的插脚。可选地，被描述为电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
图1中示出的各种组件可具有在内部电路或外部电路内的一个或更多个关联的控制器以及一个或更多个其它控制器或处理器，以控制和监测组件的操作。控制器可经由串行外围接口(SPI)总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散导体进行通信。如下面更详细地描述的，各种操作参数或变量可使用CAN或其它导体来被广播或发布以供车辆控制模块或子模块用于控制车辆或车辆组件(诸如，牵引电池组24)。一个或更多个控制器可以以独立的方式进行操作，而不与一个或更多个其它控制器进行通信。如参照图2至图5更详细地描述的，控制器中的一个可由电池能量控制模块(BECM)46来实现以控制各种充电和放电功能、电池单元电荷平衡、电池组电压测量、单独的电池单元电压测量、电池过充电保护、电池过放电保护、电池寿命结束确定等。在一个实施例中，BECM 46被配置为：响应于内部电路之间的电压差小于阈值而基于第一内部电路电压发布电池组电压，否则基于单独的电池单元电压发布电池组电压，以用于控制牵引电池24和/或车辆12。BECM 46可设置在牵引电池组24内，并且可与各种类型的非暂时性计算机可读存储介质(包括持久性存储装置和临时存储装置)进行通信，所述非暂时性计算机可读存储介质用于存储电池电压测量值以及相关的集中趋势的统计测度，所述集中趋势的统计测度可包括平均值、中值、众数等以及各种其它数据或数学结果(诸如，电压值的总和、差值、积分、微分等)。
车辆牵引电池组可使用各种物理布置或架构以及各种化学配方构成。典型的电池组化学成分包括铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出了由多个单独的电池单元简单串联配置而成的典型的牵引电池组24，所述电池单元一般表示为220并且参照图3被更详细地示出和描述。电池组可由以串联、并联或它们的某种组合形式连接的任意数量的单独的电池单元组成。如前所述，典型的系统可具有经由通信链路232通过车辆网络230进行通信以监测和控制牵引电池组24和车辆12的各种功能的一个或更多个控制器(诸如，BECM46)。BECM 46和/或其它控制器或者控制模块可监测多个电池组的体特性(bulkcharacteristic)(诸如，电池组电流、跨越所有单独的电池单元220的电池组电压、电池组温度)以及与单独的电池单元220关联的特性。每个控制器或控制模块可具有非易失性存储器使得数据可在控制器处于关闭状况时被保存以在随后的点火开关接通事件之后使用，或者可通过车辆网络230传送数据以由具有关联的非易失性存储器的另一控制器进行存储。类似地，控制器可包括集成的非暂时性计算机可读存储器，所述集成的非暂时性计算机可读存储器包括用于对控制器或关联的处理器进行编程以控制电池组24和/或车辆12的指令，所述指令包括用于执行以下操作的指令：如参照图5更详细地描述的，响应于内部测量值之间的电压差小于阈值，基于牵引电池组24内的内部电压测量值来通过车辆处理器将电池组电压输出到车辆网络230，否则，基于来自外部电路52的发布的电压测量值和内部测量值的统计测度或函数来输出电池组电压。
继续参照图1和图2，BECM 46执行针对牵引电池组24的很多监测和控制功能。例如，BECM 46监测牵引电池单元串220并控制正极主接触器236和负极主接触器238的操作。BECM 46通过连接到车辆网络230的通信链路232或者通过一些其它通信总线(诸如，SPI总线)与一个或更多个外部高电压模块或电路52通信。在图2中，仅示出了一个外部高电压模块/电路52，所述一个外部高电压模块/电路52代表例如逆变器电路26、eAC电路27、DC/DC转换器电路28(它们全部被示出在图1中)以及高电压总线50上的任何其它外部电路或模块，所述任何其它外部电路或模块可如在此所描述的提供电池组电压的独立测量值，并且将电压值发布在车辆网络230上或者以其它方式将所述测量值传送到BECM 46或其它控制器以用于发布或输出电池组电压。
在多个实施例中，外部模块或电路52包括测量VCONT_POS节点250与VCONT_NEG节点252之间的电压的电路。所述电压可被称为直流链(DC Link)电压，或可选地被称为电气化车辆12的高电压总线电压。外部模块或电路52中的一个或更多个测量该直流链电压并将数字作为消息发布在车辆网络230上。直流链的模拟电压可通过任意适当的电路或装置来测量并在用于每个外部电路52的关联的控制器或微处理器中被数字化，并被翻译成针对车辆网络230关联的消息，在一个实施例中，车辆网络230通过CAN实现。在多个实施例中，包括通过逆变器电路26确定的直流链电压的外部测量值的网络或CAN消息具有报头(header)或标识符INV_PACKV_MEAS。以类似的方式，包括通过DC/DC转换器28确定的直流链电压的独立的外部测量值的CAN消息具有头或标识符DCDC_PACKV_MEAS，包括通过eAC 27确定的直流链电压的独立的外部测量值的CAN消息具有头或标识符EAC_PACKV_MEAS。
如在图2中示出的，节点或引脚VCONT_POS 250将高电压或直流链正极(+)总线节点连接至BECM模块46。可选地，BECM 46可被描述为具有VCONT_POS引脚250。如图4的右上部分示出的(DIV1)，VCONT_POS节点或引脚250连接至牵引电池组24内的内部电路和BECM 46。
如在图2中示出的，正极主接触器236和负极主接触器238必须闭合，以使牵引电池24的电池组电压出现在直流链或高电压总线50上。如果正极主接触器236或负极主接触器238断开，则直流链电压将最终下降到零伏。然而，如果接触器236和238闭合，则直流链电压与牵引电池组24的电池组电压基本上相同，这是因为通过接触器236和238以及关联的高电压线的电压降被设计为很小。因此，当接触器236和238闭合时，直流链电压与牵引电池24的电池组电压匹配。所以，如果VCONT_POS节点/引脚250被配置为测量正极直流链(+)相对于V_BOT节点(图4)的电压，V_BOT节点是电池单元串220的负极节点或端子(也被称为最负极(most negative)的单独的电池单元)，则VCONT_POS 250处的电压用于测量跨越电池单元串220的多个单独的电池单元的电池组电压。在相同的操作条件(接触器236和238闭合)下，驱动外部模块或电路52的直流链电压或高电压总线电压处于与牵引电池单元串220的电压相同的电压。因此，由外部电路发布的CAN消息将提供将与电池单元串220的电压基本相同的电压读数，所述CAN消息对应于由INV_PACKV_MEAS、DCDC_PACKV_MEAS和EAC_PACKV_MEAS标识的独立外部测量值。
图3是根据本公开的实施例的示出包括用于功能评估和电池组电压冗余的牵引电池组的电池单元监测IC(集成电路)的代表性内部电路的框图。电池单元串220包括串联连接的电池单元2201、2202、……220mm，其中，mm表示电池单元的总数。在该布置中，电池单元2201是最负极的电池单元，220mm是最正端的电池单元。成组、堆或块的电池单元可具有关联的电池监测集成电路(BMIC)310和312。例如，在很多应用中，BMIC将仅容纳与对应的电池单元关联的用于提供单独的电池单元电压的相对小数量(诸如，6或12个)的信道。因此，若干个BMIC将被包括在典型的电池组内。
如上简述，电池单元串220中的每个单独的电池单元的电压由关联的BMIC 310和312单独测量。例如，这可使用一对电压感测线来完成，所述一对电压感测线将每个电池单元连接到关联的输入引脚(诸如，BMIC 310上的V0和V1)。由PACKV表示的测量的电池组电压以由Ts表示的采样时刻进行测量或采样。通过BMIC 310和312获得的单独的电池单元的测量值可以以所有的电池单元的电压在采样时刻Ts附近的小的持续时间或时间窗(例如，100μS)内被测量的方式来在时间上同步。此外，BMIC 310和312可包括对连接的电池单元的电压求和并输出对应的块电压的功能。如在图3的代表性实施例中示出的，BMIC 310和312均对为对应的六个电池单元提供单独的电池单元电压的六个信道进行读取。关联的块电压响应于分别与每个BMIC 310和312关联的且如图所示连接的“块读取”输入320和322而被提供。
如在图3中示出的，BMIC 310包括与V6输入连接到同一节点的块读取输入320。然而，V6输入一般测量连接在BMIC 310上的引脚V5和V6之间的电池单元的电池单元电压。块读取输入320读取相对于BMIC 310上的Vss引脚的电压。该块读取输入获取例如与BMIC 310关联的六个电池单元的组或块的电压。在图3的代表性实施例中，如通常由通信链路340以及控制接触器236和238表示的，具有控制软件的低电压(LV)主微处理器330与每个BMIC310和312通信。因此，与电池单元串220和LV主微处理器330结合的BMIC 310和312提供内部电路，所述内部电路提供电池组电压的独立的内部电压测量值。如果在所有BMIC上的所有块读取电路在时间上接近的时刻(例如，在采样时刻Ts附近的100μS内)被读取，则来自每个BMIC 310和312的块电压可被加到一起以产生电池组电压的独立的内部测量值。如此测量(通过块读取电路320和322)的电池组电压可被发布到车辆网络和/或SPI总线，并且可被表示为或称作SUM_OF_BRICK_VS。本领域普通技术人员将认识到，单独的电池单元电压(而不是块电压)还可因为块电压可能不可用的应用而被用作电池组电压的独立的测量值。
如以上所引用的和在图4的框图中示出的，BECM具有提供测量的电池组电压(PACKV)的另一内部电路。PACKV电路410包括分压器电路420(DIV1)的V_TOP输入412。如在图3和图4中示出的，V_TOP 412连接到牵引电池单元串220的最正极(most positive)的点。V_BOT节点414是电池单元串220内的最负极的点。分压器电路420包括连接到V_BOT 414的参考输入。类似地，模数转换器422(ADC2)具有连接到V_BOT 414的参考输入。因此，PACV电路410(更具体地，分压器420)提供横跨分别连接到V_TOP 412和V_BOT 414的输入的电池组电压的内部测量值。
模拟分压器420包含被配置为执行两个功能的电阻器和电容器。首先，分压器420将来自高电压(例如，400V)的电池组电压PACKV划分或缩小为适合于ADC 422的低电压范围。很多ADC具有例如0-5V或0-3.3V的输入电压范围。例如，如果DIV1 420的DC转换功能是除以100，则400V的PACKV输入被缩小到适合于输入到ADC 422的4V的信号。分压器420还被配置为实现模拟RC滤波器以符合与采样频率的二分之一关联的奈奎斯特准则。在一个实施例中，模拟分压器420包括用于实现双极点无源模拟RC滤波器的两个RC部分，以在对电池组电压进行数字化和采样时符合奈奎斯特准则。提供到ADC 422的缩小或划分且滤波后的电池组电压随后经由SPI总线连接和SPI隔离器430被提供到BECM主微处理器330。由PACKV电路提供的这种内部测量值可以在主微处理器330内以数字形式获得并且由PACKV_MEAS表示。
在一个代表性实施例中，系统被设计为使PACKV_MEAS成为发布到车辆网络上以用于各种电池和车辆控制功能的电池组电压的高保真电压测量值。分压器420内高质量的双极点滤波器以及高质量的ADC 422的使用，结合主微处理器330的编程以足够快地对电池组电压进行采样以满足奈奎斯特准则，以及经由ADC 422使电池组电压的采样时刻与其它关键系统量(诸如，也由主微处理器330读取的来自电流传感器360的电池组电流)的采样时刻同步，提供高质量的或高保真测量的电池电压PACKV_MEAS。该电压被设计为测量的电池组电压的最准确的指示。如由INV_PACKV_MEAS、DCDC_PACKV_MEAS和EAC_PACKV_MEAS表示的由外部电路提供的电池组电压的每个其它表示通常将不够准确。另外，由其它内部和/或外部电路提供的电池组电压测量值可使用不同的滤波器转折频率，并且可不在测量时间上同步。因此，当电池组电压快速变化(针对PACKV的高dV/dt)且PACKV_MEAS与INV_PACKV_MEAS、DCDC_PACKV_MEAS以及EAC_PACKV_MEAS之间的对应性可能比较差时，这些电池组电压的独立测量值通常将不够准确。当电池组电流接近于零并且电池组电压经过对应的时间段后没有显著地变化时，这些电池电压测量值将具有较好的相关性。
还如由图4的框图示出的，内部电池组电压电路可包括一个或更多个泄漏检测电路。在该实施例中，泄漏检测电路包括正分支440和负分支460。正分支440包括连接在V_TOP412与车辆地448(PWR_GND)或车辆底盘基准之间的电阻器442(R1)、MOSFET晶体管444和电压感测电阻器446(R2)。栅极驱动电路450控制MOSFET 444的栅极。正分支440还包括差分放大器452(DA1)，差分放大器452的输出连接到车辆底盘基准的模数转换器454(ADC1)。ADC1454具有允许BECM主微处理器330读取来自DA1452和DA2 472(为负分支460的一部分)的模拟电压的通信路径(通常为SPI总线)。与正分支440类似，负分支460包括电阻器462(R4)、MOSFET晶体管464和电压感测电阻器466(R3)。晶体管464由关联的栅极驱动电路470来控制。
泄漏检测电路不仅提供泄漏电流的检测，还可被用于通过正分支440和负分支460的操作来提供电池组电压的内部测量值。为了进行泄漏电流检测，由晶体管444和464实现的开关中的一个将在任何给定时间导通。例如，为了检测从PWR_GND 448到V_BOT 414的不期望的泄漏电阻，晶体管464由栅极驱动电路470控制，使得晶体管464保持截止，而栅极驱动电路450控制晶体管444导通持续一段时间(诸如，1.5秒)。此时，感测电阻器446两端的电压稳定下来且通过DA1 452进行处理，并且作为模拟电压由ADC1 454读取。以类似的方式，为了检测PWR_GND 448与V_TOP 412之间的不期望的泄漏电阻，晶体管444由栅极驱动电路450控制以截止，而晶体管464由栅极驱动电路470控制以导通。这样允许呈现出感测电阻器466上的任何泄漏指示。该电压施加到DA2 472、被传输到ADC1 454被转换为数字形式，并且被BECM主微处理器330读取。
如前所述，可操作泄漏检测电路以提供电池组电压的独立的内部测量值。在这种操作模式下，MOSFET晶体管444和464同时地导通或接通。在晶体管444和464导通的情况下，由电阻器442、446、466和462组成的电阻式分压器可被用于确定从V_TOP 412到V_BOT 414的施加的电压(即，期望的电池组电压)。如在此更详细地描述的，如果高保真的PACKV_MEAS不可用，则该操作模式可被用于提供电池组电压的可选的内部测量值，所述电池组电压的可选的内部测量值可与来自对应的内部和外部电路的一个或更多个内部测量值和外部测量值一起使用以确定发布的电池组电压。在该模式下，ADC1 454通过DA1 452读取电阻器446(R2)两端的第一电压，同时通过DA2 472读取电阻器466(R3)两端的第二电压。来自正分支440和负分支460的电压的组合或总和基于电阻器的值和差分放大器的操作提供与电池组电压线性相关或线性缩小的量。
在一个实施例中，操作在电池组电压测量模式下的泄漏检测电路可根据下列等式确定电池组电压：
LKMEAS_PACKV＝(Vr2+Vr3)*[(R1+R2+R3+R4)/(R2+R3)]其中，Vr2是电阻器446(R2)两端的电压，Vr3是电阻器466(R3)两端的电压，R1至R4分别是电阻器442、446、466和462的电阻值。这提供了通过与PACKV_MEAS的硬件路径不同的硬件路径读取的电池组电压的替代测量值，以提供电池组电压的独立内部电路测量值。独立于用于提供PACKV_MEAS的电路允许使用泄漏检测电路，以在PACKV_MEAS不可用或者功能评估或自诊断指示PACKV_MEAS是不准确的或不可靠的情况下提供冗余备份测量值。
参照图3，示出了可被用于提供电池组电压的独立的内部测量值的另一内部电路。与先前描述的块电压的使用类似，电池单元2201至220mm的单独的电池单元电压可被求和或组合以提供电池组电压测量值。例如，BMIC 310和312以相对长的时间段或采样间隔(诸如，100mS)来测量电池单元电压，使得每个电池单元在100mS的时间段内被测量一次。电池单元电压的BMIC读数具有优异的冗余度，这使得其相对容易地自检BMIC输入的一致性。在正常操作状况下，电池单元中的每个的电池单元电压基本上相等(变化不到几毫伏)。尽管电池单元可偶然地变得不平衡且变化大于典型值，但是BMIC310和312监测电池单元电压并周期性地重新平衡电池单元。单独的电池单元电压变化可由通过在时间Ts的时刻处测量所有电池单元电压获得的ΔV表示。主微处理器330的处理器被配置为：利用由ΔV＝Vmax-Vmin表示的差来确定由Vmax表示的最大电池单元电压和由Vmin表示的最小电压。
BMIC 310和312可包括可在检测到异常操作时设置标志或其它指示符的若干个自诊断功能和其它功能。这些功能未在此更详细地被描述。然而，例如，可在与市场上可买到的BMIC(诸如，模拟装置(Analog Devices)AD7280)关联的产品资料中容易地获得功能说明。
除了BECM 46内的PACKV_MEAS以外的可用的电池组电压的最可靠和冗余的指示将是在BMIC的自诊断功能指示没有故障(意思是没有IC故障以及没有连接到BECM模块的明线(open wire)，其也是由BMIC 310和312检测的)并且如上所述的ΔV低于由MIN_ACCEPTABLE_DELTA_V表示的对应阈值(例如，可以是50mV)的时候从BMIC 310和312获得的单独的电池单元电压的总和。换句话说，当满足以下条件时：
BMIC 310和312指示没有自诊断故障或外部故障以及
ΔV<MIN_ACCEPTABLE_DELTA_V
由内部电路提供的与单独电池单元电压的总和关联的电池组电压是电池组电压的非常值得信赖的指示，并且由SUM_OF_CELLS_RELIABLE表示。根据上面的条件是否被满足，该变量可以是有效的(VALID)或无效的(INVALID)。该值被相对慢地(例如，100mS)采样，所以虽然该值是电池组电压的可靠的指示，但是该值将不会像由PACKV_MEAS提供的高保真版本一样准确。然而，该值通常是用于备份目的的最有用的电池组电压测量值(尤其是当电压缓慢变化时)。
在多个实施例中，例如，每2mS或每10mS完成一次PACKV_MEAS读数(来自PACKV电路)。因为PACKV用于电池组的功率计算(通过将PACKV_MEAS乘以来自电流传感器360的电池组电流来获得瞬时功率)，所以电池组电压比电池单元电压读取得快得多。如前所述，系统被设计为通过主微处理器330提供在时间上与电池组电流读数同步的PACKV的高保真读数。由于PACKV电压与关联的电流量是同步的，所以两种数字可直接相乘以获得针对电池组24的有效瞬时功率数。
以下信号、变量或消息提供如前所述的电池组电压的独立的内部测量值，并且理想地将是相同的值：VCONT_POS_MEAS、PACKV_MEAS和SUM_OF_CELLS_RELIABLE。类似地，以下信号、变量或消息提供如前所述的电池组电压的独立的外部测量值，并且理想地将是相同的值：INV_PACKV_MEAS、DCDC_PACKV_MEAS和EAC_PACKV_MEAS。每个内部测量值和外部测量值具有关联的标志或指示符，所述关联的标志或指示符被设置为有效，并且在超出范围、具有内部故障的情况下或者在读数不能与电池组的其它电路测量值进行比较的时候变为无效。例如，如果电池组电流比零大得多，则电池组电压将根据电池单元的等效串联电阻(ESR)而随时间变化。因此，在此描述的功能评估可以不一直运行，而是仅仅当接触器236和238(图2)闭合并且电池组电流接近于零时运行。在其它时间(例如，当接触器断开或电池组电流大于阈值(诸如，1A)时)，BECM 46将使用与所有有效读数可用时的配置相同的配置。
由DELTA_INTERNAL_TRIAD表示的信号、变量或消息具有关联的标志，所述关联的标志在内部电路测量值(VCONT_POS_MEAS、PACKV_MEAS、SUM_OF_CELLS_RELIABLE)的标志为有效的情况下被设置为有效。如果电路没有内部故障并且信号处于在范围内(IN RANGE)的状态，则主微处理器330将把这些标志标记为有效。如果值在预定可校准范围(基于操作期间的预期值)内，则信号处于在范围内。如果存在针对给定电路的内部模块故障，或者如果给定信号在范围外(OUT OF RANGE)，则主微处理器330将把信号标志标记为无效。DELTA_INTERNAL_TRIAD表示通过内部电路测量的所有电池组电压测量值之间的电压差并且通过以下等式给出：
DELTA_INTERNAL_TRIAD＝MAX(VCONT_POS_MEAS,PACKV_MEAS,SUM_OF_CELLS_RELIABLE)–MIN(VCONT_POS_MEAS,PACKV_MEAS,SUM_OF_CELLS_RELIABLE)
其中，MAX是选择括号内变量中的最大值的函数，MIN是选择括号内变量中的最小值的函数。
因此，DELTA_INTERNAL_TRIAD提供BECM中的内部电路之间的变化的测量，所述内部电路提供电池组电压的独立内部测量值。如前所述，VCONT_POS_MEAS使用来自具有VCONT_POS输入250、以V_BOT 414为基准的DIV1 420的输入电路来测量DC_LINK或电池组电压。在接触器236和238闭合的时候，VCONT_POS_MEAS提供读取与电池组电压大约相同的读数。PACKV_MEAS是来自测量V_TOP 412与V_BOT 414之间的电压的DIV1 420内的电池组电压读取电路的高保真电池组电压读数。SUM_OF_CELLS_RELIABLE由BMIC 310和312提供，并且在上述条件下是有效的。如果DELTA_INTERNAL_TRIAD<THRESHOLD_DELTA_INTER NAL_TRIAD，则内部BECM电路的VCONT_POS_MEAS、PACKV_MEAS和SUM_OF_CELLS_RELIABLE被认为是可靠的。否则，内部变量中的一个或更多个是不准确的，需要采取进一步的步骤以确定可靠的电池组电压读数。例如，在一个实施例中，THRESHOLD_DELTA_INTERNAL_TRIAD对应于20V。
以类似的方式，DELTA_EXTERNAL_TRIAD提供外部电路之间的变化的测量，所述外部电路提供电池组电压的独立的外部测量值，并且DELTA_EXTERNAL_TRIAD根据下列等式被确定：
DELTA_EXTERNAL_TRIAD＝MAX(INV_PACKV_MEAS,DCDC_PACKV_MEAS,EAC_PACKV_MEAS)–MIN(INV_PACKV_MEAS,DCDC_PACKV_MEAS,EAC_PACKV_MEAS)
其中，INV_PACKV_MEAS表示由逆变器电路26确定的电池组电压的外部测量值，DCDC_PACKV_MEAS表示由DC/DC转换器电路28确定的电池组电压的外部测量值，EAC_PACKV_MEAS表示由eAC电路27确定的电池组电压的外部测量值。如果DELTA_EXTERNAL_TRIAD<THRESHOLD_DELTA_EXTERNAL_TRIAD，则由INV_PACKV_MEAS、DCDC_PACKV_MEAS和EAC_PACKV_MEAS表示的外部测量值全部被认为是可靠的。否则，这些外部测量值中的一个或更多个被认为是不准确的，并且需要采取进一步的步骤来确定可靠的读数。例如，在一个实施例中，THRESHOLD_DELTA_EXTERNAL_TRIAD对应于20V。
BECM 46可基于独立的内部测量值和外部测量值的集中趋势的统计测度(诸如，平均值、中值或众数)向车辆网络230发布电池组电压。在一个实施例中，电池组电压的中值根据下列等式被确定：
MEDIAN_PACKV＝MEDIAN(VCONT_POS_MEAS,PACKV_MEAS,SUM_OF_CELLS_RELIABLE,INV_PACKV_MEAS,DCDC_PACKV_MEAS,EAC_PACKV_MEAS)
注意：在执行该中值(MEDIAN)函数之前，任何处于无效状态的元素(诸如，VCONT_POS_MEAS、PACKV_MEAS等)从计算中被移除。因此，这个MEDIAN函数对一系列全部处于有效状态的值进行操作。
其中，MEDIAN函数是通过将值从最低到最高进行分类或排序并从有序数据集中取两个中间值的平均值来确定括号内的值的中值的统计测度。响应于下面指定的条件而使用电池组电压的中值将拒绝异常的或超出范围的输入信号，并且可在六个输入中的两个错误地为低或高的情况下保持不受影响。
另一变量、信号或消息根据下列逻辑由RELIABLE_PACKV表示：
Figure BDA0001112138680000161
Figure BDA0001112138680000171
上面的由已编程的处理器或计算机(诸如，BECM 46)执行的逻辑或方法的操作如下进行。如果DELTA_INTERNAL_TRIAD是值得信任的(在该代表性实施例中，低于20V的阈值)，则PACKV_MEAS被指示为可靠并作为电池组电压被发布到车辆网络230。否则，SUM_OF_CELLS_RELIABLE是下一个最可靠的指示并且被使用。然而，PACKV_MEAS和SUM_OF_CELLS_RELIABLE都是无效的，则系统不能确定哪一个是正确的，然后使用MEDIAN_PACKV的测量值(电池组电压的下一个最可靠的指示)，除非DELTA_EXTERNAL_TRIAD超过其关联的阈值，在DELTA_EXTERNAL_TRIAD超过其关联的阈值的情况下，诊断代码(DTC)或关联的标志被设置，并且电池组电压的默认值或最后知道的有效值可被使用。
现在参照图5，示出了示出用于控制电动车辆的系统或方法的操作的框图，其中，所述操作包括执行功能评估和响应于所述功能评估发布基于内部测量值和外部测量值中的至少一个的电池组电压。关于在此描述的处理、系统、方法、启示等，应理解的是，尽管这种处理等的步骤已被描述为按照有序顺序发生，但是可利用以在此描述的顺序之外的顺序完成的所述步骤来执行这种处理。还应理解的是，可同时执行特定步骤，可添加其它步骤，或者可在保持本公开的教导且被要求保护的主题涵盖的同时省略在此描述的特定步骤。换言之，方法或处理的描述被提供用于示出特定实施例的目的，并且应该被理解为代表很多变型中的一个且不仅限于示出或描述的变型。
与已经描述的框图类似，图5的框图提供根据本公开的多个实施例的操作的可选表示。在框510，例如，从关联的内部电路(诸如，PACKV)获得电池组电压测量值。用于提供电池组电压测量值的特定内部电路可根据应用和实施方式而变化。电池组电压测量值可从被设计为提供高保真电池组电压测量值的系统提供的外部电路获得。在大多数应用中，电池组电压的更准确的或更高保真的指示将由电池组和/或电池控制器内的一个或更多个内部电路提供。如在512表示的，执行提供电池组电压测量值的电路的自诊断，如果在512没有故障或超出范围的指示被识别出，则在514设置对应的标志或状态指示符。否则，例如，标志或状态标识符可被设置为无效或不可靠(UNRELIABLE)。
如在520表示的，第二独立内部电路可被用于测量单独的电池单元电压或者单独的电池单元的一个或更多个组或块上的电压。在一个实施例中，单独的电池单元电压电路包括与如前所述的电池单元的组或块关联的BMIC，如在框522表示的，BMIC执行各种自诊断功能。作为电路内的相关组件和电池单元的额外的功能评估，如在524表示的，单独的电池单元或块之间的电压差或差分可与关联的阈值进行比较。如果框522和524未检测到任何错误或其它异常操作，则如由框526表示的，设置或存储对应的标志或状态指示符以指示单独的电池单元电压的总和是可靠的。
由对应的独立的内部电路确定的电池组电压的其它内部测量可如前所述地被执行，并且总体由框530表示。例如，框530可通过对与先前参照图4描述的泄漏检测电路关联的晶体管和/或接触器进行适当的控制和操作来确定电池组电压。
还如图5示出的，在框540，一个或更多个外部电路提供电池组电压的对应的独立外部测量值。在一个实施例中，电池组电压的独立的外部测量值从在542表示的逆变器模块或电路、在544表示的eAC模块或电路和在546表示的DC/DC转换器模块或电路被提供。一个或更多个外部模块或电路可通过向车辆网络输出或发布对应的信号或消息来提供电池组电压的外部测量值。外部模块或电路中的一些或全部还可包括未明确示出的自诊断功能以及关联的状态指示符或标志。在框550，确定来自内部电路和外部电路的电池组电压测量值的中值。
框552将所有内部测量值之间的电压差与关联的阈值进行比较。如果如在552指示的，电压差小于关联的阈值，则如在560指示的，使用测量的电池组电压并且如在570表示的，将测量的电池组电压发布到车辆网络，以供控制电池组和/或车辆的一个或更多个控制器使用。如果如在552指示的，所有内部电压测量值之间的电压差超过关联的阈值，则如在554表示的，检查与单独的电池单元的内部测量值关联的状态指示符或标志。如果如前所述与单独的电池单元或电池单元的组关联的内部电路指示可靠的读数，则如在562指示的，电池组电压使用电池单元测量值的总和，并且发布的电压(570)与由单独的电池单元电压的总和确定的值相对应。
如果电池单元电压的总和未被指示为可靠的，则在框556确定电池组电压的所有外部测量值之间的电压差是否超过对应的阈值。如果电压差小于关联的阈值，则使用统计测度或功能来确定发布的电池组电压。在示出的实施例中，框564确定用于发布的电池组电压的内部测量值和外部测量值的中值电压，如在570指示的，所述中值电压随后被输出或发布到车辆网络。如果如在556指示的，电压差超过对应的阈值，则如在580指示的，可存储诊断代码(DTC)，发布的电池组电压可恢复到先前的值或者可通过某一其它方法来建模或估计。
如在图5中示出的，与内部电路和外部电路通信的控制器被配置为将电池组电压发布到车辆网络。电池组电压响应于在552所有独立内部测量值之间的电压差小于阈值而在560与第一独立内部测量值对应，响应于在552所述电压差超过所述阈值而在562与第二独立内部测量值对应，响应于在552和554任何内部测量值都是无效的而在564与独立内部测量值和外部测量值的统计测度对应。所述控制器还可被配置为：响应于在552电压差高于阈值以及在556所有独立外部测量值之间的第二电压差超过关联的阈值，在580将诊断代码存储在关联的非暂时性存储介质中。所述控制器还被配置为：除非在556所有独立外部测量值之间的第二电压差超过关联的阈值，否则在570发布在564与统计测度对应的电池组电压。
因此，根据本公开的实施例可提供一个或更多个优点，诸如，使用来自内部和/或外部电路的测量值执行对电池组电压测量值的有效性的功能评估和自诊断。另外，当功能评估指示内部电路或外部电路中的一个或更多个未如预期地运转时，实施例可提供电池组电压的可靠指示。多个实施例结合冗余度提供使用在此描述的功能评估的自诊断，以提供用于控制电池和/或车辆的备份电池电压测量值。
尽管上面描述了代表性实施例，但并不意在这些实施例描述了本公开或要求保护的主题的范围内的所有可能实施例。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制词语，并且应理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种改变。此外，即使特定组合未被明确描述或示出，也可组合各种实施例的特征以形成进一步的实施例。各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式。然而，本领域普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、安全性、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (11)

1.一种车辆，包括：
牵引电池组，具有高电压总线和多个单独的电池单元，所述牵引电池组包括多个内部电路，所述多个内部电路提供牵引电池组电压的对应的多个独立内部测量值；
多个外部电路，在所述牵引电池组外部并连接到高电压总线，所述多个外部电路提供所述牵引电池组电压的对应的多个独立外部测量值；
电机，经由所述多个外部电路中的一个由所述牵引电池组供电以推进车辆；
控制器，与所述多个内部电路和所述多个外部电路通信且被配置为将牵引电池组电压发布到车辆网络，所述牵引电池组电压响应于所有独立内部测量值之间的电压差小于阈值而与第一独立内部测量值对应，所述牵引电池组电压响应于所述电压差超过所述阈值而与第二独立内部测量值对应，所述牵引电池组电压响应于任何独立内部测量值都是无效的而与所述多个独立内部测量值和所述多个独立外部测量值的统计测度对应。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个外部电路包括：
逆变器电路；
电动空气调节电路；和
DC/DC转换器电路。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个内部电路包括牵引电池组电压测量电路，所述牵引电池组电压测量电路测量跨越所述多个单独的电池单元的牵引电池组电压。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个内部电路包括多个电池监测集成电路，每个电池监测集成电路测量跨越所述单独的电池单元的对应组的电压。
5.如权利要求4所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：将来自所述多个电池监测集成电路的电压进行组合，以确定所述牵引电池组电压的所述多个独立内部测量值中的一个。
6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个外部电路中的每个将所述多个独立外部测量值中的对应的一个发布到车辆网络。
7.如权利要求1所述的车辆，其中，所述多个内部电路包括：
正分支泄漏检测电路，测量从单独的电池单元中的最正的单独的电池单元到车辆地的牵引电池组电压；
负分支泄漏检测电路，测量从单独的电池单元中的最负的单独的电池单元到车辆地的牵引电池组电压。
8.如权利要求7所述的车辆，其中，所述多个独立内部测量值中的一个是基于跨越正分支泄漏检测电路和负分支泄漏检测电路的电压的。
9.如权利要求1所述的车辆，其中，所述统计测度包括：所述多个独立内部测量值和所述多个独立外部测量值的中值。
10.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：响应于所述电压差高于所述阈值并且所有独立外部测量值之间的第二电压差超过关联的阈值，将诊断代码存储在关联的非暂时性存储介质中。
11.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：除非所有独立外部测量值之间的第二电压差超过关联的阈值，否则发布与所述统计测度对应的牵引电池组电压。
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