隔离监视器性能工具和测试隔离监视器的方法
【专利摘要】公开了一种隔离监视器性能工具和测试隔离监视器的方法。用于测试具有与低电压电系统隔离的高电压牵引电池电系统的车辆的隔离监视器的性能的系统和方法包括用于连接到测试中的隔离/泄漏监视器的装置。所述装置包括具有由编程微处理器自动控制的相关开关元件的电流泄漏总线、电流泄漏阵列和电流泄漏目的点，以将各个泄漏阻抗引入第二电压源或接地，并估计测试中的隔离/泄漏监视器的性能。
【专利说明】隔离监视器性能工具和测试隔离监视器的方法
【技术领域】
[0001]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系统组件的性能。
【背景技术】
[0002]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)监视车辆的高电压系统和低电压系统之间的隔离。作为示例，如果由于一组件未能限制其它车辆组件、乘员或服务技术人员暴露在高电压中而导致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。
[0003]在BECM硬件和软件的开发周期中，尽早估计隔离监视器功能的性能是有益的。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，这可能在开发周期中已经太迟，而导致无法避免和修正的显著成本和延迟。此外，在车辆开发期间中的硬件或软件改变可能影响隔离监视，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】
[0004]本公开的各种实施例包括用于测试具有与低电压电系统隔离的高电压牵引电池电系统的车辆的隔离监视器的性能的系统或方法。所述系统或方法包括用于连接到测试中的隔离/泄漏监视器的装置。所述装置包括具有由编程的微处理器自动控制的相关开关元件的电流泄漏总线、电流泄漏阵列和电流泄漏目的点，以将各个泄漏阻抗引入第二电压源或地，并估计测试中的隔离/泄漏监视器的性能。例如，可通过由第二微处理器(诸如电池电子控制模块(BECM))执行的软件和相关电路来实施隔离/泄漏监视器。编程的微处理器执行测试协议以操作开关来选择性地将高电压单元阵列中的单元连接到泄漏总线。泄漏阵列可包括多个开关，用于选择性地将可变阻抗引入泄漏路径。在一实施例中，泄漏阵列包括多个并联的电阻器和电感器。经由微处理器控制激活泄漏阵列中的一个或更多个开关，以选择期望的实际或复杂阻抗。微处理器还激活目的点开关以完成到第二电压源或地面(通常是用于分别模拟车辆低电压系统或底座的12V源或地面)的泄漏路径。
[0005]在各个实施例中，微处理器提供外部通信接口(诸如以太网或控制器区域网络(CAN)接口)，以允许对系统的外部控制并向外部控制和系统提供状态和反馈。
[0006]根据本公开的隔离监视器估计工具的实施例具有多个相关优点。例如，根据各个实施例的隔离监视器估计工具可集成到现有电池模拟器装置中，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，并允许将复杂阻抗引入高电压系统。根据本公开实施例的隔离监视器估计工具的其它优点包括提供对泄漏源、可变的实际或复杂阻抗和可选择的目的点或接收器(sink)的自动化控制。在没有牵引电池组或车辆以实现功能测试的开发周期的前期，根据本公开的隔离监视器性能工具的使用提供对电池电子控制模块和相关电路的隔离监视器测试。此外，各个实施例允许在沿着单元串的任何点自动地弓I入泄漏。
[0007]—种隔离监视器性能工具，包括:至少一个阻抗；至少一个泄漏目的点；多个开关，与所述至少一个阻抗、所述至少一个泄漏目的点和电池单元串的多个端子相关。所述隔离监视器性能工具还包括:至少一个控制器，被编程为操作所述开关以通过选择的阻抗选择性地将泄漏目的点连接到选择的端子以创建泄漏路径。所述至少一个阻抗可包括电阻器。所述至少一个阻抗可包括电容器。所述至少一个控制器还可被编程为选择一个泄漏目的点和一个端子。所述至少一个泄漏目的点可包括低电压源和地。所述至少一个控制器还可被编程为与隔离监视器通信以从隔离监视器接收诊断代码。所述至少一个控制器还可被编程为应用开关的各种组合，将来自隔离监视器的响应与预期响应进行比较，基于所述响应与所述预期响应输出隔离监视器测试状态。
[0008]一种测试隔离监视器的方法，包括:通过控制器激活开关元件的组合以连接选择的泄漏目的点和电池单元串的选择的端子之间的至少一个阻抗。所述方法还包括从隔离监视器接收指示隔离检测的诊断代码。所述方法还包括基于诊断代码与隔离监视器的预期响应的比较将状态输出到所述组合。开关元件的组合可连接电池单元串的一个端子。开关元件的组合可连接一个泄漏目的点。所述至少一个阻抗可包括电阻器。所述至少一个阻抗可包括电容器。
[0009]一种电池模拟器包括具有至少一个端子的多个电压源、至少一个阻抗、至少一个泄漏目的点、以及与所述至少一个阻抗、至少一个泄漏目的点和所述端子相关的多个开关。所述电池模拟器还包括:至少一个控制器，被编程为操作所述开关以通过选择的阻抗选择性地将泄漏目的点连接到选择的端子以创建泄漏路径。所述至少一个阻抗可包括电阻器。所述至少一个阻抗可包括电容器。所述至少一个泄漏目的点可包括地连接和低电压源。所述至少一个控制器还可被编程为与隔离监视器通信以从隔离监视器接收诊断代码。所述至少一个控制器还可被编程为基于诊断代码和隔离监视器的预期响应将状态输出到泄漏路径。电压源可以串联连接。所述至少一个阻抗可以是多个阻抗，选择的阻抗可以是多于所述多个阻抗中的一个阻抗的组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]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车辆的示图，其中，所述牵引电池和相关控制器具有用于监视高电压电气系统和低电压电气系统之间的隔离的隔离监视器；
[0011]图2是包括用于监视隔离的控制器和电路的代表牵引电池包的示图；
[0012]图3是示出隔离监视器测试装置的代表实施例的示图，其中，所述隔离监视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；
[0013]图4是示出根据本公开的实施例的用于估计隔离监视器的性能工具的操作的示图。
【具体实施方式】
[0014]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传统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。
[0015]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。
[0016]传统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机4的电机。此外，混合动力传动系统6机械地连接到引擎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。电动机4可在引擎8开启或关闭时提供推进和减速能力。电动机4还可用作发电机，并可通过回收通常作为在摩擦制动系统中的热量而浪费的能量来提供节能效益。由于混合动力电动车辆在某些条件下可在电动模式下操作，因此电动机4还可减少污染排放。
[0017]牵引电池包14存储可被电动机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还电连接到电动机4，并提供在电池包14和电动机4之间双向地传输能量的能力。例如，传统牵引电池14可提供DC电压，而电动机4可能需要三相AC电流来工作。电力电子模块16可将DC电压转换为电动机4所需要的三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块16将来自用作发电机的电动机4的三相AC电流转换为电池包14所需要的DC电压。
[0018]除了提供用于推进的能量之外，电池包14可提供用于其它车辆电系统的能量。传统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。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。在传统车辆中，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引擎8。
[0019]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可电连接到电转换模块22。电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电平。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电平，因此电转换模块22可不是必须的。在一些应用中，电转换模块22的功能可收容在外部电源26中。
[0020]可从各种化学配方构建电池包。传统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的简单串联构造的传统电池包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。传统系统可具有监视并控制电池包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。BECM36可监视多个电池组电平特征，诸如包电流38、包电压42和包温度40。BECM36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。
[0021]BECM36可包括用于执行隔离监视器功能的硬件和/或软件。隔离监视器功能通过检测泄漏电流来监视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电平时，隔离监视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中。根据本公开实施例的隔离监视器性能工具可用于估计车辆外部的BECM36硬件和相关软件，从而不需要实际的车辆或牵引电池组。
[0022]根据本公开的实施例，除了电池包电平特性以外，可能存在被BECM36测量和监视的电池单元电平特性和被隔离监视器工具估计的适当的操作。例如，可测量每个单元的端子电压、电流和温度。电池控制器36可包括电压监视电路34，电压监视电路34测量跨过电池包30的N个单元32中的每个单元的端子的电压。电压监视电路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。电压监视电路34还可包括用于对电池单元电压进行适当采样并将电压转换为在微处理器中使用的数字值的其它组件。电压监视电路34还可使用BECM36提供隔离，从而高电压将不会损坏电路。根据本公开实施例的隔离监视器性能工具可用于估计这些组件和电路的操作以及BECM隔离监视器软件的能力，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。
[0023]如在图3的代表性实施例中一般示出的，隔离监视器性能工具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，在模拟多个单元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以提供期望的实际或复杂的阻抗。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阻抗116和不同电容值的电容器118的阵列，来在泄漏电路106或路径中提供期望的实际或复杂的阻抗。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，一个目的点是表示传统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座。其它实施例可包括改变电压电平的多个目的点。
[0024]隔离监视器性能工具100可包括用于连接到电池控制器的传送带(harness)。电池模拟器98内的电压源108可以以与牵引电池组内的实际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视器检测泄漏电流。
[0025]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视器的反应。微处理器114可通过外部通信链接124监视测试中的隔离监视器的响应。测试中的隔离监视器可通过外部通信链接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，以确认隔离监视器是否采取了适当的动作。
[0026]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接触。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。
[0027]图4示出从高电压单元串110的顶部开始、通过电阻器R1150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。
[0028]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，以避免短路(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。
[0029]本公开的隔离监视器性能工具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。
[0030]隔离监视器性能工具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视器性能工具100可集成到现有电池模拟器98装置中，以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，并允许将复杂阻抗引入高电压系统。根据本公开实施例的隔离监视器估计工具的其它优点包括提供对泄漏源、可变的实际或复杂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。
[0031]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。
[0032]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。
【权利要求】
1.一种隔离监视器性能工具，包括: 至少一个阻抗； 至少一个泄漏目的点； 多个开关，与所述至少一个阻抗、所述至少一个泄漏目的点和电池单元串的多个端子相关； 至少一个控制器，被编程为操作所述开关以通过选择的阻抗选择性地将泄漏目的点连接到选择的端子以创建泄漏路径。
2.如权利要求1所述的隔离监视器性能工具，其中，所述至少一个阻抗包括电阻器。
3.如权利要求1所述的隔离监视器性能工具，其中，所述至少一个阻抗包括电容器。
4.如权利要求1所述的隔离监视器性能工具，其中，所述至少一个控制器还被编程为选择一个泄漏目的点和一个端子。
5.如权利要求1所述的隔离监视器性能工具，其中，所述至少一个泄漏目的点包括低电压源和地。
6.如权利要求1所述的隔离监视器性能工具，其中，所述至少一个控制器还被编程为与隔离监视器通信以从隔离监视器接收诊断代码。
7.如权利要求1所述的隔离监视器性能工具，其中，所述至少一个控制器还被编程为应用开关的各种组合，将来自隔离监视器的响应与预期响应进行比较，基于所述响应与所述预期响应输出隔离监视器测试状态。
【文档编号】G05B23/02GK104423377SQ201410433280
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2013年8月31日
【发明者】迈克尔.爱德华.洛夫特斯 申请人:福特全球技术公司