大型电动载具的电池系统的安全和效能优化控制的制作方法

专利名称：大型电动载具的电池系统的安全和效能优化控制的制作方法
大型电动载具的电池系统的安全和效能优化控制相关申请案本申请案主张于2010年2月26日所提申的美国临时申请案第61/338，990号(律师档案编号3853. 1047-001)和2009年9月1日所提申的美国临时申请案第61/238，961 号(律师档案编号3853. 1047-000)的权利。上述申请案的整体教示以引用方式纳入本文中。
背景技术：
大型电池系统在各种电动及混合式电动载具中被使用做为电力储存装置。可以用电力或混合式动力驱动的一些载具实例包括汽车、船只及电车。这些电池系统的容量范围通常介于IOkWh到IOOkWh之间，且通常具有介于44. 4VDC到444VDC之间的标称电压额定值。在这些大型电池系统之中，机械及电子控制的设计必须使效能和安全达到优化。 若此等控制有被正确地设计及实施，则电池组(pack)将具有接近所包含的个别电池单体的效能及安全性特性。电池管理系统(BMS)控制电子的架构是一主/从形式的分布式处理系统。此系统包含单一主处理器，以下称其为BMS主控制器(BMSHC)。每一如图1所示的模块同时亦包含所执行该部分功能的一通用微控制器或一特定用途集成电路(ASIC)，本文以下称其为"模块控制器"或"模块ASIC"。

发明内容
现有大型电动载具系统及其他大型电池系统并未提供一种在电池系统连接及分离二种模式下用以侦测各种电力总线隔离故障状况结合一安全总线放电机制的方法。现有大型电动载具系统及其他大型电池系统并未提供一种依据充电状态(state of charge ;S0C)、健康状态(state of health ;S0H)、寿命状态(state of life ;SOL)参数，藉由利用回授信号，在运作期间调整输出电流限制的方法。本发明的实施例提出一种电动载具电力系统，包含一电池系统；一总线，配置以传输电力至一马达驱动装置；及一控制电路，以选择性地耦接该电池至该总线。该控制电路是用以在该电池及该总线分离时使该总线的电容放电至一底盘。此外，该控制电路量测跨于该总线的阻抗。因此，该控制电路可监测该总线的健全度(integrity)并侦测故障，诸如短路或是总线绝缘度降低。在其它实施例中，该控制电路在上述分离后的一段时间长度中量测跨于该总线的阻抗。该电池系统可以包含一电池管理单元，配置以监测该电池系统内复数电力单体的状态。该电力系统可以更包含一主控制器，其依据上述的状态限制所传输至该马达驱动装置的一放电电流。该状态可以包含一电池充电状态、健康状态、以及寿命状态。在其它另外的实施例，该控制电路可以配置以依据跨于该总线量测的阻抗决定该总线健全度中的一故障。针对该故障，该控制电路可以响应以将电池自该总线分离。该控制电路可以量测介于电池及一底盘间的一度量，诸如AC阻抗和DC电阻。同样地，该控制电路可以量测介于总线及一底盘间的一度量，诸如AC阻抗和DC电阻。依据此度量，其可以决定一故障，该故障指出一绝缘失效、一短路状况、或其它失效。本发明实施例可包含一具有多重组态及量测模式的高电压前端(HVFE)电路，其之一可在总线未连接至电池期间使储存于电力总线及底盘间的电容的电荷进行放电。另一实施例包含一 HVFE电路组态及量测模式以验证该电力总线是处于一放电状态。本发明的另一实施例是一 HVFE电路组态及量测模式，以监测AC阻抗(电容)而识别高电压总线绝缘健康度及可能发生的绝缘失效。本发明另一实施例是HVFE电路组态及量测模式以监测从二个电池接头到底盘及从二个电力总线接头到底盘的AC及DC电阻，以侦测一可能绝缘失效或短路故障状况。本发明另一实施例是一种传送电流限制至诸如马达控制单元的载具电子控制模土夬，以依据BMSHC决定的SOC、SOH及SOL水平来致能放电电流限制的回授控制的方法。


经由本发明示范性实施例的具体详尽说明，前述特点将趋于明显，该等说明是配合所附图式进行，不同视图中相同的参照字符表示相同的部件。图式未必成比例绘制，其可能基于本发明实施例的例示所需而予以夸示强调。图1例示可以实施于本发明实施例中的一电池模块。图2例示包含复数电池模块的一电池串(string)。图3是一包含本发明实施例的电池组的功能方块图。图4是一用以提供电力至一马达驱动装置的电力总线的功能方块图。图5A是一用以放电一总线的高电压前端(HVFE)电路组件。
图5B是一用以量测阻抗的HVFE电路组件。图6是一 HVFE控制电路的详细示意图。图7A-C是例示一 HVFE量测功能的波形。图8是例示依据一实施例操作一电动载具的一方法流程图。
具体实施例方式以下是本发明示范性实施例的描述。本发明实施例是有关于大型电动载具电池系统的控制。说明于下的本发明的一些实施例针对该电池系统及在该电池系统之内提供电力总线放电及故障监测以增进电力系统的安全及效能。图1例示可以实施于本发明实施例中的一电池模块100。模块100包含由电池单体组成的一区块105。区块105可以包含一或多种组态的复数个电池单体，诸如配置成复数串联连接的电池单体数组，其中每一电池数组更包含复数并联连接的电池单体，如图中所示。每一模块100同时亦包含一模块控制器110，其可以是一微控制器或是一特定用途集成电路(ASIC)。若电池模块100是配置于一电池模块的阶层式组态之中，则模块控制器110 可如下所示与其他模块控制器(未图标)或一主控制器通信。模块控制器110可以配置成独立地或是基于对一主控制器或其他单元指令的响应而执行一些功能
1.区块电压的模拟至数字(A/D)转换。2.取样区块电压(例如，在一主控制器的请求之下)。3.区块温度传感器输入的A/D转换。4.依据可设定的警示参数进行警示回报。5.依据主控制器的指令进行区块平衡电路的开关及设定电流/时序参数。6.依据内部故障侦测及/或来自主机的指令进行一选择性模块安全装置的开关。图2例示一电池串，其包含所配置成串联组态的复数个电池模块100(如图1所示)。通往一主控制器(未图示)的一通信链接可以一菊炼式(daisy chain)串接的形式连接至每一电池模块。大型电池系统可以包含复数电池模块(例如，如图1所示的电池模块100)、电池串 (例如，如图2所示的电池串200)、或其他电池单体的配置，以及额外的电路以监测及控制电池的运作。此配置可以被称为电池的"电池组"，参照图3说明如下。电池组可以包含一串联及并联电池单体的数组以及额外的控制电路。一群以并联形式连接的个别电池单体构成一"区块"。一区块或区块群组以串联形式相连接并伴同监测及平衡电子组装在一起则形成一模块，其中一实例参照图1说明于上。一群模块以串联形式相连接构成一电池串， 其中一实例参照图2说明于上。此外，多个电池串可以并联方式相连，加上个别保险丝及/ 或接触器(contactor)以形成一电池组，其中一实例参照图3说明于上。就每一电池串而言，保险丝可以被额定为最大电池串电压及电流。接触器可以被额定为最大系统电压及电流。在这些大型电池系统之中，可以实施机械及电子控制以使效能和安全达到优化。 若此等控制有被正确地设计及实施，则电池组将具有接近其所包含的个别电池单体的效能及安全特性。一电池管理系统(BMS)控制电子的架构可以被配置成一主/从形式的分布式处理系统。此一系统包含一单一主处理器，以下称其为BMS主控制器(BMSHC)，与复数电池模块控制器连接。图3例示一电池组300。电池组300包含复数个电池串310A-C，以并联方式连接于一高电压前端(HVFE) 340处。该HVFE340选择性地耦接该等电池串310A-C至一总线(未图标)，并执行如下所述的额外诊断及控制功能。一电池管理系统主控制器350通信耦接至位于每一电池串310A-C的电池模块控制器(未图标)。该BMS主控制器350可以配置以执行有关电池组300安全及效能的各种功能。一些类别的数据可以周期性地自模块控制器取样，包含区块电压、区块温度以及模块警示。主控制器350执行信号调节以及所有电池串电流感测输入的模拟至数字转换(ADC)。主控制器更收集可用的高电压前端(HVFE) 340数据，其可以包含电池串电压、接触器温度、接触器状态、锁扣状态以及绝缘故障状态。主控制器350以开路集极输出的形式提供输出信号以进行HVFE340的控制，诸如预充电及总线正接触器、用于总线负接触器控制的开路集极输出、以及用于冷却系统控制的开路集极输出。主控制器350可以进一步提供2Hz脉冲宽度调变(PWM)输出信号，代表有关组成电池单体的状态的估算，包含充电状态(SOC)、可取用的放电脉冲功率、可取用的再生制动脉冲功率以及固定电流充电速率。电池单体(和以其为组件的电池组合体)的效能通常是以该电池寿命中每一次循环利用时所送出的能量加以衡量。针对此效能的量测及预测，其可以侦测电池温度、电压、负载概况、以及充电速率。这些量测数值可用以估测三个重要参数1)充电状态(S0C)、2) 健康状态(SOH)、以及3)寿命状态(SOL)。此等参数指出电池实时运作的情况。该等估测的精确度取决于数个系统设计元素，包含温度、电压、及电流量测值的精确度和分辨率、前述量测值的采样率、以及用以预测电池理论效能的数据的精密度。该BMS主控制器350提供一控制器局域网络(CAN)总线接口给予支持以下讯息的载具故障警告、故障警示、S0C、健康状态(SOH)、寿命状态(SOL)、接触器状态、锁扣状态、 最高区块温度、最低区块温度、平均区块温度。该BMS主控制器CAN执行区块阻抗计算。其包含SOC、SOH、SOL的计算算法及具有温度及阻抗补偿的区块平衡控制。在电池停用期间 (意即无充电或放电电流)，BMS主控制器350周期性地利用电池单体平衡控制定期估算阻抗(时序可调整)以产生一已知电流及量测电压。该BMS主控制器判定可设定及不可设定的故障状况并采取适当行动。电池组300中的电压量测可在电池单体的位阶进行。一电池组的效能是受限于系统中最弱的电池单体；因此，效能估测必须利用最弱的电池单体的电压进行。此外，电池组中最弱电池单体的位置可能随时间变动；因此，所有的电池单体电压均必须被监测。电压量测精确度基本上是模拟至数字转换器(ADC)的函数，然而亦受到量测连接实施方式的影响。从电池单体接头到ADC输入端的距离应被最小化以避免电磁干扰(EMI)。若有必要，其亦可以运用被动滤波器电路以最小化EMI。电压量测路径可以包含印刷电路板(PCB)上的接线、连接器、及/或铜质迹线。若该路径的任一部分同时亦用以承载电流，则肇因于该电流的压降亦将影响电压量测的精确度。任一电流承载路径的电阻应低到足以使得上述压降在最大负载下可以被忽略。如同电压一般，温度量测可以在电池单体或是尽量接近电池单体的位阶进行，以提供最佳的效能估测精确度。电池单体的容量及循环寿命受温度的影响极大。一些电池单体可能变得比其它单体更热，故个别电池单体的量测对整个电池组的效能估测可能有所帮助。彼此有热接触的电池单体群组的温度可以使用于个别电池单体的温度无法被直接量测的情况。一个量测温度的常用方式是使用一偏压负温度系数(NTC)的热敏电阻器 (thermistor)装置。此方法提供一正比于该热敏电阻的温度的电压，而可以用一 ADC加以量测。从热敏电阻到ADC输入端的距离应被最小化以避免电磁干扰(EMI)。若有必要，其亦可以运用被动滤波器电路以最小化EMI。电池单体电压和电池组电流应同时取样以精确地量测AC阻抗。电池单体电压和电池组电流取样的同步对于AC阻抗的量测相当关键。Swing电池单体的工厂规格阻抗数据系标准的IkHz AC阻抗量测值，因此BMS应能在Ims内撷取二个连续的资料取样。此例中， 阻抗量测仅能在充电电流时段下进行。连续充电期间，其需要不定时改变电流以进行阻抗量测。放电期间，可在下述前提取得多个取样群集1) 一可接受的阻抗量测值所需的电流最小变化必须大于电流传感器的分辨率。2)电流上具有最大变化的取样群集应被采用以提供最大精确度。温度量测的时序较为次要，因为系统的热质量(thermal mass)将限制温度变化的速率。存有数个充电状态(SOC)估测方法可以配合锂离子电池化学使用，包含库伦计数 (Coulomb counting)以及电压式估测。库伦计数是藉由监测电池组电流而达成，且藉由对初始值加上或减去Ah而推导出S0C。此方法的主要难处在于实时决定电池的总容量。此问题藉由利用一具有该电池在各种温度下的理论阻抗对容量曲线的对照表，从实时阻抗量测值内插出实时容量而得到解决。此方法的另一个缺点是精确度受限于电流取样频率。在电压式估测方法中，电池在一些温度及速率下的理论充电及放电电压对SOC曲线被储存于一对照表中，而自最弱电池单体的电压内插出S0C。此方法有二困难点必须处理。在储存及低速率放电期间，电池单体电压在25%及75% SOC之间的可变化幅度小于 200mV而限制精确度。在固定电压(CV)充电期间，因为电压固定而无法决定S0C。针对前述二方法限制，常用于锂离子HEV及PHEV应用的一 SOC估测方式是以如下方式结合上述方法。在CV充电期间可使用库伦计数，因为电流的变化速率稳定，从而降低必要电流采样率。在储存及低速率放电期间，当SOC介于25%及75%之间时可使用库伦计数验证电压式估测的精确度。电压式估测可于所有其他运作条件下使用。健康状态(SOH)是定义为该电池的实时容量相对于被循环使用前的容量的比例。 估测SOH的最佳方式是在系统配置电池的理论容量，并将该数值与实时容量比较。实时容量的决定藉由利用具有该电池在各种温度下的理论阻抗对容量曲线的对照表，从实时阻抗量测值内插出实时容量。寿命状态(SOL)是定义为在电池的总容量萎缩到一可设定的位准(通常是理论容量的80%)以下之前，尚残余的完整放电循环的数目。SOL的估测是藉由利用具有各种温度下的循环寿命对容量曲线的对照表，从实时阻抗估测内插出SOL。其应注意S0L实际上预测的成份大于估测，因此当电池的运作状况随时间改变而可能增加或减少。在一电动载具电池组中，在电池单体和模块间平衡电荷的能力对于电池组达成高效能系一重要能力。在一锂离子电池组中，单一较弱组件因老化或循环使用而容量减损将使得该电池组的其余部分无法充分发挥其效能。当一串联电池串中的一电池单体在放电期间领先电池组的其余部分抵达其最低电压时，该电池组即必须截止放电，而此时尚有可观的能量残留于状况良好的电池单体之中。所用的平衡技术通常是被动式或主动式。被动式技术包含经由一散热逸电阻器(dissipating resistor)使过度充电(较高电压)的电池单体进行放电。此过程具有产生废热的缺点。主动式平衡技术在能量上较有效率，其通常利用开关电容电路以传输电荷至邻近电池单体(例如参见美国专利公开案第2005/0024015号， 其整体以参照方式并入本说明书)或者利用变压器耦合以传输电荷至整个模块电池串。当电池组变大而具有较大容量，就安全性及效能而言，监测电力总线的状况及状态变得相当重要，特别是提供总线隔离故障监测。此外，当电力总线未连接至电池时，使其进行放电并确认足够的放电位准是极为重要。效能的进一步优化可依据该电池系统的特性藉由控制电池输出电流限制而达成。 此等特性可包含SOC、SOH及S0L，且可由一利用CAN总线或其他I/O通信方式通往一外部系统的回授信号指示。(利用诸如CAN总线的数据通信接口系统致能介于一载具中各种控制单元之间的通信。)因此可依据电力系统内的电池状态对通往一马达驱动装置的输出电流加以限制。例如参照图3，该BMS主控制器350可透过CAN总线传送一电流限制至一诸如马达控制单元的载具电子控制模块(未图标)。此通信依据BMS主控制器决定的SOC、SOH 及SOL的水平，致能放电电流限制的回授控制。在一实例中，电池SOC可被用以提供一电流限制回授至马达驱动装置(例如，用以驱动电动载具的马达组件)处的负载，意味该电流限制因SOC随时间递减而以该SOC的函数形式递减。在其他实施例中则使用其他参数限制电池电流，诸如BMS主控制器量测及估测的电池SOH及SOL。举例而言，若BMS主控制器判定电池单体已老化(意即，SOL减少)至一门坎值限制及一缩减水平的S0H，则BMS主控制器可降低最大电池电流限制。调整用以控制每一马达旋转扭矩及速度的PWM信号以反映较低电流限制。图4是一用以提供电力至一马达驱动装置405的电力系统400的功能方块图。电力系统400包含一电池410 (其可包含电池单体配置及相关电路，如前参照图1-3所述)、 一电力总线Vbus 450、一 HVFE控制电路430、及作为该HVFE的组件的一接触器(SW-PRE、 Sff-P,Sff-N)的配置。该HVFE控制电路430连接至正端及负端电池接头V_Bat+&V_Bat-。 此外，该HVFE控制电路430经由线路Vprecharge提供一通往电力总线450的直接连接，选择性地绕过主要电力总线接触器SW-P和SW-N(以下参照图5A-B和图6进一步详述)。此通往电力总线450的直接连接使得HVFE控制电路430在主要电力总线接触器SW-P和SW-N 断开时，可以对电力总线450进行监测及放电。该HVFE控制电路430更提供一连接通往载具底盘445。一总线预充电电路470使得系统400可以在主要电力总线接触器SW-P、SW_N关合之前等化介于电池接头Vbat和电力总线450之间的电压。当BMS主控制器(未图示)命令HVFE关合电力总线预充电开关SW_PRE之时，电荷由电池410流向电力总线450和电流限制预充电电阻器ILPrecharge，直到总线电压等于电池电压为止，而因此使该总线被充电。电容C_FP及C_FN代表与电池410和马达驱动装置405相连的滤波器电容器的结合电容。电容C_BP及C_BN代表电力总线450至底盘445的结合分布电容，且例如包含跨于电力总线绝缘的电容。电阻R_BP及R_BN代表电力总线450至底盘445的结合分布电阻， 且例如包含跨于电力总线绝缘的电阻。除连接及分离电池410与电力总线450之外，HVFE控制电路430尚提供一些功能。 HVFE控制电路在总线450未连接至电池410期间，控制储存于电力总线450及底盘445间的电容中的电荷放电。HVFE控制电路430亦确认总线已放电。此外，HVFE控制电路430监测AC阻抗(电容)以决定电力总线450的绝缘健康度及可能发生的绝缘失效。该HVFE控制电路430亦监测从二电池接头Vbat到底盘445及从电力总线接头Vbus到底盘445的AC及DC电阻，以侦测可能的绝缘失效或短路故障状况。 以下参照图6说明一 HVFE控制电路的详细示意图，而此电路的一部分，特别针对上述的功能，亦参照图5A及5B说明于下。图5A显示一 HVFE控制电路的一部分，其基于图6的HVFE控制电路，且致能储存于电力总线及底盘间的电容中的电荷的放电。参照图4，被图5A电路放电的电容系C_FP、C_ FN、C_BP及C_BN。电力总线可在总线未连接至电池时(意即当图4的接触器SW-P及SW-N 断开时)的所有时间内放电。回头参照图5A，BMS主控制器(未图示)指示HVFE关合开关构件U12、U3、TO和U72。该等开关构件的实施方式可使用一光隔离式固态功率晶体管(例如，Panasonic型号AQV258A)、或替代性地使用一机械式致动中继开关或藉由一类似电气开关构件。当前述的开关构件关合时，电流流过介于V_Bus+、V_Bus-及底盘间的放电电阻器Rl及R6，直到总线电压V_Bus+和V_Bus-与底盘的电压位准相同为止。其可选择电阻器 Rll及R66以抵抗大于最高总线电压位准的压降，且使得其电阻值具有大于最大总线电压消耗功率的功率额定值(例如，具有10. OM Ohm电阻和1000V最大电压额定值的电阻器)。图5B显示一 HVFE控制电路的一部分，其基于图6的HVFE控制电路来致能AC阻抗(电容)的监测以识别高电压总线绝缘健康度及绝缘失效的产生。总线阻抗的量测是利用一切换式RC网络，其以分别正比于正端或负端总线电容C_BP或C_BN的一时间常数进行充电。虽然图5A的电路例示一通往电力总线Vbus的连接，但该电路可以被切换成跨越电池接头Vbatt+及Vbatt-以量测跨越该电池的AC阻抗和DC电阻，透过一如下参照图6所述的替代组态。一电压比较器电路U5A，其运作是充当一侦测器以侦测充电至一参考电压的时间，当该RC电路抵达一等于一参考电压位准V_ref的电压时触发一输出信号VSD0。上述的AC阻抗监测模式是当BMS主控制器(未图示)指示HVFE将开关U3断开的时被致能。 开关Ul接着被关合以监测正端电容C_BP，或者开关U7被关合以监测负端电容C_BN。针对诊断的目的，Ul和U7 二者均可以被断开以监测与C_3并联的已知量测阻抗R_M。此外，针对底盘电压的诊断，开关Ul和U7可以被断开，而开关U3可以被关合。图5B开关的适当组态依据预定采取的量测动作被启用后，BMS主控制器提供数字驱动信号乂_20以将充电电容"归零"。V_ZCC的高位准应足以将归零晶体管置于导通状态。V_ZCC的低位准应将该归零晶体管置于非导通状态。一典型数字驱动信号显示于图7A。 该驱动信号的频率被选择以等于或大于一健康电力总线的预期RC时间常数。图5B的电路运作如下，假定开关U3被断开，开关Ul被关合且开关U7被断开。当输入数字驱动信号v_zcc是高位准，则归零晶体管导通，且所有总线电容均透过该归零晶体管放电而比较器被箝制至一低输出位准。该电容因此被"归零"。当输入数字驱动乂_ ZCC是低位准，则归零晶体管未导通而总线电容以RC时间常数(R_M+R_BP)*(C3+C_BP)进行充电。图7B显示跨于量测电容C3的一典型充电及放电波形。比较器上的输出V_SD0是低位准，直到跨于C3的量测电压抵达在比较器切换至高位准时位准。该比较器的典型输出显示于图7C。当总线电容C_BP发生变化，可能肇因于绝缘失效的发生或对总线绝缘的其他损伤，该量测时间常数改变且比较器判定成立的总时间亦产生变化。总线电容改变的效应显示于图7A、B及C中的左侧及右侧间。在左侧，比较器切换至高位准一段时间长度tl，而在右侧，比较器仅在时间长度t2上被导通。量测该时间长度的一个方式是位于 BMS主控制器中并监测比较器输出位准V_SD0的一个定时器。若该时间长度位于一特定范围之内或在一特定位准上，则可推测其可能与源于绝缘失效或损伤的总线电容变化有关。图5B中AC阻抗量测电路的另一特征在于量测电力总线绝缘电容特有的一预定范围中的阻抗的组态，而对源于诸如马达驱动装置中滤波器的其他电容并不敏感。此是藉由加入勘与预期的电力总线电阻R_BP及电容C_BP相比较的参考电容C3和参考电阻R_M而达成。归零晶体管驱动信号的频率被选择以侦测量测RC时间常数。当总线电容或电阻改变时，该时间常数将以该量测RC时间常数的级数进行变化。诸如源于马达驱动装置电路中的滤波电容而远小于或远大于该总线对底盘阻抗的其他阻抗相对于该量测RC时间常数将不致有巨幅变化。图6显示一 HVFE控制电路的详细示意图。该HVFE控制电路利用SPI隔离缓冲器 U4提供一隔离数字通信接口。介于BMSHC及该HVFE电路间的数字通信通过该隔离缓冲器 U4。穿过U4的通信通道是提供通往模拟至数字转换器(ADC)US的SPI信号、通往归零晶体管Ql的归零电容频率信号、比较器U5A输出、开机信号、及致能输出信号。
在另一运作模式中，HVFE监测介于1)电池接头和底盘之间及2)电力总线接头和底盘之间的AC阻抗及DC电阻。该监测致能诸如绝缘失效或短路的一或多个故障状况的侦测，且可藉由ADC U8所指示。ADC U8提供位于图5B中的比较器输入处及跨于量测阻抗 (C3及R_M)的瞬间模拟电压位准的一数字化量测值。当主要接触器连接总线至电池时，该电压位准提供电力总线相对于底盘的DC和AC电阻的一指示。当主要接触器分离总线与电池时，U8提供电池接头相对于底盘的DC和AC电阻的一指示。例如，若电力总线与电池分离，主动AC量测模式被禁能，且U8对电池正接头BAT1000V_Plus和底盘之间的量测指示一零伏特电位差，则将指示一跨于电池正接头至底盘的可能短路状况。此外，可使用ADC U8 以确认电力总线已然被充分地放电。例如，若前述的HVFE放电模式被致能，一跨于量测阻抗的零电压指出正端及负端电力总线轨均已放电至底盘的位准。可使用图7所示齐纳箝位二极管Dl以保护并限制比较器U5A上的输入电压位准。 二极管Dl可选择使所具有一箝位电压小于跨于比较器所允许的最大输入电压，并大于跨于量测电容的预期最高电压。此箝位可用以防止一错误量测状况。例如，若开关Ul及U7 二者同时关合，则整个总线电压将呈现跨于比较器并被Dl箝制至一安全位准。各种不同的固态开关控制图6中的模式的组态。开关UO利用一跨于R5及R7的电阻分压器致能一 V_PRECHARGE电压位准的探测。此线路亦用以在当主要接触器侦测SW-N 及SW-P断开时侦测正端总线电压。其藉由启用开关U12、U3、U6及U72致能总线放电组态(图5A)，从而使得电阻器 Rll及R66做为从总线迹线到底盘的一条放电路径。总线可以被放电至与底盘相同的电压位准。AC及DC阻抗量测模式(图5B)藉由启用开关Ul及U7并断开开关U3而被致能。图8是例示依据一实施例操作一电动载具的一方法程图。该方法可藉由一电力系统以及如前述参照图1-6的相关组件完成，特别是前述参照图4-6的HVFE控制电路。在一分离及放电状态之中805，诸如当该载具断电之时，电池自电力总线分离。 HVFE电路进入一如图5A中的组态以使电力总线进行放电并藉由量测位于V_PreCharge在线的正电压位准确认总线被放电。此外，HVFE电路可实行一些诊断测试以确保电力总线、电池及相关硬件的健全度，包含验证电池接头相对于底盘的电压以确保电池接头至底盘未短路(DC电阻检查)；周期性核验总线对底盘放电(若未确认总线放电则重复放电动作)； 核验电池接头的AC阻抗，从而确认电池接头的绝缘健康度；及利用V_Precharge线路核验正端总线接头相对于底盘的AC阻抗。此等诊断测试参照图4-7说明于上。针对一用户指令(例如，转动一发动钥匙)作响应以起始一电力启动程序806。在将电池连接至总线前，HVFE实施一些测试以验证总线及电池系统的健全度810。这些测试可包含上述在分离及放电状态的步骤805中的测试。若电池及总线通过核验815，则起始一预充电程序以将总线的电压升高至一相当于电池电压的电压820。核验上述的预充电821， 且若该总线电压抵达一目标电压822，则HVFE将电池连接至总线830。此时当该预充电断开时，可利用V_PRECHARGE核验总线电压，从而确认正端总线接触器的正确运作。在此状态 830中，使用者可利用电池供应电力予该载具来操作840。在此操作期间，BMS主控制器可依据量测或估算电池S0C、S0H及/或SOL调整对马达驱动装置的一输出电流限制845。此夕卜，HVFE控制电路可持续或周期地监测总线及电池的健全度850。在此状态中，HVFE电路可实施一些诊断测试，包含一 V_BAT1000V_PLUS至底盘的AC阻抗检查以核验正总线侧绝缘健康度或侦测将发生的失效；一 V_BAT1000V_MINUS至底盘的AC阻抗检查以核验负总线侧绝缘健康度或侦测将发生的失效；V_BAT1000V_PLUS的DC电阻检查以侦测总线正端相对于底盘是否有漏电阻或短路；以及一 V_BAT1000V_MINUS的DC电阻检查以侦测总线负端相对于底盘是否有漏电阻或是短路。若侦测到一故障860，则可以使电池自总线分离以确保电力系统的安全805。否贝IJ，若总线及电池健全度被确认，则该载具可以继续正常运作840。虽然本发明以示范性实施例的方式详细说明如上，但习于此系技术人士应能理解，各种结构及细节的变更均可在未脱离后附申请专利范围所包含的本发明范畴下实现。
权利要求
1.一种电动载具电力系统，包含一电池系统；一总线，配置以传输电力至一马达驱动装置；以及一控制电路，配置以选择性地耦接该电池至该总线，并监测该总线的健全度 integrity，该控制电路针对该电池及该总线间的一分离进行响应以将该总线的电容放电至一底盘；及量测跨于该总线的阻抗。
2.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该控制电路在该分离之后的一段时间长度中量测跨于该总线的阻抗。
3.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该电池系统包含一电池管理单元，其配置以监测该电池系统内复数个电力单体的状态。
4.如申请专利范围第3项的电动载具电力系统，更包含一主控制器，其依据该状态来限制所传输至该马达驱动装置的一放电电流。
5.如申请专利范围第4项的电动载具电力系统，其中该状态是一电池充电状态、健康状态、以及寿命状态中的一或多项。
6.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该控制电路更配置以依据跨于该总线所量测的阻抗决定该总线的健全度中的一故障。
7.如申请专利范围第6项的电动载具电力系统，其中该控制电路更配置以依据该故障将该电池自该总线分离。
8.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该控制电路更配置以量测介于该电池和一底盘间的一度量，该度量是AC阻抗及DC电阻中至少其
9.如申请专利范围第8项的电动载具电力系统，其中该控制电路更配置以依据该度量来判定一故障，该故障指示一绝缘失效以及一短路状况中至少其一。
10.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该控制电路更配置以量测介于该总线和一底盘间的一度量，该度量是AC阻抗及DC电阻中至少其一。
11.如申请专利范围第10项的电动载具电力系统，其中该控制电路更配置以依据该度量来判定一故障，该故障指示一绝缘失效以及一短路状况中至少其一。
12.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该电池系统包含复数个电池单体。
13.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该控制电路包含一切换式电阻器-电容器RC电路，配置以正比于所跨于该总线的一电容的一时间常数进行充电，以及一侦测器以侦测所充电至一参考电压的一时间。
14.如申请专利范围第13项的电动载具电力系统，其中该控制电路将该总线电容选择成一正端总线电容和一负端总线电容中一者。
15.如申请专利范围第13项的电动载具电力系统，其中该控制电路配置成使该RC电路在用以量测跨于该总线的阻抗的一组态和量测跨于该电池的阻抗的一组态之间进行切换。
16.如申请专利范围第13项的电动载具电力系统，其中该控制电路系配置以切换该RC 电路来量测跨于该底盘的一电压。
17.如申请专利范围第13项的电动载具电力系统，其中该控制电路更配置成以该总线电容的变化函数来回报一故障。
18.如申请专利范围第1项的电动载具电力系统，其中该控制电路配置以切换运作的复数个模式，该等模式包含使该总线电容进行放电；以及量测跨于该总线的阻抗。
19.如申请专利范围第18项的电动载具电力系统，其中该运作的模式更包含 量测跨于该电池的阻抗；以及量测跨于该底盘的电压。
全文摘要
一种电动载具电力系统包含一电池系统；一总线，配置以传输电力至一马达驱动装置；以及一控制电路，以选择性地耦接该电池至该总线。该控制电路是用以针对该电池及该总线的一分离进行响应，以使该总线的电容放电至一底盘。此外，该控制电路量测跨于该总线的阻抗。因此，该控制电路可监测该总线的健全度并侦测故障，诸如短路或是总线绝缘度降低。
文档编号B60L11/18GK102481858SQ201080038808
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年9月1日
发明者普尔·欧娜鲁德, 杰-罗杰·林纳, 查德·索莎, 约翰·华纳 申请人:波士顿电力公司