专利名称：使用电路故障自检测量装置来测量隔离高压以及检测隔离击穿的制作方法
技术领域：
本文中所描述的电路、系统和方法涉及测量隔离高压和检测隔离击穿。
背景技术：
电动车辆(“EV”)和混合动カ电动车辆(“HEV”)正在成为燃气动カ车辆的可行替代方案，但是提出了在传统燃气动カ车辆中没有的独特挑战。电动车辆和混合动カ电动车辆通常具有电池组，电池组包括多个串联的电池以产生可以为几百伏数量级的高压。在传统的燃气动カ车辆中，车辆启动器电池具有较低的电压，通常为12至14伏。在EV和HEV中，例如为了监测电池组电压，会需要对高压电路进行高压测量。期望能够检查发生在电池组的高压端子与底盘之间的故障。可以执行高压(“HV”)測量来验证接触器的状态以及安全地执行接触器状态机；命令合适的充电电压以及验证所述充电电压；验证及确定部分地基于电池组电压的充电和放电界限；以及验证电池电压测量的总和(例如通过比较该总和与测量的电池组电压)。如果高压測量失效，则存在车辆不能够正确地闭合高压接触器以进入驾驶或充电模式的可能性，或者存在车辆不能够检测到被卡在断开或闭合状态的失效接触器的可能性。还存在电池组可能被提供不正确的充电电压或充电失效的可能性，或者存在电池电压检查失效从而阻止驾驶车辆的可能性。如文中所使用的，高压测量被视为对电池的电池组电压的測量，或者被视为对连接到电池组电压的系统的测量。电池组电压的范围可以为几十伏(例如20V、30V、50V等)至几千伏。对于启动器电池的測量或构成电池组的单个电池的測量，不需要高压(HV)测量。如果电池组被分成为数不多的部分，例如通过中间电池组断路器分开的正半部分和负半部分，则这些部分的测量将会被包括作为高压測量。贯穿本文，术语“电池组”和“电池包”可以互换使用。在包含有这样的电压的任何电池系统中，高压的准确测量是必要的。为了提供安全又鲁棒的系统，可以使用接触器将高压提供给服务可访问终端或将高压从服务可访问终端去除。“接触器”是用于切換功率电路的电控型开关，除了具有较高的电流和/或工作能、力之外类似于继电器。控制接触器的电路的功率等级远低于被切換的电路。可以提供通过测量高压值来验证这些接触器的正确操作的能力。准确的高压测量向电池管理系统提供关于这些接触器的状态的反馈。电池系统将接ロ到外部充电器。高压测量值需要被准确地提供给这些充电器，以确保提供合适的充电电压。通常，验证来自充电器的电压也是电池管理系统的责任。电池管理系统需要保持关于电池组的准确信息，以便于对系统做出明智的决策。这些决策包括但不限于使用预充电系统和决定何时闭合接触器；向连接到电池组的系统(例如充电器、电机控制器)提供电流和电压限制；以及数据收集。此外，通过比较电池测量值的总和与电池组高压测量值而将电池组高压测量值用于验证电池电压测量。这提供了另外的验证来验证电池电压测量值是准确的。

发明内容
一些实施例涉及ー种用于进行高压测量以测量电池组的电压以及检测隔离故障的系统。所述系统包括第一电阻分压器和第二电阻分压器，所述第一电阻分压器具有至少第一电阻元件和第二电阻元件，所述第二电阻分压器具有第二电阻元件和第三电阻元件。所述系统还包括多个开关，所述多个开关包括耦接在第二电阻元件与电池组之间的第一开关和第二开关。所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述多个开关以第一模式进行操作以基于第一电阻分压器产生的电压来測量电池组的电压；以及控制所述多个开关至少以第二模式进行操作以基于第二电阻分压器产生的电压来检测隔离故障。一些实施例涉及ー种用于测量电池组的电压和检测隔离故障的系统。所述系统包括多个电阻元件和连接到所述多个电阻元件的多个开关。所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述多个开关以第一模式进行操作以基于通过以第一配置将所述多个电阻元件耦接到电池组而产生的信号来測量电池组的电压；以及控制所述多个开关至少以第二模式进行操作以基于通过至少以第二配置将所述多个电阻元件耦接到电池组而产生的信号来检测隔离故障。一些实施例涉及ー种用于測量电池组的隔离故障的大小的系统。所述系统包括第一电阻分压器和第二电阻分压器，所述第一电阻分压器至少包括第一电阻元件和第二电阻元件，所述第二电阻分压器包括第二电阻元件和第三电阻元件。所述系统还包括多个开关，所述多个开关耦接在第二电阻元件与电池组之间。所述系统进ー步包括控制器，所述控制器被配置成控制所述多个开关以第一模式进行操作以使用第一电阻分压器进行第一测量；使用第二电阻分压器进行第二測量；以及基于第一測量和第二测量确定隔离故障的大小。前述发明内容只是作为说明而提供，并不意在限制。


图I示出了高压测量系统的实施例的示意图，其中高压测量系统包括开关、分压器和电容器以对电压进行采样。 图IA示出了ー个示意图，该示意图示出高压测量系统是可扩展的，可以用于进行其他电压的測量；
图2是具有Y电容和隔离故障的车辆的示意图。图3示出了具有集成的隔离故障检测的优选高压测量系统的实施例。图4是示出了来自高压电池组的负半部分的隔离故障的测量的示意图。图5是示出了来自高压电池组的正半部分的隔离故障的测量的示意图。图6是图3的简化，其中以电阻器R_Measure和开关代替了測量电路，其中在电阻器 R_Measure 两端测量 V_Measure。
图7是图6的简化，用于确定在开关闭合之后C_Y如何快速稳定。图8示出了能够自诊断的通用电路，其包括在没有外部电压存在的情况下对測量电容器进行充放电的能力。图9示出了可以被执行来用于验证高压测量电路的正确操作的步骤的流程图。图10示出了简化的车辆电路，其包括高压电池组(VI)、具有预充电的接触器电路(K1、K2和K3)以及车辆逆变器。图11示出了另ー种车辆电路，所述车辆电路包括作为另外的高压感测点的FAST_CHARGE_POSITIVE 和 FAST_CHARGE_NEGATIVE。图12示出了类似于图8的实施例，其中包括有另外的串联电阻器。
具体实施例方式图I示出了高压测量系统的实施例的示意图。如图I所示，高压测量系统包括形成电阻分压器的三个电阻器R1、R2和R3、开关SI至S6、保持測量值的电容器以及将电压转换成数字值的模数转换器(ADC)。图I中的系统示出了具有两个感测点的高压测量系统。所述两个感测点连接到电池组电压VI。感测点位于Vl与Rl之间的接点处以及Vl与R2之间的接点处。通过从电阻R3上的相应点(无论是正的点还是负的点)到待测量的节点之间加入电阻器Rn和串联开关Sn，所述系统可扩展至任意数量的感测点，如图Ia所示。这些另外的点可以用于測量接触器的负载侧的电压、中间电池组接触器或中间电池组断路器两端的电压、或根据需要的其他高压。如将要描述的，所述系统为廉价且可扩展的，利用高压测量与隔离测量的共享电路来降低部件成本和大小。所述系统是可靠的并包括多种自检方法，以避免大多数电路和系统的故障。所述系统为安全的，内建有保护功能以防止故障导致危险事件。隔离高压测量在图I中，待测电压表示为VI。将开关SI和S2闭合，从而在R1、R2和R3之间建立电阻分压器。要注意的是，可以有任意数量的电阻器以用于将待测电压扩展到测量该电压的模数转换器(ADC)的可接受界限范围内的电平。当电阻分压器停留到稳定的电压吋，开关S3和S4闭合，以对与R3并联的Cl充电。当Cl已被充电足够长的时间时，将S3和S4断开，从而去除电阻器以保持隔离，而同时Cl保持測量值。然后，ADC通过闭合的开关S5和S6读取该值。然后，可以在软件中将转换的值乘以已知的标称电阻分压器的分压比来还原Vl的实际值。图2表示具有Y电容和隔离故障的车辆。Y电容为在电池组与底盘之间的任何电容并且可以存在于任何源中。它可以作为在电池与底盘之间的平行板电容而存在，它可以存在于监测电路中，并且它可以加入到充电器和逆变器中以根据电磁兼容(EMC)原则来滤除噪声。隔离故障可以是电池与底盘之间的任何电阻连接。单个隔离故障电阻可以将电池组引至底盘。如果这种情况发生，忙于电池组工作并接触底盘的人员会构成该电路，从而取决于故障的严重性而导致潜在危险或实际上危险的状況。另外，如果存在两个或更多个隔离故障，电流会流过这些故障，从而使电池放电并可能会损坏电路。最后，隔离故障可以表示电解质从电池泄漏或其他错误，并可以作为电池的“健康状态”测量的输入。重要的是，要注意隔离故障可以作为单个故障或作为产生单个戴维南等效故障的分布式故障而存在于电池系统中。隔离故障还可以存在于充电器、逆变器、电池监测电路或连接到电池的其他东西中。通过电池组观察的故障电阻和Y电容会发生变化，并在任何给定时间为连接到电池组的东西的函数。图3示出了具有集成的隔离故障检测的高压测量系统的实施例的示意图。图3示出了具有VPack的电路，其中VPack连接到Rl和R2。故障可以存在于电池组中的任何电压处。图3将电池组分成上部分(VpaduJ和下部分(V Padt Neg)，故障位于两者之间。Vpack pos或VpactNeg可能为0V，这将表示直接从电池组正极或电池组负极到底盘的故障。Vpadt ptjs与Vpadufeg之和等于总的电池组电压。另外，可能具有多个故障，如图2所示。对于图3，故障被组合成表示为R_Fault的戴维南等效故障。V_Pack|、R_Fault和C_Y在高压测量系统之夕卜。要注意的是，R.Fault为所有电阻路径到底盘的戴维南等效，C_Y为所有的连接的电容器的并联组合。集成的隔离故障检测为高压系统的一部分，其包括R_IS0_P0S、R_IS0_NEG、S7和S8。要注意的是，R_IS0_P0S和R_IS0_NEG实际上可以为同一电阻元件，这是因为它们从不在同一时间使用。V_Pack_P0S是隔离故障上面的电池组部分，而V_Pack_Neg是隔离故障下面的电池组部分。直至測量完成之后为止，所述系统才知道V_Pack_P0S或V_Pack_Nego对等式进行推导以确定R_Fault，通过将图3描绘成分成两个部分的电池组来简化V_Pack_P0S 和 V_Pack_Neg。V_Pack_P0S 和 V_Pack_Neg 之和为 V_Pack。同样，取决于连接到电池组的东西，R_Fault和C_Y会发生变化。例如，当将逆变器连接到电池组吋，C_Y将变得较闻。隔离故障检测可以将已存在于合适的位置的部件用于高压測量来降低板级成本和复杂度。为了进行測量，通过闭合SI和S8从高压电池组的正极到底盘建立电阻分压器。然后，通过闭合S3和S4对电容器Cl充电来测量电压，接着通过断开S3和S4并闭合S5和S6来测量电压。这种测量被标记为V_Measure_Pos,它很可能不等于V_Pack_Pos。现在,重复类似过程，通过闭合S2和S7从底盘到高压电池组的负极建立电阻分压器，然后重复上述相对于开关S3至S6的步骤来测量电压。这种测量被标记为V_Measure_Neg,它很可能不等〒V_Pack_Neg。进行第三測量，第三测量为V_pack。根据这三个测量V_Measure_Pos、V_Measure_Neg 和 V_Pack,可以确定 V_Pack_Pos、V_Pack_Neg 和 R_Fault 的值。以下部分将不出在给出V_Pack、V_Measure_Pos和V_Measure_Neg的情况下如何计算 R_Fault、V_Pack_Pos 和 V_Pack_Neg。为了简单起见，将R_IS0_NEG(或 R_IS0_P0S) +R3+R1 (或 R2)称为 R_Measure。V_Measure为R_Measure两端的测量电压并可以通过采用ADC读取它并将它乘以R_Measure/R3来确定。因此，权利要求
1.一种用于进行高压测量以测量电池组的电压和检测隔离故障的系统，所述系统包括 第一电阻分压器，所述第一电阻分压器至少包括第一电阻元件和第二电阻元件； 第二电阻分压器，所述第二电阻分压器包括所述第二电阻元件和第三电阻元件； 多个开关，所述多个开关包括耦接在所述第二电阻元件与所述电池组之间的第一开关和第二开关；以及 控制器，所述控制器被配置成控制所述多个开关以第一模式进行操作，以基于所述第一电阻分压器产生的电压来测量所述电池组的电压；以及控制所述多个开关至少以第二模式进行操作，以基于所述第二电阻分压器产生的电压来检测隔离故障。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述多个开关以第三模式进行操作，以验证所述多个开关的操作。
3.根据权利要求I所述的系统，其中所述第一电阻元件和所述第三电阻元件分别连接到所述电池组的第一端子和第二端子。
4.根据权利要求I所述的系统，其中所述第一开关连接在所述第一电阻元件与所述第二电阻元件之间，所述第二开关连接在所述第二电阻元件与所述第三电阻元件之间。
5.根据权利要求I所述的系统，其中所述系统被配置成通过测量代表所述电池组的电压的所述第二电阻元件两端的电压来测量所述电池组的电压。
6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括 第二组多个开关，所述第二组多个开关耦接到所述第二电阻元件，其中所述控制器被配置成通过接通所述第二组多个开关来对所述第二电阻元件两端的电压采样。
7.根据权利要求6所述的系统，进一步包括电容器，所述电容器连接到所述第二组多个开关，以对所述第二电阻元件两端的电压采样。
8.根据权利要求I所述的系统，进一步包括第三开关，以在所述多个开关被控制为以所述第二模式进行操作时，将所述第三电阻元件连接到所述第二电阻元件，其中所述控制器被配置成当所述多个开关被控制为以所述第二模式进行操作且所述第三开关被接通时进行第一隔离故障测量。
9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括 第四开关，当所述多个开关被控制为以所述第二模式进行操作时，所述第四开关将所述第三电阻元件或第四电阻元件连接到所述第二电阻元件，其中所述控制器被配置成当所述多个开关被控制为以所述第二模式进行操作且所述第四开关被接通时进行第二隔离故障测量。
10.根据权利要求7所述的系统，进一步包括第三组多个开关，所述第三组多个开关与所述第二组多个开关串联连接以将所述电容器耦接到测量电路。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器被配置成以自检模式控制所述系统，以验证所述第三组多个开关、所述第二组多个开关和/或所述第一组多个开关的操作。
12.根据权利要求I所述的系统，进一步包括 模数转换器，所述模数转换器被配置成接收由所述第一电阻分压器或所述第二电阻分压器产生的电压，并将由所述第一电阻分压器或所述第二电阻分压器产生的电压转换成数字值。
13.根据权利要求12所述的系统，进一步包括 自检电路，所述自检电路连接到所述模数转换器的输入端，以将所述模数转换器耦接到至少一个参考电压。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制器被配置成通过将所述模数转换器的输入端耦接到所述至少一个参考电压以验证由所述模数转换器产生的数字值表示所述至少一个参考电压，来验证所述自检电路的操作。
15.根据权利要求I所述的系统，其中所述控制器被配置成确定在所述隔离故障两端的电压。
16.根据权利要求I所述的系统，其中所述控制器被配置成确定所述隔离故障的大小。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置成确定测量所述隔离故障的大小的不确定度。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述控制器被配置成使用第一测量时序在第一模式下进行隔离测量和使用第二测量时序在第二模式下进行隔离测量。
19.根据权利要求18所述的系统，其中分别基于所述第一模式和所述第二模式的期望测量精度来选择所述第一测量时序和所述第二测量时序。
20.根据权利要求I所述的系统，其中所述控制器被配置成测量与所述隔离故障并联的电容。
21.根据权利要求I所述的系统，其中所述控制器被配置成当进行隔离测量时暂时停用电池测量。
22.根据权利要求I所述的系统，进一步包括另外的电阻器和开关，以进行另外的高压测量。
23.一种用于测量电池组的电压和检测隔离故障的系统，所述系统包括 多个电阻元件； 多个开关，所述多个开关连接到所述多个电阻元件；以及 控制器，所述控制器被配置成控制所述多个开关以第一模式进行操作，以基于通过以第一配置将所述多个电阻元件耦接到所述电池组而产生的信号来测量所述电池组的电压；以及控制所述多个开关至少以第二模式进行操作，以基于通过至少以第二配置将所述多个电阻元件耦接到所述电池组而产生的信号来检测隔离故障。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述多个开关以所述第二模式进行操作，从而以所述第二配置将所述多个电阻元件耦接到所述电池组，以进行第一隔离故障测量；以及控制所述多个开关以第三模式进行操作，从而以第三配置将所述多个开关耦接到所述电池组，以进行第二隔离故障测量。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述第一隔离故障测量和所述第二隔离故障测量来检测隔离故障。
26.根据权利要求24所述的系统，其中所述控制器被配置成基于所述第一隔离故障测量和所述第二隔离故障测量来确定所述隔离故障的大小。
27.一种用于测量电池组的隔离故障的大小的系统，所述系统包括 第一电阻分压器，所述第一电阻分压器至少包括第一电阻元件和第二电阻元件； 第二电阻分压器，所述第二电阻分压器包括所述第二电阻元件和第三电阻元件；多个开关，所述多个开关耦接在所述第二电阻元件与所述电池组之间； 控制器，所述控制器被配置成控制所述多个开关以第一模式进行操作，以使用所述第一电阻分压器进行第一测量，使用所述第二电阻分压器进行第二测量，以及基于所述第一测量和所述第二测量确定所述隔离故障的大小。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述控制器被配置成确定所述隔离故障两端的电压。
29.根据权利要求27所述的系统，其中所述控制器被配置成确定测量所述隔离故障的大小的不确定度。
30.根据权利要求27所述的系统，其中所述控制器被配置成测量与所述隔离故障并联的电容。
全文摘要
一种用于进行高压测量以测量电池组的电压并检测隔离故障的系统。所述系统包括第一电阻分压器，所述第一电阻分压器至少包括第一电阻元件和第二电阻元件。所述系统还包括第二电阻分压器，所述第二电阻分压器包括第二电阻元件和第三电阻元件。所述系统还包括多个开关，所述多个开关包括耦接在第二电阻元件与电池组之间的第一开关和第二开关。所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述多个开关以第一模式进行操作以基于第一电阻分压器产生的电压来测量电池组的电压；以及控制所述多个开关至少以第二模式进行操作以基于第二电阻分压器产生的电压来检测隔离故障。
文档编号G01R31/02GK102652265SQ201180004281
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者丹尼尔·A·苏夫林-迪斯勒, 威廉·G·诺里斯, 安托尼·M·桑索内, 彼得·弗雷德里克·诺尔特曼, 菲利普·约翰·韦克 申请人:科达汽车公司