隔离监视器性能工具和测试隔离监视器的方法

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。

说明书

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 动力电动车辆电系统组件的性能。

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。

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

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。

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。

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引入泄漏。

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。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。

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。

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。

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；

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；

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；

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。