CN101565027A - 具有对数自保护功能的高压总线放电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有对数自保护功能的高压总线放电电路。提供了用于使耦接至放电电路的高压总线放电的系统及方法。方法包括获取高压总线的第一电压电平。该方法还包括基于第一电压电平确定第一放电时间，和激活放电电路。该方法还包括在第一放电时间之后获取高压总线的第二电压电平，比较第一电压电平与第二电压电平，以及如果第一电压电平与第二电压电平之间的差异小于阈值则使放电电路去活。

Description

具有对数自保护功能的高压总线放电电路

技术领域

这里描述的主题的实施例总体涉及电动及混合动力车辆驱动系统，且更具体地，所述主题的实施例涉及用于高压总线电容的放电电路。

背景技术

近年来，技术的发展以及时尚风格的变化使得机动车的设计产生了实质性改变。其中一种改变涉及能量使用以及机动车内各种电气系统的复杂度，特别是代用燃料车辆，例如混合动力、电动、以及燃料电池车辆。

在大多数混合动力车辆中，通常使用诸如电容器的能量存储装置通过获取动力系内的能量或在当主能量源不能足够迅速地供应所需的动力时的运行过程中供应额外动力来提高效率。例如，可通过将动能转换为电能并在电容器组中存储该电能以供后续使用来使用再生制动装置来获取能量。为了适应于机动车的高压运行，通常使用电容器组或超级电容器，因为其具备迅速存储能量的能力并能以与其他能量源相比高得多的速率被放电。

但是，在从电路中去除动力或机动车熄火之后很长时间，电容器还会保持荷电。因此，在使车辆熄火之后或在访问容纳电容器的设备之前，需用对高压电容器进行合适的放电。通常通过横跨电容器或并联的总线端子布置放电或泄漏电阻器来实现对电容器的放电。

在机动车中，存在可能的故障状态，从而会导致电容器端子之间的恒定电压。如果未正确地检测到故障并对其进行排除，在对电容器放电时会导致过热并损坏放电电阻器。此外，放电电阻器的故障使得不能够进一步放电，导致电压在电容器上或电路中将保持一段延长的时间。

现有的放电电路及方法在故障状态过程中需要在放电电阻器中过高的平均功率耗散，并且不易适应较高的电压电平。这些设计要求放电电阻器具备应对高平均功率耗散的能力。这些电阻器通常会占据较大的表面积并通常需要额外的束线、连接器以及散热器，这会妨碍将放电电阻器设置在电路板上。除了空间要求之外，这些放电电路更适用于较少发生的故障模式，而非正常运行模式。

发明内容

提供了一种方法，用于控制耦合至高压总线的放电电路，其中，放电电路被激活使得电流从高压总线流经放电电路。该方法包括基于高压总线的第一电压电平来确定第一放电时间，在第一放电时间之后获得高压总线的第二电压电平，以及如果第一电压电平与第二电压电平之间的差异小于阈值则使放电电路去活。

提供了一种方法用于使耦合至放电电路的高压总线放电。该方法包括获得高压总线的第一电压电平。该方法还包括基于第一电压电平确定第一放电时间和激活放电电路。该方法还包括在第一放电时间之后获得高压总线的第二电压电平，比较第一电压电平与第二电压电平，以及如果第一电压电平与第二电压电平之间的差异小于阈值则使放电电路去活。

提供了一种设备，该设备用于耦合至高压总线的高压电容器组的车辆保护系统。该车辆保护系统包括耦合至高压总线的放电电路以及耦合至高压总线及放电电路的放电控制器。该放电控制器设置成，响应于表示应当使高压总线放电的信号来激活放电电路，基于高压总线的第一电压电平来确定第一放电时间，在第一放电时间之后获得高压总线的第二电压电平，以及如果高压总线的第一电压电平与第二电压电平之间的差异小于阈值则使放电电路去活。

本“发明内容”部分意在以简要的形式介绍将在以下详细描述中进一步说明的构思选择。本“发明内容”部分并不意在指明要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在被用作帮助确定要求保护主题的范围。

附图说明

结合考虑附图，通过参考详细描述及权利要求可更好地理解本发明的主题，在图中类似的参考标号表示类似的元件。

图1是根据一个实施例的示例性机动车的框图；

图2是根据一个实施例的车辆保护系统的框图；

图3是根据一个实施例的车辆保护系统的示意图；

图4是根据一个实施例用于控制放电电路的方法的流程图；和

图5是在示例性实施例中与高压总线的放电关联的总线电压-时间的示意图。

具体实施方式

以下描述仅是说明性质，其并不意在对本发明主题的实施例或对这些实施例的应用及使用构成任何限制。尽管这里讨论的本发明主题的实施例涉及车辆传动系统，但本发明主题也可在其他应用领域用于其他应用。在这里，术语“示意性”指“用作示例，实例、或说明”。在这里描述的任何示意性应用均不必须解释为优于或好于其他应用。此外，本发明并不受明确指出或隐含在上述“技术领域”、“背景技术”、“发明内容”或以下“具体实施方式”部分中的任何理论的限制。

以下描述涉及“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。在这里，除非明确说明，否则“连接”意指一个元件/节点/特征与另一元件/节点/特征直接接合(或直接通信)，并且不一定必须通过机械方式。类似的，除非明确说明，否则“耦合”意指一个元件/节点/特征与另一元件/节点/特征直接或间接的接合(或直接或间接通信)，并且不一定必须通过机械方式。因此，尽管示出的示意图示出了元件设置的一个示例，但在示出的本发明的主题的实施例中也可出现其他中间的元件、装置、特征或部件。

图1示出了根据一个实施例的车辆或机动车10的运行环境。机动车10包括底盘12、车身14、四个车轮16以及电子控制系统18。车身14布置在底盘12上并大致包围机动车10的其他部件。车身14及底盘12可共同形成车架。车轮16在车身14的各个转角附近分别可转动地联接至底盘12。

机动车10可以是多种不同类型机动车中的任一种，例如，轿车、旅行车、货车、或运动型多用途车(SUV)，并可以是两轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或全轮驱动(AWD)。机动车10也可以具备多个不同类型的发动机(例如，汽油或柴油燃料燃烧发动机、“柔性燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油与乙醇的混合物)、气态混合物(例如，氢与天然气)燃料发动机、燃烧/电动机混合动力发动机、以及电动机)中任一种或其组合。在图1所示的示例性实施例中，机动车10是混合动力车辆，并还可包括电动机/发电机(或“牵引”电机)20、第一能量源22、第二能量源24、功率变换器组件26、以及散热器28。如图所示，机动车10可包括两个能量源22，24，但是这里讨论的本发明的主题并不限于具体类型的机动车10，并且机动车10可使用多于或少于两个能量源22，24。

如图1所示，第一能量源22及第二能量源24与电子控制系统18及功率变换器组件26可操作地通信和/或电耦合。尽管未示出，但第一能量源22及第二能量源24可基于实施例而变化，并且可以是相同或不同类型。在一个或更多实施例中，第一能量源22及第二能量源24均可包括电池、燃料电池、电容器组、或其他合适的电压源。电池可以是任何类型的适用于希望应用场合的电池，例如铅酸电池、锂离子电池、镍金属电池或其他可再充电电池。电容器组可包括超电容器(或超级电容器)、电化学双层电容器、或任何其他适用于希望应用场合的具有高能量密度的电化学电容器。

现参考图2，功率变换器组件26可耦合至高压总线36。高压总线36可耦合至第一能量源22、第二能量源24、电容器组、或任何其他合适的容纳所存储能量的装置(未示出)。在示例性实施例中，放电控制器38耦合至高压总线36及放电电路40。放电电路40耦合至高压总线36及参考地37。在示例性实施例中，系统控制器34与功率变换器组件26及放电控制器38可操作地通信和/或电耦合。

在示例性实施例中，放电控制器38是8位微控制器，但是也可采用其他构造。例如，放电控制器38可以包含在处理器中、或集成在系统控制器34、电子控制系统18或其他模块中。在示例性实施例中，放电控制器38可包括查找表39。在其他实施例中，放电控制器38可包括和/或可耦合至数据库、闪存、FPGA或其他用于存储数值和/或使数值相关联的硬件。在示例性实施例中，放电电路40及放电控制器38在功率变换器组件26内可布置在电路板上。在其他实施例中，放电电路40及放电控制器38可布置在机动车10动力系内的任何位置、位于功率变换器内或耦合至功率变换器，或耦合至容纳存储能量的任何其他元件。

再参考图1，电子控制系统18与电动机20、第一能量源22、第二能量源24以及功率变换器组件26可操作地通信。尽管未详细示出，但电子控制系统18可包括各种传感器及机动车控制模块，或电子控制单元(ECU)，例如变换器控制模块(即，系统控制器34)以及车辆控制器。如本领域技术人员可以理解的，系统控制器34响应于(即，经由电子控制系统18)自机动车10的驾驶员接收的命令并向功率变换器组件26提供命令以控制电动机20以及机动车10的动力系。

现参考图3，示出了根据一个实施例的车辆保护系统42。放电电路40还包括电阻元件44及开关元件46。如图所示，根据一个实施例，电阻元件44可耦合在高压总线36与开关元件46之间。在示例性实施例中，电阻元件44是高能量或脉冲电阻器，其能够很好地处理能量的单个脉冲。开关元件46耦合至放电控制器38，使得放电控制器38可用于通过接通开关元件46产生供电流从高压总线36流经放电电路40的路径来激活放电电路40。如图3所示，优选地开关元件46可实现为在其源极与漏极之间连接有二极管的MOSFET，但是本领域的技术人员可以理解替代实施例可采用任何合适的开关构造或其等同构造。

在示例性实施例中，电容器组48耦合至高压总线36。如本领域的技术人员可以理解的，高压总线36及/或电容器组48可连接至其他元件。本领域技术人员可以理解的是，车辆保护系统42可包括用于降低在放电控制器38的输入处的电压电平的分压器电路(例如，如图所示包括R1及R2)。

参考图4，在示例性实施例中，可以将放电控制器38设计成执行放电控制过程400以及下述任务、功能及操作。可通过软件、硬件、固件、或其任何组合来执行与放电控制过程400相关执行的各种任务。为了说明起见，以下对放电控制过程400的描述可参考上述关于图1-3中所述的元件。实践中，可由所述系统的不同元件来执行放电控制过程400的若干部分。应当理解，放电控制过程400可包括任何数量的额外或替代任务，图4所示的任务无需以示出的顺序执行，并且放电控制过程400可包括在具备这里未详细描述的其他功能的更复杂的程序或过程中。

参考图3及图4，车辆保护系统可在闲置状态(idle state)下运行，在此期间放电电路不活动(任务402)。系统控制器可用于向放电控制器提供放电信号以激活或启动放电电路。系统控制器可在发生特定事件(即，机动车熄火、功率变换器组件被打开、及访问容纳电容器组的单元等)时提供放电信号。车辆保护系统可保持闲置状态直至接收到指示高压总线应该放电的信号(即，放电信号)。

在示例性实施例中，响应于接收到放电信号，放电控制器可设置成等待一段时间以过滤掉会导致错误放电信号的任何可能的噪音或错误(即，电磁干扰、错误命令等)(任务404)。本领域技术人员可理解的是该延迟是可选的。在示例性实施例中，如果放电信号在延迟之后并不存在(例如，放电＝假)，则放电控制器可确定信号为错误并返回至闲置状态。如果放电信号依然存在(例如，放电＝真)，则放电控制器可获得高压总线的第一电压电平(任务406)。

在示例性实施例中，放电控制器可获得高压总线的第一电压电平(V_i)(任务406)。例如通过使用设置作为放电控制器的特征的模数转换器(A/D或ADC)可实现以上目的。如图3所示，可以利用分压器电路来将放电控制器输入处的模拟电压降低或减小至与放电控制器的运行范围相符的合适电平。放电控制器可设置成激活放电电路，由此使得电流从高压总线流经放电电路(即，通过接通放电电路中的开关元件)(任务408)。

根据一个实施例，放电控制器可设置成基于高压总线的第一电压电平(V_i)来确定放电时间(t_δ)(任务410)。在示例性实施例中，将放电时间选择为确定高压总线是否被正确放电所需的最少时间量。可基于车辆保护系统的已知或可测量参数来计算确定高压总线是否被正确放电所需的最少时间量。

在示例性实施例中，可基于耦合至高压总线的放电电路的运行特性来确定放电时间。放电电路可表示为RC电路。基于这种关系，可基于关系式 $t_{\mathrm{\δ}}=-\mathrm{RC}\ln (1-\frac{\mathrm{V\δ}}{\mathrm{Vi}})$ 来确定对于给定电压电平的放电时间，其中V_δ是阈值、V_i是第一电压电平、RC是表示放电电路的运行特性的常量。

在示例性实施例中，可以选择阈值(V_δ)，其表示可由放电控制器(即，有关的模数转换器)以合理精度测量的电压电平中的最小变化。在示意性情况下，可利用下述等式：

$V_{\mathrm{\δ}}=(B_{\mathrm{error}}+B_{\mathrm{threshold}})\left(\frac{\mathrm{Vref}}{2^n}\right)$ 来计算阈值，其中B_error是通过模数转换(A/D)及/或量化引入的误差的比特数量，B_threshold是在高压总线中希望的电压变化的二进制表示的十进制转换，V_ref是模数转换器的参考电压电平，而n是与模数转换器关联的分辨率比特的数量。

用于给定电压电平的放电时间(t_δ)可以在行驶时确定，或可以预先计算得到。根据一个实施例，相对于高压总线的可能电压电平范围，可预先确定并计算多个放电时间，并将该多个放电时间存储在联接至或结合在放电控制器中的查找表或数据库中。例如，在8位A/D微控制器(即，n＝8)的情况下，存在放电控制器可分辨(resolve)的256个可能的电压电平。因此，可以计算对于多个可能的电压电平的256个不同的对应t_δ值并将这些值存储在耦合至放电控制器的查找表及数据库等中。

图5示出了V_δ，t_δ与高压总线的电压电平之间的关系。在示例性实施例中，对于每一个t_δ，由放电电路消耗的能量大致相同。例如，如图所示，在第一电压电平V_i下，消耗一定量的能量所需的时间长度t_δ1(与V_δ成比例)明显小于在较低的初始电压电平(V_i+1)下消耗大致相同量的能量的时间量t_δ2。

再参考图4，在示例性实施例中，放电控制器可设置成在已经经过第一放电时间(t_δ)(V_i)之后获得高压总线的第二电压电平(V_i+1)(任务412)。放电控制器可判定第一电压电平与下一电压电平之间的差异是否小于阈值(任务414)。如果第一电压电平与第二电压电平之间的差异大于或等于阈值(即，V_i-V_i+1≥V_δ)，则高压总线正在正确放电。如果高压总线正在正确放电，则对第二电压电平重复所述确定放电时间及判定高压总线是否正在正确放电的过程(即，V_i+1＝＞V_i)(任务410，412，414，416)。该过程可重复直至高压总线的电压电平达到零或实致上可忽略。

但是，如果第一电压电平与第二电压电平之间的差异小于阈值，则高压总线并未正确放电。这可表示可能存在故障状况(即，高压总线接触器被连接，恒定能量源被应用于高压总线等)。为了保护车辆保护系统的部件并防止放电电路过热，放电控制器可设置成使放电电路去活(任务418)。在示例性实施例中，放电控制器可设置成在返回至闲置状态之前等待一段恢复时间(任务420)。恢复时间取决于放电电路中电阻元件的平均功率处理能力，从而可防止的放电控制器可能过快地再激活放电电路(这会导致电阻元件消耗的平均功率超过其额定功率)。在示例性实施例中，在恢复时间之后，放电控制器可返回至闲置状态，并响应于放电信号再激活放电电路(任务402，404，406，408)。

上述系统及/或方法的一个优点在于，车辆保护系统42可保持每一个放电时间间隔的恒定能力消耗，同时在发生故障状况的情况下提供保护，由此允许系统设计者优化用于正常运行时的部件(即，使用高能脉冲电阻器，这种电阻器的尺寸为其他电阻器尺寸的一部分，并具有更好的平均功率特性)。此外，因为在较高电压电平下的放电时间较少，故可大大减小故障状况过程中的恢复时间。放电时间随着高压总线放电而增大，由此提高了低电压电平下的A/D分辨率及精度。其他实施例可将上述系统及方法一起用在不同类型的机动车中、不同运输工具(例如，船只及飞行器)中、或不同电气系统中，即其可应用于需要可靠地对高压总线进行放电的任何情况。

为了简要起见，这里未对涉及信号处理、信号传送、开关控制、以及系统的其他功能性方面(以及系统的单个运行部件)的常规技术进行详细描述。此外，在不同视图中所示的连线意在表示各个不同元件之间的示例性功能关系及/或物理耦合。应当注意，在本发明主题的实施例中可出现各种替代或附加功能关系或物理连接。

虽然已经在上述详细描述中说明了至少一个示例性实施例，但应当理解存在大量的变型。还应当理解的是，这里所述的示例性实施例并不意在以任何方式对要求保护的本发明主题的范围、应用或构造构成限制。相反，上述详细描述将向本领域的技术人员提供实施所述实施例或多个实施例的便捷路径。应当理解，可对元件的功能及设置进行各种改变而不脱离所附权利要求界定的范围，上述各种改变包括现已公知的等同物及在递交本专利申请时可预见的等同物。

Claims (20)

1.一种方法，用于控制耦合至高压总线的放电电路，其中，所述放电电路被激活使得电流从所述高压总线流经所述放电电路，所述方法包括：

基于所述高压总线的第一电压电平来确定第一放电时间；

在所述第一放电时间之后获得所述高压总线的第二电压电平；和

如果所述第一电压电平与所述第二电压电平之间的差异小于阈值，则使所述放电电路去活。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

如果所述第一电压电平与所述第二电压电平之间的所述差异小于所述阈值，则：

随后等待一段恢复时间；以及

响应于表示应当使所述高压总线放电的信号而重新激活所述放电电路。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述恢复时间基于所述放电电路的平均功率处理能力。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述第二电压电平来确定第二放电时间；

在所述第二放电时间之后获得所述高压总线的第三电压电平；和

如果所述第二电压电平与所述第三电压电平之间的差异小于所述阈值，则使所述放电电路去活。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

对于所述高压总线的多个可能的电压电平：

相对于所述多个可能的电压电平中每一者计算多个放电时间；以及

将所述多个放电时间与所述多个可能的电压电平中每一者相关联地存储在查找表中。

6.如权利要求5所述的方法，其中，确定所述第一放电时间还包括基于所述第一电压电平从所述查找表中获得所述第一放电时间。

7.如权利要求1所述的方法，其中，

所述第一放电时间由 $t_{\mathrm{\δ}}=-\mathrm{RC}\ln (1-\frac{\mathrm{V\δ}}{\mathrm{Vi}})$ 决定，

其中t_δ是所述第一放电时间、V_δ是所述阈值、V_i是所述第一电压电平、而RC是基于所述放电电路的运行特性的常量。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述阈值基于所述高压总线的电压电平中最小的可测量变化。

9.一种方法，用于对耦合至放电电路的高压总线进行放电，所述方法包括：

获得所述高压总线的第一电压电平；

基于所述第一电压电平来确定第一放电时间；

激活所述放电电路；

在所述第一放电时间之后获得所述高压总线的第二电压电平；

比较所述第一电压电平与所述第二电压电平；以及

如果所述第一电压电平与所述第二电压电平之间的差异小于阈值，则使所述放电电路去活。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：如果所述第一电压电平与所述第二电压电平之间的所述差异小于所述阈值，则在一段恢复时间之后响应于表示应当使所述高压总线放电的信号而重新激活所述放电电路。

11.如权利要求9所述的方法，还包括：

基于所述第二电压电平来确定第二放电时间；

在所述第二放电时间之后获得所述高压总线的第三电压电平；以及

如果所述第二电压电平与所述第三电压电平之间的差异小于所述阈值，则使所述放电电路去活。

12.如权利要求9所述的方法，还包括：

对于所述高压总线的多个可能的电压电平：

相对于所述多个可能的电压电平中每一者计算多个放电时间；以及

将所述多个放电时间与所述多个可能的电压电平中每一者相关联地存储在查找表中；和

基于所述第一电压电平从所述查找表中获取所述第一放电时间。

13.如权利要求9所述的方法，其中，

所述第一放电时间由 $t_{\mathrm{\δ}}=-\mathrm{RC}\ln (1-\frac{\mathrm{V\δ}}{\mathrm{Vi}})$ 决定，

其中t_δ是所述第一放电时间、V_δ是所述阈值、V_i是所述第一电压电平、而RC是基于所述放电电路的运行特性的常量。

14.如权利要求13所述的方法，其中，

V_δ由 $V_{\mathrm{\δ}}=(B_{\mathrm{error}}+B_{\mathrm{threshold}})\left(\frac{\mathrm{Vref}}{2^n}\right)$ 决定，

其中B_error是通过模数转换引入的误差的比特数，B_threshold是所述高压总线中希望的电压变化的二进制表示的十进制转换，V_ref是模数转换器的参考电压电平，而n是与所述模数转换器相关联的分辨率比特的数量。

15.如权利要求9所述的方法，其中，

所述阈值基于所述高压总线的电压电平中最小的可测量变化。

16.一种用于耦合至高压总线的高压电容器组的车辆保护系统，所述车辆保护系统包括：

耦合至所述高压总线的放电电路；以及

耦合至所述高压总线及所述放电电路的放电控制器，所述放电控制器设置成：

激活所述放电电路；

基于所述高压总线的第一电压电平来确定第一放电时间；

在所述第一放电时间之后获得所述高压总线的第二电压电平；以及

如果所述高压总线的所述第一电压电平与所述第二电压电平之间的差异小于阈值，则使所述放电电路去活。

17.如权利要求16所述的车辆保护系统，所述放电控制器还包括模数转换器，其中，所述阈值是可由所述模数转换器测量到的电压电平中的最小变化。

18.如权利要求16所述的车辆保护系统，其中，所述放电电路包括：

耦合至所述高压总线及所述放电控制器的开关；以及

耦合至所述开关及地的脉冲电阻器。

19.如权利要求18所述的车辆保护系统，其中，所述放电控制器设置成：如果所述第一电压电平与所述第二电压电平之间的所述差异小于所述阈值，则使所述开关去活一段恢复时间，所述恢复时间基于所述脉冲电阻器的平均功率处理能力。

20.如权利要求16所述的车辆保护系统，还包括耦合至所述放电控制器的查找表，所述查找表包含与所述高压总线的多个可能的电压电平关联的多个放电时间，所述放电控制器设置成基于所述第一电压电平从所述查找表获得所述第一放电时间。

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