电动车辆蓄电池组电压监测系统和方法

摘要

本发明涉及一种电动车辆蓄电池组电压监测系统和方法，其监测了电动车辆中多单元蓄电池组输出的总电压。具有底板地线的主微控制器与蓄电池组的正总线和负总线数字隔离。具有多个辅助/热敏电阻A/D输入的蓄电池监测IC测量蓄电池单元各自的电压。在具有IC的辅助输出终端的主微处理器的控制下，通过评估开关可选择地耦接分压器至正总线。分出的电压被耦接至辅助/热敏电阻A/D输入之一。蓄电池监测IC通过串行数据链路传输代表分出的电压输出的数字值至主微处理器，主微处理器响应于数字值确定主蓄电池电压。

权利要求

1.一种电动车辆系统，其特征在于，包含：

多单元蓄电池组，其提供正总线和负总线之间的主蓄电池电压；

主微控制器，其监测蓄电池组的性能，主微控制器耦接至底板地线且与正总线和负总线数字隔离；

蓄电池监测IC，其连接到蓄电池组以测量蓄电池组中各自的单元的电压，其中蓄电池监测IC具有隔离的至主微控制器的串行数据链路以报告测量到的电压，并且其中蓄电池监测IC进一步包括多个可选择地提供驱动信号的辅助A/D输入和辅助输出终端；

评估开关，其具有输入、输出和控制终端，其中输入连接到正总线，并且其中控制终端耦接到辅助输出终端以便激活评估开关以响应通过串行数据链路从主微控制器接收到的命令；以及分压器，其耦接在评估开关的输出和负总线之间，并且提供分出的电压输出至辅助A/D输入之一；

其中蓄电池监测IC通过串行数据链路传输代表分出的电压输出的数字值至主微控制器，并且其中主微控制器响应于数字值确定主蓄电池电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，分压器是由高侧电阻器和低侧电阻器串联耦接组成，其中电阻器之间的接头提供耦接到辅助A/D输入的分出的电压输出，并且其中该系统进一步包含耦接在评估开关和高侧电阻器之间的反向电压阻流二极管。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包含耦接在辅助A/D输入和在高侧和低侧电阻器之间的接头之间的滤波器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包含热敏电阻，其安装用于感测蓄电池组的温度且其耦接到主微控制器的A/D转换输入和底板地线。

5.一种电动车辆蓄电池监测方法，其特征在于，包含：将主微处理器与蓄电池监测IC数字隔离；

可选择地在多单元蓄电池组驱动的正总线和负总线之间耦接分压器；

使用IC的辅助输入数字取样分出的电压；

通过隔离的串行数据链路传输数字取样至主微处理器；

评估数字取样以确定蓄电池组的输出电压。

说明书

电动车辆蓄电池组电压监测系统和方法

技术领域

[0001] 本发明大体涉及具有电力推进的车辆，并且更具体地涉及通过与高压蓄电池电路数字隔离的微控制器监测来自蓄电池组的输出电压。

背景技术

[0002] 混合动力车辆或电动车辆的电力驱动的直流(DC)电源(如蓄电池) 和其他元件需要监测以便使效率和性能最大化以及检测潜在的故障。例如锂离子(Li-Ion)这样的通常的蓄电池类型利用一起层叠到蓄电池组中的大量单元。除了监测蓄电池组输出的总电压，通常单独监测每个单元以确定它们的电压产出和其他参数。也监测每个单元的温度以便防止过热。

[0003] 由于涉及的高压电平、在层叠内各自的单元运转时的中间电压范围以及需要的高的精度水平，可靠地监测各种蓄电池状况是非常具有挑战性的。商业上已研制出用于车辆环境的各种蓄电池监测集成电路(IC) 设备。市场上可买到的蓄电池监测IC设备的示例包括可向马萨诸塞州诺伍德的美国模拟器件公司(Analog Devices,Inc.)购买的AD7280A设备、可向加利福尼亚米尔皮塔斯的凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)购买的LTC6804设备和可向加利福尼亚米尔皮塔斯的英特矽尔公司(Intersil Corporation)购买的ISL94212多单元锂离子蓄电池管家。除了用于直接监测各自的蓄电池单元的多个输入，已知的IC设备包括几个模拟输入，用于测量用作各自的蓄电池单元的温度传感器的热敏电阻电路的输出。

[0004] 每个市场上可买到的蓄电池监测IC设计为具有特定数量的监测各自的蓄电池单元的测量通道。上述提到的AD7280A有6个通道，LTC6804 和ISL94212每个都有12个通道。为了达到期望的输出电压电平，用于电动车辆的典型的锂离子电池常常层叠多达约96个单元。为了监测各个单元，蓄电池监测IC同样地层叠在蓄电池组的正、负输出总线之间。由于没有连接单一的监测IC到两个总线，为了测量蓄电池组的全部输出电压使用了附加组件。此外，附加组件用于测量蓄电池组的全部输出电压而不是由IC测量的各个单元电压的总和(或单元组)，这是由于取样时间和微处理器计时加载的原因(如将被要求的许多串行消息)。

[0005] 测量的蓄电池单元、蓄电池组以及相关设备的参数全部被主微控制器或微处理器使用，用于执行蓄电池管理和通信。主微控制器或微处理器通常位于与其他车辆组件——例如车辆系统/动力系统控制器或驱动接口模块——相连接的离散蓄电池控制模块或箱内。因此，主微控制器或微处理器使用底板地线作为它的基准电压。底板地线与负蓄电池总线提供的主蓄电池组的基准隔离。

[0006] 部署的具有蓄电池组的蓄电池监测IC必须参考负总线监测蓄电池单元。因此，连接到高压域中的蓄电池监测IC和任何其他的监测设备必须通过域交叉元件与主微控制器或微处理器通信，域交叉元件在主微控制器或微处理器的高压蓄电池域和底板地线域(即低压域)之间提供数字隔离。为了使主微控制器或微处理器不仅控制监测元件还接收产生的测量数据，通常使用相对昂贵的组件——例如光电耦合晶体管(photoMOS transistor)和专用的高压参考模拟数字(A/D)转换集成电路。在维持蓄电池组输出电压的稳健检测的同时避免昂贵的附加组件是非常可取的。

发明内容

[0007] 在本发明的一个方面，提供了一种电动车辆系统，其具有多单元蓄电池组供应在正总线和负总线之间的主蓄电池电压。主微控制器监测蓄电池组的性能。主微控制器被耦接至底板地线且与正总线和负总线数字隔离。连接蓄电池监控IC到蓄电池组以测量蓄电池组中的各自单元的电压，其中蓄电池监测IC具有隔离的至主微控制器的串行数据链路以报告测量的电压。蓄电池监测IC进一步包括多个可选择地提供驱动信号的辅助/热敏电阻A/D输入和辅助输出终端。评估开关具有输入、输出和控制终端，其中输入被连接到正总线。耦接控制终端至辅助输出终端以便激活评估开关以响应通过串行数据链路从主微处理器接收到的命令。在评估开关的输出和负总线之间耦接分压器，为辅助/热敏电阻A/D输入之一提供分出的电压输出。蓄电池监测IC通过串行数据链路传输代表分出的电压输出的数字值至主微处理器，主微处理器响应于数字值确定主蓄电池电压。

附图说明

[0008] 图1是显示现有技术中具有主蓄电池电压监测的电驱动系统的一个实施例的示意框图。

[0009] 图2是显示图1的系统中使用的方法的流程图。

[0010] 图3是在蓄电池组电压测量的较低成本的实施方式的情况下的本发明的电驱动系统的一个实施例的示意框图。

[0011] 图4是本发明的一种优选方法的流程图。

具体实施方式

[0012] 现在参考图1，传统的电动车辆系统10包括主蓄电池组11，主蓄电池组11具有包括多个典型单元11a-11k的单独的单元。多个蓄电池监测 IC 12、13和14以层叠的方式连接到各自的蓄电池单元之一。单元监测输入16连接每个相应的单元至蓄电池监测IC 12-14的各自的输入引线 (如单元0In，Cell0In)。蓄电池监测IC 12示出的同样的相互连接也呈现在蓄电池监测IC 13和14中，但不是图1中示出的全部。主微处理器15 通过数字隔离器16从耦接的IC 12的串行输出接收测量到的数据，从而形成能够在IC 12的高压域和主微控制器或微处理器15的低压底板地线域之间双向通信的串行数据链路。当耦接隔离电路16至底板地线17和高压地线18时，主微控制器或微处理器15耦接到底板地线17。

[0013] 蓄电池组11的输出耦接在正总线20和负总线21之间。车辆负载22 ——例如用于驱动电动机的直流交流逆变器(DC-to-AC inverter)(其可以先于直流交流升压转换器(DC-to-DC boost converter))——分别通过主接触器开关23和24从总线20和21接收直流电源。预先充电开关25 和预先充电电阻器26可以跨接在正接触器开关23，这在本领域中是公知的。以本领域中公知的传统的方式驱动接触器开关。

[0014] 蓄电池监测IC 12包括多个辅助/热敏电阻A/D输入30，每个通过各自的热敏电阻31a-33a耦接至负总线21和地线18。每个热敏电阻通过各自的上拉电阻31b-33b耦接至基准电压。每个热敏电阻31a-33a接近各自的蓄电池单元安装以充当温度探针。每个各自的热敏电阻电压由蓄电池监测IC 12转换成相应的数字值，该数字值连同各个单元电压通过串行数据链路被发送到主微控制器或微处理器15以允许主微控制器或微处理器 15监测每个蓄电池单元的运行。

[0015] 主微控制器或微处理器15也监测蓄电池组11传送的总线20和21 之间的总电压是期望的。例如，总电压用于监测蓄电池组的放电。

[0016] 在传统的系统中，需要专用的电路系统测量总线20和21之间的总电压。如图1所示，耦接由光电耦合设备和控制输入36组成的第一域交叉设备35以从主微控制器或微处理器15接收逻辑电平控制信号。基准输入37从电源38接收基准电压vcc。主微控制器或微处理器15降低输入 36至低逻辑电平，以便激活设备35中的光电二极管光源40，从而打开输出晶体管41。

[0017] 电阻器42耦接晶体管41的漏极至正总线20。连接晶体管41的源极 (source)至电阻器43的一侧，电阻器43的另一侧耦接至在电池组11 中点的中点基准电压44。进一步连接晶体管41的源极至差分放大器53 的同相输入49。高压域辅助电源47提供电源电压vhh至模拟数字转换器 (ADC)和差分放大器53。通过光电耦合设备50和电阻器51可选择地耦接差分放大器53的反相输入52至负总线21。连接差分放大器53的输出至ADC 46的转换输入45。反馈电阻器54耦接差分放大器53的输出至输入52。

[0018] 为了开始蓄电池组电压测量，主微控制器或微处理器15激活域交叉设备35和50。同相输入49根据由电阻器42和43形成的分压器接收中点电压44和来自总线20的正电压之间的中间电压。来自差分放大器53 的输出与i)通过电阻器42的来自正总线的电压和ii)通过电阻器51的负总线电压之间的差值成比例。ADC 46取样该输出并且产生的数字值由串行输出48输出至隔离电路50以传送回主微控制器或微处理器15相应的串行输入。数字值转换成相应的蓄电池组电压的量级。

[0019] 图2概述了用于测量蓄电池组电压的现有技术方法。在步骤56，域交叉设备由主微控制器或微处理器打开。在步骤57，高压域中专用的模拟数字转换器通过专用的隔离串行链路发送从差分放大器获得的测量电压至主微控制器或微处理器。在步骤58，主微控制器或微处理器基于在测试电路中组件的校准将电压测量结果转换为电池组电压。

[0020] 域交叉开关和专用组件(如包括模拟数字转换器、数字隔离和差分放大器)导致花费显著增加。在没有增加高成本组件的情况下更好地利用蓄电池监测IC的性能评估蓄电池组电压是合意的。

[0021] 如图3所示，本发明通过蓄电池监测IC的辅助/热敏电阻A/D输入的再利用实现了前述目标，辅助/热敏电阻A/D输入从执行温度监测到执行蓄电池组电压测量。

[0022] 多单元蓄电池组60提供了正总线61和负总线62之间的主蓄电池电压。电动车辆负载63(如升压转换器和逆变器)通过正接触器开关64和通过负接触器开关65耦接到总线61和62。多个蓄电池监测IC 66-68以相同的方式连接到各个蓄电池单元，用于监测单元电压和诸如此类。至少一个蓄电池监测IC具有与主微控制器或微处理器70的串行数据链路，例如通过数字隔离电路72从蓄电池监测IC 66的串行输出引线83到主微控制器或微处理器70提供的串行链路71。如现有技术中所公知的，通过高压、低压域屏障(low voltage domain barrier)发送串行链路(如SPI＝小外围接口)可以使用数字隔离器(如美国模拟器件公司(Analog Devices)的ADuM1401四通道数字隔离器)实现。主微控制器或微处理器70参考底板地线73，而高压域参考高压地线74。主微控制器或微处理器70与总线61和62数字隔离以便它可以容易地连接到遍及车辆的其他控制模块(未示出)。

[0023] 高压评估开关75可以包括适当偏置的开关晶体管86和87，用于切换输出以响应从IC 66的辅助输出终端85接收到的可选择的驱动信号。终端85可以是如现有技术中通常使用的通用输入/输出引线。许多其他可接受的晶体管设备和驱动配置可以用作开关75。

[0024] 为了测量来自蓄电池组60的输出电压，高压评估开关75具有耦接到正总线61的输入和通过电阻器76和77组成的分压器耦接到负总线62 的输出。反向电压阻流二极管78可以耦接在开关75的输出和电阻器76 之间以操作开关和其他瞬态。在高侧电阻器76和低侧电阻器77之间的接头80通过为进一步减小噪音和瞬态可选地包括的滤波器82提供了分出的电压输出至IC 66的辅助/热敏电阻A/D输入81。

[0025] 当主微控制器或微处理器70需要测量蓄电池组电压时，它通过串行链路71发送相应的命令至蓄电池监测IC 66。作为响应，驱动辅助输出终端85为高以便打开评估开关75。总线61和62之间的主蓄电池电压跨接二极管78和电阻器76和77。在接头80的成比例的电压耦接至辅助 A/D输入81，并且相应的数字值通过串行数据链路71传送到主微控制器或微处理器70。代表分出的电压输出的数字值由主微控制器或微处理器 70转换为适当的电压值。
因此，只使用相对便宜的组件在高压域中确定了蓄电池电压。

[0026] 通过利用蓄电池监测IC的热敏电阻A/D输入代替执行蓄电池组电压测量，输入对于执行至少一些蓄电池单元的温度监测不再有效。然而，用于温度监测的热敏电阻不需要连接在高压域中。因此，本发明可以通过连接相应的热敏电阻93-95至主微控制器或微处理器70的有效A/D输入继续监测连接到蓄电池监测IC 66的单元的温度。电阻器96是用于热敏电阻93-95的上拉电阻。因为只有蓄电池监测IC 66的辅助A/D输入改变用途，相应的用于由IC 67和68监测的单元的热敏电阻可以继续连接到IC 67和68，相应的数据通过相应的串行数据链路提供至主微控制器或微处理器70。

[0027] 图4中的流程图示出了本发明的优选方法。在步骤101，在它操作的适当时间，主微控制器或微处理器命令蓄电池监测IC测量蓄电池组电压。在步骤102，通用输入/输出引线切换到高压以打开高压开关，从而在正总线和负总线之间耦接分压器。在步骤103，取样从分压器分出的输出电压且使用串行数据链路将分出的输出电压发送到主微控制器或微处理器。在步骤105，主微控制器或微处理器将电压测量结果转换为相应的蓄电池组电压。因此，在不需要高压域中光电耦合设备或其他专用的高成本组件的情况下测量了电压。而早已存在的蓄电池监测IC可以通过与主微控制器或微处理器的串行链路进行控制，其已有用于在两个电压域之间移动的机构。