用于确定开关元件的物理状态的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了用于监测将直流供电装置与负载连接的开关元件的状态的系统和方法。所述系统包括具有第一绕组和第二绕组的变压器，其中第二绕组的第一端电耦接至开关元件的第一开关节点。所述系统还包括：被配置成在第一绕组处提供波形的发送电路；以及具有电隔离的输入节点和输出节点的传感器元件，以用于响应于在输入节点处的信号而在输出节点处感生出监测信号。该系统还包括耦接至输出节点的接收电路，该接收电路被配置成响应于监测信号来生成一个或更多个输出信号。所述系统还包括用于提供第二绕组相对于第一开关节点和传感器元件的直流隔离的电容器元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文的主题总体上涉及电力系统中的开关元件，更具体地，涉及用于确定电力系统中的开关元件的物理状态的系统和方法。
技术介绍
电动车辆和混合动力车辆需要车载电池来向它们的电力驱动系统供电。这样的车辆的性能需求通常要求将大量的电池组合到一起以提供显著高的电压和电流来向电力驱动系统供电。例如，可以将锂离子电池进行叠放以制造具有非常高的电压和电流能力的电池组或电池模块。在传统的电动或混合动力车辆中，这样的锂离子电池通常被配置成产生大约400V的直流(DC)电压。通常，在这样的车辆应用中，在电池管理系统(BMS)电子控制器的控制下将电池电压施加给驱动系统。具体地，经由由BMS控制的接触器或其他类型的开关元件将电池连接至车辆。贯穿车辆的使用期限，接触器可能会失效或降级，导致操作不当。这样的接触器故障或失效可能起因于在车辆的操作期间接触器通常所传导的非常大的电流和瞬变。例如，在一些条件下电动车辆中的电流可能会超过200A。作为结果，用于将电池与车辆连接的开关元件在操作期间的机械应力和/或电应力下可能会卡在断开或闭合状态。当发生这样的接触器失效时，通常期望生成用于BMS的控制信号，使得电池能够被禁用，以防止对车辆的进一步损坏或降低损伤车辆的驾驶员或乘客的风险。此外，通常期望生成使得维修人员可以容易接近并维修接触器故障的信号。用于检测高压DC系统中的接触器、继电器或其他类型的开关元件的物理状态的传统方法通常依赖于提供一种基于将波形耦合至开关元件的第一侧并然后检测开关元件的第二侧上的波形的控制回路。对于这样的应用，出于一些原因，历来使用光耦合器。具体地，与其他稱合方法相比，光稱合器历来提供有利的下垂(droop)、回摆(backswing)以及共模特性。另外，传统的光耦合器器件的配置很好理解。此外，光耦合器电路历来比其他类型的信号耦合器件便宜且小。然而，光耦合器具有一些缺点。首先，使用多个光耦合器来耦合和检测电路中的波形要求相当复杂的支持电路。具体地，这样的电路通常需要额外的电源轨和电路通路来操作多个光耦合器。这不仅增加了整个电路的复杂度，而且还增加了电路中部件之间的干扰的机会以及增加了用于监测接触器的功率需求。其次，在光耦合器的操作和使用期限期间，光耦合器的特性可能会改变。也就是说，根据时间和/或温度，光耦合器会显现出电流传输t匕、传播延时、非线性传输特性以及其他特性的变化。此外，光耦合器中的发光二极管(LED)会随着时间而降级及用坏。因此，通常限制了光耦合器的可靠性和使用期限。然而，尽管光耦合器存在上述限制，光耦合器仍然是将波形耦合到控制回路中的优选装置。
技术实现思路
本专利技术的实施方式涉及用于确定开关元件的物理状态的新的系统和方法。在本专利技术的第一实施方式中，提供了一种用于监测将DC供电装置与负载连接的开关元件的状态的系统。该系统包括具有第一绕组和第二绕组的变压器，所述第二绕组的第一端电耦接至开关元件的第一开关节点。该系统还包括被配置成在第一绕组处提供第一波形的发送电路。该系统还包括具有电隔离的输入节点和输出节点的传感器元件，并且该传感器元件被配置成响应于在输入节点处的信号而在输出节点处感生出监测信号，其中，输入节点电耦接第二绕组的第二端和开关元件的第二开关节点。另外，该系统包括被耦接至传感器元件的输出节点的接收电路，并且该接收电路被配置成响应于监测信号来生成一个或更多个输出信号。在该系统中，设置有电容器元件，以用于将第二绕组相对于第一开关节点和传感器元件进行DC隔离。在本专利技术的第二实施方式中，提供一种电池操作的系统。该电池操作的系统包括:至少一个电池模块；至少一个负载电路；用于将电池模块与负载电路耦接的开关元件；以及耦接开关元件的第一开关节点和第二开关节点的短路通路。在该系统中，短路通路包括与传感器系统串联的DC隔离感应元件，其中，感应元件被配置成将时变信号感应地耦合到短路通路中。另外，传感器系统被配置成生成作为对开关元件的状态和时变信号的响应的一个或更多个输出信号。在第三实施方式中，提供一种用于监测将DC供电装置与负载连接的开关元件的状态的方法。该方法包括在第一开关节点与第二开关节点之间提供短路通路的步骤，其中，短路通路包括用于提供短路通路的一个或更多个部分与DC供电装置之间的DC隔离的多个电容器元件。该方法还包括将时变信号感应地耦合到短路通路的DC隔离部分之一中的步骤以及使用传感器元件响应于短路通路中所感应地耦合的信号来生成监测信号的步骤。该方法还包括基于监测信号输出指示开关元件的状态的一个或更多个输出信号的步骤。附图说明现在，将参照附图仅作为示例来描述本申请的实施方式，其中:图1是根据本专利技术的实施方式配置的电力系统的框图；以及图2是根据本专利技术的优选实施方式配置的电力系统的框图。具体实施例方式参照附图来描述本专利技术，其中，贯穿附图，类似的附图标记被用于指示相似或等同的元件。附图不按比例绘制，并且它们被提供来仅用于说明本专利技术。下面参照出于说明目的的示例性应用来描述本专利技术的若干方面。应当理解，许多具体细节、关系和方法被阐述来提供对本专利技术的全面理解。然而，相关
的普通技术人员将会容易认识到:可以无需所述具体细节中的一个或更多个细节来实践本专利技术，或者可以以其他方法来实践本专利技术。在其他情况下，没有详细示出公知的结构或操作，以避免模糊本专利技术。本专利技术不受限于所示出的动作或事件的排序，例如一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，并非需要所有示出的动作或事件来实现根据本专利技术的方法。如上所述，对高压DC系统中的开关元件故障的检测是有意义的，尤其是在电动车辆的领域中。然而，在电动车辆的情况下，可以应用附加的需求，因为这样的车辆被用户使用并且将会服务相对长的时间(>3年)。因此，用于检测接触器故障的系统需要提供高可靠性、长运行寿命、低功率需求以及对环境条件的不敏感性。如上所述，光耦合器通常具有低可靠性、短运行寿命、高功率需求，并且对于温度的变化是敏感的。因此，光耦合器不是用于提供电动车辆和具有相似需求的其他电力系统中的时变信号的理想设备。鉴于传统的基于光耦合器的监测技术的限制以及电动车辆的附加需求，本专利技术的各种实施方式提供用于确定DC电力系统中的开关元件的状态的新的系统和方法。在本专利技术的各种实施方式中，通过提供连接在开关元件的第一节点与第二节点之间的短路通路来监测开关元件。该短路可以由变压器的第二绕组限定，其中绕组相对于DC供电装置是DC隔离的。因此，由短路通路与开关元件的组合来限定监测回路。在操作中，生成波形并将波形施加在变压器的第一绕组两端。作为响应，在第二绕组两端产生波形。当接触器闭合时(即，电力系统处于操作中)，波形可以沿着监测回路传播。短路通路中的传感器元件则可以用于检测波形的存在或不存在。此后，可以使用传感器元件的输出来生成指示开关元件的物理状态或者在开关元件处是否发生故障或失效的信号。使用变压器以将波形耦合到监测回路中具有超越传统的完全基于光耦合器的方法的一些优点。第一，不同于光耦合器，变压器不需要额外的电源轨。也就是说，不必提供额外的电源轨来偏置将会产生波形的传统光耦合器的光电晶体管。相反，在第一绕组处提供的波形向变压器供电。第二，与光耦合器相比，DC隔离变压器通常容易配置，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾斯廷·凯姆斯，大卫·阿尔宾，大卫·黑迪，蒂蒙西·斯卡佐，罗纳德·耶格尔，查尔斯·卡普斯，
申请(专利权)人：埃纳德尔公司，
类型：
国别省市：