專利名稱：用于確定開關元件的物理狀態(tài)的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本文的主題總體上涉及電力系統(tǒng)中的開關元件，更具體地，涉及用于確定電力系統(tǒng)中的開關元件的物理狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
電動車輛和混合動力車輛需要車載電池來向它們的電力驅動系統(tǒng)供電。這樣的車輛的性能需求通常要求將大量的電池組合到一起以提供顯著高的電壓和電流來向電力驅動系統(tǒng)供電。例如，可以將鋰離子電池進行疊放以制造具有非常高的電壓和電流能力的電池組或電池模塊。在傳統(tǒng)的電動或混合動力車輛中，這樣的鋰離子電池通常被配置成產生大約400V的直流(DC)電壓。通常，在這樣的車輛應用中，在電池管理系統(tǒng)(BMS)電子控制器的控制下將電池電壓施加給驅動系統(tǒng)。具體地，經由由BMS控制的接觸器或其他類型的開關元件將電池連接至車輛。貫穿車輛的使用期限，接觸器可能會失效或降級，導致操作不當。這樣的接觸器故障或失效可能起因于在車輛的操作期間接觸器通常所傳導的非常大的電流和瞬變。例如，在一些條件下電動車輛中的電流可能會超過200A。作為結果，用于將電池與車輛連接的開關元件在操作期間的機械應力和/或電應力下可能會卡在斷開或閉合狀態(tài)。當發(fā)生這樣的接觸器失效時，通常期望生成用于BMS的控制信號，使得電池能夠被禁用，以防止對車輛的進一步損壞或降低損傷車輛的駕駛員或乘客的風險。此外，通常期望生成使得維修人員可以容易接近并維修接觸器故障的信號。用于檢測高壓DC系統(tǒng)中的接觸器、繼電器或其他類型的開關元件的物理狀態(tài)的傳統(tǒng)方法通常依賴于提供一種基于將波形耦合至開關元件的第一側并然后檢測開關元件的第二側上的波形的控制回路。對于這樣的應用，出于一些原因，歷來使用光耦合器。具體地，與其他稱合方法相比，光稱合器歷來提供有利的下垂(droop)、回擺(backswing)以及共模特性。另外，傳統(tǒng)的光耦合器器件的配置很好理解。此外，光耦合器電路歷來比其他類型的信號耦合器件便宜且小。然而，光耦合器具有一些缺點。首先，使用多個光耦合器來耦合和檢測電路中的波形要求相當復雜的支持電路。具體地，這樣的電路通常需要額外的電源軌和電路通路來操作多個光耦合器。這不僅增加了整個電路的復雜度，而且還增加了電路中部件之間的干擾的機會以及增加了用于監(jiān)測接觸器的功率需求。其次，在光耦合器的操作和使用期限期間，光耦合器的特性可能會改變。也就是說，根據(jù)時間和/或溫度，光耦合器會顯現(xiàn)出電流傳輸t匕、傳播延時、非線性傳輸特性以及其他特性的變化。此外，光耦合器中的發(fā)光二極管(LED)會隨著時間而降級及用壞。因此，通常限制了光耦合器的可靠性和使用期限。然而，盡管光耦合器存在上述限制，光耦合器仍然是將波形耦合到控制回路中的優(yōu)選裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方式涉及用于確定開關元件的物理狀態(tài)的新的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的第一實施方式中，提供了一種用于監(jiān)測將DC供電裝置與負載連接的開關元件的狀態(tài)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有第一繞組和第二繞組的變壓器，所述第二繞組的第一端電耦接至開關元件的第一開關節(jié)點。該系統(tǒng)還包括被配置成在第一繞組處提供第一波形的發(fā)送電路。該系統(tǒng)還包括具有電隔離的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點的傳感器元件，并且該傳感器元件被配置成響應于在輸入節(jié)點處的信號而在輸出節(jié)點處感生出監(jiān)測信號，其中，輸入節(jié)點電耦接第二繞組的第二端和開關元件的第二開關節(jié)點。另外，該系統(tǒng)包括被耦接至傳感器元件的輸出節(jié)點的接收電路，并且該接收電路被配置成響應于監(jiān)測信號來生成一個或更多個輸出信號。在該系統(tǒng)中，設置有電容器元件，以用于將第二繞組相對于第一開關節(jié)點和傳感器元件進行DC隔離。在本發(fā)明的第二實施方式中，提供一種電池操作的系統(tǒng)。該電池操作的系統(tǒng)包括:至少一個電池模塊；至少一個負載電路；用于將電池模塊與負載電路耦接的開關元件；以及耦接開關元件的第一開關節(jié)點和第二開關節(jié)點的短路通路。在該系統(tǒng)中，短路通路包括與傳感器系統(tǒng)串聯(lián)的DC隔離感應元件，其中，感應元件被配置成將時變信號感應地耦合到短路通路中。另外，傳感器系統(tǒng)被配置成生成作為對開關元件的狀態(tài)和時變信號的響應的一個或更多個輸出信號。在第三實施方式中，提供一種用于監(jiān)測將DC供電裝置與負載連接的開關元件的狀態(tài)的方法。該方法包括在第一開關節(jié)點與第二開關節(jié)點之間提供短路通路的步驟，其中，短路通路包括用于提供短路通路的一個或更多個部分與DC供電裝置之間的DC隔離的多個電容器元件。該方法還包括將時變信號感應地耦合到短路通路的DC隔離部分之一中的步驟以及使用傳感器元件響應于短路通路中所感應地耦合的信號來生成監(jiān)測信號的步驟。該方法還包括基于監(jiān)測信號輸出指示開關元件的狀態(tài)的一個或更多個輸出信號的步驟。


現(xiàn)在，將參照附圖僅作為示例來描述本申請的實施方式，其中:圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式配置的電力系統(tǒng)的框圖；以及圖2是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式配置的電力系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式參照附圖來描述本發(fā)明，其中，貫穿附圖，類似的附圖標記被用于指示相似或等同的元件。附圖不按比例繪制，并且它們被提供來僅用于說明本發(fā)明。下面參照出于說明目的的示例性應用來描述本發(fā)明的若干方面。應當理解，許多具體細節(jié)、關系和方法被闡述來提供對本發(fā)明的全面理解。然而，相關技術領域的普通技術人員將會容易認識到:可以無需所述具體細節(jié)中的一個或更多個細節(jié)來實踐本發(fā)明，或者可以以其他方法來實踐本發(fā)明。在其他情況下，沒有詳細示出公知的結構或操作，以避免模糊本發(fā)明。本發(fā)明不受限于所示出的動作或事件的排序，例如一些動作可以以不同的順序發(fā)生和/或與其他動作或事件同時發(fā)生。此外，并非需要所有示出的動作或事件來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法。如上所述，對高壓DC系統(tǒng)中的開關元件故障的檢測是有意義的，尤其是在電動車輛的領域中。然而，在電動車輛的情況下，可以應用附加的需求，因為這樣的車輛被用戶使用并且將會服務相對長的時間(>3年)。因此，用于檢測接觸器故障的系統(tǒng)需要提供高可靠性、長運行壽命、低功率需求以及對環(huán)境條件的不敏感性。如上所述，光耦合器通常具有低可靠性、短運行壽命、高功率需求，并且對于溫度的變化是敏感的。因此，光耦合器不是用于提供電動車輛和具有相似需求的其他電力系統(tǒng)中的時變信號的理想設備。鑒于傳統(tǒng)的基于光耦合器的監(jiān)測技術的限制以及電動車輛的附加需求，本發(fā)明的各種實施方式提供用于確定DC電力系統(tǒng)中的開關元件的狀態(tài)的新的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的各種實施方式中，通過提供連接在開關元件的第一節(jié)點與第二節(jié)點之間的短路通路來監(jiān)測開關元件。該短路可以由變壓器的第二繞組限定，其中繞組相對于DC供電裝置是DC隔離的。因此，由短路通路與開關元件的組合來限定監(jiān)測回路。在操作中，生成波形并將波形施加在變壓器的第一繞組兩端。作為響應，在第二繞組兩端產生波形。當接觸器閉合時(即，電力系統(tǒng)處于操作中)，波形可以沿著監(jiān)測回路傳播。短路通路中的傳感器元件則可以用于檢測波形的存在或不存在。此后，可以使用傳感器元件的輸出來生成指示開關元件的物理狀態(tài)或者在開關元件處是否發(fā)生故障或失效的信號。使用變壓器以將波形耦合到監(jiān)測回路中具有超越傳統(tǒng)的完全基于光耦合器的方法的一些優(yōu)點。第一，不同于光耦合器，變壓器不需要額外的電源軌。也就是說，不必提供額外的電源軌來偏置將會產生波形的傳統(tǒng)光耦合器的光電晶體管。相反，在第一繞組處提供的波形向變壓器供電。第二，與光耦合器相比，DC隔離變壓器通常容易配置，并且容易提供電路的塊之間的顯著較好的隔離。第三，與光耦合器相比，變壓器是簡單的設備。因此，可以使用相對較少數(shù)目的部件來形成使用變壓器的監(jiān)測電路。而且，現(xiàn)今，在基于緊湊的集成電路(IC)的變壓器中的最新進展提供了可以以相對較小的面積形成并且具有與使用光耦合器的電路相比顯著低的功率需求的變壓器。例如，一些IC變壓器配置可以提供超過50%的功率減少。第四，變壓器通常不易于由于時間或溫度而降級、漂移或變化。因此，變壓器可以提供更可預測的傳輸比和功能。因此，與光耦合器相比，變壓器可以提供顯著更好的可靠性、可預測性和運行壽命。使用變壓器將波形耦合到監(jiān)測回路中的另外的優(yōu)點是:變壓器通常具有比光耦合器高的帶寬，并因此可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸率。因此，耦合到控制回路中的波形不僅可以用于確定開關元件的狀態(tài)，而且可以用于在電力系統(tǒng)的操作期間將大量數(shù)據(jù)可靠地發(fā)送至BMS或其他部件?，F(xiàn)在參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例性DC電力系統(tǒng)100的框圖。系統(tǒng)100包括DC供電裝置102。供電裝置102可以包括一個或更多個DC電源如電池、AC/DC轉換器、化學燃料電池、太陽能電池、發(fā)電機以及交流發(fā)電機等等。然而，本發(fā)明的各種實施方式不限于此，而是可以使用任何其他類型的DC電源或它們的任意組合。如圖1所示，供電裝置102經由開關元件106電耦接至負載104。如本文中所使用的，術語“開關元件”是指被配置成選擇性地斷開電路的部分的任何類型的設備、電路或其他部件。在本發(fā)明的各種實施方式中，開關元件可以包括由機械開關、固態(tài)開關、開關管和/或任何其他類型的開關技術組成的設備。在一些配置中，可以直接或間接地控制開關元件106。例如，可以使用用于供電裝置102的控制系統(tǒng)108來控制開關元件106，其中控制系統(tǒng)自動地或者響應于經由用戶接口 110的用戶輸入進行操作?？刂葡到y(tǒng)108可以是BMS或用于控制電力系統(tǒng)100中的操作的其他設備或系統(tǒng)。如上所述，可以通過使用耦接至開關元件106的端部或節(jié)點以形成監(jiān)測回路114的短路通路112來監(jiān)測開關元件106的狀態(tài)，該監(jiān)測回路114與由供電裝置102、開關元件106和負載104形成的供電回路115并聯(lián)操作。如圖1所示，通路112包括具有第一繞組116A和第二繞組116B的變壓器116以及具有輸入節(jié)點118A和輸出節(jié)點118B的傳感器元件118。具體地，由第二繞組116B和在輸入節(jié)點118A之間的電通路來限定通路112。另外，短路通路112還包括用于防止供電裝置102向通路112放電的元件。具體地，通路112包括用于在變壓器116與供電裝置102之間提供DC隔離的至少第一電容器元件120和第二電容器元件122。此外，在通路112中沒有提供對地連接或對地通路，從而將通路112有效地限制為在通路112中生成信號。在各種實施方式中，傳感器元件118可以是其中輸入節(jié)點118A與輸出節(jié)點118B電隔離的光耦合器、另外的變壓器或任何其他設備。此外，通路112可以包括用于監(jiān)測、匹配或任何其他目的的其他部件124。例如，在一個實施方式中，部件124可以包括讀電阻器。在這樣的配置中，系統(tǒng)100的控制系統(tǒng)108或其他部件可以被配置成監(jiān)測讀電阻器兩端的電壓并檢測傳播通過監(jiān)測回路114的波形。然后，系統(tǒng)100或任何其他設備可以提取并使用波形中的數(shù)據(jù)。如圖1中進一步示出的，系統(tǒng)100可以包括用于在第一繞組116A兩端發(fā)送波形的發(fā)送電路126。在一些配置中，可以將發(fā)送電路126直接耦接至第一繞組116A。在其他配置中，可以經由耦合元件128將發(fā)送電路126直接耦接至第一繞組116A。例如，耦合元件128可以是提供發(fā)送電路126與第一繞組116A之間的DC隔離的電容性元件。在這樣的配置中，變壓器116、電容器120、電容器122和耦合元件128限定DC隔離變壓器。在本發(fā)明的各種實施方式中，發(fā)送電路126可以是用于生成波形的任何類型的電路。例如，可以使用RC、LC或晶體振蕩電路、單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路、IC式定時器電路、基于二極管或晶體管的非線性波形電路、整流電路以及基于數(shù)字電路的信號發(fā)生電路和設備等等來形成發(fā)送電路126。然而，所述各種實施方式不限于此，并且在所述各種實施方式中可以使用用于生成波形的任何其他類型的電路和/或設備。另外，發(fā)送電路126可以被配置成提供恒定的波形，或者被配置成通過提供時變波形來發(fā)送數(shù)據(jù)。而且，如圖1所示，系統(tǒng)100可以包括耦接至輸出節(jié)點118B的接收電路130。該接收電路130可以被配置成包括用于生成指示開關元件106的當前或實際物理狀態(tài)的信號的邏輯。此外，接收電路130還可以被配置成包括用于在開關元件106的當前物理狀態(tài)不與開關元件106的目標物理狀態(tài)相匹配時生成故障信號的邏輯。用于對系統(tǒng)100進行操作的一個示例性過程按照如下進行工作。首先，控制系統(tǒng)108可以生成用于設置開關元件106的狀態(tài)的信號或指令。例如，如果負載104是電動車輛的驅動系統(tǒng)并且操作是預期的，則控制系統(tǒng)108可以向開關元件106發(fā)送信號以使其閉合，從而將DC供電裝置102連接至負載104?？商娲?，如果需要暫?；蚪K止車輛的操作，則控制系統(tǒng)108可以向開關元件106發(fā)送信號以使其斷開，從而將DC供電裝置102與負載104斷開。同時，發(fā)送電路126可以生成傳播通過第一繞組116A的波形。響應于該波形，變壓器116可操作成在第二繞組116B兩端感應地感生出限定波形的電壓信號。取決于變壓器116的配置，在繞組116A和繞組116B處的波形可以相同或不同。如果開關元件106是斷開的，則在第二繞組116B處的波形將不沿著監(jiān)測回路114傳播。然而，當開關元件106閉合時，在第二繞組116B處的波形將沿著監(jiān)測回路114傳播。一部分波形也可以傳播到由DC供電裝置102、開關元件106和負載104形成的供電回路115中。然而，可以通過將發(fā)送電路126和/或變壓器116配置成提供幅值顯著小于DC供電裝置的電壓的波形來避免負載的操作中的干擾。無論波形是否沿著監(jiān)測回路114傳播，傳感器元件118基于輸入節(jié)點118A處的信號來生成輸出節(jié)點118B處的監(jiān)測信號。在各種實施方式中，因為短路通路112使用至少電容器元件120和122進行了 DC隔離，并且在通路112中沒有可用的接地通路，所以傳感器元件118也與供電回路115有效地隔離。因此，即使在通路112中不存在波形的情況下，監(jiān)測信號也不會基于來自DC供電裝置102的DC信號?？梢砸愿鞣N方式在傳感器元件118處生成監(jiān)測信號。例如，在一個配置中，傳感器元件118可以是光耦合器。因此，取決于在輸入節(jié)點118A處存在的信號，光耦合器中的晶體管可以被導通或關斷以提供監(jiān)測信號。在另一配置中，傳感器元件118可以是變壓器，其中節(jié)點118A和118B限定第一繞組和第二繞組的端部。因此，基于在節(jié)點118A(S卩，第一繞組)處存在的信號來感生節(jié)點118B (即，第二繞組)處的信號。從而，該感生出的信號提供監(jiān)測信號。在一些實施方式中，針對傳感器元件118使用變壓器即使不能提供上述全部優(yōu)點也可以提供許多優(yōu)點。此外，在需要將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收電路130的情況下，如果來自發(fā)送電路的數(shù)據(jù)速率顯著較高，則會要求用于傳感器元件118的變壓器。也就是說，雖然可以將傳統(tǒng)的光耦合器進行偏置以提供較大的帶寬來支持較高的數(shù)據(jù)速率，但是這通常以光耦合器的電流傳輸t匕(CTR)為代價。因此，這可能會導致光耦合器的低效率、光電晶體管的低靈敏度，并且可能需要顯著地更復雜的電路以檢測光電晶體管電流的變化。相反，變壓器的數(shù)據(jù)速率主要取決于變壓器的諧振頻率。因此，可以發(fā)送的數(shù)據(jù)量直接依賴于所使用的變壓器的質量和成本，而不依賴于變壓器的偏置。另外，只要提供具有足夠能量(即，幅值)的波形，就可消除需要復雜電路來檢測信號的需要。一旦在輸出節(jié)點118B處輸出由傳感器元件118生成的監(jiān)測信號，接收電路130則可以處理該監(jiān)測信號。首先，可以使用監(jiān)測信號來生成代表開關元件106的實際接觸狀態(tài)的信號。也就是說，基于監(jiān)測信號的特性，接收電路可以生成指示開關元件106實際上是斷開還是閉合的信號。例如，如果監(jiān)測信號是開關元件106閉合時的波形，則接收電路130可以被配置成包括用于檢測在輸出節(jié)點118B處是否存在信號的元件。在這樣的配置中，如果傳感器元件118在輸出節(jié)點118B處輸出波形，則可以使用小信號晶體管來檢測波形的存在?？商娲?，也可以使用微處理器、峰值檢波器或邏輯門。然而，本發(fā)明的各種實施方式不限于這些方法。此外，接收電路130也可以將指示實際接觸狀態(tài)的信號傳送至系統(tǒng)100中的其他部件，例如控制系統(tǒng)108。除了確定開關元件106的實際接觸狀態(tài)之外，接收電路還可以被配置成生成指示實際接觸狀態(tài)與預期或目標接觸狀態(tài)不匹配的故障信號。也就是說，接收電路130可以包括用于接收代表目標接觸狀態(tài)的信號的邏輯或功能。例如，如圖1所示，控制系統(tǒng)108或系統(tǒng)100的其他部件可以提供這樣的信號。在操作中，接收電路130可以比較實際接觸狀態(tài)與目標接觸狀態(tài)。例如，接收電路可以包括用于比較代表實際接觸狀態(tài)的信號與代表目標接觸狀態(tài)的信號的邏輯。如果狀態(tài)不匹配，則可以生成故障信號。在一些配置中，接收電路可以被配置成保持故障信號直至發(fā)生復位事件為止。也就是說，接收電路130可以被配置成當其被斷電時將故障信號復位?？商娲兀邮针娐?30還可以被配置成在接收到外部復位信號時將故障信號復位。在一個配置中，這樣的外部信號可以由用戶經由用戶接口 110和控制系統(tǒng)108提供給接收電路130。在另一配置中，可以在部件如開關元件106被替換時自動地生成這樣的外部信號。在一些實施方式中，可以使用故障信號來阻止系統(tǒng)100的進一步操作。例如，可以使用故障信號來操作次要或備用開關元件132以將DC供電裝置102與負載104斷開?？商娲?，可以使用故障電路來限制系統(tǒng)100的操作。例如，也可以使用故障信號來激活輔助的短期DC供電裝置并斷開主供電裝置?？商娲兀梢允褂霉收闲盘杹韱釉诳刂葡到y(tǒng)108中或在別處的定時器，并在此后向用戶指示在定時器倒計時結束時系統(tǒng)100將被停用。這樣的配置對于確保電動車輛或其他電力系統(tǒng)能夠被置于安全狀態(tài)從而不增加對操作者的傷害的風險是有用的?，F(xiàn)在參照圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的示例性DC電力系統(tǒng)200的框圖。如圖2所示，系統(tǒng)200包括如以上參照圖1描述的部件或元件102-116、120和122。相應地，上面關于圖1中的這些部件和元件的描述將足以用來描述圖2中的這些部件和元件的配置和/或操作。如圖2所示，使用555定時器IC228來實現(xiàn)發(fā)送電路126。具體地，定時器IC228被配置成以非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器模式來工作，以提供包括連續(xù)的矩形脈沖流的波形。相應地，本領域普通技術人員將會認識到:圖2中的發(fā)送電路126會包括除定時器IC228之外的其他部件。例如，發(fā)送電路126中的定時器IC228會被配置成連接至電源電壓(VDD)、地或參考電壓、電阻器和電容器。將關于定時器IC228來選擇這些部件的類型和布置，以提供期望的波形。在一個實施方式中，提供250kHz的矩形波形。然而，本發(fā)明的各種實施方式不限制于此，并且可以結合合適的檢測電路來使用任何其他波形，只要波形具有足夠的能量使得變壓器的能量損耗是不重要的即可。定時器IC228的輸出可以直接或間接地耦接至變壓器116的第一繞組116A的第一端，如圖2所示。第一繞組116A的第二端可以耦接至地或參考電壓。如圖2中進一步所示的，使用耦合元件128來耦接第一繞組116A的端子。具體地，使用電容器來將發(fā)送電路126和接地電壓分別耦接至第一繞組116A的第一端和第二端。圖2中的系統(tǒng)200還包括讀晶體管224。這樣的晶體管可以被用于將傳感器元件118的輸入與系統(tǒng)200中的其他部件的輸出進行匹配。然而，讀晶體管224也可以用于獨立地監(jiān)測所述監(jiān)測回路114。相應地，可以設置傳感器225以使讀晶體管224兩端的信號能夠被檢測并用于這樣的目的。如圖2中進一步所示的，傳感器元件118被實施為光耦合器，該光耦合器包括限定輸入節(jié)點118A的一個或更多個LED218C以及限定輸出節(jié)點118B的NPN光電晶體管218D。在圖2所示的配置中，傳感器元件118包括兩個LED。因此，在其中光電晶體管218D的響應比得上或優(yōu)于LED的響應的配置中，監(jiān)測信號包括頻率是輸入節(jié)點118A處的波形的有效兩倍的波形。類似于圖1中的配置，傳感器元件118的輸出節(jié)點118A耦接至接收電路118。可替代地，在其中光電晶體管218D的響應慢于LED的響應的配置中，監(jiān)測信號包括連續(xù)信號。在圖2中，接收電路130被配置成生成指示實際接觸狀態(tài)的信號。此外，接收電路130被配置成比較實際接觸狀態(tài)信號與目標接觸狀態(tài)信號。此后，如果實際接觸狀態(tài)信號與目標接觸狀態(tài)信號不匹配，則生成故障信號。進一步地，保持該故障信號直至接收電路被斷電為止。在圖2中示出了用于實現(xiàn)該功能的一個可能配置。如圖2所示，輸出節(jié)點118B被耦接至地以及由晶體管232和電阻器234、236和238形成的放大器電路231的輸入節(jié)點?？梢赃x擇這些元件的配置和布置以向異或(XOR)門240提供合適的邏輯信號。進一步地，可以選擇這些元件的配置和布置以提供響應于監(jiān)測信號的配置的這樣的邏輯信號。例如，在包括波形的監(jiān)測信號的情況下，晶體管232可以是小信號晶體管。然而，本發(fā)明不限于圖2所示的對于放大器231的配置。相反，可以使用不同的元件的組合來形成放大器231。由放大器231生成的邏輯信號代表開關元件106的實際(S卩，物理)接觸狀態(tài)。可以將該邏輯信號直接或間接地提供給控制系統(tǒng)108?？刂葡到y(tǒng)則可以在用戶接口(UI) 110處生成對開關元件106的物理狀態(tài)的顯示或其他指示。為了比較目標接觸狀態(tài)信號與來自放大器的實際接觸狀態(tài)信號，可以使用XOR門240來執(zhí)行這些信號的比較?？梢灾苯踊蜷g接地從控制系統(tǒng)108提供目標接觸狀態(tài)信號。從而，本領域技術人員將認識到:接收電路130可以包括提供基于目標狀態(tài)信號的用于XOR門240的合適邏輯信號的部件。在操作中，只要目標接觸狀態(tài)信號與實際接觸狀態(tài)相匹配，則該XOR門240提供指示該匹配的第一值。然而，在實際接觸狀態(tài)信號不同于目標接觸狀態(tài)信號的情況下，改變XOR門240的輸出并提供第二值，從而指示不同，并因而指示故障。雖然XOR門240的輸出指示發(fā)生故障的時間，但是在圖2的配置中，接收電路包括用于保持指示故障的信號直至發(fā)生復位事件為止的部件。從而，即使在開關元件106恢復正常操作的情況下，仍舊保持故障信號。例如，如圖2所示，接收電路120可以包括門控鎖存電路242。在操作中，門控鎖存電路242被配置成在XOR門240提供第一值時存儲并輸出第一信號(指示沒有故障)并且被配置成允許第一信號的變化。當門控鎖存電路242接收來自XOR門240的第二值時，門控鎖存電路242被配置成存儲并輸出第二信號(指示故障)。然而，門控鎖存電路242還被配置成防止所存儲的值的任何進一步變化并從而防止其輸出的任何進一步變化直至對門控鎖存電路的供電被中斷為止。本領域普通技術人員將認識到，出于該目的，可以使用許多類型的門控鎖存電路。系統(tǒng)100的部分以及支持部件可以采取硬件元件、軟件元件或含有硬件和軟件的元件的形式。在一個實施方式中，軟件部分可以包括但不限于固件、常駐軟件、微代碼等。此外，這些軟件部分可以采取可從計算機可用或計算機可讀介質存取的計算機程序產品的形式，該計算機程序產品提供由計算機或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用的或結合計算機或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用的程序代碼。出于該描述的目的，計算機可用或計算機可讀介質可以是能夠包括、存儲、傳送、傳播或傳遞由指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備使用的或結合指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備使用的程序的任何裝置。介質可以是電子、磁、光、電磁、紅外或半導體系統(tǒng)(或裝置或設備)或者傳播介質(雖然在物理的計算機可讀介質的定義中沒有包括其中作為信號載體的傳播介質)。物理的計算機可讀介質的示例包括半導體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移動計算機磁盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁盤以及光盤。光盤的當前示例包括壓縮盤只讀存儲器(⑶-ROM)、壓縮讀寫盤(⑶-R/W)以及數(shù)字化視頻光盤(DVD)。如本領域技術人員已知的，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的每個方面的處理器和程序代碼均可以是集中式的或分布式的(或兩者的組合)。適于存儲程序代碼并執(zhí)行程序代碼的、可以以文中描述的上面引用的任何設備實現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以包括通過系統(tǒng)總線直接或間接地耦接至存儲元件的至少一個處理器。存儲元件可以包括:在程序代碼的實際執(zhí)行期間使用的局部存儲器；大容量存儲器；以及提供至少某一程序代碼的臨時存儲以降低在執(zhí)行期間必須從大容量存儲器取回代碼的次數(shù)的高速緩沖存儲器?？梢詫/O設備(包括但不限于鍵盤、顯示器、定點設備等)直接或通過介入I/o控制器來耦接至系統(tǒng)。申請人:在上面提出了被認為是準確的、用來說明關于本發(fā)明的實施方式而進行的觀察的某些理論方面。然而，本發(fā)明的實施方式可以無需所提出的理論方面而進行實踐。此夕卜，所述理論方面是在理解申請人不意在被約束于所提出的理論的情況下提出的。盡管已經在上面描述了本發(fā)明的各種實施方式，但是應當理解，本發(fā)明的各種實施方式僅是作為舉例來呈現(xiàn)的，并非是作為限制來呈現(xiàn)的?？梢栽诓幻撾x本發(fā)明的精神或范圍的情況下根據(jù)本文的公開內容對所公開的實施方式進行各種變化。其他配置也是可以的。因此，本發(fā)明的廣度和范圍應當不受限于上述實施方式中的任何實施方式。相反地，本發(fā)明的范圍應當根據(jù)所附權利要求及其等同物來限定。雖然已經關于一個或更多個實施方式說明和描述了本發(fā)明，但是在閱讀并理解本說明書和附圖的情況下，本領域技術人員可以進行等同改變和修改。此外，盡管可能會僅關于許多實施方式中的一個實施方式公開了本發(fā)明的某個特定特征，但是可以根據(jù)任何給定的或具體的應用的需要以及優(yōu)點來將這樣的特征與其它實施方式的一個或更多個其他特征進行組合。本文中使用的術語僅是出于描述具體實施方式
的目的，并非意在限制本發(fā)明。如本文中使用的，除非上下文清楚地另有指明，否則單數(shù)形式“一個(a)”、“一個(an)”或“該(the)”意在還包括復數(shù)形式。此外，就在具體實施方式
和/或權利要求中使用的術語“包括(including、includes)”、“具有(having、has)”、“有(with)” 或其變形而言，這樣的術語意在是類似于術語“包括(comprising)”的開放性包括。除非另有定義，否則本文中使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域的普通技術人員通常所理解的意思相同的意思。還要理解的是:術語，例如在常用詞典中定義的那些術語，應當被解釋為具有與在相關技術的上下文中它們的意思一致的意思，并且將不以理想化或過于正式的意義來解釋，除非在文中明確地這樣定義。
權利要求
1.一種用于監(jiān)測將直流供電裝置與負載連接的開關元件的狀態(tài)的系統(tǒng)，包括: 第一變壓器，所述第一變壓器具有第一繞組和第二繞組，所述第二繞組的第一端電耦接至所述開關元件的第一開關節(jié)點； 發(fā)送電路，所述發(fā)送電路被配置成在所述第一繞組處提供第一波形； 傳感器元件，所述傳感器元件具有電隔離的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點，并且所述傳感器元件被配置成響應于在所述輸入節(jié)點處的信號而在所述輸出節(jié)點處感生出監(jiān)測信號，所述輸入節(jié)點電耦接所述第二繞組的第二端和所述開關元件的第二開關節(jié)點；以及 接收電路，所述接收電路耦接至所述傳感器元件的所述輸出節(jié)點，并且所述接收電路被配置成響應于所述監(jiān)測信號來生成一個或更多個輸出信號；以及 多個電容器元件，所述多個電容器元件用于提供所述第二繞組相對于所述第一開關節(jié)點和所述傳感器元件的直流隔離。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于提供所述第一繞組相對于所述發(fā)送電路的直流隔離的至少一個其他電容器元件。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器元件包括光耦合器。
4.根據(jù)權利要求 1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器元件包括具有第一繞組和第二繞組的第二變壓器，所述第二變壓器的所述第一繞組限定所述輸入節(jié)點，所述第二變壓器的所述第二繞組限定所述輸出節(jié)點。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述輸出信號包括指示所述開關元件的實際狀態(tài)的實際接觸狀態(tài)信號。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述接收電路包括比較元件，所述比較元件被配置成響應于比較所述實際接觸狀態(tài)信號與目標接觸狀態(tài)信號來生成故障信號，所述目標接觸狀態(tài)信號指示所述開關元件的目標狀態(tài)，所述故障信號指示所述目標接觸狀態(tài)信號何時與所述實際接觸狀態(tài)信號不同。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述輸出信號還包括故障信號，并且其中，所述接收電路還包括用于保持所述故障信號直至對所述接收電路的供電被斷開為止的門控鎖存電路。
8.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述接收電路還包括用于保持所述故障信號直至接收到復位信號為止的門控鎖存電路。
9.一種電池操作的系統(tǒng)，包括: 至少一個電池模塊； 至少一個負載電路； 用于將所述電池模塊與所述負載電路耦接的開關元件；以及 耦接所述開關元件的第一開關節(jié)點和第二開關節(jié)點的短路通路，其中，所述短路通路包括與傳感器系統(tǒng)串聯(lián)的直流隔離感應元件，所述感應元件被配置成將時變信號感應地耦合到所述短路通路中，所述傳感器系統(tǒng)被配置成生成作為對所述開關元件的狀態(tài)和所述時變信號的響應的一個或更多個輸出信號。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述直流隔離感應元件包括: 具有第一繞組和第二繞組的直流隔離變壓器，所述第二繞組的第一端電容性地耦接至所述開關元件的第一開關節(jié)點，所述第二繞組的第二端電容性地耦接至傳感器元件；以及發(fā)送電路，所述發(fā)送電路被配置成在所述變壓器的所述第一繞組處提供時變信號，以在所述第二繞組處感生出用于所述短路通路的所述時變信號。
11.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器系統(tǒng)包括: 具有電隔離的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點的傳感器元件，所述傳感器元件被配置成響應于在所述輸入節(jié)點處檢測到的信號來在所述輸出節(jié)點處生成監(jiān)測信號，所述輸入節(jié)點電耦接所述第二繞組的第二端和所述開關元件的第二開關節(jié)點；以及 耦接至所述傳感器元件的所述輸出節(jié)點的接收電路，所述接收電路被配置成響應于至少所述監(jiān)測信號來生成所述輸出信號。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器元件包括光耦合器。
13.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述輸出信號包括指示所述開關元件的實際狀態(tài)的實際接觸狀態(tài)信號。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述接收電路包括比較元件，所述比較元件被配置成響應于比較所述實際接觸狀態(tài)信號與目標接觸狀態(tài)信號來生成故障信號，所述目標接觸狀態(tài)信號指示所述開關元件的目標狀態(tài)，所述故障信號指示所述目標接觸狀態(tài)信號何時與所述實際接觸狀態(tài)信號不同。
15.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述輸出信號還包括故障信號，并且其中，所述接收電路還包括用于保持所述故障信號直至對所述接收電路的供電被斷開或接收到復位信號為止的門控鎖存電路。
16.一種用于監(jiān)測將直流供電裝置與負載連接的開關元件的狀態(tài)的方法，包括: 在第一開關節(jié)點與第二 開關節(jié)點之間提供短路通路，所述短路通路包括用于提供所述短路通路的一個或更多個部分與所述直流供電裝置之間的直流隔離的多個電容器元件； 將時變信號感應地耦合到所述短路通路的直流隔離部分之一中； 使用傳感器元件響應于所述短路通路中所感應地耦合的信號來生成監(jiān)測信號；以及 基于所述監(jiān)測信號輸出指示所述開關元件的狀態(tài)的一個或更多個輸出信號。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述在第一開關節(jié)點與第二開關節(jié)點之間提供短路通路的步驟還包括使用第一變壓器的第一繞組形成所述直流隔離部分之一，并且其中，所述將時變信號感應地耦合到所述短路通路的直流隔離部分之一中的步驟還包括在所述第一變壓器的第二繞組的兩端施加時變信號以感生出用于所述短路通路的時變信號。
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述在第一開關節(jié)點與第二開關節(jié)點之間提供短路通路的步驟還包括所述短路通路的一部分使用第二變壓器的第一繞組，并且其中，所述使用傳感器元件響應于所述短路通路中所感應地耦合的信號來生成監(jiān)測信號的步驟還包括選擇在所述第二變壓器的第二繞組兩端生成的信號作為所述監(jiān)測信號。
19.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述在第一開關節(jié)點與第二開關節(jié)點之間提供短路通路的步驟還包括所述短路通路的一部分使用光耦合器的輸入節(jié)點，并且其中，所述使用傳感器元件響應于所述短路通路中所感應地耦合的信號來生成監(jiān)測信號的步驟還包括選擇在所述光耦合器的輸出節(jié)點兩端生成的信號作為所述監(jiān)測信號。
20.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述基于所述監(jiān)測信號輸出指示所述開關元件的狀態(tài)的一個或更多個輸出信號的步驟還包括: 生成指示所述開關元件的實際狀態(tài)的實際接觸狀態(tài)信號；比較所述實際接觸狀態(tài)信號與目標接觸狀態(tài)信號，所述目標接觸狀態(tài)信號指示所述開關元件的目標狀態(tài)； 在所述實際接觸狀態(tài)信號與所述目標接觸狀態(tài)信號不同時生成指示故障狀態(tài)的故障信號；以及 保持所述故障信 號直至發(fā)生復位事件為止。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于監(jiān)測將直流供電裝置與負載連接的開關元件的狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)包括具有第一繞組和第二繞組的變壓器，其中第二繞組的第一端電耦接至開關元件的第一開關節(jié)點。所述系統(tǒng)還包括被配置成在第一繞組處提供波形的發(fā)送電路；以及具有電隔離的輸入節(jié)點和輸出節(jié)點的傳感器元件，以用于響應于在輸入節(jié)點處的信號而在輸出節(jié)點處感生出監(jiān)測信號。該系統(tǒng)還包括耦接至輸出節(jié)點的接收電路，該接收電路被配置成響應于監(jiān)測信號來生成一個或更多個輸出信號。所述系統(tǒng)還包括用于提供第二繞組相對于第一開關節(jié)點和傳感器元件的直流隔離的電容器元件。
文檔編號G01R31/327GK103189755SQ201180053504
公開日2013年7月3日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2010年10月4日
發(fā)明者賈斯廷·凱姆斯, 大衛(wèi)·阿爾賓, 大衛(wèi)·黑迪, 蒂蒙西·斯卡佐, 羅納德·耶格爾, 查爾斯·卡普斯 申請人:埃納德爾公司