专利名称：用于确定开关元件的物理状态的系统和方法
技术领域：
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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。在本发明的第一实施方式中，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。在本发明的第二实施方式中，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。
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是根据本发明的实施方式配置的电力系统的框图；以及图2是根据本发明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发明，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发明。下面参照出于说明目的的示例性应用来描述本发明的若干方面。应当理解，许多具体细节、关系和方法被阐述来提供对本发明的全面理解。然而，相关技术领域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发明，或者可以以其他方法来实践本发明。在其他情况下，没有详细示出公知的结构或操作，以避免模糊本发明。本发明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发明的方法。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，本发明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。在本发明的各种实施方式中，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，并且容易提供电路的块之间的显著较好的隔离。第三，与光耦合器相比，变压器是简单的设备。因此，可以使用相对较少数目的部件来形成使用变压器的监测电路。而且，现今，在基于紧凑的集成电路(IC)的变压器中的最新进展提供了可以以相对较小的面积形成并且具有与使用光耦合器的电路相比显著低的功率需求的变压器。例如，一些IC变压器配置可以提供超过50%的功率减少。第四，变压器通常不易于由于时间或温度而降级、漂移或变化。因此，变压器可以提供更可预测的传输比和功能。因此，与光耦合器相比，变压器可以提供显著更好的可靠性、可预测性和运行寿命。使用变压器将波形耦合到监测回路中的另外的优点是:变压器通常具有比光耦合器高的带宽，并因此可以支持更高的数据传输率。因此，耦合到控制回路中的波形不仅可以用于确定开关元件的状态，而且可以用于在电力系统的操作期间将大量数据可靠地发送至BMS或其他部件。现在参照图1，示出了根据本发明的实施方式的示例性DC电力系统100的框图。系统100包括DC供电装置102。供电装置102可以包括一个或更多个DC电源如电池、AC/DC转换器、化学燃料电池、太阳能电池、发电机以及交流发电机等等。然而，本发明的各种实施方式不限于此，而是可以使用任何其他类型的DC电源或它们的任意组合。如图1所示，供电装置102经由开关元件106电耦接至负载104。如本文中所使用的，术语“开关元件”是指被配置成选择性地断开电路的部分的任何类型的设备、电路或其他部件。在本发明的各种实施方式中，开关元件可以包括由机械开关、固态开关、开关管和/或任何其他类型的开关技术组成的设备。在一些配置中，可以直接或间接地控制开关元件106。例如，可以使用用于供电装置102的控制系统108来控制开关元件106，其中控制系统自动地或者响应于经由用户接口 110的用户输入进行操作。控制系统108可以是BMS或用于控制电力系统100中的操作的其他设备或系统。如上所述，可以通过使用耦接至开关元件106的端部或节点以形成监测回路114的短路通路112来监测开关元件106的状态，该监测回路114与由供电装置102、开关元件106和负载104形成的供电回路115并联操作。如图1所示，通路112包括具有第一绕组116A和第二绕组116B的变压器116以及具有输入节点118A和输出节点118B的传感器元件118。具体地，由第二绕组116B和在输入节点118A之间的电通路来限定通路112。另外，短路通路112还包括用于防止供电装置102向通路112放电的元件。具体地，通路112包括用于在变压器116与供电装置102之间提供DC隔离的至少第一电容器元件120和第二电容器元件122。此外，在通路112中没有提供对地连接或对地通路，从而将通路112有效地限制为在通路112中生成信号。在各种实施方式中，传感器元件118可以是其中输入节点118A与输出节点118B电隔离的光耦合器、另外的变压器或任何其他设备。此外，通路112可以包括用于监测、匹配或任何其他目的的其他部件124。例如，在一个实施方式中，部件124可以包括读电阻器。在这样的配置中，系统100的控制系统108或其他部件可以被配置成监测读电阻器两端的电压并检测传播通过监测回路114的波形。然后，系统100或任何其他设备可以提取并使用波形中的数据。如图1中进一步示出的，系统100可以包括用于在第一绕组116A两端发送波形的发送电路126。在一些配置中，可以将发送电路126直接耦接至第一绕组116A。在其他配置中，可以经由耦合元件128将发送电路126直接耦接至第一绕组116A。例如，耦合元件128可以是提供发送电路126与第一绕组116A之间的DC隔离的电容性元件。在这样的配置中，变压器116、电容器120、电容器122和耦合元件128限定DC隔离变压器。在本发明的各种实施方式中，发送电路126可以是用于生成波形的任何类型的电路。例如，可以使用RC、LC或晶体振荡电路、单稳态、双稳态和非稳态多谐振荡器电路、IC式定时器电路、基于二极管或晶体管的非线性波形电路、整流电路以及基于数字电路的信号发生电路和设备等等来形成发送电路126。然而，所述各种实施方式不限于此，并且在所述各种实施方式中可以使用用于生成波形的任何其他类型的电路和/或设备。另外，发送电路126可以被配置成提供恒定的波形，或者被配置成通过提供时变波形来发送数据。而且，如图1所示，系统100可以包括耦接至输出节点118B的接收电路130。该接收电路130可以被配置成包括用于生成指示开关元件106的当前或实际物理状态的信号的逻辑。此外，接收电路130还可以被配置成包括用于在开关元件106的当前物理状态不与开关元件106的目标物理状态相匹配时生成故障信号的逻辑。用于对系统100进行操作的一个示例性过程按照如下进行工作。首先，控制系统108可以生成用于设置开关元件106的状态的信号或指令。例如，如果负载104是电动车辆的驱动系统并且操作是预期的，则控制系统108可以向开关元件106发送信号以使其闭合，从而将DC供电装置102连接至负载104。可替代地，如果需要暂停或终止车辆的操作，则控制系统108可以向开关元件106发送信号以使其断开，从而将DC供电装置102与负载104断开。同时，发送电路126可以生成传播通过第一绕组116A的波形。响应于该波形，变压器116可操作成在第二绕组116B两端感应地感生出限定波形的电压信号。取决于变压器116的配置，在绕组116A和绕组116B处的波形可以相同或不同。如果开关元件106是断开的，则在第二绕组116B处的波形将不沿着监测回路114传播。然而，当开关元件106闭合时，在第二绕组116B处的波形将沿着监测回路114传播。一部分波形也可以传播到由DC供电装置102、开关元件106和负载104形成的供电回路115中。然而，可以通过将发送电路126和/或变压器116配置成提供幅值显著小于DC供电装置的电压的波形来避免负载的操作中的干扰。无论波形是否沿着监测回路114传播，传感器元件118基于输入节点118A处的信号来生成输出节点118B处的监测信号。在各种实施方式中，因为短路通路112使用至少电容器元件120和122进行了 DC隔离，并且在通路112中没有可用的接地通路，所以传感器元件118也与供电回路115有效地隔离。因此，即使在通路112中不存在波形的情况下，监测信号也不会基于来自DC供电装置102的DC信号。可以以各种方式在传感器元件118处生成监测信号。例如，在一个配置中，传感器元件118可以是光耦合器。因此，取决于在输入节点118A处存在的信号，光耦合器中的晶体管可以被导通或关断以提供监测信号。在另一配置中，传感器元件118可以是变压器，其中节点118A和118B限定第一绕组和第二绕组的端部。因此，基于在节点118A(S卩，第一绕组)处存在的信号来感生节点118B (即，第二绕组)处的信号。从而，该感生出的信号提供监测信号。在一些实施方式中，针对传感器元件118使用变压器即使不能提供上述全部优点也可以提供许多优点。此外，在需要将数据发送至接收电路130的情况下，如果来自发送电路的数据速率显著较高，则会要求用于传感器元件118的变压器。也就是说，虽然可以将传统的光耦合器进行偏置以提供较大的带宽来支持较高的数据速率，但是这通常以光耦合器的电流传输t匕(CTR)为代价。因此，这可能会导致光耦合器的低效率、光电晶体管的低灵敏度，并且可能需要显著地更复杂的电路以检测光电晶体管电流的变化。相反，变压器的数据速率主要取决于变压器的谐振频率。因此，可以发送的数据量直接依赖于所使用的变压器的质量和成本，而不依赖于变压器的偏置。另外，只要提供具有足够能量(即，幅值)的波形，就可消除需要复杂电路来检测信号的需要。一旦在输出节点118B处输出由传感器元件118生成的监测信号，接收电路130则可以处理该监测信号。首先，可以使用监测信号来生成代表开关元件106的实际接触状态的信号。也就是说，基于监测信号的特性，接收电路可以生成指示开关元件106实际上是断开还是闭合的信号。例如，如果监测信号是开关元件106闭合时的波形，则接收电路130可以被配置成包括用于检测在输出节点118B处是否存在信号的元件。在这样的配置中，如果传感器元件118在输出节点118B处输出波形，则可以使用小信号晶体管来检测波形的存在。可替代地，也可以使用微处理器、峰值检波器或逻辑门。然而，本发明的各种实施方式不限于这些方法。此外，接收电路130也可以将指示实际接触状态的信号传送至系统100中的其他部件，例如控制系统108。除了确定开关元件106的实际接触状态之外，接收电路还可以被配置成生成指示实际接触状态与预期或目标接触状态不匹配的故障信号。也就是说，接收电路130可以包括用于接收代表目标接触状态的信号的逻辑或功能。例如，如图1所示，控制系统108或系统100的其他部件可以提供这样的信号。在操作中，接收电路130可以比较实际接触状态与目标接触状态。例如，接收电路可以包括用于比较代表实际接触状态的信号与代表目标接触状态的信号的逻辑。如果状态不匹配，则可以生成故障信号。在一些配置中，接收电路可以被配置成保持故障信号直至发生复位事件为止。也就是说，接收电路130可以被配置成当其被断电时将故障信号复位。可替代地，接收电路130还可以被配置成在接收到外部复位信号时将故障信号复位。在一个配置中，这样的外部信号可以由用户经由用户接口 110和控制系统108提供给接收电路130。在另一配置中，可以在部件如开关元件106被替换时自动地生成这样的外部信号。在一些实施方式中，可以使用故障信号来阻止系统100的进一步操作。例如，可以使用故障信号来操作次要或备用开关元件132以将DC供电装置102与负载104断开。可替代地，可以使用故障电路来限制系统100的操作。例如，也可以使用故障信号来激活辅助的短期DC供电装置并断开主供电装置。可替代地，可以使用故障信号来启动在控制系统108中或在别处的定时器，并在此后向用户指示在定时器倒计时结束时系统100将被停用。这样的配置对于确保电动车辆或其他电力系统能够被置于安全状态从而不增加对操作者的伤害的风险是有用的。现在参照图2，示出了根据本发明的优选实施方式的示例性DC电力系统200的框图。如图2所示，系统200包括如以上参照图1描述的部件或元件102-116、120和122。相应地，上面关于图1中的这些部件和元件的描述将足以用来描述图2中的这些部件和元件的配置和/或操作。如图2所示，使用555定时器IC228来实现发送电路126。具体地，定时器IC228被配置成以非稳态多谐振荡器模式来工作，以提供包括连续的矩形脉冲流的波形。相应地，本领域普通技术人员将会认识到:图2中的发送电路126会包括除定时器IC228之外的其他部件。例如，发送电路126中的定时器IC228会被配置成连接至电源电压(VDD)、地或参考电压、电阻器和电容器。将关于定时器IC228来选择这些部件的类型和布置，以提供期望的波形。在一个实施方式中，提供250kHz的矩形波形。然而，本发明的各种实施方式不限制于此，并且可以结合合适的检测电路来使用任何其他波形，只要波形具有足够的能量使得变压器的能量损耗是不重要的即可。定时器IC228的输出可以直接或间接地耦接至变压器116的第一绕组116A的第一端，如图2所示。第一绕组116A的第二端可以耦接至地或参考电压。如图2中进一步所示的，使用耦合元件128来耦接第一绕组116A的端子。具体地，使用电容器来将发送电路126和接地电压分别耦接至第一绕组116A的第一端和第二端。图2中的系统200还包括读晶体管224。这样的晶体管可以被用于将传感器元件118的输入与系统200中的其他部件的输出进行匹配。然而，读晶体管224也可以用于独立地监测所述监测回路114。相应地，可以设置传感器225以使读晶体管224两端的信号能够被检测并用于这样的目的。如图2中进一步所示的，传感器元件118被实施为光耦合器，该光耦合器包括限定输入节点118A的一个或更多个LED218C以及限定输出节点118B的NPN光电晶体管218D。在图2所示的配置中，传感器元件118包括两个LED。因此，在其中光电晶体管218D的响应比得上或优于LED的响应的配置中，监测信号包括频率是输入节点118A处的波形的有效两倍的波形。类似于图1中的配置，传感器元件118的输出节点118A耦接至接收电路118。可替代地，在其中光电晶体管218D的响应慢于LED的响应的配置中，监测信号包括连续信号。在图2中，接收电路130被配置成生成指示实际接触状态的信号。此外，接收电路130被配置成比较实际接触状态信号与目标接触状态信号。此后，如果实际接触状态信号与目标接触状态信号不匹配，则生成故障信号。进一步地，保持该故障信号直至接收电路被断电为止。在图2中示出了用于实现该功能的一个可能配置。如图2所示，输出节点118B被耦接至地以及由晶体管232和电阻器234、236和238形成的放大器电路231的输入节点。可以选择这些元件的配置和布置以向异或(XOR)门240提供合适的逻辑信号。进一步地，可以选择这些元件的配置和布置以提供响应于监测信号的配置的这样的逻辑信号。例如，在包括波形的监测信号的情况下，晶体管232可以是小信号晶体管。然而，本发明不限于图2所示的对于放大器231的配置。相反，可以使用不同的元件的组合来形成放大器231。由放大器231生成的逻辑信号代表开关元件106的实际(S卩，物理)接触状态。可以将该逻辑信号直接或间接地提供给控制系统108。控制系统则可以在用户接口(UI) 110处生成对开关元件106的物理状态的显示或其他指示。为了比较目标接触状态信号与来自放大器的实际接触状态信号，可以使用XOR门240来执行这些信号的比较。可以直接或间接地从控制系统108提供目标接触状态信号。从而，本领域技术人员将认识到:接收电路130可以包括提供基于目标状态信号的用于XOR门240的合适逻辑信号的部件。在操作中，只要目标接触状态信号与实际接触状态相匹配，则该XOR门240提供指示该匹配的第一值。然而，在实际接触状态信号不同于目标接触状态信号的情况下，改变XOR门240的输出并提供第二值，从而指示不同，并因而指示故障。虽然XOR门240的输出指示发生故障的时间，但是在图2的配置中，接收电路包括用于保持指示故障的信号直至发生复位事件为止的部件。从而，即使在开关元件106恢复正常操作的情况下，仍旧保持故障信号。例如，如图2所示，接收电路120可以包括门控锁存电路242。在操作中，门控锁存电路242被配置成在XOR门240提供第一值时存储并输出第一信号(指示没有故障)并且被配置成允许第一信号的变化。当门控锁存电路242接收来自XOR门240的第二值时，门控锁存电路242被配置成存储并输出第二信号(指示故障)。然而，门控锁存电路242还被配置成防止所存储的值的任何进一步变化并从而防止其输出的任何进一步变化直至对门控锁存电路的供电被中断为止。本领域普通技术人员将认识到，出于该目的，可以使用许多类型的门控锁存电路。系统100的部分以及支持部件可以采取硬件元件、软件元件或含有硬件和软件的元件的形式。在一个实施方式中，软件部分可以包括但不限于固件、常驻软件、微代码等。此外，这些软件部分可以采取可从计算机可用或计算机可读介质存取的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品提供由计算机或任何指令执行系统使用的或结合计算机或任何指令执行系统使用的程序代码。出于该描述的目的，计算机可用或计算机可读介质可以是能够包括、存储、传送、传播或传递由指令执行系统、装置或设备使用的或结合指令执行系统、装置或设备使用的程序的任何装置。介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或者传播介质(虽然在物理的计算机可读介质的定义中没有包括其中作为信号载体的传播介质)。物理的计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前示例包括压缩盘只读存储器(⑶-ROM)、压缩读写盘(⑶-R/W)以及数字化视频光盘(DVD)。如本领域技术人员已知的，用于实现系统的每个方面的处理器和程序代码均可以是集中式的或分布式的(或两者的组合)。适于存储程序代码并执行程序代码的、可以以文中描述的上面引用的任何设备实现的数据处理系统可以包括通过系统总线直接或间接地耦接至存储元件的至少一个处理器。存储元件可以包括:在程序代码的实际执行期间使用的局部存储器；大容量存储器；以及提供至少某一程序代码的临时存储以降低在执行期间必须从大容量存储器取回代码的次数的高速缓冲存储器。可以将I/O设备(包括但不限于键盘、显示器、定点设备等)直接或通过介入I/o控制器来耦接至系统。申请人:在上面提出了被认为是准确的、用来说明关于本发明的实施方式而进行的观察的某些理论方面。然而，本发明的实施方式可以无需所提出的理论方面而进行实践。此夕卜，所述理论方面是在理解申请人不意在被约束于所提出的理论的情况下提出的。尽管已经在上面描述了本发明的各种实施方式，但是应当理解，本发明的各种实施方式仅是作为举例来呈现的，并非是作为限制来呈现的。可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下根据本文的公开内容对所公开的实施方式进行各种变化。其他配置也是可以的。因此，本发明的广度和范围应当不受限于上述实施方式中的任何实施方式。相反地，本发明的范围应当根据所附权利要求及其等同物来限定。虽然已经关于一个或更多个实施方式说明和描述了本发明，但是在阅读并理解本说明书和附图的情况下，本领域技术人员可以进行等同改变和修改。此外，尽管可能会仅关于许多实施方式中的一个实施方式公开了本发明的某个特定特征，但是可以根据任何给定的或具体的应用的需要以及优点来将这样的特征与其它实施方式的一个或更多个其他特征进行组合。本文中使用的术语仅是出于描述具体实施方式
的目的，并非意在限制本发明。如本文中使用的，除非上下文清楚地另有指明，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”或“该(the)”意在还包括复数形式。此外，就在具体实施方式
和/或权利要求中使用的术语“包括(including、includes)”、“具有(having、has)”、“有(with)” 或其变形而言，这样的术语意在是类似于术语“包括(comprising)”的开放性包括。除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的意思相同的意思。还要理解的是:术语，例如在常用词典中定义的那些术语，应当被解释为具有与在相关技术的上下文中它们的意思一致的意思，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释，除非在文中明确地这样定义。
权利要求
1.一种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，包括: 第一变压器，所述第一变压器具有第一绕组和第二绕组，所述第二绕组的第一端电耦接至所述开关元件的第一开关节点； 发送电路，所述发送电路被配置成在所述第一绕组处提供第一波形； 传感器元件，所述传感器元件具有电隔离的输入节点和输出节点，并且所述传感器元件被配置成响应于在所述输入节点处的信号而在所述输出节点处感生出监测信号，所述输入节点电耦接所述第二绕组的第二端和所述开关元件的第二开关节点；以及 接收电路，所述接收电路耦接至所述传感器元件的所述输出节点，并且所述接收电路被配置成响应于所述监测信号来生成一个或更多个输出信号；以及 多个电容器元件，所述多个电容器元件用于提供所述第二绕组相对于所述第一开关节点和所述传感器元件的直流隔离。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括用于提供所述第一绕组相对于所述发送电路的直流隔离的至少一个其他电容器元件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器元件包括光耦合器。
4.根据权利要求 1所述的系统，其中，所述传感器元件包括具有第一绕组和第二绕组的第二变压器，所述第二变压器的所述第一绕组限定所述输入节点，所述第二变压器的所述第二绕组限定所述输出节点。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输出信号包括指示所述开关元件的实际状态的实际接触状态信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述接收电路包括比较元件，所述比较元件被配置成响应于比较所述实际接触状态信号与目标接触状态信号来生成故障信号，所述目标接触状态信号指示所述开关元件的目标状态，所述故障信号指示所述目标接触状态信号何时与所述实际接触状态信号不同。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述输出信号还包括故障信号，并且其中，所述接收电路还包括用于保持所述故障信号直至对所述接收电路的供电被断开为止的门控锁存电路。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述接收电路还包括用于保持所述故障信号直至接收到复位信号为止的门控锁存电路。
9.一种电池操作的系统，包括: 至少一个电池模块； 至少一个负载电路； 用于将所述电池模块与所述负载电路耦接的开关元件；以及 耦接所述开关元件的第一开关节点和第二开关节点的短路通路，其中，所述短路通路包括与传感器系统串联的直流隔离感应元件，所述感应元件被配置成将时变信号感应地耦合到所述短路通路中，所述传感器系统被配置成生成作为对所述开关元件的状态和所述时变信号的响应的一个或更多个输出信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述直流隔离感应元件包括: 具有第一绕组和第二绕组的直流隔离变压器，所述第二绕组的第一端电容性地耦接至所述开关元件的第一开关节点，所述第二绕组的第二端电容性地耦接至传感器元件；以及发送电路，所述发送电路被配置成在所述变压器的所述第一绕组处提供时变信号，以在所述第二绕组处感生出用于所述短路通路的所述时变信号。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述传感器系统包括: 具有电隔离的输入节点和输出节点的传感器元件，所述传感器元件被配置成响应于在所述输入节点处检测到的信号来在所述输出节点处生成监测信号，所述输入节点电耦接所述第二绕组的第二端和所述开关元件的第二开关节点；以及 耦接至所述传感器元件的所述输出节点的接收电路，所述接收电路被配置成响应于至少所述监测信号来生成所述输出信号。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述传感器元件包括光耦合器。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述输出信号包括指示所述开关元件的实际状态的实际接触状态信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述接收电路包括比较元件，所述比较元件被配置成响应于比较所述实际接触状态信号与目标接触状态信号来生成故障信号，所述目标接触状态信号指示所述开关元件的目标状态，所述故障信号指示所述目标接触状态信号何时与所述实际接触状态信号不同。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述输出信号还包括故障信号，并且其中，所述接收电路还包括用于保持所述故障信号直至对所述接收电路的供电被断开或接收到复位信号为止的门控锁存电路。
16.一种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，所述短路通路包括用于提供所述短路通路的一个或更多个部分与所述直流供电装置之间的直流隔离的多个电容器元件； 将时变信号感应地耦合到所述短路通路的直流隔离部分之一中； 使用传感器元件响应于所述短路通路中所感应地耦合的信号来生成监测信号；以及 基于所述监测信号输出指示所述开关元件的状态的一个或更多个输出信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述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还包括使用第一变压器的第一绕组形成所述直流隔离部分之一，并且其中，所述将时变信号感应地耦合到所述短路通路的直流隔离部分之一中的步骤还包括在所述第一变压器的第二绕组的两端施加时变信号以感生出用于所述短路通路的时变信号。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述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还包括所述短路通路的一部分使用第二变压器的第一绕组，并且其中，所述使用传感器元件响应于所述短路通路中所感应地耦合的信号来生成监测信号的步骤还包括选择在所述第二变压器的第二绕组两端生成的信号作为所述监测信号。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述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还包括所述短路通路的一部分使用光耦合器的输入节点，并且其中，所述使用传感器元件响应于所述短路通路中所感应地耦合的信号来生成监测信号的步骤还包括选择在所述光耦合器的输出节点两端生成的信号作为所述监测信号。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述基于所述监测信号输出指示所述开关元件的状态的一个或更多个输出信号的步骤还包括: 生成指示所述开关元件的实际状态的实际接触状态信号；比较所述实际接触状态信号与目标接触状态信号，所述目标接触状态信号指示所述开关元件的目标状态； 在所述实际接触状态信号与所述目标接触状态信号不同时生成指示故障状态的故障信号；以及 保持所述故障信 号直至发生复位事件为止。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01R31/327GK103189755SQ201180053504
公开日2013年7月3日 申请日期2011年9月29日 优先权日2010年10月4日
发明者贾斯廷·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 申请人:埃纳德尔公司