用于模擬電氣裝置性能的模塊化系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于模擬電氣裝置操作的系統(tǒng)，包括印刷電路板組件（PCBA）和主機。PCBA包括通信模塊、模塊化功率開關(guān)模塊（PSM）和模塊化電芯。使用相關(guān)的方法，每一個PSM將預(yù)定脈寬調(diào)制（PWM）占空比施加到AC輸入功率，以產(chǎn)生經(jīng)校準(zhǔn)的DC輸出電壓。連接到相應(yīng)PSM的電芯包括微控制器。主機將控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）電芯狀態(tài)消息輸送到通信模塊。通信模塊將電芯狀態(tài)消息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的串行消息，并且將串行消息輸送到新的微處理器，以使電芯將其狀態(tài)設(shè)置為期望的模擬狀態(tài)。電芯使用PWM產(chǎn)生期望的模擬狀態(tài)，并且將電芯狀態(tài)消息通過通信模塊輸送返回到主機。
【專利說明】用于模擬電氣裝置性能的模塊化系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于模擬電氣裝置的性能的模塊化系統(tǒng)，并且涉及使用該系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于確認(rèn)大型復(fù)雜電氣系統(tǒng)性能的測試可能是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。例如，多電芯電池組被用于存儲以純電動或電動輔助模式驅(qū)動一些車輛所需的高壓電能。在一些鋰離子可再充電電池組設(shè)計中，該電池組可能包括許多分立的電池電芯。在車輛開發(fā)的所有階段過程中，例如牽引動力轉(zhuǎn)換模塊和輔助動力模塊等相關(guān)的高壓部件也經(jīng)受嚴(yán)格的臺架測試。通常，這樣的測試直接在實驗室環(huán)境中的大型校準(zhǔn)裝置上進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文公開了一種系統(tǒng)，其模擬例如上面提到的多電芯電池組(mult1-celIbattery pack)等復(fù)雜電氣裝置。該系統(tǒng)便于電氣裝置測試和故障模式復(fù)制。通過使用本方法，不需要多電芯電池組形式的校準(zhǔn)器。這減小與空間和部件相關(guān)的成本，同時最小化其他與在實驗室環(huán)境中的高壓設(shè)備一起工作有關(guān)的考慮。因而本文公開的系統(tǒng)提供正在測試其性能的電氣裝置的電子復(fù)制。
[0004]在系統(tǒng)內(nèi)，主機的用戶界面可用于便于模擬多個模塊化電芯(modular cell)中的每一個的期望狀態(tài)的測試要求的建立。例如，對于每一個模塊化電芯，系統(tǒng)可模擬預(yù)定的電壓水平、開路、短路或默認(rèn)/加載電路。該系統(tǒng)還指示各個模塊化電芯讀取和記錄返回到主機的其相應(yīng)的電壓或電流水平。系統(tǒng)中使用的模塊化電芯可容易地通過改變由主機執(zhí)行的控制編碼簡單地更新，改變由主機執(zhí)行的控制編碼是轉(zhuǎn)而更新用于每一個模塊化電芯中的專用微處理器的固件的步驟。
[0005]具體地，本文公開了用于模擬電氣裝置的操作的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主機和具有可電連接到輸入電源的電壓連接器的至少一個印刷電路板組件(PCBA)。在其他實施例中，機柜可限定多個隔間，其每一個將PCBA容納在可移除架內(nèi)。每一個PCBA包括通信模塊、多個功率開關(guān)模塊(power switching module:PSM)和上面說明的模塊化電芯,所述功率開關(guān)模塊將來自輸入電源的輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)樾?zhǔn)的DC電壓。每一個模塊化電芯連接到相應(yīng)的一個模塊化PSM，以確保這些電芯與其他電芯磁隔離。每一個電芯的微控制器可由通信模塊單獨尋址。
[0006]主機選擇地將電芯狀態(tài)消息通過通信模塊，作為使用CAN協(xié)議的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)消息，輸送到一個或多個模塊化電芯，其中每一個電芯狀態(tài)消息包含至少一個電芯地址和期望的模擬狀態(tài)。通信模塊接收電芯狀態(tài)消息，并且將電芯狀態(tài)消息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的串行信號組，并且將該串行消息傳輸?shù)较鄳?yīng)的電芯的微處理器。反之，電芯通過設(shè)置其內(nèi)部狀態(tài)到串行消息中指示的期望狀態(tài)對串行消息作出反應(yīng)，并且將電芯狀態(tài)消息通過通信模塊傳輸回到主機。電芯狀態(tài)消息可記錄相應(yīng)的電芯的電壓水平和電流水平中的至少一個。[0007]在結(jié)合附圖理解時，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點以及其他特征和優(yōu)點通過下面執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式的詳細(xì)描述變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是用于模擬電氣裝置性能的示例性系統(tǒng)的示意圖。
[0009]圖2是可用于圖1中所示的系統(tǒng)的機柜內(nèi)的架的示意性側(cè)視圖。
[0010]圖3是可用作圖2中所示的示例性架的一部分的印刷電路板組件(PCBA)的示意性平面視圖。
[0011]圖3A是描繪圖3中所示的PCBA內(nèi)進(jìn)行的示例性通信順序的示意性流程圖。
[0012]圖4是描繪可用于圖1的系統(tǒng)內(nèi)的模塊化電芯的一個可能實施例的示意性電路圖。
[0013]圖5是描述用于模擬使用圖1中所示系統(tǒng)的電氣裝置的性能的示例性方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014]參照附圖，其中，幾幅圖中的相似的附圖標(biāo)記對應(yīng)于相似或類似的部件，系統(tǒng)10示意性顯示在圖1中。系統(tǒng)10可包括作為其主要部件的機柜組件12和主機14。系統(tǒng)10整體模擬電氣裝置的操作和功能，例如上面所述的多電芯車輛電池組。通過提供模擬的電氣裝置的電子復(fù)制(electronic facsimile),該系統(tǒng)10可被用于近似地模擬裝置的電特性,例如通過模擬多個不同電池電芯中的每一個的特性。
[0015]機柜組件12由外部交流(AC)電源40 (例如傳統(tǒng)的IlOV AC墻壁插座)供電。AC電網(wǎng)功率(箭頭11)因而被直接傳送到機柜組件12。開關(guān)(未示出)可被用于根據(jù)需要選擇地驅(qū)動機柜12開和關(guān)，以進(jìn)行測試。
[0016]通信總線31,例如控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network:CAN)總線可被用于將機柜組件12連接到主機14。通信總線31可采用與車載診斷(On-Board Diagnostics:OBD-1I)車輛診斷標(biāo)準(zhǔn)或與歐洲車載診斷(European On Board diagnostics:E0BD)標(biāo)準(zhǔn)完全兼容的任何通信協(xié)議。
[0017]在機柜組件12中，鋁或其他適當(dāng)材料的機柜12限定多個隔間15，即細(xì)長開口或槽。每一個隔間15容納相應(yīng)的架16。每一個架16又形成可從相應(yīng)的隔間15退出的抽屜，如箭頭17所示。在圖1中所示的示例性實施例中，系統(tǒng)10配置為智能電芯電池組模擬器(Intelligent Cell Battery Pack Simulator:1CBPS),即具體配置為模擬 96 電芯電池組的性能的系統(tǒng)。該電池組可被用于存儲相對高電壓的功率，例如約60VDC到360VDC，或更高的，這取決于設(shè)計，作為適用于給車輛中的電動牽引馬達(dá)供電的現(xiàn)成電源。但是，可容易地預(yù)想其他多電芯電氣系統(tǒng)，例如具有多于或少于96電芯的電池組，或可如本文提出的進(jìn)行模擬的任何其他電氣裝置。
[0018]圖1中所示的示例性主機14可配置為數(shù)字計算機，具有處理器20、有形非暫時性存儲器22和用戶界面24。存儲器22可實施為只讀存儲器(ROM)、電可編程只讀存儲器(EPR0M)、閃存、⑶-ROM等。主機14還可包括足夠的隨機存取存儲器(RAM)、高速時鐘、模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)電路、任何所需的輸入/輸出電路和裝置(1/0)以及適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)制和緩沖電路。
[0019]位于主機14中或由此可訪問的任何計算機可執(zhí)行編碼，包括實施參照圖5描述的方法100的任何編碼，可存儲在存儲器22中并且由處理器20執(zhí)行，以提供本文提出的所需的模擬功能。實施方法100的編碼的執(zhí)行導(dǎo)致電芯狀態(tài)消息(箭頭60)從主機14傳輸?shù)綑C柜組件12的架16，以及電芯狀態(tài)消息(箭頭160)從架16傳輸回到主機14，如下面詳細(xì)描述的。
[0020]參照圖2，示例性架16以側(cè)視圖顯示。多個這樣的架16可被用于圖1的系統(tǒng)10中，每一個架16被相似配置。架16可包括穿孔的面板21和底板23，其中面板21和底板23如圖所示正交布置。由面板21限定的開口 25允許空氣(箭頭27)相對于架16的印刷電路板組件(PCBA) 50循環(huán)流動。雖然圖2中未示出，但是風(fēng)扇可被用于圖1的機柜13內(nèi)，以將空氣引向PCBA50 (箭頭27)，冷卻用于形成PCBA50的各個電路部件?？墒褂闷渌鋮s設(shè)計而不偏離本發(fā)明的范圍。
[0021]在每一個架16內(nèi)，多個功率開關(guān)模塊(PSM) 32和相同多個智能模塊化電芯(modular cell)34被安裝到電路背板30。模塊化電芯32中的每一個電連接到PSM32中的相應(yīng)一個，以使每一個PSM32用作用于相應(yīng)的模塊化電芯34的專用/單獨的開關(guān)電源。這有助于確保PCBA50上使用的每一個模塊化電芯34與所有其他模塊化電芯34磁隔離。在替代實施例中，PSM32可包括在模塊化電芯34中，例如作為一體的電源電芯片。為了示例的一致性，每一個PSM32將在下文被描述為與模塊化電芯34分離。
[0022]另外，圖2中所示的每一個模塊化電芯34在其相應(yīng)的架16中具有唯一的地址。微控制器36被包括在每一個模塊化電芯34中，以允許每一個模塊化電芯34在模擬測試過程中可單獨尋址，如下面參照圖3和3A詳細(xì)說明的。模塊化電芯34包括半導(dǎo)體開關(guān)65(參見圖3)，其被用于向由用于該模塊化電芯34的PSM32提供的輸入電壓提供脈寬調(diào)制(PWM)。下面參照圖4描述模塊化電芯34的實施例。
[0023]參照圖3，PCBA50包括將AC電網(wǎng)功率11連到主PSM132的電源連接器塊29。主PSM132用作用于通信模塊38的單獨的開關(guān)電源，但是另外被以與PCBA50的其余部分上使用的各PSM32相同的方式配置。通信模塊38接收電芯狀態(tài)消息(箭頭60)，并且通過通信總線31傳輸電芯狀態(tài)消息(箭頭160)，如下面參照圖3A說明的。
[0024]每一個PSM32U32使用半導(dǎo)體開關(guān)64或多個這樣的開關(guān)來施加PWM，以給模塊化電芯34提供經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸出電壓，例如使用雙極結(jié)晶體管(BJT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、倒柵雙極晶體管(IGBTS)等。經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓可在適于用來形成半導(dǎo)體開關(guān)64的具體半導(dǎo)體裝置的任何所需水平下傳輸，例如5VDC或6VDC和最高達(dá)IA的輸出電流。模塊化電芯34使用另一個半導(dǎo)體開關(guān)65來提供模擬過程中所需的電壓。半導(dǎo)體開關(guān)65的示例在下面參照圖4提出。
[0025]如本領(lǐng)域可很好理解的，PWM占空比描述其中供給指定部件的功率打開的時間比，即0%占空比對應(yīng)于完全關(guān)閉，100%對應(yīng)于完全打開。因而每一個PSM32，132和每一個模塊化電芯34配置為在所需占空比下操作，以產(chǎn)生所需輸出電壓，其中PSM32將該輸出電壓傳輸?shù)较鄳?yīng)的模塊化電芯34，PSM132將輸出電壓輸出到通信模塊28，并且模塊化電芯34將其自身設(shè)置到期望的輸出電壓，以模擬具體的電芯狀態(tài)。
[0026]每一個PSM32U32因而具有兩個主要功能:提供兩個電壓水平，例如經(jīng)調(diào)節(jié)的5VDC或6VDC電壓和未經(jīng)調(diào)節(jié)的較高電壓，以及提供模塊電芯34彼此的磁隔離。即，在所有實施例中，每一個模塊電芯34具有其自己專用的PSM32，以使其他模塊化電芯34共享一個PSM32，而與是否PSM32是單獨的電路板或是位于模塊化電芯34內(nèi)的一體的微電芯片無關(guān)。
[0027]輸入/輸出(I/O)卡35可被用于將PCBA50通過通信總線31連接到圖1中所示的主機14。因而，AC電網(wǎng)功率11被通過電源連接器塊29提供給PCBA50，同時在PCBA50和主機14之間通過I/O卡35建立通信。
[0028]在具體實施例中，圖3的模塊化電芯(C) 34和PSM (P) 32的布置關(guān)于PCBA50的長度(X)和寬度(Y)對稱。例如，在其中指定的架16 (參見圖1和2)包括具有確切的十六個模塊化電芯34的實施例中，八個電芯/PSM對組成的第一排18可平行于相似的八個電芯/PSM對組成的第二排19布置。在相同的實施例中，通信模塊38可具有為指定的模塊化電芯34的長度(LI)兩倍的長度(L2)。I/O卡35可具有與每一個模塊化電芯34相同的長度，以使PCBA50上的布置關(guān)于電路背板30的表面完美對稱。如上面所說明的，模塊化電芯34以及通信模塊28和PSM32、132全部模塊化，因而能夠使這些部件容易地通過將部件下面的銷(未示出)與電路背板30中的座或插槽分離來簡單地更換。
[0029]參照圖3A，示例性的邏輯流程圖55示出了圖1的主機14和圖3中所示的PCBA50的一些部件之間進(jìn)行的基本通信流。當(dāng)期望的電芯狀態(tài)消息(箭頭60)被主機14通過通信主線31傳輸?shù)絇CBA50時，電芯狀態(tài)消息(箭頭60)可以是CAN消息的形式。因而，公知的CAN協(xié)議可被用于控制主機14和每一個架16 (參見圖1)之間進(jìn)行的通信。
[0030]實施圖3的指定的模塊化電芯34的電芯狀態(tài)消息(箭頭60)的CAN消息可以是格式[架#，電芯#，動作]，其中“架#”表示圖1的機柜13內(nèi)的將接收該消息(箭頭60)的具體架16，“電芯#”表示該架16內(nèi)的具體電芯34，并且“動作”限定了具體電芯34所需的狀態(tài)或動作。例如，所需的動作可以是模塊化電芯34的電壓或電流讀數(shù)、開路或短路情況的模擬、默認(rèn)電壓狀態(tài)、與默認(rèn)值不同的其他電壓狀態(tài)等。
[0031]當(dāng)電芯狀態(tài)消息(箭頭60)被I/O卡35接收時，電芯狀態(tài)消息(箭頭60)被轉(zhuǎn)送到通信模塊38?？刂颇K38通過將電芯狀態(tài)消息(箭頭60)轉(zhuǎn)變?yōu)榇邢?箭頭26)(例如RS-232消息)而做出響應(yīng)，該串行消息被傳送到電芯狀態(tài)消息(箭頭60)中指示的模塊化電芯34。以該方式，每一個模塊化電芯34被相繼地并且單獨地尋址。
[0032]之后模塊化電芯34通過應(yīng)答消息(箭頭70)對通信模塊38做出回應(yīng)，應(yīng)答消息也是串行消息。應(yīng)答消息(箭頭70)在執(zhí)行通過電芯狀態(tài)消息(箭頭60)傳送到該模塊化電芯34的請求狀態(tài)之后，提供具體模塊化電芯34的狀態(tài)，例如，其電壓和/或電流水平的讀數(shù)。通信模塊38之后將應(yīng)答消息(箭頭70)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦緺顟B(tài)消息160，該消息160可通過I/O卡35以類似于原始電芯狀態(tài)消息(箭頭60)的CAN消息傳輸回到主機14。
[0033]本方法提供了用于模擬電氣裝置性能的方法的綜述。圖4的示例性方法100描述了這樣的實施例，其中圖1的系統(tǒng)10配置為模擬用于電動、混合動力電動或增程電動車輛的96電芯電池組的性能。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將意識到,本方法100可適于與其他電氣裝置的模擬一起使用而不偏離本發(fā)明的范圍。方法100中的所有步驟在下面參照上面參照圖1和2所述的結(jié)構(gòu)來說明。
[0034]前面的圖2、3和3A的電芯34可實施為印刷電路板組件，用于其的示例性電路圖80顯示在圖4中。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將理解電路圖80中使用的各種電路符號，即R(電阻)、C (電容)、D (二極管)、T (晶體管)等。其他電路部件為了更清楚說明，使用相關(guān)的附圖標(biāo)記進(jìn)行描述。用于各個電路部件的值可如下面所述隨著設(shè)計以及所需的功能改變。本文所述的范圍因而是圖4中所示的具體示例的說明，而不旨在限制。
[0035]通過將插頭82、182和282 (相應(yīng)地J1、J2、J3)連接到后板30 (參見圖2和3)的匹配插頭(未不出)，微控制器36被設(shè)置為與圖3的PCBA50的其他部件通信。微控制器36,其控制指定模塊化電芯34的總體功能，可在具體實施例中實施為PIC16F690裝置，或可通過圖1和2的主機14和通信模塊38單獨尋址的任何其他微控制器。微控制器36的各個銷可根據(jù)需要接收和輸出信號，包括輸入例如來自諧振器85的時鐘信號和來自圖1的通信模塊38的串行消息。來自通信模塊38的串行消息(圖3A的箭頭26)可被通過插頭82 (Jl)傳輸?shù)轿⒖刂破?6。插頭282 (J3)允許電路中(in-circuit)串行編程，以使微控制器36可容易地根據(jù)需要通過從主機14更新的固件更新。
[0036]插頭182 (J2)選擇地將電壓驅(qū)動信號(箭頭71)輸出到光稱合器88。光稱合器88的光電二極管73響應(yīng)于驅(qū)動信號(箭頭71)被賦能，該驅(qū)動信號(箭頭71)打開光耦合器88。來自光耦合器88的輸出信號(箭頭75)由微控制器36接收，以啟動模塊化電芯34的模擬功能。因而，光耦合器88的使用確保模塊化電芯34與主控制器(即與圖1中的主機14)保持光隔離。
[0037]上面簡要描述的半導(dǎo)體開關(guān)65為圖4的電路80的另一個主要部件。圖4中所示的具體實施例使用本領(lǐng)域所知類型的P通道M0SFET86，但是其他半導(dǎo)體裝置，例如IGBT或BJTff,也可在存在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解的小電路改動的情況下使用。具體地，在P通道M0SFET86的情況下，電壓降相對于其他半導(dǎo)體裝置(例如BJT)最小化，這可在一些應(yīng)用中提供性能優(yōu)點。
[0038]功能方面，微控制器36通過產(chǎn)生PWM信號(箭頭77)對接收的串行信號做出響應(yīng)，該PWM信號為由雙極RC電路87整流的DC。來自RC電路的整流的輸出信號(箭頭187)然后通過緩沖電路89緩沖，以降低信號噪聲，并且然后被以經(jīng)緩沖的PWM信號(箭頭99)饋送到半導(dǎo)體開關(guān)65的比較器83。比較器83比較來自儀表運放電路90的輸出電壓(箭頭91)和緩沖電路89的輸出，其中運放電路90讀取用于模塊化電芯34的實際電壓輸出，由于在圖3的模塊化電芯34內(nèi)或外部存在的電阻損耗，該輸出可能是低于預(yù)期的值。
[0039]如果圖4中所示的半導(dǎo)體開關(guān)65發(fā)現(xiàn)來自儀表運放電路90的輸出電壓(箭頭91)小于經(jīng)緩沖的PWM信號，則比較器83可通過打開M0SFET86或在其他實施例中通過打開另一個半導(dǎo)體裝置來請求電壓增大。同樣，比較器83可通過關(guān)閉M0SFETT86來請求電壓降低。
[0040]在實施為圖4中所示的模塊化電芯34內(nèi)使用的其他電路部件可包括保護(hù)電路95，保護(hù)電路95具有例如Zener 二極管96 (D3)等元件，如SB240E肖特基勢壘整流器，其保護(hù)具有串聯(lián)連接的多個模塊化電芯34的系統(tǒng)中的電流電涌，并且具有電容/電阻對97(C8, Rx)，其有助于穩(wěn)定模塊化電芯34的運轉(zhuǎn)。電流監(jiān)視器84和緩沖器98也可與其他電路元件結(jié)合使用，以提供圖1的系統(tǒng)10中的模塊化電芯34的期望響應(yīng)。
[0041 ] 在使用圖4中所示的電路的示例性實施例中，下面的值可與6VDC調(diào)節(jié)電壓一起用于微控制器36。Rl可以是4.7k Ω，而電阻R2和R3可以是IOkQ。電阻R4-R6和RlO可具有校準(zhǔn)值，并且因而可實施為可變電阻，以在示意圖80中所示的電路內(nèi)提供期望的增益。R7和R8可每一個為2.2kQ的電阻。另外，R13可以是390 Ω，R16可以是0.1kQ,并且R17和R18每一個可以是4.02k Ω。
[0042]對于電容器，Cl和C2每一個可以是0.33 μ F，而電容器C3和ClO可以是10 μ F。電容器C4-C7和C9可以是更小的裝置，例如每一個0.lyF。電容器C8的電容為校準(zhǔn)值。但是所選值應(yīng)相對于圖4中所示的其他電容器非常高，以提供保護(hù)電路95的期望功能。諧振器85(Y1)可在約20MHz處諧振，而鄰近電阻R7所示的晶體管101可在該相同的實施例中配置為MMBT3906pnp型小信號表面安裝晶體管。圖4中所示的運放中的每一個可實施為MCP6004裝置，即實施為四通運算放大器，其在1.8到6乂運行范圍內(nèi)提供軌到軌(rail-to-rail)輸入和輸出，如本領(lǐng)域公知的。再次地，提供給模塊化電芯34的實體實施例中所用的每一個電路元件的實際值可隨著設(shè)計而改變，并且因此前述值僅是示例性的。
[0043]參照圖5，并且開始于步驟102，在將主機14連接到機柜組件12并且將電網(wǎng)功率11連接到機柜13之后，其全部顯示在圖1中，圖2的PSM132將AC電網(wǎng)功率11轉(zhuǎn)變?yōu)樾?zhǔn)的DC電壓，例如6VDC。轉(zhuǎn)變可通過PWM獲得，如本領(lǐng)域中完全理解的。小于約IA的電流可由每一個PSM32，132傳送到由該具體PSM32，132致動的具體部件，例如圖3中所示的通信模塊38或模塊化電芯34中的任一個。
[0044]在步驟104處，圖1的主機14的使用者可選擇期望的模擬順序或電芯狀態(tài)。步驟104可啟動適當(dāng)?shù)能浖?yīng)用，例如Intrepid Control Systems, Inc.(美國密歇根州麥迪遜海茨市)出售的Vehicle Spy Professional0使用該工具，和/或通過使用例如C++編寫類似應(yīng)用程序，使用者可選擇多個PCBA50中的每一個的具體模塊化電芯34，選擇用于所選模塊化電芯34的模擬狀態(tài)，并且將電芯狀態(tài)消息(圖3和3A的箭頭60)傳輸?shù)酵ㄐ拍K28。
[0045]例如，步驟104可選擇O到2.7VDC的電芯電壓，或任何其他最高達(dá)PSM32、132的經(jīng)調(diào)節(jié)電壓輸出的任何其他電壓。如上面說明的，步驟104可包括選擇模擬開路和短路的電壓值。其他模塊化電芯34可響應(yīng)于其他模塊化電芯34的指令狀態(tài)而被命令讀取和記錄其電壓水平和/或電流水平。可通過圖1的用戶界面24顯示多個編程窗口，以便于步驟104，例如通過編寫一組具有如上面示例說明的“架#”、“電芯#”和“動作”等指令的下拉菜單，或通過分別選擇例如用于指定的電芯34的、以mA或mV為單位的電流或電壓指令這樣的模擬值。
[0046]在步驟106處，一旦模擬狀態(tài)消息(圖3和3A的箭頭60)已經(jīng)由圖1的主機14傳輸，則通信模塊28接收該消息并且將該消息轉(zhuǎn)變?yōu)榇邢?，例如RS-232或任何其他成本效益高的標(biāo)準(zhǔn)。一旦接收的消息被轉(zhuǎn)變，則方法100進(jìn)行到步驟108。
[0047]在步驟108處，通信模塊38將串行消息26傳輸?shù)街付K化電芯34的微控制器36。例如，步驟106可包括指示具體模塊化電芯34將其電壓設(shè)置為2.0VDC的串行消息的傳輸。一旦串行消息26已經(jīng)被傳輸，則該方法進(jìn)行到步驟110。
[0048]在步驟110處，通信模塊28確定是否指定架16中的所有模塊化電芯34已經(jīng)接收了用于當(dāng)前模擬的串行消息26。如果沒有，則該方法100重復(fù)步驟106。一旦所有串行消息26已經(jīng)被傳輸?shù)街付?6的模塊化電芯34，則該方法100進(jìn)行到步驟112。
[0049]在步驟112處，當(dāng)接收串行消息26時，接收串行消息26的模塊化電芯34通過對來自相應(yīng)PSM32的電壓輸入實施PWM而做出響應(yīng)。即，模塊化電芯34通過執(zhí)行所需的PWM占空比而做出響應(yīng)，該占空比由用于該模塊化電芯34的微控制器36確定，以實現(xiàn)其所需狀態(tài)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識到，存在用于實現(xiàn)PWM的多種半導(dǎo)體開關(guān)方法，例如使用MOSFET或IGBT。模塊化電芯34在一個實施例中可具有10比特的分辨率，并且因而可輸出從OVDC到用于該模塊化電芯34的相應(yīng)PSM32的校準(zhǔn)電壓水平范圍內(nèi)的任何所需電壓，例如當(dāng)相應(yīng)的PSM32輸出5VDC的經(jīng)調(diào)節(jié)電壓時，輸出增量為4.95mV的4.95VDC。
[0050]在步驟114處，每一個模塊化電芯34可通過應(yīng)答消息70對通信模塊28做出回應(yīng)(參見圖3A)，例如通過報告具體模塊化電芯34的電壓和/或電流水平。
[0051]在步驟116處，通信模塊28將接收到的圖3A中所示的應(yīng)答消息70轉(zhuǎn)變?yōu)閳D3A中所示的電芯狀態(tài)消息160。步驟116可將應(yīng)答消息70轉(zhuǎn)變?yōu)镃AN消息。主機14可隨后記錄用于圖1的機柜組件12中使用的所有模塊化電芯34的響應(yīng)，之后確定模擬系統(tǒng)對步驟102-114中模擬的具體故障或電芯狀態(tài)的響應(yīng)。
[0052]雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，但是熟悉本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的用于實踐本發(fā)明的多種替代設(shè)計和實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于模擬電氣裝置操作的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 印刷電路板組件(PCBA)，其能電連接到AC輸入功率，并且包括: 通信模塊； 多個模塊化功率開關(guān)模塊(PSM)，其每一個包括第一半導(dǎo)體開關(guān)，該第一半導(dǎo)體開關(guān)將預(yù)定脈寬調(diào)制(PWM)占空比施加到AC輸入功率，以由此產(chǎn)生校準(zhǔn)的DC輸出電壓； 多個模塊化電芯，其每一個連接到模塊化PSM中的相應(yīng)一個，以由此將每一個模塊化電芯與所有其他模塊化電芯磁隔離，其中，每一個模塊化電芯包括第二半導(dǎo)體開關(guān)和與通信模塊通過網(wǎng)絡(luò)通信的可單獨尋址微控制器；和 主機，其與PCBA的模塊化電芯通過通信模塊通信； 其中: 主機配置為使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議將用于每一個模塊化電芯的電芯狀態(tài)消息傳輸?shù)酵ㄐ拍K，其中每一個電芯狀態(tài)消息包括至少一個電芯地址和期望的模擬狀態(tài)；通信模塊配置為接收電芯狀態(tài)消息，并且將電芯狀態(tài)消息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的串行消息組，并且將該串行消息傳輸?shù)较鄳?yīng)模塊化電芯的微處理器，由此使模塊化電芯將其狀態(tài)設(shè)置為期望模擬狀態(tài)；并且 模塊化電芯配置為通過第二半導(dǎo)體開關(guān)使用PWM產(chǎn)生期望的模擬狀態(tài)，并且將串行電芯狀態(tài)消息通過通信模塊傳輸回到主機，其中，串行電芯狀態(tài)消息報告相應(yīng)模塊化電芯的電壓水平和電流水平中的至少一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，通信模塊配置為使通信模塊自動地將接收的電芯狀態(tài)消息中的每一個轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)`的RS-232串行消息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，每一個PSM為開關(guān)電源，其將來自AC電源的AC信號通過PWM轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮诩s6VDC的輸出電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，主機包括用戶界面，該用戶界面接收狀態(tài)選擇，該狀態(tài)選擇請求開路電壓水平、短路電壓水平、OVDC到約6VDC的預(yù)定電壓水平、和預(yù)定電流水平中之一，并且使用該狀態(tài)選擇產(chǎn)生電芯狀態(tài)消息。
5.一種使用具有容納多個模塊化電芯的架的系統(tǒng)模擬電氣裝置的操作的方法，所述多個模塊化電芯每一個具有與通信模塊經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信的可單獨尋址微控制器，所述方法包括: 通過主機使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議將用于多個電芯每一個的電芯狀態(tài)消息傳輸?shù)酵ㄐ拍K，其中，每一個模塊化電芯包括配置為將預(yù)定脈寬調(diào)制(PWM)占空比施加到AC輸入功率信號的半導(dǎo)體開關(guān)，由此產(chǎn)生經(jīng)校準(zhǔn)的DC輸出電壓，并且其中，傳輸?shù)碾娦緺顟B(tài)消息每一個包括電芯地址和用于該電芯的期望的模擬狀態(tài)； 通過通信模塊接收電芯狀態(tài)消息并且將電芯狀態(tài)消息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的串行消息組； 將串行消息傳輸?shù)较鄳?yīng)電芯的微控制器，由此使電芯將其狀態(tài)設(shè)置到期望的模擬狀態(tài)； 使用PWM通過第二半導(dǎo)體開關(guān)在每一個模塊化電芯中產(chǎn)生期望的模擬狀態(tài)；和通過通信模塊將電芯狀態(tài)消息輸送回到主機，包括輸送相應(yīng)電芯的電壓水平和電流水平中至少一個的報告。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括: 將多個印刷電路板組件(PCBA)的每一個安裝到相應(yīng)的架上；將每一個架定位在機柜的相應(yīng)隔間內(nèi)；和 在主機和機柜中的每一個PCBA之間建立網(wǎng)絡(luò)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，通過通信模塊接收電芯狀態(tài)消息并且將電芯狀態(tài)消息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的串行消息組，所述轉(zhuǎn)變包括，將每一個電芯狀態(tài)消息轉(zhuǎn)變?yōu)镽S-232消息。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括: 從輸入電源接收AC信號；和 通過PWM使用PSM將AC信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧s5VDC到6VDC的輸出電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，主機包括用戶界面，所述方法進(jìn)一步包括: 通過主機使用用戶界面接收狀態(tài)選擇請求，其中，狀態(tài)選擇請求包括開路電壓水平、短路電壓水平、在OVDC到約5VDC的預(yù)定電壓水平、和預(yù)定電流水平中之一，并且使用狀態(tài)選擇產(chǎn)生電芯狀態(tài)消息。
【文檔編號】G01R31/36GK103513185SQ201310250293
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月22日
【發(fā)明者】H.A.瓦萊里奧, N.詹寧斯, V.勞, N.岡薩雷斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司