監測電動機驅動電路的接地隔離損失的方法和設備的製作方法

2023-12-10 05:10:06 2

專利名稱：監測電動機驅動電路的接地隔離損失的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動機控制電路，尤其涉及監測電動機控制電路的高壓DC總線中的接地隔離損失。
背景技術：
本節中的闡述僅提供與本發明相關的背景信息，並且可能不構成現有技術。混合動力車輛系統和電動車輛系統都使用了為牽引電動機及其他電機提供電力的高壓系統。高壓系統包括高壓DC電源，例如經由功率變換器電連接至牽引電動機的電池。功率變換器將DC電力轉變成AC電力以驅動牽引電動機，並且優選地將AC電力轉變成 DC電力以對電池充電。高壓DC電源經由正高壓總線(HV+)和負高壓總線(HV-)電連接至功率變換器。利用高壓電力的其他電機同樣也連接至正高壓總線和負高壓總線。正高壓總線和負高壓總線與底盤地電隔離。例如牽引電動機之類的電機包括響應於被施加至相關聯的定子的交流(AC)電力而旋轉的轉子。轉子可機械地聯接至動力傳動裝置，以向車輛的動力傳動系統提供牽引動力。已知的電壓源變換器電路和相關聯的控制電路可響應於操作者的需求，將源自高壓儲能裝置的直流(DC)電力轉變成交流(AC)電力，以產生牽引動力。已知的變換器電路包括MOSFET和IGBT開關裝置。電負載需求可包括當前發生的電負載和滿足將來電負載的電池充電。電壓源變換器使用浮動DC總線設置，其中DC輸入電壓配置成相對於底盤地而浮動。可通過利用將高壓總線DC總線連接至底盤地的平衡高阻抗電阻器來控制該浮動。電容器可與高阻抗電阻器並聯地電連接，以便為高頻電噪聲電流提供低阻抗分流路徑。在一個實施例中，DC總線電壓的一半施加在正電力總線(HV+)和底盤地兩端，並且DC總線電壓的一半還施加在負電力總線(HV-)和底盤地兩端。電壓源變換器的AC側則相對於底盤地浮動。存在與接地隔離損失相關的兩種潛在故障。一種故障是隔離的AC損失，其中AC側的多個相中的一相被短路至底盤地。另一種故障是隔離的DC損失，其中正電力總線(HV+) 和負電力總線(HV-)中的一個被短接至底盤地，或相對於底盤地具有減小的阻抗。當隔離的AC損失故障在電壓源變換器的AC側的多個相中的一相上出現時，與變換器的開關裝置的激活和去活相關聯的AC電流流過為高頻電噪聲電流提供低阻抗分流路徑的電容器。在接地隔離故障的事件中，與從正電力總線(HV+)到負電力總線(HV-)的變換器的相電壓中的一個相電壓相關聯的AC電流可引起過多的電流流到為高頻電噪聲電流提供低阻抗分流路徑的電容器。超過電容器的容量的AC電流可能導致電容器故障和相關聯的變換器損壞。一種檢測隔離的AC損失的故障的已知解決方案包括對通過與電壓源變換器AC側的多個相相關聯的電纜中的每根電纜的電流進行測量，並對它們算術求和。在無故障操作的理想系統中，測得電流的和在任一選擇的時間點為零。當接地隔離故障存在時，測得電流的和是除零以外的值。與該解決方案相關聯的問題包括與來自電流感測裝置的信號輸出相關聯的測量誤差，該測量誤差可以是累積的。這可引起總電流信號中的誤差。此外，相電流傳感器可能具有由磁、電響應特性和傳感器飽和所引起的帶寬/階躍響應限制。因此，取決於採樣測量相對於與變換器相關聯的開關事件的定時，可能檢測不到故障。此外，在數據採樣出現在過零點處或過零點附近的情況下，接地隔離故障和阻抗中相關聯的變化可包括諧振成分。因此，任何故障電流都可能被混疊。此外，當阻抗接近零時，在小於採樣時間時，任何電流振蕩都可能被吸收。因此，可能測量不到故障電流。一種檢測隔離的DC損失的已知解決方案包括測量正電力總線(HV+)與負電力總線(HV-)之間的電壓，測量負電力總線(HV-)與底盤地之間的電壓，並且基於它們來計算電壓比。用於隔離損失檢測的電壓比的一種計算是2*(HV-與底盤地之間的電壓測量結果)/ (HV+與HV-之間的電壓測量結果)。與該已知解決方案相關聯的問題包括需要考慮的信號測量誤差，並且該誤差常常是累積的。信號測量誤差的影響是缺少「必須檢測」與「不必檢測」閾值之間的分離，這可導致錯誤的故障檢測。此外，已知的DC電壓傳感器可能具有帶寬和響應時間的測量限制。因此，可能檢測不到故障。此外，測量採樣相對於故障和相關的切換事件的正時可導致未記錄的故障。此外，在數據採樣出現在過零點或過零點附近的情況下，故障阻抗可能包括諧振成分。因此，故障電流可能被混疊。此外，當與變換器相關聯的切換周期接近50%的佔空比時，平均電壓仍可接近預期電平。因此，可能測量不到故障電壓。

發明內容
一種用於監測DC電力電路相對於底盤地的電隔離的方法，其包括監測包括了正 DC電力總線與負DC電力總線之間的電壓差的第一電位；監測包括了正DC電力總線與底盤地之間的電壓差的第二電位；監測包括了負DC電力總線與底盤地之間的電壓差的第三電位；計算包括了第三電位與第二電位的比例比較結果的第一電壓比；基於第一電壓比來監測正DC電力總線與底盤地之間的電隔離；以及關於第一電壓比和第一電位來監測負DC電力總線與底盤地之間的電隔離。本發明還包括以下方案
方案1. 一種用於監測DC電力電路相對於底盤地的電隔離的方法，所述方法包括 監測包括了正DC電力總線與負DC電力總線之間的電壓差的第一電位； 監測包括了所述正DC電力總線與所述底盤地之間的電壓差的第二電位； 監測包括了所述負DC電力總線與所述底盤地之間的電壓差的第三電位； 計算包括了所述第三電位相對所述第二電位的比例比較結果的第一電壓比； 基於所述第一電壓比來監測所述正DC電力總線與所述底盤地之間的電隔離； 關於所述第一電壓比和所述第一電位來監測所述負DC電力總線與所述底盤地之間的電隔離。方案2.根據方案1所述的方法，還包括當所述第一電壓比超過預定的比率閾值時，檢測與所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。方案3.根據方案2所述的方法，其中，所述第一比率閾值對應於這樣的電壓閾值，所述電壓閾值與所述第一電位的500 Ω/V的、所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電阻相關聯。方案4.根據方案2所述的方法
其中在逝去的時段期間反覆地監測所述第一、第二和第三電位； 其中在所述逝去的時段期間反覆地計算所述第一電壓比；以及其中當所述第一電壓比超過所述第一比率閾值時檢測與所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障包括在所述逝去的時段的預定部分期間，當所述第一電壓比超過所述第一比率閾值時，檢測與所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。方案5.根據方案4所述的方法，還包括在所述逝去的時段的預定部分期間，當所述第一電壓比不超過所述預定的比率閾值時，檢測到所述正DC電力總線與所述底盤地之間的完好的電隔離。方案6.根據方案1所述的方法，還包括當所述第一電壓比小於第一比率閾值並且所述第一電位大於隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。方案7.根據方案6所述的方法，還包括當所述第一電壓比小於第二比率閾值並且所述第一電位小於所述隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。方案8.根據方案7所述的方法，其中所述第一比率閾值和所述第二比率閾值均對應於這樣的電壓閾值，所述電壓閾值與所述第一電位的500 Ω /V的、所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電阻相關聯。方案9.根據方案7所述的方法
其中在逝去的時段期間反覆地監測所述第一、第二和第三電位； 其中在所述逝去的時段期間反覆地計算所述第一電壓比；以及其中當所述第一電壓比小於所述第一比率閾值並且所述第一電位大於所述隔離閾值電壓時檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障包括在所述逝去的時段的預定部分期間，當所述第一電壓比小於所述第一比率閾值並且所述第一電位大於所述隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。方案10.根據方案9所述的方法，其中，當所述第一電壓比小於所述第二比率閾值並且所述第一電位小於所述隔離閾值電壓時檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障包括在所述逝去的時段的預定部分期間，當所述第一電壓比小於所述第二比率閾值並且所述第一電位小於所述隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。方案11. 一種用於監測DC電力電路與電接地之間的電隔離的方法，所述DC電力電路包括經由正DC電力總線和負DC電力總線電連接至電力變換器裝置的電能儲能裝置， 所述方法包括
監測包括了所述正DC電力總線與所述負DC電力總線之間的電壓差的第一電位； 監測包括了所述正DC電力總線與所述電接地之間的電壓差的第二電位； 監測包括了所述負DC電力總線與所述電接地之間的電壓差的第三電位；計算包括了所述第三電位與所述第二電位的比率的第一電壓比； 當所述第一電壓比超過第一比率閾值時，檢測與所述正DC電力總線和所述電接地之間的電隔離相關聯的故障；
當所述第一電壓比小於第二比率閾值並且所述第一電位大於隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述電接地之間的電隔離相關聯的故障；以及
當所述第一電壓比小於第三比率閾值並且所述第一電位小於所述隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述電接地之間的電隔離相關聯的故障，其中所述第三比率閾值小於所述第二比率閾值。方案12.根據方案11所述的方法，還包括
對所述DC電力電路建模，所述DC電力電路包括經由所述正DC電力總線和所述負DC 電力總線電連接至所述電力變換器裝置和電接地的電能儲能裝置，以及電連接在所述電接地與所述正DC電力總線和所述負DC電力總線中的一個之間的被選擇的閾值電阻器； 識別與所述DC電力電路模型的元件的隔離電阻和接口電阻對應的容差範圍； 執行所述DC電力電路模型的仿真；
基於被執行的所述DC電力電路模型的仿真和所選擇的閾值電阻器來確定所述第一、 第二和第三比率閾值中的一個。方案13.根據方案12所述的方法，其中，執行所述DC電力電路模型的仿真包括 利用所述DC電力電路模型來反覆地計算所述第一、第二和第三電位，其中與所述電能
儲能裝置相關聯的輸入電壓在輸入電壓的範圍上以逐步的方式改變，並且所述DC電力電路模型的元件的接口電阻在所述識別的容差範圍上以逐步的方式改變；以及
為所述反覆計算的第一、第二、第三電位來反覆地計算隔離比包括計算所述第三電位和所述第二電位的比率。方案14.根據方案13所述的方法，其中，基於所執行的所述DC電力電路模型的仿真和所述選擇的閾值電阻器來確定所述第一比率閾值包括當所述選擇的閾值電阻器對應於所述第一電位的500Ω/ν的、所述正DC電力總線與所述電接地之間的電阻時，為所述反覆計算的第一、第二和第三電位選擇所述計算的隔離比的最小值。方案15.根據方案13所述的方法，其中，基於所執行的所述DC電力電路模型的仿真和所述選擇的閾值電阻器來確定所述第二比率閾值包括當所述選擇的閾值電阻器對應於所述第一電位的500 Ω /V的、所述負DC電力總線與所述電接地之間的電阻，並且所述第一電位大於隔離閾值電壓時，為所述反覆計算的第一、第二和第三電位選擇所述計算的隔離比的最小值。方案16.根據方案13所述的方法，其中，基於所執行的所述DC電力電路模型的仿真和所述選擇的閾值電阻器來確定所述第二比率閾值包括當所述選擇的閾值電阻器對應於所述第一電位的500 Ω /V的、所述負DC電力總線與所述電接地之間的電阻，並且所述第一電位小於隔離閾值電壓時，為所述反覆計算的第一、第二和第三電位選擇所述計算的隔離比的最小值。


現在將參考附圖，並且作為示例來描述一個或多個實施例，附圖中圖1示意性地示出了根據本發明的高壓電路，該高壓電路包括配置成在高壓儲能裝置與多個電氣裝置之間傳輸高壓DC電力的正DC電力總線(HV+)和負DC電力總線(HV-)；
圖2示出了根據本發明的、監測正DC電力總線(HV+)和負DC電力總線(HV-)以檢測與電接地隔離損失相關聯的故障的過程的流程圖；以及
圖3描繪了參照圖1所示電路的電路模型，其能夠作為根據本發明的電氣仿真程序的一部分來執行。
具體實施例方式現在參考附圖，其中所顯示的內容僅用於例示某些示例性實施例，而不是為了限制這些示例性實施例，圖1示意性地圖示了高壓電路100，其包括配置成在高壓儲能裝置或電池組(BP) 15與多個電氣裝置之間傳輸高壓DC電力的正DC電力總線20 (HV+)和負DC電力總線30(HV-)。電氣裝置包括變換器模塊(TPIM) 25，其操作以將高壓DC電力轉變成被傳輸至多相電機的高壓AC電力。在一個實施例中，多相電機為包括定子和磁耦聯至該定子的轉子的多相同步AC電機。在一個實施例中，多相電機配置成產生扭矩，該扭矩經由轉子傳遞至車輛的動力傳動系統以產生用於車輛推進的牽引扭矩。應理解的是，本申請的描述是說明性的，並且本發明不受限於此。作為並不意圖限制本發明範圍的示例，電連接在正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的其他電氣裝置包括輔助動力模塊(APM) 17、空調壓縮機模塊(ACCM) 19、電加熱模塊(CHCM)21和充電模塊(CRG) 23。控制模塊(CM) 10經由配置形成區域網的高速通信總線16信號地且可操作地連接至包括了變換器模塊25的電氣裝置中的每個電氣裝置。正DC 電力總線20、負DC電力總線30、變換器模塊25和前述電氣裝置均與底盤地35電隔離。應理解的是，電氣裝置的電隔離可指的是在正DC電力總線20、負DC電力總線30與底盤地35 之間具有高阻抗的電氣裝置。應意識到的是，變換器模塊25包括電連接至多相電機的每一相的變換電路。變換電路包括與多相電機的對應相相關聯的多對開關裝置。開關裝置中的每個開關裝置都優選為具有例如毫歐姆量級的低導通阻抗(low-on resistance)的半導體裝置。這些開關裝置對被配置成控制正DC電力總線20、多相電機的相中的一相以及負DC電力總線30之間的電力流。開關控制電路控制開關裝置中的每個開關裝置的激活和失活。變換器模塊25電連接至正DC電力總線20和負DC電力總線30。變換器模塊25 包括用於監測跨正DC電力總線20和負DC電力總線30的DC電壓電位的電阻分路50。電阻分路50包括串聯地電連接在正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的第一和第二感測電阻器56和58，其中，考慮到正DC電力總線20和負DC電力總線30的高阻抗內部隔離電阻，將該高阻抗內部隔離電阻描繪成電阻元件52和M。第一與第二感測電阻器56與 58之間的接點60電連接至底盤地35。高壓儲能裝置15電連接至正DC電力總線20與負DC電力總線30，使得DC輸入電壓參考底盤地35而浮動。優選地，DC總線電壓的一半施加在正DC電力總線20和底盤地 35上，且DC總線電壓的一半還施加在負DC電力總線30和底盤地35上。變換器模塊25包括用於監測第一感測電阻器56上的電壓的第一電壓感測電路 42，其指示了正DC電力總線20與底盤地35之間的電壓(DC+)。變換器模塊25還包括用於監測第二感測電阻器58上的電壓的第二電壓感測電路44，其指示了負DC電力總線30與底盤地35之間的電壓(DC-)。變換器模塊25包括用於對第一感測電阻器56上的電壓和第二感測電阻器58上的電壓進行求和的加法電路46，其指示了正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓(ADC)。由模/數轉換器48周期地監測正DC電力總線20與底盤地 35之間的電壓(DC+)、負DC電力總線30與底盤地35(DC_)之間的電壓、以及正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓(Δ DC)，模/數轉換器48經由高速通信總線16信號地連接至控制模塊10。優選地，前述模擬電壓DC+、DC-和ADC都經受以硬體實施的低通濾波，以消除與混疊、諧振和變換器開關頻率相關聯的測量誤差，並在進行的操作期間利用模/數電路48被周期地(在一個實施例中以變換器的PWM開關頻率，例如對於10 kHz的開關而言為0. 1毫秒)進行數字採樣。控制模塊、模塊、控制器、處理器和類似的術語表示以下各項的任何合適的一種或多種組合，這些項包括一個或多個專用集成電路(ASIC)、電子電路、執行一種或多種軟體或固件程序的中央處理器(優選微處理器)以及相關聯的存儲器和儲存器(只讀的、可編程只讀的、隨機存取的、硬碟驅動器等)、組合邏輯電路、輸入/輸出電路和裝置、合適的信號調節和緩衝電路、以及提供所描述功能性的其它合適部件。控制模塊具有一組控制算法， 包括存儲在存儲器中並被執行以提供期望功能的駐留軟體程序指令和校準。算法優選在預設循環期間執行。算法諸如由中央處理單元執行，並可操作以監測來自感測裝置及其他網絡控制模塊的輸入，以及執行控制與診斷例程以控制致動器的操作。可在進行的發動機和車輛操作期間以有規律的間隔(例如每隔3. 125毫秒、6. 25毫秒、12. 5毫秒、25毫秒和100 毫秒)來執行循環。替代性地，算法可響應於事件的發生而執行。圖2示出了用於監測正DC電力總線20與負DC電力總線30以檢測與電接地隔離的損失相關聯的故障的過程300。過程300優選作為控制模塊10中的一種或多種算法來執行，或者作為專用集成電路(ASIC)來執行，或者以其他合適的方法執行。操作中，第一和第二電壓感測電路42和44以及加法電路46 —起來監測正DC電力總線20與底盤地35之間的電壓差(DC+)、負DC電力總線30與底盤地35之間的電壓差(DC-)、以及正DC電力總線 20與負DC電力總線30之間的電壓差(ADC)。初始地，評估正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓差(ADC)，以確定該電壓差(ADC)是進行隔離檢查的有效的電壓電平，並且確定該電壓差(ADC)大於閾值 Tl (310) 0當正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓差(ADC)處於可容許的範圍內時，認為該電壓差(ADC)有效，例如，在來自跨接於正DC電力總線20和負DC電力總線30的電池組(BP) 15的標稱電壓電平輸出為360 V時，所述可容許的範圍處於0 V到550 V之間。閾值Tl是最小電壓差，在一個實施例中為50V。如果正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓差(ADC)無效或低於閾值Tl，則監測結束。當正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓差(ADC)有效並大於閾值 Tl時，第一計時器Y遞增(Inc Y_cnt) (315) 0將正DC電力總線20與底盤地35之間的電壓差(DC+)和負DC電力總線30與底盤地35之間的電壓差(DC-)與最小電壓差(Min_DC) 相比較，以確保DC+和DC-的值都為正或至少為最小電壓差，其設定成1. 0伏的預設電壓 (320)。這防止了由於接近零或的讀數負讀數所引起的溢出。作為負DC電力總線30與底盤地35之間的電壓差(DC-)和正DC電力總線20與底盤地35之間的電壓差(DC+)的比率(即DC-/DC+)來計算隔離比(Iso_Rat) (325)。將隔離比與第一比率閾值Kl相比較(330)。該第一比較結果是正DC電力總線20 與底盤地25之間的電阻的指示。當隔離比大於第一比率閾值Kl時，評估完成，並且第二計時器X遞增(Inc X_cnt) (335) 0這指示了在正DC電力總線20與底盤地35之間已出現隔離損失。否則，算法開始檢查負DC電力總線30與底盤地35之間的隔離。取決於正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓差的大小(或量級)將隔離比與兩個閾值中的一個閾值相比較，以檢測負DC電力總線30與底盤地35之間的隔離損失。兩個閾值中的一個閾值的選擇取決於正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓差的大小，並選擇成在「不必檢測」隔離損失狀況與「必須檢測」隔離損失之間具有足夠的富餘量，並且利用計算的隔離比來確定。將正DC電力總線20與負DC電力總線30之間的電壓差(ADC)與隔離閾值電壓 (Iso_Vl)相比較，該隔離閾值電壓(Iso_Vl)在一個實施例中為100 V (340)。當超過隔離閾值電壓(Iso_Vl)時，將隔離比與第二比率閾值K2相比較(350)。當不超過隔離閾值電壓(Iso_Vl)時，將隔離比與第三比率閾值K3相比較(345)。當隔離比相應地小於第二和第三比率閾值K2和K3中被選擇的一個時，第二計時器X遞增(Inc X_cnt) (355和360)。否則，算法在不遞增第二計時器X的情況下繼續。評估第一計時器Y和第二計時器X，以了解是否已經過足夠的逝去時段(365)。在一個實施例中，當第一計時器Y達到5. O秒時該第一計時器Y到期，而當第二計時器X達到0. 5秒時該第二計時器X到期。將指示了接地隔離合格(Pass)或接地隔離損失故障(Fault)的報告傳送給用於動作的控制模塊10 (370)。 在一個實施例中，當在進行監測的先前逝去的總Y秒的絕大部分期間(即在先前逝去的Y秒中的逝去的X秒期間)隔離比低於選擇的第一閾值K1、並且相應超過第二和第三比率閾值 K2和K3中被選擇的一個時，認為接地隔離完好(Pass)。在一個實施例中，這被解釋為先前逝去的總的5.0秒中的逝去的4.5秒、或90%。否則，指示接地隔離故障。這樣，能檢測與正 DC電力總線20和負DC電力總線30中的一個相關聯的接地隔離故障。精確地檢測接地隔離故障和當不存在接地隔離故障時精確地避免檢測接地隔離故障都是需要的，並且相應地導致了對第一、第二和第三比率閾值K1、K2和K3的精確選擇。 為了考慮到能影響接地隔離的所有電阻路徑，要對電路100的所有部件的接地隔離進行考慮。對影響每個部件的接地隔離和電阻的因素加以考慮。這樣的因素包括環境和部件的溫度、零部件之間的變化性以及受限制的部件和它們相關的容差水平、電路接口誤差、測量誤差、以及相對於底盤地35的相關聯的電阻變化。此外，還可能存在與溫度、使用壽命、高壓漂移和在不同接點處的焊接的效果相關聯的電阻漂移。還可能存在與變換器模塊25相關聯的隔離電阻的變化，其可高達+/-0. 5%，其中所述與變換器模塊25相關聯的隔離電阻的變化與雜散電容和Y電容洩漏相關聯。存在與隔離電阻、感測電阻相關聯的電阻容差， 或者存在與感測電阻器和A/D轉換器48以及各種部件中的集成電路相關聯的接口誤差，在一個實施例中達到+/-0. 65%。電路中的其他電氣裝置，例如空調壓縮機模塊、電加熱模塊、 充電模塊、以及與正負DC電力總線相關聯的線束配線，都可以沒有用於隔離電阻的物理系統，因此隔離電阻可能變化達到+/_25%。在電路模型上執行的仿真可以被用於為正確地作業系統而確定接地隔離電阻，所述正確地作業系統考慮到了將隔離和感測電阻的容差範圍疊加或以另外的方式組合的情況、變換器模塊隔離電阻中相對於底盤地的變化、其他系統部件的隔離電阻中的變化、以及電路接口誤差。生成電路模型和在該電路模型上執行電氣仿真在本領域中是已知的。圖3描繪了表示參考圖1示出的電路100的示例性電路模型200。電路模型200 能作為電氣仿真程序的一部分執行，該電氣仿真程序結合有仿真的高壓儲能裝置或電池組 (V_batt)、仿真的變換器模塊225和標識成電連接至仿真的正DC電力總線220 (HV+)和仿真的負DC電力總線230 (HV-)的電阻性電路210的多個仿真的電氣裝置。電連接在正DC 電力總線220與負DC電力總線230之間的電氣裝置中的每個電氣裝置均與仿真的底盤地 235電隔離。仿真高壓儲能裝置或電池組(BP) 215產生輸入電壓V_batt。電路模型200和相關聯的仿真在考慮到以下因素的情況下變化，這些因素即隔離和感測電阻的容差範圍、仿真變換器模塊225的隔離電阻的變化、關於底盤地235的隔離電阻、其他系統部件的隔離電阻中的變化、以及電路接口誤差。容差範圍包括描繪成相對於仿真底盤地235的電阻性電路 210的多個電氣裝置的隔離電阻中的變化；仿真變換器模塊235的隔離電阻中的變化，其發生在相對於仿真底盤地235的負DC電力總線230與相對於仿真底盤地235的正DC電力總線220之間；由於雜散電容和Y電容洩漏引起的仿真變換器模塊225的感測電阻中的變化； 以及電路接口誤差(Ea)。電路模型200相應地包括閾值電阻M0A、240B、M0C和MOD中被選擇的一個閾值電阻。第一閾值電阻MOA對應於正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的最小閾值接地隔離電阻。第三閾值電阻MOC對應於仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的最小閾值接地隔離電阻。小於或等於最小閾值接地隔離的接地電阻需要被檢測到(「必須檢測」)，並被識別為接地隔離故障，然而對於大於「必須檢測」的電阻值的最小閾值但小於 「不必檢測」的電阻值MOB或MOD的接地電阻而言，可以檢測接地隔離並將其識別為接地隔離故障，但是這樣的檢測不是必需的。在一個實施例中，最小閾值接地隔離為500 Ω/V。 以標稱420 V的電位操作的系統必須檢測與210 ΚΩ或低於210 ΚΩ相對應的接地故障。 因此，在一個實施例中可將第一和第三閾值電阻MOA和MOC設定為210 ΚΩ。第二閾值電阻MOB對應於正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的第二接地電阻閾值。第四閾值電阻MOD對應於仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的第二接地電阻閾值。不需要檢測(「不必檢測」)大於最大閾值接地隔離的接地電阻，並不必將其識別為接地隔離故障，以防止錯誤的正接地隔離檢測的發生。在一個實施例中，以標稱420 V操作的電路模型200在接地電阻為500 ΚΩ的預定閾值或500 ΚΩ的預定閾值以上時，不必檢測接地隔離故障。因此，在一個實施例中可將第二和第四閾值電阻MOB和MOD都設定為500 ΚΩ。這些電阻值都僅用於說明性目的。電阻性電路210包括並聯地電連接在正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的多個電氣裝置的電阻、以及並聯地電連接在仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的多個電氣裝置的電阻，包括電池組(BP)215的內部電阻。對於電氣裝置中的每個電氣裝置而言，可根據由⑴標識的正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的電阻，以及由(_)標識的仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的電阻來測量多個電氣裝置中的每個電氣裝置的電接地隔離。作為示例，這些電阻可以關於多個電氣裝置如以下的表1中那樣量化，所述多個電氣裝置以非限制性的方式包括具有電阻R_batt (+) 215和R_batt (-) 215的電池組(BP)；具有電阻Rl、R2、R3和R4的變換器225 ；具有電阻R_apm(+) 217和R_apm(-) 217的輔助動力模塊(APM)；具有電阻R_ accm(+) 219和R_accm(_) 219的空調壓縮機模塊(ACCM)；具有電阻R_chcm (+)221和尺_ chcm (-) 221的電加熱模塊(CHCM)；具有電阻R_chrg(+) 223和R_chrg (-) 223的充電模塊(CRG)；以及與正DC電力總線220和負DC電力總線230相關聯的線束配線。對於電氣裝置而言，在由(+)標識的正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的電阻和由(-)標識的仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的對應電阻之間可能會存在不平衡。
表 1
以下是在一個實施例中與仿真的執行一起使用的參數和相關聯的值輸入電壓乂_ batt，其可介於50 V與550 V的範圍中；標識為電阻性電路210的多個電氣裝置的隔離電阻中的變化，其改變達+/-25% ；變換器模塊225的隔離電阻中的變化，其發生在負DC電力總線230到地235與正DC電力總線220到地235之間，其改變達+/-0. 5% ；以及由於雜散電容和Y電容洩漏引起的變換器模塊225的感測電阻中的變化，其改變達+/-0. 5% ；以及改變達+/-0. 65%的電路接口誤差。優選地，在電路模型200處於靜態條件中的情況下來執行電路模型200的仿真，即不存在與交流電流或電壓或其他未考慮的瞬時輸入相關聯的可辨別的影響。在電路模型200上執行仿真程序，以便在容差、電路接口誤差的預測範圍內並且在輸入電壓V_batt的範圍內來計算正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的電壓差 (DC+)、負DC電力總線230與仿真底盤地235之間的電壓差(DC-)、以及正DC電力總線220 與負DC電力總線230之間的電壓差(ADC)。在一個實施例中，變換器隔離和感測電阻的容差的預測範圍包括+/-0. 65%的HV+ 相對底盤隔離電阻的容差、+/-0. 65%的HV-相對底盤隔離電阻的容差、+/-0. 65%的HV+ 相對底盤感測電阻的容差、+/-0. 65%的HV-相對底盤感測電阻的容差、以及電路接口誤差 (Eci)。輸入電壓V_Batt在一個實施例中從50 V到550 V變動。電氣仿真程序系統地計算電路模型200上的電壓差DC+、DC-和Δ DC。這包括在輸入電SV_batt的範圍內以逐步的方式反覆改變輸入電壓，和在預測的容差範圍內以逐步的方式反覆改變電路模型200的元件的隔離電阻和接口電阻(interface resistance)。 容差的預測範圍包括前述的多個電氣裝置的隔離電阻中的變化、由於雜散電容和Y電容洩漏引起的變換器模塊225的感測電阻中的變化、電路接口誤差、以及利用閾值電阻Μ0Α、 240BJ40C和MOD中被選擇的一個閾值電阻。將對於DC+和DC-反覆計算的電壓差用於反覆計算隔離比，即(DC-)/(DC+)。
將上述仿真用於評估正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的接地隔離電阻和仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的接地隔離電阻。關於正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的接地隔離電阻，在一個實施例中，考慮到各種因素，當使用具有正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的最小閾值接地隔離電阻的第一閾值電阻MOA時，用於「必須檢測」閾值的參數值在4. 53與7. 20之間的範圍內。考慮到各種因素，當使用具有正DC電力總線220與仿真底盤地235之間的最大閾值接地隔離的第二閾值電阻MOB時，用於「不必檢測」閾值的對應參數值在2. 16與3. 00 之間的範圍內。因此，在「必須檢測」閾值與「不必檢測」閾值之間在統計上存在顯著分離。 該分離用於確定參考圖2描繪的控制方案所描述的第一比率閾值K1，以檢測與正DC電力總線220和仿真底盤地235相關聯的接地隔離故障。在一個實施例中，考慮到各種因素，確定第一比率閾值Kl為4. 53。關於仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的接地隔離電阻，在一個實施例中，考慮到各種因素，當使用具有仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的最小閾值接地隔離電阻的第三閾值電阻MOC時，用於「必須檢測」閾值的參數值在0. 1至0. 21之間的範圍內。考慮到各種因素，當使用具有仿真底盤地235與負DC電力總線230之間的最大閾值接地隔離的第四閾值電阻MOD時，用於「不必檢測」閾值的對應參數值在0. 26與0. 43之間的範圍內。因此，在0. 21的最大「必須檢測」閾值與0. 26的最小「不必檢測」閾值之間在統計上不存在顯著的分離。另外的分析表明，0. 21的最大「必須檢測」閾值和0. 26的最小 「不必檢測」閾值均發生在50V的輸入電壓V_Batt處。在大於50V的輸入電壓時，在0. 21 的「必須檢測」閾值與「不必檢測」閾值(最小0. 33)之間存在足夠的分離。當輸入電壓V_ kitt為50 V時，500 Ω/V的隔離損失要求轉化成25 K Ω，而當輸入電壓V_batt為100 V 時，500 Ω/V的隔離損失要求轉化成50 ΚΩ。因此，最大「必須檢測」閾值對於100 V或更低的輸入電壓V_batt設定為0. 16，而最大「必須檢測」閾值對於高於100 V的輸入電壓V_ batt設定為0. 21。0. 16的最大「必須檢測」閾值在100 V或低於IOOV時在「必須檢測」與 「不必檢測」之間提供了足夠的富餘量。最大「必須檢測」比0.16在100 V時表示多於50 ΚΩ的隔離電阻，然而對於IOOV的DC總線電壓在50 ΚΩ時需要檢測隔離損失。該分離用於確定參考圖2描繪的控制方案所描述的第二和第三比率閾值K2和K3，以檢測與負DC電力總線230相關聯的接地隔離故障。表2示出了表示上述仿真的示例性數據，該仿真在考慮到與電路中的隔離電阻的變化相關的前述因素的情況下被執行，以利用參考圖2所描述的方案來計算隔離比。對於 50V與550V之間的輸入電壓V_batt的範圍而言，作為負DC電力總線30與底盤地35之間的電壓差(DC-)和正DC電力總線20與底盤地35之間的電壓差(DC+)的比率(即DC-/DC+) 來計算隔離比。先前已描述了閾值電阻240A、240B、M0C和MOD。在仿真中使用並在表2中描繪的參數和條件及相關的值包括
比率範圍，即在所聲明條件下與仿真相關聯的計算的隔離比的最大值與最小值； V_batt,即輸入電壓介於50 V與550 V的範圍中間；
與其他部件相關的變化標識為電阻性電路210的多個電氣裝置的隔離電阻中的變化，其包括正DC電力總線220與地235之間的第一分量(Pos-to-Chassis)和負DC電力總線 230 與地 235 之間的第二分量(Neg-to-Chassis)，其中 Pos-to-Chassis 的值=+25%,而Neg-to-Chassis的值=_25% ；與變換器模塊225的隔離電阻容差相關聯的變化(R_Iso_ iTol),其發生在負DC電力總線230與地235之間(Neg-to-Chassis)以及正DC電力總線 220 與地 235 之間(Pos-to-Chassis)；
與由雜散電容和Y電容洩漏引起的變換器模塊225的感測電阻容差相關聯的變化(R_ knse_Tol)，其發生在負DC電力總線230與地235之間(Neg-to-Chassis)以及正DC電力總線220與地2；35之間(Pos-to-Chassis)；以及
改變達+/-0. 65%的並且為正(Pos)和負(Neg)誤差之一的電路接口誤差(Circuit IF error)。在電路模型200處於靜態條件中的情況下，執行電路模型200的仿真。
表 權利要求
1.一種用於監測DC電力電路相對於底盤地的電隔離的方法，所述方法包括 監測包括了正DC電力總線與負DC電力總線之間的電壓差的第一電位； 監測包括了所述正DC電力總線與所述底盤地之間的電壓差的第二電位； 監測包括了所述負DC電力總線與所述底盤地之間的電壓差的第三電位； 計算包括了所述第三電位相對所述第二電位的比例比較結果的第一電壓比； 基於所述第一電壓比來監測所述正DC電力總線與所述底盤地之間的電隔離；關於所述第一電壓比和所述第一電位來監測所述負DC電力總線與所述底盤地之間的電隔離。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括當所述第一電壓比超過預定的比率閾值時，檢測與所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述第一比率閾值對應於這樣的電壓閾值，所述電壓閾值與所述第一電位的500 Ω/V的、所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電阻相關聯。
4.根據權利要求2所述的方法其中在逝去的時段期間反覆地監測所述第一、第二和第三電位； 其中在所述逝去的時段期間反覆地計算所述第一電壓比；以及其中當所述第一電壓比超過所述第一比率閾值時檢測與所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障包括在所述逝去的時段的預定部分期間，當所述第一電壓比超過所述第一比率閾值時，檢測與所述正DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。
5.根據權利要求4所述的方法，還包括在所述逝去的時段的預定部分期間，當所述第一電壓比不超過所述預定的比率閾值時，檢測到所述正DC電力總線與所述底盤地之間的完好的電隔離。
6.根據權利要求1所述的方法，還包括當所述第一電壓比小於第一比率閾值並且所述第一電位大於隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括當所述第一電壓比小於第二比率閾值並且所述第一電位小於所述隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述第一比率閾值和所述第二比率閾值均對應於這樣的電壓閾值，所述電壓閾值與所述第一電位的500 Ω/V的、所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電阻相關聯。
9.根據權利要求7所述的方法其中在逝去的時段期間反覆地監測所述第一、第二和第三電位； 其中在所述逝去的時段期間反覆地計算所述第一電壓比；以及其中當所述第一電壓比小於所述第一比率閾值並且所述第一電位大於所述隔離閾值電壓時檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障包括在所述逝去的時段的預定部分期間，當所述第一電壓比小於所述第一比率閾值並且所述第一電位大於所述隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述底盤地之間的電隔離相關聯的故障。
10. 一種用於監測DC電力電路與電接地之間的電隔離的方法，所述DC電力電路包括經由正DC電力總線和負DC電力總線電連接至電力變換器裝置的電能儲能裝置，所述方法包括監測包括了所述正DC電力總線與所述負DC電力總線之間的電壓差的第一電位； 監測包括了所述正DC電力總線與所述電接地之間的電壓差的第二電位； 監測包括了所述負DC電力總線與所述電接地之間的電壓差的第三電位； 計算包括了所述第三電位與所述第二電位的比率的第一電壓比； 當所述第一電壓比超過第一比率閾值時，檢測與所述正DC電力總線和所述電接地之間的電隔離相關聯的故障；當所述第一電壓比小於第二比率閾值並且所述第一電位大於隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述電接地之間的電隔離相關聯的故障；以及當所述第一電壓比小於第三比率閾值並且所述第一電位小於所述隔離閾值電壓時，檢測與所述負DC電力總線和所述電接地之間的電隔離相關聯的故障，其中所述第三比率閾值小於所述第二比率閾值。
全文摘要
本發明涉及監測電動機驅動電路的接地隔離損失的方法和設備。具體地，提供了一種用於監測高壓DC總線的電隔離以檢測接地隔離故障的方法，其包括監測正DC電力總線和負DC電力總線以及底盤地之間的電壓差。利用電壓差的比率來監測正負DC電力總線中的每一個與底盤地之間的電隔離。
文檔編號G01R31/34GK102193066SQ20111005205
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月4日 優先權日2010年3月5日
發明者D·P·塔斯基, M·N·安瓦, S·M·N·哈桑, W·D·王 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司