专利名称：用于具有高压电网的交通工具的接地故障检测系统的制作方法
用于具有高压电网的交通工具的接地故障检测系统发明背景完全或部分地依赖于电力的电动交通工具、混合动力电动交通工具以及其他的交通工具可包括高压(HV)电池。HV电池可连接到HV配电 系统，所述HV配电系统将向/从任何数量的HV交通工具系统，例如但 不限于牵引逆变器、充电器、DC-CD转换器以及其他HV负荷传送/获得 能量。HV配电系统可包括导线、或其他基础设施以在HV系统之间传输 HV能量。导线可用于表征(characterize)具有高压正极(HV—P )导线 和高压负极(HV_N)导线的HV电力网络。因为这些导线中的任一导线 都不连接到交通工具地(vehicle ground)(即交通工具底盘)，所以认为 HV电力网络具有浮动地(floating ground )。大量的低压(LV)系统可连接到交通工具地，例如但不限于交通工 具灯、信息娱乐装置、空调系统、座椅调整电动机(seat motor)等。类 似于HV电力网络，LV系统可依赖于LV电力网络以帮助分配LV能量。 HV电力网络与LV电力网络的电隔离对于保持电力网络和依赖于电力网 络的系统的正常运行是重要的。发明概述根据本发明的一个方面，提供了 一种用于测试包括在交通工具系统中 的分离的高压网络和低压网络的电隔离的方法，其中所述低压网络参考交 通工具地，并且所述高压网络参考高压电池的负极，所述方法包括根据接地故障检测单元内的电容器放电来确定所述电隔离为可接受 的或不可接受的，所述接地故障检测单元配置成使正导线电容器(Cp) 向所述高压网络的高压正导线(HV_P )放电，以及使负导线电容器(Cn)向所述高压网络的高压负导线(HV_N)放电。所述方法进一步可包括，根据所述Cp两端的电压(Vcp )和所述Cn 两端的电压(Vcn)来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的。所述方法进一步可包括，冲艮据以下方程确定Vcp:「C O《.,,」'V"化'- -"))。 所述方法进一步可包括，根据以下方程确定Vcn:所述方法进一步可包括，根据所述接地故障检测单元两端的电压(Vgfdet)来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的。 所述方法进一步可包括，根据以下方程确定Vgfdet:
<formula>formula see original document page 6</formula>
所述方法进一步可包括，如果所述HV_P和所述HV一N的每一个的 对地等效电阻在极限值以下，则确定所述电隔离为不可接受的。所述方法进一步可包括，如果所述Cp或所述Cn中之一的两端的电 压(Vcp或Vcn)小于期望的电压阈值，则确定所述Cp或所述Cn已经 放电超过期望的阈值。所述方法进一步可包括，确定所述Vcp和所述Vcn中的每一个的所 述期望的电压阈值，所述期望的电压阈值对应于测试电压(Vtest一P和 Vtest—N )，所述测试电压被用来用从包括在所述接地故障检测单元内的分 离的电源提供的能量对Cp和Cn充电。所述方法进一步可包括，在所述接地故障检测单元内的多个开关以便 控制对所述Cp和所述Cn的充电和放电。在所述方法中，Vtest一P和Vtest一N可大于包括在所述HV网络中的 高压电池(HV_batt)的电压。根据本发明的又一方面，提供了 一种用于测试包括在交通工具系统中 的分离的高压网络和低压网络的电隔离的系统，其中所述低压网络参考交通工具底盘，而所述高压网络参考高压电池的负极，所述系统包括接地故障检测单元，其配置成根据被释放给所述高压网络的高压正导线(HV—P)和所述高压网络的高压负导线(HV—N)的能量来确定所述 电隔离是可接受的或不可接受的。在所述系统中，所述接地故障检测单元可包括向所述HV—P和所述 HV—N释放能量的一个或更多电容器，其中基于从所述电容器释放的能量 来确定所述电隔离是可接受的或不可接受的。在所述系统中，所述接地故障检测单元可包括一个或更多开关以帮助 选择性地使所述一个或更多电容器向所述HV_P和所述HV—N放电。在所述系统中，所述接地故障检测单元可包括分别向所述HV—P和所 述HV—N释放能量的分离的电容器(Cp和Cn),以及其中如果Cn放电 超过预定阈值，则所述接地故障检测单元确认HV一N的电隔离为不可接 受的，以及如果Cp放电超过预定阈值，则所述接地故障检测单元确认 HV_P的电隔离为不可接受的。在所述系统中，所述接地故障检测单元可根据所述接地故障检测单元 两端的电压(Vgfdet)来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的，其中 才艮据以下方程确定Vgfdet:^G/物) 一 — ) 一 — 4")—在所述系统中，所述接地故障检测单元可包括分別向所述HV—P和所 述HV—N释放能量的分离的电容器(Cp和Cn),以及其中所述接地故障 检测单元才艮据所述Cp两端的电压(Vcp )和所述Cn两端的电压(Vcn) 来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的。在所述系统中，所述接地故障检测单元可根据以下方程确定Vcp:在所述系统中，所述接地故障检测单元可根据以下方程确定Vcn:附图简述
图1示出了依据本发明的一个非限制性方面的HV交通工具系统；图2示意性地示出了依据本发明的一个非限制性方面的测试电路 (arrangement);图3a-3d示出了依据本发明的一个非限制性方面的开关的时序；图4a-4d示出了依据本发明的一个非限制性方面的电容性放电；图5示意性地示出了依据本发明的一个非限制性方面，当存在HV电 池时的测试电3各；图6a-6b示出了依据本发明的一个非限制性方面，当存在牵引用电池 时，接地故障检测器从HV—P和HV一N看起的等效电路；图7图形化地示出了依据本发明的一个非限制性方面的等效电阻；图8图形化地示出了依据本发明的一个非限制性方面的作为等效电 阻的函数的接地故障检测系统的电压；以及图9示意性地示出了依据本发明的一个非限制性方面的接地故障检 测系统。优选实施方式的详细描述图1示出了依据本发明的一个非限制性方面的HV交通工具系统。该 系统可包括向/从具有高压正极(HV_P)导线和高压负极(HV一N)导线 的HV电力网络传送/接收HV能量的HV电池。HV电力网络可与向一个 或更多LV负荷提供低压能量的低压(LV)电力网络电隔离。保持HV网 络与LV网络电隔离对于保持电力网络和依赖于电力网络的系统的正常运 行是重要的。本发明的一个非限制性方面预期测试此电隔离。为了示例性的目的而不旨在限制本发明的范围和预期，系统被表示为包括可用来支持全部或部分地依赖于HV能量的基于交通工具的电路的 一定数量的部件。这些部件可包括，但不限于电池充电器、HV电池、接 地故障检测系统、HV负荷、HV DC/AC逆变器、HV电机(电动机)、 HV到LV的DC/DC转换器、LV电池、交通工具地，以及LV负荷。电 池充电器可配置成用从墙上插座或其他外部电源提供的能量对HV电池 充电。DC/AC逆变器可用于将从HV电池提供的HV DC能量转换为AC 能量，所述AC能量可用于驱动电机，所述电机也可配置成将电机的机械 转动转化为可用于对HV电池充电的DC能量。HV到LV的DC/DC转换 器可用于将HV能量转换为可用于运行LV负荷的LV能量。接地故障检 测系统可与这些以及其他部件结合使用，以帮助测试依据本发明的一个非 限制性方面的HV系统的电隔离。图2示意性地示出了可用于测试依据本发明的一个非限制性方面的 HV系统的电隔离的测试电路。测试电路可用来基于对HV系统中的每根 导线的电容器放电(Cp, Cn),来帮助测试HV网络与LV网络的电隔离。 如图1所显示的，示出假想电阻器(phantom resistor X Rgnd—P和Rgnd—N) 以代表HV网络导线以及HV系统的其他元件对交通工具地的等效电阻。Rgnd—P和Rgnd一N可通过物理方法在HV导线和交通工具底盘之间 测量。它们的值反映HV电网与地之间的隔离程度。由于Rgnd—P和 Rgnd—N,连接到这些电阻器中的任何电阻器的充电的电容器在固定时间 后经历某种程度的放电，这取决于前面提到的电阻器的值(小电阻将产生 大的电容器放电，而大电阻将产生小的电容器放电)。重要地，图2把HV 电池从HV电力网络中排除。这样做是为了示例性的目的以及展示关于测离的本发明的 一个非限制性方面。如果HV系统不恰当地与交通工具地或LV系统隔离，那么在系统中 的某些地方发生故障(breakdown),且一旦电容器Cp和Cn先前已被充 电并连接到HV电网，就如图2所示，那么电容器Cp和Cn将把更大量 的能 释放到HV系统中。隔离程度随着电容器放电的增加而降低。当HV与交通工具地A/或LV系统适当地隔离时，等效电阻就高于某一额定值或极限值，而当电隔离变得不适当时，对地的等效电阻就变得低于此极 限值。随着对地的等效电阻降低，电隔离变得更差。图2示意性地示出通过等效正电阻(Rgnd一P )和等效负电阻(Rgnd一N) 使Cp和Cn向HV—P导线和HV一N导线放电。电容器放电的量反映各HV 导线和地之间的等效电阻。如果放电为低(浅度的)，则等效电阻就高且 可将隔离的特点描述为恰当的。如果放电在某一额定水平之上，则等效电 阻较低且可将隔离的特点描述为不恰当的。接地故障检测电路可进一步包 括一对HV电源，它们分别配置成用测试电压(Vtest—P)向对HV—P导 线放电的电容器Cp充电，和用测试电压(Vtest—N)向对HV—N导线放 电的电容器Cn充电。开关(SW1、 SW2、 SW3和SW4)可由控制器(未 显示)或其他元件控制，以便帮助使Cp和Cn充电和;故电以及执行本发 明预期的其他操作。从图2看，Vtest—P和Vtest一N是两个DC电压源，它们与HV交通 工具电池相分离，用于分别通过Sl和S3对Cp和Cn充电。S2和S4孚皮 用于在固定的时间期间，将Cp和Cn中的每一个连接到HV交通工具电 力线(HV_P和HV_N )。 Rs—P和Rs_N电阻器可用于在Rgnd_p或Rgnd_n 的值很低、短路或不良隔离的情况下限制来自电容器的放电电流。支路的每一路( 一路对应于HV—P，而另 一路对应于HV—N)在不同 的时间操作，以使得它们不相互叠力口。整个系统的操作可通过观察四个开 关(SW1、 SW2、 SW3和SW4)的时序而被描述。在图3a-3d中显示了 开关的4妾通(activation )。按照此时序，并以处于断开状态的四个开关开始，在时刻^闭合S1 以允许Cp被充电到等于Vtest—P (图3a )。在^之前，电容器被完全充满 (Vcp = Vtest一P ),然后S1断开。在时刻t3,闭合S2并使之保持在闭合 状态直到t4为止。在此时间间隔(T = t4-t3)中，使电容器Cp通过等于 Rs—P与Rgndj之和的电阻器来放电(图3b)。在此放电过程后，在时刻 tcp,得到的电容器Cp两端的电压(Vcp)可近似为<formula>formula see original document page 10</formula>而此电压如果在时刻tep测量，则因为其通过方程1与RgncLp相关， 而反映HV—P线和GND之间存在的隔离的水平(level)(即Rgnd_p的大 小)。t = tep时，接近Vtest_p的Vcp的值表示由于大的Rgnd_p值而产生 的在T期间的Cp的浅度放电。相反地，在T期间，Cp的深度放电意味 着由于低的Rgnd_p值造成的接地故障。为了估算在HV电网的负极侧(HV—N)的Rgnd—n,可使用开关S3 和S4而采用类似的过程。在时刻ts闭合S3 ,以允许Cn被充电到等于 -Vtest—N(图3c )。在k之前，该电容器被完全充满(Vcn = -Vtest_N)， 然后S3断开。在时刻t7,闭合S4并使之保持在闭合状态直到t8为止。在 此时间间隔(T = t8 -17)期间，使电容器Cn通过等于Rs—N与Rgnd—n 之和的电阻器放电(图3d)。在此放电过程后，在时刻ten，得到的电容器 Cn两端的电压(Vcn)可近似为r ^ =, ) -c w .e-"(('"uv'—" 方程2'(.h" n/ 固—W w * '如由方程2所描述的，此电压Vcn (t = tcn)给出关于在HV—N线和 GND之间存在的隔离的水平(即Rgnd一n的大小)的信息。t = tcn时，接 近-Vtest一n的Vcn的值表示由于大的Rgnd—n值而产生的在T期间的Cn 的浅度放电。相反地，在T期间的Cn的深度放电意味着通过低的Rgnd一n 值而造成的接地故障。本接地故障检测器的操作也可通过观察如图4a-4d所图示的Cp和Cn 两端的电压波形来描述。图4a、4b以及4c显示了没有接地故障(即Rgnd_p 和Rgnd一n都是大的)时的电容器电压。在时刻tep和ten,两个电容器的 电压分别与在时刻t3和t7的电容器的电压差不多相同，这表示电容器没 有通过系统电阻器对地放电。在图4d中能够检测到接地故障。当在时刻U估算Cn两端的电压时， 由于低的Rgnd—n值而造成了在时间间隔T = t8 - ^期间，该电压显著变化。以上描述的接地故障检测器的操作以HV电系统中没有HV电池，即 在车库中停止的汽车为基础。当存在牵引用HV电池时(例如当汽车行驶时)，测试中的系统改变并不得不以不同的方式表征特征和进行测量，以便检查是否存在接地故障。图5示意性地示出了依据本发明的一个非限制性方面的存在HV电池时的测试电路。前面提到的HV电池可被描绘为理想电压源加上低的等效串联电阻 器(Rs—隨)。从接地故障检测器的各侧(HV—P和HV—N)看到的电路可 绘制如图6a-6b。图6a是接地故障检测器将要从HV一P探查的等效电路， 而图6b是将要从HV一N探查的等效电路。两个等效都是通过对图5中的 交通工具电网，相对于GND在HV一P和HV_N应用戴维宁定理 (Thevenin，s theorem)而产生。于是，其结果为尺 =W一脑+ ^"(丄尺-一户-A—一".尺—一/7 方程3v — i/ _ _ r 古程4V—, 一 y—融p ; p 丄p pp 力i工，7 >〃 +乂、g"t/ _ / 乂 gWi/ 一+尺—一+ 7 方程"一印 KWK —A"" ff 上p ; p A。" p + p 々l工u八s —A。',十 W —"卞 "(P ,'卞 W —p从方程3和方程5可以看出两个等效电阻是近似相等的值(即Rgnd_p 和Rgnd一n的并联)，这是合理的，因为可忽略电池的串联电阻器(其通 常比漏电阻Rgnd_p和Rgnd一n小五个数量级以上，并在大的接地故障的 情况下，也比这些电阻小达IOOO倍)。这样^」:。=A」"=印=，""+》" 方程7且这是接地故障检测器在交通工具中存在HV电池时，为了检测可能的故障而估算的电阻(Rgnd—EQ < Rlimit )。冲艮据方程7,图7绘出了作为Rgnd—n和Rgnd_p的函数的Rgnd_EQ。 这里，可为Rgnd—EQ设置检测水平(报警或故障)，根据该检测水平认为 系统是正常的(即，不存在接地故障)。如果接地故障检测器用于估算图6a和6b给出的网络HV—P和HV—N (即在交通工具行驶时的HV线)的等效电路的隔离水平，则接地故障检 测器的电容器的^:电可由下面的方程描述= O =(巳"」'—^j).e—7V(C,("'-"+/ ) + t吸 方程8= U =w —、吸).e-) +、印 方程9如关于图3a-3b在以上所描述的，T = t4 -13 = t8 -17,分别在时刻tcp 和tcn的Vcp和Vcn可通过微控制器或分离的模-数转换器电路(未显示) 获得并作为数字值保存在存储器中，下面的函数将其输出与测量的Rgnd—EQ 联系起来L、K/^/—尸—"/7 —￡G J e 卞『p—￡Q J— L、—W —" 卞r" A'、方程10为了说明性的目的，假定方程7、 Rs_p = Rs—n以及Cp = Cn，图8绘 出了 VoFDet = f ( Rgnd—p, Rgnd一n )° 另夕卜,Vtestj> 可等于vtestN,且它们都必须大于VHVbatt以保证Cp和Cn充电至大于Vhv—batt的电压。这样，对于任何值的等效接地电阻，电容器将始终带有可用于HV电网电荷。这也将防 止电容器在连接到交通工具电系统时从HV电池汲取能量。关于所提出的接地故障检测器的实际实现，必须注意到可以有许多可 选的解决方案或变化的形式。预期有根据本发明操作的任何系统(硬件+ 软件)。图9显示了所描述的接地故障检测器的可能的实现的方块图。这里， 输出开关、串联放电电阻器以及Cp和Cn电容器描示为处于基本电路中。,-77(C,(ff, — +/;一一坦))开关SW2和SW4可包括小HV簧片继电器，其可用于支持低电流下高循 环(high cycling)和HV切4奐(switching)的要求。图2中的Vtest—P和Vtest—N电压源可经由2个小的反激DC/DC转 换器实现，所述反激DC/DC转换器在微控制器通过SWl和SW2控制信 号激活它们时生成需要的高压以对测量电容器充电。在被两个滤波器级(filter stage)适当地调整后，电容器的电压VCp 和VCn可通过微控制器的模-数转换器测量，所述两个滤波器级可用于对 两个被测量的信号提供高阻抗输入的衰减和低通滤波。对于VCn,输入 滤波器可以加倒相以适当地调节在微控制器的模-数转换器的输入的这种 负电压。根据本发明的一个非限制性方面，接地故障检测器可配置成支持或执 行下列基本功能中的全部或一些功能 采样VCp和VCn电容器电压以获得它们的数字值，其为方程IO的 输入(即VCp (t = tcp)和-VCn (t = tcn))。
依据图3a-3d中显示的时序，控制(开/关)四个SW信号。
计算方程10并对比存储器中存储的检测水平估算作为结果的 VGFdet值。如果VGFdet较低或相等，则交通工具电网被认为是不 适当的(即没有与地面的适当隔离)。参考^r测水平也由方程10,在 Rgnd—EQ = Rgnd—limit时纟会出。
经由专用通道(例如CAN或LIN总线、硬^接线的信号、LED或LCD等)与交通工具的管理者及/或人机界面进行通信，以便报告对接地 故障的检测并得到需要的操作输入参数(BMS —电池监测系统报告 的激起/睡眠状态、HV电池电压等)。尽管已经示出并描述了本发明的实施方式，但并不期望这些实施方式 示出并描述出本发明的所有可能形式。更确切地说，在说明书中使用的文 字是描述性而不是限制性的文字，且应理解，可作出各种改变而不偏离本 发明的精神和范围。
权利要求
1.一种方法，所述方法用于测试包括在交通工具系统中的分离的高压网络和低压网络的电隔离，其中所述低压网络参考交通工具地，并且所述高压网络参考高压电池的负极，所述方法包括根据接地故障检测单元内的电容器放电来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的，所述接地故障检测单元配置成使正导线电容器(Cp)向所述高压网络的高压正导线(HV_P)放电，以及使负导线电容器(Cn)向所述高压网络的高压负导线(HV_N)放电。
2. 如权利要求l所述的方法，其进一步包括根据所述Cp两端的电压 (Vcp)和所述Cn两端的电压(Vcn)来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的。
3. 如权利要求2所述的方法，其进一步包括根据以下方程确定Vcp:=」)《 4,,—,) ir'(fv('"+"s""-")。
4. 如权利要求2所述的方法，其进一步包括根据以下方程确定Vcn:
5. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括根据所述接地故障检测 单元两端的电压(Vgfdet)来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的。
6. 如权利要求5所述的方法，其进一步包括根据以下方程确定Vgfdet:^衡,:0) = & 0 = ^) 一 rc 0 = /c )=V M, Pe 卞% WJ W""即^e 十KP一即乂 & ， ^ P一吸—吸7 fc T、—印，
7. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括如果所述HV_P和所述 HV_N的每一个的对地等效电阻在极限值以下，则确定所述电隔离为不可 接受的。
8. 如权利要求1所述的方法，其进一步包括如果所述Cp或所述Cn 中之一的两端的电压(Vcp或Vcn)小于期望的电压阈值，则确定所述Cp或所述Cn已经放电超过期望的阈值。
9. 如权利要求8所述的方法，其进一步包括确定所述Vcp和所述Vcn 中的每一个的所述期望的电压阈值，所述期望的电压阈值对应于测试电压(Vtest—P和Vtest—N)，所述测试电压被用来用从包括在所述接地故障招， 测单元内的分离的电源提供的能量对Cp和Cn充电。
10. 如权利要求9所述的方法，其进一步包括控制包括在所述接地故 障才全测单元内的多个开关以^更控制对所述Cp和所述Cn的充电和;改电。
11. 如权利要求9所述的方法，其中Vtest—P和Vtest—N大于包括在所 述HV网络中的高压电池(HV—batt)的电压。
12. —种系统，所述系统用于测试包括在交通工具系统中的分离的高 压网络和低压网络的电隔离，其中所述低压网络参考交通工具底盘，而所 述高压网络参考高压电池的负极，所述系统包括接地故障检测单元，其配置成根据被释放给所述高压网络的高压正导 线(HV—P)和所述高压网络的高压负导线(HV一N)的能量来确定所述电 隔离是可接受的或不可接受的。
13. 如权利要求12所述的系统，其中所述接地故障检测单元包括向 所述HV—P和所述HV—N释放能量的一个或更多电容器，其中基于从所述 电容器释放的能量来确定所述电隔离是可接受的或不可接受的。
14. 如权利要求13所述的系统，其中所述接地故障检测单元包括一 个或更多开关以帮助选择性地使所述一个或更多电容器向所述HV—P和所 述HV一Ni欠电。
15. 如权利要求12所述的系统，其中所述接地故障检测单元包括分 别向所述HV_P和所述HV一N释放能量的分离的电容器(Cp和Cn)，以 及其中如果Cn放电超过预定阈值，则所述接地故障检测单元确认HV一N 的电隔离为不可接受的，以及如果Cp放电超过预定阈值，则所述接地故 障检测单元确认HV_P的电隔离为不可接受的。
16. 如权利要求12所述的系统，其中所述接地故障检测单元根据所 述接地故障检测单元两端的电压(Vgfdet)来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的，其中根据以下方程确定Vgfdet:<formula>formula see original document page 4</formula>
17. 如权利要求12所述的系统，其中所述接地故障检测单元包括分 别向所述HV一P和所述HV—N释放能量的分离的电容器(Cp和Cn),以 及其中所述接地故障检测单元根据所述Cp两端的电压(Vcp)和所述Cn 两端的电压(Vcn)来确定所述电隔离为可接受的或不可接受的。
18. 如权利要求17所述的系统，其中所述接地故障检测单元根据以 下方禾呈确定Vcp:
19. 如权利要求17所述的系统，其中所述接地故障检测单元根据以 下方程确定Vcn:<formula>formula see original document page 4</formula>
全文摘要
一种用于检测使用高压(HV)电网的交通工具或其他系统中的电隔离的损失的接地故障检测系统和方法。通过对HV电容器充电，然后将其在不同时间连接在电网HV导线和地(或交通工具底盘)之间，并在固定时间段后测量它们剩余的电量，可确定电隔离的损失。根据在HV系统连接到HV电网期间通过前面提到的电容器损失的能量，HV系统可被认为与地适当地隔离或没有适当地隔离。
文档编号G01R31/02GK101576597SQ20091013617
公开日2009年11月11日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年5月8日
发明者乔迪·艾斯考达, 米格尔·安琪尔·阿希娜 申请人:李尔公司