电动车辆的总线泄漏电阻的估算的制作方法
【专利摘要】检测具有连接到正和负总线的DC电源的电动车辆的电气总线绝缘性。将正总线与底盘地线连接，以及感测产生的流过负总线泄漏电阻和平衡泄漏电阻的第一电流。将负总线与底盘地线连接，以及感测产生的流过正总线泄漏电阻和平衡泄漏电阻的第二电流。根据各第一和第二电流的比值来估算正和负总线泄漏电阻。将绝缘值与阈值比较，其中绝缘值是根据DC电源的电压以及正和负总线泄漏电阻中的较小一个。当绝缘值小于阈值时发出异常绝缘信号。
【专利说明】电动车辆的总线泄漏电阻的估算
【背景技术】
[0001] 本发明总体设及使用高压总线的电动车辆，W及更具体地设及每个高功率总线和 底盘地线之间存在的有效绝缘电阻的准确估算。
[0002] 电动车辆，例如电动车辆和混合动力电动车辆，典型地使用由直流(DC)电源驱动 的高压电源总线，直流电源可W包括存储和/或转换装置，例如多单元电池组或燃料电池。 高压总线的存在产生了用于监测每个总线相对车辆底盘(地线）的导电部件的电绝缘性的 需要。
[0003] DC总线和底盘地线之间存在的任何泄漏电阻必须是足够大的。在典型的泄漏电阻 的检测系统中，假设泄漏电阻将处在正或负DC总线之一和底盘地线之间。典型的泄漏检测 器电路是通过限流电阻每次将一个总线与底盘地线周期性地连接并且使用产生的电流计 算相对的总线和地线之间的泄漏电阻来进行操作。计算的泄漏电阻除W电池电压描绘电绝 缘性的特征。
[0004] 典型地，泄漏电阻检测系统通过已知的电阻将来自一个总线的电流提供给地线和 其它总线之间的泄漏电阻。运样的系统可能漏掉了从两个总线到地线的泄漏电阻的潜在平 衡分量，由于导出的泄漏电阻值的潜在的差异有时运可能导致对电绝缘性的错误表征。更 具体地说，电阻可能存在于一个总线和底盘地线W及在其它总线和底盘地线之间的具有等 值分量的电阻之间。在数值上相等的运些电阻此后被称为对称或平衡泄漏电阻。与其它总 线到底盘的电阻没有匹配值的一个总线到底盘的电阻此后被称为非对称或不平衡泄漏电 阻。流过平衡泄漏电阻的额外的电流可能使现有技术的检测系统对在一个总线和底盘地线 之间存在的复合平衡和不平衡电阻估算过高。估算该后者复合电阻是需要的，W便更准确 地确定电绝缘性。
[000引2014年10月2日提交的题为"用于电绝缘性测试和诊断的总线泄漏电阻的估算"的 序列号为14/504,588的共同待决的美国申请公开了用于识别平衡和不平衡泄漏电阻的方 法和装置，上述共同待决的美国申请的内容在此通过引用整体并入本文。测量正和负总线 的泄漏电流。获得基于电流比的校正因子W便分开平衡和不平衡泄漏电阻分量。
[0006] 前述泄漏电阻的估算根据来自两个各自的总线的每个检测电路的电压和电流测 量。需要减少所需的测量数量并且减少导出不平衡和/或平衡总线泄漏电阻所需的计算。
【发明内容】
[0007] 在本发明的一个方面中，电动车辆包含可连接到DC电源的正输出端的正总线和可 连接到DC电源的负输出端的负总线。底盘地线分布在车辆内。第一检测器电路具有第一采 样开关，第一采样开关可选择地连接总线中的第一个和底盘地线之间的第一固定电阻。在 第一采样开关分别在打开和闭合的情况下，第一检测器电路检测底盘地线和总线中选择的 一个之间的第一和第二电压。控制电路根据第一和第二电压W及DC电源的正和负输出端之 间的源电压而识别总线泄漏电阻。可W使用戴维南等效电路识别运些电压和总线泄漏电阻 之间的关系。
[0008] 本发明提供一种检测电动车辆的总线绝缘性的方法，该车辆具有可连接到正总线 和负总线的DC电源和在车辆内分布的底盘地线，该方法包含W下步骤：
[0009] 测量DC电源两端的源电压；
[0010] 测量底盘地线和第一个总线之间的第一电压；
[0011] 将第一固定电阻连接在第一个总线和底盘地线之间；
[0012] 测量底盘地线和第一个总线之间的第二电压；
[0013] 根据第一和第二电压W及源电压估算总线泄漏电阻；
[0014] 将绝缘值与阔值进行比较，其中绝缘值是估算的泄漏电阻与预定电压的比值；W 及
[0015] 当绝缘值小于阔值时发出异常绝缘信号。
[0016] 根据本发明的一个实施例，其中第一个总线是负总线，W及其中根据W下公式估 算负总线的总线泄漏电阻Rn:
[0017]
[001引其中Rc是第一固定电阻，化at是源电压，Vm是第一电压，W及VcH2是第二电压。
[0019] 根据本发明的一个实施例，其中根据W下公式估算正总线的泄漏电阻化：
[0020]
0
[0021] 根据本发明的一个实施例，其中第一个总线是正总线，W及其中根据W下公式估 算正总线的泄漏电阻化：
[0022]
[0023] 其中Rc是第一固定电阻，化at是源电压，Vm是第一电压，W及VcH2是第二电压。
[0024] 根据本发明的一个实施例，其中根据W下公式估算负总线的泄漏电阻Rn:
[0025]
[0026] 本发明提供一种检测电动车辆的总线绝缘性的方法，该车辆具有可连接到正总线 和负总线的DC电源和在车辆内分布的底盘地线，该方法包含W下步骤：
[0027] 测量DC电源两端的源电压；
[0028] 测量底盘地线和第一个总线之间的第一电压；
[0029] 如果第一电压大于源电压的一半，则1)将第一固定电阻连接在正总线和底盘地线 之间，W及2)测量底盘地线和负总线之间的第二电压；
[0030] 如果第一电压小于源电压的一半，则1)将第二固定电阻连接在负总线和底盘地线 之间，W及2)测量底盘地线和负总线之间的第二电压；
[0031] 根据第一和第二电压W及源电压估算总线泄漏电阻；
[0032] 将绝缘值与阔值进行比较，其中绝缘值是估算的泄漏电阻与预定电压的比值；W 及
[0033] 当绝缘值小于阔值时检测到绝缘故障。
[0034] 根据本发明的一个实施例，进一步包含响应于绝缘故障而使DC电源与正和负总线 断开的步骤。
[0035] 本发明提供一种估算具有电池、第一和第二DC总线W及底盘地线的电动车辆中的 总线泄漏电阻的方法，包含：
[0036] 测量电池电压和相对于电池的第一底盘电压；
[0037] 将测试电阻连接在第一总线和底盘地线之间并且测量第二底盘电压；
[0038] 根据第一和第二底盘电压W及电池电压来估算第一总线泄漏电阻。
[0039] 根据本发明的一个实施例，进一步包含步骤：
[0040] 根据估算的第一总线泄漏电阻、第一底盘电压W及电池电压来估算第二总线的第 二总线泄漏电阻。
[0041] 根据本发明的一个实施例，其中第一总线是负总线，W及其中根据W下公式估算 负总线的总线泄漏电阻Rn:
[0042]
[0043] 其中Rc是测试电阻，Vbat是电池电压，VcHl是第一底盘电压，W及VcH2是第二底盘电 压。
[0044] 根据本发明的一个实施例，其中第一总线是正总线，W及其中根据W下公式估算 正总线的泄漏电阻化：
[0045]
[0046] 其中Rc是测试电阻，Vbat是电池电压，VCHI是第一底盘电压，W及VCH2是第二底盘电 压。
【附图说明】
[0047] 图1是示出了本发明适用的一种类型的电动车辆的框图；
[0048] 图2是示出了具有显示的泄漏电阻的一个类型的总线结构的示意图；
[0049] 图3是示出了用于描述总线泄漏电阻的特征的测试测量电路的示意图；
[0050] 图4是示出了在负总线处的泄漏电阻的相关测量过程中上部采样开关闭合情况下 的有源元件的示意图；
[0051] 图5是示出了在测量正总线处的泄漏电阻的相关测量过程中下部采样开关闭合情 况下的有源元件的示意图；
[0052] 图6是示出了对应于测试测量电路和泄漏电阻的一个等效电路的示意图；
[0053] 图7是根据图6的电路的戴维南等效电路；
[0054] 图8是示出了本发明的一个优选的实施例的流程图；
[0055] 图9是示出了电动车辆中的泄漏电阻和测试电路的示意图，其中示出了在平衡和 不平衡泄漏电阻之间的电池接触器开关。
【具体实施方式】
[0056] 此处使用的术语"电动车辆"包括具有用于车辆推进的电动马达的车辆，例如纯电 动车辆(BEV)、混合动力电动车辆化EV)W及插电式混合动力电动车辆(P肥V)。肥V包括电动 马达，其中用于马达的能源是从外部电网可再充电的电池。在BEV中，电池或其它DC源给车 辆推进提供能量。肥V包括内燃发动机和电动马达，其中用于发动机的能源是燃料而用于马 达的能源是DC存储单元，例如电池。在肥V中，发动机是用于车辆推进的主能源，电池给车辆 推进提供辅助能量(例如，电池缓冲燃料能量并且W电的形式回收动能）dP皿V和皿V很像， 但PHEV可W具有从外部电网可再充电的较大容量的电池。在P皿V中，电池可W是用于车辆 推进的主能源直至电池耗尽至低的能量水平，在该时间P肥V像肥V那样操作用于车辆推进。
[0057] 例如，图1说明了由在动力传动系统11中的电动马达12推进而没有来自内燃发动 机的辅助的作为纯电动车辆(BEV)的车辆10。马达12接收电力并且给车辆推进提供驱动扭 矩。马达12还用作发电机W通过再生制动将机械动力转化为电力。动力传动系统11包括将 马达12与驱动轮14连接的变速器13。变速器13通过预定的齿轮比调节马达12的驱动扭矩和 速度。
[005引车辆10包括具有主电池组16和电池能量控制模块(邸CM) 17的电池系统15。可W通 过充电器18给电池组16充电。电池组16的输出端与逆变器19连接，根据来自牵引力控制模 块(TCM)20的指令，逆变器1則尋由电池16提供的直流(DC)功率转换为用于操作马达12的交 流(AC)功率。除了别的W外，TCM 20监测马达12的位置、速度和动力消耗并且将对应于该信 息的输出信号提供给包括主车辆控制器21(例如其可W是动力传动系统控制模块，或称 PCM)的其它车辆系统。
[0059] 图2示出了典型的总线架构，其中DC电源25 (例如燃料电池或电池组)通过接触器 开关28与正总线26和负总线27有选择地连接。总线26和27可W进一步地与DC-DC变换器29、 链路电容器30W及驱动牵引马达12的逆变器19连接。底盘地线31表示车辆的导电部分，它 们的电位作为参照并且电连接在一起。
[0060] 通过每个总线和底盘31之间的电泄漏电阻来确定总线26和27的电绝缘性。泄漏电 阻32表示正总线26和底盘31之间的绝缘水平。泄漏电阻33表示负总线27和底盘31之间的绝 缘性。泄漏电阻32和33可W都具有不平衡和平衡(对称)泄漏电阻。另外，具有不平衡和平衡 泄漏电阻分量的泄漏电阻23和24可W在总线26和27之间存在(假设图2的接触器28是闭合 的），泄漏电阻34和35之间的连接点与底盘31连接。泄漏电阻的平衡分量可W在所示的DC源 25内产生或可W由其它条件例如绝缘击穿造成。
[0061] 图3示出了用于检测泄漏电阻的附加的装置，其中电阻34和35表示实际的泄漏电 阻32和33的平衡电阻分量。当示出电阻34和35时，电阻32和33中的仅一个具有小于无穷大 的数值。第一检测器电路40布置在正总线26和底盘地线31之间W及第二检测器电路41布置 在负总线27和底盘地线31之间。第一检测器电路40包括与采样开关44和另一电阻器45(表 示为Rs)串联的限流电阻器43(表示为Rd)。示出了隔开的电阻器43和45因为该电路拓扑结构 已经处于广泛的生产使用中。然而，与采样开关44串联的单个的电阻是所需要的全部电阻 (也就是复合电阻Rc)。电阻器43和45-起提供了在W下示出的计算中使用的第一固定电阻 (Rc = Rd+Rs)。固定电阻的典型的数值可W为419千欧。
[0062] 开关44是高压或上部开关因为它将上部或正总线26与底盘地线31连接。控制器电 路42与开关44连接W用于有选择地启用开关44, W便产生的电流流过依赖于总线泄漏电阻 33的检测器电路40(也就是当电阻32、34和35不存在时）。同样地，第二检测器电路41包括串 联连接的负载电阻器46(Rd)、下部采样开关47W及电阻器48(Rs)，当电阻33、34和35不存在 时，下部开关47由控制器电路42控制W用于检测电阻32。控制器电路42可W包括微控制器， 例如电池能量控制模块中的控制器。
[0063] 图4示出了当开关44闭合时电路元件通过电阻43和45将正总线26与底盘地线31有 效地连接W便描述并联结合的总线泄漏电阻32/34(显示为电阻320)和并联结合的电阻33/ 35(显示为电阻330)，它们也分别表示为Rp和Rn。在现有技术中，使用在闭合位置的采样开关 44采集的电流和电压测量值。如W下更详细地说明，本发明分别采集开关44打开和闭合情 况下的底盘地线31和DC源25之间的一对电压测量值VcH，W描述泄漏电阻的特征而没有要求 电流测量。类似地，图5示出了有源电路元件，此时使负总线27至底盘地线31有效短路W便 描述泄漏电阻Rp和/或Rn的特征。尽管使用从负总线Vbat-到底盘地线的测量说明本发明，本 领域技术人员应当认识的是该测量可选择地为从正总线化at+到底盘地线。
[0064] 通过假设每个检测器电路中的固定电阻是相同的并且重新安排平衡和不平衡泄 漏电阻，可导出图6示出的等效电路。电池25与Ξ位置开关50连接W便固定电阻Rc可W与正 DC电压连接、与开路连接或与负DC电压连接。固定电阻Rc通过不平衡泄漏电阻Ru(可供选择 地，在本文的分析中Ru可W改为与底盘地线连接)与正DC电压化at连接。固定电阻Rdi过平衡 泄漏电阻RB进一步与正和负DC电压之间的中点（也就是化at/2)连接。
[006引当开关50打开时在电阻Rc和电池总线电压Vbat-之间可用的电压可W被解析为图7 的戴维南(ThSvenin)等效电路中的戴维南电压Vthev，其中戴维南电阻Rthev是不平衡泄漏电 阻Ru和平衡泄漏电阻化的并联结合。当开关50处于打开位置时(也就是上部和下部开关都是 打开的），将没有电流流过。因此，固定电阻的电压(此处表示为第一底盘电压Vm)等于戴维 南电压Vthev。而且，使用图4或5，戴维南电压Vthev也满足公式：
[0066] Vthev =化化· Rn/(Rn+Rp) (等式 1)
[0067] 其中Rn是电阻330而Rp是电阻320。当采样开关闭合时，检测表示为VcH2的第二底盘 电压。当上部(也就是高)开关闭合时，底盘电压将表示为VCH2-HIGH，W及当下部开关闭合时， 底盘电压将表不为VCH2-L0W。
[0068] 在图7的戴维南等效电路中，戴维南电阻Rthev是不平衡泄漏电阻Ru和平衡泄漏电阻 化的并联结合，其可W表示为如下：
[0069]
(等式 2)
[0070] VSW是当其中一个开关闭合时测量的电压。对于当下部采样开关（图5中的47)闭合 时的情况，戴维南电压变为：
[0071] V化ev=(R&ev+Rc) · IRC (等式3)
[0072] 其中iRC是穿过固定电阻Rc的电流。此外，电流iRC满足：
[0073] iRc = VSW/Rc (等式 4)
[0074] 当下部开关闭合情况下测量电压VSW时，则解方程3和4得到：
[007引 Rthev =化· [(VcHl/VcH2-L0W)-l] (等式5)
[0076]对于当使用下部采样开关的情况根据检测到的（现慢的）电压Vbat、VcH拟及VCH2-L0W 来结合等式2和5、得到总线泄漏电阻的计算，如下：
[0080]如上所示，一个开关的闭合可能潜在的足W估算泄漏电阻Rn和Rp。然而，当其中一 个泄漏电阻接近无穷大时，等式6可能变得无定义。因而，在所有情况下可能需要继续使用 上部和下部采样开关及它们相关的计算)操作。因而，本发明还检查当上部采样开关(图 4中的44)闭合时的情况。使用上部开关闭合情况下测量的第二底盘电压VCH2-HIGH产生用于总 线泄漏电阻的值如下：
[0084] 在一个优选的实施例中，闭合下部采样开关来检测在等式6中使用的值VcH2-L〇wW 及闭合上部采样开关来检测在等式8中使用的值VCH2-HIGH(两个开关都打开的情况下仅检测 一次Vm的值）。
[0085] 在另一实施例中，根据哪个泄漏电阻较小(也就是远离无穷大）的确定来使用等式 6和7或使用等式8和9。图8示出了该可供选择的方法，其中采样开关打开的情况下在步骤51 中测量第一底盘电压VcHi。在步骤52中，执行核查W确定测量的第一底盘电压VcHi是否小于 电池电压Vb的一半(也就是总线泄漏电阻是否导致底盘地线接近于正或负总线电压）。如果 是，则闭合上部采样开关并且在步骤53中测量第二底盘电压VCH2-HIGH。在步骤54中，使用等式 8和9计算总线泄漏电阻。如果第一底盘电压VcHi大于或等于电池电压Vb的一半则闭合下部 采样开关并且在步骤55中测量第二底盘电压VCH2-L0W。在步骤56中，使用等式6和7计算总线 泄漏电阻。
[0086] 根据计算的泄漏电阻，使用具有较低绝缘性的总线计算绝缘值。因此，在步骤57中 选择计算的泄漏电阻的较小者。选择的较小的泄漏电阻除W预定的电压W便计算绝缘值。 预定的电压可W由DC源的测量电压(Vb)或预定的恒定电压（例如，标称系统电压或由规则 指定的值)组成。可W如下计算绝缘值：
[0087]
(等式 10)
[0088] 其中Vb可W是测量的电池电压或预定值，例如500V。更具体地说，在步骤57中执行 核查来确定正总线泄漏电阻化是否小于负总线泄漏电阻Rn。如果是运样，则在步骤58中使用 Rp计算绝缘值。否则，在步骤59中使用Rn计算绝缘值。将产生的绝缘值与绝缘阔值(例如，500 欧/伏)进行比较，如果其小于阔值则本发明在步骤58或59中产生已经检测到反常的情况的 警报信号。发信号可W由告知驾驶员情况和/或由电力总线自动断开DC电源(例如，打开接 触器开关）。
[0089] 可W进一步使用泄漏电阻化和Rn的计算值W分开电阻的平衡和不平衡分量W便随 着时间可W监测该分量W便检测或预测电力系统中的某些潜在的故障。随着时间的过去可 识别即将发生的故障的方式变化的平衡泄漏电阻的示例包括a)绝缘击穿，和b)燃料电 池系统中的冷却水去离子装置的效用损失。随着时间的多个泄漏电阻测量可W被分为平 衡/不平衡分量并且存储在数据库中。使用存储的数据(例如，平衡或不平衡分量）内的大小 和斜率预测潜在的故障。随着时间可W变化的不平衡泄漏电阻的示例包括电池端子与底盘 的接触、与底盘的导线接触W及其它形式的接触。
[0090] 可W如下分离泄漏电阻Rp和Rn的计算值。泄漏电阻Rp和Rn中的较大的一个将对应 于平衡电阻，也就是化ai=max(Rp，Rn)。运是因为按照定义化al的值从底盘地线到正和负总线 必须相同。从正或负总线到地线的不平衡电阻与化al值并联存在。由于并联电阻总是导致总 电阻低于并联电阻中的每个，化和Rn的最大值对应于平衡电阻。因而，在步骤60中化al的值被 选择为总线泄漏电阻的最大值。
[0091] 在步骤61中可W使用化和Rn如下计算不平衡电阻分量：
[0092]
(等式 11)
[0093] 总线泄漏电阻化和Rn的分量可W在图9示出的电池接触器2&1和2^3的一侧或两侧 上存在。能够分离电阻的运些单独的分量的值将是有益的。特别地，在电池的接触器侧的泄 漏电阻的平衡部分(显示为泄漏电阻34和35)。首先，接触器打开的情况下，如上所述获得泄 漏电阻Rp-Dpen和Rn-Dpen。然后，接触器闭合，可W获得泄漏电阻Rp-clDsed和Rn-clDsed的新的值。然 后可W如下计算电池侧平衡泄漏电阻化b和Rnb的值：
【主权项】
1. 一种电动车辆，包含： 正总线，所述正总线可连接到DC电源的正输出端； 负总线，所述负总线可连接到所述DC电源的负输出端； 在所述车辆内分布的底盘地线； 具有第一采样开关的第一检测器电路，所述第一采样开关可选择地将第一固定电阻连 接在第一个所述总线和所述底盘地线之间，其中在所述第一采样开关分别打开和闭合的情 况下，所述第一检测器电路检测底盘地线和被选择的其中一个所述总线之间的第一和第二 电压；以及 控制电路，所述控制电路根据所述第一和第二电压以及所述DC电源的所述正和负输出 端之间的源电压来识别总线泄漏电阻。2. 根据权利要求1所述的车辆，其中所述第一个所述总线是所述负总线，以及其中所述 控制电路根据以下公式识别所述负总线的泄漏电阻R n:其中Rc是所述第一固定电阻，％故是所述源电压，VCH1是所述第一电压，以及VCH2是所述第 二电压。3. 根据权利要求2所述的车辆，其中所述控制电路根据以下公式识别所述正总线的泄 漏电阻Rp:4. 根据权利要求1所述的车辆，其中所述第一个所述总线是所述正总线，以及其中所述 控制电路根据以下公式识别所述正总线的泄漏电阻R P:其中Rc是所述第一固定电阻，％故是所述源电压，VCH1是所述第一电压，以及VCH2是所述第 二电压。5. 根据权利要求4所述的车辆，其中所述控制电路根据以下公式识别所述负总线的泄 漏电阻Rn:6. 根据权利要求1所述的车辆，进一步包含： 具有第二采样开关的第二检测器电路，所述第二采样开关可选择地将第二固定电阻连 接在第二个所述总线和所述底盘地线之间，其中在所述第二采样开关分别打开和闭合的情 况下，所述第二检测器电路检测所述底盘地线和第二个所述总线之间的第三和第四电压； 其中所述控制电路根据所述第三和第四电压以及所述源电压来识别另一总线泄漏电 阻。7. 根据权利要求1所述的车辆，其中所述控制电路配置为当绝缘值小于阈值时使所述 正和负总线与所述DC电源断开，其中所述绝缘值是所述识别的泄漏电阻与预定的电压的比 值。8. 根据权利要求7所述的车辆，其中所述预定的电压是预定的常数。9. 根据权利要求7所述的车辆，其中所述预定的电压由所述源电压组成。
【文档编号】G01R31/12GK105823926SQ201610059644
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】艾伦·罗伊·盖尔, 本·A·塔巴托斯基·布什, 理查德·威廉·考茨
【申请人】福特全球技术公司