高电压总线至底盘的隔离电阻和y-电容测量的制作方法
【专利摘要】本发明涉及高电压总线至底盘的隔离电阻和Y-电容测量。具体地，提供了一种同时计算RESS的隔离电阻和y-电容的系统和方法，其可以包括以下步骤：把第一信号注入RESS；记录响应于第一信号的注入的来自RESS输出信号；把第一信号与输出信号相乘来确定第一乘积；把第二信号与输出信号相乘来确定第二乘积，其中第二信号与第一信号正交；对第一乘积滤波来确定第一常数；对第二乘积滤波来确定第二常数；处理第一常数来确定y-电容值；以及处理第二常数来确定隔离电阻值。
【专利说明】高电压总线至底盘的隔离电阻和Y-电容测量
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请在此要求依据35U.S.C.§ 119(e)于2012年8月24日提交的、名称为“HighVoltage Bus-to-Chassis Isolation Resistance and Y-Capacitance Measurement，，的美国临时申请N0.61/692，882的优先权。
【背景技术】
[0003]本公开一般涉及与混合动力车辆或电动车辆的运行状况对应的判断值，更具体地，涉及确定有关电容和电阻的隔离属性，其对应于电动车辆电池系统的运行。
[0004]通过补充(如混合动力电动车辆(HEVs)的情形中)或完全替代(如纯电动车辆的情形中)传统内燃发动机(ICE)，混合动力或电力系统提供了对车辆原动力的常规装置的替代方式。这种替代车辆的一种形式已知为增程式电动车辆(EREV)，它是被称为电动车辆(EVs)的更大车辆类别的一部分。在EREV的一个实施例中，主电动驱动是这样实现的，其中利用电池(也被称为可再充的能量存储系统(RESS))作为直流(DC)电压源给马达、发电机或变速器，马达、发电机或变速器继而能被用于提供旋转一个或多个车辆车轮所需的能量。
[0005]一旦来自电池的电荷耗尽，则备用动力可来自ICE，以便提供辅助的车载发电。Chevrolet Voit是一种由本发明受让者生产的EREV。除了 EREV之外的其他车辆配置(包括插电式电动车辆(PEV))也可得益于使用电池提供推进和其他电功率。在本发明的上下文中，电动(或电推进)车辆是其推动力的主要部分来源于电池、RESS或相关电源的车辆，即使所述车辆具有EREV或HEV性能。
[0006]各种电池架构可 用于提供动力或相关能量给EREV，包括镍-金属氢化物电池、铅酸电池、锂聚合物电池和锂离子电池。其中，锂离子电池显得尤其有希望用于车辆应用。高体积热生成速率和一般被动结构的锂电池提供了充当小汽车、卡车、公共汽车、摩托车以及相关机动车或车辆平台的推进系统所需的耐用性和功能性。
[0007]如不考虑电池的形式，一种考虑是控制来自高电压源的电磁发射，这些高电压源如DC-DC转换器、DC-AC逆变器、电动马达以及屏蔽或非屏蔽的高功率电缆(以及任何其他连接到高电压总线的部件)，这些高电压源普遍用于EV或EREV中。电容装置通常用在这些高电压部件中来衰减差模和共模噪声，从而减少发射水平并改善接收信号的质量。一些这种电容(称为X-电容)被用于跨接电池的正接线端和负接线端，从而一般用于这些高电压部件，通常专门来限制差模噪声。如果X-电容短路，则它们会引发火灾风险。
[0008]其他电容放置在或自然成形于电池系统的任意接线端和车辆底盘之间；这些电常容被称为Y-电容(或简称为Y-cap)，其中Y-电容考虑到了 Y-cap装置中的特意设计以及由金属外壳、冷却及相关结构形成的固有(如寄生)的Y-电容则两者的组合。如这里所讨论的，总的Y-cap (通过了解与内置装置相关联电容)可用于计算寄生Y-电容；这种值的变化还可用于(除了别的事项之外)电池健康指示。Y-电容是EV应用中高电压电池系统的一种重要的特性，因为它可被用于指示许多系统运行状况的状态，包括涉及冷却和电子测量的那些系统。同样，对实际Y-cap值(以及隔离电阻(R1J)的精确检测是有益处的；该附加的RisJ言息在车辆涉及碰撞的事件中也是有价值的。具体地，R?的后续需求涉及基于电压的量。例如，500欧姆/伏的最小值可能是电动或混合动力车辆的电池系统所需要的，或者100欧姆/伏用于燃料电池组。其他附加规格(例如由特定车辆制造商内部要求所指令的(例如，最少I兆欧姆电隔离))也可以在系统上加以实施。
[0009]Y-cap或Rim值都很容易受到基于时变、非线性和非确定性的条件的影响。此外，环境条件变化引起的严重扰动也可能加剧已经困难的数据采集和测量。这些因素使得开发一种有效方法来检测实际Y-cap和Rim值成为了极大的挑战。一些构思已发展成为在非理想条件(即，所谓的“真实世界”)下来执行这些任务。一个实例使用了直流(DC)移位(direct current shifting)方法来估计隔离电阻,而其他实例则采用了主动方法来获得隔离信息，例如通过注入低频正弦波信号。然而，就本发明人所知，这些方法中没有一种能够有效、精确和稳健地获得Y-cap和隔离电阻两者。
【发明内容】
[0010]在一个实施例中，一种同时计算RESS的隔离电阻和y_电容的方法可以包括下述步骤:把第一信号注入RESS ;记录响应于第一信号的注入的来自RESS的输出信号；把第一信号与输出信号相乘以确定第一乘积；把第二信号与输出信号相乘以确定第二乘积，其中所述第二信号与所述第一信号正交；对第一乘积进行滤波来确定第一常数；对第二乘积进行滤波来确定第二常数；处理所述第一常数来确定y_电容值；以及，处理所述第二常数来确定隔离电阻值。
[0011 ] 在另一个实施例中，隔离电阻和电容监测系统可包括:信号注入电路，其与可再充的能量存储系统(RESS)中的单点电联接；以及输出电路，其与RESS电联接。监测控制器可以与信号注入电路和输出电路协作，并且包含执行算法的处理器和计算机可读介质，该算法执行以下步骤:使用注入信号电路把第一信号注入RESS ;记录响应于第一信号的注入的来自输出电路的输出信号；把第
[0012]-信号与输出信号相乘来确定第一乘积；把第二信号与输出信号相乘来确定第二乘积，其中第二信号与第一信号正交；滤波第一乘积来确定第一常数；滤波第二乘积来确定第二常数；接收传感器信息，所述传感器信息包括以下中的至少一种:第一信号的振幅，第一信号的频率，反相放大器的反相增益，乘法放大器的乘法增益，差动放大器的差动增益；利用传感器信息和第一常数计算I—电容值，以及利用传感器信息和第二常数计算隔离电阻值。
[0013]在又一实施例中，一种指示RESS中冷却剂泄漏的方法可以包括以下步骤:监测RESS中高电压总线的隔离电阻中的变化，其中所述隔离电阻通过使用与信号注入电路和输出电路协作地监测控制器计算得到，所述监测控制器具有执行算法的处理器和计算机可读介质。算法包括以下步骤:使用信号注入电路把第一信号注入RESS ;记录响应于第一信号的注入的来自输出电路的输出信号；把第一信号与输出信号相乘来确定第一乘积；把第二信号与输出信号相乘来确定第二乘积，其中第二信号与第一信号正交；计算作为输出信号和第一信号之间的差的低电压信号；滤波该低电压信号以除去交变电流(AC)和谐波波形；记录第一数据采样；等待离散化时间段；记录第二数据采样；把第一数据采样与第二数据采样对比，以确定第一常数和第二常数是否稳定；如果第一常数和第二常数不稳定，则调整第一信号和第二信号的频率值，并注入具有该频率值的第一信号到RESS ;确定第一常数和第二常数是否稳定；如果稳定，则继续进行处理第一常数和处理第二常数的步骤；如果不稳定，则重新完成步骤e到I。对第二乘积进行滤波以确定第二常数；接收传感器信息，所述传感器信息包括以下中的至少一种:第一信号的振幅，第一信号的频率，反相放大器的反相增益，乘法放大器的乘法增益，差动放大器的差动增益，利用传感器信息和第二常数计算隔离电阻值。该方法进一步包括，如果隔离电阻低于电阻阈值，则指示冷却剂泄漏警告。
[0014]在此描述的实施例中的这些和附加特征将通过以下结合附图进行的详细描述得到更加全面的了解。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]当结合附图阅读时，能最好地理解对本发明优选实施例的以下详细描述，其中相同结构用相同附图标记表示，附图中:
[0016]图1示出了结合了本发明检测方法的电动车辆；
[0017]图2描述了用于确定Y-cap和Risq值的方法；
[0018]图3示出根据本发明的一个示例性实施例的硬件实现。
[0019]图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的硬件实现；并且
[0020]图5示出了根据本发明一个示例性实施例的软件实现框图。
【具体实施方式】
[0021]首先参考图1，车辆100包括以常规ICEllO以及由多个电池单元115组成的电池模块105的形式的混合动力推进系统。因此，如上所述，车辆100是HEV。本领域技术人员应当理解，车辆100可不需要常规的ICEllO ;在这种情况下，它不是一种IHEV，而是EV ;这两种形式都在本发明的范围内。单独的电池单元115通常以所示的重复的阵列来布置。在一个典型实例中，电池模块105可包含大约200个单独的电池单元115，但本领域技术人员可以明白，根据所需的功率和能量，可能需要更多或更少的电池单元115。附加的动力系部件(均未示出)可用于提供推进动力给一个或多个车轮130，并且联接到一个或两个电池模块105，常规ICEllO应理解为包括电动马达、旋转轴、车桥、变速箱等。底盘140形成基本结构框架，并且包括框架(在其上以车身位于框架上(body-on-frame)的构造来安装车身)，车轮130和推进机械，例如发动机、变速器、传动轴、差速器和悬挂系统等等。本领域技术人员应当理解的是,单片式汽车车身(或单壳车身(monocoque))设计趋于模糊结构化底盘和车身、翼子板和相关车身设计之间的界限；然而，在任一配置中，包括与底盘140相关联的基本结构特征的车辆100以及任何变形体都被认为是在本发明的范围内。
[0022]图2描述了确定Y-cap和Risq值的方法。第一信号200被注入RESS205，来触发RESS205的电系统，以便以这样的方式来响应，所示响应被单独地处理以获得Y-cap和Risq的值。RESS205的电系统可以包括电缆/配线/汇流条部件，它们把RESS205的部件电联接在一起，以包括至车辆底盘接地的电联接。该电系统也包括:电池单元监测和电池管理电子模块；从电池单元至车辆驱动单元的断开单元；热单元；充电单元；服务断开单元；电路保护装置；和电负载装置，如车辆HVAC、照明、指示系统等等。来自RESS的响应可以是输出信号210的形式。如下所述，可以处理输出信号210来确定Y-cap的值和Risq值。[0023]使用如下更详细地描述的间接或直接的方法，第一信号200可以被注入RESS205。在此，术语“注入”涉及将对象信号输入至RESS205的电系统中。在此情况下，对象信信号信是第一信号200，并且第一信号200可以是正弦信号、方波信号、限幅信号、脉冲信号、模拟信号、数字信号、离散信号、连续信号、载波信号(具有附加信号加载在载波信号上)，或上述信号的组合。使用如下所述的间接或直接方法，可从RESS205记录或接收输出信号210。输出信号210可以是RESS205对第一信号200的注入的响应。
[0024]输出信号210可以被处理以确定Y-cap和Risq。该输出信号与第一信号200相乘，并且与第二信号215相乘。第一乘法级220通过把第一信号200与输出信号210相乘,得到第一乘积225。第二乘法级230通过把第二信号215与输出信号210相乘,得到第二乘积235。该第一乘积然后通过第一滤波器240的处理来确定第一常数250。该第二乘积通过第二滤波器24 5的处理来确定第二常数255。信号滤波可用于满足特定的采样标准(例如，香农定理，其把最大频率内容与采样频率的分数关联起来)，其中，在采样(离散化)信号前，确认这样的标准被实现。第一常数250和第二常数255可以是直流(DC)信号或交流(AC)信号或者DC信号与AC信号的组合。第一常数250和第二常数255的确定将在下面被更为详细地描述。第一常数250和第二常数然后在后处理260中进行处理来确定Y-cap值265和Ristj值275。后处理260将在下面被更为详细地描述。
[0025]具体地，对Y-cap和RIS()的检测考虑到高电压总线_车辆底盘是动态系统，其中输入(例如，第一信号200)可以是如下列公式(2-1)所描述的正交信号,输出信号210 (例如，对RESS205对输入(第一信号200)的响应)包含了包括Y_cap和Risq的基本系统信息。在本发明的上下文中，正交信号f(t)(例如，第一信号200)和g(t)(例如，第二信号215)数学地定义为互相垂直的两个信号，使得它门的内积为0，f(t)古g(t)。这被数学地表达为下式。
[0026]
r/(0.e(/W/ = 0, /(01⑴(2-1)
[0027]输出信号210 (y⑴)是RESS205对第一信号200 (f⑴)的响应。输出信号210 (y (t))，可以由Chebyshev多项式使用，它是第一信号200 (f (t))的函数，并且也与第二信号215(g(t))正交，如下所示:
[0028]y (t) =T1 (f)+T2 (f) + …+Ti (f)+… (2-2)
[0029]
|(|/(叫/細4/(/)(力(/) + 72(/) +…+(2-3)
[0030]
[gmt)dt+r2 (/)+...+τχ/)..)? = }o^(/xr, (f)dt 二 B(2-4)
[0031]上述公式不出了对输入信号(例如，第一信号200和第二信号215)的乘积的积分，并且系统输出(例如输出信号210)得到两个常数，第一常数250(A)和第二常数255(B),其是输入的正交信号(例如,第一信号200和第二信号215)与系统输出(例如，输出信号210)的乘积。由此，系统(具体地，如图3所示)被例先来检测和映射Y-cap和RIS()，其对应于被注入RESS205中的第一信号200和第二信号215的第常数250(A)和第二常数255(B)。
[0032]上述概念的一种特殊情况是使用三角学信号作为正交信号。在这种情况中f(t)=sin(cot)且g(t) = cos(cot)。此,傅里叶级数理论将系统的输出(对输入的响应)y(t)
表达为:
[0033]
【权利要求】
1.一种用于同时计算可再充能量存储系统(RESS)的隔离电阻和y_电容的方法，包括: a.注入第一信号至RESS； b.记录响应于所述第一信号的注入的来自所述RESS的输出信号； c.把所述第一信号与所述输出信号相乘来确定第一乘积； d.把第二信号与所述输出信号相乘来确定第二乘积，其中所述第二信号与所述第一信号正交； e.对所述第一乘积滤波来确定第一常数； f.对所述第二乘积滤波来确定第二常数； ο.处理所述第一常数来确定y_电容值；以及 P.处理所述第二常数来确定隔离电阻值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一信号的注入是通过信号注入电路，所述信号注入电路与所述RESS在单点电联接以将所述第一信号注入所述RESS。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述信号注入电路包括非反相加法放大器以便把所述第一信号注入到所述RESS中，其中所述输出信号用差分放大器来记录。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述单点是所述RESS的高电压总线。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一信号与所述第二信号正交。
6.根据权利要求1所述的方去，其中，所述第一信号是正弦波，并且所述第二信号是余弦波。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一信号是余弦波，并且所述第二信号是正弦波。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述第一常数和所述第二常数的处理由监测控制器完成，所述监测控制器具有执行算法的处理器和计算机可读介质，所述算法执行下述步骤: 接收传感器信息，所述传感器信息至少包含以下之一:所述第一信号的振幅，所述第一信号的频率，反相放大器的反相增益，乘法放大器的乘法增益，以及差分放大器的差分增.、M ; 使用所述传感器信息和所述第一常数来计算1-电容的值； 使用所述传感器信息和所述第二常数来计算隔离电阻值。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括:
g.计算作为所述输出信号与所述第一信号之间的差的低电压信号； h.对所述低电压信号滤波以去除交流(AC)和谐波波形；1.记录第一数据采样； j.等待离散化时间段； k.记录第二数据采样；1.对比所述第数据采样和所述第二数据采样，以确定是否所述第一常数和所述第二常数是稳定的； m.如果所述第常数和所述第二常数不稳定，则调整所述第一信号和所述第二信号的频率值，并把具有所述频率值的第一信号注入所述RESS ；以及η.确定是否所述第一常数和所述第二常数是稳定的，并且如果稳定，则进入处理所述第一常数和处理所述第二常数的步骤，而如果不稳定，那么重新完成步骤g到η。
10.一种隔离电阻和电容的监测系统，包括: 与可再充能量存储系统(RESS)中的单点电联接的信号注入电路； 与所述RESS电联接的输出电路；以及 与所述信号注入电路和所述输出电路协作的监测控制器，所述监测控制器包括执行算法的处理器和计算机可读介质，所述算法执行下述步骤: 使用所述信号注入电路把第一信号注入所述RESS ； 记录响应于所述第一信号的注入的来自所述输出电路的输出信号； 把所述第一信号与所述输出信号相乘来确定第一乘积； 把所述第二信号与所述输出信号相乘来确定第二乘积， 其中所述第二信号与所述第一信号正交； 对所述第一乘积滤波来确定第一常数； 对所述第二乘积滤波来确定第二常数； 接收传感器信息，所述传感器信息至少包括如下之一:所述第一信号的振幅，所述第一信号的频率，反相放大器的反相增益，乘法放大器的乘法增益以及差分放大器的差分增.、M ; 使用所述传感器信息和所述第一常数来计算1-电容值；以及 使用所述传感器信息和所述第二常数来计算隔离电阻值。
11.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述信号注入电路包括非反相加法放大器以便将所述第一信号注入所述RESS，其中使用差分放大器来记录所述输出信号。
12.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述单点是所述RESS的高电压总线。
13.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述第一信号与所述第二信号正交。
14.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述第一信号是正弦波，并且所述第二信号是余弦波。
15.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述第一信号是余弦波，并且所述第二信号是正弦波。
16.根据权利要求10所述的监测系统，其中，所述算法进一步包括下述步骤: g.计算作为所述输出信号与所述第一信号之间的差的低电压信号； h.对所述低电压信号滤波以去除交流(AC)和谐波波形； i.记录第一数据采样； j.等待离散化时间段； k.记录第二数据采样； l.对比所述第一数据采样和所述第二数据采样，以确定是否所述第一常数和所述第二常数是稳定的； m.如果所述第一常数和所述第二常数不稳定，则调整所述第一信号和所述第二信号的频率值，并把具有所述频率值的第一信号注入所述RESS ；以及 η.确定所述第一常数和所述第二常数是否稳定，并且如果稳定，则进入接收传感器信息的步骤，而如果不稳定，则重新完成步骤g到η。
17.一利用于在可再充能量存储系统(RESS)中指示冷却剂泄漏的方法，包括: 监测RESS中高电压总线的隔离电阻中的变化，其中所述隔离电阻利用监测控制器结合信号注入电路和输出电路来计算，所述监测控制器具有执行算法的处理器和计算机可读介质，所述算法执行下述步骤: a.使用所述信号注入电路把第一信号注入所述RESS; b.记录响应于所述第一信号的注入的来自所述输出电路的输出信号； c.把所述第一信号与所述输出信号相乘来确定第一乘积； d.把所述第二信号与所述输出信号相乘来确定第二乘积，其中所述第二信号与所述第一信号正交； e.计算作为所述输出信号与所述第一信号之间的差的低电压信号； f.对所述低电压信号滤波以去除交流(AC)和谐波波形； g.记录第一数据采样； h.等待离散化时间段； 1.记录第二数据采样； j.对比所述第一数据采样和所述第二数据采样，以确定是否第一常数和第二常数是稳定的； k.如果所述第一常数和所述`第二常数不稳定，则调整所述第一信号和所述第二信号的频率值，并把具有所述频率值的第一信号注入所述RESS ； 1.确定是否所述第一常数和所述第二常数是稳定的，并且如果稳定，则进入处理所述第一常数和处理所述第二常数的步骤，而如果不稳定，则重新完成步骤e到1，对所述第二乘积滤波以确定所述第二常数； m.接收传感器信息，所述传感器信息至少包含以下之一:所述第一信号的振幅，所述第一信号的频率，反相放大器的反相增益，乘法放大器的乘法增益，以及差分放大器的差分增益；以及 η.使用所述传感器信息和所述第二常数来计算隔离电阻值；以及如果所述隔离电阻值低于电阻阈值，则指示冷却剂泄漏警告。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一信号与所述第二信号正交。
【文档编号】G01R27/26GK103777080SQ201310582205
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年8月24日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】F·王, W·刘, J·伦滋, P·安德雷斯 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司