CN102193066B - 监测电动机驱动电路的接地隔离损失的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及监测电动机驱动电路的接地隔离损失的方法和设备。具体地，提供了一种用于监测高压DC总线的电隔离以检测接地隔离故障的方法，其包括监测正DC电力总线和负DC电力总线以及底盘地之间的电压差。利用电压差的比率来监测正负DC电力总线中的每一个与底盘地之间的电隔离。
Description
技术领域
本发明涉及电动机控制电路，尤其涉及监测电动机控制电路的高压DC总线中的接地隔离损失。
背景技术
本节中的阐述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
混合动力车辆系统和电动车辆系统都使用了为牵引电动机及其他电机提供电力的高压系统。高压系统包括高压DC电源，例如经由功率变换器电连接至牵引电动机的电池。功率变换器将DC电力转变成AC电力以驱动牵引电动机，并且优选地将AC电力转变成DC电力以对电池充电。高压DC电源经由正高压总线(HV+)和负高压总线(HV-)电连接至功率变换器。利用高压电力的其他电机同样也连接至正高压总线和负高压总线。正高压总线和负高压总线与底盘地电隔离。
例如牵引电动机之类的电机包括响应于被施加至相关联的定子的交流(AC)电力而旋转的转子。转子可机械地联接至动力传动装置，以向车辆的动力传动系统提供牵引动力。
已知的电压源变换器电路和相关联的控制电路可响应于操作者的需求，将源自高压储能装置的直流(DC)电力转变成交流(AC)电力，以产生牵引动力。已知的变换器电路包括MOSFET和IGBT开关装置。电负载需求可包括当前发生的电负载和满足将来电负载的电池充电。
电压源变换器使用浮动DC总线设置，其中DC输入电压配置成相对于底盘地而浮动。可通过利用将高压总线DC总线连接至底盘地的平衡高阻抗电阻器来控制该浮动。电容器可与高阻抗电阻器并联地电连接，以便为高频电噪声电流提供低阻抗分流路径。在一个实施例中，DC总线电压的一半施加在正电力总线(HV+)和底盘地两端，并且DC总线电压的一半还施加在负电力总线(HV-)和底盘地两端。电压源变换器的AC侧则相对于底盘地浮动。
存在与接地隔离损失相关的两种潜在故障。一种故障是隔离的AC损失，其中AC侧的多个相中的一相被短路至底盘地。另一种故障是隔离的DC损失，其中正电力总线(HV+)和负电力总线(HV-)中的一个被短接至底盘地，或相对于底盘地具有减小的阻抗。当隔离的AC损失故障在电压源变换器的AC侧的多个相中的一相上出现时，与变换器的开关装置的激活和去活相关联的AC电流流过为高频电噪声电流提供低阻抗分流路径的电容器。在接地隔离故障的事件中，与从正电力总线(HV+)到负电力总线(HV-)的变换器的相电压中的一个相电压相关联的AC电流可引起过多的电流流到为高频电噪声电流提供低阻抗分流路径的电容器。超过电容器的容量的AC电流可能导致电容器故障和相关联的变换器损坏。
一种检测隔离的AC损失的故障的已知解决方案包括对通过与电压源变换器AC侧的多个相相关联的电缆中的每根电缆的电流进行测量，并对它们算术求和。在无故障操作的理想系统中，测得电流的和在任一选择的时间点为零。当接地隔离故障存在时，测得电流的和是除零以外的值。与该解决方案相关联的问题包括与来自电流感测装置的信号输出相关联的测量误差，该测量误差可以是累积的。这可引起总电流信号中的误差。此外，相电流传感器可能具有由磁、电响应特性和传感器饱和所引起的带宽/阶跃响应限制。因此，取决于采样测量相对于与变换器相关联的开关事件的定时，可能检测不到故障。此外，在数据采样出现在过零点处或过零点附近的情况下，接地隔离故障和阻抗中相关联的变化可包括谐振成分。因此，任何故障电流都可能被混叠。此外，当阻抗接近零时，在小于采样时间时，任何电流振荡都可能被吸收。因此，可能测量不到故障电流。
一种检测隔离的DC损失的已知解决方案包括测量正电力总线(HV+)与负电力总线(HV-)之间的电压，测量负电力总线(HV-)与底盘地之间的电压，并且基于它们来计算电压比。用于隔离损失检测的电压比的一种计算是2*(HV-与底盘地之间的电压测量结果)/(HV+与HV-之间的电压测量结果)。与该已知解决方案相关联的问题包括需要考虑的信号测量误差，并且该误差常常是累积的。信号测量误差的影响是缺少“必须检测”与“不必检测”阈值之间的分离，这可导致错误的故障检测。此外，已知的DC电压传感器可能具有带宽和响应时间的测量限制。因此，可能检测不到故障。此外，测量采样相对于故障和相关的切换事件的正时可导致未记录的故障。此外，在数据采样出现在过零点或过零点附近的情况下，故障阻抗可能包括谐振成分。因此，故障电流可能被混叠。此外，当与变换器相关联的切换周期接近50%的占空比时，平均电压仍可接近预期电平。因此，可能测量不到故障电压。
发明内容
一种用于监测DC电力电路相对于底盘地的电隔离的方法，其包括：监测包括了正DC电力总线与负DC电力总线之间的电压差的第一电位；监测包括了正DC电力总线与底盘地之间的电压差的第二电位；监测包括了负DC电力总线与底盘地之间的电压差的第三电位；计算包括了第三电位与第二电位的比例比较结果的第一电压比；基于第一电压比来监测正DC电力总线与底盘地之间的电隔离；以及关于第一电压比和第一电位来监测负DC电力总线与底盘地之间的电隔离。
本发明还包括以下方案：
方案1. 一种用于监测DC电力电路相对于底盘地的电隔离的方法，所述方法包括：
监测包括了正DC电力总线与负DC电力总线之间的电压差的第一电位；
监测包括了所述正DC电力总线与所述底盘地之间的电压差的第二电位；
监测包括了所述负DC电力总线与所述底盘地之间的电压差的第三电位；
计算包括了所述第三电位相对所述第二电位的比例比较结果的第一电压比；
基于所述第一电压比来监测所述正DC电力总线与所述底盘地之间的电隔离；
关于所述第一电压比和所述第一电位来监测所述负DC电力总线与所述底盘地之间的电隔离。
方案2. 根据方案1所述的方法，还包括当所述第一电压比超过预定的比率阈值时，检测与所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
方案3. 根据方案2所述的方法，其中，所述第一比率阈值对应于这样的电压阈值，所述电压阈值与所述第一电位的500 Ω/V的、所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电阻相关联。
方案4. 根据方案2所述的方法：
其中在逝去的时段期间反复地监测所述第一、第二和第三电位；
其中在所述逝去的时段期间反复地计算所述第一电压比；以及
其中当所述第一电压比超过所述第一比率阈值时检测与所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障包括：在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比超过所述第一比率阈值时，检测与所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
方案5. 根据方案4所述的方法，还包括在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比不超过所述预定的比率阈值时，检测到所述正DC电力总线与所述底盘地之间的完好的电隔离。
方案6. 根据方案1所述的方法，还包括当所述第一电压比小于第一比率阈值并且所述第一电位大于隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
方案7. 根据方案6所述的方法，还包括当所述第一电压比小于第二比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
方案8. 根据方案7所述的方法，其中所述第一比率阈值和所述第二比率阈值均对应于这样的电压阈值，所述电压阈值与所述第一电位的500 Ω/V的、所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电阻相关联。
方案9. 根据方案7所述的方法：
其中在逝去的时段期间反复地监测所述第一、第二和第三电位；
其中在所述逝去的时段期间反复地计算所述第一电压比；以及
其中当所述第一电压比小于所述第一比率阈值并且所述第一电位大于所述隔离阈值电压时检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障包括：在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比小于所述第一比率阈值并且所述第一电位大于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
方案10. 根据方案9所述的方法，其中，当所述第一电压比小于所述第二比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障包括：在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比小于所述第二比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
方案11. 一种用于监测DC电力电路与电接地之间的电隔离的方法，所述DC电力电路包括经由正DC电力总线和负DC电力总线电连接至电力变换器装置的电能储能装置，所述方法包括：
监测包括了所述正DC电力总线与所述负DC电力总线之间的电压差的第一电位；
监测包括了所述正DC电力总线与所述电接地之间的电压差的第二电位；
监测包括了所述负DC电力总线与所述电接地之间的电压差的第三电位；
计算包括了所述第三电位与所述第二电位的比率的第一电压比；
当所述第一电压比超过第一比率阈值时，检测与所述正DC电力总线和所述电接地之间的电隔离相关联的故障；
当所述第一电压比小于第二比率阈值并且所述第一电位大于隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述电接地之间的电隔离相关联的故障；以及
当所述第一电压比小于第三比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述电接地之间的电隔离相关联的故障，其中所述第三比率阈值小于所述第二比率阈值。
方案12. 根据方案11所述的方法，还包括：
对所述DC电力电路建模，所述DC电力电路包括经由所述正DC电力总线和所述负DC电力总线电连接至所述电力变换器装置和电接地的电能储能装置，以及电连接在所述电接地与所述正DC电力总线和所述负DC电力总线中的一个之间的被选择的阈值电阻器；
识别与所述DC电力电路模型的元件的隔离电阻和接口电阻对应的容差范围；
执行所述DC电力电路模型的仿真；
基于被执行的所述DC电力电路模型的仿真和所选择的阈值电阻器来确定所述第一、第二和第三比率阈值中的一个。
方案13. 根据方案12所述的方法，其中，执行所述DC电力电路模型的仿真包括：
利用所述DC电力电路模型来反复地计算所述第一、第二和第三电位，其中与所述电能储能装置相关联的输入电压在输入电压的范围上以逐步的方式改变，并且所述DC电力电路模型的元件的接口电阻在所述识别的容差范围上以逐步的方式改变；以及
为所述反复计算的第一、第二、第三电位来反复地计算隔离比包括：计算所述第三电位和所述第二电位的比率。
方案14. 根据方案13所述的方法，其中，基于所执行的所述DC电力电路模型的仿真和所述选择的阈值电阻器来确定所述第一比率阈值包括：当所述选择的阈值电阻器对应于所述第一电位的500Ω/V的、所述正DC电力总线与所述电接地之间的电阻时，为所述反复计算的第一、第二和第三电位选择所述计算的隔离比的最小值。
方案15. 根据方案13所述的方法，其中，基于所执行的所述DC电力电路模型的仿真和所述选择的阈值电阻器来确定所述第二比率阈值包括：当所述选择的阈值电阻器对应于所述第一电位的500 Ω/V的、所述负DC电力总线与所述电接地之间的电阻，并且所述第一电位大于隔离阈值电压时，为所述反复计算的第一、第二和第三电位选择所述计算的隔离比的最小值。
方案16. 根据方案13所述的方法，其中，基于所执行的所述DC电力电路模型的仿真和所述选择的阈值电阻器来确定所述第二比率阈值包括：当所述选择的阈值电阻器对应于所述第一电位的500 Ω/V的、所述负DC电力总线与所述电接地之间的电阻，并且所述第一电位小于隔离阈值电压时，为所述反复计算的第一、第二和第三电位选择所述计算的隔离比的最小值。
附图说明
现在将参考附图，并且作为示例来描述一个或多个实施例，附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的高压电路，该高压电路包括配置成在高压储能装置与多个电气装置之间传输高压DC电力的正DC电力总线(HV+)和负DC电力总线(HV-)；
图2示出了根据本发明的、监测正DC电力总线(HV+)和负DC电力总线(HV-)以检测与电接地隔离损失相关联的故障的过程的流程图；以及
图3描绘了参照图1所示电路的电路模型，其能够作为根据本发明的电气仿真程序的一部分来执行。
具体实施方式
现在参考附图，其中所显示的内容仅用于例示某些示例性实施例，而不是为了限制这些示例性实施例，图1示意性地图示了高压电路100，其包括配置成在高压储能装置或电池组(BP)15与多个电气装置之间传输高压DC电力的正DC电力总线20(HV+)和负DC电力总线30(HV-)。电气装置包括变换器模块(TPIM)25，其操作以将高压DC电力转变成被传输至多相电机的高压AC电力。在一个实施例中，多相电机为包括定子和磁耦联至该定子的转子的多相同步AC电机。在一个实施例中，多相电机配置成产生扭矩，该扭矩经由转子传递至车辆的动力传动系统以产生用于车辆推进的牵引扭矩。应理解的是，本申请的描述是说明性的，并且本发明不受限于此。
作为并不意图限制本发明范围的示例，电连接在正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的其他电气装置包括辅助动力模块(APM)17、空调压缩机模块(ACCM)19、电加热模块(CHCM)21和充电模块(CRG)23。控制模块(CM)10经由配置形成局域网的高速通信总线16信号地且可操作地连接至包括了变换器模块25的电气装置中的每个电气装置。正DC电力总线20、负DC电力总线30、变换器模块25和前述电气装置均与底盘地35电隔离。应理解的是，电气装置的电隔离可指的是在正DC电力总线20、负DC电力总线30与底盘地35之间具有高阻抗的电气装置。
应意识到的是，变换器模块25包括电连接至多相电机的每一相的变换电路。变换电路包括与多相电机的对应相相关联的多对开关装置。开关装置中的每个开关装置都优选为具有例如毫欧姆量级的低导通阻抗(low-on resistance)的半导体装置。这些开关装置对被配置成控制正DC电力总线20、多相电机的相中的一相以及负DC电力总线30之间的电力流。开关控制电路控制开关装置中的每个开关装置的激活和失活。
变换器模块25电连接至正DC电力总线20和负DC电力总线30。变换器模块25包括用于监测跨正DC电力总线20和负DC电力总线30的DC电压电位的电阻分路50。电阻分路50包括串联地电连接在正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的第一和第二感测电阻器56和58，其中，考虑到正DC电力总线20和负DC电力总线30的高阻抗内部隔离电阻，将该高阻抗内部隔离电阻描绘成电阻元件52和54。第一与第二感测电阻器56与58之间的接点60电连接至底盘地35。
高压储能装置15电连接至正DC电力总线20与负DC电力总线30，使得DC输入电压参考底盘地35而浮动。优选地，DC总线电压的一半施加在正DC电力总线20和底盘地35上，且DC总线电压的一半还施加在负DC电力总线30和底盘地35上。
变换器模块25包括用于监测第一感测电阻器56上的电压的第一电压感测电路42，其指示了正DC电力总线20与底盘地35之间的电压(DC+)。变换器模块25还包括用于监测第二感测电阻器58上的电压的第二电压感测电路44，其指示了负DC电力总线30与底盘地35之间的电压(DC-)。变换器模块25包括用于对第一感测电阻器56上的电压和第二感测电阻器58上的电压进行求和的加法电路46，其指示了正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压(ΔDC)。由模/数转换器48周期地监测正DC电力总线20与底盘地35之间的电压(DC+)、负DC电力总线30与底盘地35(DC-)之间的电压、以及正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压(ΔDC)，模/数转换器48经由高速通信总线16信号地连接至控制模块10。优选地，前述模拟电压DC+、DC-和ΔDC都经受以硬件实施的低通滤波，以消除与混叠、谐振和变换器开关频率相关联的测量误差，并在进行的操作期间利用模/数电路48被周期地(在一个实施例中以变换器的PWM开关频率，例如对于10 kHz的开关而言为0.1毫秒)进行数字采样。
控制模块、模块、控制器、处理器和类似的术语表示以下各项的任何合适的一种或多种组合，这些项包括：一个或多个专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的中央处理器(优选微处理器)以及相关联的存储器和储存器(只读的、可编程只读的、随机存取的、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供所描述功能性的其它合适部件。控制模块具有一组控制算法，包括存储在存储器中并被执行以提供期望功能的驻留软件程序指令和校准。算法优选在预设循环期间执行。算法诸如由中央处理单元执行，并可操作以监测来自感测装置及其他网络控制模块的输入，以及执行控制与诊断例程以控制致动器的操作。可在进行的发动机和车辆操作期间以有规律的间隔（例如每隔3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒）来执行循环。替代性地，算法可响应于事件的发生而执行。
图2示出了用于监测正DC电力总线20与负DC电力总线30以检测与电接地隔离的损失相关联的故障的过程300。过程300优选作为控制模块10中的一种或多种算法来执行，或者作为专用集成电路(ASIC)来执行，或者以其他合适的方法执行。操作中，第一和第二电压感测电路42和44以及加法电路46一起来监测正DC电力总线20与底盘地35之间的电压差(DC+)、负DC电力总线30与底盘地35之间的电压差(DC-)、以及正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差(ΔDC)。
初始地，评估正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差(ΔDC)，以确定该电压差(ΔDC)是进行隔离检查的有效的电压电平，并且确定该电压差(ΔDC)大于阈值T1(310)。当正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差(ΔDC)处于可容许的范围内时，认为该电压差(ΔDC)有效，例如，在来自跨接于正DC电力总线20和负DC电力总线30的电池组(BP)15的标称电压电平输出为360 V时，所述可容许的范围处于0 V到550 V之间。阈值T1是最小电压差，在一个实施例中为50V。如果正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差(ΔDC)无效或低于阈值T1，则监测结束。
当正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差(ΔDC)有效并大于阈值T1时，第一计时器Y递增(Inc Y_cnt)(315)。将正DC电力总线20与底盘地35之间的电压差(DC+)和负DC电力总线30与底盘地35之间的电压差(DC-)与最小电压差(Min_DC)相比较，以确保DC+和DC-的值都为正或至少为最小电压差，其设定成1.0伏的缺省电压(320)。这防止了由于接近零或的读数负读数所引起的溢出。
作为负DC电力总线30与底盘地35之间的电压差(DC-)和正DC电力总线20与底盘地35之间的电压差(DC+)的比率（即DC-/DC+）来计算隔离比(Iso_Rat)(325)。
将隔离比与第一比率阈值K1相比较(330)。该第一比较结果是正DC电力总线20与底盘地25之间的电阻的指示。当隔离比大于第一比率阈值K1时，评估完成，并且第二计时器X递增(Inc X_cnt)(335)。这指示了在正DC电力总线20与底盘地35之间已出现隔离损失。否则，算法开始检查负DC电力总线30与底盘地35之间的隔离。取决于正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差的大小（或量级）将隔离比与两个阈值中的一个阈值相比较，以检测负DC电力总线30与底盘地35之间的隔离损失。两个阈值中的一个阈值的选择取决于正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差的大小，并选择成在“不必检测”隔离损失状况与“必须检测”隔离损失之间具有足够的富余量，并且利用计算的隔离比来确定。
将正DC电力总线20与负DC电力总线30之间的电压差(ΔDC)与隔离阈值电压(Iso_V1)相比较，该隔离阈值电压(Iso_V1)在一个实施例中为100 V (340)。当超过隔离阈值电压(Iso_V1)时，将隔离比与第二比率阈值K2相比较(350)。当不超过隔离阈值电压(Iso_V1)时，将隔离比与第三比率阈值K3相比较(345)。当隔离比相应地小于第二和第三比率阈值K2和K3中被选择的一个时，第二计时器X递增(Inc X_cnt)(355和360)。否则，算法在不递增第二计时器X的情况下继续。评估第一计时器Y和第二计时器X，以了解是否已经过足够的逝去时段(365)。在一个实施例中，当第一计时器Y达到5.0秒时该第一计时器Y到期，而当第二计时器X达到0.5秒时该第二计时器X到期。将指示了接地隔离合格(Pass)或接地隔离损失故障(Fault)的报告传送给用于动作的控制模块10(370)。在一个实施例中，当在进行监测的先前逝去的总Y秒的绝大部分期间（即在先前逝去的Y秒中的逝去的X秒期间）隔离比低于选择的第一阈值K1、并且相应超过第二和第三比率阈值K2和K3中被选择的一个时，认为接地隔离完好(Pass)。在一个实施例中，这被解释为先前逝去的总的5.0秒中的逝去的4.5秒、或90%。否则，指示接地隔离故障。这样，能检测与正DC电力总线20和负DC电力总线30中的一个相关联的接地隔离故障。
精确地检测接地隔离故障和当不存在接地隔离故障时精确地避免检测接地隔离故障都是需要的，并且相应地导致了对第一、第二和第三比率阈值K1、K2和K3的精确选择。为了考虑到能影响接地隔离的所有电阻路径，要对电路100的所有部件的接地隔离进行考虑。对影响每个部件的接地隔离和电阻的因素加以考虑。这样的因素包括：环境和部件的温度、零部件之间的变化性以及受限制的部件和它们相关的容差水平、电路接口误差、测量误差、以及相对于底盘地35的相关联的电阻变化。此外，还可能存在与温度、使用寿命、高压漂移和在不同接点处的焊接的效果相关联的电阻漂移。还可能存在与变换器模块25相关联的隔离电阻的变化，其可高达+/-0.5%，其中所述与变换器模块25相关联的隔离电阻的变化与杂散电容和Y电容泄漏相关联。存在与隔离电阻、感测电阻相关联的电阻容差，或者存在与感测电阻器和A/D转换器48以及各种部件中的集成电路相关联的接口误差，在一个实施例中达到+/-0.65%。电路中的其他电气装置，例如空调压缩机模块、电加热模块、充电模块、以及与正负DC电力总线相关联的线束配线，都可以没有用于隔离电阻的物理系统，因此隔离电阻可能变化达到+/-25%。
在电路模型上执行的仿真可以被用于为正确地操作系统而确定接地隔离电阻，所述正确地操作系统考虑到了将隔离和感测电阻的容差范围叠加或以另外的方式组合的情况、变换器模块隔离电阻中相对于底盘地的变化、其他系统部件的隔离电阻中的变化、以及电路接口误差。生成电路模型和在该电路模型上执行电气仿真在本领域中是已知的。
图3描绘了表示参考图1示出的电路100的示例性电路模型200。电路模型200能作为电气仿真程序的一部分执行，该电气仿真程序结合有仿真的高压储能装置或电池组(V_batt)、仿真的变换器模块225和标识成电连接至仿真的正DC电力总线220(HV+)和仿真的负DC电力总线230(HV-)的电阻性电路210的多个仿真的电气装置。电连接在正DC电力总线220与负DC电力总线230之间的电气装置中的每个电气装置均与仿真的底盘地235电隔离。
仿真高压储能装置或电池组(BP)215产生输入电压V_batt。电路模型200和相关联的仿真在考虑到以下因素的情况下变化，这些因素即：隔离和感测电阻的容差范围、仿真变换器模块225的隔离电阻的变化、关于底盘地235的隔离电阻、其他系统部件的隔离电阻中的变化、以及电路接口误差。容差范围包括：描绘成相对于仿真底盘地235的电阻性电路210的多个电气装置的隔离电阻中的变化；仿真变换器模块235的隔离电阻中的变化，其发生在相对于仿真底盘地235的负DC电力总线230与相对于仿真底盘地235的正DC电力总线220之间；由于杂散电容和Y电容泄漏引起的仿真变换器模块225的感测电阻中的变化；以及电路接口误差(ECI)。
电路模型200相应地包括阈值电阻240A、240B、240C和240D中被选择的一个阈值电阻。第一阈值电阻240A对应于正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的最小阈值接地隔离电阻。第三阈值电阻240C对应于仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的最小阈值接地隔离电阻。小于或等于最小阈值接地隔离的接地电阻需要被检测到(“必须检测”)，并被识别为接地隔离故障，然而对于大于“必须检测”的电阻值的最小阈值但小于“不必检测”的电阻值240B或240D的接地电阻而言，可以检测接地隔离并将其识别为接地隔离故障，但是这样的检测不是必需的。在一个实施例中，最小阈值接地隔离为500 Ω/V。以标称420 V的电位操作的系统必须检测与210 KΩ或低于210 KΩ相对应的接地故障。因此，在一个实施例中可将第一和第三阈值电阻240A和240C设定为210 KΩ。
第二阈值电阻240B对应于正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的第二接地电阻阈值。第四阈值电阻240D对应于仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的第二接地电阻阈值。不需要检测(“不必检测”)大于最大阈值接地隔离的接地电阻，并不必将其识别为接地隔离故障，以防止错误的正接地隔离检测的发生。在一个实施例中，以标称420 V操作的电路模型200在接地电阻为500 KΩ的预定阈值或500 KΩ的预定阈值以上时，不必检测接地隔离故障。因此，在一个实施例中可将第二和第四阈值电阻240B和240D都设定为500 KΩ。这些电阻值都仅用于说明性目的。
电阻性电路210包括并联地电连接在正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的多个电气装置的电阻、以及并联地电连接在仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的多个电气装置的电阻，包括电池组(BP)215的内部电阻。
对于电气装置中的每个电气装置而言，可根据由(+)标识的正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的电阻，以及由(-)标识的仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的电阻来测量多个电气装置中的每个电气装置的电接地隔离。作为示例，这些电阻可以关于多个电气装置如以下的表1中那样量化，所述多个电气装置以非限制性的方式包括：具有电阻R_batt(+) 215和R_batt(-) 215的电池组(BP)；具有电阻R1、R2、R3和R4的变换器225；具有电阻R_apm(+) 217和R_apm(-) 217的辅助动力模块(APM)；具有电阻R_accm(+) 219和R_accm(-) 219的空调压缩机模块(ACCM)；具有电阻R_chcm (+)221和R_chcm(-) 221的电加热模块(CHCM)；具有电阻R_chrg(+) 223和R_chrg(-) 223的充电模块(CRG)；以及与正DC电力总线220和负DC电力总线230相关联的线束配线。对于电气装置而言，在由(+)标识的正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的电阻和由(-)标识的仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的对应电阻之间可能会存在不平衡。
表1
以下是在一个实施例中与仿真的执行一起使用的参数和相关联的值：输入电压V_batt，其可介于50 V与550 V的范围中；标识为电阻性电路210的多个电气装置的隔离电阻中的变化，其改变达+/-25%；变换器模块225的隔离电阻中的变化，其发生在负DC电力总线230到地235与正DC电力总线220到地235之间，其改变达+/-0.5%；以及由于杂散电容和Y电容泄漏引起的变换器模块225的感测电阻中的变化，其改变达+/-0.5%；以及改变达+/-0.65%的电路接口误差。优选地，在电路模型200处于静态条件中的情况下来执行电路模型200的仿真，即不存在与交流电流或电压或其他未考虑的瞬时输入相关联的可辨别的影响。
在电路模型200上执行仿真程序，以便在容差、电路接口误差的预测范围内并且在输入电压V_batt的范围内来计算正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的电压差(DC+)、负DC电力总线230与仿真底盘地235之间的电压差(DC-)、以及正DC电力总线220与负DC电力总线230之间的电压差(ΔDC)。
在一个实施例中，变换器隔离和感测电阻的容差的预测范围包括+/-0.65%的HV+相对底盘隔离电阻的容差、+/-0.65%的HV-相对底盘隔离电阻的容差、+/-0.65%的HV+相对底盘感测电阻的容差、+/-0.65%的HV-相对底盘感测电阻的容差、以及电路接口误差(ECI)。输入电压V_Batt在一个实施例中从50 V到550 V变动。
电气仿真程序系统地计算电路模型200上的电压差DC+、DC-和ΔDC。这包括在输入电压V_batt的范围内以逐步的方式反复改变输入电压，和在预测的容差范围内以逐步的方式反复改变电路模型200的元件的隔离电阻和接口电阻（interface resistance）。容差的预测范围包括前述的多个电气装置的隔离电阻中的变化、由于杂散电容和Y电容泄漏引起的变换器模块225的感测电阻中的变化、电路接口误差、以及利用阈值电阻240A、240B、240C和240D中被选择的一个阈值电阻。将对于DC+和DC-反复计算的电压差用于反复计算隔离比，即(DC-)/(DC+)。
将上述仿真用于评估正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的接地隔离电阻和仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的接地隔离电阻。
关于正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的接地隔离电阻，在一个实施例中，考虑到各种因素，当使用具有正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的最小阈值接地隔离电阻的第一阈值电阻240A时，用于“必须检测”阈值的参数值在4.53与7.20之间的范围内。考虑到各种因素，当使用具有正DC电力总线220与仿真底盘地235之间的最大阈值接地隔离的第二阈值电阻240B时，用于“不必检测”阈值的对应参数值在2.16与3.00之间的范围内。因此，在“必须检测”阈值与“不必检测”阈值之间在统计上存在显著分离。该分离用于确定参考图2描绘的控制方案所描述的第一比率阈值K1，以检测与正DC电力总线220和仿真底盘地235相关联的接地隔离故障。在一个实施例中，考虑到各种因素，确定第一比率阈值K1为4.53。
关于仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的接地隔离电阻，在一个实施例中，考虑到各种因素，当使用具有仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的最小阈值接地隔离电阻的第三阈值电阻240C时，用于“必须检测”阈值的参数值在0.1至0.21之间的范围内。考虑到各种因素，当使用具有仿真底盘地235与负DC电力总线230之间的最大阈值接地隔离的第四阈值电阻240D时，用于“不必检测”阈值的对应参数值在0.26与0.43之间的范围内。因此，在0.21的最大“必须检测”阈值与0.26的最小“不必检测”阈值之间在统计上不存在显著的分离。另外的分析表明，0.21的最大“必须检测”阈值和0.26的最小“不必检测”阈值均发生在50V的输入电压V_Batt处。在大于50V的输入电压时，在0.21的“必须检测”阈值与“不必检测”阈值(最小0.33)之间存在足够的分离。当输入电压V_batt为50 V时，500 Ω/V的隔离损失要求转化成25 KΩ，而当输入电压V_batt为100 V时，500 Ω/V的隔离损失要求转化成50 KΩ。因此，最大“必须检测”阈值对于100 V或更低的输入电压V_batt设定为0.16，而最大“必须检测”阈值对于高于100 V的输入电压V_batt设定为0.21。0.16的最大“必须检测”阈值在100 V或低于100V时在“必须检测”与“不必检测”之间提供了足够的富余量。最大“必须检测”比0.16在100 V时表示多于50 KΩ的隔离电阻，然而对于100V的DC总线电压在50 KΩ时需要检测隔离损失。该分离用于确定参考图2描绘的控制方案所描述的第二和第三比率阈值K2和K3，以检测与负DC电力总线230相关联的接地隔离故障。
表2示出了表示上述仿真的示例性数据，该仿真在考虑到与电路中的隔离电阻的变化相关的前述因素的情况下被执行，以利用参考图2所描述的方案来计算隔离比。对于50V与550V之间的输入电压V_batt的范围而言，作为负DC电力总线30与底盘地35之间的电压差(DC-)和正DC电力总线20与底盘地35之间的电压差(DC+)的比率（即DC-/DC+）来计算隔离比。先前已描述了阈值电阻240A、240B、240C和240D。
在仿真中使用并在表2中描绘的参数和条件及相关的值包括：
比率范围，即在所声明条件下与仿真相关联的计算的隔离比的最大值与最小值；
V_batt，即输入电压：介于50 V与550 V的范围中间；
与其他部件相关的变化：标识为电阻性电路210的多个电气装置的隔离电阻中的变化，其包括正DC电力总线220与地235之间的第一分量(Pos-to-Chassis)和负DC电力总线230与地235之间的第二分量(Neg-to-Chassis)，其中Pos-to-Chassis的值=+25%，而Neg-to-Chassis的值=-25%；与变换器模块225的隔离电阻容差相关联的变化(R_Iso_Tol)，其发生在负DC电力总线230与地235之间(Neg-to-Chassis)以及正DC电力总线220与地235之间(Pos-to-Chassis)；
与由杂散电容和Y电容泄漏引起的变换器模块225的感测电阻容差相关联的变化(R_Sense_Tol)，其发生在负DC电力总线230与地235之间(Neg-to-Chassis)以及正DC电力总线220与地235之间(Pos-to-Chassis)；以及
改变达+/-0.65%的并且为正(Pos)和负(Neg)误差之一的电路接口误差(Circuit IF error)。在电路模型200处于静态条件中的情况下，执行电路模型200的仿真。
表2
表3类似于表2，描绘了表示前述仿真的示例性数据，所述仿真在考虑到与电路中的隔离电阻的变化相关的因素的情况下被执行，以利用参考图2所描述的方案来计算隔离比。对于50V与550V之间的输入电压V_batt的范围而言，作为负DC电力总线30与底盘地35之间的电压差(DC-)和正DC电力总线20与底盘地35之间的电压差(DC+)的比率（即DC-/DC+）来计算隔离比。先前已描述了阈值电阻240A、240B、240C和240D。
在仿真中使用的并在表3中描绘的与表2中所使用的那些参数和相关联的值不同的参数和相关联的值包括：在其它分量中的变化：标识为电阻性电路210的多个电气装置的隔离电阻的变化，其包括正DC电力总线220与地235之间的第一分量(Pos-to-Chassis)和负DC电力总线230与地235之间的第二分量(Neg-to-Chassis)，其中Pos-to-Chassis的值=-25%，而Neg-to-Chassis的值=＋25%。
表3
隔离比的范围用于为与隔离比（即DC-/DC+）相关联的“不必检测”隔离损失状况和“必须检测”隔离损失确定可允许的阈值，从而在“不必检测”隔离损失状况与“必须检测”隔离损失之间具有足够的分离富余量。
本发明已描述了某些优选实施例及所述某些优选实施例的变型。本领域的技术人员在阅读和理解说明书后可想到另外的变型和改变。因此，本发明不应局限于作为用于实施本发明所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明应包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
Claims (16)
1.一种用于监测DC电力电路相对于底盘地的电隔离的方法，所述方法包括：
监测包括了正DC电力总线与负DC电力总线之间的电压差的第一电位；
监测包括了所述正DC电力总线与所述底盘地之间的电压差的第二电位；
监测包括了所述负DC电力总线与所述底盘地之间的电压差的第三电位；
计算包括了所述第三电位相对所述第二电位的比例比较结果的第一电压比；
基于所述第一电压比来监测所述正DC电力总线与所述底盘地之间的电隔离；
根据所述第一电压比和所述第一电位来监测所述负DC电力总线与所述底盘地之间的电隔离。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括当所述第一电压比超过预定的第一比率阈值时，检测与所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一比率阈值对应于这样的电压阈值，所述电压阈值与所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电阻相关联，其中所述电阻对于所述第一电位为500 Ω/V。
4.根据权利要求2所述的方法：
其中在逝去的时段期间反复地监测所述第一、第二和第三电位；
其中在所述逝去的时段期间反复地计算所述第一电压比；以及
其中当所述第一电压比超过所述第一比率阈值时检测与所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障包括：在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比超过所述第一比率阈值时，检测与所述正DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比不超过所述预定的第一比率阈值时，检测到所述正DC电力总线与所述底盘地之间的完好的电隔离。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括当所述第一电压比小于第一比率阈值并且所述第一电位大于隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括当所述第一电压比小于第二比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一比率阈值和所述第二比率阈值均对应于这样的电压阈值，所述电压阈值与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电阻相关联，其中所述电阻对于所述第一电位为500 Ω/V。
9.根据权利要求7所述的方法：
其中在逝去的时段期间反复地监测所述第一、第二和第三电位；
其中在所述逝去的时段期间反复地计算所述第一电压比；以及
其中当所述第一电压比小于所述第一比率阈值并且所述第一电位大于所述隔离阈值电压时检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障包括：在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比小于所述第一比率阈值并且所述第一电位大于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，当所述第一电压比小于所述第二比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障包括：在所述逝去的时段的预定部分期间，当所述第一电压比小于所述第二比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述底盘地之间的电隔离相关联的故障。
11.一种用于监测DC电力电路与电接地之间的电隔离的方法，所述DC电力电路包括经由正DC电力总线和负DC电力总线电连接至电力变换器装置的电能储能装置，所述方法包括：
监测包括了所述正DC电力总线与所述负DC电力总线之间的电压差的第一电位；
监测包括了所述正DC电力总线与所述电接地之间的电压差的第二电位；
监测包括了所述负DC电力总线与所述电接地之间的电压差的第三电位；
计算包括了所述第三电位与所述第二电位的比率的第一电压比；
当所述第一电压比超过第一比率阈值时，检测与所述正DC电力总线和所述电接地之间的电隔离相关联的故障；
当所述第一电压比小于第二比率阈值并且所述第一电位大于隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述电接地之间的电隔离相关联的故障；以及
当所述第一电压比小于第三比率阈值并且所述第一电位小于所述隔离阈值电压时，检测与所述负DC电力总线和所述电接地之间的电隔离相关联的故障，其中所述第三比率阈值小于所述第二比率阈值。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
对所述DC电力电路建模，所述DC电力电路包括经由所述正DC电力总线和所述负DC电力总线电连接至所述电力变换器装置和电接地的所述电能储能装置，以及电连接在所述电接地与所述正DC电力总线和所述负DC电力总线中的一个之间的被选择的阈值电阻器；
识别与DC电力电路模型的元件的隔离电阻和接口电阻对应的容差范围；
执行所述DC电力电路模型的仿真；
基于被执行的所述DC电力电路模型的仿真和所选择的阈值电阻器来确定所述第一、第二和第三比率阈值中的一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，执行所述DC电力电路模型的仿真包括：
利用所述DC电力电路模型来反复地计算所述第一、第二和第三电位，其中与所述电能储能装置相关联的输入电压在输入电压的范围上以逐步的方式改变，并且所述DC电力电路模型的元件的接口电阻在所述识别的容差范围上以逐步的方式改变；以及
为所述反复计算的第一、第二、第三电位来反复地计算隔离比包括：计算所述第三电位和所述第二电位的比率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，基于所执行的所述DC电力电路模型的仿真和所述选择的阈值电阻器来确定所述第一比率阈值包括：当所述选择的阈值电阻器对应于所述正DC电力总线与所述电接地之间的电阻时，其中所述电阻对于所述第一电位为500 Ω/V，为所述反复计算的第一、第二和第三电位选择所述计算的隔离比的最小值。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，基于所执行的所述DC电力电路模型的仿真和所述选择的阈值电阻器来确定所述第二比率阈值包括：当所述选择的阈值电阻器对应于所述负DC电力总线与所述电接地之间的电阻，其中所述电阻对于所述第一电位为500 Ω/V，并且所述第一电位大于隔离阈值电压时，为所述反复计算的第一、第二和第三电位选择所述计算的隔离比的最小值。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，基于所执行的所述DC电力电路模型的仿真和所述选择的阈值电阻器来确定所述第二比率阈值包括：当所述选择的阈值电阻器对应于所述负DC电力总线与所述电接地之间的电阻，其中所述电阻对于所述第一电位为500 Ω/V，并且所述第一电位小于隔离阈值电压时，为所述反复计算的第一、第二和第三电位选择所述计算的隔离比的最小值。
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