CN102460191A - 检测线束中的故障 - Google Patents

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Abstract

电池组中的电池单元电压和传送到负载或驱动系统的电压以及传送到该系统的电流被监视，并且被用于检测线束的可能的异常状况。

Description

检测线束中的故障
技术领域
本公开一般涉及对大型电动设备中的电互连的监视。
背景技术
诸如电动车辆和各种类型的电动装置之类的电动设备在许多应用中变得越来越重要。与本公开相关的这种设备通常包含有相对较大的电池组和诸如驱动系统之类的负载。这种电动设备的示例是电动汽车。电动汽车通常包括相对较大的电池或通常由大量的单个电池单元所形成的电池组。电池可由车中的装置或外置(off-board)装置充电，并且一般通过向驱动系统和其他与汽车相关联的系统提供电力来放电。在这种应用中，通常使用超过40KW(并且高至并超过150KW)的高功率水平，因此，安全和可靠是重要的问题。
通常，电动车辆的电池和驱动系统与能够在电池组和驱动系统之间传输数十或数百千瓦电功率的功能高压线束(wiring harness)相耦合。现代电动车辆包含再生制动(regenerative braking)系统，并且因此，该功率可在任意给定时刻在任意方向(到电池或从电池)传输。
高压线束通常包括如下组件中的一个或多个：电线或电缆；连接器或耦合器(具有机械的、焊接的或折绉的连接点)；电池单元到电池单元的连接；熔丝和其支持物；以及接触器。这些组件中的任一个中的任意故障可在其它低电阻路径中产生相对较大的电阻，从而由于大电流和电压的存在，其可导致在电动车辆的小区域内生成大量不希望的热量。非常希望对这种故障进行早期检测和响应。
发明内容
用于诸如电动车辆或电动装置件之类的电动设备的监视电路(1)比较(a)向设备提供电力的电池组中的电池单元的电压之和与(b)施加到设备的负载的电压，并且(2)测量该电路中电流。系统(包括电池组、负载和线束)的标称电阻最初被指定或确定，并且定期地与新近测得值相比较，以便检测线束故障。
从以下给出的详细描述、附图和权利要求中，本发明的其它特征和益处将变得显然。
附图说明
包含在本说明书中并组成本说明的一部分的附图图示出了实施例的一个或多个示例，并且与对示例实施例的描述一起用来说明实施例的原理和实现方式。
在附图中：
图1是根据一个实施例的故障检测系统的电原理图。
图2是示出了根据一个实施例的故障检测形式的电压电流散点图。
图3是示出了根据一个实施例的线束故障检测方法的处理流程图。
具体实施方式
此处将在将故障检测包含到其线束中的电动车辆的上下文中描述示例实施例。本领域技术人员将意识到，以下的描述仅是示意性的，并绝不意欲是限制性的。其他实施例将容易地将其自身暗示给享受本公开的益处的本领域技术人员。将不对如附图中所示的示例实施例的实现方式进行详细参考。将在遍及附图和以下描述的可能范围中使用相同的参考指示符来指代相同或相似的项目。
出于简明的目的，并未示出和描述此处所描述的实现方式的所有例程特征。当然，将理解，在开发任意这种实际的实现方式时，必须做出众多的特定于实现方式的决定，以便达到开发者的具体目标，例如符合应用和商业相关的限制，并且这些具体的目标将依实现方式和开发者的不同而不同。另外，将理解，这种开发努力可能是复杂和耗时的，但是，对于享受本公开的益处的本领域技术人员来说将是例行公事的工程实践。
根据本公开，此处所描述的组件、处理步骤和/或数据结构可用各种手段实现，包括计算机实现的手段和硬连线手段。计算机实现的手段可包括各种类型的操作系统、计算平台、计算机程序和/或通用机器。另外，本领域技术人员将意识到，在不偏离此处所公开的发明概念的范围和精神的前提下，诸如硬连线设备、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等之类的不太具有通用特质的设备也可被使用。当包括一系列处理步骤的方法由计算机或机器实现并且那些处理步骤可被存储为机器可读的一系列指令时，其可被存储在有形介质上，诸如，计算机存储设备(例如，ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦写只读存储器)、闪存、跳跃驱动器等)、磁存储介质(例如，磁带，磁盘驱动器等)、光存储介质(例如，CD-ROM、DVD-ROM、纸卡、纸带等)和其他类型的程序存储器。
图1是根据本发明的一个实施例的故障检测系统的电原理图。转向图1，所示出的故障检测系统检测诸如电动车辆驱动系统的高压线束之类的电池线束中的危险故障。相同或类似的检测方法可被应用到各种类型的电动系统中，例如包括用于为其他类型的电动车辆和装置提供电力的示例系统。
根据图1的系统，电池B通过线束H被连接到负载L，电池B可通过将大量电池单元串联耦合(每个电池单元可包括一个或多个并联连接的子单元)来构成。在所示出的示例中，线束H包括接触器K、连接器C、配线W、熔丝F、以及通往N个相邻串联连接电池单元并位于其间的多个(N+1个)串联导向的电池单元互连S1到SN+1(总称为S)，每个电池单元互连具有与之相关联的电阻(即，RK、RC、RW、RF和RS，每个电阻产生对应的电压降VK、VC、VW、VF和VS，其中VS＝VS1+VS2+...+VSN+1并且RS＝RS1+RS2+...+RSN+1)。在电动车辆的情形中，负载例如可以是该电动车辆的驱动系统。
设置了监视电路M。其监视电池单元两端的电压V1、V2，...，VN以及负载电压VSYS。其还监视由电流测量电路IM所测量的负载电流IL。电流测量电路IM仅被示意性地示出，并且可以采取各种形式，例如包括分流器、感应电流感测器或霍尔效应电流感测器。监视电路M例如可包括用于将电压转换成数字值的模数转换电路，以及数字处理器、存储器、I/O电路等。
在所示出的实施例中，当异常状况被检测到时，监视电路M在线A上生成警报信号。可以以多种方式中的任意方式来生成警报信号。在电动车辆的情形中，警报信号可被传送到车辆控制单元，以使得代码被存储其中以用于以后的诊断运用。车辆控制单元还可以使电动车辆的乘客舱内的仪表板指示器显示或通告该警报，以便提醒驾驶员潜在的问题。除了记录错误代码或产生视觉的和/或可听的警告之外或者替代记录错误代码或产生视觉的和/或可听的警告，系统还可以对车辆操作进行限制，诸如，减少电力、减少再生(在利用再生制动等的车辆中)或再充电限制。出于安全原因而需要这种限制，并且其用作对于正确服务极其重要的可视指示。
依旧参照图1，系统电压VSYS可由以下等式描述：
VSYS＝VLOSSES(I)+VCELLS    (等式1)
其中：
VLOSSES(I)＝[VK(I)+VC(I)+VW(I)+VF(I)+VS(I)]，并且
VCELLS＝∑(V1...VN)，即，电池组中的N个电池单元的电压总和(输出)。
VSYS和VCELLS是所测量的直流(DC)电压值。VLOSSES(I)是线束中的所有其它元件两端的电流感应电压降之和，其它元件包括接触器(K)、连接器(C)、配线(W)、熔丝(F)、电池单元互连(S)等。即，系统电压VSYS是电池电压VCELLS与线束中的所有其他组件两端的电流感应电压降(即，VLOSSES(I))的组合。由于每个损耗分量作为负载电流IL的函数而变化，因此(I)指具体的电流水平。注意，其它潜在损耗也可以简单地通过识别它们、测量它们并将它们包括在VLOSSES(I)计算中，从而被结合到VLOSSES(I)中。
根据欧姆定律(V＝IR)，在零电流(I＝0安培)时，对于线束的电阻元件来说电流感应电压降将是零，并且：
VSYS＝VCELLS    (等式2)
在非零电流时：
VLOSSES(I)VSYS-VCELLS    (等式3)
并且：
RHARNESS＝VLOSSES(I)/IL    (等式4)
线束的电阻(RHARNESS)是设计参数，并且超过预定设计值或初始测量水平的任意显著增加都表示所检测到的故障。对电池单元电压VCELLS、系统电压VSYS和负载电流IL的连续或定期监视使得能够对非零电流时的故障进行判定。
图2是示出了根据本发明的一个实施例的电动车辆可用的故障检测的另一种形式的电压电流散点图。根据图2中所示的方法，对VLOSSES(I)和负载电流IL的测量随着时间被聚集，以便从对该数据的线性拟合中提取斜率。这些电流和电压点的斜率代表线束的电阻，并且其对抗来自电池单元与系统电压测量之间的任何校准差的恒定偏移电压误差。任意偏移电压误差项可用其零电流测量被抵消。该方法的另一益处是，其允许检测“熔化(fritting)”。熔化描述了一种非线性故障现象，其中，不牢固连接通过异常导通近零电流而显现出来，其在IV图中产生大量散点。图2示出了具有不牢固机械连接的系统的线束电压损耗(横轴)相对于电流(纵轴)的散点图。增多的横向分散近零电流指示出了熔化和有问题的连接。
如果电池组中的不牢固连接在400安培的电流处添加了25毫欧电阻，则该添加的电阻导致10V的压降(降低的性能)和4KW的点发热，这可能导致主要的安全问题。因此，例如利用熔化现象来检测不牢固连接可以是很重要的。
图3是示出了根据一个实施例的用于线束故障检测的方法300的处理流程图。
现转向图3，在步骤302处，根据以上的等式(2)，在零负载电流(IL＝0)处进行对VSYS和VCELLS的测量。在零负载电流处的任何差异代表两个测量系统之间的校准偏移，其应当独立于负载电流并可利用查找表被容易地分离出来(factor out)。在步骤304处，循环处理开始。在该步骤中，根据以上的等式3和等式4在非零负载电流时进行测量，并且这些测量被用于确定所测得电阻RHARNESS。
在步骤306处，在步骤304中所获得的结果被与基于诸如组件制造商、现存组件等之类的因素确定的、先前所存储的标称电阻相比较，或者被与例如在工厂处获得的所存储(一个或多个)物理测量值相比较。
在步骤308处，所测得的值RHARNESS被与所存储的RHARNESS标称值相比较。
在步骤308处，如果检测到在所测得VHARNESS值和所存储的标称VHARNESS值之间存在显著的偏差，则在步骤310处采取动作，诸如，设置警报状况、限制操作等。警报状况可以是例如视觉可感知或听觉可感知的信号，和/或写入到存储器以用于稍后分析的数据。设置警报状况、限制操作等之后，操作可返回到步骤304(除非警报是要求关闭该电动设备)。
如果在步骤308处没有检测到显著的偏差，则在步骤304处操作继续。
虽然已经示出并描述了实施例和应用，但是，对于享受本公开的益处的本领域技术人员而言，很显然，在不偏离此处所公开的发明概念的前提下，比所提及的更多的许多修改是可能的。因此，除了落在所附权利要求的精神中以外，发明不是限制性的。

Claims (24)

1.一种用于检测电池的线束的可能的异常状况的方法，包括：
确定所述线束的标称电阻值；
监视所述电池的多个电池单元的电压以确定第一电压值；
监视所述线束中的点处的第二电压；
监视通过所述电池的负载电流；
利用所监视到的所述第一电压和所述第二电压以及负载电流的值来确定所述线束的操作电阻值；以及
将所述线束的操作电阻值和所述线束的标称电阻相比较，并且如果所述操作电阻值超过所述标称电阻值多于预定阈值，则采取动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述动作包括设置警报状况，还包括：
向车辆的驾驶员警报所述警报状况。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述动作包括设置警报状况，还包括：
向维修车辆的诊断技术人员警报所述警报状况。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述动作包括限制车辆的操作。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，限制车辆的操作包括以下中的至少一者：减少提供给所述车辆的电力、减少通过再生获得的电流，以及限制对电池组的充电。
6.一种用于检测电池或电池组的线束的可能的异常状况的方法，包括：
监视所述电池或电池组的电压；
监视线束端接点处的系统电压；
监视通过所述电池或电池组的电流；
在一时间段中跟踪数据点，每个数据点以所述电流为一个坐标并且以所述电池或电池组的电压与所述系统电压之间的电压差为另一坐标；以及
基于所述数据点的分布来检测所述线束的可能的异常状况。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：当近零电流区域中的数据点表现出异常蔓延时，检测到异常状况。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述异常状况是不牢固连接。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括向车辆的驾驶员警报所述异常状况。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括向维修车辆的诊断技术人员警报所述异常状况。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，动作包括限制车辆的操作。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，限制车辆的操作包括以下中的至少一者：减少提供给所述车辆的电力、减少通过再生获得的电流，以及限制对电池组的充电。
13.一种用于检测电池或电池组的线束的可能的异常状况的系统，包括：
用于监视所述电池或电池组的电压的电路；
用于监视线束端接点处的系统电压的电路；
用于监视通过所述电池或电池组的电流的电路；以及
用于如下操作的电路：
利用所监视到的值来确定所述线束的电阻值；以及
将所述电阻值与标称电阻值相比较以检测所述线束的可能的异常状况。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括用于向车辆的驾驶员警报所述异常状况的警报信号。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括与车辆控制器相耦合以使维修车辆的诊断技术人员被警报所述异常状况的警报信号。
16.根据权利要求13所述的系统，包括用于限制车辆的操作的电路。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，限制车辆的操作包括以下中的至少一者：减少提供给所述车辆的电力、减少通过再生获得的电流，以及限制对电池组的充电。
18.一种用于检测电池或电池组的线束的可能的异常状况的系统，包括：
用于监视所述电池或电池组的电压的电路；
用于监视线束端接点处的系统电压的电路；
用于监视通过所述电池或电池组的电流的电路；以及
用于如下操作的跟踪和检测电路：
在一时间段中跟踪数据点，每个数据点以所述电流为一个坐标并且以所述电池或电池组的电压与所述系统电压之间的电压差为另一坐标；以及
基于所述数据点的分布来检测所述线束的可能的异常状况。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述跟踪和检测电路在近零电流区域中的数据点表现出异常蔓延时检测到异常状况。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述异常状况是不牢固连接。
21.根据权利要求18所述的系统，还包括用于向车辆的驾驶员警报所述异常状况的警报信号。
22.根据权利要求18所述的系统，还包括与车辆控制器相耦合以使维修车辆的诊断技术人员被警报所述异常状况的警报信号。
23.根据权利要求18所述的系统，还包括用于限制车辆的操作的电路。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，限制车辆的操作包括以下中的至少一者：减少提供给所述车辆的电力、减少通过再生获得的电流，以及限制对电池组的充电。
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