CN102869996A - 利用可变仿真电感的隔离监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量车辆的高电压（HV）系统和车辆底盘之间的泄漏电阻的系统包括仿真电感，其连接在HV系统和车辆底盘之间，并具有大体上抵消HV系统和车辆底盘之间的容抗的感抗。信号源在HV系统和车辆底盘之间输出AC电流信号和AC电压信号之一。传感器测量对HV系统和车辆底盘之间的AC电压信号的AC电流响应和对HV系统和车辆底盘之间的AC电流信号的AC电压响应之一。

Description

利用可变仿真电感的隔离监测系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年1月24日提交的美国申请No.13/012,140的优先权，该美国申请要求2010年1月26日提交的美国临时申请No.61/298.347的权益。通过引用将上述申请的公开文本全部并入本文。

技术领域

本公开涉及车辆，并且更具体地涉及电动、混合电动和燃料电池车辆的隔离监测系统和方法。

背景技术

本文提供的背景描述是为了概括地介绍本公开的上下文的目的。目前指定的发明人的工作（到它在该背景章节中被描述的程度）以及否则可能在提交时间时没有被作为现有技术的本描述的方面即未清除也未隐含地被承认为相对于本公开的现有技术。

在一些车辆中，高电压（HV）电池可以被用于向逆变器和驱动车辆的一个或多个轮子的电动机提供电力。HV电池可以工作在诸如250V到1000V DC之类的高电压。附件和其它车辆系统可以由诸如12V DC电池之类的低电压（LV）系统供电。为了安全原因，HV电池和连接到HV电池的所有电路应当与车辆底盘以及车辆的其它系统电隔离。

仅举例来说，可能存在从逆变器到底盘、从电动机到底盘的物理和寄生电容耦合，以及从电动机或逆变器的HV侧到底盘的不希望有的泄漏电阻。为了确保安全，HV电池的隔离被监测。当隔离问题被检测到时，监测系统可以警告车辆操作员和/或采取行动。

用于HV电池的隔离监测电路可以使用DC或AC监测方法。在DC监测方法中，HV电池（或HV电源）将电流推送穿过漏阻抗到达底盘。在另一高值电阻两端测量因而生成的电流或电压。在AC监测方法中，小的AC电流被注入HV电池中，并且测量因而生成的AC电压或电流。

在DC监测方法中，可以使用直接连接方法和间接连接方法。在间接方式中，一个或多个光学开关用于间接地将HV轨道穿过高阻抗连接到底盘。光学开关往往是昂贵的。光学开关的温度和老化变化可能产生潜在地错误的测量，该错误的测量可能是错误的负值，因而产生电击危险的可能性。利用DC隔离故障检测方法，当HV电池被移除时通常不能执行故障检测。

在直接方式中，也需要HV电池的电位。当HV电池被移除时，故障检测也是不可能的。这两个变型都可能有大的寄生和系统滤波电容器以及在嘈杂环境中可靠地操作的问题。此外，这方式产生有意的从HV电池到底盘的泄漏路径以完成测量电路，这与隔离的目标相反。

AC监测方法相对于DC监测方法的优点包括利用电容器来注入信号的能力，这消除了对光学开关的需要。另一优点是在未安装HV电池的情况下运行隔离测试的能力。然而，在很多情况下，无功分流AC阻抗（reactiveshunt AC impedance）比故障阻抗本身小得多，这使可靠的隔离监测测量变得很难。

发明内容

一种用于测量车辆的高电压（HV）系统和车辆底盘之间的泄漏电阻的系统包括仿真电感，该仿真电感连接在HV系统和车辆底盘之间，并且具有大体上抵消HV系统与车辆底盘之间的容抗（capacitive reactance）的感抗（inductive reactance）。信号源输出HV系统和车辆底盘之间的AC电流信号和AC电压信号之一。传感器测量对HV系统和车辆底盘之间的AC电压信号的AC电流响应和对HV系统和车辆底盘之间的AC电流信号的AC电压响应之一。

在其它特征中，控制模块基于AC电流信号和AC电压响应以及AC电压信号和AC电流响应之一来计算泄漏电阻。仿真电感值可以是变化的。控制模块将仿真电感的值调节到N个不同的值以改变仿真电感的感抗，其中N是大于一的整数。

在其它特征中，仿真电感包括可变电阻。控制模块将仿真电感的可变电阻调节到N个不同的值以改变仿真电感的感抗，其中N是大于一的整数。控制模块选择这N个值中与HV系统和车辆底盘之间的容抗抵消的一个。

在其它特征中，控制模块通过在这N个值中的所述一个被选择时使信号源生成AC电流信号和AC电压信号之一来计算在HV系统和车辆底盘之间的泄漏电阻。仿真电感还包括运算放大器，该运算放大器包含反相输入端和非反相输入端。第一电阻连接在HV系统和运算放大器的反相输入端之间。

在其它特征中，仿真电感还包括连接在HV系统和运算放大器的非反相输入端之间的电容。可变电阻连接到非反相输入端。第一电容、第一电阻和第二电阻串联连接在HV系统和车辆底盘之间。模数转换器具有连接在第一电阻和第二电阻之间的第一输入端以及连接到控制模块的输出端。

在其它特征中，控制模块生成泄漏电阻的T个值，选择这T个值中的S个值（其中S和T是大于二的整数，且S<T），并且根据这S个值来计算最终的泄漏电阻值。控制模块基于从HV控制器和车辆系统控制器之一接收的使能信号来选择这S个值。

在其它特征中，控制模块包括采样模块，该采样模块对AC电压响应和AC电流响应之一的多个半周期进行采样。相关性模块生成对应于AC电压响应和AC电流响应之一的该多个半周期的多个相关性值。

在其它特征中，泄漏计算模块基于AC电压响应和AC电流响应中的该一种的该多个半周期中选择的具有大于预定相关性值的相关性值的半周期来计算泄漏电阻。

在其它特征中，相关性模块通过使AC电压响应和AC电流响应中的该一种的该多个半周期中的每个与下列项中之一相关来生成多个相关性值：AC电压响应和AC电流响应之中的该一种的该多个半周期中的另一个；以及预定波形。

根据下文提供的详细描述，本公开的另外的适用性领域将变得清楚。应当理解的是，详细描述和特定的示例仅打算用于说明的目的，并且不是用来限制本公开的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，将更充分地理解本公开，在附图中：

图1是具有HV系统、LV电池系统、逆变器和电动机的车辆的功能框图；

图2A-2D是示出图1中的系统的AC等效阻抗的电气原理图；

图3是AC等效阻抗的电气原理图；

图4是示出使用物理电感器的感抗来抵消容抗的电气原理图；

图5是示出根据本公开使用控制模块和仿真可变电感来抵消容抗的电气原理图；

图6是串联和并联的仿真可变电感和等效电路的示例的电气原理图；

图7是根据本公开的隔离监测系统的更详细的电气原理图和功能框图；以及

图8是用于测量隔离的示例性控制模块的部分功能框图；

图9-11是用于测量隔离的示例性方法；

图12是用于测量隔离的另一控制模块的部分功能框图；以及

图13示出用于操作图12的控制模块的示例性方法。

具体实施方式

下面的描述本质上仅仅是说明性的，并且决不是打算用来限制本公开、其应用或使用。为了清楚的目的，相同的附图标记将在附图中用来标识相似的元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应被解释为意指使用非排他性逻辑“或”的逻辑（A或B或C）。应当理解的是，可以按不同的顺序来执行方法中的步骤，而不改变本公开的原理。

如本文所使用的，术语“模块”可以指的是以下部件，或者可以是以下部件的部分，或者包括以下步骤：专用集成电路（ASIC）；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；处理器（共享的、专用的或组）；提供描述的功能的其它适当的部件；或例如在片上系统中的上述部件的一些或全部的组合。术语“模块”可以包括存储由处理器执行的代码的存储器（共享的、专用的或组）。

如上文使用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指的是程序、例程、功能、类和/或对象。如上文使用的术语“共享的”意味着可以使用一个或多个处理器来执行来自多个模块的一些或所有代码。此外，来自多个模块的一些或所有代码可以存储在一个或多个物理存储位置上。如上文使用的术语“组”意味着可以使用一组处理器来执行来自单个模块的一些或所有代码。此外，可以使用一组存储器来存储来自单个模块的一些或所有代码。

本文所述的装置和方法可以由一个或多个处理器所执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序包括存储在非暂时的有形的计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括所存储的数据。非暂时的有形的计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器、磁性存储器和光学存储器。

根据本公开的控制系统和方法使用实质上抵消系统容抗的仿真感抗，并且确定泄漏电阻R_leak的值。如本文使用的，实质上抵消应当指的是足够的抵消以允许在期望容限内的泄漏电阻的测量。尽管将在具有HV电池的HV系统的上下文中描述本公开，但是其它系统可以依赖于其它类型的存储设备，该其他类型的存储设备例如是燃料电池或诸如涡轮机之类的HV电源。还预期了其它的存储设备和HV电源。如本文使用的，HV系统可以指的是包括电池、逆变器、电动机、空调系统以及输送电力和/或连接到高电压的其它辅助设备的整个电气系统。

现在参考图1，示例性混合动力车辆10被示为包括电动机20，该电动机20驱动该车辆10的一个或多个轮子22。电动机20可以被耦合到逆变器24，逆变器24逆变来自HV电池系统或例如燃料电池或某种其它形式的HV发电系统的DC电力。HV控制模块28控制HV系统26的操作。车辆10也可包括LV电池系统32。

现在参考图2A-2D，HV系统两端的AC等效阻抗被示为包括到达汽车底盘的电容C（例如Y电容器）的电容性耦合和电阻性耦合R_leak。在图2B中，当使用AC方法测试时，HV电池或电源的等效形式是对测试信号的短路。在图2C中，图2B的电路可以被简化为电容2C和电阻R_leak的并联组合。在图2D中，电容2C由电容C_tot代替，电容C_tot代表Y电容器、线路到底盘的电容、逆变器到底盘的电容、电池到底盘的电容、电动机到定子/底盘的电容，等等。

现在参考图3和4，当电阻R_leak的值比容抗X_Ctot大得多时存在测量泄漏电阻R_leak的挑战。在图3中，电阻R_leak的值在大部分车辆中通常是比容抗X_Ctot大的数量级。在图4中，物理电感器jX_L的感抗可以被用于抵消容抗-jX_Ctot。当容抗-jX_Ctot等于感抗jX_L时，则电阻R_leak等于V_AC/I_AC。然而实际上，物理电感器jX_L的值可能需要为大约2000到10,000H，这是不实际的。此外，容抗X_Ctot的确切值不是精确地已知的，和/或可能在操作期间改变。

现在参考图5，简化的原理图和功能框图示出一种隔离监测系统，该隔离监测系统包括被标识为100的仿真可变电感和扫描（sweep）该仿真电感的控制模块110（如将下面进一步描述的）。如本文使用的，术语“仿真电感”应当包括诸如电容器、电阻器、运算放大器等电路元件的组合，这些电路元件用于产生补偿HV系统与底盘之间的容抗所需要的感抗。此外，也可以使用运行电感器仿真软件的处理器、存储器和软件来实施该仿真电感。

控制模块110确定仿真电感的感抗jX_L何时等于容抗-jX_Ctot，并且然后测量电阻R_leak。更具体地，仿真可变电感100被扫描，直到谐振峰值被确定。虽然示出了AC电流信号源，但可以使用AC电压源并且可以测量AC电流响应。

现在参考图6，更详细地示出了仿真可变电感100的示例。仿真可变电感100包括电阻R₁、电容C、运算放大器120和可变电阻R₂。仿真可变电感100包括连接在HV系统和底盘之间的端子A和端子B。控制模块110在扫描期间经由端子C改变电阻R₂的值。电阻R₁连接在端子A和运算放大器120的反相输入端之间。电容C连接在端子A和运算放大器120的非反相输入端之间。可变电阻R₂连接到运算放大器120的非反相输入端。运算放大器的输出连接到反相输入端。仅举例来说，可变电阻R₂可以是数字或模拟的电位计、开关电阻器、电阻器的对和晶体管等。

对仿真电感的串联等效电路是串联连接的电感器L_s和电阻R_s：

$\mathrm{Rs}=\frac{R1\&CenterDot;(1+R1\&CenterDot;R2\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;C^2)}{1+{R1}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;C^2};$

$\mathrm{Ls}=\frac{R1\&CenterDot;(R2-R1)\&CenterDot;C)}{1+{R1}^2\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;C^2}$

对仿真电感的并联等效电路是并联连接的电感器L_s和电阻R_s：

$\mathrm{Rp}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;{\mathrm{Ls}}^2+{\mathrm{Rs}}^2}{\mathrm{Rs}};$ 以及

$\mathrm{Lp}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;{\mathrm{Ls}}^2+{\mathrm{Rs}}^2}{{\mathrm{\&omega;}}^2\&CenterDot;\mathrm{Ls}}$

现在参考图7，测量系统被示出为包括仿真可变电感100、控制模块110、电流源126和模数转换器（ADC）130。虽然不是必须的，在一个示例性实施方式中，控制模块110可以与ADC 130通信，并且可以控制可变电阻R₂的值。电流源126生成AC电流信号I_AC。电流源126通过电阻R₃和电容C₃连接到HV系统并且经由电容C₄和电阻R₄连接到仿真可变电感100。电容C₅以及包括电阻器R_5A和电阻器R_5B的分压器连接在HV系统与底盘之间。ADC 130与分压器通信。

例如，电流源126可以具有5μA或更高的幅值以及在0.5Hz和10Hz之间的频率，尽管可以使用其它值。电容C₃、C₄和C₅的示例值分别是0.2μA、2μA以及2nF到10nF，尽管可使用其它值。电阻R₂、R₃、R₄和R_5A的示例值分别是10kΩ、0.1kΩ到1kΩ、1MΩ到3MΩ以及10MΩ，尽管可以使用其它值。

现在参考图8，控制模块10的示例性实施方式被示为包括电阻扫描模块200、峰值模块210和泄漏电阻计算模块230。电阻扫描模块200改变可变电阻R₂的值。峰值模块210识别在峰值电压出现时电阻R₂的值。一旦峰值电压已确定，峰值模块210就设定可变电阻R₂的值。

当可变电阻R₂被设定为峰值电压处的值时，泄漏电阻计算模块230计算泄漏电阻R_leak的值。在一些示例中，泄漏电阻计算模块230可以在多个样本之上计算泄漏电阻R_leak。在其它示例中，当一些样本在诸如刹车、加速之类的某些车辆操作状况和/或很可能改变隔离测量的有效性的其它状况期间出现时，这样样本可以被宣布为无效。因此在一些实施方式中，泄漏电阻计算模块230可以从系统控制器或高电压控制器接收使能/去使能信号，以使能或去使能对特定的样本的泄漏电阻计算。

现在参考图9-11，示出了用于计算泄漏电阻R_leak的几个示例性方法。在图9中，在250，扫描可变电阻R₂。在252，识别峰值以用于可变电阻R₂的特定电阻值。在254，控制器将可变电阻R₂的值设定到在峰值处出现的值。在258，电流源注入电流信号I_AC，并且测量电压V_AC，或反之亦然。在262，计算泄漏电阻R_leak。如能够认识到的那样，可以在工厂执行块250、252和254，并且可以在车辆离开工厂之前存储可变电阻R₂的选定电阻值。可替代地，可以在车辆在路上时对应每次测量、周期性地或以其它间隔执行块250、252和254。

在图10中，如上所述地执行块250、252和254。在270，校准电阻从HV系统的点连接到底盘。在272，注入AC电流信号I_AC，并且测量电压V_AC。在274，泄漏电阻R_leak被计算并且以在查找表（LUT）中的选定校准电阻的值来存储。连接额外的校准值，并且测量和存储R_leak。在一些情况下，LUT可以由数学关系式代替。

在图11中，查找表或数学关系式存储在车辆中。如上所述地执行块250、252和254。在270，注入AC电流信号I_AC并且测量电压V_AC。在284，计算泄漏电阻R_leak。在290，所计算的泄漏电阻R_leak用于访问LUT，并且选择一个或多个校准值。如果所计算的泄漏电阻R_leak位于所存储的校准值之间，则可以执行插值法或其它估计方法。可替代地，LUT可以由适当的数学关系式代替。

现在参考图12，示出了替代的方法。采样模块300采样响应于电流信号I_AC的电压V_AC。反转模块302反转电压V_AC的负半周期。相关性模块314在电压V_AC的半周期之间执行相关性测量。样本选择器模块316选择具有高于相关性阈值的相关性值的电压V_AC的半周期。泄漏电阻计算模块320根据电压V_AC的选定半周期计算泄漏电阻R_leak。

现在参考图13，在可变电阻R₂被设定到在峰值处出现的值时，在350存储电压V_AC的多个半周期。在356，反转电压V_AC的负半周期。在360，针对样本生成相关性值。在364，控制器选择具有大于相关性阈值的相关性值的样本。在370，控制器根据选定的样本计算泄漏电阻R_leak。如能够认识到的那样，可以在没有反转的情况下执行相关，并且也可以通过与所存储的波形（例如正弦波值）进行比较来执行相关。

存在由根据本公开的隔离监测系统提供的很多优点。上述方法具有相对高的精确度，并且不需要到底盘的DC路径。不需要昂贵的光学开关。可以在不安装HV电池的情况下执行隔离测试。为了更鲁棒的结果和较少的错误正值或错误负值，测量结果可以由控制模块验证。在内在地噪声方面污染的环境中，存在高度的内置的抗噪度。诸如10μA之类的非常小的测试信号可以能够产生可接受的结果。

可以以各种形式实施本公开的广泛教导。因此，虽然本公开包括特定的示例，本公开的真实范围不应被如此限制，因为有技术的从业者在研究附图、说明书和所述权利要求之后，其它变型将变得明显。

Claims (22)

1.一种用于测量车辆的高电压（HV）系统与车辆底盘之间的泄漏电阻的系统，包括：

仿真电感，其连接在所述HV系统和所述车辆底盘之间，并且具有大体上抵消所述HV系统与所述车辆底盘之间的容抗的感抗；

信号源，其在所述HV系统和所述车辆底盘之间输出AC电流信号和AC电压信号之一；以及

传感器，其测量下列项之一：

对所述HV系统与所述车辆底盘之间的所述AC电压信号的AC电流响应；以及

对所述HV系统与所述车辆底盘之间的所述AC电流信号的AC电压响应。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：

控制模块，其基于下列项之一来计算泄漏电阻：

所述AC电流信号和所述AC电压响应；以及

所述AC电压信号和所述AC电流响应。

3.如权利要求2所述的系统，其中：

所述仿真电感的值能够被改变；并且

所述控制模块将所述仿真电感的值调节到N个不同的值以改变所述仿真电感的所述感抗，其中N是大于一的整数。

4.如权利要求2所述的系统，其中：

所述仿真电感包括可变电阻；并且

所述控制模块将所述仿真电感的所述可变电阻调节到N个不同的值以改变所述仿真电感的所述感抗，其中N是大于一的整数。

5.如权利要求3所述的系统，其中，所述控制模块选择所述N个值中与所述HV系统和所述车辆底盘之间的所述容抗相抵消的一个值。

6.如权利要求4所述的系统，其中，当所述N个值中的所述一个值被选择时，所述控制模块通过使所述信号源生成所述AC电流信号和所述AC电压信号中的所述之一来计算所述HV系统和所述车辆底盘之间的所述泄漏电阻。

7.如权利要求4所述的系统，其中，所述仿真电感还包括：

运算放大器，其包含反相输入端和非反相输入端；以及

第一电阻，其连接在所述HV系统与所述运算放大器的所述反相输入端之间。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述仿真电感还包括：

连接在所述HV系统与所述运算放大器的所述非反相输入端之间的电容，

其中，所述可变电阻连接到所述非反相输入端。

9.如权利要求2所述的系统，还包括：

第一电容；

第一电阻；

第二电阻，其中所述第一电容、所述第一电阻和所述第二电阻串联连接在所述HV系统与所述车辆底盘之间；以及

模数转换器，其具有连接在所述第一电阻与所述第二电阻之间的第一输入端以及连接到所述控制模块的输出端。

10.如权利要求2所述的系统，其中：

所述控制模块生成所述泄漏电阻的T个值，选择所述T个值中的S个值，并且根据所述S个值来计算最终的泄漏电阻值，其中S和T是大于二的整数，并且S<T；并且

所述控制模块基于从HV控制器和车辆系统控制器之一接收的使能信号来选择所述S个值。

11.如权利要求2所述的系统，其中，所述控制模块包括：

采样模块，其对所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的多个半周期进行采样；以及

相关性模块，其生成与所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期对应的多个相关性值。

12.如权利要求11所述的系统，还包括：

泄漏计算模块，其基于所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期中选择的具有大于预定相关性值的相关性值的半周期来计算所述泄漏电阻。

13.如权利要求11所述的系统，其中，所述相关性模块通过使所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期中的每个半周期与下列项之一相关来生成所述多个相关性值：

所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期中的另一个半周期；以及

预定波形。

14.一种用于测量车辆的高电压（HV）系统与车辆底盘之间的泄漏电阻的方法，包括：

在所述HV系统与所述车辆底盘之间生成仿真电感；

使用所述仿真电感的感抗来大体上抵消所述HV系统与所述车辆底盘之间的容抗；

在所述HV系统与所述车辆底盘之间生成AC电流信号和AC电压信号之一；以及

测量下列项之一：

对所述HV系统与所述车辆底盘之间的所述AC电压信号的AC电流响应；以及

对所述HV系统与所述车辆底盘之间的所述AC电流信号的AC电压响应。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

基于下列项之一来计算泄漏电阻：

所述AC电流信号和所述AC电压响应；以及

所述AC电压信号和所述AC电流响应。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

将所述仿真电感的可变电阻调节到N个不同的值以改变所述仿真电感的所述感抗，其中N是大于一的整数。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

选择所述N个值中大体上抵消所述HV系统与所述车辆底盘之间的容抗的一个值。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

当所述N个值中的所述一个值被选择时，通过生成所述AC电流信号和所述AC电压信号中的所述之一来计算所述HV系统与所述车辆底盘之间的所述泄漏电阻。

19.如权利要求14所述的方法，还包括：

生成所述泄漏电阻的T个值；

选择所述T个值中的S个值，其中S和T是大于二的整数，并且S<T；以及

根据所述S个值来计算最终的泄漏电阻值；

基于从HV控制器和车辆系统控制器之一接收的使能信号来选择所述S个值。

20.如权利要求15所述的方法，还包括：

对所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的多个半周期进行采样；以及

生成与所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期对应的多个相关性值。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：

基于所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期中选择的具有大于预定相关性值的相关性值的半周期来计算所述泄漏电阻。

22.如权利要求20所述的系统，其中，通过使所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期中的每个半周期与下列项之一相关来生成所述多个相关性值：

所述AC电压响应和所述AC电流响应中的所述之一的所述多个半周期中的另一个半周期；以及

预定波形。

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