CN103033704B - 电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统，包括用于发出故障指令的故障指令输出单元，根据故障指令同时或延时注入多个故障的多个故障注入单元，用于采集待检测位置的电气参数及非电气参数的多个信号检测单元，用于实时记录多个故障点在发生故障的前后过程中多个信号检测单元采集的电气参数及非电气参数的信号录波单元，用于对录入的电气参数及非电气参数进行分析处理的数据分析处理单元，用于传输或打印输出数据分析处理单元中的数据或图形的数据输出单元，用于模拟燃料电池电堆向PCU控制器供直流电的能源模拟单元，用于模拟车辆实际工况的工况模拟单元。该试验系统能满足所有电驱动汽车的整车电气故障动态模拟测试。

Description

电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种动态模拟试验系统，特别是涉及一种电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统及方法。

背景技术

目前，在新能源汽车中，人们更多的将注意力集中在电机、电池和电控技术上，而在实际应用中，还有一个非常重要的零部件系统——高压电气系统。在电动汽车中，高压电气系统的作用是把燃料电池、动力电子元器件、零部件，以及电机等全部连在一起，与传统燃料汽车相比，新能源车从轻度混合（12V或14V的电池）、中度混合（电压大道120V、甚至更高到144V）、全混合（电池电压在288V-360V之间），到全电动车发展的进程中，电压也逐级升高，使得高压电气系统面临诸多问题。高压电气系统涉及到的零部件包括高压线束、接插件和动力配电系统。

电动汽车是实现汽车工业可持续发展的重要方向。混合动力电动汽车仪器形式灵活、可实施性强的优点，成为本世纪电动汽车研究开发的重要方向之一。作为混合动力汽车的核心控制器件，PCU（Power Co ntrol Unit，动力总成控制单元）控制器是混合动力电动汽车开发的关键环节。新能源电动汽车相对于传统车电气系统的电压等级及承载电流都有了很大提高，因此，电动汽车的高压系统设计的正确性、可靠性对行车安全非常重要，目前汽车行业还没有成熟的试验手段来做这方面的试验验证。如何根据对整车试验及示范运行过程中故障及相关数据，实现故障再现，完善原方案并实现验证，进行电动汽车高压电气系统的健康度诊断，成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统，该试验系统能满足所有电动汽车的整车电气故障动态模拟测试。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统，所述高压电气系统包括PCU控制器、与PCU控制器电气连接的永磁同步电机，其包括以下部分：

故障指令输出单元，用于发出故障指令；

多个故障注入单元，与高压电气系统中的多个故障点分别电气连接，根据故障指令输出单元输出的故障指令来同时或延时注入多个故障；

多个信号检测单元，在高压电气系统的多个待检测位置分别接入信号检测单元，用于采集待检测位置的电气参数及非电气参数；

信号录波单元，用于实时记录多个故障点在发生故障的前后过程中多个信号检测单元采集的电气参数及非电气参数；

数据分析处理单元，用于对信号录波单元中录入的电气参数及非电气参数进行分析、比较、整理，并编辑成可直观分析的数据或图形；

数据输出单元，用于传输或打印输出数据分析处理单元中的数据或图形；

能源模拟单元，与PCU控制器电气连接，用于模拟燃料电池电堆向PCU 控制器供直流电；

工况模拟单元，与永磁同步电机电气连接，用于模拟车辆实际工况。

优选地，所述工况模拟单元为电力测功机。

优选地，所述能源模拟单元为可编程控制直流电源。

优选地，所述故障注入单元为3个，每个故障注入单元连接高压电气系统中一个的故障点。

优选地，所述非电气参数包括环境参数。

优选地，所述高压电气系统还包括动力蓄电池，所述动力蓄电池通过充电机充电。

优选地，所述PCU控制器的工作电源为12V蓄电池。

本发明还提供一种电动汽车高压电气故障动态模拟试验方法，采用电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统进行模拟试验，所述试验系统包括故障指令输出单元、与高压电气系统中的多个故障点分别电气连接的多个故障注入单元、与高压电气系统的多个待检测位置分别电连接的多个信号检测单元、信号录波单元、数据分析处理单元、数据输出单元、与PCU控制器电气连接的能源模拟单元、与永磁同步电机电气连接的工况模拟单元，所述试验方法包括以下步骤：

A．故障指令输出单元输出故障指令给各故障注入单元；

B．多个故障注入单元根据故障指令输出单元输出的故障指令来同时或延时注入多个故障；

C．多个信号检测单元分别采集多个待检测位置的电气参数及非电气参数；

D．信号录波单元实时记录多个故障点在发生故障的前后过程中多个信号检测单元采集的电气参数及非电气参数；

E．数据分析处理单元对信号录波单元中录入的电气参数及非电气参数进行分析、比较、整理，并编辑成可直观分析的数据或图形；

F．数据输出单元传输或打印输出数据分析处理单元中的数据或图形。

如上所述，本发明的电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统及方法，能满足所有电驱动汽车的整车电气故障动态模拟测试，如电动汽车短路、断路、过流、过压、欠压、绝缘失效、连接失效等异常电气故障。

附图说明

图1显示为本发明电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统的示意图。

图中标号说明

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，一种电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统，高压电气系统包括PCU控制器3、与PCU控制器3电气连接的永磁同步电机4，所述模拟试验系统包括以下部分：

故障指令输出单元7，用于发出故障指令，该单元基于专门应用软件，可通过电脑屏幕在测试原理图上直接点击故障类型及位置实现故障输出动作；

多个故障注入单元，本实施例选取3个故障注入单元81、82、83，分别与高压电气系统线路中有代表性的3个故障点a、b、c电连接（具体方法是把故障点a处的导线断开抽取连线到故障注入单元81，把故障点b 处的导线断开抽取连线到故障注入单元82，把故障点c处的导线断开抽取连线到故障注入单元83），根据故障指令输出单元7发出的故障指令来同时或延时注入多个故障，如同时注入3个故障，也可单个故障分别注入；

多个信号检测单元91、92、93，在高压电气系统的待检测位置e、f、 g分别接入信号检测单元91、92、93，用于采集待检测位置e、f、g的电气参数（电流、电压、频率、功率和电抗等）及非电气参数（包括环境参数，如时间、温度等）的数字或模拟信号，待检测位置不限于e、f、g这三处，可以根据需要设置多个；

信号录波单元10，用于实时记录故障点a、b、c在发生故障的前后过程中信号检测单元91、92、93采集的电气参数及非电气参数；

数据分析处理单元11，用于对信号录波单元10中录入的电气参数及非电气参数进行分析、比较、整理，并编辑成可直观分析的数据或图形；

数据输出单元12，用于传输或打印输出数据分析处理单元11中的数据或图形；

能源模拟单元13，与PCU控制器3电气连接，用于模拟燃料电池电堆向 PCU控制器供直流电；

工况模拟单元14，与永磁同步电机4电气连接，用于模拟车辆实际工况。

其中，能源模拟单元13优选为可编程控制直流电源，工况模拟单元14 优选为电力测功机。

如图1所示，本发明中的高压电气系统还包括动力蓄电池1，动力蓄电池1通过充电机2充电，动力蓄电池1和能源模拟单元13向PCU控制器3供直流电，PCU控制器3将直流电转换成交流电后通过永磁同步电机4驱动电力测功机14。

如图1所示，所述PCU控制器3上还带有两个第一负载6（如空调等），并且PCU控制器3的工作电源为12V蓄电池5，所述PCU控制器3内含DC/D C（direct current，直流变直流，低压升高压）、WC（water con trol，水泵控制器）、DCL（direct current low，直流变直流，高压变低压，用于给12V蓄电池充电用）、交直流转换模块、永磁同步电机控制模块等高压器件。

图1中带箭头的虚线为故障输入及检测信号输出线路，粗实连接线为高压电气系统内动力线束，故障点就选在这些动力线束上。

利用本发明的电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统进行模拟的方法如下：

A．故障指令输出单元7输出故障指令给各故障注入单元81、82、83；

B．多个故障注入单元81、82、83根据故障指令输出单元7输出的故障指令来同时或延时注入多个故障；

C．多个信号检测单元91、92、93分别采集多个待检测位置e、f、g在高压电气系统回路在故障状态下的电气参数及非电气参数；

D．信号录波单元10实时记录多个故障点a、b、c在发生故障的前后过程中多个信号检测单元采集的电气参数及非电气参数；

E．数据分析处理单元11对信号录波单元10中录入的电气参数及非电气参数进行分析、比较、整理，并编辑成可直观分析的数据或图形，这些数据或图形通过专门软件进行处理，处理后能直观读取或判断；

F．数据输出单元12传输或打印输出数据分析处理单元11中的数据或图形。

本发明的电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统采用物理模拟（区别于数字仿真）的方法模拟功率电子单元（例如PCU控制器中的交直流转换模块、永磁同步电机控制模块等功率电子单元），达到既能满足极端试验时的重复试验又不影响功率电子单元的外特性的要求；应用可编程控制直流电源代替燃料电池电堆参与电气故障的动态模拟；将电力测功机接入被测对象部分模拟整车各种工况条件；该试验系统能做到多点故障的同时或延时的准确实现，能满足所有电驱动汽车的整车电气故障动态模拟测试，如电动汽车短路、断路、过流、过压、欠压、绝缘失效、连接失效等异常电气故障。

基于对电动汽车高压电气系统的主要故障失效模式及故障影响进行分析（DFMEA分析），从技术方案上采取相应对策，验证这些更改设计的正确性、有效性，并通过本发明的电动汽车高压电气故障动态模拟测试真实分析试验汽车在故障下各系统电气参数变化，供设计优化参考，并且利用本发明的系统平台，可深入分析各关键部件在实际工况下的故障特征（故障机理及故障分型），验证整车安全控制策略的鲁棒性、时效性并通过测试为相关标定工作提供依据。

本发明根据对整车试验及示范运行过程中故障及相关数据，实现故障再现，完善原方案并实现验证；通过该平台可以对高压电气系统的健康度做诊断，预判故障趋势，逐步建立电动汽车电气系统健康度评价体系，本发明的系统能满足所有电驱动汽车的整车电气故障动态模拟测试，解决电动汽车高压单元设计的正确性、可靠性方面的试验验证问题。

通过这个模拟试验系统平台，可以验证新能源电动汽车的高压系统的安全性设计（器件选型、子系统间的参数匹配、整个电气系统的安全控制策略的验证等）例如：车辆发生碰撞后，车辆的电气系统是否按照我们设计师预先考虑的程序进行了应急处理，如果处理正确它可以最大限度的避免了事故发生后的次生灾害的发生；对新能源电动车辆在示范运行阶段的故障实现故障再现，找出设计上的缺陷，从而完善设计，然后再验证；基于这个系统平台可以对新能源电动车辆的电气系统的高压部分健康度进行诊断，例如对系统主电机（永磁同步电机4）进行故障机理分析（故障诊断、故障分型），通过对主电机预设故障（例如永磁电机的高温失磁分析），考核主电机发生故障后，它对我们的整个高压电气系统线路会产生什么样的影响，通过分析后我们从系统角度如何规避或提前做何种方式处理等一些很前瞻的电动汽车电气安全技术问题。

本发明的电动汽车高压电气故障动态模拟试验系统，是基于整车的高压电气系统，故障注入是硬件层的，整个故障注入单元是要特别设计的，要考虑系统故障的单个或多个，同时或延时性，其不是简单线束间的切换；在被测对象中，PCU控制器需要重新设计，使得在一些极端故障，例如短路中，能经受短路电流的冲击，它能够重复使用而不会损坏；本发明用电力测功机模拟真实的工况（把真实采集的路谱输入进去），在真实工况下实现故障注入，属在线型，不是离线型；并且，本发明中用可编程控制直流电源代替动力电池和燃料电池系统实现能量的输出，简化了系统构成，使用方便。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统，所述高压电气系统包括PCU控制器、与PCU控制器电气连接的永磁同步电机和动力蓄电池，其中，所述电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统包括：

故障指令输出单元，用于发出故障指令；

多个故障注入单元，与高压电气系统中的多个故障点分别电气连接，根据故障指令输出单元输出的故障指令来同时或延时注入多个故障，所述多个故障注入单元包括：

电气连接在所述PCU控制器和动力蓄电池之间的第一故障注入单元；

电气连接在所述PCU控制器和所述永磁同步电机之间的第二故障注入单元；和

电气连接在所述PCU控制器和第一负载之间的第三故障注入单元；

多个信号检测单元，在高压电气系统的多个待检测位置分别接入信号检测单元，用于采集待检测位置的电气参数及非电气参数，所述多个信号检测单元包括：

连接在所述PCU控制器和动力蓄电池之间的第一信号检测单元；

连接在所述PCU控制器和能源模拟单元之间的第二信号检测单元；和

连接在所述PCU控制器和第一负载之间的第三信号检测单元；

信号录波单元，用于实时记录多个故障点在发生故障的前后过程中多个信号检测单元采集的电气参数及非电气参数；

数据分析处理单元，用于对信号录波单元中录入的电气参数及非电气参数进行分析、比较、整理，并编辑成可直观分析的数据或图形；

数据输出单元，用于传输或打印输出数据分析处理单元中的数据或图形；

能源模拟单元，与PCU控制器电气连接，用于模拟燃料电池电堆向PCU控制器供直流电；以及

工况模拟单元，与永磁同步电机电气连接，用于模拟车辆实际工况。

2.根据权利要求1所述的电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统，其特征在于，所述工况模拟单元为电力测功机。

3.根据权利要求1所述的电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统，其特征在于，所述能源模拟单元为可编程控制直流电源。

4.根据权利要求1所述的电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统，其特征在于，所述非电气参数包括环境参数。

5.根据权利要求1所述的电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统，其特征在于，所述动力蓄电池通过充电机充电。

6.根据权利要求1所述的电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统，其特征在于，所述PCU 控制器的工作电源为12V蓄电池。

7.一种电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验方法，采用电动汽车高压电气系统故障动态模拟试验系统进行模拟试验，所述高压电气系统包括PCU控制器、与PCU控制器电气连接的永磁同步电机和动力蓄电池，其特征在于，所述试验系统包括故障指令输出单元、与高压电气系统中的多个故障点分别电气连接的多个故障注入单元、与高压电气系统的多个待检测位置分别电连接的多个信号检测单元、信号录波单元、数据分析处理单元、数据输出单元、与PCU控制器电气连接的能源模拟单元、与永磁同步电机电气连接的工况模拟单元，所述试验方法包括以下步骤：

A．故障指令输出单元输出故障指令给各故障注入单元；

B．多个故障注入单元根据故障指令输出单元输出的故障指令来同时或延时注入多个故障，所述多个故障注入单元包括：

电连接在所述PCU控制器和动力蓄电池之间的第一故障注入单元；

电连接在所述PCU控制器和所述永磁同步电机之间的第二故障注入单元；和

电连接在所述PCU控制器和第一负载之间的第三故障注入单元；

C．多个信号检测单元分别采集多个待检测位置的电气参数及非电气参数，所述多个信号检测单元包括：

连接在所述PCU控制器和动力蓄电池之间的第一信号检测单元；

连接在所述PCU控制器和能源模拟单元之间的第二信号检测单元；和

连接在所述PCU控制器和第一负载之间的第三信号检测单元；

D．信号录波单元实时记录多个故障点在发生故障的前后过程中多个信号检测单元采集的电气参数及非电气参数；

E．数据分析处理单元对信号录波单元中录入的电气参数及非电气参数进行分析、比较、整理，并编辑成可直观分析的数据或图形；

F．数据输出单元传输或打印输出数据分析处理单元中的数据或图形。