CN103376385A - 基于高频信号注入的高电压联锁 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了判定逆变器模块与远离的电机之间的高电压线缆的连通性的系统、方法和装置。高频(HF)联锁模块用于注入能够叠加到逆变器驱动信号的高频励磁信号。可以确定高频电流分量并将其用于判定连通状态。可以将正、负序分量值之和值与其差值同预设限度作比较,以检测一个或者多个断相。示例性方法可以包括在预设条件下启用HF检测策略。可以响应于断相检测来设置故障标记。

Description

基于高频信号注入的高电压联锁
技术领域
本发明总体上涉及用于高电压线缆连通性的方法和装置,具体地涉及高电压联锁的电子方法。
背景技术
电动(EV)或混合动力电动车辆(HEV)可以通过电驱动系统采用电能推进,电驱动系统可以包含耦接到电机、例如电动机的功率转换电路。在这种配置中,功率转换电路可以将功率从功率源,例如高压电池,可控地传递到电动机以驱动负载。在许多情况下,功率转换电路集成到车辆驱动桥。然而,在其他情况下,功率转换电路与驱动桥物理地分离开,该二者通过高电压线缆电耦接。在这种类型的系统中,如果系统要如预期地操作,正确的线缆连通是必要的。例如,当车辆电驱动系统包括三相永磁同步电机时,必须连通线缆以使所有三相电流可以在功率转换电路和电动机之间流动。因此,具有远离驱动桥的功率转换电路的车辆典型地包含一些用于检测断相的装置。习惯上,采用机械装置,例如物理开关。例如,外壳可以包含集成的联锁开关。当线缆连接器插入外壳中时,可以改变联锁开关状态,例如从开到关。然后,联锁开关状态的改变可以通过联锁线路传递给系统控制器。然而由于机械部件可以弱化、失效、或者以其他方式证明为不可靠,机械开关的使用给系统引入了一定程度的风险。
为了避免与使用机械手段关联的可靠性和成本问题,已经提出了判定线缆连通性的替代方法。举例来说,已经公开了一种将实际定子电流与预估定子电流进行比较以判定连通性的解决方案。然而,当在电动机转矩较小的操作模式中使用时,这种方法易于出现误报。作为另一实例,已经公开了一种在电动机的直轴(d-axis)注入脉冲电流的脉冲电流法,其可以在低转矩操作期间指示连通状态,而不会引发大量误报。然而,本方法受到令人不快的噪声、振动及声振粗糙度(NVH)问题的困扰。
发明内容
本发明给出了用于高电压线缆连通性的电子判定方法和装置。示例系统可以包括功率转换单元、通过高电压线缆耦接到功率转换单元的电机、以及用于判定线缆连通状态的高频(HF)联锁模块。示例系统可以用于混合动力电动车,用以判定用于耦接功率转换单元与远离的电机的高电压线缆的连通性。在示例性实施例中,系统可以配置为在基础指令电压上叠加高频信号,确定高频电流分量值(high frequency current component value),并使用高频电流分量值执行故障检测功能。示例系统可以包含基于电动机操作模式或特征启用故障检测策略的策略确定模块。
高频联锁模块的一个示例可以包括用于向基础信号注入高频信号分量的电压注入模块、用于确定高频电流分量值的电流分量值确定模块、以及配置为基于高频电流分量值判定线缆连通性的故障检测模块。
示例方法可以包括注入高频电压信号、确定与高频电流关联的正、负序分量值、以及使用正、负高序分量值执行故障检测功能。示例方法可以包含当满足一个或者多个预设操作条件时启用高频策略,并且可以进一步包含当不满足预设条件时禁用所述高频策略。
附图说明
图1示出了一示例系统;
图2示出了一示例系统;
图3示出了一示例性实施例的原理框图;
图4示出了一示例性实施例的原理框图;
图5示出了一示例方法;
图6示出了一示例系统的示例性操作区域;
图7示出了一示例方法;
图8示出了一示例方法;
图9示出了一示例方法。
具体实施方式
按照规定,以下公开本发明的示例性实施例。各种实施例旨在作为本发明各种实施方式的非限制性示例,应当理解,本发明可以以各种替代形式实施。以下将参照附图更详细地阐述本发明,其中,在全部附图中相似的附图标记表示相似的部分,并且其中示出了示例性实施例。附图不一定按比例绘制,某些特征可以放大或缩小以示出特定部分的细节,相关部分可以去除以防止遮盖新颖的方面。本发明所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制,而仅仅是权利要求的基础以及用于作为教导本领域技术人员不同地使用本发明的典型基础。例如,尽管在车辆背景下论述示例性实施例,应当理解本发明不限于该特定装置。在特定模块或装置上执行的背景下论述的同样功能可以由不同模块或装置执行或结合,而不脱离权利要求保护的范围。
现在转到附图,图1示出了示例系统2,其中,高电压线缆4用于将电机(EM)6耦接到功率转换单元10。高电压线缆4可以用于传导由功率转换单元10提供的三相电流,以起动EM6的操作。在示例性实施例中,EM6可以是永磁同步电动机(PMSM)的形式,例如,与功率转换单元10配合以便为车辆,如电动或混合动力电动车辆,提供电驱动系统的PMSM。示例性实施例可以包括策略确定模块(SDM)18,其配置为选择并启用故障检测策略以检测线缆4连通性。举例来说,策略选择可以基于预设条件以及EM6的当前操作特性。示例系统可以包括配置为使用高频电流来判定高电压线缆4连通性的高频联锁模块20。高频联锁模块20可以响应于检测到一个或者多个断相而设置故障标记。举例来说,在功率转换单元10和EM6组成车辆的电驱动系统的情况下,故障标记可以引起电子控制单元或者其他车辆控制模块(未示出)停止车辆操作。
转到图2,示例功率转换单元10可以耦接到功率源(PWR)12。在示例性实施例中,功率源12可以包含dc(直流)功率源,例如高电压电池。逆变器14可以用于将来自功率源16的DC电压转换为用于EM6的三相交流电流。举例来说,但非限制,功率转换单元10可以包括逆变器控制器16,其用于为逆变器14提供驱动信号,以产生所需的逆变器14输出。逆变器控制器16可以包含用于执行确定适当驱动信号所需的操作的处理装置以及向逆变器14提供驱动信号所需的硬件、软件、固件。逆变器14可以包含具有功率电子设备、例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的逆变电路,IGBT可以通过由逆变器控制器16提供的电压驱动信号快速地开启和关闭,以向EM6提供三相励磁电流(three phase excitation current)。
可包含硬件、软件、固件或者其某些组合的SDM18以及高频联锁模块22可以集成到逆变器控制器16、作为独立单元实施、或者以其他方式配置。在示例性实施例中,SDM18和高频联锁模块20包含用于由功率转换单元10的处理装置所执行的软件。在进一步的实施例中,SDM18和/或高频联锁模块20可以配置为与远离功率转换单元10的控制功能配合。示例SDM18可以用于选择策略以判定线缆4连通性,因此,可以基于EM6操作状态执行最优策略,最小化错误检测或者检测失败的可能性。例如,可以基于当前操作参数,例如机械转矩和转速,来选择策略。在示例性实施例中,可以以慢循环控制算法(slow loop control algorithm)启动SDM18。
在示例性实施例中,高频联锁模块22可以包含高频注入模块22、分量值确定模块(CVDM)24以及连通性判定模块26。示例注入模块22可以用于注入可以提供到逆变器电路18的高频励磁信号,引起逆变器电路18除了为EM6输出三相励磁电流以外还输出高频电流。线缆4内的电流可以被电流传感器8采样并提供到CVDM24,用于检测高频电流以及确定高频分量值。连通性判定模块(CDM)26可以配置为使用分量值判定线缆4的连通性。例如,CDM26可以用于判定线缆连通性是否容许EM6能正常操作,或者是否存在一个或者多个断相。在示例性实施例中,CDM26可以配置为如果其判定一或多个相断相则设置故障标记。在示例性实施例中,高频联锁模块22可以包含用于与现有的功率转换单元硬件和处理能力配合的软件。
图3示出了本发明的示例系统的原理框图。电流映射模块(currentmapping module)30可以用于接收对于EM6的转矩需求。例如,如果实施为电动或者混合动力电动车辆的电驱动系统的一部分,转矩需求可以是车辆操作状态以及所需车速。如本领域技术人员可以理解的,电流映射模块30可以确定EM6所需的指令电流以满足转矩需求。
比较模块32可以用于将电流映射模块32所确定的指令电流与反馈电流作比较,以确定满足转矩需求所需电流的变化。在示例性实施例中,通过传感器8对线缆4中的电流采样以提供用于比较的反馈电流。CTM40可以接收以静态系(static frame)表达的反馈电流,并出于电流控制目的将其转变为旋转参照系(rotating frame of reference),例如通过本领域已知的用于电动机的磁场定向控制的帕克和克拉克变换(Park and Clarktransformations)。比较模块32可以向电流控制模块34提供所需的电流变化,电流控制模块34可以用于确定产生期望的逆变器输出所需的电压信号。可以将所需电压提供到坐标变换模块(CTM)36,坐标变换模块(CTM)36用于将所需电压变换为与EM6的定子(未示出)关联的静态参照系。例如,可以将CTM36配置为执行反向帕克和克拉克变换。CTM36可以用于提供三相电压VA、VB、VC,以在逆变器14产生所需的相电流输出。在示例性实施例中,驱动信号包含可以施加到逆变器14的各种晶体管的栅极以产生所需电流的电压电平以及占空比。
转到高频联锁模块20,在示例性实施例中,高频信号注入模块22可以用于注入高频电压信号。高频注入模块22可以包含引起信号注入的硬件、软件、固件。在示例性实施例中,高频电压信号可以包含小于或者等于10V的电压电平以及500到1000Hz范围内的频率。高频信号可以在信号合并器38叠加到相电压VA、VB、VC,然后信号的组合提供至逆变器14,逆变器14可以用于向EM6输出三相电流和高频电流。
传感器8可以用于向高频联锁模块20以及逆变器控制器16提供反馈电流。如先前所述,比较模块32可以使用反馈电流确定所需的指令电流。高频联锁模块20可以用于检测反馈电流中的高频电流,并且用其分量判定高电压线缆4是否正确连通或者一个或多个相是否断相。
在示例性实施例中,CVDM24可以用于检测高频电流以及确定其正、负序分量。当高频电压信号施加到电动机、例如PMSM时,电动机总体上作为纯电感负载运转。当忽视共振和速度因素时,高频分量的简化表达可以描述为以下方程式:
v → s dq = R s i → s dq + p ( Σ L s i → s dq - ΔL s ej 2 θ r i → s * dq ) + ω r λ m e jθ r - - - ( 1 )
Σ L s = L q + L d 2 , ΔL s = L q - L d 2
其中:
Figure BDA00003057299600067
是定子电压矢量;
Rs是PMSM定子电阻;
Figure BDA00003057299600068
是定子电流矢量;
Lq是沿q轴的定子电感;
Ld是沿d轴的定子电感;
θr是转子角位置;
ωr是转子转速;
λm是PM磁链。
由(1)可以得出:
v → s dq _ c ≅ p ( Σ L s i → s dq _ c - ΔL s e j 2 θ r i → s dq _ c * ) - - - ( 2 )
其中:
Figure BDA00003057299600065
是高频定子电压矢量;以及
Figure BDA00003057299600066
是高频定子电流矢量。
如以下(3)和(4)中所示,高频电流可以包含正序和负序分量,该正序和负序分量具有取决于施加的电压信号及PMSM电感特性的振幅:
v → s dq _ c = V c e jθc = V c ( cos ω t + j sin ω c t ) i → s dq _ c = I cp e j ( ω c t - π 2 ) + I cn e j ( - ω c t + 2 θ r + π 2 ) - - - ( 3 )
I cp = V c ω c Σ L s Σ L s 2 - ΔL s 2     (4)
I cn = V c ω c ΔL s 2 Σ L s 2 - ΔL s 2
其中Vc是高频电压信号的振幅;
ωc是高频电压信号的角频率;
θr是转子角位置。
Ld与Lq之间的差值称为PMSM的显著值。如以上(3)和(4)中所述,负序分量Icn与电动机显著值直接相关。此外,从其中还可以看出,当PMSM正常运行时,正序分量振幅Icp大于负序分量振幅Icn。依靠此关系,本发明的系统可以用于确定振幅Icp和Icn,或者确定与振幅Icp和Icn相关的分量值并且使用其判定高电压线缆是否正确连通。
图4示出了示例CVDM24,其可以用于确定高频电流的正、负序分量值。CVDM24可以包含第一坐标变换模块(CTM)42,其用于将定子反馈电流
Figure BDA00003057299600074
由静态系转换为正向旋转系,例如通过本领域已知的帕克和克拉克变换。例如,CTM42可以用于提供具有直轴(direct-axis)is pd和正交轴(quadrature-axis)is pq分量的定子反馈电流
Figure BDA00003057299600075
以便可以确定正序分量值。CTM42输出
Figure BDA00003057299600076
可以提供到高频电流检测模块44,高频电流检测模块44可以用于检测总反馈电流的高频电流分量。举例来说,但非限制,检测模块44可以实施为低通滤波器,低通滤波器配置为使具有集中在高频信号载波频率处的频率的信号通过。因此,检测模块44可以用于输出具有直轴分量is pd_c和正交轴分量is pq_c的高频电流输出可以提供到正序值模块(PSVM)46,正序值模块(PSVM)46用于确定与高频电流正序分量相关的值。在示例性实施例中,PSVM46可以配置为将直轴is pd_c和正交轴is pq_c分量相加,并取和的平方根,以获得正序分量的振幅Icp。在进一步的实施例中,PSVM46可以用于确定(ipd_c 2+ipq_c 2)的值,其可以由Icp 2表示,以避免执行平方根函数所需的额外处理。
在平行的路线中,CTM43可以用于将反馈定子电流
Figure BDA00003057299600081
转换为相对于在逆向旋转的系的
Figure BDA00003057299600082
例如通过帕克和克拉克变换。来自CTM43的输出可以提供到高频电流检测模块45,高频电流检测模块45可以用于检测总反馈电流的高频电流分量。举例来说,但非限制,高频电流检测模块45可以实施为低通滤波器,低通滤波器配置为使具有集中在载波频率处的频率的信号通过。电流检测模块45可以用于提供具有直轴分量is nd_c和正交轴分量is nq_c的高频电流
Figure BDA00003057299600083
负序值模块(NSVM)47可以用于提供与高频电流的负序分量相关的值。在示例性实施例中,NSVM47可以用于提供负序分量的振幅Icn。在进一步的实施例中,NSVM48可以用于确定Icn 2的值,以避免执行平方根函数所需的处理。
再参照图3,连通性判定模块(CDM)26可以用于接收正序和负序值,并且使用其判定线缆4是否存在断相。在示例性实施例中,CDM26可以配置为加和/或减去该值,并且将该和及差值与预设的阈值比较,以判定一个或者多个电流相位是否断相。在示例性实施例中,CDM26可以包含用于在逆变器控制模块18的处理器中运行以执行这些判定的软件。
在某些实施例和应用中,可以通过在预设条件下选择性地执行高频检测策略来优化整个系统性能。例如,可以在预设的时间或预设操作模式中执行高频检测策略,例如,但不限于,在点火钥匙转动之后而电动机启动之前、和/或电动机在一个或者多个预设操作条件下运行时。当不满足预设条件时,可以采用替代检测策略。在示例性实施例中,SDM18可以用于判定是否要执行高频检测策略。例如,SDM18可以包含逆变器控制器16的慢循环控制调度器(slow loop control scheduler)所执行的软件。
图5示出了本发明的示例方法50。调度器慢循环在框51开始。在判定框52,可以作出关于是否满足一个或多个启用高频检测策略的预设条件的判定。例如,本发明的方法可以包含仅在例如图6中所示的预设操作区域内启用高频策略,其中,通过转矩和转速限制,即TORQUE_LIM和SPEED_LIM,来定义预设操作区域。在示例性实施例中,可以在转矩小于20N.m.并且转速低于3,000rpm时执行高频检测策略。
图7示出了可以用于作出此判定的示例方法70。在框72,可以作出关于电机的转矩是否处于预设范围内的判定。在示例性实施例中,SDM18可以接收测量的EM6转矩,SDM18可以将该转矩与预设阈值比较。如果转矩超出预设阈值,在框74,可以作出未满足执行高频检测策略的条件的判定,然后方法可以在框79退出而结束。然而,如果EM6转矩处于预设限度内,方法可以前进到判定框76,在此处可以作出关于电机转速是否处于预设阈值内的判定,例如EM6转速是否低于预设阈值。如果是,可以在框78处作出已经满足HV检测策略执行的必要条件的判定。否则,方法70以未满足必要预设条件的判定在框79处终止。
再参照图5,如果满足预设条件,可以在框54处启用高频检测策略。例如,逻辑信号可以设置为启用。如果未满足预设条件,方法50可以在框58处退出。示例方法可以包含当未满足预设条件时在框56处禁用高频检测策略。此外,本发明的方法可以包含在条件不保证执行高频检测策略时启用不同的故障检测策略。
图8示出了示例方法80的流程图。在示例性实施例中,可以以伴随当前控制例程的快循环执行方法80。方法80可以在框81处开始。在框82,可以作出关于是否启用高频检测策略的判定。如果未启用高频检测策略,方法80可以在框93处结束。如果启用了高频检测策略,可以在框84处注入高频信号。例如,高频信号注入模块22可以产生信号注入。在示例性实施例中,注入的信号可以具有小于10V的电压和500到1000Hz之间的频率。来自信号合并器38的输出可以提供到逆变器14,该输出可以包含叠加在逆变器励磁电压上的高频电压信号,逆变器14进而基于组合的电压向EM6提供电流。
可以在框86处确定高频分量值。例如,可以确定与高频电压信号注入所导致的高频电流相关的正、负序值。序值可以基于序分量。例如,正序值可以包含正向旋转的高频电流的量,或者可以包含逆向旋转的高频电流的量的平方。例如,可以通过PSVM46确定I2 cp值,以及可以通过NSCM47确定I2 cn值。
在框88,可以使用正、负序分量值判定线缆连通状态。图9示出了示例方法90,通过该方法可以使用分量值判定连通性。在框92,可以作出关于正、负序分量值的和是否超出预设阈值的判定。在示例性实施例中,将Icp 2与Icn 2相加,并且将其和与预设的阈值或限度进行比较。例如,但非限制,可以指定预设阈值,以使未满足该阈值可以作为至少两相断相的指示。例如,如果两相或者多相断相,极小的电流通过线缆,因此预设阈值可以设置在相当低的值,例如1amp。如果总电流不能满足或超过预设阈值,可以在框94作出至少两相断相的判定,然后可以在框100作出线缆未正确连通的判定。
然而,如果满足阈值条件,方法90可以延续到框96,在此可以作出关于分量值之间的差值是否满足预设的差值限度的判定。在示例性实施例中,可以指定预设的差值限度,以便可以作出关于是否存在所有三相或者是否单相断相的判定。当单相断相时,电流将流经其余两相。在此状态下,可以通过一阶动态系统(first order dynamic system)对例如PMSM的电机建模,在该一阶动态系统中,假设相A断相并且满足以下方程:
L ( θ r ) d dt i b = - ( R s + 2 ω r ΔL s sin 2 θ r ) i b + ω r λ m sin θ r - v BC 3 - - - ( 5 )
L(θr)=∑Ls-ΔLscos2θr
其中ib=相B电流
    vBC=励磁电压
由上述(5)中可以看出,定子电流取决于励磁电流和转子位置,这可能会导致显著的非线性。然而,如果忽略转速和电阻,可以得到高频信号的以下简化表达式:
L ( θ r ) d dt i b ≅ V c sin ω c t - - - ( 6 )
从(6)中可以推断出,当单相断相时,脉动信号施加到电机。如以下(7)所示,由此引起的高频电流可以包含正、负序分量。
i s dq _ c = I cp e jω c t - I cn e - j ω c t - - - ( 7 )
当单相断相时,根据下面的表达式,正序分量具有等于负序分量的振幅:
Icp=Icn=F(ωrc,Vc)    (8)
如果正、负序分量振幅大致相同,那么他们之间的差值相对较小。在示例性实施例中,可以作出关于差值(Icp 2-Icn 2)是否表明分量值大体上相等的判定。例如,如果差值小于或者等于预设限度,可以推断出分量值大体上相等,导致在框96的单相断相的判定,以及在框100检测到故障的判定。然而,如果正、负序值之间的差值超出了预设限度,可以在框102判定所有三相都存在于线缆中并且线缆正确连通。已经发现,当所有三相存在时,差值(Icp 2-Icn 2)大约为几安培,其是比较大的数值。
再参照图8,在框90,可以作出关于是否在框88检测到故障的判定。当不存在故障时,方法可以在框93终止。当判定存在断相时,可以在框92设置故障标记。在示例性实施例中,诊断例程检测到故障标记可以引起系统关闭。例如,当本发明的系统用于电动或者混合动力电动车辆中时,车辆诊断模块可以用于检测故障标记并且关闭车辆电驱动系统的运行,例如通过断开功率源19与功率转换单元10之间的连接。在示例性实施例中,故障标记可以表明是否1相断相或者是否多于1相断相,以表明连通性故障的严重程度。
因此,本发明提供通过高频信号注入判定线缆连通性的系统和方法。高频电压信号可以叠加到提供给逆变器电路的指令电压。作为回应,逆变器电路可以产生具有可确定的正、负序分量的高频电流。与分量关联的值可以用于判定高电压线缆中是否存在一个或者多个断相。至少一个断相的检测可以导致能引发系统关闭的故障标记。
本发明的系统和方法可以提供有效及经济的高电压线缆连通性的检测,其对转矩控制性能影响最小。本发明提供了一种策略,其在低转矩操作区域比现有技术的方法和系统表现更好,不会造成负面影响,例如增加的NVH。在示例性实施例中,本发明可以与现有硬件配合以提供纯软件的解决方案。高频检测策略可以检测单相断相以及多相断相。
尽管已经参照附图中示出的非限制性实施例阐述了本发明,但应当指出,可以采用等同物,并且本发明中作出的替代不脱离如权利要求中所列举的本发明的保护范围。例如,确定为在特定模块中执行的功能和操作可以由独立模块执行或者集成到本领域已知的现有模块中。此外,尽管已经以强调本发明的新颖特征的方式作出了描述系统和装置的努力,应当理解,本发明的方法可以由现有装置在可能的范围内实施。例如,现有电驱动系统的组件可以用于执行本发明的方法,以在某种程度上减少引入额外设备的需要。例如,确定指令电流所采用的坐标变换模块可以用于确定高频电流分量,用于提供逆变器驱动信号的信号生成器可以用于提供高频电压信号。功率转换单元或者逆变器控制器的现有低通滤波器可以用于高频信号提取。在最大程度上使用现有硬件容许本发明提供有效且经济的纯软件解决方案。

Claims (10)

1.一种系统,其特征在于,包含:
电机;
用于向所述电机提供励磁电流的功率转换单元;
用于电耦接所述电机与所述功率转换单元的线缆;以及
使用高频电流判定所述线缆连通性的高频联锁模块。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述高频联锁模块用于确定所述高频电流的分量。
3.如权利要求2所述的系统,其特征在于,所述高频联锁模块配置为使用正序分量值和负序分量值判定所述连通性。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统配置为当满足预设条件时执行高频检测策略。
5.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统用于设置故障标记,该故障标记用于引起所述电机操作的中断。
6.一种高频联锁模块,其特征在于,包含:
用于注入高频电压信号的高频信号注入模块;
用于从电机反馈电流中检测所述高频电流的高频电流分量值确定模块;以及
连通性判定模块,其配置为基于与所述高频电流关联的分量值来判定用于耦接到所述电机的线缆的连通状态。
7.如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述连通性判定模块用于确定与所述高频电流关联的正序分量值和负序分量值的和。
8.如权利要求7所述的系统,其特征在于,所述连通性判定模块用于将所述和与预设限度作比较。
9.如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述连通性判定模块用于确定与所述高频电流关联的正序分量值和负序分量值之间的差值。
10.如权利要求9所述的系统,其特征在于,所述连通性判定模块用于将所述差值与预设限度作比较。
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