CN103383430A - 用于监控包括放电电路的高压电路的方法和设备 - Google Patents

用于监控包括放电电路的高压电路的方法和设备 Download PDF

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CN103383430A CN2013101599059A CN201310159905A CN103383430A CN 103383430 A CN103383430 A CN 103383430A CN 2013101599059 A CN2013101599059 A CN 2013101599059A CN 201310159905 A CN201310159905 A CN 201310159905A CN 103383430 A CN103383430 A CN 103383430A
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Abstract

本发明涉及用于监控包括放电电路的高压电路的方法和设备，具体提供一种高压放电电路诊断系统，包括：具有正直流链接和负直流链接的高压直流链接；能够选择性地连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第一电阻器；以及连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第二电阻器。控制模块将所述第一电阻器连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间，直到所述高压直流链接放电到第一电压，此后，所述控制模块断开所述第一电阻器在所述正直流链接和所述负直流链接之间的连接，以允许所述高压直流链接在经过的时间段内通过所述第二电阻器继续放电到第二电压。所述控制模块基于所述第一电压、所述第二电压和所述经过的时间段诊断所述第二电阻器中的故障。

Description

用于监控包括放电电路的高压电路的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种高压电气系统，包括动力系统。
背景技术
已知的车辆系统使用混合动力体系来产生源自非碳氢化合物燃料电动机的至少一部分所需牵引扭矩，该非碳氢化合物燃料电动机包括将电力转化为机械扭矩的电机。动力体系可以被配置为通过变速器装置将牵引扭矩传递到输出构件。这类动力体系可以包括串联混合配置、并联混合配置和复合分流混合配置。可以控制可作为电动机和发电机进行操作的电机，以便独立于来自内燃机的扭矩输入而产生输入到变速器的扭矩输入。电机可以响应通过车辆传动系统传输的车辆动能并将其转化为可以存储在电能存储装置中的电能。控制系统监控来自车辆和操作者的各种输入并且提供对动力系统的操作控制，包括控制变速器操作范围状态和换挡、控制扭矩产生装置以及调节电能存储装置和电机之间的电力互换以管理变速器的扭矩和转速输出。
用于向电机提供电力的已知电路包括经由高压总线通过直流链接向逆变器供应直流电力的高压直流电能存储装置，该逆变器将直流电力转化为交流电力以便为电机供电。电机优选是包括定子和磁力耦接到定子的转子的多相同步交流电机。
发明内容
一种高压放电电路诊断系统，包括：具有正直流链接和负直流链接的高压直流链接；能够选择性地连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第一电阻器；以及连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第二电阻器。控制模块使所述第一电阻器连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间，直到所述高压直流链接放电到第一电压，在此之后，所述控制模块断开所述第一电阻器在所述正直流链接和所述负直流链接之间的连接，以允许所述高压直流链接在经过的时间段内通过所述第二电阻器继续放电到第二电压。所述控制模块基于所述第一电压、所述第二电压和所述经过的时间段诊断所述第二电阻器中的故障。
方案1. 一种高压放电电路诊断系统，包括：
包括正直流链接和负直流链接的高压直流链接；
能够选择性地连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第一电阻器；
连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第二电阻器；
控制模块，其将所述第一电阻器连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间，直到所述高压直流链接放电到第一电压，此后，所述控制模块断开所述第一电阻器在所述正直流链接和所述负直流链接之间的连接，以允许所述高压直流链接在经过的时间段内通过所述第二电阻器继续放电到第二电压，此后，所述控制模块基于所述第一电压、所述第二电压和所述经过的时间段诊断所述第二电阻器中的故障。
方案2. 根据方案1所述的系统，其中，所述经过的时间段是预定的，并且所述控制模块通过将所述第一电压和所述第二电压之差与预定阈值电压变化进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
方案3. 根据方案1所述的系统，其中，所述经过的时间段是预定的，并且所述控制模块通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
方案4. 根据方案1所述的系统，其中，所述第二电压是预定的，并且所述控制模块通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
方案5. 根据方案1所述的系统，其中，所述第二电压是预定的，并且所述控制模块通过将所述经过的时间段与预定阈值经过时间段进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
方案6. 根据方案1所述的系统，其中，所述第二电阻器的电阻值比所述第一电阻器的电阻值至少大两个数量级。
方案7. 一种用于诊断无源放电元件中的故障的方法，该无源放电元件连接在正直流链接和负直流链接之间，所述方法包括：
监控横跨所述正直流链接和所述负直流链接的电压；
将有源放电元件连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间，直到横跨所述正直流链接和所述负直流链接的电压放电到第一电压，此后，断开所述有源放电元件在所述正直流链接和所述负直流链接之间的连接；
允许所述正直流链接在经过的时间段内通过所述无源放电元件向所述负直流链接继续放电到第二电压；
基于所述第一电压、所述第二电压和所述经过的时间段检测所述无源放电元件中的故障。
方案8. 根据方案7所述的方法，其中，所述经过的时间段是预定的，并且通过将所述第一电压和所述第二电压之差与预定阈值电压变化进行比较来检测所述无源放电元件中的故障。
方案9. 根据方案7所述的方法，其中，所述经过的时间段是预定的，并且通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来检测所述无源放电元件中的故障。
方案10. 根据方案7所述的方法，其中，所述第二电压是预定的，并且通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来检测所述无源放电元件中的故障。
方案11. 根据方案7所述的方法，其中，所述第二电压是预定的，并且通过将所述经过的时间段与预定阈值经过时间段进行比较来检测所述无源放电元件中的故障。
附图说明
现在将通过举例参照附图描述一个或多个实施例，在附图中：
图1图示根据本发明的包括混合动力系统的车辆，该混合动力系统具有发动机、混合变速器、扭矩机器和传动系统；
图2图示根据本发明的混合动力系统的电路，该混合动力系统包括连接到高压总线的高压电池（该高压总线连接到高压电路）以及第一和第二扭矩机器；
图3图示根据本发明的用于控制混合动力系统的高压电路的操作的控制方案；以及
图4图示根据本发明的与经过的时间相关的电压和离散主动放电命令，其中所描绘的数据包括主动电压放电事件之前、期间及之后高压电路的电压和主动放电命令。
具体实施方式
现在参照附图，其中，所示附图仅是为了图示特定的示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1示意性地示出包括耦接到传动系统60并受控制系统10控制的混合动力系统20的示例性车辆100。在整个描述中，相似的附图标记表示相似的元件。混合动力系统20包括机械功率路径，其包括发动机40和分别机械耦接到混合变速器50的第一电动扭矩机器42和第二电动扭矩机器43，该混合变速器50具有耦接到传动系统60的输出构件62。高压电路30经由高压总线29电连接到高压电池25。高压开关优选合并到高压总线29或高压电路30中，以断开高压电池25与高压电路30的连接。在一个实施例中，高压电路30包括分别电连接到第一扭矩机器42和第二扭矩机器43的第一电力逆变器32和第二电力逆变器33。
发动机40可以是任意合适的内燃机，并且优选是通过燃烧过程将燃料转化为机械功率的多缸直喷式内燃机。第一扭矩机器42和第二扭矩机器43优选包括多相电动机/发动机，所述多相电动机/发动机被配置为当在扭矩产生状态进行操作时将所存储的电能转化为机械功率并且当在电功率产生状态进行操作时将机械功率转化为可存储在高压电池25中的电能。变速器50可以是任意合适的变速器装置，并且在一个实施例中包括一个或多个差动齿轮组和可启用的离合器部件，以实现发动机40、第一扭矩机器42和第二扭矩机器43以及耦接到车辆传动系统60的输出构件62之间在一系列速度范围内进行的扭矩传递。在一个实施例中，传动系统60包括机械地耦接到车轴64或半轴的差动齿轮装置65，所述车轴或半轴机械地耦接到车轮66。差动齿轮装置65耦接到混合动力系统20的输出构件62，并且在其间传递输出功率。传动系统60在混合变速器50和路面之间传递牵引功率。源自发动机40的机械功率可以经由输入构件33传递到第一扭矩机器42以及经由混合变速器50传递到输出构件62。源自第一扭矩机器42的机械功率可以经由输入构件33传递到发电机40以及经由混合变速器50传递到输出构件62。源自第二扭矩机器43的机械功率可以经由混合变速器50传递到输出构件62。机械功率可以经由输出构件62在混合变速器50和传动系统60之间传递。可以采用其它动力系统配置来达到类似效果。
高压电池25存储潜在电能并且经由高压总线29电连接到高压电路30，高压电路30与第一扭矩机器42和第二扭矩机器43连接以在其间传递电功率。应该理解，高压电池25是可以包括多个电池、电容器和被配置为存储电能的其它车载装置的电能存储装置。一种示例性的高压电池25包括多个锂离子电池。涉及高压电池25的参数状态包括充电状态、温度、可用电压和可用电池功率，这些参数状态中的每个都受控制系统10监控。
高压电路30包括分别与第一扭矩机器42和第二扭矩机器43电连接的第一逆变器32和第二逆变器33。第一扭矩机器42和第二扭矩机器43分别与第一逆变器32和第二逆变器33相互作用以将所存储的电能转化为机械能并且将机械能转化为可以存储在高压电池25中的电能。应该理解，可以操作第一电力逆变器32和第二电力逆变器33以将高压直流电功率转换为高压交流电功率，并且可以操作第一电力逆变器32和第二电力逆变器33以将高压交流电功率转换为高压直流电功率。源自第一扭矩机器42的电功率可以经由高压电路30和高压总线29电传递到高压电池25以及经由高压电路30电传递到第二扭矩机器43。源自第二扭矩机器43的电功率可以经由高压电路30和高压总线29电传递到高压电池25以及经由高压电路30电传递到第一扭矩机器42。参照图2及相关描述来提供涉及示例性高压电路30的其它细节。
控制系统10包括控制模块12，控制模块12被配置为响应于经由操作者接口14检测到的操作者输入来控制包括混合动力系统20的车辆100的操作。控制模块12包括低压电源以向其提供经调节的电功率。操作者接口14获取和传送来自多个人/机接口装置的信息，车辆操作者通过所述接口装置命令车辆100的操作，包括例如点火开关用于使操作者可以发动和开动发动机40、加速器踏板、制动器踏板和变速器档位选择器（PRNDL）。尽管控制模块12和操作者接口14被示出为单个分离元件，但是这种图示仅是为了便于描述。应该理解，可以利用一个或多个通信路径－例如通信总线18（其可以包括直接连接、局域网总线和串行外围接口总线中的一个或多个），来实现向或从控制模块12传递信息。
控制模块12直接地或经由一个或多个通信总线（本文示出为通信总线18）以可发送信息的方式可操作地连接到混合动力系统20的各个元件。控制模块12与高压电池25、高压总线29、第一电力逆变器32和第二电力逆变器33、第一扭矩机器42和第二扭矩机器43、发动机40和混合变速器50中的每一个的感测装置可发送信号地连接，以监控操作和确定其参数状态。
控制模块12与第一逆变器32和第二逆变器33、发动机40和混合变速器50的致动器可操作地连接，以根据所执行的控制方案（存储为控制例程和校准值的形式）控制其操作。应该理解，第一逆变器32和第二逆变器33中的每个根据扭矩输入和操作条件、以适于利用第一扭矩机器42和第二扭矩机器43中的一个或两者产生扭矩的方式转化电功率，并且以适于利用第一扭矩机器42和第二扭矩机器43中的一个或两者产生电力的方式转化机械功率。
控制模块、模块、控制系统、控制器、控制单元、处理器和类似用语表示专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或例程的中央处理单元（优选是微处理器）及相关存储器和存储设备（只读、可编程只读、随机存取、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和提供所述功能的其它部件中的一个或多个的任一种或多种结合。软件、固件、程序、指令、例程、编码、算法和类似用语表示包括校准值和查询表的任意控制器可执行指令组。控制模块具有被执行以提供所描述的功能的一组控制例程。例程被执行（诸如被中央处理单元执行）并且能够监控来自感测装置和其它联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。可以在发动机和车辆操作期间按规则间隔执行例程，例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。或者，可以响应于事件的发生来执行例程。
控制模块12执行控制方案以控制发动机40协同第一电力逆变器32和第二电力逆变器33的操作，从而控制混合动力系统20的整体操作，以管理向传动系统60的机械功率传递和管理流向高压电池25的电功率流动。这种控制方案包括以高压电池25的许可电池组功率极限平衡发动机40的操作，同时实现响应于操作者扭矩请求的输出到传动系统60的输出扭矩。
图2示意性地示出高压电池25、高压总线29（包括标称正极侧129和标称负极侧130）、高压电路30以及第一扭矩机器42和第二扭矩机器43的细节。高压电路30包括直流链接，该直流链接包括经由高压总线29电耦接到高压电池25的标称正直流链接131和标称负直流链接132。高压电路30的标称正直流链接131和标称负直流链接132之间的电压等于横跨高压电路30的电压，并且可以互换地提及这两者。标称正直流链接131和标称负直流链接132将高压总线29的正极侧129和负极侧130分别电耦接到第一逆变器32和第二逆变器33。高压电路30由此在高压电池25和至少一个扭矩机器（例如第一扭矩机器42和/或第二扭矩机器43）之间传递电功率。可控高压开关28可操作地耦接到控制模块10，并且使高压总线与高压电路30选择性地耦接和断开。高压电路30进一步包括分别电耦接在正直流链接131和负直流链接132之间的高压滤波电容器135和放电电路140。高压滤波电容器135和放电电路140并联耦接。
放电电路140包括无源放电元件142和有源放电元件145。有源放电元件145包括与第一电阻器144串联耦接的可控放电开关146，第一电阻器144电连接在正直流链接131和负直流链接132之间。可控放电开关146优选是可操作地耦接到控制模块12的IGBT或MOSFET。如将变得显而易见的，仅当启动（即闭合）可控放电开关146时以使高压直流链接主动放电（即从正直流链接向负直流链接放电）可控放电开关146通过第一电阻器144将正直流链接131和负直流链接132电连接。此外，断开可控放电开关146（即打开开关146）会中止高压直流链接的主动放电。无源放电元件142优选包括电耦接在正直流链接131和负直流链接132之间的第二电阻器142。无源放电元件142并联耦接在有源放电元件145两端。第二电阻器142的电阻值优选比第一电阻器144的电阻值大至少约两个数量级。
图3图示用于检测参照图2描述的高压电路的放电电路的无源放电元件中的故障的控制方案300。控制方案300包括首先使高压电路30主动放电，高压电路30的主动放电在例如打开高压开关28（即高压电路30与高压电池25断开）之后被启动。可以响应于车辆点火钥匙关闭事件来启动高压电路30的主动放电。可以响应于检测到系统故障而启动高压电路30的主动放电。可以响应于汽车碰撞而启动高压电路30的主动放电。
当高压直流链接两端的电压通过第一电阻器144放电到目标电压时中止高压电路30的主动放电。当高压电路的主动放电中止时，获取高压电路30两端的第一电压。在经过一段时间之后获取高压电路30两端的第二电压，在该段时间期间高压电路30通过无源放电元件（第二电阻器）142继续放电。基于第一电压、第二电压和经过的时间段来评估放电电路的无源放电元件的性能。提供表1作为图3键值，其中标有数字的方块和相应功能表述如下。
表1
Figure 2013101599059100002DEST_PATH_IMAGE001
当命令启动高压电路的主动放电时启动用于控制和监控放电电路的控制方案300，该启动可以响应于命令高压电路两端的电压进行放电（302）。通过选择性启动有源放电元件145的可控放电开关146开始高压电路的主动放电。监控系统电压，包括监控高压电路的正直流链接131和负直流链接132之间的电压（304）。持续监控高压电路30两端的该电压并将其与目标电压进行比较（306）。在一个实施例中，可以将目标电压设置为60V直流电或接近60V直流电。
当高压电路30两端的电压小于目标电压时（1），中止高压电路的主动放电（308），并且立即获取和记录高压电路的正直流链接和负直流链接之间的第一电压（310）。高压电路的主动放电的中止包括选择性地断开有源放电元件145的可控放电开关146，其中断开的可控放电开关146使正直流链接与负直流链接断开电耦接，由此去除通过有源放电元件145的高压电路的放电路径，仅剩下通过无源放电元件142的放电路径。观察预定的经过时间段（312），在这段时间之后获取和记录高压电路的正直流链接和负直流链接之间的第二电压，并且计算第一电压和第二电压之间的电压变化（314）。第一电压和第二电压之间的电压变化和预定的经过时间段可以用于计算高压电路通过有源放电元件142的放电时间速率。
在一个实施例中，将第一和第二电压之间的电压变化与阈值电压变化进行比较（316）。在预定经过时间段之后基于第一电压和第二电压的比较可以在无源放电元件142中检测到故障的不存在（316）（1）和存在（316）（0）中的一种。基于通过无源放电元件142的高压电路放电的期望时间速率来确定阈值电压变化。当第一电压和第二电压之间的电压变化至少为阈值电压变化时（316）（1），表示电路通过无源放电元件142至少以所需速率放电并且因此无源放电电路按期望起作用（320）。换言之，当电压变化至少为电压变化阈值时，检测到无源放电元件不存在故障。当电压变化小于阈值电压变化时（0），表示高压电路未按所需速率通过无源放电元件142放电。因此，无源放电电路未按期望起作用，表示存在故障（318）。换言之，当电压变化小于电压变化阈值时检测到无源放电元件142中存在故障。当显示无源放电电路存在故障时，将该信息传送给车辆操作者。
选择性地，可以通过确定高压电路的放电时间速率并将其与阈值放电时间速率进行比较来进行诊断。可以利用所述经过时间段内第一和第二电压之间的前述电压变化来确定高压电路的放电时间速率，其中所述经过时间段是预定的。选择性地，可以利用所述经过时间段内第一和第二电压之间的电压变化来确定高压电路的放电时间速率，其中所述第二电压是预定的。当高压电路的放电时间速率小于阈值放电时间速率时检测到无源放电元件142中存在故障。当高压电路的放电时间速率至少为阈值放电时间速率时检测到无源放电元件142中不存在故障。
选择性地，可以通过确定高压电路两端的电压从第一电压放电到预定的第二电压所经过的时间并将其与最大允许经过时间段（即阈值经过时间段）进行比较来进行诊断。当经过时间段大于最大允许经过时间段时可以在无源放电元件中检测到故障。
图4以图表示出y轴410上的电压和离散主动充电命令405以及x轴420上的时间。所描绘的数据包括主动电压放电事件之前、期间和之后的高压电路两端的电压415和主动放电命令405。最初，高压电路两端的电压415约为400V直流的相对高压并且主动放电命令405为0，表示可控放电开关146断开。在时刻422，主动放电命令405转变为1，表示命令开始高压电路的主动放电（即启动可控放电开关146）。在时刻424，高压电路的电压415小于所示的约60V直流的目标电压425。作为响应主动放电命令405转变为0，由此表示命令中止高压电路的主动放电。监控高压电路两端的电压415并将其记录为第一电压430。启动计时器，并且时刻426表示5秒的预设经过时间段。在时刻426，测量高压电路两端的电压415并将其记录为第二电压435。计算和记录第一电压430和第二电压435之差，并且将其与阈值电压变化进行比较。基于第一电压430和第二电压435之差与阈值电压变化的比较，来执行根据参照图3描述的控制方案300的动作，包括显示无源放电电路中存在或不存在故障。
控制方案300响应于执行高压电路的主动放电命令而允许规则性地诊断无源放电电路的监控，例如放电电路140的无源放电元件142，而不采用额外的传感器或电路并且不影响使高压电路放电到目标电压的经过时间。
已经参照某些优选实施例及其改型描述了本发明。通过阅读和理解说明书可以想到其它改型和改变。因此，本发明不局限于作为执行本发明的最佳实施方式而构想并公开的特定实施例，相反本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种高压放电电路诊断系统，包括：
包括正直流链接和负直流链接的高压直流链接；
能够选择性地连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第一电阻器；
连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间的第二电阻器；
控制模块，其将所述第一电阻器连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间，直到所述高压直流链接放电到第一电压，此后，所述控制模块断开所述第一电阻器在所述正直流链接和所述负直流链接之间的连接，以允许所述高压直流链接在经过的时间段内通过所述第二电阻器继续放电到第二电压，此后，所述控制模块基于所述第一电压、所述第二电压和所述经过的时间段诊断所述第二电阻器中的故障。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述经过的时间段是预定的，并且所述控制模块通过将所述第一电压和所述第二电压之差与预定阈值电压变化进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述经过的时间段是预定的，并且所述控制模块通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二电压是预定的，并且所述控制模块通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二电压是预定的，并且所述控制模块通过将所述经过的时间段与预定阈值经过时间段进行比较来诊断所述第二电阻器中的故障。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二电阻器的电阻值比所述第一电阻器的电阻值至少大两个数量级。
7.一种用于诊断无源放电元件中的故障的方法，该无源放电元件连接在正直流链接和负直流链接之间，所述方法包括：
监控横跨所述正直流链接和所述负直流链接的电压；
将有源放电元件连接在所述正直流链接和所述负直流链接之间，直到横跨所述正直流链接和所述负直流链接的电压放电到第一电压，此后，断开所述有源放电元件在所述正直流链接和所述负直流链接之间的连接；
允许所述正直流链接在经过的时间段内通过所述无源放电元件向所述负直流链接继续放电到第二电压；
基于所述第一电压、所述第二电压和所述经过的时间段检测所述无源放电元件中的故障。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述经过的时间段是预定的，并且通过将所述第一电压和所述第二电压之差与预定阈值电压变化进行比较来检测所述无源放电元件中的故障。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述经过的时间段是预定的，并且通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来检测所述无源放电元件中的故障。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二电压是预定的，并且通过将基于所述第一电压、所述第二电压和预定的经过时间段的放电时间速率与预定阈值放电时间速率进行比较来检测所述无源放电元件中的故障。
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