CN103575967B - 电气系统中隔离电压传感器故障、接触器故障的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于隔离来自电气系统中的接触器故障和电压传感器故障的方法，包括当接触器断开时测量接地和电压总线轨道之间的电压，且将测得的电压与第一阈值电压进行比较，该第一阈值对应于当接触器闭合时期望的经校准的电压读数。当测得的电压大于0且小于第一阈值电压时，以传感器的范围内卡住故障状态记录第一诊断编码。当测得的电压等于第一阈值电压时，以接触器的粘合闭合状态记录第二诊断编码。可将测得的电压和超过第一阈值电压的第二阈值电压进行比较，当测得的电压超过第一阈值电压或小于0时，以传感器的短接值记录第三诊断编码。

Description

电气系统中隔离电压传感器故障、接触器故障的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于在电气系统中隔离电压传感器和接触器故障的系统和方法。
背景技术
在混合动力和电池电动车中，高压DC电池组提供推动车辆所需要的功率的一部分。电池组在高压DC总线上对逆变器模块供能。逆变器模块将来自电池组的DC电压转换成AC波形，且在此后以AC波形在高压AC总线上对一个或多个马达/发电机单元供能。可在此后将来自马达/发电机单元(一个或多个)的扭矩用于给传动装置提供输入扭矩，或产生用于对电池组再充电的电力。
可在一些操作条件下通过选择性地断开固态接触器而部分地将电池组从车辆底盘以及车辆动力传动系的电部件电隔离，例如在车辆熄火或存在检测到的电气故障时。一个或多个接触器的导电引线可变得粘合或粘连闭合。但是，用于检测粘连接触器情形的电压传感器可能失效，由此使得粘连的接触器故障和范围内卡住(stuck-in-range)的电压传感器故障的诊断和隔离复杂化。
发明内容
本文公开了一种用于隔离电气系统中的电气故障的方法。该系统可为高压(HV)车辆，诸如混合动力、增程式或电池电动车，或使用电池组、电负载和将电池组从电负载选择地连接/断开的接触器的任何其他电气系统。
该方法包括经由电压传感器测量电气系统中的电压总线的接地和导电轨道之间的电压，该电气系统包括电压源和可经由接触器选择地连接至电压源的电负载。该方法还包括在接触器断开时使用控制器从电压传感器接收测得的电压，然后将接收的测得的电压和第一阈值电压进行比较，该第一阈值电压对应于接触器闭合时电压传感器的期望电压读数。
当接收的测得的电压信号大于0且小于第一阈值电压时，以电压传感器的范围内卡住故障状态将第一诊断编码记录在控制器的存储器装置中。当接收的电压信号等于第一阈值电压时，以接触器的粘合闭合状态将第二诊断编码记录在存储装置中。
该方法可包括在接收的测得的电压超过第一阈值电压或小于0时，以电压传感器的短接值将第三诊断编码记录在存储器器件中。
本文中还公开了一种系统，其包括电压源、电压总线、接触器、电负载、电压传感器和控制器。电负载经由接触器在电压总线上选择地连接至电压源且从电压源断开。电压传感器被配置为测量电压总线和电接地之间的电压。在接触器断开时，控制器从电压传感器接收测得的电压，然后将接收的测得的电压和第一阈值电压进行比较，该第一阈值电压对应于接触器闭合时的期望电压读数。
当接收的测得的电压大于0且小于第一阈值电压时，控制器以还电压传感器的范围停滞故障状态记录第一诊断编码。当接收的测得的电压等于第一阈值电压时，以接触器的闭合停滞状态记录第二诊断编码。
另外，车辆包括电池组、变速器、连接至变速器的马达/发电机单元、具有正轨道和负轨道的电压总线以及接触器对，其中第一接触器连接至正极轨道，且第二接触器连接至负极轨道。车辆还包括功率逆变器模块、第一电压传感器、第二电压传感器和控制器，其中功率逆变器模块经由接触器对在电压总线上选择地连接至电池组和从其脱开，第一电压传感器测量电接地和正轨道之间的电压，第二电压传感器测量电接地和负轨道之间的电压。控制器执行上述的方法，以将电压传感器的失效与接触器的失效隔离。
当结合附图时，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势从下文中用于实施本发明的最佳模式的详尽描述中变得显而易见。
附图说明
图1是具有将电压传感器故障从接触器故障隔离开的控制器的示例性车辆的示意图。
图2是可用在图1中示出的车辆中的控制电路的示意图。
图3是描绘用于使用图2中示出的电路来隔离故障的本方法的一方面的示例性DC参考电压的时间图。
图4是描绘用于将图1中示出的车辆中的电压传感器故障从接触器故障隔离的示例性方法的流程图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记指代相同的部件，且以图1开始，示出示例性车辆10，其包括电池组16形式的电压源、电压传感器34、一组固态接触器40和控制器50。如下文参照图2-4详细描述的，控制50被配置为选择地执行方法100的步骤，以隔离车辆10上的高压电气故障，特别是电压传感器34的“范围内卡住”故障和接触器40的“粘合闭合”故障。可将方法100用于采用电压源的任意电气系统中，该电压源可以是电池、燃料电池、电容器或其他电或化学电压源，该电气系统经由机械/固态开关、继电器或和此处描述的接触器40类似的接触器的促动而从电负载断开。但是，出于描述的一致性，将在下文中的示例中描述示例性车辆10。
车辆10包括具有马达输出轴22的至少一个马达/发电机单元(MGU)14。马达输出轴22(其联接至变速器12)根据需要输送扭矩(箭头TI)至变速器12，以驱动车辆10。变速器12可包括经由一个或多个离合器连接至最终驱动组件(未示出)的一个或多个简单或复合行星齿轮组。来自变速器12的输出扭矩(箭头TO)最终被经由驱动轴32传输至一组驱动轮30。
根据该实施例，可使用其他功率源，诸如具有马达输出轴28的另一MGU15和/或内燃发动机17，两者都在图1中以虚线示出。在将发动机17用作动力总成的一部分时，可将输入减振离合器25用于将发动机17选择地连接至动力传动系或从其断开，且用于抑制传动系振动，例如与发动机重启事件相关的振动。
电池组16经由高压DC总线20和接触器40电连接至功率逆变模块(PIM)18。继而，PIM 18经由高压AC总线21电连接至MGU(一个或多个)14和/或15。如此处使用的，术语“高压”指的是超出了通常用于驱动诸如音频系统、照明等辅助车辆系统的辅助/12VDC电压水平的电压水平。电池组16可额定为约60VDC至300VDC之上。在一些配置中，电池组16可存储300VDC或更高。可经由脉宽调制装置和高速半导体开关控制PIM18，如本领域所周知的，将来自一个或多个MGU14和/或15的AC功率转换成适用于存储在电池组16中的DC功率，且根据需要将存储的DC功率转换成AC功率，以驱动一个或多个MGU14和/或15。
为了便于对PIM 18的预充电，即，为了在闭合接触器40之前确保电池组16和PIM18之间的电荷平衡，电阻器58和另外的接触器42可与示出的接触器40电并联布置。控制器50可在闭合接触器40之前闭合另外的接触器42，其中电阻器58限制进入PIM 18中的电流的流动速率，如本领域普通技术人员所易于解的。另外的接触器(未示出)可根据需要存在于车辆10中，位于给定电负载和电池组16或任何其他电压源(诸如燃料电池)之间。
在车辆10上使用的接触器40以及任意其他接触器可被不同地实现为单极、单掷继电装置，诸如固态开关，或任何其他物理开关装置。在一些情形下，接触器40可以这样的方式失效，即在被指令时不断开或中断它们相应的电连接。例如，诸如损坏的弹簧等机械故障可阻止接触器40断开。类似地，电气故障或控制故障可通过跨其端子的超过正常的或不正常的负荷迫使接触器40中的一个断开或闭合，这继而可导致粘连的接触器或其他“粘合闭合”的接触器情形。
此外，电压传感器34可发生范围内卡住的故障，或可简单地完全不工作。电压传感器34的诊断取决于正确诊断的接触器40的断开/闭合状态。但是，接触器40的断开/闭合状态的准确检测取决于由电压传感器34提供的电压测量值的有效性。本方法100(如由控制器50所执行的)因此允许控制器50使用由电压传感器34所提供的相同的测量电压信号(箭头55)，将电压传感器34的范围内卡住的故障从接触器40的粘合闭合故障区隔离。
关于图1中示出的控制器50，该硬件/软件器件在控制器局域网络(CAN)总线或其他合适的通信通道上接收电压信号(箭头55)，且继而执行来自有形非临时性存储器装置54的实现方法100的记录的指令或编码。方法100的执行允许处理器54执行如下文中参照图2-4详细说明的各种需要的计算和阈值比较。
控制器50可配置为具有处理器52和存储器装置54作为其两个主要部件的数字计算机。存储器装置54可实现为只读存储器(ROM)、闪存或其他适合的磁性或光学存储介质。控制器50还可包括任何需要量的临时性存储器，诸如随机访问存储器(RAM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。其他部件可包括高速时钟、模-数(A/D)和数-模(D/A)电路以及输入/输出电路和装置(I/O)，还包括适当的信号调制和缓冲电路。
参照图2，示例性控制电路13包括辅助电压源38，以及如上文参照图1所述的电压传感器34和控制器50。辅助电压源38提供参考电压(箭头VR)，例如5VDC。辅助电压源38可配置为DC电池或来自DC-DC转换器(未示出)的降压的DC输出。图1中示出的高压DC总线20的轨道或导体的每一个使用一个电压传感器34，其中轨道20+和20-代表高压DC总线20的相应的正轨道和负轨道。在一些实施例中，可仅使用一个电压传感器34以及仅一个导电轨道。尽管使用正和负双轨道20+、20-在轨道20+和20-中的一个的粘合闭合故障事件中提供了电流路径，且由此相对于单轨道实施例保持了一定水平的电功能，但是本方法100的执行仍以相同方式进行，而和使用的轨道的数量无关。
图2中示出的参考电压(箭头VR)激励电压传感器34。当如所示使用两个电压传感器34时，一个电压传感器34读取在电接地(例如，底盘接地26)和正轨道20+之间的第一电压(V1)，而另一电压传感器34读取在底盘接地26和负轨道20-之间的第二电压(V2)。在非车辆实施例中的底盘接地26可为经由方法100诊断的给定系统的任意接地部件。电压传感器34将它们的相应的测得的电压作为电压信号(箭头55)传输至控制器50的相应的引脚56或59，其中第一电压(V1)传输至引脚56，且第二电压(V2)传输至引脚59。控制器50然后处理接收的电压信号(箭头55)，且产生合适的诊断输出信号(箭头60)作为控制动作。
参照图3，将时间图70用于描述来自图1和2中示出的电压传感器34的DC电压输出的示例性范围。典型的实施例是额定为5VDC的电压传感器34。在这样的设计中，DC电压范围是0-5VDC，且图2的参考电压(箭头VR)是5VDC。由于图1中示出的电池组16的实际额定电压可随应用变动，因此电压传感器34的传感器输出范围被按照电源的实际操作范围分度。
作为示例，图1的电池组16可具有300VDC的标称额定值。在该示例中，当单接触器40被用于单个总线轨道时，4.5VDC对应于300VDC，且0.5VDC对应于0VDC，在DC电压范围的上端和下端处留出0.5VDC的电压偏移。在图1的其中DC总线20包括两个导电轨道20+和20-实施例中，每一个轨道承载电池组16的电压的50％，例如为150VDC。
可将0.5VDC电压偏移用于诊断另外的故障情形。落在4.5VDC之上(区域72)或0.5VDC之下(区域74)的结果分别对应于电压传感器34的短接/高于范围以及短接/低于范围的故障。区域78和79对应于电压传感器34的范围内卡住故障。区域75对应于接触器40的粘合闭合故障。如果当接触器40断开时测得的值位于区域76中，则区域76对应于通过诊断。如果当接触器40闭合时测量值落在区域76中，则区域76对应于两种故障情形中的一个：断开的接触器40或电压传感器34的范围内卡住故障。通过执行方法100，实现将特定的测量值布置在这些区域中的一个中，现在参照图4描述其示例。
参照图4，结合图1和2中示出的结构，控制器50在步骤102处确定是否存在进行电压故障隔离的一组允许条件。由于接触器40在车辆10不运行时自动断开，例如当车辆10停在车库中或当电池组16被主动地充电时，步骤102可包括检测车辆10是否是“打着”或是在其中接触器40被命令断开的状态中以其他方式操作。对于评估不同的接触器40的其他配置，即，在不同于图1中示出的电池组16和PIM之间的位置处，步骤102的允许条件可能不同。一旦在步骤102处已经检测到合适的允许条件，则方法100行进至步骤104。
在步骤104处，控制器50接收来自电压传感器(一个或多个)的测得的电压信号(箭头55)，临时地经由存储器装置54记录这些值，且然后行进至步骤106。
在步骤106处，控制器50接下来确定从步骤104接收到的电压测量值是否大于0VDC，但是小于当接触器40闭合时期望的电压，即，当使用双接触器40时，电池组16的最大输出电压的50％。如果是的话，方法100行进至步骤108。当接收的电压信号(箭头55)超过接触器40在闭合位置中时期望的电压时，该方法也行进至步骤108。当接触器40闭合时，该值(如上参照图3所述)在使用5VDC最大传感器额定值时，对应于4.5VDV。因此，对应于步骤106的标准的值落在图3中示出的区域78和79中。如果任一情况都不适用，则方法100替换地行进至步骤110。
在步骤108处，控制器50经由图1和2的诊断信号(箭头60)记录诊断编码，该诊断编码具有标示电压传感器34在范围内卡住的状态。可在记录该状态后按照需要采取合适的控制行动，例如修复或更换电压传感器(一个或多个)34。
在步骤110处，控制器50确定从步骤104接收的电压信号(箭头55)是否传输等于接触器40闭合时期望的值，例如，在图1的双接触器配置中的一个接触器40的2.25VDC，即，图3的区域75。如果是的话，方法100行进至步骤112。否则，方法100行进至步骤111。
在步骤111处，控制器50接下来确定是否存在高于范围或低于范围的值。如果是的话，方法100行进至步骤114。否则，方法100行进至步骤116。
在步骤112处，控制器50经由图1和2的诊断信号(箭头60)记录诊断编码，该诊断编码具有标示接触器40在范围内卡住的状态。和步骤108一样，可在记录该状态后，按照需要采取合适的控制行动作为步骤112的一部分，例如修复或更换接触器(一个或多个)40。
在步骤114处，控制器50经由图1和2的诊断信号(箭头60)记录诊断编码，该诊断编码具有标示存在以下两种情形中的一种的状态：电压传感器(一个或多个)34短接/高于范围故障(图1的区域72)和短接/低于范围(图3的区域74)。可在记录该状态后，按照需要采取合适的控制动作作为步骤114的一部分，例如修复或更换电压传感器(一个或多个)34。
在步骤116处，控制器50经由图1和2的诊断信号(箭头60)记录诊断，该诊断具有标示接触器40和传感器(一个或多个)34的全部诊断已经通过的状态。
尽管已经对用于实施本发明的最佳模式进行了详尽的描述，但是对本发明所涉及的领域熟悉的技术人员将认识到，在所附的权利要求内用于实施本发明的各种可替换设计和实施例。

Claims (8)

1.一种用于隔离来自电气系统中的接触器故障和电压传感器故障的系统，其包括：
电压源；
电压总线；
接触器；
电负载，其经由接触器在电压总线上选择地连接至电压源或从电压源断开；
以5VDC参考电压驱动的电压传感器，其配置为测量电接地和电压总线的导电轨道之间的电压，其中0.5VDC的测量电压对应于电接地和导电轨道之间的0VDC电压，且该测量电压等于第一阈值电压，该阈值电压对应于当接触器闭合时电压源的最大输出电压；和
控制器，其与电压传感器连通，且包括其上记录用于隔离系统中的电气故障的指令的有形非临时性存储器装置，和执行该指令的处理器，其中处理器对指令的执行使得控制器：
当接触器断开时从电压传感器接收测得的电压；
将接收的测得的电压和第一阈值电压进行比较；
当接收的测得的电压大于0且小于第一阈值电压时，以电压传感器的范围内卡住故障状态记录第一诊断编码；和
当接收的测得的电压等于第一阈值电压时，以接触器的粘合闭合故障状态记录第二诊断编码。
2.如权利要求1所述的系统，其中处理器对指令的执行附加地使得控制器将接收的测得的电压和超过第一阈值电压的第二阈值电压进行比较，且当接收的测得的电压超过第一阈值电压或小于0时，记录对应于电压传感器短接值的第三诊断编码。
3.如权利要求1所述的系统，其中传感器输出5VDC用于超过电压源的最大输出电压的测得的电压。
4.如权利要求3所述的系统，其中电压总线包括正轨道和负轨道，且电压传感器包括测量在电接地和正轨道之间的第一电压的第一电压传感器，以及测量在电接地和负轨道之间的第二电压的第二电压传感器，所述接触器包括正轨道上的第一接触器和负轨道上的第二接触器，且其中第一阈值电压是2.25VDC且代表第一和第二接触器中的一个的粘合闭合故障状态。
5.如权利要求1所述的系统，其中电压源是具有至少300VDC的最大输出电压的可再充电电池组。
6.如权利要求5所述的系统，其还包括电连接至电池组的马达/发电机单元。
7.一种车辆，其包括：
电池组；
变速器；
马达/发电机单元，其连接至变速器；
电压总线，其具有正轨道和负轨道；
接触器对，其中第一接触器连接至正轨道，且第二接触器连接至负轨道；
功率逆变器模块，其经由接触器对在电压总线上选择地连接至电池组或从电池组断开；
以5VDC参考电压驱动的第一电压传感器，其配置为测量电接地和正轨道之间的电压；
以5VDC参考电压驱动的第二电压传感器，其配置为测量电接地和负轨道之间的电压，其中第一和第二电压传感器中的每个都配置为对于0VDC的测量电压输出0.5VDC的电压信号，且当用于正或负轨道的相应第一或第二接触器闭合时输出2.25VDC的电压信号，该2.25VDC的电压信号对应于正和负轨道中的一个上的最大输出电压；
控制器，其与电压传感器连通，且包括其上记录用于隔离车辆中的电气故障的指令的有形非临时性存储器装置，和执行该指令的处理器，其中处理器对该指令的执行使得控制器：
当接触器对断开时，从电压传感器接收测得的电压；
将每个接收的测得的电压和2.25VDC进行比较；
当接收的测得的电压中的一个大于0且小于2.25VDC时，以电压传感器中的一个的范围内卡住故障状态记录第一诊断编码；和
当接收的测得的电压中的一个等于2.25VDC时，以接触器中的一个的粘合闭合状态记录第二诊断编码。
8.如权利要求7所述的车辆，其中处理器对该指令的执行附加地使得控制器将接收的测得的电压和超过2.25VDC的第二阈值电压进行比较，且当接收的测得的电压中的一个超过2.25VDC或小于0时，记录第三诊断编码，该第三诊断编码对应于电压传感器中的一个的短接值。
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