CN104115016A - 使用旋转机械检测混合动力车内的高压线缆 - Google Patents

使用旋转机械检测混合动力车内的高压线缆 Download PDF

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Abstract

本发明描述了检测具有高压电池或储能系统的电动或混合动力电动车中存在高压部件线缆未连接的状况的系统和装置。该系统包括机械促动装置，例如内燃机，所述机械促动装置用于使电机(E-machine)转动。电机的转动在车辆的主高压布线上感生出足够但安全的测试电压。在接近单个高压部件的多个点处进行测量以确定高压线缆是否断开。

Description

使用旋转机械检测混合动力车内的高压线缆
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年2月17日提交的美国临时专利申请61/600142的优先权，其在这里以引用的方式结合到本文中。
背景技术
本发明一般性地涉及电动和混合动力电动车中的电气安全及控制系统。更具体来说，本发明涉及用于使用旋转机械检测具有高压储能系统的车辆的高压线缆连接的系统和方法。
包含提供驱动车辆所需的一部分能量的高压电池或储能系统(ESS)的现代电动或混合动力电动车典型地包括从ESS向多个车辆部件传输能量的高压线缆或总线线路。这些部件可以包括例如逆变器，电动发电机和电源转换器等。这些线缆也可用于连接主部件组件内的子部件，例如ESS自身内部的单个储能模块。
高压线缆连接的完整性对车辆的操作是至关重要的。布线中的任何故障回路、短路或开路都会导致应用到电力驱动部件中的电能不足，导致车辆性能差，机动性损耗，部件磨损和失效的增加。高压布线的问题还可能对车内乘客或要维护车辆的技术人员产生严重的安全风险。例如，一端连接高压电源，而另一端断开的线缆可能会与周围的汽车部件或表面产生意外接触，从而产生火灾隐患或触电危险。
发明内容
根据本发明的一方面，提出了一种用于自动检测混合动力电动车内存在断开的高压线缆的状况的方法，包括：使电动发电机以第一速度转动，以在将电动发电机与混合动力电动车中的逆变器相连的高压发电机线缆上产生测试电压，电动发电机与机械促动装置机械式相连并由所述机械促动装置转动，测试电压小于50伏特并且大于14伏特；使用控制器来将在逆变器的第一终端处测得的第一电压与测试电压比较，以确定发电机线缆是否正确地连接在转动的电动发电机和逆变器之间。第一电压可由电动发电机产生的电促动力(EMF)在逆变器中的电容器上感生。
根据另一方面，提出了一种用于自动检测混合动力电动车内存在断开的高压线缆的状况的方法，包括：使电动发电机以第一速度转动以在将电动发电机与混合动力电动车中的高压部件相连的高压发电机线缆上产生测试电压，电动发电机与机械促动装置机械式地相连并由所述机械促动装置而转动，测试电压小于50伏特并且大于14伏特；使用控制器将在逆变器的第一终端处测得的第一电压与测试电压比较以确定发电机线缆是否正确地连接在电动发电机和逆变器之间。
根据另一方面，提出了一种用于检测混合动力电动车内高压线缆连接的系统，包括：机械促动装置，其能使与机械促动装置相连的轴转动；用于产生高压电的旋转式电动发电机，电动发电机通过轴与机械促动装置相连；逆变器，逆变器能够将由电动发电机产生的交流电转换为使车辆中的高压储能系统再生的直流电，逆变器也能够将高压储能系统产生的直流电转换为用于驱动电动发电机的直流电；将电动发电机和逆变器相连的发电机线缆；以及与机械促动装置操作式相连的用于控制机械促动装置的速度的控制器。机械促动装置以第一速度运行以使电动发电机在发电机线缆上产生交流电压。由发电机线缆上的交流电压在逆变器中感生出直流测试电压，该直流测试电压在14到50伏特之间。控制器将在逆变器的第一终端处测得的第一电压与测试电压比较以确定发电机线缆是否正确地连接在电动发电机和逆变器之间。
根据另一方面，提出了一种用于检测混合动力电动车内高压线缆连接的系统，包括：机械促动装置，其能使与机械促动装置相连的轴转动；用于向第一高压车辆部件提供功率并从第一高压车辆部件接收功率的旋转式电动发电机，电动发电机通过轴与机械促动装置相连；将储能系统和第一高压车辆部件相连的第一高压线缆；以及与机械促动装置操作式相连的用于控制机械促动装置的速度的控制器。机械促动装置以第一速度运行以使电动发电机在第一高压线缆上产生测试电压。控制器将在第一高压车辆部件的第一终端处测得的第一电压与测试电压比较以确定发电机线缆是否正确地连接在电动发电机和第一高压车辆部件之间。
通过详细描述和随之提供的附图，本发明其他的形式、目的、特征、方面、好处、优点和实施方案将变清楚。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施方案的用于使用转动机械检测混合动力车内的高压线缆的系统的示意图。
图2是显示了根据一个实施方案的包含在使用图1的系统检测混合动力车的高压线缆的步骤的框图。
具体实施方式
出于更好地理解本公开的目的，现在将参照在附图中说明的实施方案，并且使用详细的语言来对其进行描述。然而需要理解的是，本发明的范围并不因此而受到限制，如同与本发明相关的领域的技术人员所通常想到的那样，可以构思出对所说明的装置和其使用，以及对此处所说明的本公开原理的进一步应用的这种修改和进一步的改进。
为了方便读者，首先应该注意到首次出现了元件的附图典型地由相应的标记数字的最左侧的数字来表示。例如，由一百系列的附图标记(例如，100，101，102和103等)表示的部件通常首先根据图1进行了论述，而由二百系列的附图标记(例如，200，201，202和203等)表示的部件通常首先根据图2进行论述。
图1显示了根据本公开的一个实施方案中车辆混合驱动控制系统100的图。这里所描述的系统和控制方法适用于任何类型的电动或混合动力车的驱动，所述驱动结合了提供驱动车辆所需的部分电能的高压储能系统(例如，电池)和电动机。如图所示，系统100包括储能系统(ESS)110，逆变器112，DC-DC转换器114，机械促动装置121，电机(E-machine)111和控制器118。高压转换器线缆120(正极)和122(负极)将储能系统110的终端164和166与DC-DC转换器114的终端161和163相连。高压逆变器线缆124(正极)和126(负极)将储能系统110的终端165和167与逆变器112的终端160和162相连。高压储能系统模块连接线缆128(负极)和130(正极)将储能系统110内的储能模块132的终端169和171与储能模块134的终端168和170相连。在图1的实施方案中，正极终端164，165和169在储能系统110内相互电连接。同样地，负极终端166，167和171在储能系统110内相互电连接。
逆变器112可用于通过高压发电机线缆113、115和117向电机111(例如，电动发电机)提供交流电或从电机111(例如，电动发电机)处接收交流电。电机111能通过转轴129与汽车变速器123相连，通过变速器123向车轮133提供适合的扭矩传递。在混合动力电动车的情况中，机械促动装置例如引擎121也可通过如图所示的离合器131以及转轴125和127与电机111和变速器123机械式相连。当储能系统部分或完全放电，或以发电机模式运行电机111以给储能系统110再充电时，引擎121能提供额外的推进力。应理解地是，可使用额外的高压线缆将储能系统110与车辆内的其他高压车辆部件相连，或者将额外的高压部件相互连接。
在一般的操作中，控制器118与图1中的多种部件连接以控制储能系统110提供的电流。在需要电能时，例如在点火启动情况时，控制器118使主储能系统的高压接触器140，142，144和146闭合，以向有需求的车辆部件提供电能。如下文进一步解释，控制器118测量各个高压部件处的电压以在允许高压接触器140，142，144和146闭合之前保证多个高压电力线缆正确地连接。然而为了提供准确的测量结果，需要阈值电压。系统100通过使引擎121转动来提供这种电压，所述引擎又使电机111转动。在其他实施方案中，电机可首先由与低压电池116和/或DC-DC转换器114相连的启动器或起动电机来转动。仍在其他实施方案中，电机可由其他类型的促动装置例如风车、踏车或太阳能发动机来转动。
当转动时，电机111会产生电促动力(EMF)，所述电促动力会在发电机线缆113、115和117中产生交流电压。如果储能系统的接触器140，142，144和146未连接(开路)，则电机的转动还可通过电机111产生的与EMF相对应的测试电压为电容器141充电。引擎121和电机111的速度由控制器118调节以保持经过电容器141的测试电压在一定的水平，所述水平适合于检测和测量高压线缆的连接(一般为20伏特)，但是低于安全法规所要求的阈值并且防止操作员或维修人员受伤(一般为50伏特)。这允许在主储能系统的高压接触器140，142，144和146闭合并向布线施加高电压之前检测线缆连接，所述高电压一般在400伏特到450伏特的范围内。
储能系统110优选地包括多个并联的储能模块132和134以在正常运行期间向车辆电子部件提供足够的电流。虽然图1中显示了两个储能模块，但应理解地是，可使用任意数量的储能模块。此外，可以设想地是，储能系统110可包括任何用于储存势能的系统，例如通过化学装置，气动蓄能器，液压蓄能器，弹簧，储热系统，飞轮，重力装置和电容器，在此仅举几个例子。在一个实施方案中，储能模块132和134各自包括电池136和138。优选地，电池132和134每一个包括多个独立的电池单元，所述电池单元串联以得到所需的电压。在优选的实施方案中，电池132和134在约420伏特的电压下运行，但是也可使用其他的电压。
逆变器112可包括DC-AC逆变器，所述DC-AC逆变器将来自储能系统110的直流电转换为用于驱动下游其他高压部件例如电机111的交流电。当电机111由引擎121或车辆的剩余惯性(例如在再生制动或其他储能系统再生模式下)驱动而作为发电机运行时，逆变器112还可用于将电机111产生的交流电(AC)转换成用于给储能系统110的电池136和138充电的直流电。
DC-DC转换器114通过高压线缆120(正极)和122(负极)与储能系统110相连。在一个实施方案中，DC-DC转换器114为开关模式升压转换器。当作为降压转换器(即，降低转换器)运行时，DC-DC转换器114将由储能系统110提供的高压直流电转换为低压直流电。低电压反过来用于给低压电池116充电并向需要低电压(通常在12伏特到24伏特之间)的车辆系统和配件150提供直流电。当作为升压转换器运行时，DC-DC转换器114将来自电池116的低压电转换为用于跨接启动车辆(例如，如果储能系统110已经放电)或首先使电机111转动以产生如上文所述的测试电压。应理解地是，除了升降压转换器之外，DC-DC转换器114还可包含升压DC-DC转换器和降压DC-DC转换器的其他类型的结合。
在一个典型的实施方案中，控制器118可包括具有处理器，存储器和输入/输出连接的计算机。应理解地是，可根据特定实施的需要，将额外的元件包括在控制器118内。还应该理解地是，控制器118可包含在每一个高压部件处的单独的控制器模块，在公共壳体内的单个的控制器，或者它们的任何结合。控制器118可接收额外的信号，例如电压、电流、相位、热量、位置、速度和/或其他各种用于有效控制系统100的信号。更具体地说，控制器118可接收在逆变器112的高压终端160和162、储能系统110的终端164和166以及储能系统110中的储能模块134的终端168和170处测得的电压信号。控制器118也可接收来自车辆其他控制子系统的信号，包括车辆启动/停止命令、功率和扭矩的转换请求等。
应理解地是，高压部件110，111，112和114中的每一个也可包含额外的用于测量或向控制器118传送电压和其他相关测量信号的测量电路和/或控制器。控制器118可接收通过控制线119测得的电压。控制线119中的每一条可包含携带有所测得的实际电压或数据格式媒介的直接输入导体或导体对，所述导体或导体对利用通信协议或数据总线将电压测量值从相关的高压部件传输到控制器。可将现有技术中已知的其他设置或电路用于将测得的电压传输到控制器118。
图2显示了检测系统100中高压线缆的连接的方法。该过程从步骤205开始，此时控制器118使引擎121(或其他促动装置)将电机111以高速转动，这会导致在逆变器112的直流侧终端160和162感生相应的15到50伏特的测试电压。所提到的范围为进行精确测量提供了足够的电压，但是该电压低于安全法规一般要求的阈值。
一旦电机111已经到达了所需要的速度，该过程进行步骤210，在该步骤中，控制器118评价经过终端160和162而测得的电压信号。电压信号可由逆变器112中适当的测量电路测得，并传输给控制器118。如果所测得的信号与基于由电机111产生的EMF的预期值一致(判定块215)，考虑一般性的线缆电压降，则发电机线缆113，115和117被认为是正常连接。如果所测得的电压过低，则控制器认为其中一条线缆为未连接或否则其完整性已被破坏(步骤220)。然后，控制器118采取适当的纠正方法以防止电气安全隐患，例如防止储能系统的接触器闭合，阻止仅通过引擎电源使车辆运行，或使车辆停止(步骤225)。
如果在步骤215处测得的电压被确定为是足够的，则该过程进行判定块230以确定是否要评价额外的高压部件线缆。对于所述的系统100，该过程返回到步骤210并测量经过储能系统110的储能模块132的终端165和167的电压。如果测得的电压与如上文所述的预期值相匹配，则控制器确定逆变器线缆124和126为正常连接。如果电压过低，则控制器118再次认为至少一条线缆的连接已被破坏并且该过程进行步骤220和225，在此步骤中控制器118采取适当的行动以阻止电气安全隐患。
通过测量经过DC-DC转换器114的终端165和167的电压，该过程再一次重复步骤210和215以检测高压转换器线缆120和122的连接状态。通过测量经过储能模块134的终端168和170的电压，该过程可再一次重复步骤210和215以检测高压模块连接电缆128和130的连接状态。应理解地是，通过控制器逐步评价处于之前已评价过的线缆段下游的线缆的连接，可通过类似的方式评价或检测额外的高压电缆。如果之前已评价过的上游端接电压被确定是足够的，但是当前正在被评价的终端处的电压低于预定的阈值，则可以认为从之前测量的终端点到目前正在测量的终端点之间的线缆段存在问题。
应理解地是，作为在步骤225处停止车辆启动程序的替代，可允许启动程序继续，这取决于所测得的电压或关于正在检测的线缆的其他因素。例如，如果正在评价的线缆由于轻微腐蚀而被确定为仅部分未连接或部分断开，则控制器118可仅简单地警告驾驶员应当在下一次预定检查时对环境进行处理，而仍允许驱动车辆。
如果已经核实了所有的高压线缆连接(判定块235)，则控制器允许储能系统的接触器140、142、144和146闭合，因此向多个部件提供高压电(步骤235)。
如说明书和权利要求书所使用，用语“线缆”和“布线”应被解释为意味着连接在两个电气部件之间并在两者之间提供导电路径的任何导电体，例如绝缘的导线、多导体护套线缆，电气母排等。此外，应理解地是，图1所示的高压线缆的特定设置仅用于说明目的，并且其他设置和高压布线与高压部件的组合在本发明的范围内。例如，尽管图1显示了高压布线具有用于每个正导体(分别为120，124和130)的专用的接地导体(122、126和128)，但是系统100也可使用公共接地设置，将接地导体与公共接地点相连，例如主车辆底盘接地。
如说明书和权利要求书所使用，用语“低电压”应被解释为意味着等于或小于50伏特的电压。
如说明书和权利要求书所使用，用语“高电压”应被解释为意味着大于50伏特的电压，该电压对于人类接触是危险的。
尽管已经在附图和前文描述中详细说明和描述了本发明，但是这应被认为是说明性的且相应地是非限制性的，应理解地是只说明和描述了优选技术方案，并且进入到由以下所有权利要求书限定的本发明的精神内的所有改变、等效物和修改均要求得到保护。这里，引用在本说明书中的所有公开、专利和专利申请以引用方式而结合入本发明，就像每个单独的公开、专利或专利申请均特别和单独地通过引用和说明其全部而结合入本发明。

Claims (18)

1.一种用于自动检测混合动力电动车内存在断开的高压线缆的状况的方法，包括：
使电动发电机以第一速度转动，以在将所述电动发电机和混合动力电动车中的逆变器相连的高压发电机线缆上产生测试电压，所述电动发电机与机械促动装置机械式地相连并由所述机械促动装置转动，所述测试电压小于50伏特并且大于14伏特；以及
使用与储能系统相连的控制器来将在逆变器的第一终端处测得的第一电压与测试电压自动比较，以确定所述发电机线缆是否正确地连接在转动的电动发电机和逆变器之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电压由所述电动发电机产生的电促动力在所述逆变器中的电容器上感生。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述机械促动装置为内燃机。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
使用所述控制器来将在混合动力电动车的高压储能系统的第二终端处测得的第二电压与所述测试电压自动比较，以确定逆变器线缆是否正确地连接在所述逆变器和储能系统之间。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
使用所述控制器来将在DC-DC转换器的第三终端处测得的第三电压与所述测试电压自动比较，以确定转换器线缆是否正确地连接在所述储能系统和DC-DC转换器之间。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
使用所述控制器来将在储能系统中的第一储能模块的第四终端处测得的第四电压与所述测试电压自动比较，以确定模块连接线缆是否正确地连接在储能系统中的第一储能模块和第二储能模块之间。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述比较响应于触发混合动力电动车启动程序的要求通过所述控制器而执行。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果发电机线缆、逆变器线缆、转换器线缆和模块连接线缆中的至少一条没有被确定为正确地连接，则所述控制器使混合动力电动车停止。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
如果发电机线缆、逆变器线缆、转换器线缆和模块连接线缆中的至少一条未正确地连接，则使用所述控制器通过将储能系统的高压接触开关保持在开路位置而自动地阻止储能系统向所述逆变器和DC-DC转换器中的至少一个提供高压电。
10.一种用于自动检测混合动力电动车中存在断开的高压线缆的状况的方法，包括：
使电动发电机以第一速度转动，以在将所述电动发电机与混合动力电动车中的高压部件相连的高压发电机线缆上产生测试电压，所述电动发电机与机械促动装置机械式地相连并由所述机械促动装置转动，所述测试电压小于50伏特并且大于14伏特；以及
使用控制器来将在逆变器的第一终端处测得的第一电压与测试电压进行比较，以确定发电机线缆是否正确地连接在电动发电机和逆变器之间。
11.一种用于检测混合动力电动车内的高压线缆连接的系统，包括：
机械促动装置，其能使与所述机械促动装置相连的轴转动；
用于产生高压电的旋转式电动发电机，所述电动发电机通过所述轴与所述机械促动装置相连；
逆变器，所述逆变器能够将由电动发电机产生的交流电转换为使混合动力电动车中的高压储能系统再生的直流电，所述逆变器还能将高压储能系统产生的直流电转换为用于驱动电动发电机的直流电；
将电动发电机和逆变器的第一交流终端相连的高压发电机线缆；以及
与机械促动装置操作式相连的用于控制机械促动装置的速度的控制器；
其中，机械促动装置以第一速度运行，以使所述电动发电机在所述高压发电机线缆上产生交流电压；
其中，由发电机线缆上的交流电压在逆变器的直流侧上感生出直流测试电压，所述直流测试电压处在14到50伏特之间；以及
其中，控制器来将在逆变器的第一直流终端处测得的第一直流电压与测试电压自动比较，以确定发电机线缆是否正确地连接在电动发电机和逆变器之间。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括：
将逆变器和储能系统相连的逆变器线缆，其中，所述控制器将在储能系统的第二直流终端处测得的第二直流电压与测试电压自动比较，以确定逆变器线缆是否正确地连接在储能系统和逆变器之间。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其特征在于，还包括：
将储能系统和DC-DC转换器的高压侧相连的转换器线缆，其中，控制器将在DC-DC转换器的第三直流终端处测得的第三直流电压与测试电压自动比较，以确定转换器线缆是否正确地连接在储能系统和DC-DC转换器之间。
14.根据权利要求11、12或13所述的系统，其特征在于，所述储能系统包括多个储能模块，所述储能模块中的第一个和第二个通过高压模块连接线缆连在一起，所述储能模块中的第一个还与转换器线缆相连；以及
所述控制器将在第二储能模块的第四直流终端处测得的第四电压与测试电压进行比较，以确定高压模块连接线缆是否正确地连接在第一储能模块和第二储能模块之间。
14.根据权利要求11、12或13所述的系统，其特征在于，所述储能系统包括至少一个使储能系统与逆变器电绝缘的高压接触开关。
15.根据权利要求11、12、13或14所述的系统，其特征在于，如果发电机线缆、逆变器线缆、转换器线缆和模块连接线缆中的至少一条未正确连接，则控制器将高压接触开关保持在开路位置。
16.根据权利要求11、12、13、14或15所述的系统，其特征在于，所述逆变器还包括与第一直流终端相连的电容器；并且
其中，所述第一电压在所述电容器上测得。
17.一种用于检测混合动力电动车内的高压线缆连接的系统，包括：
机械促动装置，其能使与机械促动装置相连的轴转动；
用于向第一高压车辆部件提供功率并从第一高压车辆部件接收功率的旋转式电动发电机，所述电动发电机通过所述轴与所述机械促动装置相连；
将储能系统和所述第一高压车辆部件相连的第一高压线缆；以及
与所述机械促动装置操作式相连的用于自动控制所述机械促动装置的速度的控制器；
其中，所述机械促动装置以第一速度运行，以使所述电动发电机在所述第一高压线缆上产生测试电压；以及
其中，所述控制器将在所述第一高压车辆部件的第一终端处测得的第一电压与所述测试电压自动比较，以确定所述第一高压线缆是否正确地连接在所述电动发电机和所述第一高压车辆部件之间。
18.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，第一高压部件包括逆变器。
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