CN106154112A - 电气化动力总成系统的绝缘监控装置及绝缘监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电气化动力总成系统的绝缘监控装置，该绝缘监控装置包含：绝缘监控设备，其与逆变器三相的开关状态变化时刻同步进行绝缘测量，判断交流电网或直流电网的漏电情况和识别漏电线路；逆变器控制器，其电路连接绝缘监控设备与逆变器，上传逆变器开关状态至绝缘监控设备，根据绝缘监控设备输出的不同脉宽调制的指令控制逆变器开关状态。本发明通过逆变器开关在绝缘电阻计算中的影响，鉴别电气化动力总成系统中的绝缘失效位置：直流电网或交流电网，并检测直流电网或交流电网漏电的具体线路；绝缘监测装置进行绝缘采样与逆变器主动短路时间完全同步，以提高绝缘测量精确度。

Description

电气化动力总成系统的绝缘监控装置及绝缘监控方法

技术领域

本发明涉及一种电网监控技术，具体涉及一种用于电气化动力总成系统的绝缘监控装置及绝缘监控方法。

背景技术

绝缘监控是所有高压(60伏以上)电气化动力总成的关键安全特性。绝缘监控系统的用途在于检测任何可能将人置于电击危险的漏电情况。所测绝缘电阻必须在某一特定阈值之上以符合不同适用标准，例如FMVSS305(倘若Ri1小于Ri2，则用Ri1除以动力电池包的标称电压(Vb)，该值记录为Ri/Vb，该值必须等于或大于500，倘若该值小于500Ohm/V(标称阈值)，则应存在绝缘错误；倘若Ri2小于Ri1，则用Ri2除以电力推进电池的标称工作电压(Vb)。该值记录为Ri/Vb，该值必须等于或大于500，倘若该值小于500Ohm/V(标称阈值)，则应存在绝缘错误)、ECE R100、ISO6469-1(动力电池的整个寿命周期中，绝缘电阻Ri根据计算标准方法除以动力电池的标称电压Vb，其结果应超过100Ohm/V)，从而确保系统的安全性。

如图1所示，为一种绝缘监控系统的典型系统拓扑图，其中绝缘监控由电池系统或一个专有的与直流电网相连的外部的绝缘监控模块101来执行。

如图2所示，详细来讲，绝缘监控是通过将已知电阻切换连接直流电网的正负电极来进行测量。例如在FMVSS305标准中，对绝缘电阻Rl的测量提出了同样的原则：Rl取Rl1与Rl2中的最小值，见式(1)：

$Rl1=R_0\×\frac{V1-V{1}^{\′}}{V{1}^{\′}}\×(1+\frac{V2}{V1})$

$Rl2=R_0\×\frac{V2-V{2}^{\′}}{V{2}^{\′}}\×(1+\frac{V1}{V2})---\left(1\right)$

式(1)中，R0为已知电阻，V1’和V2’分别为R0上电压，V1为电阻Rl1上电压，V2为电阻Rl2上电压。

如果绝缘电阻Rl/Vb<标称阈值，则说明检测到了绝缘故障。

目前，现有技术的缺点在于：1)根据标准要求，仅高压电池与直流电网的绝缘电阻受监控。但由于一般交流电网电压高于60伏，因而也会使用户面临电击危险；2)精确测量交流电网绝缘电阻的主要问题为逆变器使得不同交流电线上绝缘电阻的测量值不连续；3)如果需要精确测量，则需要将电机及控制器主动短路，将所有相与直流电网的一极相连。

发明内容

本发明提供一种电气化动力总成系统的绝缘监控装置及绝缘监控方法，具有鉴别直流电网或交流电网漏电的能力，并可对交流电网的每一相进行漏电识别。

为实现上述目的，本发明提供一种电气化动力总成系统的绝缘监控装置，该电气化动力总成系统包含：电路连接直流电网的电池；逆变器，其直流端电路连接电池正极和负极；电路连接交流电网的电机，其三相电路连接逆变器交流端；其特点是，该绝缘监控装置包含：

绝缘监控设备，其与逆变器三相的开关状态变化时刻同步进行绝缘测量，判断交流电网或直流电网的漏电情况和识别漏电线路；

逆变器控制器，其电路连接绝缘监控设备与逆变器，上传逆变器开关状态至绝缘监控设备，根据绝缘监控设备输出的不同脉宽调制的指令控制逆变器开关状态。

上述电池的正极与接地之间电路连接有正极开关，电池的负极与接地之间电路连接有负极开关；

上述绝缘监控设备分别电路连接正极开关和负极开关，切换电池的正极和负极接地，检测直流电网漏电线路。

一种绝缘监控装置的绝缘监控方法，其特点是，该方法包含：

绝缘监控装置与逆变器三相的开关状态同步进行绝缘测量；

绝缘监控装置判断交流电网或直流电网的漏电情况，并基于判断结果识别漏电的线路。

上述绝缘监控装置进行绝缘测量时，接收逆变器上传的逆变器开关的平均脉宽调制数值。

上述逆变器通过任意通信协议上传逆变器开关的平均脉宽调制数值至绝缘监控装置。

上述绝缘监控装置判断交流电网或直流电网的漏电情况包含：

绝缘监控装置控制逆变器改变其开关的脉宽调制，若不同脉宽调制下绝缘监控装置绝缘测量所得结果不同，则判定漏电发生在交流电网处。

上述绝缘监控装置判断交流电网或直流电网的漏电情况包含：

绝缘监控装置在不同频率下进行绝缘测量，若不同频率下绝缘监控装置绝缘测量所得结果不同，则判定漏电发生在交流电网处。

上述绝缘监控装置判定交流电网为绝缘失效的原因，则绝缘监控装置将交流电网三相中的每一相分别直接与直流电网电路连接，以识别交流电网三相中漏电的线路。

上述绝缘监控装置判定直流电网为绝缘失效的原因，则绝缘监控装置将电池的正极和负极切换接地，以识别直流电网中漏电的线路。

上述绝缘监控装置进行绝缘检测时，将电机控制器开关的半桥主动短路，使电机交流端三相与电池直流端连通；绝缘监控装置采样时间与主动短路时间同步。

本发明电气化动力总成系统的绝缘监控装置及绝缘监控方法和现有技术绝缘监控技术相比，其优点在于，本发明通过逆变器开关在绝缘电阻计算中的影响，实现鉴别电气化动力总成系统中直流电网或交流电网对绝缘失效负责，并实现具体检测直流电网或交流电网漏电的具体线路；

本发明绝缘监测装置进行绝缘采样与逆变器主动短路时间完全同步，提高绝缘测量精确度。

附图说明

图1为现有技术绝缘监控系统的典型系统拓扑图；

图2为现有技术直流端绝缘监控的电路原理图；

图3为本发明绝缘监控装置的连接示意图；

图4为电机工作时典型的开关状态示意图；

图5为在测试中开关的具体状态表；

图6为电机三相均断开时的等效电路示意图；

图7为电机三相均连通至DC-时的等效电路示意图；

图8为电机三相均连通至DC+时的等效电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图3所示，为本发明所公开的一种适用于电气化动力总成系统的绝缘监控装置的实施例。

其中，绝缘监控装置所适用的电气化动力总成系统包含：电池303、电机控制器、电机305。电池303电路连接直流电网。电机305的电机控制器中包含有逆变器304，其直流端电路连接电池303的正极和负极。电机305电路连接交流电网，其三相(a相、b相、c相)分别对应电路连接逆变器304交流端的三相。

电池303正极与逆变器304之间电路连接有正极开关SW1，正极开关SW1通过一个已知标准电阻R0接地。电池303负极与逆变器304之间电路连接有负极开关SW2，负极开关SW2通过一个已知标准电阻R0接地。

绝缘监控装置包含：绝缘监控设备301和逆变器控制器302。

逆变器控制器302电路连接绝缘监控设备301与逆变器304，用于上传逆变器304的IGBT开关状态至绝缘监控设备301，并且根据绝缘监控设备301输出的不同脉宽调制的指令控制逆变器304的开关状态。

绝缘监控设备301电路连接正极开关SW1、负极开关SW2和逆变器控制器302。绝缘监控设备301用于通过逆变器控制器302实时监测逆变器304的实际脉宽调制(PWM)或三相(a相、b相、c相)的IGBT开关状态，从而实现与逆变器304三相的开关状态变化时刻同步进行绝缘测量，判断交流电网或直流电网的漏电情况和识别漏电线路。

绝缘监控设备301为了正确测量交流电网，绝缘测量可以与a,b与c相的开关状态同步，以进行精确测量。也就是说，绝缘监控设备301实时接收到了逆变器304开关的实际状态，以确定其是否在直流正极或负极的主动短路中。

主动短路由电机控制器中的逆变器304控制；具体操作为将电机控制器IGBT的半桥进行短路，使得在绝缘检测时，电机305交流端三相与电池303直流端连通，这样检测到的绝缘值就包含了电机305的绝缘状况。

绝缘监控设备301检测绝缘失效，即漏电，考虑通过在交流电网上逆变器304的实际脉宽调制频率或逆变器304开关状态，结合绝缘监控设备301测量中的测量的电压值来检测。绝缘失效的故障原因可以通过改变开关的脉宽调制(PWM)来鉴别，倘若不同的脉宽调制的绝缘测量得到不同的结果，说明交流电网处漏电，否则可能为直流电网出漏电。

绝缘监控设备301一旦识别出交流电网为绝缘失效的原因，即可由绝缘监控设备301通过逆变器控制器302来独立控制逆变器304开关，以直接将交流单相与直流电网相连，与其它控制分开，触发专门的测量来识别。

绝缘监控设备301一旦识别出直流电网为绝缘失效的原因，即通过正极开关SW1、负极开关SW2，切换控制电池303的正极和负极接地，从而检测直流电网具体漏电的线路。

本发明还公开了一种适用于电气化动力总成系统的绝缘监控装置的绝缘监控方法，该方法具体包含以下步骤：

步骤1、绝缘监控装置与逆变器三相的开关状态同步进行绝缘测量。

绝缘监控装置进行绝缘测量时，通过逆变器控制器302实时接收和监测逆变器304通过任意通信协议上传的实际脉宽调制(PWM)或逆变器304三相(a相、b相、c相)的IGBT开关状态，从而实现与逆变器304三相的开关状态变化时刻同步进行绝缘测量，以进行精确测量。也就是说，绝缘监控设备实时接收到了开关的实际状态，以确定其是否在直流正极或负极的主动短路(ASC)中。

主动短路通常在电机启动前进行，由电机控制器中的逆变器控制；具体操作为将电机控制器IGBT的半桥进行短路，使得在绝缘检测时，电机交流端三相与电池直流端连通，这样检测到的绝缘值就包含了电机的绝缘状况。

如果电机扭矩波动小，则相电压之间的差值小，主动短路(ASC)时间就长；若扭矩波动大，则相电压之间的差值大，主动短路(ASC)时间短，甚至为0μs。在稳态时，通常脉宽调制(即ASC中的时间百分比)约为50％。波动越大，ASC的时间段越短。ASC的时间段越短，绝缘电阻的误差越高。

所以绝缘监控装置绝缘测量的采样时间与主动短路时间同步，绝缘测量将很精确。

步骤2、绝缘监控装置判断交流电网或直流电网的漏电情况，并基于判断结果识别漏电的线路。

步骤2.1、绝缘监控装置判断漏电是否发生在交流电网处，若是，判定漏电为交流电网引起，则跳转到步骤3；若否，判定漏电为直流电网引起，则跳转到步骤4。

判断漏电发生源的方法可以有以下两个实施例。

实施例一、绝缘监控装置通过逆变器控制器控制逆变器改变其开关的脉宽调制，若不同脉宽调制下绝缘监控装置绝缘测量所得结果不同，则判定漏电发生在交流电网处；若不同脉宽调制下绝缘监控装置绝缘测量所得结果相同，则判定漏电发生在直流电网处。

实施例二、绝缘监控装置可以在不同频率下进行绝缘测量，若两个或两个以上不同频率下绝缘监控装置绝缘测量所得结果不同，则判定漏电发生在交流电网处；若两个或两个以上不同频率下绝缘监控装置绝缘测量所得结果相同，则判定漏电发生在直流电网处。

频率的改变可以由绝缘监控系统通过特殊情况触发(例如在车静止时，对于电机的a，b，c三相进行轮流检测；或在车加速时，当电机处在不同频率时进行检测)，或者关联到电机控制的固有表现。

步骤3、绝缘监控装置判定交流电网为绝缘失效的原因，则由绝缘监控设备来独立控制开关，绝缘监控装置将交流电网三相中的每一相分别直接与直流电网电路连接，与其它控制分开，以识别交流电网三相中漏电的线路。

识别漏电线路后跳转到步骤1，实时监测电气化动力总成系统的漏电状态。

步骤4、绝缘监控装置判定直流电网为绝缘失效的原因，则绝缘监控装置将电池的正极和负极切换接地，以识别直流电网中漏电的线路。

识别漏电线路后跳转到步骤1，实时监测电气化动力总成系统的漏电状态。

为了准确得到各相的绝缘电阻，需要在不同的开关连接状态下对各电压进行测量。

如图4所示，为当电机工作时典型的开关状态。在整个工作周期内，a，b，c三相与直流端的连接状态不断变化(图中高电平为连接DC+，低电平为连接DC-)。图中采样时期时长为1ms，在采样时期内，不同连接状态的累积时间分别统计。在图中，分别为a、b、c三相均与DC+连通，a、b两相与DC+连通，a、c两相与DC+连通，b、c两相与DC+连通，以及a相单独与DC+连通。

如图5所示，为在测试中开关的具体状态。当电机停机时，分别在三种连接状态下测量电压：三相均断开；三相连接DC+；三相连接DC-。当电机启动后，在不同的连接状态下，以不同的采样时间测量相应电压，并计算绝缘电阻Ri1和Ri2。

如图6所示，为当电机三相均断开时的等效电路：

其中Ri1_DC+和Ri1_DC-分别为电池正负极对地的绝缘电阻，R0为阻值已知的电阻，SW1和SW2分别为控制负极和正极R0导通的开关。V1和V2分别为电池负极和正极的对地电压。

绝缘电阻的计算公式如式(1)：

$R_{i2}=R_{i2}\_DC+=\frac{V2\left(0\right)-V{2}^{\&prime;}\left(0\right)}{V{2}^{\&prime;}\left(0\right)}\&CenterDot;(1+\frac{V1\left(0\right)}{V2\left(0\right)})$

$R_{i1}=R_{i1}\_DC-=R_0\&CenterDot;\frac{V1\left(0\right)-V{1}^{\&prime;}\left(0\right)}{V{1}^{\&prime;}\left(0\right)}\&CenterDot;(1+\frac{V2\left(0\right)}{V1\left(0\right)})---\left(1\right)$

如图7所示，为当电机三相均连通至DC-时的等效电路。图中Phase a、b、c分别代表三相，Ri_a、Ri_b、Ri_c分别为各相的对地绝缘电阻。其它参数与图6中所示相同。

绝缘电阻的计算公式如式(2)：

R_i2＝R_i2_DC+

$R_{i1}=\frac{1}{\frac{1}{R_{i1DC-}}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_a}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_b}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_c}}=R_0\&CenterDot;\frac{V2(1-)-V{2}^{\&prime;}(1-)}{V{2}^{\&prime;}(1-)}\&CenterDot;(1+\frac{V1(1-)}{V2(1-)})$

$R_{iAC}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_a}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_b}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_c}}---\left(2\right)$

如图8所示，为当电机三相均连通至DC+时的等效电路。

绝缘电阻的计算公式如式(3)：

$R_{i2}=\frac{1}{\frac{1}{R_{i2DC+}}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_a}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_b}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_c}}=R_0\&CenterDot;\frac{V2(1+)-V{2}^{\&prime;}(1+)}{V{2}^{\&prime;}(1+)}\&CenterDot;(1+\frac{V1(1+)}{V2(1+)})$

R_i1＝R_i1_DC-

$R_{iAC}=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_a}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_b}+\frac{1}{{\mathrm{Ri}}_c}}---\left(3\right)$

这样便可以计算出等效绝缘电阻，从而判断电池和电机的绝缘状态。

由于在绝缘监测时，设备的采样时间显著长于电机三相连通状态的持续时间，因此测量所得的电压值是电机在相同开关状态下的平均值。如图所示。为了保证在每一状态下均得到合理的测量电压加权平均值，需要合理设置采样周期。采样后的电压通过下式(4)计算：

$\underset{i}{\overset{n}{\&Sigma;}}{V}_i\&CenterDot;\frac{t_i}{T}=Vmeas---\left(4\right)$

其中，采样电压Vmeas通过下式(5)计算：

其中k代表开关SW1和SW2的不同状态。

通过图5中所示的1+、1-和0三种状态，可以分别计算出V(i)1，V(i)2与V(i)9，因此式中矩阵的大小可简化为4×6。

为了求解矩阵，电机系统的控制算法需要实现以下功能：在时长t1、t2、t3的测量结束后，下一次绝缘检测中测量t4、t5、t6。这可以通过绝缘监测系统发送命令或者改变电机转速或扭矩实现。测量需要重复6次，即可解开未知的矩阵。

Vmeas_Tot＝[Vmeas(1)...Vmeas(k)…Vmeas (6)].

$ATot=\left[\begin{array}{cccccc}{a}_{11}& a_{\mathrm{12}}& a_{\mathrm{13}}& a_{14}& a_{15}& a_{16}\\ a_{11}& a_{\mathrm{12}}& a_{\mathrm{13}}& a_{14}& a_{15}& a_{16}\\ a_{21}& a_{\mathrm{22}}& a_{\mathrm{23}}& a_{24}& a_{25}& a_{26}\\ a_{21}& a_{\mathrm{22}}& a_{\mathrm{23}}& a_{24}& a_{25}& a_{26}\\ a_{21}& a_{\mathrm{22}}& a_{\mathrm{23}}& a_{24}& a_{25}& a_{26}\\ a_{31}& a_{\mathrm{32}}& a_{\mathrm{33}}& a_{34}& a_{35}& a_{36}\\ a_{31}& a_{\mathrm{32}}& a_{\mathrm{33}}& a_{34}& a_{35}& a_{36}\\ a_{31}& a_{\mathrm{32}}& a_{\mathrm{33}}& a_{34}& a_{35}& a_{36}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}A\left(1\right)& ...& A\left(k\right)& ...& A\left(6\right)\end{array}\right]$

${\mathrm{Vmeas}}_{Tot}=V.ATot\&DoubleRightArrow;V={\mathrm{Vmeas}}_{Tot}/ATot$

当V的值得以确定，即可计算得到Ria、Rib与Ric。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电气化动力总成系统的绝缘监控装置，该电气化动力总成系统包含：

电路连接直流电网的电池；

逆变器，其直流端电路连接电池正极和负极；

电路连接交流电网的电机，其三相电路连接逆变器交流端；

其特征在于，所述绝缘监控装置包含：

绝缘监控设备，其与逆变器三相的开关状态变化时刻同步进行绝缘测量，判断交流电网或直流电网的漏电情况和识别漏电线路；

逆变器控制器，其电路连接绝缘监控设备与逆变器，上传逆变器开关状态至绝缘监控设备，根据绝缘监控设备输出的不同脉宽调制的指令控制逆变器开关状态。

2.如权利要求1所述的电气化动力总成系统的绝缘监控装置，其特征在于，所述电池的正极与接地之间电路连接有正极开关，电池的负极与接地之间电路连接有负极开关；

所述绝缘监控设备分别电路连接正极开关和负极开关，切换电池的正极和负极接地，检测直流电网漏电线路。

3.一种绝缘监控装置的绝缘监控方法，其特征在于，该方法包含：

绝缘监控装置与逆变器三相的开关状态同步进行绝缘测量；

绝缘监控装置判断交流电网或直流电网的漏电情况，并基于判断结果识别漏电的线路。

4.如权利要求3所述的绝缘监控方法，其特征在于，所述绝缘监控装置进行绝缘测量时，接收逆变器上传的逆变器开关的平均脉宽调制数值。

5.如权利要求4所述的绝缘监控方法，其特征在于，所述逆变器通过任意通信协议上传逆变器开关的平均脉宽调制数值至绝缘监控装置。

6.如权利要求3所述的绝缘监控方法，其特征在于，所述绝缘监控装置判断交流电网或直流电网的漏电情况包含：

绝缘监控装置控制逆变器改变其开关的脉宽调制，若不同脉宽调制下绝缘监控装置绝缘测量所得结果不同，则判定漏电发生在交流电网处。

7.如权利要求3所述的绝缘监控方法，其特征在于，所述绝缘监控装置判断交流电网或直流电网的漏电情况包含：

绝缘监控装置在不同频率下进行绝缘测量，若不同频率下绝缘监控装置绝缘测量所得结果不同，则判定漏电发生在交流电网处。

8.如权利要求3或6或7所述的绝缘监控方法，其特征在于，所述绝缘监控装置判定交流电网为绝缘失效的原因，则绝缘监控装置将交流电网三相中的每一相分别直接与直流电网电路连接，以识别交流电网三相中漏电的线路。

9.如权利要求3所述的绝缘监控方法，其特征在于，所述绝缘监控装置判定直流电网为绝缘失效的原因，则绝缘监控装置将电池的正极和负极切换接地，以识别直流电网中漏电的线路。

10.如权利要求3所述的绝缘监控方法，其特征在于，所述绝缘监控装置进行绝缘检测时，将电机控制器开关的半桥主动短路，使电机交流端三相与电池直流端连通；绝缘监控装置采样时间与主动短路时间同步。