CN112513651B - 用于检测绝缘故障的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种用于检测电动或混合动力电动车辆的高压系统的正负高压母线轨道(5、6)与高压推进侧(3)上的车辆底盘之间的绝缘电阻中的绝缘故障的方法。高压系统通过分别位于正负高压母线轨道(5、6)中的第一和第二高压接触器(7、8)被分为高压电池侧(1)和高压推进侧(3)。高压推进侧(3)包括串联跨接正负高压母线轨道(5、6)的第一和第二电容器(9、10)，其中第一和第二电容器(9、10)的公共接点(11)连接至底盘(12)。该方法包括：确保第一和第二高压接触器(7、8)被设置为开路状态；操作绝缘DC/DC转换器(13)以将高压电池侧(1)的高压电池(2)提供的高压(14)转换为高压推进侧(3)上的低压输出(15)；向正负高压母线轨道(5、6)提供低压输出(15)，以对第一和第二电容器(9、10)同时充电；记录第一和第二电容器(9、10)的充电电流、电压水平或电能水平；以及基于第一和第二电容器(9、10)的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定高压系统的正和/或负高压母线轨道(5、6)与高压推进侧(3)上的车辆底盘(12)之间是否存在绝缘故障。本公开内容还涉及一种相应的电动车辆或混合动力电动车辆的高压电路。

Description

用于检测绝缘故障的方法
技术领域
本公开内容涉及一种用于检测电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统的正高压母线轨道和负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间的绝缘电阻中的绝缘故障的方法。本公开内容还涉及一种相应的高压电路。
本公开内容可布置于电动车辆或混合电动车辆的高压系统中，例如汽车、卡车、公共汽车、船舶、诸如轮式装载机、挖掘机、自卸车、压实机或林业机械等作业车辆、越野车辆，等等。
背景技术
电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统通常能够改善燃油经济性、加快充电、改善动力响应和降低电流。高压系统通常被固定至车辆底盘上，但正高压母线轨道和负高压母线轨道与车辆底盘之间必须有最小绝缘电阻，以确保例如在操作或维修期间的安全性。
已知提供了用于监测绝缘电阻的安全系统，并在检测到绝缘故障时采取适当的措施。然而，传统的绝缘电阻监测系统在快速绝缘电阻测试、降低复杂性以及安全性的多个方面，仍然可能加以改进。
发明内容
本节提供了本公开内容的总体概述，而非对其全部范围或所有特征的全面公开。
本公开内容的总的目的在于提供用于检测电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统的正高压母线轨道和负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间的绝缘电阻中的绝缘故障的一种方法和一种高压电路。其中该方法和电路在快速绝缘电阻测试、降低复杂性和提高安全性方面提供了改进的性能。
这一目的和其它目的将在下文中变得明显，并由所附独立权利要求中限定的方法和系统至少部分地实现这些目的。
根据本公开内容的第一方面，提供了一种用于检测电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统的正高压母线轨道和负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间的绝缘电阻中的绝缘故障的方法。高压系统通过分别位于正高压母线轨道和负高压母线轨道中的第一高压接触器和第二高压接触器而被分为高压电池侧和高压推进侧。此外，高压推进侧包括串联跨接正高压母线轨道和负高压母线轨道的第一电容器和第二电容器，第一电容器和第二电容器的公共接点连接至底盘。该方法包括以下步骤：确保第一高压接触器和第二高压接触器被设置为开路状态，操作绝缘DC/DC转换器以将自高压电池侧的高压电池提供的高压转换为高压推进侧上的低压输出，向正高压母线轨道和负高压母线轨道提供低压输出以对第一电容器和第二电容器同时充电，记录第一电容器和第二电容器的充电电流、电压水平或电能水平，以及，基于第一电容器和第二电容器的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定高压系统的正高压母线轨道和/或负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
根据本公开内容的第二方面，提供了一种用于检测电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统的正高压母线轨道和负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间的绝缘电阻中的绝缘故障的方法。高压系统通过分别位于正高压母线轨道和负高压母线轨道中的第一高压接触器和第二高压接触器而被分为高压电池侧和高压推进侧。高压推进侧包括串联跨接正高压母线轨道和负高压母线轨道的第一电容器和第二电容器，第一电容器和第二电容器的公共接点连接至底盘。该方法包括：确保第一高压接触器和第二高压接触器被设置为开路状态，操作绝缘DC/DC转换器以将从高压电池侧的高压电池提供的高压转换为高压推进侧上的低压输出，向第一电容器提供低压输出以对第一电容器充电，记录第一电容器的充电电流、电压水平或电能水平，向第二电容器提供低压输出以对第二电容器充电，记录第二电容器的充电电流、电压水平或电能水平，以及，基于第一电容器和第二电容器的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定高压系统的正高压母线轨道和/或负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
根据本公开内容的第三方面，还提供了一种电动车辆或混合动力电动车辆的高压电路。该高压电路包括：高压电池侧，其包括高压电池；高压推进侧，其包括电推进马达和与电推进马达相关联的马达控制器；连接高压电池和马达控制器的正高压母线轨道和负高压母线轨道；第一高压接触器和第二高压接触器，其分别位于正高压母线轨道和负高压母线轨道中，并限定高压电池侧和高压推进侧之间的划分；第一电容器和第二电容器，其位于高压推进侧上，并串联跨接正高压母线轨道和负高压母线轨道，其中第一电容器和第二电容器的公共接点被连接至底盘；绝缘DC/DC转换器，其具有连接至高压电池的高压输入和连接至高压推进侧上的正高压母线轨道和负高压母线轨道的低压输出；以及，电子控制器，其被配置成用于当第一高压接触器和第二高压接触器被设置为开路状态时，操作绝缘DC/DC转换器，并检测正高压母线轨道和负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间绝缘电阻中的绝缘故障。
以这种方式，实现了几个优点。首先，在检测绝缘故障的测试过程期间，第一高压接触器和第二高压接触器可保持在开路状态。这一事实，连同用于将自高压电池提供的高压转换为高压推进侧上的低压输出的绝缘DC/DC转换器一起，可确保检测绝缘故障的测试过程可在没有监管的“高压”(即低于60伏)的情况下执行。由于在严重的绝缘故障的情况下无可用的危险电流，因而这意味着大大提高了用户或服务人员的安全性。
第二，通过提供第一电容器和第二电容器的同时充电，并且基于的第一电容器和第二电容器的所记录充电电流、电压水平或电能水平，确定高压系统中的正高压母线轨道和/或负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间是否存在绝缘故障，可实施非常快速且简单的测试过程。这意味着可以快速关闭故障的高压电路，并可以以更少的延迟和改善的成本效率执行车辆启动过程。
通过实施从属权利要求的一个或多个特征实现进一步的优点。
在一种示例性实施方式中，通过以下方式执行确定是否存在绝缘故障的步骤，确定直到第一电容器和第二电容器分别达到预定的充电电流、电压水平或能量电平的时间差，并且如果时间差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障。可使用简单地指示何时已达到阈值电流、电压或电能水的光耦合器、比较器等，并结合计时器，以相对经济高效地实现这种评估方法。
在另一示例性实施方式中，通过以下方式执行确定是否存在绝缘故障的步骤，确定在预定时间段之后第一电容器和第二电容器的充电电流、电压水平或电能水平的差，并且如果该差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障。这种评估方法可以提供更多相关的测试数据，这些测试数据可用于确定所检测到的绝缘故障的严重性。
在另一示例性实施方式中，通过以下方式执行确定是否存在绝缘故障的步骤，确定第一电容器和第二电容器的所记录的充电电流特性随时间的变化、电压水平特性随时间的变化或电能水平特性随时间的变化的差，并且如果该差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障。例如，可使用充电电流、电压水平或电能水平随时间的多个测量点来表示所记录的充电电流特性随时间的变化、电压水平特性随时间的变化或电能水平特性随时间的变化。因此，这种评估方法可以提供更多的相关测试数据，这些测试数据可用于确定所检测到的绝缘故障的严重性和类型。
在一种示例性实施方式中，确定是否存在绝缘故障的步骤包括将所检测到的绝缘故障分类为代表不同水平的绝缘故障严重性的至少两个绝缘故障类别中的一类。由此，可根据绝缘电阻故障的严重性采取不同的措施。
在一种示例性实施方式中，该方法还包括当所检测到的绝缘故障被分类为高严重性类别时，防止第一高压接触器和第二高压接触器闭合，以及当所检测到的绝缘故障被分类为低严重性类别时，允许第一高压接触器和第二高压接触器闭合。由此，在严重的绝缘电阻故障的情况下，可以避免对用户或服务人员造成危险的触电风险，同时在不太严重的绝缘电阻故障的情况下，仍然允许用于车辆服务的机动性和时间。
在一种示例性实施方式中，该方法还包括当所检测到的绝缘故障被分类为低严重性类别时，向车辆用户呈现关于检测绝缘故障的信息。由此，用户可以在绝缘故障变得更严重之前的早期阶段组织车辆维修。
在一种示例性实施方式中，绝缘DC/DC转换器包括用于将自高压电池提供的高压转换为低压输出的电变压器。使用电变压器可实现DC/DC转换器的经济高效的高绝缘布局。
在一种示例性实施方式中，绝缘DC/DC转换器具有反激、正向、推挽、半桥或谐振LLC拓扑形式的绝缘拓扑。
在一种示例性实施方式中，该方法包括：通过电子控制器控制从DC/DC转换器的初级侧传输到DC/DC转换器的次级侧的电功率水平，并且通过绝缘感测电路向电子控制器提供关于第一电容器和第二电容器中的每一个的充电电流、电压水平或电能水平的反馈信息。由此，可以对电子控制器进行编程，以执行对绝缘电阻状态的可靠估计。
在一种示例性实施方式中，通过集成电路上的光耦合器或数字绝缘器装置来实现绝缘感测电路。由此，在确保绝缘电阻测试过程期间没有高压被输送到高压推进侧的同时，可实现用于向电子控制器提供反馈的经济高效的解决方案。
在一种示例性实施方式中，操作绝缘DC/DC转换器以将从高压电池侧的高压电池提供的高压转换为高压推进侧上的低压输出的步骤包括，执行第一脉宽调制过程，并且如果检测到绝缘故障，则执行第二脉宽调制过程。由此，可获得关于绝缘故障的更多信息，从而可执行对绝缘电阻故障的严重程度的更好的估计。
在一种示例性实施方式中，所提供的高压具有至少300伏的电压水平，具体地至少400伏，更具体地至少500伏。较高的电压通常能够增加功率输出。
在一个示例实施方式中，低压输出具有低于60伏的电压，具体地低于30伏。由此，在绝缘电阻故障的情况下，降低了对用户的危险电击的风险。
在一种示例性实施方式中，该方法包括，当在正高压母线轨道和负高压母线轨道与车辆底盘之间的绝缘电阻中未检测到绝缘故障时，将绝缘感测电路从第一电容器和第二电容器断开。由此，在未使用绝缘感测电路的时候，可降低绝缘感测电路内的功耗。
在一种示例性实施方式中，电子控制器被配置成用于控制从DC/DC转换器的初级侧传输到DC/DC转换器的次级侧的电功率水平，其中，高压电路还包括绝缘感测电路，其被配置成用于向电子控制器提供关于第一电容器和第二电容器中的每一个的充电电流、电压水平或电能水平的反馈信息。由此，可对电子控制器进行编程，以执行对绝缘电阻状态的可靠估计。
在一种示例性实施方式中，高压电路还包括位于绝缘感测电路中的开关，该开关用于当在正高压母线轨道和负高压母线轨道与车辆底盘之间的绝缘电阻中未检测到绝缘故障时，使得绝缘感测电路从第一电容器和第二电容器断开。由此，在未使用绝缘感测电路的时候，可降低绝缘感测电路内的功耗。
在一种示例性实施方式中，电子控制器被配置成用于：确保第一高压接触器和第二高压接触器被设置为开路状态，操作绝缘DC/DC转换器以将自高压电池侧的高压电池提供的高压转换为高压推进侧上的低压输出，向正高压母线轨道和负高压母线轨道提供低压输出以对第一电容器和第二电容器同时充电，记录第一电容器和第二电容器的充电电流、电压水平或电能水平，以及，基于第一电容器和第二电容器的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定高压系统的正高压母线轨道和/或负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间是否存在绝缘故障。这一测试过程能够快速直接地测试绝缘电阻状态。
在另一示例性实施方式中，电子控制器被配置成用于：确保第一高压接触器和第二高压接触器被设置为开路状态，操作绝缘DC/DC转换器以将从高压电池侧的高压电池提供的高压转换为低压输出，向第一电容器提供低压输出以对第一电容器充电，记录第一电容器的充电电流、电压水平或电能水平，向第二电容器提供低压输出以对第二电容器充电，记录第二电容器的充电电流、电压水平或电能水平，以及，基于第一电容器和第二电容器的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定在高压系统的正高压母线轨道和/或负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间是否存在绝缘故障。这一测试过程可对绝缘电阻状态进行可靠且准确的测试。
当研究所附权利要求和以下描述时，本公开内容的进一步特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以组合本公开内容的不同特征来创建除以下描述的实施方式以外的实施方式。
附图说明
本公开内容的各种示例性实施例，包括其特定特征和示例性优点，将自以下说明性且非限制性的详细描述以及附图中变得容易理解，其中：
图1示出了根据本公开内容的高压电路的布局的示例性实施例的示意性概述；
图2-3示出了用于确定是否存在绝缘电阻故障的第一示例性实施例；
图4-5示出了用于确定是否存在绝缘电阻故障的第二示例性实施例；
图6示出了DC/DC转换器和绝缘感测电路的示例性实施例的更详细的视图；
图7示出了绝缘感测电路的另一示例性实施例的更详细的视图；以及
图8和图9示出了根据本公开内容的用于检测绝缘电阻中的绝缘故障的方法的流程图的两个可替代实施例。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本公开内容，附图中示出了本公开内容的示例性实施例。然而，本公开内容可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性。相似的附图标记在整个说明书中指代相似元件。附图不必按比例绘制，并且某些特征可以被夸大，以便更好地说明和解释本公开内容的示例性实施例。
现参照图1，图1示意性示出了根据本公开内容的电动车辆或混合电动车辆的高压电路的示例实施例。
高压电路包括具有高压电池2的高压电池侧1。高压电池2可以是任何类型的电池，例如铅酸、镍镉、镍金属氢化物、锂离子、锂离子聚合物等类型的电池。高压电池2的标称输出电压水平例如可以是大约300伏，具体地至少400伏，更具体地至少500伏。
高压电路还包括高压推进侧3，其包括电推进马达4和用于控制电推进马达4的操作的马达控制器19。电推进马达4例如可以是三相交流马达或直流马达。如果使用三相交流电动机，则马达控制器19可以是逆变器，逆变器用于将从高压电池2提供的高压直流电转换为提供给电推进马达4的三相交流电。高压推进侧3可替代地包括两个、三个、四个或更多个电推进马达4。
高压电路还包括正高压母线轨道5和负高压母线轨道6，其连接高压电池2和马达控制器19。正高压母线轨道5和负高压母线轨道6表示电连接高压电池2与电推进马达4的主要电导体，并可以例如由导电的相对大面积的柔性电缆或实心且刚性的导电金属棒制成。
第一高压接触器7和第二高压接触器8分别设置并位于正高压母线轨道5和负高压母线轨道6中。高压触点使得能够选择性地闭合和打开从高压电池2到电推进马达4的供电路径。换句话说，电接触器7、8必须被设置为闭合状态，以使得能够从高压电池2向电推进马达4供电，同时电接触器7、8可被设置为开路状态，以消除用户接触到来自高压电池2的高压的风险，从而确保车辆的维修和保养更安全。
第一高压接触器7和第二高压接触器8的操作例如可由电子控制器16控制，例如当用户指示他/她希望开始驾驶车辆时闭合第一高压接触器7和第二高压接触器8，并且当用户指示他/她希望停止驾驶会话时打开第一高压接触器7和第二高压接触器8。
在车辆不运行期间打开第一高压接触器7和第二高压接触器8可以是一种安全特性，用于降低任何类型的不期望发生的电事故的风险，例如对用户的危险触电或因短路造成的损坏/火灾。
在本公开内容中，第一高压接触器7和第二高压接触器8定义了高压电池侧1和高压推进侧3之间的划分。换句话说，如图1所示，高压电池侧1与第一高压接触器7和第二高压接触器8的一侧相关联，高压推进侧3与第一高压接触器7和第二高压接触器8的另一侧相关联。在实践中，高压电池2、第一高压接触器7和第二高压接触器8和马达4的实际位置当然可能大不相同，但上述结构仍然有效。
高压电路还包括电磁干扰(EMI)滤波器单元20，其具有位于高压推进侧3上的第一电容器9和第二电容器10，并且它们串联跨接正高压母线轨道5和负高压母线轨道6，其中第一电容器9和第二电容器10的公共接点11连接至车辆底盘12。
第一电容器9和第二电容器10是用于滤波共模噪声的滤波电容器。实际上，根据高压电路的设计，第一滤波电容器9和第二滤波电容器10中的每一个可以典型地表示多个滤波电容器。
EMI滤波器单元20还具有第三电容器21，其跨接正高压母线轨道5和负高压母线轨道6，并且被配置成用于抑制相对于参考接地平面的正高压母线轨道5和负高压母线轨道6中的差模(DM)噪声。
高压电路还包括绝缘DC/DC转换器13，其具有连接至高压电池2的高压输入14和连接至高压推进侧3上的正高压母线轨道5和负高压母线轨道6的低压输出15。
所提供的高压例如可以具有至少300伏的电压水平，具体地至少400伏，更具体地至少500伏。这些电压水平是混合动力和全电动车辆领域的惯常电压水平。
此外，低电压输出可具有低于60伏的电压，特别是低于30伏的电压，以在正高压母线轨道5和负高压母线轨道6与高压推进侧3上的车辆底盘12之间的绝缘电阻17、18发生故障的情况下，显著降低危险电击的风险。
高压电路还包括电子控制器16，其被配置成用于在将第一高压接触器7和第二高压接触器8设置为开路状态时，操作绝缘DC/DC转换器13并检测绝缘电阻17、18中的绝缘故障。
由于绝缘DC/DC转换器13、相对的低压输出15以及在绝缘电阻测试期间将第一高压接触器7和第二高压接触器8设置为开路状态，根据本公开内容的高压电路能够在绝缘电阻测试期间显著降低危险电击和破坏性的短路的风险。
绝缘DC/DC转换器13包括电变压器，其被配置成用于将从高压电池2提供的高压转换为低压输出15。电变压器通过电磁感应将高压电路之间的电能传输到低压电路，确保初级线圈和次级线圈之间的电绝缘。
具体地，变压器的初级线圈中的变化电流产生变化的磁场，进而在次级线圈中产生变化的电动势。变化的电动势对应于次级线圈中的变化电压，该电压与次级绕组的数量成正比。
因此，电力可以从初级线圈传输到次级线圈，而初级线圈和次级线圈中的每一个相关的电路之间无需金属连接，次级线圈的输出电压由初级线圈和次级线圈之间的变压器绕组电压比确定。
电子控制器16被配置成用于在向高压推进侧3上的正高压母线轨道5和负高压母线轨道6提供低压时记录第一电容器9和第二电容器10的充电电流、电压水平或电能水平。
更详细地说，电子控制器16可被配置成用于在向高压推进侧3上的正高压母线轨道5和负高压母线轨道6提供绝缘DC/DC转换器13的低电压输出时，记录第一电容器和第二电容器的充电电流、电压水平或电能水平随时间的上升特性。
例如，如图1所示，电子控制器16可被配置成用于通过第一电压传感器22和第二电压传感器23来记录第一电容器9和第二电容器10上的电压水平。由此，可以如下所述地确定绝缘电阻故障。
在绝缘电阻测试过程开始时，第一电容器9和第二电容器10通常被完全放电，即具有零电压，因为在第一高压接触器7和第二高压接触器8打开时第一电容器9和第二电容器10的任何电荷将在绝缘电阻17、18上放电。
在无故障的高压电路中，第一绝缘电阻17和第二绝缘电阻18的电阻值基本相等。此外，EMI滤波单元20的第一电容器9和第二电容器10将具有基本相等的电容值。因此，例如，如果向正高压母线轨道5和负高压母线轨道6提供的低压为15伏，则第一绝缘电阻17和第二绝缘电阻18上的电压水平将随着时间的推移分别从0上升到大约+15伏和-15伏。
在无故障的高压电路中，第一电容器9和第二电容器10的电压随时间升高的特性将具有基本对称的特性，这意味着第一电容器9的电压随时间的升高将与第二电容器10的电压随时间的升高基本相同，但极性不同。
如图2所示，图2示出了无故障的高压电路中第一电容器9和第二电容器10随时间基本对称的电压升高特性的示例性实施例，其中第一电容器9的第一电压24在时间T0为零，并且在时间T1到达大约+28伏，第二电容器10的第二电压25在时间T0为零，并且在时间T1到达约-28伏。
出于同样的原因，在绝缘电阻之一发生故障(例如电阻值低于所需电阻值)的高压电路中，第一电容器9和第二电容器10的电压随时间的上升特性将具有非对称特性，这意味着第一电容器9的电压随时间的上升特性将与第二电容器10的电压随时间的上升不同。
如图3所示，图3示出了故障高压电路中的第一电容器9和第二电容器10的明显非对称的电压随时间升高特性的示例性实施例，其中第一电容器9的第一电压24在时间T0为零，在时间T2到达约+8伏，第二电容器10的第二电压25在时间T0为零，在时间T2到达约-48伏。
第一电容器9和第二电容器10的电压随时间上升的特性的对称程度可以通过电子控制器16以各种方式确定。根据一个示例性实施例，可通过以下方式确定绝缘故障，在从充电过程开始的预定时间段之后记录第一电容器9和第二电容器10的电压水平之差，并且如果该电压水平之差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障。
图2和图3示出了用于确定第一电容器9和第二电容器10的电压随时间升高的特性的对称度的这种方法，其中第一电容器9和第二电容器10的电压水平的差，在从充电过程开始的预定时间段T3之后以绝对值的数字示出。在代表无故障的绝缘电阻的图2中示出了，在时间段T3之后，电压水平分别为+14伏和-14伏。换句话说，电压水平完全对称，即电压水平的绝对值没有差别。
然而，在代表故障绝缘电阻的图3中，时间段T3之后，电压水平分别为+12伏和-24伏。换句话说，电压水平的绝对值相差12伏。因此，图3示出了其电压水平的绝对值具有相对较大程度的不对称性的绝缘电阻。
根据EMI滤波器单元20、绝缘电阻和低电压输出15的水平的设计，时间段T3通常可被设置得非常短，通常小于1.0秒或者甚至小于1毫秒。因此，可以非常快速地进行绝缘电阻测试，以在发生绝缘电阻故障时提高安全性。
可替代地，绝缘故障的检测可以通过以下方式确定，即，确定直到第一电容器和第二电容器分别达到预定的充电电流、电压水平或电能水平的时间差来确定，并且如果该时间差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障。
例如，如图4和图5所示，高压电路可被配置成能够检测第一电容器9的第一电压24达到预定值所需的第一时间段T4，以及第二电容器10的第二电压25达到预定值但极性相反所需的第二时间段T5。如图4所示，例如预定值可以分别为+12伏和-12伏。
如图4所示，在具有无故障绝缘电阻的高压电路中，第一时间段T4和第二时间段T5之间的时间差将基本为零，即小于预定阈值，并且电子控制器16可得出不存在绝缘故障的结论。
另一方面，如图5所示，在具有故障绝缘电阻的高压电路中，第一时间段T4和第二时间段T5之间的时间差T6将相对较大，即大于预定阈值，并且电子控制器16因此将得出存在绝缘故障的结论。
图6示出了实现绝缘DC/DC转换器13的示例性实施例以及一种解决方案，该解决方案用于通过绝缘感测电路26使得电子控制器16能够记录第一电容器9和第二电容器10的电压水平。
根据这一示例实施例，可通过确定直到第一电容器和第二电容器分别达到预定的充电电压水平的时间差来确定绝缘故障。这可以通过第一光耦合器(光绝缘器)28和第二光耦合器29来特别经济高效地实现，第一光耦合器28和第二光耦合器29包括将电输入信号转换为光的发光二极管(LED)，以及检测入射光并调制电信号以提供给电子控制器16的光传感器。
第一光耦合器28和第二光耦合器29的输出信号是模拟信号，其强度取决于第一电容器9和第二电容器10上的电压水平。输出信号可以直接提供给电子控制器16的集成AD/DC转换器，以使得电子控制器16能够通过适当的逻辑来确定直到第一电容器和第二电容器分别达到预定的充电电压水平的时间差。这种设计使得能够相对经济高效且直接地使用电子控制器16，以仅监视第一光耦合器28和第二光耦合器29的输出而确定时间差。
可替代地，可以将第一光耦合器28和第二光耦合器29的输出信号提供给中间AD/DC转换器和比较器电路，其随后向电子控制器16提供信号，该信号指示第一电容器和第二电容器分别达到预定的充电电压水平的时间差。
绝缘DC/DC转换器13具有反激、正向、推挽、半桥或谐振LLC拓扑形式的绝缘拓扑。这些拓扑都是本领域技术人员所熟知的，每种拓扑都有其自身的优点和缺点。例如，如图6所示的示例性实施例的反激拓扑以其经济高效和简单的设计而为人知晓。
DC/DC转换器13包括例如MOSFET的形式的开关晶体管30，其控制通过变压器的初级线圈31的电流。在DC/DC转换器的示例性实施例中，变压器包括两个串联连接的次级线圈32、33，但是也可以使用变压器中的单个次级线圈来实现DC/DC转换器。根据图6的示例性实施例，DC/DC转换器13还包括用于输出电压的整流的两个肖特基二极管34。
此外，绝缘DC/DC转换器可以以非常紧凑的格式实现，有时被称为微型DC/DC转换器。可以在包括微型变压器、开关晶体管和用于整流的肖特基二极管的单个芯片上实现这种绝缘的微型DC/DC转换器。事实上，整个绝缘的微型DC/DC转换器例如可以被封装为单个集成电路。
通过使用夹在变压器初级线圈和次级线圈之间的绝缘层可实现高水平的绝缘。
电子控制器13被配置成用于通过控制开关晶体管30的PWM占空比控制从DC/DC转换器13的初级侧传输到DC/DC转换器的次级侧的电功率水平。开关晶体管30例如可具有500khz的开关频率。
绝缘感测电路26被配置成用于向电子控制器提供关于第一电容器9和第二电容器10中的每一个的充电电流、电压水平或电能水平的反馈信息。如上所述，绝缘感测电路26可以例如通过第一光耦合器28和第二光耦合器29来实现。或者，绝缘感测电路26可以包括集成电路上的数字绝缘器装置。所有这些部件都可以在高压电池侧1和高压推进侧3之间提供高水平的电气绝缘的同时，提供必要的反馈信息。
电感测电路的高压电池侧1和高压推进侧3之间的电绝缘可以例如使用光通信实现，如同在光耦合器28、29、RF通信、磁场通信等中的那样。
此外，绝缘感测电路26可以与绝缘的微型DC/DC转换器13一起实现于单个芯片上。
如图7的示例性实施例中示意性示出的，高压电路还可包括位于绝缘感测电路26中的开关35，开关35用于当在正高压母线轨道5和负高压母线轨道6与车辆底盘之间的绝缘电阻中未检测到绝缘故障时，使得第一光耦合器28和第二光耦合器29能够从第一电容器9和第二电容器10断开。由此，在高压电路的正常工作模式下，可避免与第一光耦合器28和第二光耦合器29串联连接的电阻器36中的损耗。
该开关还可以以用于确保高压电池侧1和高压推进侧3之间的充分绝缘的光耦合器的形式实现。
本公开内容还涉及一种方法，该方法用于检测根据上述说明的电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统的正高压母线轨道5和负高压母线轨道6与高压推进侧3上的车辆底盘之间的绝缘电阻17、18中的绝缘故障。
下面将参考图8描述包括五个步骤的该方法的第一示例性实施例。该方法包括第一步骤81，确保第一高压接触器7和第二高压接触器8被设置为开路状态。这可以例如包括检查第一高压接触器7和第二高压接触器8的电流设置，并且如果第一高压接触器7和第二高压接触器8处于闭合状态，则将其切换到打开状态。
第二步骤82包括操作绝缘的DC/DC转换器13以将自高压电池侧1的高压电池2提供的高压输入14转换为高压推进侧3上的低压输出15。这通常通过以适当的开关频率和PWM占空比操作DC/DC转换器13的开关晶体管30来执行，从而使得所需的能量从初级线圈31传输到次级线圈32、33。
第三步骤83包括同时向第一电容器9和第二电容器10提供低压输出，以对第一电容器9和第二电容器10同时充电。在时间T0，充电电流高，第一电容器9和第二电容器10上的电压基本为零，在第一电容器9和第二电容器10完全充电的一小段时间之后，充电电流基本为零，第一电容器9和第二电容器10上的电压已经稳定在最终电压，该最终电压取决于第一绝缘电阻17和第二绝缘电阻18的电阻水平。
第四步骤84包括记录第一电容器9和第二电容器10的充电电流、电压水平或电能水平。这可以例如使用用于记录第一电容器9和第二电容器10的充电电流的电流传感器，或用于记录第一电容器9和第二电容器10的电压水平的电压传感器，或用于记录第一电容器9和第二电容器10的电能水平的前二者的组合来实现。
最后，第五步骤85包括基于第一电容器9和第二电容器10的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定高压系统的正高压母线轨道和/或负高压母线轨道5、6与高压推进侧3上的车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
例如，可以例如通过以下方式执行第五步骤，其中确定直到第一电容器9和第二电容器10分别达到预定的充电电流、电压水平或电能水平的时间差，并且如果该时间差大于预定阈值，则电子控制器16能够确定存在绝缘故障。
可替代地，可以例如通过以下方式执行第五步骤，其中确定在预定时间段之后第一电容器9和第二电容器10的充电电流、电压水平或电能水平的差，并且如果该差大于预定阈值，则电子控制器16能够确定存在绝缘故障。
另外可替代地，可以例如通过以下方式执行第五步骤，其中确定第一电容器和第二电容器的所记录的充电电流特性随时间的变化、电压水平特性随时间的变化或电能水平特性随时间的变化的差，并且如果该差大于预定阈值，则电子控制器16能够确定存在绝缘故障。
下面将参考图9描述根据本公开内容的方法的第二示例性实施例。该方法包括：第一步骤91，确保第一高压接触器和第二高压接触器被设置为开路状态；第二步骤92，操作绝缘DC/DC转换器以将高压电池侧的高压电池提供的高压转换为高压推进侧上的低压输出；第三步骤93，向第一电容器提供低压输出以对第一电容器充电；第四步骤94，记录第一电容器的充电电流、电压水平或电能水平；第五步骤95，向第二电容器提供低压输出以对第二电容器充电；第六步骤96，记录第二电容器的充电电流、电压水平或电能水平；以及，第七步骤97，基于第一电容器和第二电容器的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定高压系统的正高压母线轨道和/或负高压母线轨道与高压推进侧上的车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
因此，第一示例性实施例和第二示例性实施例之间的主要区别在于，如在第一示例性实施例中的那样同时向第一电容器9和第二电容器10提供低压，还是如第二示例性实施例中的那样连续地向第一电容器9和第二电容器10提供低压。这两种方法各有优缺点。
例如，第一示例性实施例实现了更快的绝缘电阻故障检测，但是其缺点是无法检测到对称的绝缘电阻故障，即当第一绝缘电阻17和第二绝缘电阻18二者具有相同的故障时，无法检测到故障。由于对第一电容器9和第二电容器10的连续测试，并且由于在对第一电容器9进行测试之后EMI滤波单元20的所有电容器必须在开始对第二电容器10进行测试之前给予放电时间，第二示例性实施例需要更多时间来进行绝缘电阻故障检测。然而，第二示例性实施例具有能够检测到对称绝缘电阻故障的优点。
适于实施上述方法的第二示例性实施例的高压电路可以例如包括两个绝缘DC/DC转换器、用于绝缘电阻17、18的一个绝缘DC/DC转换器。
确定是否存在绝缘故障的图8的第五步骤85和图9的第七步骤97，可以包括将所检测到的绝缘故障分类为代表不同绝缘故障严重性水平的至少两个绝缘故障类别之一。因此，电子控制器16可根据绝缘电阻故障的严重性采取不同的措施。例如，被分类为低严重性类别的所检测到的绝缘故障可导致车辆仪表上的维修灯亮起，以通知用户或维修人员或车队经理存在该故障，同时仍然允许第一高压接触器7和第二高压接触器8闭合以用于车辆行驶，被分类为高严重类别的所检测到的绝缘故障，可导致禁止第一高压接触器7和第二高压接触器8闭合。
图8和图9的第一示例性实施例和第二示例性实施例的第二步骤82、92，可以包括在第一模式下操作绝缘DC/DC转换器13，以将自高压电池2提供的高压转换为低压输出15，其中第一模式涉及执行主要具有第一开关频率和第一占空比的第一脉宽调制过程，并且如果检测到绝缘电阻故障，则图8和图9的第一实施例和第二实施例中的每一个可以包括在第二模式下操作绝缘DC/DC转换器的另一步骤，其包括执行主要具有第二开关频率和第二占空比的第二脉宽调制过程。通过在第一模式下并且随后在第二模式下操作绝缘DC/DC转换器13，可以获取关于绝缘电阻故障的更多信息，以确定提供对绝缘电阻故障的严重性的更好的评估。
图8和图9的第一实施例和第二实施例中的每一个实施例都可以包括另一步骤，其中当在正高压母线轨道5和负高压母线轨道6与车辆底盘之间的绝缘电阻中未检测到绝缘故障时，自第一电容器9和第二电容器10断开绝缘感测电路26。由此，在高压电路的正常工作模式下，可以避免与第一光耦合器28和第二光耦合器29串联连接的电阻36中的不必要损耗。
绝缘开关35，尤其是第三光耦合器，可被用于使得绝缘感测电路26与第一电容器和第二电容器9断开。这可以通过将第三光耦合器35与第一光耦合器28和第二光耦合器29中的每一个串联放置，并且从电子控制器16向第三光耦合器35提供输入信号以控制第三光耦合器35的晶体管的饱和程度来实现，其中饱和程度有效地对应于第一光耦合器28和第二光耦合器29与第一电容器和第二电容器9的连接程度。
绝缘感测电路26可以例如与微型DC/DC转换器一起实现于单个芯片上，以提高成本效率和封装。
参考图1至图7所描述的该电子控制器1还被配置成用于执行如上所述的方法。
尽管已经以和部件的特定组合相关的方式描述了本公开内容，但是应当容易理解，部件也可以以其他配置进行组合，这对于本领域技术人员在研究本申请时是清楚的。因此，本公开内容的示例性实施例的上述描述和附图被视为本公开内容的非限制性示例，并且保护范围由所附权利要求书限定。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。
尽管以图8和图9的流程图所描述的方法在上文中对该方法进行了讨论，但是应当理解，可以从所讨论的方法中省略一个或多个操作。此外，这些操作可以以任何顺序执行，而不一定意味着以所提供的顺序执行。相反，所讨论的方法仅仅是预期的本公开内容的一个实施例。

Claims (22)

1.一种用于检测电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统的正高压母线轨道(5)和负高压母线轨道(6)与高压推进侧(3)上的车辆底盘之间的绝缘电阻中的绝缘故障的方法，
其中，所述高压系统通过分别位于所述正高压母线轨道(5)和负高压母线轨道(6)中的第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)被分为高压电池侧(1)和高压推进侧(3)，
其中，所述高压推进侧(3)包括串联跨接所述正高压母线轨道(5)和负高压母线轨道(6)的第一电容器(9)和第二电容器(10)，以及
其中，第一电容器(9)和第二电容器(10)的公共接点(11)连接至所述车辆底盘，
所述方法包括：
确保第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)被设置为开路状态，
操作绝缘DC/DC转换器(13)，以将自所述高压电池侧(1)的高压电池(2)提供的高压输入(14)转换为所述高压推进侧(3)上的低压输出(15)，
向所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)提供所述低压输出(15)，以对第一电容器(9)和第二电容器(10)同时充电，
记录第一电容器(9)和第二电容器(10)的充电电流、电压水平或电能水平，以及
根据第一电容器(9)和第二电容器(10)的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定所述高压系统的所述正高压母线轨道(5)和/或所述负高压母线轨道(6)与所述高压推进侧(3)上的所述车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过以下方式执行确定是否存在绝缘故障的步骤(85)：
确定直到第一电容器(9)和第二电容器(10)分别达到预定的充电电流、电压水平或电能水平的时间差，并且如果所述时间差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障，或者
确定在预定时间段之后第一电容器(9)和第二电容器(10)的充电电流、电压水平或电能水平的差，并且如果所述差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障，或者
确定第一电容器(9)和第二电容器(10)的所记录的充电电流特性随时间的变化、电压水平特性随时间的变化或电能水平特性随时间的变化的差，并且如果所述差大于预定阈值，则确定存在绝缘故障。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定是否存在绝缘故障的步骤包括将所检测到的绝缘故障分类为代表不同水平的绝缘故障严重性的至少两个绝缘故障类别中的一类。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括当所检测到的绝缘故障被分类为高严重性类别时，防止第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)闭合，并且当所检测到的绝缘故障被分类为低严重性类别时，允许第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)闭合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述绝缘DC/DC转换器(13)包括用于将所述高压电池提供的高压输入(14)转换为所述低压输出(15)的电变压器。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括：
通过电子控制器(16)控制从所述DC/DC转换器(13)的初级侧传输到所述DC/DC转换器(13)的次级侧的电功率水平，以及
通过绝缘感测电路(26)向所述电子控制器(16)提供关于第一电容器(9)和第二电容器(10)中的每一个的充电电流、电压水平或电能水平的反馈信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过集成电路上的光耦合器(28、29)或数字绝缘器装置实现所述绝缘感测电路(26)。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法包括当在所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)与车辆底盘之间的绝缘电阻(17、18)中未检测到绝缘故障时，从第一电容器(9)和第二电容器(10)至少部分地断开所述绝缘感测电路(26)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，操作绝缘DC/DC转换器(13)以将自所述高压电池侧的高压电池提供的高压输入(14)转换为所述高压推进侧上的低压输出(15)的步骤包括，执行第一脉宽调制过程，并且如果检测到绝缘故障，则执行第二脉宽调制过程，以获取关于所述绝缘故障的更多信息。
10.一种用于检测在电动车辆或混合动力电动车辆的高压系统的正高压母线轨道(5)和负高压母线轨道(6)与高压推进侧(3)上的车辆底盘之间的绝缘电阻(17、18)中的绝缘故障的方法，
其中，所述高压系统通过分别位于所述正高压母线轨道(5)和负高压母线轨道(6)中的第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)被分为高压电池侧(1)和高压推进侧(3)，
其中，所述高压推进侧(3)包括串联跨接所述正高压母线轨道(5)和负高压母线轨道(6)的第一电容器(9)和第二电容器(10)，以及
其中，第一电容器(9)和第二电容器(10)的公共接点(11)连接至所述车辆底盘，
所述方法包括：
确保第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)被设置为开路状态，
操作绝缘DC/DC转换器(13)，以将自所述高压电池侧(1)的高压电池(2)提供的高压输入(14)转换为所述高压推进侧(3)上的低压输出(15)，
向第一电容器(9)提供所述低压输出(15)，以对第一电容器(9)充电，
记录第一电容器(9)的充电电流、电压水平或电能水平，
向第二电容器(10)提供所述低压输出(15)，以对第二电容器(10)充电，
记录第二电容器(10)的充电电流、电压水平或电能水平，以及
基于第一电容器(9)和第二电容器(10)的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定所述高压系统的所述正高压母线轨道(5)和/或所述负高压母线轨道(6)与所述高压推进侧(3)上的所述车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定是否存在绝缘故障的步骤包括将所检测到的绝缘故障分类为代表不同水平的绝缘故障严重性的至少两个绝缘故障类别中的一类。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括当所检测到的绝缘故障被分类为高严重性类别时，防止第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)闭合，并且当所检测到的绝缘故障被分类为低严重性类别时，允许第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)闭合。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述绝缘DC/DC转换器(13)包括用于将所述高压电池提供的高压输入(14)转换为所述低压输出(15)的电变压器。
14.根据权利要求10所述的方法，所述方法包括：
通过电子控制器(16)控制从所述DC/DC转换器(13)的初级侧传输到所述DC/DC转换器(13)的次级侧的电功率水平，以及
通过绝缘感测电路(26)向所述电子控制器(16)提供关于第一电容器(9)和第二电容器(10)中的每一个的充电电流、电压水平或电能水平的反馈信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过集成电路上的光耦合器(28、29)或数字绝缘器装置实现所述绝缘感测电路(26)。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括当在所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)与车辆底盘之间的绝缘电阻(17、18)中未检测到绝缘故障时，从第一电容器(9)和第二电容器(10)至少部分地断开所述绝缘感测电路(26)。
17.根据10-16中任一项所述的方法，其中，操作绝缘DC/DC转换器(13)以将自所述高压电池侧的高压电池提供的高压输入(14)转换为所述高压推进侧上的低压输出(15)的步骤包括，执行第一脉宽调制过程，并且如果检测到绝缘故障，则执行第二脉宽调制过程，以获取关于所述绝缘故障的更多信息。
18.一种电动车辆或混合动力电动车辆的高压电路，其中，所述高压电路包括：
包括高压电池(2)的高压电池侧(1)，
高压推进侧(3)，其包括电推进马达(4)和与所述电推进马达(4)相关联的马达控制器(19)，
正高压母线轨道(5)和负高压母线轨道(6)，其连接所述高压电池(2)和所述马达控制器(19)
第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)，其分别位于所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)中，并限定所述高压电池侧(1)和所述高压推进侧(3)之间的划分，
第一电容器(9)和第二电容器(10)，其位于所述高压推进侧(3)上，并串联跨接所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)，其中第一电容器(9)和第二电容器(10)的公共接点(11)连接至车辆底盘，
绝缘DC/DC转换器(13)，其具有连接至所述高压电池(2)的高压输入(14)，以及连接至所述高压推进侧(3)上的所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)的低压输出(15)，以及
电子控制器(16)，其被配置成用于操作所述绝缘DC/DC转换器(13)，并且在第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)被设置为开路状态时，检测在所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)与所述高压推进侧(3)上的所述车辆底盘之间的绝缘电阻中的绝缘故障。
19.根据权利要求18所述的高压电路，其中，所述电子控制器(16)被配置成用于控制从所述DC/DC转换器(13)的初级侧传输到所述DC/DC转换器(13)的次级侧的电功率水平，并且其中所述高压电路还包括绝缘感测电路(26)，所述绝缘感测电路(26)被配置成用于向所述电子控制器(16)提供关于第一电容器和第二电容器中的每一个的充电电流、电压水平或电能水平的反馈信息。
20.根据权利要求19所述的高压电路，其中，所述高压电路还包括位于所述绝缘感测电路(26)中的开关(35)，所述开关(35)用于在所述正高压母线轨道(5)和所述负高压母线轨道(6)与所述车辆底盘之间的绝缘电阻(17、18)中未检测到绝缘故障时，使得所述绝缘感测电路(26)得以从第一电容器(9)和第二电容器(10)至少部分断开。
21.根据上述权利要求18-20中任一项所述的高压电路，其中，所述电子控制器(16)被配置成用于：
-确保第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)被设置为开路状态；
-操作所述绝缘DC/DC转换器(13)，以将从所述高压电池(2)提供的高压输入(14)转换为低压输出(15)；
-同时向第一电容器(9)和第二电容器(10)提供所述低压输出(15)，以对第一电容器(9)和第二电容器(10)同时充电，
-记录第一电容器(9)和第二电容器(10)的充电电流、电压水平或电能水平，以及
-根据第一电容器(9)和第二电容器(10)的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定所述高压电路的所述正高压母线轨道(5)和/或所述负高压母线轨道(6)与所述高压推进侧(3)上的所述车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
22.根据上述权利要求18-20中任一项所述的高压电路，其中，所述电子控制器(16)被配置成用于：
-确保第一高压接触器(7)和第二高压接触器(8)被设置为开路状态；
-操作所述绝缘DC/DC转换器(13)，以将自所述高压电池侧(1)的高压电池(2)提供的高压转换为低压输出(15)；
-向第一电容器(9)提供所述低压输出(15)，以对第一电容器(9)充电，
-记录第一电容器(9)的充电电流、电压水平或电能水平，
-向第二电容器(10)提供所述低压输出(15)，以对第二电容器(10)充电，
-记录第二电容器(10)的充电电流、电压水平或电能水平，以及
-根据第一电容器(9)和第二电容器(10)的所记录的充电电流、电压水平或电能水平，确定所述高压电路的所述正高压母线轨道(5)和/或所述负高压母线轨道(6)与所述高压推进侧(3)上的所述车辆底盘之间是否存在绝缘故障。
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