DE102014109513A1

DE102014109513A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Kraftstromkreises

Info

Publication number: DE102014109513A1
Application number: DE102014109513.8A
Authority: DE
Inventors: Konking (Michael) Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2015-01-22
Also published as: CN104297570A; CN104297570B; US9274159B2; US20150022217A1

Abstract

Ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Kraftstromkreises, der ausgestaltet ist, um ein Leistungssignal an ein Drehmomentmodul zu übertragen, das von einer Fahrwerksmasse elektrisch isoliert ist, umfasst, dass eine gemeinsame Spannungskomponente in eine Gleichtaktspannung von elektrischen Phasen während eines Betriebs injiziert wird und eine Spannung von negativ zu Masse und eine Spannung von positiv zu negativ des elektrischen Kraftstromkreises überwacht wird. Ein Wechselstrom-Leitungswiderstand wird auf der Grundlage der Spannung von negativ zu Masse und der Spannung von positiv zu negativ bestimmt. Auf der Grundlage des Wechselstrom-Leistungswiderstands werden Fehler bei einer elektrischen Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis und einer Fahrwerksmasse detektiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft die elektrische Isolierung von Wechselstrom-Kraftstromkreisen.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Folglich sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
Mehrphasige, mehrpolige Elektromotoren können in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, um Drehmoment für den Vortrieb bereitzustellen und um andere Bedürfnisse nach mechanischer Leistung zu erfüllen. Diese Elektromotoren leiten eine Form von elektrischer Wechselstromenergie durch ein aufgewickeltes Elektrokabel, um ein Magnetfeld zu induzieren, das auf einen Rotor einwirkt und eine Rotation desselben bewirkt. Das aufgewickelte Elektrokabel besteht aus isoliertem Draht. Eine Verschlechterung der Isolierung kann eine Drehmomentkapazität des Elektromotors verringern, und zum Bewerten des Zustands der elektrischen Isolierung kann eine Messung des Drahtisolierungswiderstands verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Kraftstromkreises, der ausgestaltet ist, um ein Leistungssignal an ein Drehmomentmodul zu übertragen, das von einer Fahrwerksmasse elektrisch isoliert ist, umfasst, dass eine gemeinsame Spannungskomponente in eine Gleichtaktspannung von elektrischen Phasen im Betrieb injiziert wird und eine Spannung von negativ zu Masse und eine Spannung von positiv zu negativ des elektrischen Kraftstromkreises überwacht werden. Auf der Grundlage der Spannung von negativ zu Masse und der Spannung von positiv zu negativ wird ein Wechselstrom-Leitungswiderstand bestimmt. Auf der Grundlage des Wechselstrom-Leitungswiderstands werden Fehler in der elektrischen Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis und einer Fahrwerksmasse detektiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen elektrischen Kraftstromkreis und einen Controller zum Steuern des Betriebs eines mehrphasigen Drehmomentmoduls in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
2 Teile des elektrischen Kraftstromkreises von 1 in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
3 einen Prozess zur Detektion von Isolierungsfehlern zum Überwachen und Detektieren des Vorhandenseins eines Fehlers, der mit dem Isolierungswiderstand zwischen einem elektrischen Kraftstromkreis und einer Fahrwerksmasse verbunden ist, in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht; und
4 einen elektrischen Kraftstromkreis mit mehreren Funktionen in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht, der eine Batterie enthält, die mit positiven und negativen Seiten eines Gleichspannungs-Hochspannungsleistungsbusses elektrisch verbunden ist, der mit einer Vielzahl von Drehmomentmodulen elektrisch verbunden ist.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck, diese einzuschränken, gedacht ist, zeigt 1 auf schematische Weise einen elektrischen Kraftstromkreis 20 und einen Controller 10 zum Steuern des Betriebs eines elektrischen Moduls, welches bei einer Ausführungsform eine mehrphasige Elektromotor/Generatoreinheit (ein Drehmomentmodul) 90 umfasst. Der elektrische Kraftstromkreis 20 weist eine Isolierung mit hoher Impedanz zu einer Fahrwerksmasse 12 auf, die mit einem mechanischen System verbunden ist, in dem der elektrische Kraftstromkreis 20 und das Drehmomentmodul 90 montiert sind. Der elektrische Kraftstromkreis 20 enthält eine elektrische Gleichspannungs-Hochspannungs-Leistungsquelle (Batterie) 22, ein mehrphasiges Gleichrichter/Wechselrichter-Modul 30 und ein Gatetreibermodul 40, welche mit dem Controller 10 signaltechnisch und wirksam verbunden sind. Die Batterie 22 ist mit positiven und negativen Seiten eines Hochspannungs-Gleichspannungs-Leistungsbusses (Leistungsbus) 24 bzw. 26 elektrisch verbunden, der mit dem Gleichrichter/Wechselrichter-Modul 30 elektrisch verbunden ist.
Das Drehmomentmodul 90 ist eine mehrphasige, mehrpolige elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, die betrieben werden kann, um entweder elektrische Leistung in mechanisches Drehmoment umzuformen oder um mechanisches Drehmoment in elektrische Leistung umzuformen. Das Drehmomentmodul 90 ist bei einer Ausführungsform eine dreiphasige Vorrichtung und enthält wie gezeigt elektrische Komponenten, die eine erste Phase 91, eine zweite Phase 92 und eine dritte Phase 93 ausbilden. Andere mehrphasige Konfigurationen können ohne Einschränkung verwendet werden. Elektrische Leistungselemente des Drehmomentmoduls 90 sind von der Fahrwerksmasse 12 elektrisch isoliert. Einige mechanische Elemente des Drehmomentmoduls 90 sind mit der Fahrwerksmasse 12 elektrisch verbunden.
Der Gleichrichter/Wechselrichter 30 enthält eine Vielzahl komplementärer gepaarter Schaltervorrichtungen 32, 34, die zwischen die positive und negative Seite des Leistungsbusses 24, 26 in Reihe verbunden sind, wobei jede der gepaarten Schaltervorrichtungen 32, 34 einer der Phasen des Drehmomentmoduls 90 zugeordnet ist. Jede der gepaarten Schaltervorrichtungen 32, 34 ist ein geeigneter Hochspannungsschalter, z. B. eine Halbleitervorrichtung mit niedriger Impedanz im leitenden Zustand, die vorzugsweise in einer Größenordnung von Milliohm liegt. Bei einer Ausführungsform sind die gepaarten Schaltervorrichtungen 32, 34 Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs). Bei einer Ausführungsform sind die gepaarten Schaltervorrichtungen 32, 34 Feldeffekttransistor-Vorrichtungen (FET-Vorrichtungen). Bei einer Ausführungsform können die FET-Vorrichtungen MOSFET-Vorrichtungen sein. Die gepaarten Schaltervorrichtungen 32, 34 sind als Paare ausgestaltet, um das Fließen eines elektrischen Stroms zwischen der positiven Seite des Leistungsbusses 24 und einem der elektrischen Kabel, die mit einer der Phasen des Drehmomentmoduls 90 verbunden und dieser zugeordnet sind, und der negativen Seite des Leistungsbusses 26 zu steuern.
Der Gleichrichter/Wechselrichter 30 umfasst außerdem ein Paar Hochspannungs-Gleichspannungs-Koppelkondensatoren (Kondensatoren) 36, 38, die zwischen der positiven und der negativen Seite des Leistungsbusses 24, 26 elektrisch in Reihe verbunden sind. Der Verbindungspunkt 37 zwischen den Kondensatoren 36, 38 ist mit der Fahrwerksmasse 12 elektrisch verbunden. Die Kondensatoren 36, 38 weisen vorzugsweise die gleiche Kapazität auf, welche bei einer Ausführungsform eine Kapazität von 3000 μF ist. Die Kondensatoren 36, 38 sind geeignet, um ein elektrisches Potential über die positive und negative Seite des Leistungsbusses 24, 26 aufrecht zu erhalten, verfügen möglicherweise aber nicht über genügend Kapazität, um die Batterie 22 vollständig zu ersetzen. Widerstände 39 sind mit den Kondensatoren 36, 38 elektrisch parallel verbunden, was umfasst, dass sie elektrisch zwischen der positiven und negativen Seite des Leistungsbusses 24, 26 und an dem Verbindungspunkt 37 verbunden sind. Der Gleichrichter/Wechselrichter 30 kann außerdem andere Schaltungselemente umfassen, die beispielsweise eine aktive Gleichspannungsbus-Entladeschaltung mit einem Widerstand und einem Schalter umfassen, die zwischen der positiven und negativen Seite des Leistungsbusses 24, 26 elektrisch in Reihe verbunden sind.
Das Gatetreibermodul 40 umfasst eine Vielzahl von gepaarten Gatetreiberschaltungen 42, von denen jede mit einer der gepaarten Schaltervorrichtungen 32, 34 einer der Phasen einzeln signaltechnisch verbunden ist, um deren Arbeitsweise zu steuern. Folglich gibt es drei gepaarte Gatetreiberschaltungen 42 oder insgesamt sechs Gatetreiberschaltungen 42, wenn das Drehmomentmodul 90 eine dreiphasige Vorrichtung ist. Das Gatetreibermodul 40 empfängt Arbeitsbefehle vom Controller 10 und steuert die Aktivierung und Deaktivierung jeder der Schaltervorrichtungen 32, 34 mithilfe der Gatetreiberschaltungen 42, um eine Motorantriebsfunktionalität oder eine Funktionalität zur Erzeugung elektrischer Leistung als Reaktion auf die Arbeitsbefehle bereitzustellen. Im Betrieb erzeugt jede Gatetreiberschaltung 42 einen Impuls in Ansprechen auf ein Steuerungssignal, das aus dem Steuerungsmodul 10 stammt, welcher eine der Schaltervorrichtungen 32, 34 aktiviert und einen Stromfluss durch eine Halbphase des Drehmomentmoduls 90 zulässt.
Ein serieller Verbindungspunkt 33 von jeder der gepaarten Schaltervorrichtungen 32, 34 ist mit der entsprechenden Phase des Drehmomentmoduls 90 elektrisch verbunden, um elektrische Leistung zu übertragen. Wie gezeigt ist, verbindet eine Wechselstrom-Ausgabeleitung 61 einen ersten seriellen Verbindungspunkt 33-1 auf elektrische Weise mit der ersten Phase 91 des Drehmomentmoduls 90, eine Wechselstrom-Ausgabeleitung 62 verbindet einen zweiten seriellen Verbindungspunkt 33-2 auf elektrische Weise mit der zweiten Phase 92 des Drehmomentmoduls 90, und eine Wechselstrom-Ausgabeleitung 63 verbindet einen dritten seriellen Verbindungspunkt 33-3 mit der dritten Phase 93 des Drehmomentmoduls 90 auf elektrische Weise, um elektrische Leistung zu übertragen.
Der Controller 10 liefert Arbeitsbefehle für die gepaarten Gatetreiberschaltungen 42 des Gatetreibermoduls 40 und überwacht den Betrieb des elektrischen Kraftstromkreises 20 und des Drehmomentmoduls 90, was ein Überwachen einer Spannung V_GN 54 von negativ zu Masse und einer Spannung V_PN 55 von positiv zu negativ umfasst. Die Arbeitsbefehle für die gepaarten Gatetreiberschaltungen 42 des Gatetreibermoduls 40 steuern den elektrischen Kraftstromkreis 20, der Leistungssignale erzeugt, die an die erste, zweite und dritte Phase des Drehmomentmoduls 90 übermittelt werden. Die Leistungssignale können in der Form eines Sinus-PWM-Signals (Pulsbreitenmodulationssignals), eines Raumvektor-PWM-Signals, eines PWM-Signals mit Einleiten der dritten Oberwelle, und unstetiger PWM-Signale, z. B. DPWM1, DPWM2, und DPWM3 vorliegen.
Interessierende elektrische Potentiale umfassen eine Spannung der Phase A (V_AN) 51, die das elektrische Potential zwischen dem ersten seriellen Verbindungspunkt 33-1, der mit der ersten Phase 91 des Drehmomentmoduls 90 elektrisch verbunden ist, und dem negativen Leistungsbus 26 ist, eine Spannung der Phase B (V_BN) 52, die das elektrische Potential zwischen dem zweiten seriellen Verbindungspunkt 33-2, der mit der zweiten Phase 92 des Drehmomentmoduls 90 elektrisch verbunden ist, und dem negativen Leistungsbus 26 ist, und eine Spannung der Phase C (V_CN) 53, die das elektrische Potential zwischen dem dritten seriellen Verbindungspunkt 33-3, der mit der dritten Phase 93 des Drehmomentmoduls 90 elektrisch verbunden ist, und dem negativen Leistungsbus 26 ist, die Spannung V_GN 54 zwischen negativ und Masse, die das elektrische Potential zwischen dem Verbindungspunkt 37 zwischen den Kondensatoren 36, 38, der mit der Fahrwerksmasse 12 elektrisch verbunden ist, und dem negativen Leistungsbus 26 ist, und die Spannung V_PN 55 zwischen positiv und negativ, die das elektrische Potential zwischen dem positiven Leistungsbus 24 und dem negativen Leistungsbus 26 ist. Zu Veranschaulichungszwecken ist ein Pseudo-Widerstand R_AC-line 56 gezeigt, der einen elektrischen Widerstand oder eine Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis 20 und der Fahrwerksmasse 12 repräsentiert, aber keine tatsächliche Vorrichtung repräsentiert. Der Pseudo-Widerstand R_AC-line 56 zeigt eine elektrische Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis 20 und der Fahrwerksmasse 12 an. Ein äquivalenter Isolierungswiderstand R_sys gibt einen äquivalenten Isolierungswiderstand des elektrischen Systems an und umfasst Widerstände, die der Batterie 22, dem Gleichrichter/Wechselrichter 30, dem Gatetreibermodul 40 und anderen elektrischen Komponenten und Systemen, die parallel geschaltet sind, zugeordnet sind.
Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) mit zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.) die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder -routinen ausführen, kombinatorische Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige Anweisungssätze mit Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Das Steuerungsmodul weist einen Satz von Steuerungsroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden etwa von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und können betrieben werden, um Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerksteuerungsmodulen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen zum Steuern der Betätigung von Aktuatoren ausführen. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise alle 100 Mikrosekunden, oder alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines andauernden Betriebs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
2 zeigt auf schematische Weise Teile des elektrischen Kraftstromkreises 20, um Unterstützung für eine analytische Struktur zur Bestimmung der Größe einer elektrischen Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis 20 und der Fahrwerksmasse 12, die hier durch den Pseudo-Widerstand R_AC-line 56 angezeigt ist, bereitzustellen. Der veranschaulichte Teil des elektrischen Kraftstromkreises 20 umfasst die Batterie 22, die positive und negative Seite des Leistungsbusses 24 und 26, die Kondensatoren 36, 38, den Verbindungspunkt 37 zwischen den Kondensatoren 36, 38, der mit der Fahrwerksmasse 12 elektrisch verbunden ist, und die Widerstände 39. Impedanzen umfassen eine Impedanz Z_A 71 der Phase A, eine Impedanz Z_B 72 der Phase B und Impedanzen Z_C1 73 und Z_C2 74 der Phase C. Eine Spannung V_FN 57 zeigt das elektrische Potential an, das zwischen den Impedanzen Z_C1 73 und Z_C2 74 der Phase C auftritt, und kann verwendet werden, um den Pseudo-Widerstand R_AC-line 56 zu bestimmen und damit die elektrische Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis 20 und der Fahrwerksmasse 12 anzugeben. Die Impedanzen Z_C1 73 und Z_C2 74 der Phase C sind gezeigt, um eine Analyse der Isolierung der Phase C des elektrischen Kraftstromkreises 20 darzustellen. Es ist festzustellen, dass eine analoge Analyse zu der hier beschriebenen an jeder der Phasen A, B und C ausgeführt wird. Bei idealen Betriebsbedingungen ohne Verschlechterung bei der Isolierung des Stromkreises ist die Impedanz Z_C1 73 der Phase C gleich null und die Spannung V_FN 57 ist gleich der Spannung (V_CN) 53 der Phase C.
Ein Prozess zum Überwachen eines elektrischen Kraftstromkreises, der ausgestaltet ist, um ein Leistungssignal an ein Drehmomentmodul zu übertragen, das von einer Fahrwerksmasse elektrisch isoliert ist, um die Größe einer elektrischen Wechselstromisolierung während eines Betriebs des Systems unter Belastung mit Leistungssignalen zu bestimmen, umfasst, dass eine gemeinsame Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung jeder der elektrischen Phasen des elektrischen Kraftstromkreises während eines Betriebs in einer Zeitperiode injiziert wird, wenn die Wechselstromleitungen durch die PWM-Spannung von dem Gleichrichter/Wechselrichter erregt werden. Das Überwachen umfasst das Überwachen einer Spannung von negativ zu Masse und einer Spannung von positiv zu negativ des elektrischen Kraftstromkreises. Ein Wechselstrom-Leitungswiderstand wird auf der Grundlage der Spannung von negativ zu Masse und der Spannung von positiv zu negativ bestimmt. Auf der Grundlage des Wechselstrom-Leitungswiderstands kann ein Fehler in der elektrischen Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis und der Fahrwerksmasse detektiert werden.
Der Prozess des Injizierens einer gemeinsamen Spannungskomponente in die Gleichtaktspannungen aller Phasen während einer Zeitperiode, wenn die Wechselstromleitungen durch die PWM-Spannung von dem Gleichrichter/Wechselrichter erregt werden, umfasst, dass eine Spannungskomponente, die zwischen der Hälfte und einem Drittel des Potentials über dem Hochspannungs-Gleichspannungs-Leistungsbus bei einer niederen Betriebsdrehzahl liegt, für eine Zeitperiode injiziert wird, die ausreicht, um momentane Fehler auszuschließen, vorzugsweise zwischen drei und fünf Sekunden. Vorzugsweise erfährt die Last, d. h. das Drehmomentmodul 90, Spannungen von Leitung zu Leitung (d. h. Vab = Va – Vb, Vbc = Vb – Vc, Vca = Vc – Va) oder wird diesen ausgesetzt, um den Strom zu erzeugen. Phasenspannungen ohne die injizierte gemeinsame Spannungskomponente weisen die gleiche Auswirkung auf das Drehmomentmodul 90 auf wie Phasenspannungen mit der injizierten gemeinsamen Spannungskomponente. Folglich weist beispielsweise ein erster Satz von Phasenspannungen mit Va = 10, Vb = 50, Vc = –60 die gleiche Auswirkung wie ein zweiter Satz von Phasenspannungen Va = 10 + 37, Vb = 50 + 37, Vc = –60 + 37 auf, wobei jede Spannung des zweiten Satzes von Phasenspannungen 37 Volt Gleichtaktspannung aufweist. Bei einer Ausführungsform ist die gemeinsame Spannungskomponente, die in jede der Gleichtaktspannungen aller Phasen injiziert wird, eine Gleichspannungskomponente. Alternativ ist die gemeinsame Spannungskomponente, die in jede der Gleichtaktspannungen aller Phasen injiziert wird, eine Wellenform, z. B. eine Dreieckswelle mit 60 Hz, wobei ein Detektionsschema versucht, die Wellenform zu identifizieren, um festzustellen, ob ein Isolierungsverlust aufgetreten ist. Alternativ besteht die gemeinsame Spannungskomponente, die in jede der Gleichtaktspannungen aller Phasen injiziert wird, aus mehreren Gleichspannungen. Andere gemeinsame Spannungskomponenten können ohne Einschränkung eingesetzt werden.
Wie hier beschrieben ist, umfassen überwachte elektrische Potentiale nur die Spannung V_GN 54 von negativ zu Masse und die Spannung V_PN 55 von positiv zu negativ, welche für andere Zwecke mit Bezug auf die Systemsteuerung gemessen werden. Ein Isolierungswiderstand zwischen den Wechselstrom-Ausgabeleitungen des Gleichrichters/Wechselrichters und dem Drehmomentmodul, d. h. zwischen den Leitungen 61, 62 und 63 und dem Fahrwerk 12 kann bestimmt werden, wodurch die Detektion eines Wechselstrom-Isolierungsverlusts an jedem Punkt an den Wechselstromleitungen einschließlich der Neutralleitung ermöglicht wird. Der beschriebene Prozess überwindet jeden Elektro-Endosmose-Effekt, indem er eine gemeinsame injizierte Spannungskomponente mit negativer Ladung verwendet. Die Elektro-Endosmose ist ein Phänomen, bei dem unterschiedliche Isolierungswiderstandswerte erhalten werden können, wenn die Polarität der Testgeräteleitungen umgedreht wird, aufgrund des Vorhandenseins von Feuchtigkeit, beispielsweise aufgrund von Eindringen von Regenwasser in das System.
Elektrische Potentiale von Leitung zu Leitung, d. h. V_AB, V_BC und V_AC bleiben nach dem Injizieren einer gemeinsamen Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung jeder der drei Phasen während eines Normalbetriebs unverändert, da der Gleichrichter/Wechselrichter 30 von dem Fahrwerk 12 durch eine hohe Impedanz isoliert ist. Dies kann in Übereinstimmung mit dem folgenden Satz von Beziehungen demonstriert werden: V_A'N = V_AN + V^dc _CMode V_B'N = V_BN + V^dc _CMode V_C'N = V_CN + V^dc _CMode [1] wobei V_AN das elektrische Potential zwischen der ersten Phase 91 des Drehmomentmoduls 90 und dem negativen Leistungsbus 24 ist,
V_BN das elektrische Potential zwischen der zweiten Phase 92 des Drehmomentmoduls 90 und dem negativen Leistungsbus 24 ist,
V_AN das elektrische Potential zwischen der dritten Phase 93 des Drehmomentmoduls 90 und dem negativen Leistungsbus 24 ist,
V^dc _CMode die injizierte gemeinsame Spannungskomponente in der Gleichtaktspannung ist,
V_A'N das elektrische Potential zwischen der ersten Phase 91 des Drehmomentmoduls 90 und dem negativen Leistungsbus 24 mit Hinzufügung der injizierten gemeinsamen Spannungskomponente in der Gleichtaktspannung ist,
V_B'N das elektrische Potential zwischen der zweiten Phase 92 des Drehmomentmoduls 90 und dem negativen Leistungsbus 24 mit Hinzufügung der injizierten gemeinsamen Spannungskomponente in der Gegentaktspannung ist, und
V_C'N das elektrische Potential zwischen der dritten Phase 93 des Drehmomentmoduls 90 und dem negativen Leistungsbus 24 mit Hinzufügung der injizierten gemeinsamen Spannungskomponente in der Gleichtaktspannung ist.
Die elektrischen Potentiale von Leitung zu Leitung können mit Bezug auf andere gemeinsame elektrische Potentiale berechnet werden, z. B. dem negativen Leistungsbus 24, in Übereinstimmung mit dem folgenden Satz von Beziehungen. V_AB = V_AN – V_BN V_AC = V_AN – V_CN V_BC = V_BN – V_CN [2]
Wenn V^dc _CMode, d. h. die injizierte gemeinsame Spannungskomponente in der Gleichtaktspannung für jede der Leitungen gleich ist, ist es klar, dass der folgende Satz von Beziehungen wahr ist. V_AN – V_BN = V_A'N – V_B'N V_AN – V_CN = V_A'N – V_C'N V_BN – V_CN = V_B'N – V_C'N [3]
Aus den vorstehenden Sätzen von Beziehungen werden daher die folgenden Beziehungssätze abgeleitet. V_AB = V_AN – V_BN = V_A'N – V_B'N = V_A'B', V_AC = V_AN – V_CN = V_A'N – V_C'N = V_A'C'; und V_BC = V_BN – V_CN = V_B'N – V_C'N = V_B'C'. [4]
Folglich beeinträchtigt das Injizieren der gemeinsamen Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung der drei Phasen V^dc _CMode den normalen Betrieb nicht.
Wenn sich die Wechselstrom-Leitungsisolierung verschlechtert, verursacht das Injizieren der gemeinsamen Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung V^dc _CMode, dass sich die Spannung V_GN 54 von negativ zu Masse durch R_AC-line 56 zu der Spannung an dem negativen Leistungsbus 26 (HV-) hin verschiebt, wenn die Gleichtaktspannung V^dc _CMode so gewählt wird, dass sie negativ ist. Dieses Spannungsverschiebeverhalten kann verwendet werden, um den Pseudo-Widerstand R_AC-line 56 in Übereinstimmung mit dem folgenden Satz von Beziehungen zu messen: (V_FN – V_GN)/R_AC-line + (V_PN – V_GN)/R_sys = V_GN/R_sys [5] wobei V_FN das elektrische Potential angibt, das zwischen den Impedanzen Z_C1 73 und Z_C2 74 der Phase C auftritt,
V_GN die Spannung von negativ zu Masse angibt, und
V_PN die Spannung von positiv zu negativ angibt.
Der Prozess zum Bestimmen des elektrischen Potentials, das zwischen den Impedanzen Z_C1 73 und Z_C2 74 der Phase C auftritt, wird beschrieben und detailliert dargestellt. Es ist festzustellen, dass ein analoger Prozess eingesetzt wird, um jede der Phasen zu überwachen und zu bewerten, z. B. bei dieser Ausführungsform die Phasen A und B.
Daher kann das elektrische Potential, das zwischen den Impedanzen Z_C1 73 und Z_C2 74 der Phase C auftritt, in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung bestimmt werden.
wobei die Z-Ausdrücke hier mit Bezug auf 2 dargestellt und beschrieben sind.
Ein bekanntes System, das in Ansprechen auf das Leistungssignal ohne das Vorhandensein eines Systemfehlers arbeitet, liefert Ergebnisse in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung. V^dc _AN = V^dc _BN = V^dc _CN = V_PN/2 [7]
Wenn eine gemeinsame Spannungskomponente in der Gleichtaktspannung V^dc _CMode in das Leistungssignal injiziert wird, ergeben sich elektrische Potentiale in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung: V^dc _A'N = V^dc _B'N = V^dc _C'N = V_PN/2 + V^dc _CMode [8]
Daher führt ein Kombinieren der Gleichungen 6 und 8 zu der folgenden Beziehung. V^dc _FN = V_PN/2 + V^dc _CMode [9]
Aus Gleichung 5 und 9 kann der Isolierungswiderstand der Wechselstromleitungen R_AC-line erhalten werden, wenn nur elektrische Potentiale von V_PN und V_GN überwacht werden, in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung. R_AC-line = (V_GN – V_PN/2 – V^dc _CMode)·R_sys/(V_PN – 2·V_GN) [10]
Das Ergebnis dieser Analyse zeigt, dass bei einem elektrischen Gleichrichter/Wechselrichter-System mit einer Isolierung mit hoher Impedanz von einem Fahrwerk ein Isolierungswiderstand zwischen den Wechselstromleitungen und dem Fahrwerk in Echtzeit gemessen werden kann, indem eine gemeinsame Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung aller drei Phasen injiziert wird, während die Wechselstromleitungen durch die PWM-Spannung erregt werden. Darüber hinaus ist die injizierte gemeinsame Spannungskomponente nicht auf eine Gleichspannungskomponente begrenzt, um die Messung des Wechselstrom-Isolierungswiderstands zu erzielen. Sie kann mehrere Gleichspannungspegel oder eine sich wiederholende Wellenform als Eingabe umfassen. Die zugehörigen Signale einer Hochspannungs-Spannungserfassung können verwendet werden, um den Wechselstrom-Isolierungswiderstand zu charakterisieren. Jedoch wird eine Gleichspannungskomponente bevorzugt, da sie am einfachsten implementiert werden kann.
3 zeigt auf schematische Weise einen Isolierungsfehler-Detektionsprozess 300 zum Überwachen und Detektieren der Anwesenheit eines Fehlers, der mit einem Isolierungswiderstand zwischen einem elektrischen Kraftstromkreis und einer Fahrwerksmasse verbunden ist, z. B. dem elektrischen Kraftstromkreis 20 von 1, der den Gleichrichter/Wechselrichter 30 und das Drehmomentmodul 90 umfasst. Der Isolierungsfehler-Detektionsprozess 300 wird betrieben, um einen Isolierungswiderstand zwischen Wechselstrom-Leitungen und dem Fahrwerk zu überwachen, während die Wechselstromleitungen durch eine PWM erregt werden.

Tabelle 1 wird als Schlüssel für 3 bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die zugehörigen Funktionen wie folgt offengelegt sind. Tabelle 1

BLOCK	BLOCKINHALTE
302	Gemeinsame Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung V^dc _CMode injizieren
304	V_GN und V_PN überwachen
306	R_AC-line auf der Grundlage von V_PN und V_GN berechnen
308	R_AC-line mit Schwellenwert vergleichen
310	Fehler anzeigen, wenn R_AC-line größer als Schwellenwert ist
312	Korrigieren

Der Isolierungsfehler-Detektionsprozess 300 arbeitet, indem er eine gemeinsame Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung V^dc _CMode eines Leistungssignals injiziert, während die Wechselstromleitungen durch das Leistungssignal vom Gleichrichter/Wechselrichter erregt werden (302). Die in die Gleichtaktspannung V^dc _CMode injizierte gemeinsame Spannungskomponente ist vorzugsweise von negativer Ladung, um jegliches Risiko eines Elektro-Endosmose-Effekts zu überwinden. Elektrische Potentiale, die V_GN und V_PN umfassen, werden überwacht (304). Der Begriff V_GN zeigt die Spannung von negativ zu Masse an und der Begriff V_PN zeigt die Spannung von positiv zu negativ an, wie zuvor beschrieben wurde. Der Isolierungswiderstand R_AC-line wird unter Verwendung der überwachten Werte für V_PN und V_GN bestimmt, vorzugsweise so, wie es mit Bezug auf Gleichung 10 beschrieben ist (306). Der Isolierungswiderstand R_AC-line wird mit einem Schwellenwertwiderstand verglichen (308) und wenn der Schwellenwertwiderstand überschritten wird, wird ein Fehler in Verbindung mit dem Isolierungswiderstand R_AC-line des gewählten Systems detektiert (310). Beim Detektieren eines Fehlers führt das System eine Gegenmaßnahme aus, was umfassen kann, dass die Motorkapazität herabgesetzt wird (312).
4 zeigt auf schematische Weise einen elektrischen Kraftstromkreis 420 mit mehreren Funktionen mit einer Batterie 422, die mit positiven und negativen Seiten 424 bzw. 426 eines Hochspannungs-Gleichspannungs-Leistungsbusses (Leistungsbus) elektrisch verbunden ist, welche mit mehreren Modulen elektrisch parallel verbunden sind. Die Module umfassen ein mehrphasiges Gleichrichter/Wechselrichter-Modul 430, das mit einem elektrischen Drehmomentmodul 490 elektrisch verbunden ist, ein Elektropumpen-Leistungsmodul 440 und ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul und ein Drehmomentmodul 450 mit einem elektrischen Wechselstromkompressor. Ein Steuerungsmodul 410 ist ausgestaltet, um den Betrieb jedes der vorstehend erwähnten Elemente zu überwachen und zu steuern. Jedes der vorstehend erwähnten Elemente ist durch eine hohe Impedanz von einer Fahrwerksmasse 12 isoliert, welche mit einem mechanischen System verbunden ist, in dem sie montiert sind. Im Betrieb kann das System identifizieren, welcher Satz von Wechselstromleitungen einen niedrigen Isolierungswiderstand aufweist, indem es einzeln eine gemeinsame Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung V^dc _CMode der Leistungssignale injiziert und den Isolierungsfehler-Detektionsprozess 300 für jedes der vorstehend erwähnten Module nacheinander ausführt.
Folglich werden ein System und ein Verfahren bereitgestellt, die den Isolierungswiderstand zwischen Wechselstromleitungen und einem Fahrwerk auf der Grundlage von Messungen von elektrischen Potentialen messen, während die Wechselstromleitungen durch die PWM-Spannung von dem Gleichrichter/Wechselrichter erregt werden. Der Prozess umfasst, dass der Isolierungswiderstand in Echtzeit gemessen wird und dass identifiziert wird, welcher Satz von Wechselstromleitungen einen niedrigen Isolierungswiderstand (falls überhaupt) aufweist, und dass der Elektroendosmose-Effekt ohne zusätzliche Hardware überwunden wird, wie etwa ein Mikro-Amperemeter, um einen aktuellen Widerstand zu messen. Stattdessen beruht der Isolierungswiderstand von Wechselstromausgängen des Gleichrichters/Wechselrichters nur auf Spannungsmesswerten. Dieser Wechselstrom-Isolierungswiderstand kann die Schwere des Wechselstrom-zu-Fahrwerk-Fehlers klassifizieren und die notwendige Reaktion bestimmen.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dafür beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art betrachtet werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Kraftstromkreises, der ausgestaltet ist, um ein Leistungssignal an ein Drehmomentmodul zu übertragen, wobei der Kraftstromkreis von einer Fahrwerksmasse elektrisch isoliert ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine gemeinsame Spannungskomponente in eine Gleichtaktspannung von elektrischen Phasen im Betrieb injiziert wird und eine Spannung von negativ zu Masse und eine Spannung von positiv zu negativ des elektrischen Kraftstromkreises überwacht werden; ein Wechselstrom-Leitungswiderstand auf der Grundlage der Spannung von negativ zu Masse und der Spannung von positiv zu negativ bestimmt wird; und ein Fehler in einer elektrischen Isolierung zwischen dem elektrischen Kraftstromkreis und einer Fahrwerksmasse auf der Grundlage des Wechselstrom-Leitungswiderstands detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines Wechselstrom-Leitungswiderstands umfasst, dass ein Widerstand zwischen einer Neutralleitung des elektrischen Kraftstromkreises und der Fahrwerksmasse bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der elektrische Kraftstromkreis für das Modul einen Gleichrichter/Wechselrichter umfasst, der mit einem mehrphasigen elektrischen Drehmomentmodul elektrisch verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannung von negativ zu Masse das elektrische Potential zwischen einem Verbindungspunkt zwischen Kondensatoren, die mit der Fahrwerksmasse elektrisch verbunden sind, und dem negativen Leistungsbus ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannung von positiv zu negativ das elektrische Potential zwischen einem positiven Leistungsbus und einem negativen Leistungsbus ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Injizieren der gemeinsamen Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung von elektrischen Phasen im Betrieb umfasst, dass die gemeinsame Spannungskomponente in elektrische Phasen des elektrischen Kraftstromkreises injiziert wird, während die elektrischen Phasen elektrisch erregt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Injizieren der gemeinsamen Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung von elektrischen Phasen im Betrieb umfasst, dass eine Gleichspannung mit negativer Ladung in die Gleichtaktspannung injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Injizieren der gemeinsamen Spannungskomponente in die Gleichtaktspannung von elektrischen Phasen im Betrieb umfasst, dass eine Spannungskomponente mit einer Wellenform in die Gleichtaktspannung injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Injizieren der Spannungskomponente mit einer Wellenform in die Gleichtaktspannung umfasst, dass eine Spannungskomponente mit einer Wellenform injiziert wird, die eine negative Ladung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wechselstrom-Leitungswiderstand in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung bestimmt wird: R_AC-line = (V_GN – V_PN/2 – V^dc _CMode)·R_sys/(V_PN – 2·V_GN) wobei R_AC-line der Isolierungswiderstand der Wechselstromleitung ist, V_GN die Spannung von negativ zu Masse ist, V_PN die Spannung von positiv zu negativ ist, V^dc _CMode die gemeinsame Spannungskomponente ist, die in die Gleichtaktspannung injiziert wird, und R_sys ein äquivalenter Isolierungswiderstand des elektrischen Systems ist.