CN103376360B - 用于车辆的高电压隔离监测的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的高电压隔离监测的方法和装置。该装置包括用于接收功率总线上的高电压的功率转换设备。功率转换设备配置成控制用于使第一已知电阻能够接收高电压的第一开关，并响应于第一已知电阻接收到高电压而测量第一节点和地之间的第一电压。功率转换设备还配置成响应于第一已知电阻接收到高电压而测量第二节点和地之间的第二电压，并至少基于第一电压和第二电压来确定第一节点和地之间的第一泄漏电阻。第一泄漏电阻指示高电压是否与地隔离。

Description

用于车辆的高电压隔离监测的方法和装置
技术领域
本文阐述的实施方式通常涉及用于车辆的高电压隔离监测的方法和装置，其也能够经得起高压通电试验。
背景技术
提供用于探测利用高电压部件和子***的车辆的故障的存在的机制是已知的。下面阐述用于探测故障的一个例子。
Trenchs等人的美国专利7,924,019提供了包括壳体、一次级、二次级和故障探测电路的车辆的逆变器***。一次级配置成从能量电源接收第一信号以产生第二电压信号。二次级配置成响应于第二电压信号而产生第三电压信号。一次级和二次级中的至少一个限定用于响应于产生第三电压信号而使泄漏电流放电的至少一个电阻点。故障探测电路配置成电耦合一次级和二次级以将第二电压信号提供到二次级来测量第三电压信号的一部分，以确定通过至少一个电阻点放电的泄漏电流是否在预定的电流范围内。
可以预期，在车辆高电压隔离监测中利用的一些机构也布置成在执行高压通电试验时经得起被施加到其的大电压量。
发明内容
一种用于监测车辆中的高电压隔离的装置。该装置包括用于接收功率总线上的高电压的功率转换设备。功率总线包括第一节点和第二节点。功率转换设备配置成控制第一开关用于使第一已知电阻能够接收高电压，并响应于第一已知电阻接收到高电压而测量第一节点和地之间的第一电压。功率转换设备还配置成响应于第一已知电阻接收到高电压而测量第二节点和地之间的第二电压，并至少基于第一电压和第二电压来确定第一节点和地之间的第一泄漏电阻。第一泄漏电阻指示高电压是否与地隔离。
附图说明
在所附权利要求中特别指出本公开的实施方式。然而，各种实施方式的其它特征将变得更明显，且将通过结合附图参考下面的详细描述而被最好地理解，其中：
图1描绘根据本发明的一个实施方式的用于车辆的高电压隔离监测的装置；
图2描绘用于对根据本发明的一个实施方式的装置执行高压通电试验的方法；以及
图3描绘根据本发明的一个实施方式的用于执行高电压隔离监测的方法。
具体实施方式
如所需要的，在本文公开了本发明的详细实施方式；然而，应理解，所公开的实施方式仅仅是可体现在各种和可选的形式中的本发明的示例。附图不一定按比例；一些特征可放大或最小化以显示特定部件的一些细节。因此，本文公开的特定的结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员不同地使用本发明的代表性基础。
本公开的实施方式通常为多个电路或其它电气设备做准备。对电路和其它电气设备以及每个设备所提供的功能的所有提及并没有被规定为被限制为仅包括本文所示和所述的内容。虽然特定的标签可被分配给所公开的各种电路或其它电气设备，这样的标签并不是用来限制对电路和其它电气设备的操作的范围。这样的电路和其它电气设备可基于所需要的特定类型的电气实现来彼此组合和/或以任何方式分离。应认识到，本文公开的任何电路或其它电气设备可包括任何数量的微处理器、集成电路、存储器设备(例如，FLASH、RAM、ROM、EPROM、EEPROM或它们的其它适当变形)以及彼此协作来执行本文公开的操作的软件。
图1描绘用于执行车辆***11的高电压隔离监测的装置10。装置10包括用于将能量从一种形式转换成另一形式的功率转换设备12。例如，功率转换设备12可被实现为转换器，例如将高DC电压转换成低DC能量(反之亦然)的DC/DC转换器、将高DC电压转换成AC电压的逆变器、或其它适当的设备。
电源14通常向功率转换设备12提供高电压。在一个例子中，电源14(或功率存储设备)可向功率转换设备12提供基于高DC的电压。功率转换设备12(即，如果被实现为逆变器)可将基于高DC的电压转换成用于给车辆中的电动机(未示出)供电的AC输出。这样的实现可能例如在混合或电动车辆中是普遍的。应认识到，高DC电压可能超过400V。高电压总线16(例如，+HV和-HV)将电源14电耦合到功率转换设备12，并向功率转换设备14提供基于高DC的电压。底盘接地线18电连接到功率转换设备12和高电压总线16，用于使功率转换设备12接地同时接收高DC电压。底盘接地线18建立到地面的接地。例如，底盘接地线18耦合到导电元件并经由车辆的车轮耦合到地面。
功率转换设备12通常配置成测量(或确定)高电压总线16和底盘接地线18之间的阻抗(或泄漏电阻)(例如，如电阻Rp和Rn所表示的)，以确定内在功率转换设备12接收高DC电压时，所测量的阻抗是否在足够的安全隔离范围。低阻抗测量结果可指示车辆***11中的故障(或失灵)，其中可能必须停止接收高DC能量。例如，在高电压总线16和底盘接地线18之间的低阻抗测量可指示高DC电压未正确地与底盘接地线18隔离。虽然在功率转换设备12中示出电阻Rp和Rn以及底盘接地线18，这样的电阻是例证性的，且可存在于沿着电源14和功率转换设备12之间的电连接的任何地方。
功率转换设备12通常包括第一部分20和第二部分22。第一部分20包括配置成控制第二部分22内的各种设备的控制器24。例如，第二部分22包括继电器26、多个电阻器R1、R2、R3和R4以及多个开关S1、S2、S3和S4。控制器24配置成选择性地断开/闭合各种开关S1、S2、S3和S4以测量高电压总线16和底盘接地线18之间的阻抗(Rp和Rn)，以便确定阻抗是否在安全隔离范围内。例如，控制器24将控制信号传输到每个开关S1、S2、S3和S4以确定阻抗测量，同时车辆在正常模式(即，驾驶员正驾驶车辆)中和在立即响应自我测试期间在诊断模式中或当车辆睡眠时周期地操作。将结合图3更详细地讨论这个方面。
应认识到，电阻器R1、R2、R3和R4可每个相应于彼此串联或彼此并联的任何数量的电阻器。同样，电阻器可被分组到串联和/或并联配置的任何组合中。功率转换设备12可能需要经历在电学上使其受应力过度的高压通电试验。此外，高压通电试验的目的是确保功率转换设备12在底盘接地线18和其它节点之间被正确地隔离。当执行这样的试验时，功率转换设备12可接收完全超过电源14正常提供的量的电压。通常，在将功率转换设备12安装在车辆中之前执行该试验。正常地，在大部分情况下，在设备内的各种电子器件被设定较高的额定值以经得起在高压通电试验期间施加的较高的电压量。功率转换设备12利用各种电子器件(例如，多个电阻器R1、R2、R3和R4以及多个开关S1、S2、S3和S4)，其被设定额定值以处理车辆在正常操作模式中时的较低电压电平而未被设定到高压通电试验被执行时的所需的量。这样的条件可减小实现的成本和总复杂度。继电器26是被设定额定值以处理高压通电试验的设备。
为了使功率转换设备24能够在高压通电试验被执行时实现较低额定值的电子器件(例如，多个电阻器R1、R2、R3和R4以及多个开关S1、S2、S3和S4)，在常开状态中提供继电器26，从而防止高电压传到多个电阻器R1、R2、R3和R4以及多个开关S1、S2、S3和S4。当功率转换设备12在车辆***11中被供电时，继电器26闭合，从而允许开关(S1、S2、S3和S4)和电阻器(R1、R2、R3和R4)从电源14接收高电压。功率转换设备12在高压通电试验期间未被供电，因为这样的试验的一个目的是确保设备12具有在底盘接地线18和其它节点之间的正确隔离。当功率转换设备12未被供电时，继电器26可在常开状态中。
图2描绘根据本发明的一个实施方式的用于对功率转换设备12执行高压通电试验的方法50。
在操作52中，执行检查以确定功率转换设备12是否被供电。功率转换设备12可被供电以执行转换功率的操作。如果功率转换设备12被供电，则方法50移动到操作54。如果否，则方法50移动到操作58。
在操作54中，控制器24将控制信号传输到继电器26以在功率转换设备12被通电时闭合，从而使功率转换设备22在其正常操作模式中操作(例如，转换功率、执行隔离监测等)。
在操作56中，在继电器26闭合之后，高压通电试验不被允许，因为较低额定值的电子器件(例如，多个电阻器R1、R2、R3和R4以及多个开关S1、S2、S3和S4)正操作来执行功率转换设备12的期望操作。
在操作58中，当车辆***11未被供电时，继电器26断开。在这种情况下，继电器26可被实现为常开的继电器，使得当电源14未供应功率时，继电器26在断开状态中，从而防止电流流到较低额定值的电子器件(例如，多个电阻器R1、R2、R3和R4以及多个开关S1、S2、S3和S4)。
在操作60中，功率转换设备12准备经历高压通电试验，因为与这样的试验相关的高电压被防止传输到较低额定值的电子器件，因为继电器26在断开状态中。
图3描绘根据本发明的一个实施方式的用于测量车辆***11的阻抗(例如，Rp和Rn)的方法70。应认识到，当功率转换设备12正在正常操作模式中操作时，方法50的操作可被执行。
在操作72中，功率转换设备12被通电，且继电器26闭合，从而使功率转换设备12能够在正常操作模式中操作(例如，为了同一目的在车辆***11中转换功率)。
在操作74中，功率转换设备12通过通信数据总线(例如，控制器区域网(CAN)、局部互连网(LIN)或其它适当的数据通信链路)接收命令以测量车辆***11中的阻抗。
在操作76中，功率转换设备12测量***11的正状态。在该正状态中，功率转换设备12使电流能够流经电阻器(例如，R3)，其值在高电压总线16的+HV节点和底盘接地线18之间是已知的(或被预先确定)。例如，控制器24控制开关S3闭合，使电阻器R3能够从电源14接收电压。
在操作78中，当开关S3闭合时，功率转换设备12(或控制器24)开始定时器，以提供延迟。该延迟允许车辆***11中的Y电容被充电。通常，小电容被置于底盘接地线18和其它节点之间以提高***噪声免疫并改进电磁发射。一般，这些电容器放置在高电压总线16的HV+与底盘接地线18以及高电压总线16的HV-与底盘接地线18之间，因而形成“Y”形结构。
在操作80中，控制器24确定定时器是否到时间。如果是，则方法70移动到操作82。如果否，则方法70保持在操作80中。
在操作82中，控制器24测量从高电压总线16上的+HV到底盘接地线18的电压(例如，测量横跨点A和B(见图1)的电压)，同时开关S3闭合且电阻器R3在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为HV_DC_P。控制器24还测量从底盘接地线18到高电压总线16上的-HV的电压(例如，测量横跨点B和C的电压)，同时开关S3闭合且电阻器R3在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为ISO_MEAS_P。
控制器24接着计算VM1，其为当电阻器R3被激活时底盘接地电压(例如，ISO_MEAS_P)与正高电压(例如，HV_DC_P)之比，或VM1＝ISO_MEAS_P/HV_DC_P。
在操作84中，功率转换设备12测量***11的负状态。在这个负状态中，功率转换设备12使电流能够流经电阻器(例如，S1)，其值在高电压总线16的-HV节点和底盘接地线18之间是已知的(或被预先确定)。例如，控制器24控制开关S1闭合，使电阻器R1能够从电源14接收电压。
在操作86中，当开关S1闭合时，功率转换设备12(或控制器24)开始定时器，以提供延迟。该延迟允许车辆***11中的Y电容被充电。
在操作88中，控制器24确定定时器是否到时间。如果是，则方法70移动到操作90。如果否，则方法70保持在操作88中。
在操作90中，控制器24测量从高电压总线16上的+HV到底盘接地线18的电压(例如，测量横跨点A和B(见图1)的电压)，同时开关S1闭合且电阻器R1在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为HV_DC_N。控制器24还测量从底盘接地线18到高电压总线16上的-HV的电压(例如，测量横跨点B和C的电压)，同时开关S1闭合且电阻器R1在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为ISO_MEAS_N。
控制器24接着计算VM1，其为当电阻器R1被激活时底盘接地电压(例如，ISO_MEAS_N)与高电压(例如，HV_DC_N)之比，或VM2＝ISO_MEAS_N/HV_DC_N。
在操作92中，控制器24通过下面的方程确定隔离电阻RP和RN。
RP＝Rt*((VM1–VM2)/VM2)，以及
RN＝Rt*(VM2–VM1)/(VM1–1)，其中Rt被定义为可被设定为例如300K欧姆的试验电阻。
在操作94中，控制器24经由数据通信总线将为RP和RN计算的值传输到车辆控制器(未示出)。
在操作96中，功率转换设备12可在正常操作模式中时重新执行上面提到的操作。应认识到，当车辆在正常操作模式中时，上面提到的操作可被执行。例如，功率转换设备12可在车辆正运行时连续地(或周期性地)执行前述操作，以确保RP和RN在可接受的足够的安全隔离范围内，同时功率转换设备12接收高DC电压。在RP和RN处的低阻抗测量结果可指示车辆***11中的故障(或失灵)，其中可能必须停止接收高DC能量。当RP或RN被测量为低于阈值时，由于减少的隔离，***10可选择切断HV能量供应。
如果RP或RN被确定为低，则车辆控制器可关闭车辆以防止电源14提供高电压。可选地，功率转换设备12可关闭自身以防止高电压在RP或RN被确定为低的时刻被传送。
进一步认识到，方法70可用于支持对功率转换设备12的自我测试功能。自我测试功能被执行来确保功率转换设备12正确地确定RP和RN。当功率转换设备12执行自我测试功能时，上面结合方法70提到的操作在对操作76、82、84和90有轻微的修改的情况下被再次执行。此外，操作94未被执行且新的操作98和100将被执行。将在下面结合自我测试功能直接重述操作76、82、84和90。此外，下面结合自我测试功能直接阐述新的操作98和100。
在操作76中，功率转换设备12测量***11的正状态同时执行自我测试。在这个正状态中，功率转换设备12使电流能够流经电阻器(例如，R2、R3和R4)，其值在高电压总线16的+HV节点和底盘接地线18之间是已知的(或被预先确定)。例如，控制器24控制开关S2、S3和S4闭合，使电阻器R2、R3和R4能够从电源14接收电压。
类似地，如上面结合地提到的，定时器操作78和80被执行。
在操作82中，控制器24测量从高电压总线16上的+HV到底盘接地线18的电压(例如，测量横跨点A和B(见图1)的电压)，同时开关S2、S3和S4闭合且电阻器R2、R3和R4在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为HV_DC_P。控制器24还测量从底盘接地线18到高电压总线16上的-HV的电压(例如，测量横跨点B和C的电压)，同时开关S2、S3和S4闭合且电阻器R2、R3和R4在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为ISO_MEAS_P。
控制器24接着计算VM1，其为当电阻器R3和R4被激活时底盘接地电压(例如，ISO_MEAS_P)与正高电压(例如，HV_DC_P)之比，或VM1＝ISO_MEAS_P/HV_DC_P。
在操作84中，功率转换设备12测量***11的负状态。在这个负状态中，功率转换设备12使电流能够流经电阻器(例如，R1、R2、R4)，其值在高电压总线16的-HV节点和底盘接地线18之间是已知的(或被预先确定)。例如，控制器24控制开关S1、S2和S4闭合，使电阻器R1、R2和R4能够从电源14接收电压。
类似地，如上面结合地提到的，定时器操作86和88被执行。
在操作90中，控制器24测量从高电压总线16上的+HV到底盘接地线18的电压(例如，测量横跨点A和B(见图1)的电压)，同时开关S1、S2和S4闭合且电阻器R1、R2和R4在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为HV_DC_N。控制器24还测量从底盘接地线18到高电压总线16上的-HV的电压(例如，测量横跨点B和C的电压)，同时开关S1、S2和S4闭合且电阻器R1、R2和R4在车辆***11中是起作用的。这个所测量的电压被定义为ISO_MEAS_N。
控制器24接着计算VM1，其为当电阻器R1被激活时底盘接地电压(例如，ISO_MEAS_N)与高电压(例如，HV_DC_N)之比，或VM2＝ISO_MEAS_N/HV_DC_N。
在操作92中，控制器24通过下面的方程确定隔离电阻RP和RN。
RP＝Rt*((VM1–VM2)/VM2)，以及
RN＝Rt*(VM2–VM1)/(VM1–1)，其中Rt被定义为可被设定为例如300K欧姆的试验电阻。
在操作98中，控制器24比较RP或RN与上限电阻值和下限电阻值。RP可能不需要等于RN。在任何情况下，可以对RP和RN设定上限和下限。如果RP或RN小于下限电阻值或大于上限电阻值，则自我测试指示由于功率转换设备12中的故障，隔离监测在正常操作模式期间被执行不是足够的。
如果RP或RN在上限电阻值和下限电阻值内，则自我测试指示隔离监测在正常操作模式期间被执行时是足够的。
在操作100中，功率转换设备12向车辆控制器或诊断工具报告出自我测试的状态(例如，通过或失败)。
虽然上面描述了示例性实施方式，意图不是这些实施方式描述本发明的所有可能形式。更确切地，在说明书中使用的词是描述的而不是限制的词，且应理解，可进行各种变化而不偏离本发明的精神和范围。此外，各种实现的实施方式的特征可组合以形成本发明的另外的实施方式。

Claims (17)

1.一种用于监测车辆中的高电压隔离的装置，所述装置包括：
功率转换设备，其用于接收功率总线上的高电压，所述功率总线包括第一节点和第二节点，所述功率转换设备配置成：
控制第一开关以使第一已知电阻能够接收所述高电压，
响应于所述第一已知电阻接收到所述高电压而测量所述第一节点和地之间的第一电压；
响应于所述第一已知电阻接收到所述高电压而测量所述第二节点和所述地之间的第二电压；以及
至少基于所述第一电压和所述第二电压来确定所述第一节点和所述地之间的第一泄漏电阻，所述第一泄漏电阻指示所述高电压是否与所述地隔离，
其中所述功率转换设备包括开关设备，所述开关设备用于当所述功率转换设备在正常操作模式中时使所述高电压能够通过所述功率转换设备，并用于当所述功率转换设备正遭受高压通电试验时阻止电压通过所述功率转换设备。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述功率转换设备还配置成控制第二开关以使第二已知电阻能够接收所述高电压并配置成响应于所述第二已知电阻接收到所述高电压来测量所述第一节点和所述地之间的第三电压。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述功率转换设备还配置成响应于所述第二已知电阻接收到所述高电压来测量所述第二节点和所述地之间的第四电压。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述功率转换设备还配置成至少基于所述第三电压和所述第四电压来确定所述第二节点和所述地之间的第二泄漏电阻，所述第二泄漏电阻也指示所述高电压是否与所述地隔离。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述功率总线的所述第一节点包括正高电压节点。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述功率总线的所述第二节点包括负高电压节点。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述地是位于所述车辆中的底盘地。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述功率转换设备还配置成在测量所述第一电压和所述第二电压之前开始定时器。
9.一种用于监测车辆中的高电压隔离的方法，所述方法包括：
接收功率总线上的高电压，所述功率总线包括第一节点和第二节点；
控制第一开关以使第一已知电阻能够接收所述高电压，
响应于所述第一已知电阻接收到所述高电压而测量所述第一节点和地之间的第一电压；
响应于所述第一已知电阻接收到所述高电压而测量所述第二节点和所述地之间的第二电压；
至少基于所述第一电压和所述第二电压来确定所述第一节点和所述地之间的第一泄漏电阻，所述第一泄漏电阻指示所述高电压是否与所述地隔离；以及
通过开关设备使所述高电压能够通过在正常操作模式中的功率转换设备；以及
当所述功率转换设备正遭受高压通电试验时，通过所述开关设备阻止电压通过所述功率转换设备。
10.如权利要求9所述的方法，还包括控制第二开关以使第二已知电阻能够接收所述高电压，并响应于所述第二已知电阻接收到所述高电压来测量所述第一节点和所述地之间的第三电压。
11.如权利要求10所述的方法，还包括响应于所述第二已知电阻接收到所述高电压来测量所述第二节点和所述地之间的第四电压。
12.如权利要求11所述的方法，还包括至少基于所述第三电压和所述第四电压来确定所述第二节点和所述地之间的第二泄漏电阻，所述第二泄漏电阻也指示所述高电压是否与所述地隔离。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述功率总线的所述第一节点包括正高电压节点。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述功率总线的所述第二节点包括负高电压节点。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述地是位于所述车辆中的底盘地。
16.如权利要求9所述的方法，还包括在测量所述第一电压和所述第二电压之前开始定时器。
17.一种用于监测车辆中的高电压隔离的装置，所述装置包括：
功率转换设备，其用于接收功率总线上的高电压，所述功率总线包括正节点和负节点，所述功率转换设备配置成：
控制第一开关以使第一已知电阻能够接收所述高电压，
响应于所述第一已知电阻接收到所述高电压而确定所述正节点和地之间的第一电压；
响应于所述第一已知电阻接收到所述高电压而确定所述负节点和所述地之间的第二电压；以及
至少基于所述第一电压和所述第二电压来确定所述正节点和所述地之间的第一泄漏电阻，所述第一泄漏电阻指示所述高电压是否与所述地隔离，
其中所述功率转换设备包括开关设备，所述开关设备用于当所述车辆正运行时使所述高电压能够通过所述功率转换设备，并用于当所述功率转换设备正遭受高压通电试验时阻止电压通过所述功率转换设备。
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