CN104297570A - 用于监测电力电路的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测电力电路的方法，所述电力电路被构造成将电力信号传递至扭矩模块，其电隔离于底盘接地部，所述方法包括：在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量，并监测所述电力电路的负-地电压和正-负电压。基于负-地电压和正-负电压确定AC线电阻。基于所述AC线电阻检测电力电路与底盘接地部之间的电隔离中的故障。

Description

用于监测电力电路的方法和设备
技术领域
本公开涉及AC电力电路的电隔离。
背景技术
在该部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息。因此，这种陈述并不旨在构成对现有技术的承认。
多相、多极电动机可被采用在混合动力和电动交通工具上，来提供用于推进的扭矩以及满足其它机械动力需求。这类电动机将一些形式的交流电流电能传导通过卷绕的电缆，以感应出磁场，其作用于转子并使其旋转。卷绕的电缆由绝缘导线组装而成。绝缘导线的劣化可能降低电动机的扭矩容量，并且可采用对导线绝缘电阻的测量来评估电绝缘的状况。
发明内容
一种用于监测电力电路的方法，所述电力电路被构造成将电力信号传递至扭矩模块，其电隔离于底盘接地部，所述方法包括：在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量，并监测所述电力电路的负-地电压和正-负电压。基于负-地电压和正-负电压确定AC线电阻。基于所述AC线电阻检测电力电路与底盘接地部之间的电隔离中的故障。
本公开还提供以下技术方案：
1.    一种用于监测电力电路的方法，所述电力电路被构造成向扭矩模块传递电力信号，所述电力电路电隔离于底盘接地部，所述方法包括：
在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量，并监测所述电力电路的负-地电压和正-负电压；
基于所述负-地电压和所述正-负电压确定AC线电阻；以及
基于所述AC线电阻检测所述电力电路与底盘接地部之间的电隔离中的故障。
2.    如技术方案1所述的方法，其中，确定AC线电阻包括：确定所述电力电路的中性线与所述底盘接地部之间的电阻。
3.    如技术方案1所述的方法，其中，用于模块的所述电力电路包括电连接至多相电扭矩模块的逆变器。
4.    如技术方案1所述的方法，其中，所述负-地电压是电连接至所述底盘接地部的电容器间的接合部与所述负电力总线之间的电势。
5.    如技术方案1所述的方法，其中，所述正-负电压是正电力总线与负电力总线之间的电势。
6.    如技术方案1所述的方法，其中，所述电力电路包括电联接至多相扭矩模块的多相逆变器和电池。
7.    如技术方案1所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：在所述电相被电气地激励的同时向所述电力电路的电相中注入所述共模电压分量。
8.   如技术方案1所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：向所述共模电压中注入充电负性DC电压。
9.    如技术方案1所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：向所述共模电压中注入具有波形的电压分量。
10.  如技术方案9所述的方法，其中，向所述共模电压中注入具有波形的电压分量包括：注入具有充电负性的波形的电压分量。
11.  如技术方案1所述的方法，其中，依据以下关系确定AC线电阻：
RAC-line = (VGN-VPN/2-Vdc CMode)*Rsys/(VPN-2*VGN)
其中，RAC-line是所述AC线的隔离电阻，
VGN是所述负-地电压，
VPN是所述正-负电压，
Vdc CMode是向所述共模电压中注入的共模电压分量，而
Rsys是所述电气***的等价隔离电阻。
12.  一种用于监测多相逆变器的方法，包括：
向逆变器的电相的共模电压中注入共模电压分量；
监测所述电力电路的负-地电压和正-负电压；
基于所述电力电路的所述负-地电压和所述正-负电压计算在相阻抗之间发生的电势；
基于在相阻抗之间发生的电势来确定AC线电阻；以及
基于所述AC线电阻来评估所述逆变器的电隔离。
13.        如技术方案12所述的方法，其中，基于所述AC线电阻来评估所述逆变器的电隔离包括：基于所述AC线电阻检测所述多相逆变器与底盘接地部的电隔离中的故障。
14.  如技术方案12所述的方法，其中，基于所述负-地电压和所述正-负电压确定AC线电阻包括依据以下关系确定所述AC线电阻：
RAC-line = (VGN-VPN/2-Vdc CMode)*Rsys/(VPN-2*VGN)
其中，RAC-line是所述AC线的隔离电阻，
VGN是所述负-地电压，
VPN是所述正-负电压，
Vdc CMode是向所述共模电压中注入的共模电压分量，而
Rsys是所述电气***的等价隔离电阻。
15.  如技术方案12所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：向所述共模电压中注入充电负性DC电压。
16.  如技术方案12所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：向所述共模电压中注入具有波形的电压分量。
17.  如技术方案16所述的方法，其中，向所述共模电压中注入具有波形的电压分量包括：注入具有充电负性的波形的电压分量。
附图说明
现在将参考附图通过示例方式来描述一个或多个实施例，附图中：
图1示出了依据本公开的电力电路和用于控制多相扭矩模块的操作的控制器；
图2示出了依据本公开的图1的电力电路的一些部分；
图3示出了依据本公开的隔离故障检测过程，其用于监测和检测关联于电力电路与底盘接地部之间的隔离电阻的故障的存在；并且
图4示出了依据本公开的多功能电力电路，其包括电连接至高电压DC电力总线的正侧和负侧的电池，所述高电压DC电力总线电连接至多个扭矩模块。
具体实施方式
现在参考附图，其中图示只是为了示出某些示例性实施例的目的而不是为了限制它们的目的，图1示意性地示出了电力电路20和用于控制电模块的操作的控制器10，其在一个实施例中包括多相电动机/发电机单元(扭矩模块)90。电力电路20具有隔离于与机械***相关联的底盘接地部12的高阻抗，电力电路20和扭矩模块90安装在所述机械***中。电力电路20包括高电压DC电力源(电池)22、多相电力逆变器模块30和栅极驱动模块40，它们信号地且操作地连接至控制器10。电池22分别电连接至高电压DC电力总线(电力总线)24和26的正侧和负侧，所述高电压DC电力总线电连接至逆变器模块30。
扭矩模块90是多相、多极电机，其包括转子和定子，其可进行操作以将电力变换成机械扭矩或者进行操作以将机械扭矩变换成电力。扭矩模块90在一个实施例中并且如图所示是三相装置，并且包括电气部件，其形成第一相91、第二相92和第三相93。也可以采用其它多相构造，而不受限制。扭矩模块90的电力元件电隔离于底盘接地部12。扭矩模块90的一些机械元件电连接至底盘接地部12。
逆变器30包括多个互补的成对开关装置32、34，其电气地串联连接在电力总线24、26的正侧和负侧之间，成对开关装置32、34中的每个与扭矩模块90的相之一相关联。成对开关装置32、34中的每个为适当的高电压开关，例如，半导体装置，其具有低导通阻抗，其优选为毫欧姆数量级。在一个实施例中，成对开关装置32、34是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在一个实施例中，成对开关装置32、34是场效应晶体管(FET)装置。在一个实施例中，FET装置可以是MOSFET装置。成对开关装置32、34被构造为成对的，以控制电力总线24的正侧和连接至并关联于扭矩模块90的相之一的电缆之一与电力总线26的负侧之间的电力流。
逆变器30还包括一对高电压DC链路电容器(电容器)36、38，其串联地电连接在电力总线24、26的正侧和负侧之间。电容器36、38之间的接合部37电连接至底盘接地部12。电容器36、38优选具有相同电容，其在一个实施例中为3000μF的电容。电容器36、38适于维持越过电力总线24、26的正侧和负侧的电势，但是可能缺乏容量来完全代替电池22。电阻器39与电容器36、38并联地电连接，包括在电力总线24、26的正侧和负侧之间以及接合部37处的电连接。逆变器30还可以包括其它电路元件，包括例如有源DC总线放电电路，其包括电阻器和开关，其串联地电连接在电力总线24、26的正侧和负侧之间。
栅极驱动模块40包括多个成对栅极驱动电路42，其各自单独地信号地连接至相之一的成对开关装置32、34之一，以控制其操作。因此，当扭矩模块90为三相装置时，存在三对栅极驱动电路42或总共六个栅极驱动电路42。栅极驱动模块40接收来自控制器10的操作命令，并经由栅极驱动电路42控制开关装置32、34中的每个的启用和停用，以提供电动机驱动或电力生成功能，其响应于操作命令。操作期间，每个栅极驱动电路42响应于源自控制模块10的控制信号生成脉冲，其启用开关装置32、34之一并容许电流通过扭矩模块90的半相。
成对开关装置32、34中的每个的串联接合部33电连接至扭矩模块90的对应相以传递电力。如图所示，AC输出线61将第一串联接合部33-1电连接至扭矩模块90的第一相91，AC输出线62将第二串联接合部33-2电连接至扭矩模块90的第二相92，并且AC输出线63将第三串联接合部33-3电连接至扭矩模块90的第三相93，以传递电力。
控制器10提供用于栅极驱动模块40的成对栅极驱动电路42的操作命令，并监测电力电路20和扭矩模块90的操作，包括监测负-地电压(negative-ground voltage)VGN 54和正-负电压(positive-negative voltage)VPN 55。用于栅极驱动模块40的成对栅极驱动电路42的操作命令控制电力电路20，其生成电力信号，其被输送至扭矩模块90的第一、第二和第三相。电力信号可呈以下任一形式：正弦PWM(脉冲宽度调制)信号、空间矢量PWM信号、第三谐波***PWM信号和不连续PWM信号，例如，DPWM1、DPWM2和DPWM3。
感兴趣的电势包括：相A电压(VAN)51，其为电连接至扭矩模块90的第一相91的第一串联接合部33-1与负电力总线26之间的电势；相B电压(VBN)52，其为电连接至扭矩模块90的第二相92的第二串联接合部33-2与负电力总线26之间的电势；和相C电压(VCN)53，其为电连接至扭矩模块90的第三相93的第三串联接合部33-3与负电力总线26之间的电势；负-地电压VGN 54，其为电连接至底盘接地部12的电容器36、38间的接合部37与负电力总线26之间的电势；和正-负电压VPN 55，其为正电力总线24与负电力总线26之间的电势。伪电阻RAC-line 56被示出用于示意的目的，并代表电力电路20与底盘接地部12之间的电阻或隔离，但是不代表实际装置。伪电阻RAC-line 56指示电力电路20与底盘接地部12之间的电隔离。等价隔离电阻Rsys指示电气***的等价隔离电阻，并包含与电池22、逆变器22、栅极驱动模块40以及并联采取的其它电气部件和***相关联的电阻。
控制模块、模块、控制装置、控制器、控制单元、处理器和类似术语意指以下中的任一个或一个或多个的各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或例程的中央处理器(优选为微处理器)和相关联的内存和存储器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路、以及用以提供所描述功能的其它部件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语意指包括校准和查询表的任何指令组。  控制模块具有被执行用以提供所需功能的一组控制例程。例程比如通过中央处理器被执行，并且是可操作的，用以监测来自传感装置和其它网络控制模块的输入，并执行控制和诊断例程，用以控制致动器的操作。可以以一定间隔来执行例程，例如在正进行的操作期间每100微秒、3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。替代地，可以响应于事件的发生来执行例程。
图2示意性地示出了电力电路20的一些部分，其用以为分析框架提供支持来确定电力电路20与底盘接地部12之间在本文由伪电阻RAC-line 56指示的电隔离的幅度。电力电路20的所示部分包括电池22、电力总线24和26的正侧和负侧、电容器36、38、电连接至底盘接地部12的处于电容器36、38之间的接合部37和电阻器39。阻抗包括相A阻抗ZA 71、相B阻抗ZB 72、以及相C阻抗ZC1 73和ZC2 74。电压VFN 57指示相C阻抗ZC1 73和ZC2 74之间发生的电势，并且可用于确定伪电阻RAC-line 56，从而指示电力电路20与底盘接地部12之间的电隔离。相C阻抗ZC1 73和ZC2 74被示出用以描绘对电力电路20的相C的隔离的分析。应该理解的是：如本文所描述的类似分析在相A、B和C中的每个上执行。在电路的隔离没有劣化的理想操作条件下，相C阻抗ZC1 73等于零，并且电压VFN 57等于相C电压(VCN)53。
一种过程，用于在***处于电力信号的作用下的操作期间监测被构造成向电隔离于底盘接地部的扭矩模块传递电力信号的电力电路来确定AC电隔离的幅度，包括在AC线被来自逆变器的PWM电压激励时的时间周期中的操作期间向电力电路的电相中的每个的共模电压中注入共模电压分量。监测包括监测电力电路的负-地电压和正-负电压。基于负-地电压和正-负电压确定AC线电阻。可基于AC线电阻在电力电路与底盘接地部之间的电隔离中检测故障。
在AC线被来自逆变器的PWM电压激励时的时间周期中向所有相的共模电压注入共模电压分量的过程包括：在低操作速度时注入处于越过高电压DC电力总线的电势的二分之一到三分之一之间的电压分量，达足以排除瞬时故障的时间周期，优选在三到五秒之间。优选地，负载即扭矩模块90经受或暴露于线到线电压(即Vab=Va-Vb，Vbc=Vb-Vc，Vca=Vc-Va)来产生电流。没有注入共模电压分量的相电压与具有注入共模电压分量的相电压在扭矩模块90上具有相同效果。因此，例如，第一组相电压Va=10、Vb=50、Vc=-60与第二组相电压Va=10+37、Vb=50+37、Vc=-60+37具有相同效果，其中第二组相电压中的每个具有37伏特的共模电压。在一个实施例中，向所有相的共模电压中的每个中注入的共模电压分量是DC电压分量。替代地，向所有相的共模电压中的每个中注入的共模电压分量是一种波形，例如，60Hz的三角波，具有检测方案来寻求识别波形以确定是否发生了隔离损失。替代地，向所有相的共模电压中的每个中注入的共模电压分量是多个DC电压。也可以采用其它共模电压分量，而不受限制。
如本文所描述，监测电势只包括负-地电压VGN 54和正-负电压VPN 55，其被测量来用于涉及***控制的其它目的。逆变器的AC输出线与扭矩模块即线61、62和63与底盘12之间的绝缘电阻可被确定，从而容许检测包括中性线的AC线上的任一点处的AC隔离损失。所描述的过程通过采用充电负性(charge-negative)注入共模电压分量来克服任何电渗效应。电渗是这样一种现象，其中当测试器引线的极性由于存在湿气例如由于雨水侵入***中而被逆转时，可以获得不同的绝缘电阻值。
线到线电势即VAB、VBC和VAC在共模电压分量在正常操作期间被注入三个相中的每个的共模电压中之后保持不变，因为逆变器30是隔离于底盘12的高阻抗。这可依据以下关系组来证明：
VA′N=VAN+Vdc CMode
VB′N=VBN+Vdc CMode                                                                                          [1]
VC′N=VCN+Vdc CMode
其中，VAN是扭矩模块90的第一相91与负电力总线24之间的电势，
VBN是扭矩模块90的第二相92与负电力总线24之间的电势，
VAN是扭矩模块90的第三相93与负电力总线24之间的电势，
Vdc CMode是共模电压中的注入共模电压分量，
VA′N是扭矩模块90的第一相91与负电力总线24之间的电势加上共模电压中的注入共模电压分量，
VB′N是扭矩模块90的第二相92与负电力总线24之间的电势加上共模电压中的注入共模电压分量，并且
VC′N是扭矩模块90的第三相93与负电力总线24之间的电势加上共模电压中的注入共模电压分量。
可依据以下关系组相对于其它共模电势例如负电力总线24算出线到线电势。　
VAB=VAN-VBN
VAC=VAN-VCN                                                                                                                                    [2]
VBC=VBN-VCN
显然，当Vdc CMode即共模电压中的注入共模电压分量对每条线都相同时，以下关系组成立。　
VAN-VBN=VA′N-VB′N
VAN-VCN=VA′N-VC′N                                                                                                                        [3]
VBN-VCN=VB′N-VC′N
因此，从前面的关系组，推导出以下关系组。　
VAB=VAN-VBN=VA′N-VB′N=VA′B′,
VAC=VAN-VCN=VA′N-VC′N=VA′C′, and                                                                [4]
VBC=VBN-VCN=VB′N-VC′N=VB′C′.
因此，在三个相的共模电压中注入共模电压分量Vdc CMode不影响正常操作。
当AC线隔离劣化时，在共模电压Vdc CMode中注入共模电压分量会使负-地电压VGN 54在共模电压Vdc CMode被选择为负时通过RAC-line 56朝负电力总线26(HV-)上的电压偏移。该电压偏移行为可被采用来依据以下关系组测量伪电阻RAC-line 56：
(VFN-VGN)/RAC-line+ (VPN-VGN)/Rsys = VGN/Rsys                                                 [5]
其中，VFN指示在相C阻抗ZC1 73和ZC2 74之间发生的电势，
VGN指示负-地电压，并且
VPN指示正-负电压。
该过程被描述和具体化以确定在相C阻抗ZC1 73和ZC2 74之间发生的电势。应该理解的是：类似过程被采用来监测和评估每个相，例如，在该实施例中的相A和B。
因此，可依据以下关系来确定在相C阻抗ZC1 73和ZC2 74之间发生的电势。　
    [6]
其中，参考图2绘出和描述Z项。
在不存在***故障的情况下响应于电力信号进行操作的一公知***依据以下关系得出结果。
Vdc AN  = Vdc BN = Vdc CN = VPN /2                                                                   [7]。
当共模电压Vdc CMode中的共模电压分量被注入电力信号中时，依据以下关系得出电势：
Vdc A′N  = Vdc B′N = Vdc C′N = VPN /2 + Vdc CMode                                                [8]。
因此，组合公式6和公式8，得到以下关系。　
Vdc FN  = VPN /2 + Vdc CMode                                                                           [9]。
从公式5和公式9，可依据以下关系在只有电势VPN和VGN被监测时获得AC线RAC-line的隔离电阻。　
RAC-line = (VGN-VPN/2-Vdc CMode)*Rsys/(VPN-2*VGN)                                       [10]。
该分析的结果表明：对于与底盘具有高阻抗隔离的逆变器电气***来说，AC线与底盘之间的隔离电阻可被实时测得，方法是在以PWM电压激励AC线的同时，在所有三个相的共模电压中注入共模电压分量。此外，注入共模电压分量并不局限于DC分量以实现AC隔离电阻的测量。它可包括作为输入的多个DC电压电平或重复波形。可采用高电压电压传感的相关联信号来表征AC隔离电阻。然而，DC电压分量是优选的，因为它实施起来最简单。
图3示意性地示出了隔离故障检测过程300，其用于监测和检测关联于电力电路与底盘接地部之间的隔离电阻的故障的存在，例如，图1的包括逆变器30和扭矩模块90的电力电路20。隔离故障检测过程300进行操作以在AC线被PWM激励的同时监测AC线与底盘之间的绝缘电阻。表1被提供为图3的关键，其中数字标记的框和对应的功能按如下方式给出。
表1
隔离故障检测过程300进行操作，是通过在AC线被来自逆变器的电力信号激励的同时在电力信号的共模电压Vdc CMode中注入共模电压分量(302)。优选地，共模电压Vdc CMode中的注入共模电压分量是充电负性的，以克服电渗效应的任何风险。监测包括VGN和VPN的电势(304)。术语VGN指示负-地电压，并且术语VPN指示正-负电压，如前面描述的。使用VPN和VGN的监测值来确定隔离电阻RAC-line，优选如参考公式10所描述的那样(306)。将隔离电阻RAC-line与阈值电阻进行比较(308)，并且当超过阈值电阻时，检测到与所选***的隔离电阻RAC-line相关联的故障(310)。在检测到故障时，***执行修正，其可包括下调电动机容量(312)。
图4示意性地示出了多功能电力电路420，其包括电池422，所述电池422分别电连接至高电压DC电力总线(电力总线)424和426的正侧和负侧，所述高电压DC电力总线并联地电连接至多个模块。这些模块包括：多相电力逆变器模块430，其电连接至电扭矩模块490、电泵动力模块440和逆变器模块；和电气AC压缩器扭矩模块450。控制模块410被构造成监测和控制前述元件中的每个的操作。前述元件中的每个高阻抗隔离于与它们所安装于其中的机械***相关联的底盘接地部12。操作中，所述***可识别是哪组AC线具有低隔离电阻，方法是通过在电力信号的共模电压Vdc CMode中分别注入共模电压分量，并对前述模块中的每个逐一执行隔离故障检测过程300。
因此，提供了***和方法，其基于电势的测量在AC线被来自逆变器的PWM电压激励的同时测量AC线与底盘之间的绝缘电阻。该过程包括：实时测量绝缘电阻并识别是哪组AC线具有低隔离电阻(如果有的话)，并克服电渗效应，而无需附加硬件比如微安培计来测量电流电阻。相反，逆变器AC输出的绝缘电阻只基于电压读数。该AC隔离电阻可分类AC到底盘故障的严重性，并确定所需响应。
本公开已描述了某些优选的实施例及其变型。本领域的技术人员在阅读和理解说明书时可想到另外的变型和变更。因此，所意图的是本公开不局限于作为用于实施本公开所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开应包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 一种用于监测电力电路的方法，所述电力电路被构造成向扭矩模块传递电力信号，所述电力电路电隔离于底盘接地部，所述方法包括：
在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量，并监测所述电力电路的负-地电压和正-负电压；
基于所述负-地电压和所述正-负电压确定AC线电阻；以及
基于所述AC线电阻检测所述电力电路与底盘接地部之间的电隔离中的故障。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，确定AC线电阻包括：确定所述电力电路的中性线与所述底盘接地部之间的电阻。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，用于模块的所述电力电路包括电连接至多相电扭矩模块的逆变器。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述负-地电压是电连接至所述底盘接地部的电容器间的接合部与所述负电力总线之间的电势。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述正-负电压是正电力总线与负电力总线之间的电势。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，所述电力电路包括电联接至多相扭矩模块的多相逆变器和电池。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：在所述电相被电气地激励的同时向所述电力电路的电相中注入所述共模电压分量。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：向所述共模电压中注入充电负性DC电压。
9. 如权利要求1所述的方法，其中，在操作期间向电相的共模电压中注入共模电压分量包括：向所述共模电压中注入具有波形的电压分量。
10. 一种用于监测多相逆变器的方法，包括：
向逆变器的电相的共模电压中注入共模电压分量；
监测所述电力电路的负-地电压和正-负电压；
基于所述电力电路的所述负-地电压和所述正-负电压计算在相阻抗之间发生的电势；
基于在相阻抗之间发生的电势来确定AC线电阻；以及
基于所述AC线电阻来评估所述逆变器的电隔离。
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