CN107037265B - 用于测量车辆底盘电气隔离的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量电动车辆中底盘和电池端子间的隔离电阻的方法。该方法可包括测量正极端子的开路电压(VP(开路))；测量负极端子的开路电压(VN(开路))；在开关S1闭合时，测量负极端子和底盘之间的电压(VN(S1闭合))；在开关S1闭合时，测量正极端子和底盘之间的电压(VP(S1闭合))；计算电压VP(S1闭合)和VN(S1闭合)的比率(VP(S1闭合)/VN(S1闭合))；计算所述开路电压的开路比(VP(开路)/VN(开路))；计算比率(VP(S1闭合)/VN(S1闭合))与开路比(VP(开路)/VN(开路))之间的差；以及将测试电阻器(R0)的值与比率(VP(S1闭合)/(VN(S1闭合))与开路比(VP(S2开路)/VN(S1开路))之间的差值相乘，求得隔离电阻。

Description

用于测量车辆底盘电气隔离的方法
技术领域
本发明总体涉及到电动车辆底盘的电气隔离，更具体地说，是对这种隔离的测量。
背景技术
诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、燃料电池电动车辆(FCEV)等电动机动车辆，往往会在驱动***中使用高电压(400至700V)以向驱动电机提供高功率。该高电压的配电***是通过车辆底盘引出的电线的绝缘进行电气隔离的。该隔离被设计用来防止电击危险，不过随时间推移或由于碰撞可能会失灵，产生潜在的触电危险。
美国汽车工程师学会标准SAE J1766提出了一种方法来测量这种车辆的隔离电阻，以便监控绝缘***的健康度来确保车辆操作安全。在SAEJ1766测试方法中，首次单独测量出电池的高压正级端子与底盘间的电压降(V2)和电池的高压负极端子与底盘间的电压降(V1)。
为了测量正极高压电池端子到底盘的有效隔离电阻(R2)，需要测量从负极高压电池端子(N)连接到底盘的测试电阻器(R0)两端的电压降(V'1)。由于测试电阻器以及***中的抑制电容器和寄生电容器带来的RC时间常数，该测量应在连接测试电阻器后，等待电路中的电压趋于稳定后进行。然后根据下面等式计算隔离电阻(R2)：
R2＝R0(1+(V2/V1))((V1-V'1)/V'1)
为了测量负极高压电池端子到底盘的有效隔离电阻(R1)，接下来需要测量从正极高压电池端子(P)连接到底盘的测试电阻器(R0)两端的电压降(V'2)。同样，由于***中抑制电容器和寄生电容器带来的电压衰减时间常数，该测量要等待电压稳定后进行。然后隔离电阻(R1)由下列等式给出：
R1＝R0(1+(V1/V2))((V2-V'2)/V'2)
结合下列原因，电压衰减到稳定状态有着很长的时间常数(通常在15秒范围内)：电磁兼容性(EMC)抑制滤波电容器；底盘与高压正负极端子之间的寄生电容；以及通常用于测试电阻器的大电阻值。因此，为了保证结果精确，在连接测试电阻器之后，在进行电压测量之前，必须要等待一个相当长的时间段。如果是车辆正在行驶时进行隔离测量，就会产生问题。因为在电力进入或离开电池时，电池具有有限阻抗，随着电流动态地流入或流出电池，电池的电压会有显著变化。
虽然SAEJ1766方法在连接测试电阻器之前同时使用了初始高压正极和高压负极到底盘的测量值，但在连接测试电阻器并等待RC时间常数的相当长的衰减周期之后，只获得了单个(正极或负极到底盘)的测量值。因为正负电池端子之间的差分高压值直接影响到单个正极或负极到底盘的测量值，所以差分电压的变化会在正极或负极到底盘的测量值的变化中反映出来。因此，使用SAEJ1766方法，任何一个测量值都有可能引入大的误差。出于这个原因，使用SAEJ1766标准的现有技术方法通常要么取多个样本的平均值，要么进行超低频过滤(在分析软件中或者在电路中作为基于硬件的过滤器)来减少该方法造成的误差。
除了由大时间常数和差分电压波动灵敏度造成的测量延迟之外，需要对多次测量取平均值也进一步降低了SAEJ1766现有测量***的性能和响应时间。虽然现有技术SAEJ1766方法可以通过将测量限制到推进***不活动的时期来避免计算平均测量值，但这样就会大大限制现有技术方法的有效性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种在测量电气***到底盘的隔离程度时有效；对电池电压的变化不敏感；并且没有由过度过滤或多次测量产生的延迟的用于测定底盘与电池间隔离电阻的方法。
一方面，本发明涉及一种用于测定底盘与电池间隔离电阻的方法，所述电池具有正极端子和负极端子。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：测量正极端子的开路电压(VP(开路))；测量负极端子的开路电压(VN(开路))；闭合开关S1以在负极端子和底盘之间连接测试电阻器R0；在开关S1闭合时，测量负极端子和底盘之间的电压(VN(S1闭合))；在开关S1闭合时，测量正极端子和底盘之间的电压(VP(S1闭合))；计算电压VP(S1闭合)和VN(S1闭合)的比率(VP(S1闭合)/VN(S1闭合))；计算开路电压的开路比(VP(开路)/VN(开路))；计算比率(VP(S1闭合)/VN(S1闭合))与开路比(VP(开路)/VN(开路))之间的差值；以及把测试电阻器(R0)的值与比率(VP(S1闭合)/VN(S1闭合))与开路比(VP(开路)/VN(开路))之间的差值相乘求得隔离电阻。
在另一个实施例中，所述电压VN是于测试电阻器的两端测得的。在又一个实施例中，所述测试电阻器为4M到10M欧姆。在又另一个实施例中，开关S1是光学隔离的MOSFET开关。在又另一个实施实例中，如果隔离电阻测定为小于给定值，则该方法还包括隔离电池的步骤。在另一个实施实例中，隔离电阻的测定是在电池向电机供电时进行的。
另一方面，本发明涉及一种测定底盘和电池间隔离电阻的方法，所述电池具有正极端子和负极端子。在另一个实施例中，该方法包括如下步骤：测量正极端子的开路电压(VP(开路))；测量负极端子的开路电压(VN(开路))；在开关S2闭合时，测量正极端子和底盘之间的电压(VP(S2闭合))；在开关S2闭合时，测量负极端子和底盘之间的电压(VN(S2闭合))；计算电压VP(S2闭合))和VN(S2闭合)的比率(VN(S2闭合)e/VP(S2闭合))；计算开路电压的开路比(VN(开路)/VP(开路))；计算比率VN(S2闭合)/VP(S2闭合))与开路比(VN(开路)/VP(开路))之间的差值；以及把测试电阻器(R0)的值与比率(VN(S2闭合)/VP(S2闭合))和开路比(VN(开路)/VP(开路))之间的差相乘求得隔离电阻。
在另一个实施例中，所述电压VP是于测试电阻器的两端测得的。在又一个实施例中，测试电阻器为4M到10M欧姆。在再一个实施例中，开关S2是光学隔离的MOSFET开关。在又另一个实施例中，如果隔离电阻被测定为小于给定值，则该方法还包括隔离电池的步骤。在另一个实施例中，隔离电阻的测定是在电池向电机供电时进行的。
附图说明
通过本文的描述，结合附图，可以很好地理解本发明的结构和功能。附图不一定按比例绘制，总体把重点放在说明性原理上。在各方面来看，附图都是说明性的，并不旨在对本发明进行限制，本发明的范围仅由权利要求书界定。
图1为集成至汽车电气***的电池管理电路的一个实施例框图；
图2为本发明的隔离测量电路的一个实施例示意图；
图3A和图3B为图2电路实施例的测量步骤的流程图；以及
图4为根据图3的方法，在图2的电路模拟中进行电压测量的波形图。
具体实施方式
本发明的方法消除了测量期间隔离电阻计算对电路中产生的差分高电压变化的测量敏感度。因此，即使在测试期间电池电压大幅变化，也可以非常精确地获得隔离电阻测量值。这样就可以对电气绝缘的质量进行更加准确地评估，同时显著加快评估时间。显著改进的电阻评估可以实现更少的平均值计算和过滤，从而更快地进行隔离电阻故障检测。
参考图1，示出了一个车辆电气***的实施例，其具有连接到逆变器14的电池组10和从电池组10汲取电流的其他电气元件18。电池组10包括电池38、监视电池电压的电池管理***26以及由电池管理***26控制的一对继电器28、28'，以便在电池管理***26检测到电池38和底盘30之间有隔离故障的情况下，将电池38从汽车电路的其余部分连接和断开。在一个实施例中，电池38产生200到400V的电压。电池管理***26通过连接至与处理器相连的模数(A/D)转换器(电池管理***26的一部分)的触点来测量电路中各点的电压。
参考图2，本发明的电气隔离测量电路34包括为车辆电力供应总线43提供正极(P)端子42和负极(N)端子46的电池38。电路34包括两个滤波电容器50、54，串联在正极(P)42和负极(N)46端子两端来过滤共模噪声。在一个实施例中，滤波电容器为1.0μF。电容器50、54的共同连接点56连接在底盘60上。单个差分滤波电容器64连接在正极(P)端子42和负极(N)端子46之间来滤除差分噪声。在一个实施例中，差分电容器为1000μF。电容器50、54和64可以位于逆变器14内部，或代表附接到高电压总线(包括逆变器14和其它单元18)的所有电容器的组合电容。分别从两个端子42、46连接到底盘60的电阻器(R2)68和(R1)72代表了包括连接在汽车的电池端子(P)42、(N)46与底盘60之间的其它电路18(图1)的其它电阻，和由于绝缘***的退化或故障产生的任何总线绝缘漏电的有效电阻。如果电池管理***26测定出底盘60存在绝缘退化或失效，那么电池管理***26控制下的两个继电器28、28'就会隔离电池38的两个端子42、46。
电池管理***26的功能之一就是，通过测量这些隔离电阻68和72来测定隔离电阻是否已经降低到危险水平。为了实现这一点，测试电阻器R0通过开关S2连接在正极端子(P)42和底盘60之间。相似地，另一个测试电阻器R0通过第二开关S1附接在负极端子(N)46和底盘60之间。在一个实施例中，测试电阻器为4M-10M欧姆。在一个实施例中，所述开关是光学隔离的MOSFET开关(IXYS Clare，Milpitas，CA)。
本讨论中使用以下命名法：V端子(开关状态)为，对于给定开关S1和S2的开关状态，从电池端子(P或N)到底盘60测量到的电压。可能的开关状态为其中一个独立开关闭合(S1闭合或S2闭合)，或二者都断开(断开和断开)。***不会同时闭合两个开关S1和S2。因此，VP(开路)为当两个开关都断开时，端子(P)42到底盘的开路端子电压。VP(S2闭合)为当开关S2闭合时，正极端子到底盘的电压。VN(S2闭合)为当开关S2闭合时，负极端子到底盘的电压。在描述由开关S1的状态产生的电压时，采用相同的命名法。
总的来说，测量隔离电阻的方法是，首先相对于底盘60，测量电池38的每个相应端子(P)42、(N)46的开路电压VP(开路)、VN(开路)。接下来，通过测试电阻器R0分别将电池的另一端子(N)46、(P)42连接到底盘60来测量电池38每个端子(P)42，(N)46的隔离电阻。在此实施例中，两个测试电阻器R0具有相同的值，但这不是必需的。
例如，还参考图3，为了测量有效隔离电阻R1，需要在开关S2和S1都断开的状态下，分别测量电池38的正极端子(P)42以及电池38的负极端子(N)46的开路电压VP(开路)(步骤2)和VN(开路)(步骤4)。然后在第二开关S1保持断开的状态下，关闭开关S2(步骤6)，通过测试电阻器R0将正极端子(P)42连接到底盘60。此时使电压波动衰减(步骤8)。在测试电阻器R0两端测量端子(P)42相对于底盘60的测试电压VP(S2闭合)，并再次测量端子(N)46相对于底盘60的电压VN(S2闭合)(步骤10)。
计算正极端子(P)42连接到底盘60时，测试电压VP(S2闭合)和VN(S2闭合)的“测试比”(VN(S2闭合)/VP(S2闭合))(步骤12)。也要计算在端子(P)42，(N)46与底盘断开连接时，开路电压(VN(开路)/VP(开路))的“开路比”(步骤14)。然后计算测试比(VN(S1断开)/VP(S2闭合))与开路比(VN(S1断开)/VP(S2断开))之间的差值(步骤16)。将电阻器R0的值与测试比和开路比之间的差值相乘(步骤18)。其结果就是有效隔离电阻R1。有效隔离值可以写为：
R1＝R0((VN(S2闭合)/VP(S2闭合))-(VN(开路)/VP(开路)))
然后，可以重复上述过程来计算有效隔离电阻R2。将开关S2和S1都断开，并使共模电压稳定(步骤20)。再次测量新的开路电压VN(开路)和VP(开路)(步骤22)。闭合开关S1，通过另一测试电阻器R0将端子(N)46接到底盘60上(步骤24)。再次使电压波动衰减并稳定(步骤26)。测量负极端子(N)46相对于底盘60的测试电压VN(S1闭合)，并且再次测量端子(P)42相对于底盘60的电压VP(S1闭合)(步骤28)。然后计算测试比(VP(S1闭合)/VN(S1闭合))和开路比(VP(开路)/VN(开路))(步骤30和步骤32)。计算测试比和开路比之间的差值(VP(S1闭合)/VN(S1闭合))-(VP(开路)/VN(开路))(步骤34)。通过将测试电阻R0与测试比和开路比的差值相乘计算出有效隔离值R2(步骤36)。其可以写为：
R2＝R0((VP(S1闭合)/VN(S1闭合))-(VP(开路)/VN(开路)))
所测量的R1和R2值是电源总线绝缘的漏电电阻和连接到总线的其他电路的电阻的组合。通过设置R1和R2的最低容许值，可以决定绝缘电阻在什么值下变得过低，从而指示出危险情况。
电池管理***26包括将在触点24(为清晰起见，未示出实际测量点)所测的模拟电压进行转换，并将数字值传送到处理器36的A/D转换器32。处理器36还控制着继电器28、28'，并且如果处理器36判断有效隔离电阻R1或R2小于期望值，则能够断开继电器28、28'，以指示对底盘60的低电阻。
参考图4，响应于图3中的方法步骤，示出了负极端子(N)46处的电压。最初，开关S2和S1都是断开的，并测量电压VP(开路)和VN(开路)。然后将开关S2闭合，测量VP(S2闭合)和VN(S2闭合)。根据这些值计算有效隔离电阻R1。接下来再次将两个开关断开，再次测量电压VP(开路)和VN(开路)。然后闭合开关S1。测量电压VP(S1闭合)和VN(S1闭合)并计算R2。
通过测量R1和R2，***可以在给定电池配置下，检测底盘是否与电池电压隔离到了必要的安全程度。
除非另有说明，否则本说明书及权利要求书中使用的所有表示长度、宽度、深度或其它尺寸的数字应理解为在所有情况下同时表示所示的精确值和用“大约”加以修饰后的值。术语“大约”旨在表示指示值的±10％。除非有相反的说明，否则列在本说明书和权利要求书中列出的数值参数均为近似值，其可以根据所期望获得的特性而变化。最低程度上说，并且不试图限制对权利要求书的范围采用等同原则，每个数值参数应至少根据报告有效数位的数值和一般舍入技术来理解。任何给定值都可能存在20％的变化。
在描述本发明中的上下文中(尤其是所附权利要求书的上下文中)，所使用的术语“一个(a)”“一个(an)”“该(the)”及类似冠词应被理解为同时包含单数和复数，除非另外指明或与上下文明显矛盾而另外规定。本文中所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文另外指明或因与上下文明显矛盾而另外规定。本文提供的任何及所有示例或示例性语言(如“诸如”)的使用仅仅旨在更好地对本发明进行阐释，并不对任何权利要求的范围构成限制。说明书中的语言不应该被理解为指示出任何不受保护的元件对本发明的实践是必不可少的。
本文公开的替代元件或实施例的分组不应被理解为限制性。每组构件都可以被单独提及或要求保护，或与本文中组里其它构件或其它元件结合。为了方便和/或出于专利性的原因，预计可能会将小组中的一个或多个构件包括进组中或从组中删去。当发生任何这种包括或删除时，都认为说明书包括修改的组，从而满足对所附权利要求书中所有马库什分组(Markush groups)的书面描述要求。
本文中描述了特定实施例，包括发明人已知的用于执行本公开精神的最佳模式。当然，阅读前述描述后，对于该领域普通技术人员来说，所描述的实施例的变体将变得显而易见。发明人希望技术人员恰当地使用这些变体，并且发明人期望本发明按照本文中详细说明之外的形式进行实施。相应地，权利要求书包括适用法律允许的所附权利要求中列举的主题的所有修改及等效物。此外，除非在本文中另有明确说明或因与上下文明显矛盾而另外规定，否则所有可能变体中的上述元件的任何组合均可预见。
最后，应当理解，本文所公开的实施例对于权利要求的原则来说是说明性的。其它可采用的修改都落入所附权利要求的范围内。因此，替代性实施例只是作为示例而不是限制，可以按照本文教导来使用。所以，权利要求的保护范围并不局限于前面所示和所述的具体实施例。

Claims (12)

1.一种用于测定底盘与电池间隔离电阻的方法，所述电池具有正极端子和负极端子，所述正极端子能够通过开关S1与所述底盘连接，所述负极端子能够通过开关S2与所述底盘连接，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在开关S1和开关S2均断开，并使共模电压稳定的情况下，测量所述正极端子的开路电压VP开路；
在开关S1和开关S2均断开，并使共模电压稳定的情况下，测量所述负极端子的开路电压VN开路；
在开关S2保持断开且开关S1闭合时，测量负极端子和底盘之间的电压VNS1闭合；
在开关S2保持断开且开关S1闭合时，测量正极端子和底盘之间的电压VPS1闭合；
计算电压VPS1闭合和VNS1闭合的比率VPS1闭合/VNS1闭合；
计算所述开路电压的开路比VP开路/VN开路；
计算比率VPS1闭合/VNS1闭合和开路比VP开路/VN开路之间的差值；以及
将测试电阻器的值与比率VPS1闭合/VNS1闭合与开路比VP开路/VN开路之间的差值相乘，求得隔离电阻，其中所述正极端子和所述负极端子分别通过所述测试电阻器与所述底盘连接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压VNS1闭合是于所述测试电阻器两端测得的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测试电阻器为4M到10M欧姆。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，开关S1是光学隔离的MOSFET开关。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述隔离电阻被测定为小于给定值，则还包括隔离所述电池的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，隔离电阻的测定是在所述电池向电机供电时进行的。
7.一种用于测定底盘和电池间隔离电阻的方法，所述电池具有正极端子和负极端子，所述正极端子能够通过开关S1与所述底盘连接，所述负极端子能够通过开关S2与所述底盘连接，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在开关S1和开关S2均断开，并使共模电压稳定的情况下，测量所述正极端子的开路电压VP开路；
在开关S1和开关S2均断开，并使共模电压稳定的情况下，测量所述负极端子的开路电压VN开路；
在开关S1保持断开且开关S2闭合时，测量所述正极端子和所述底盘之间的电压VPS2闭合；
在开关S1保持断开且开关S2闭合时，测量所述负极端子和所述底盘之间的电压VNS2闭合；
计算所述电压VPS2闭合和VNS2闭合的比率VNS2闭合/VPS2闭合；
计算所述开路电压的开路比VN开路/VP开路；
计算比率VNS2闭合/VPS2闭合与开路比VN开路/VP开路之间的差值；以及
将测试电阻器的值与比率VNS2闭合/VPS2闭合与开路比VN开路/VP开路之间的差值相乘求得隔离电阻，其中所述正极端子和所述负极端子分别通过所述测试电阻器与所述底盘连接。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电压VPS2闭合是于测试电阻器两端测得的。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，测试电阻器为4M到10M欧姆。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，开关S2是光学隔离的MOSFET开关。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，如果所述隔离电阻被测定为小于给定值，则还包括隔离所述电池的步骤。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，隔离电阻的测定是在所述电池向电机供电时进行的。
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