CN1970331A - 用于监控混合电动车中电功率继电器的***和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在每次车辆停车事件期间监控可操作上用于将电力从电源传导到负载的高压功率继电器的方法和***。该***包括具有以并联电路与其电连接的电阻性装置的继电器、可控电负载装置以及传感装置。控制器连接到继电器和每个传感装置，可操作上用于识别负载上的低电负载情况。控制器命令该负载以已知电流提取电平操作、命令继电器开启、并在继电器被命令开启时监控加到负载装置上的功率变化。当继电器被控制成被命令开启位置时，当加到负载上的电力变化在时间上呈现出已知分布时，继电器正常工作。

Description

用于监控混合电动车中电功率继电器的***和方法

技术领域

本发明一般涉及电力控制***，更具体地说，涉及用于混合电动车上电力控制***的监控***。

背景技术

现代混合电动车(HEV)采用控制装置和具有各种电气装置的接线电路来控制和管理电力存储装置和发电机(包括内燃引擎和再生制动***)之间的电力流动。早期，精确检测和诊断电气***中组件的故障对于确保HEV的最佳性能非常重要。一个感兴趣的电路包括在电能存储装置和电力负载如DC/DC电变换器之间流动预流量(pre-flux)电流的功率传输电路。其它感兴趣的电路包括寄生负载，例如电力转向器或电力制动器。典型电路含有允许电力从储能装置流到电负载的功率继电器。功率继电器失效可降低车辆在混合模式中运行的能力，从而影响燃料节约和性能。检测卡在开启位置的功率继电器通过已知手段很容易实现，但在混合电动车行驶期间检测卡在闭合位置的功率继电器就更难以诊断。

在卡在闭合位置的典型电功率继电器失效模式包括继电器触点被焊接在一起的动作。检测卡在闭合位置失效的方法通常包括侵入式方法，这会干扰正常行驶。

所以，需要有一种方法用于定期监控功率继电器以检测卡在闭合位置的情况，这种方法不干扰车辆的行驶，并能够定期和连贯地执行。

发明内容

本发明在常规继电器监控方法上提供了改进，即提供一种在每次车辆停车事件期间监控可操作上用于将电力从电源传导到负载的功率继电器的方法和***。该***包括具有以并联电路与其电连接的电阻性装置的继电器、可控电负载装置以及至少一个传感装置。控制器操作上连接到继电器，信号上连接到每个传感装置，并可操作上用于识别负载装置上的低电负载情况。控制器命令可控负载装置以已知电流提取电平操作、命令继电器开启、并在继电器被命令开启时监控加到负载装置的电力的变化。当继电器被控制到被命令开启位置时，在加到负载的电力的变化大于预定量时，控制器确定继电器正常工作。

本发明的另一方面包括：控制器，其可操作上用于当继电器被控制到被命令开启位置时，所监控的加到负载装置的电力的变化小于预定量时，确定继电器不正常工作。

本发明的另一方面包括可操作上用于识别驾驶员的停车命令的控制器。

本发明的另一方面包括可操作上用于命令可控电负载装置以小于大约1安培的基本上固定的电流电平操作的控制器。

本发明的另一方面包括：控制器，其信号上连接到可操作上用于测量在电源、继电器和电阻装置之间形成的电接点处的第一电压的传感装置，并信号上连接到可操作上用于测量在电负载、继电器和电阻装置之间形成的电接点处的第二电压的传感装置。本发明的另一方面包括可操作上用于当继电器处于被命令开启位置时监控第一电压和第二电压之间电压变化的控制器。

本发明的另一方面包括在信号上连接到可操作上用于测量提供给电负载的电流的电流传感装置的控制器。

本发明的另一方面包括可操作上用于当继电器处于被命令开启位置时监控加到负载装置上电流变化的控制器。

本发明的另一方面包括是用于混合电动车的寄生负载装置的电负载装置。

本发明的另一方面包括：继电器包括可操作上用于传导在XX安培范围内的电流的脉宽调制控制的高压继电器装置。

对于本发明的这些和其它方面，所属领域技术人员在阅读和理解了对实施例的以下详细说明后将变得显而易见。

附图说明

本发明在某些部件以及部件的安排上可采取物理形式，对它们的优选实施例将作详细说明并示于附图中，附图构成本发明的一部分，

附图包括：

图1为按照本发明的电路示意图；

图2为按照本发明的电路示意图；

图3为按照本发明的算法流程图；以及

图4为按照本发明的算法流程图。

具体实施方式

现参阅附图，这些图示仅是为了说明本发明，而不是为了限制本发明。图1和2示出了按照本发明实施例构建的电路的示意图。本文所述的电路旨在应用于混合电动车(HEV)上，但应理解，本发明可执行在需要监控功率继电器以及诊断和检测任何故障的其它应用中。其基本电路包括电能存储装置20，例如电池或其它储能装置，被电连接到功率继电器装置10，功率继电器装置10电连接到负载装置30。功率继电器装置10具有与其电并联的预充电(pre-charge)电阻器12。能够传导电流的电缆线通过那形成储能装置20和继电器10之间以及继电器10和负载装置30之间的电连接。第一节点14形成在包括储能装置20、继电器10和预充电电阻器12的电接点处。第二节点16形成在包括继电器10、预充电电阻器12和电负载装置30的电接点处。充电电容器18与负载装置30电并联，并可操作上用于在特定操作条件下向负载装置30提供电流，通常用于消除由开关绝缘栅双极晶体管(IGBT)而产生的波纹电流。

IGBT(未示出)包括开关，通过进行高频开关，这些开关将来自储能装置20的DC功率转换为供负载装置使用的AC功率。通常三相电机的每一相都有一个IGBT。由于是高频，因此一般需要电容器来过滤在负载装置30操作时进行开关而引起的波纹。还有控制装置5，其操作上电连接到继电器装置10，并可操作上用于监控来自至少一个传感装置的输入。具体参阅图1，控制装置5在信号上连接到第一节点14和第二节点16，并可操作上用于测量每个节点14、16处的电压电平。具体参阅图2，控制装置5在信号上连接到电流传感器22，电流传感器22可操作上用于监控流到负载装置30的电流，并优选位于第二节点16之后的电路中。

控制器5优选是电子控制模块，它包括中央处理单元，该中央处理单元在信号上经数据总线电连接到易失性和非易失性存储器装置。存储器装置优选包括RAM装置、ROM装置以及数据缓冲器。控制器5包括用于获得信号数据的模数(A/D)变换器，以及用于控制相应多个输出装置的多个输出驱动器，每个可操作上用于控制HEV运行的一个方面。控制器5经由布线线束与传感装置和输出装置相连，以监控和控制HEV的运行。一个输出装置包括功率继电器装置10，该继电器装置10利用脉宽调制信号进行控制和行驶。具体参阅图1，传感装置包括电连接到第一和第二节点14、16的信号线，它们将电压输入提供给A/D变换器。具体参阅图2，传感装置包括电流传感器，它电位于第二节点16之后的电路中，并向A/D变换器提供可与电流相关的信号。在ROM区域中包括有控制算法，它们通常在预置周期期间执行，所以每个控制算法在每个周期至少执行一次。在行驶期间，周期通常在每3、6、15、20和100毫秒时执行。也可响应于发送到控制器5的某种形式的中断信号，执行其它算法。使用具有各种控制算法和校准的控制装置5来控制HEV各方面的运行，对于所属领域技术人员来说是众所周知的。

该实施例的储能装置20包括旨在用于HEV上的常规多单元电池存储装置，并可操作上用于提供足够的电流安培数来操作负载装置30。备选的是，储能装置可包括其它存储装置，例如包括超电容器。

这些实施例的功率继电器装置10优选包括已知的高电流DC负载开关继电器，其具有密封在真空室或充气室中的转动接触器和静止接触器。它由接收来自控制器5的脉宽调制控制信号的弹簧加载的电枢和线圈启动。

预充电电阻器12优选包括已知的1.5千欧、5％电阻器装置，能够处理2瓦的功率。充电电容器18通常包括一个9000微法的装置，并用于消除在负载装置30操作时开关IGBT所产生的波纹电流。

这些实施例的电负载装置30包括在HEV上具有的许多可控寄生负载装置中的任何一个，例如包括：DC/DC电变换器、电力转向装置以及电制动装置。每个负载装置都受控制装置5的控制，控制装置5可操作上用于命令可控电负载装置以基本上固定的电流电平操作。这包括在车辆停车后以固定电流电平操作一段时间。通常，该固定电流电平在大约1安培或更小的范围之内。

用于监控继电器的整个***包括：继电器10；电阻性装置12，它以并联电路电连接到继电器电；可控电负载装置30；传感装置；以及控制器5。控制器5操作上电连接到继电器10，并在信号上电连接到每个传感装置。操作中，控制器5识别负载装置30上的低电负载情况，命令可控电负载装置30以已知的电流提取电平操作，例如命令继电器10到被命令开启位置，并在上述条件下使用传感器监控加到可控电负载装置30上的电力的变化。

再参阅图1和2，在正常车辆运行期间，到负载30的主电流通路经由继电器10。电负载/电机30从储能装置20供应电流或吸收电流。在去除所有其它负载后，控制器5命令一个小电流通过电负载/电机30，称为预流量电流。当继电器闭合时，储能装置20提供该预流量电流，而通过预充电电阻器12的并联通路的电流接近零安培，因为预充电电阻器12有相当高的电阻(1.5kΩ)。

当控制器5识别出负载装置30处的低电负载情况时，例如作为来自驾驶员的停车命令的结果，可控电负载装置30被命令以已知电流提取电平例如1安培操作，且继电器10被命令开启。在这种情况下，当继电器10正常工作时，继电器开启，断开继电器10上的电触点，且从储能装置20流到负载装置30的任何电流都流过充电电阻器12。当在***中使用充电电容器18时，在继电器10开启后，该电路在电学上描述为一个具有常规RC电路的电压源，包括接至负载30的电阻器12和电容器18。当继电器10开启时，电容器最初向负载装置30提供大部分预流量电流，有小分量流过电阻器12。该电流用下式表示，假定预流量电流负载保持恒定电流(I＝V/R)：

Vc＝Voe^-t/RC    [1]

式中Vc等于电容器上的电压，Vo等于继电器10被命令开启时的电压。由于电容器18随时间而放电，因此预流量电流，在此实施例中通常在1安培的范围内，就变得更占优势。在不断开预流量电流时，即，负载装置30持续操作，电容器放电，且储能装置20变成向负载装置30提供预流量电流的唯一能源，并且对电容器18充电。由于预充电电阻器12通常很大(例如在此实施例中为1.5kΩ)，电流很小，于是在电容器充分放电后，即使相当小的预流量电流也不能被支持，并且电压下降。例如，当电容器充分放电到1伏时，例如在安装新的负载装置30，并且储能装置电压为V_batt＝42伏时，最初的充电电流仅＝(42-1)/1500＝.027A。但是，如果有继电器10卡在闭合位置的故障，就允许电流通过被命令开启的继电器，从电池20到负载30就有了一个低电阻电流流动通路。这就延长了电容器18的放电时间，且相应地增加了车辆停车后加到负载的***电压的衰变时间。在以下公式2中示出了该电阻变化，式中R_stuck包括总的电路电阻，R_precharge包括电阻器12的电阻，R_{stuckcontactor}包括继电器10上的电阻。

$\frac{1}{\mathrm{Rstuck}}=\frac{1}{\mathrm{Rprech}\arg e}+\frac{1}{\mathrm{Rstuckcontactor}}---\left[2\right]$

在备选***(未示出)中，说明了少一个电容器的基本电路，采用图1中所标识组件的相同参考编号。该基本电路包括电动力源，例如电池20，它电连接到功率继电器装置10，功率继电器装置10电连接到负载装置30。功率继电器装置20具有与其电并联的预充电电阻器12。能够传导电流的电缆线形成电池20和继电器10之间以及继电器10和负载装置30之间的电连接。第一节点14形成在包括电池20、继电器10和预充电电阻器12的电接点处。第二节点16形成在包括继电器10、预充电电阻器12和电负载装置30的电接点处。在此实施例中，没有与负载装置30并联的充电电容器。控制器5操作上电连接到继电器装置10，并可操作上用于监控来自至少一个传感装置的输入。

当控制器5识别出在负载装置30处的低电负载情况时，例如作为来自驾驶员的停车命令的结果，可控电负载装置30被命令以已知电流提取电平例如1安培操作，且继电器10被命令开启。在这种情况下，当继电器10正常工作时，继电器开启，断开继电器10上的电触点，且从电池20流到负载装置30的任何电流都流过充电电阻器12。在***中不使用充电电容器时，在继电器10开启后，该电路在电学上被描述为具有常规电阻电路的电压源，包括电阻器12并接至负载30。当继电器10开启时，电流通过电阻器12耗散。该电流表示为I＝V/R，假定预流量电流负载保持恒定电流(R＝V/I)。在不断开预流量电流时，即，负载装置30持续操作时，电池20是向负载装置30提供预流量电流的唯一能源。由于预充电电阻器12通常很大(例如，在此实施例中为1.5kΩ)，而电流很小，因此即使1安培的相对小的预流量电流也不能被支持，且电压下降。例如，当电容器充分放电到1伏特时，例如在安装新的负载装置30，且电池电压为V_batt＝42伏时，最初的充电电流仅＝(42-1)/1500＝.027A。但是，如果有继电器10卡在闭合位置的故障，允许电流通过被命令开启的继电器，从电池20到负载30就有了一个低电阻的电流流动通路。以下公式3示出了该电阻变化，式中R_stuck包括总的电路电阻，R_precharge包括电阻器12的电阻，且R_{strckcontacor}包括继电器10上的电阻。

$\frac{1}{\mathrm{Rstuck}}=\frac{1}{\mathrm{Rprech}\arg e}=\frac{1}{\mathrm{Rstuckcontactor}}---\left[3\right]$

在此实例中，通过监控电阻器上的电压降或通过监控电流，就可检测到卡住的接触器。当接触器正常工作时，流到负载的电流在.027安培范围内，而当接触器已卡在闭合位置时，流到负载的电流显著大于.027安培，所以可检测到。

现参阅图3和4，说明了用于诊断继电器10的操作并可在控制器5中执行的示范算法。结合图3说明的算法对应于在图1中所述和详细说明的***，即，使用电压监控来检测卡住或不正常工作的继电器的***。结合图4说明的算法对应于在图2中所述和详细说明的***，即，使用电流监控来检测故障的***。在发动引擎和车辆之后，S1，控制器5监控引擎操作和关键位置，以检测切断和引擎不运行(S2)，这通常包括电子标记设置并通知到控制器5。一旦检测到切断和引擎不运行，负载装置30被命令以预流量电流操作(S3)，且继电器10被命令开启(S4)。备选的是，控制器可选择在命令继电器10开启之前观察负载装置30的状态，以适应精确控制负载装置不易实现的***或情况，从而取消命令装置30以预流量电流操作的能力。监控所经过的时间(S5)，优选在小于1秒的范围内。现参阅图3，V_Node1代表在第一节点14测量的电压，V_Node2代表在第二节点16测量的电压。控制器5使用到A/D变换器的第一和第二节点14、16的电连接来测量V_Node1和V_Node2。计算V_Node1-V_Node2之差，并与阈值电压V_threshold进行比较(S6)。根据***设计特征和在步骤S5监控的所经过时间，V_threshold可由熟练的专业人员很容易进行校准。当V_Node1-V_Node2大于阈值电压V_threshold时，***确定继电器10为开启(S8)，所以继电器的状态是它正常工作，并继续进行(S9)。当V_Node1-V_Node2小于阈值电压V_threshold时，***确定继电器10卡在闭合位置，所以继电器的状态是已经发生了故障(S7)，并继续进行(S9)。控制器5优选中止命令负载30以预流量电流操作，并中止命令继电器10开启。控制器5将继电器10的状态通知第二控制器，或可操作上用于跟踪车辆中各种***状态的另一装置，并按照有关车辆***监控状态和驾驶员通知的其它要求而行动。

现参阅图4，I_Node2代表在第二节点16后面测量的电流，并包括提供到负载装置30的电流。控制器5使用连接到A/D变换器的电流传感器22来测量I_Node2。从命令负载30以预流量电流操作(S3)以及命令继电器10开启(S4)过了一定时间之后测量的电流I_Node2与阈值电流I_threshold进行比较(S6’)。根据***设计特征和在步骤S5监控的所经过时间，I_threshold可由熟练的专业人员很容易进行校准。当I_Node2小于阈值电流I_threshold时，***确定继电器10为开启(S8)，所以继电器的状态是它正常工作，并继续进行(S9)。当I_Node2大于阈值电流I_threshold时，***确定继电器10卡在闭合位置，所以继电器的状态是已经发生了故障(S7)，并继续进行(S9)。控制器5优选中止命令负载30以预流量电流操作，并中止命令继电器10开启。控制器5优选将继电器10的状态通知第二控制器，或可操作上用于跟踪车辆中各种***状态的另一装置，并按照有关车辆***监控状态和驾驶员通知的其它要求而行动。

已具体参阅优选实施例和对它们的改动对本发明作了说明。在阅读和理解了说明书后，其它人可以想出更多的修改和改变。本发明应包括所有这些修改和改变，只要它们属于本发明的范围之内。

Claims (25)

1.用于监控可操作以将电力从电源传导到负载装置的继电器的***，包括：

继电器；

电阻性装置，以并联电路电连接到所述继电器；

可控电负载装置；

至少一个传感装置；以及

控制器：

a.可操作地电连接到所述继电器；

b.信号上电连接到每个传感装置；

c.可操作以识别所述负载装置上的低电负载情况；

d.可操作以监控所述可控电负载装置的操作状态；以及

e.可操作以当所述继电器处于被命令开启位置时，监控加到所述可控电负载装置的电力的变化。

2.如权利要求1所述的***，还包括：控制器，其可操作以在所述继电器被控制到所述被命令开启位置情况下，所监控的加到所述可控电负载装置的电力的变化大于预定量时，确定所述继电器正常工作。

3.如权利要求2所述的***，还包括：控制器，其可操作以在所述继电器被控制到所述被命令开启位置情况下，所监控的加到所述可控电负载装置的电力的变化不大于所述预定量时，确定所述继电器不正常工作。

4.如权利要求3所述的***，其中可操作以识别所述负载装置上所述低电负载情况的所述控制器包括：可操作以识别驾驶员的停车命令的控制器。

5.如权利要求1所述的***，还包括：控制器，其可操作以在所述继电器被控制到所述被命令开启位置情况下，所监控的加到所述可控电负载装置的电力的变化不大于所述预定量时，确定所述继电器不正常工作。

6.如权利要求1所述的***，其中可操作以监控所述可控电负载装置操作状态的所述控制器还包括可操作以命令所述可控电负载装置以已知电流提取电平操作的控制器。

7.如权利要求1所述的***，其中可操作以监控加到所述可控电负载装置的电力的变化的所述控制器包括：控制器，其信号上连接到可操作以测量在所述电源、所述继电器和所述电阻性装置之间形成的电接点处第一电压的传感装置，并信号上连接到可操作以测量在所述电负载、所述继电器和所述电阻性装置之间形成的电接点处第二电压的传感装置。

8.如权利要求7所述的***，其中可操作以当所述继电器处于被命令开启位置时监控加到所述负载装置的电力的变化的所述控制器包括：可操作以当所述继电器处于所述被命令开启位置时监控第一电压和第二电压之间电压变化的控制器。

9.如权利要求3所述的***，其中可操作以监控加到所述负载装置的电力的变化的所述控制器包括：信号上连接到可操作以测量加到所述电负载的电流的电流传感装置的控制器。

10.如权利要求9所述的***，其中可操作以当所述继电器处于被命令开启位置时监控加到所述负载装置的电力的变化的所述控制器包括：可操作以当所述继电器处于所述被命令开启位置时监控加到所述负载装置的电流的变化的控制器。

11.如权利要求1所述的***，其中所述可控电负载装置包括用于混合电动车的寄生负载装置。

12.如权利要求11所述的***，还包括：电容存储装置，其以并联电路电连接到所述负载装置。

13.如权利要求12所述的***，其中所述继电器包括可操作以传导电流的脉宽调制控制的高压继电器装置。

14.如权利要求13所述的***，其中电动力源包括储能装置。

15.如权利要求14所述的***，其中以并联电路电连接到所述继电器的所述电阻性装置包括电阻在1500欧姆范围内的电阻器。

16.监控将电力从存储装置传导到可控电负载装置的电路中继电器的方法，包括：

a.为所述继电器配备具有电阻性装置的并联电路；

b.识别所述负载装置上的低电负载情况；

c.命令所述可控电负载装置以已知电流提取电平操作；

d.命令所述继电器到开启位置；以及

e.测量在包括所述继电器装置、所述可控电负载装置以及所述电阻性装置的接点处的电力。

17.如权利要求16所述的方法，其中识别所述负载装置上低电负载情况包括识别驾驶员的停车命令。

18.如权利要求17所述的方法，其中命令所述可控电负载装置以已知电流提取电平操作包括命令所述可控电负载装置以小于大约1安培的基本上固定的电流电平操作。

19.如权利要求18所述的方法，其中测量在包括所述继电器装置、所述可控电负载装置以及所述电阻性装置的接点处的电力还包括测量所述继电器上的电压降。

20.如权利要求19所述的方法，还包括：当所述继电器被控制到所述开启位置时，当所测量的所述继电器上的电压降大于预定量时，确定所述继电器正常工作。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：当所述继电器被命令开启时，当所测量的所述继电器上的电压降小于所述预定量时，确定所述继电器不正常工作。

22.如权利要求18所述的方法，其中测量在包括所述继电器装置、所述可控电负载装置以及所述电阻性装置的接点处的电力包括测量提供给所述负载装置的电流。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：当所述继电器处于所述被命令开启位置时，当提供给所述负载装置的电流的变化大于预定量时，确定所述继电器正常工作。

24.如权利要求23所述的方法，还包括：当所述继电器处于所述被命令开启位置时，当提供给所述负载装置的电流的变化小于所述预定量时，确定所述继电器不正常工作。

25.如权利要求24所述的方法，还包括：当所述继电器处于所述被命令开启位置时，当提供给所述负载装置的电流的变化在经过一段时间后小于所述预定量时，确定所述继电器不正常工作。

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