DE102016103883A1

DE102016103883A1 - Fehlererfassung in AC-Traktionsmotoren mithilfe einer Leckstromhardware für einen DC-Bus

Info

Publication number: DE102016103883A1
Application number: DE102016103883.0A
Authority: DE
Inventors: Papiya Bagchi; Benjamin A. Tabatowski-Bush
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2016-09-08
Also published as: CN105938171A; US9645185B2; US20160258993A1; CN105938171B

Abstract

Ein Elektrofahrzeug weist einen ersten und einen zweiten DC-Bus und eine Fahrgestellerdung auf. Eine Leckerfassungseinheit weist einen Erfassungsschalter und einen Erfassungswiderstand auf, die zwischen dem ersten Bus und der Fahrgestellerdung in Reihe geschaltet sind. Eine Spannung, die über den Erfassungswiderstand gemessen wird, ist proportional zu einem Leckwiderstand zwischen dem zweiten Bus und dem Fahrgestell. Ein Wechselrichter weist eine Vielzahl von Phasenzweigen auf, wobei jeder einen ersten und einen zweiten Phasenschalter aufweist, die zwischen die Busse geschaltet sind. Ein AC-Traktionsmotor weist Phasen auf, die mit den Phasenzweigen verbunden sind. Ein Wechselrichtersteuerschaltkreis empfängt Datennachrichten, die eine vorbestimmte Latenzperiode aufweisen, von dem Schaltkreis, der einen gemessenen Leckwiderstand identifiziert. Schaltereignisse werden erfasst, während denen ein Phasenschalter für eine Dauer geschlossen wird, die länger als die Latenzperiode ist. Ein elektrischer Kurzschluss wird angezeigt, wenn der gemessene Leckwiderstand in einer während einem erfassten Schaltereignis empfangenen Datennachricht geringer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Elektrofahrzeuge, die einen Hochspannungsbus verwenden, und insbesondere auf das Erfassen von Isolationsfehlern (d.h. Leckströmen), die auf der Lastseite eines Wechselrichterantriebs auftreten.
Elektrofahrzeuge wie zum Beispiel reine Elektrofahrzeuge oder Hybridelektrofahrzeuge verwenden typischerweise einen Hochspannungsstrombus, der von einer DC-Stromquelle angetrieben wird, die Speicher- und/oder Wandlervorrichtungen wie zum Beispiel einen Mehrzellenbatteriesatz oder eine Brennstoffzelle umfasst. Das Vorhandensein von Hochspannungsbussen erzeugt eine Notwendigkeit einer elektrischen Isolation für jeden Bus in Bezug auf die elektrisch leitfähigen Komponenten des Fahrzeugfahrgestells (Erdung).
Der Leckwiderstand, der zwischen einem DC-Bus und der Fahrgestellerdung vorhanden ist, muss ausreichend groß sein, um die Sicherheit aufrechtzuerhalten und die Vorschriften zu erfüllen. Ein typischer Erfassungsschaltkreis für Leckströme wird betrieben, indem in regelmäßigen Abständen jeweils ein Bus durch einen strombegrenzenden Widerstand mit der Fahrgestellerdung verbunden wird und der sich ergebende Stromfluss verwendet wird (z.B. ein Spannungsabfall über dem Widerstand), um den Leckwiderstand zwischen dem gegenüberliegenden Bus und der Erdung zu berechnen. Die Batteriespannung geteilt durch den berechneten Leckwiderstand charakterisiert die elektrische Isolation. Ein Beispiel einer Leckstromerfassung für einen Gleichstrombus wird in der am 12. Dezember 2013 eingereichten US-Anmeldung mit der Seriennr. 14/104.243 und dem Titel „Leakage Detection Circuit with Integral Circuit Robustness Check“ bereitgestellt, die hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich aufgenommen wird.
Eine typische Komponente in einem elektrischen Antriebssystem ist ein Batterieenergiesteuermodul (Battery Energy Controller Module, BECM), das verschiedene Batterieverwaltungsfunktionen und Kommunikationsfunktionen umfassen kann oder programmiert sein kann, diese Funktionen zu umfassen sowie eine Batteriezellenspannungserzeugung, einen Stromfluss, eine Temperatur und weitere Parameter zu überwachen. Eine Erfassung eines DC-Busleckwiderstandes kann typischerweise mithilfe des BECM umgesetzt werden, der die Schalter einer Erfassungseinheit steuert und die Spannungen der Erfassungseinheit misst. Zahlreiche Vorrichtungen mit integrierten Schaltkreisen zur Batterieüberwachung wurden für eine Verwendung in dem Fahrzeugumfeld kommerziell entwickelt. Zu den Beispielen von im Handel erhältlichen IC-Einheiten zur Batterieüberwachung gehören die Einheit AD7280A erhältlich bei Analog Devices, Inc. in Norwood, Massachusetts, die Einheit LTC6804 von Linear Technology Corporation in Milpitas, Kalifornien, und der ISL94212 Multi-Cell Li-Ion Battery Manager erhältlich bei Intersil Corporation in Milpitas, Kalifornien.
Die DC-Busleckstromerfassung, wie sie oben beschrieben wurde, reagiert auf Isolationsfehler, die auf der DC-Eingangsseite eines Wechselrichters auftreten, der die DC-Busse mit einem Wechselstromtraktionsmotor und/oder -generator verbindet. Es ist auf ähnliche Weise erforderlich, Isolationsfehler auf der AC-Seite des Schaltkreises einschließlich des AC-Traktionsmotors oder -generators und den verbindenden Kabeln von dem Wechselrichter zu dem Elektromotor/Generator zu erfassen. Das Erfassen der Isolationsfehler in dem AC-Schaltkreis hat jedoch separate Erfassungseinheiten oder andere Überwachungseinheiten erforderlich gemacht, die mit den AC-Schaltkreisen verbunden sind, was zu zusätzlichen Kosten und einer größeren Komplexität führt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung verwendet eine Erfassungsschaltung der Art, die in der Lage ist, einen Batterie/Bus-Leckwiderstand zum zusätzlichen Erfassen eines AC-Leckwiderstands der Elektromotor-/Generatorkabel und -wicklungen zu erfassen. Der Leckwiderstand der AC-Schaltkreise kann während eines AC-Betriebs oder während der Zeiten erfasst werden, in denen sich weder der Elektromotor noch der Generator drehen.
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Elektrofahrzeug einen ersten und einen zweiten DC-Bus, die mit einer DC-Stromquelle verbunden werden können. Eine Fahrgestellerdung ist dezentral in dem Fahrzeug verteilt. Ein Schaltkreis einer DC-Busleckstromerfassungseinheit weist einen Erfassungsschalter und einen Erfassungswiderstand auf, die zwischen dem ersten Bus und der Fahrgestellerdung in Reihe geschaltet sind, wobei eine über den Erfassungswiderstand gemessene Spannung proportional zu einem Leckwiderstand zwischen dem zweiten Bus und der Fahrgestellerdung ist. Ein Wechselrichter weist eine Vielzahl von Phasenzweigen auf, wobei jeder Phasenzweig einen ersten und einen zweiten Phasenschalter aufweist, die zwischen den ersten und den zweiten Bus geschaltet sind. Ein AC-Traktionsmotor weist eine Vielzahl von Phasen auf, die mit den Phasenzweigen verbunden sind. Ein Wechselrichtersteuerschaltkreis ist mit dem Schaltkreis der Leckstromerfassungseinheit und den Phasenzweigen verbunden. Der Steuerschaltkreis ist ausgelegt, um Datennachrichten gemäß einer vorbestimmten Latenzperiode von dem Erfassungsschaltkreis zu empfangen, der einen gemessenen Leckwiderstand identifiziert. Schaltereignisse werden erfasst, während denen ein Phasenschalter für eine Dauer geschlossen wird, die länger als die Latenzperiode ist. Ein elektrischer Kurzschluss des Elektromotors zu der Fahrgestellerdung wird angezeigt, wenn der gemessene Leckwiderstand in einer während einem erfassten Schaltereignis empfangenen Datennachricht geringer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaubild, das wichtige Teile eines Elektrofahrzeugs zeigt, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird.
2 ist ein schematisches Schaltbild, das einen typischen Elektroantrieb zum Umsetzen der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein schematisches Schaltbild, das Busleckwiderstände zur Fahrgestellerdung zeigt und Erfassungseinheiten für Leckwiderstande entspricht.
4 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Erfassen von Isolationsfehlern zwischen einem DC-Bus und einer Fahrgestellerdung aus dem Stand der Technik zeigt.
5 ist ein schematisches Schaltbild, das eine Architektur einer Steuereinheit zeigt, in der Datennachrichten, die Informationen eines Busleckwiderstandes mitführen, an eine Wechselrichtersteuereinheit übertragen werden.
6 ist ein schematisches Schaltbild eines Zustands des Wechselrichters und einer Erfassungseinheit für einen DC-Leckwiderstand, die einen Stromfluss durch einen AC-Leckwiderstand einrichten, wodurch ein AC-Isolationsfehler mithilfe der Erfassungseinheit für einen DC-Leckwiderstand erfassbar wird.
7 ist ein schematisches Schaltbild, das zeigt, dass ein AC-Isolationsfehler an einem anderen Standort noch mit dem in 6 gezeigten Zustand des Wechselrichters und der Erfassungseinheit für einen DC-Leckwiderstand erfassbar ist.
8 ist ein schematisches Schaltbild, das einen unterschiedlichen Zustand des Wechselrichters und der Erfassungseinheit für einen DC-Leckwiderstand zeigt, die einen Stromfluss durch den gleichen AC-Isolationsfehler erreichen, der mithilfe der Erfassungseinheit für einen DC-Leckwiderstand erfassbar wird, die mit dem anderen DC-Bus verbunden ist.
9 ist ein Ablaufplan eines bevorzugten Verfahrens der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
So wie der Begriff „Elektrofahrzeug“ hier verwendet wird, umfasst er Fahrzeuge, die einen Elektromotor für einen Fahrzeugantrieb aufweisen wie zum Beispiel Batterieelektrofahrzeuge (Battery-Electric Vehicles, BEVs), Hybridelektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles, HEVs) und Steckdosen-Hybridelektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEVs). Ein BEV umfasst einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Elektromotor eine Batterie ist, die aus einem externen Stromnetz aufgeladen werden kann. In einem BEV liefert die Batterie oder eine andere DC-Stromquelle die Energie für den Fahrzeugantrieb. Ein HEV umfasst einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor ein Kraftstoff ist und die Energiequelle für den Elektromotor eine DC-Speichereinheit wie zum Beispiel eine Batterie ist. In einem HEV ist der Verbrennungsmotor die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, wobei die Batterie eine ergänzende Energie für den Fahrzeugantrieb bereitstellt (die Batterie puffert z.B. die Kraftstoffenergie und gewinnt kinetische Energie in elektrischer Form zurück). Anstatt die Räder direkt anzutreiben, kann der Verbrennungsmotor einen Generator antreiben, um elektrischen Strom zum Antreiben des Traktionsmotors oder zum Speichern in der Batterie zu erzeugen. Ein PHEV ist ähnlich wie ein HEV, aber das PHEV kann eine größere Batteriekapazität aufweisen, die aus dem externen elektrischen Stromnetz aufgeladen werden kann. In einem PHEV kann die Batterie die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb sein, bis das Batteriesystem auf einen niedrigen Energiepegel entladen wurde; ab diesem Zeitpunkt wird der Fahrzeugantrieb des PHEV ähnlich wie in einem HEV betrieben.
In der Form eines vereinfachten Beispiels stellt 1 ein Fahrzeug 10 als ein Batterieelektrofahrzeug (Battery Electric Vehicle, BEV) dar, das von einem Elektromotor 11 ohne die Unterstützung von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Der Elektromotor 11 empfängt eine elektrische Energie und stellt ein Antriebsdrehmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Der Elektromotor 11 kann auch als ein Generator funktionieren, um mechanische Energie durch eine rückspeisende Bremsung in elektrische Energie zu wandeln. Der Elektromotor 11 ist Teil eines Antriebsstrangs 12, in dem ein Getriebe 13 den Elektromotor 11 mit den Antriebsrädern 14 verbindet. Das Getriebe 13 passt das Antriebsdrehmoment und die Drehzahl des Elektromotors 11 mithilfe eines vorbestimmten Übersetzungsverhältnisses an.
Das Fahrzeug 10 umfasst einen Hauptbatteriesatz 15 und ein Batterieenergiesteuermodul (Battery Energy Controller Module, BECM) 16. Das BECM 16 kontrolliert den Batteriebetrieb, führt eine Batterieüberwachung aus und steuert ein Batterieladegerät 19. Ein Ausgang des Batteriesatzes 15 ist über einen DC-DC-Wandler 17 mit einem Wechselrichter 18 verbunden, der den von der Batterie gelieferten Gleichstrom (Direct Current, DC) in einen Wechselstrom (Alternating Current, AC) zum Betreiben des Elektromotors 11 gemäß Befehlen von einer Elektromotor/Generator-Steuereinheit (Motor/Generator Control Unit, MGCU) 20 wandelt. Die MGCU 20 überwacht unter anderem die Stellung, die Drehzahl, das Drehmoment und den Energieverbrauch des Elektromotors 11 und stellt Ausgangssignale, die diesen Informationen entsprechen, für andere Fahrzeugsysteme einschließlich einer Hauptfahrzeugsystemsteuereinheit 21 bereit (die zum Beispiel ein Antriebsstrangsteuermodul (Powertrain Control Module, PCM) sein kann). Ein Speicher 22 kann in der Steuereinheit 21 oder an anderer Stelle in dem Fahrzeug 10 bereitgestellt werden, um Diagnosefehlercodes (Diagnostic Trouble Codes, DTCs) zu speichern, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antriebssystems 25 eines Elektrofahrzeugs mit einer DC-Stromquelle 26 (wie zum Beispiel einem Batteriesatz oder einer Brennstoffzelle), die mithilfe von Schützschaltern 27 und 28 mit einem Eingangskondensator 29 verbunden ist. Die Schütze 27 und 28 sind vorzugsweise mechanische Schalter, die einen offenen Zustand und einen geschlossenen Zustand aufweisen, um die Batterie 26 gemäß einem Fahrmodus des Antriebssystems 25 selektiv mit dem Eingangskondensator 29 zu verbinden.
Ein regelbarer Spannungswandler (Variable Voltage Converter, VVC) 30 verbindet den Eingangskondensator 29 mit einem Hauptkondensator 31, der zum Beispiel als Verbindungskondensator für die Wechselrichter 32 und 33 funktioniert. Jeder Wechselrichter umfasst eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen in einer Brückenkonfiguration. Die Schalter in dem Wechselrichter 32 werden in einer gewünschten Weise geschaltet, um einen Elektromotor 34 anzutreiben. Der Wechselrichter 33 wird geschaltet, um Energie von einem Generator 35 zu dem Hauptkondensator 31 und der DC-Stromquelle 26 zurückzugewinnen.
Jede der Phasenschaltvorrichtungen in den Wechselrichtern 32 und 33 besteht vorzugsweise aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT). Jeder IGBT umfasst vorzugsweise eine antiparallele Diode. In einem ersten Zweig 36 des Wechselrichters 32 sind ein oberer Phasenschalter 37 und ein unterer Phasenschalter 38 zwischen einen ersten positiven DC-Bus 40 und einen zweiten negativen DC-Bus 41 geschaltet. Ein zweiter und ein dritter Zweig sind jeweils ähnlich konfiguriert. Jeder IGBT weist eine entsprechende Steuerklemme (d.h. Gate-Klemme) auf, die mit einer MGCU-Steuereinheit 39 verbunden ist, welche die Schalter gemäß verschiedener Betriebsmodi der Wechselrichter über ein PWM-Signal steuert, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
3 zeigt Busleckwiderstände und entsprechende Erfassungseinheiten für das Antriebssystem der 2. Eine Fahrgestellerdung 42 stellt leitfähige Fahrzeugbauteile dar, deren elektrisches Potenzial als ein Bezug genommen wird und die leitfähig miteinander verbunden sind. Eine elektrische Isolation der Busse 40 und 41 wird durch den elektrischen Leckwiderstand zwischen jedem Bus und der Fahrgestellerdung 42 bestimmt. Somit stellt der Leckwiderstand 43 die Isolationsstufe zwischen dem positiven Bus 40 und dem Fahrgestell 42 dar. Ein Leckwiderstand 44 stellt die Isolationsstufe zwischen dem negativen Bus 41 und dem Fahrgestell 42 dar. 3 zeigt eine Vorrichtung zum Erfassen eines Leckwiderstands, wobei ein erster Erfassungsschaltkreis 45 zwischen dem positiven Bus 40 und der Fahrgestellerdung 42 angeordnet ist und ein zweiter Erfassungsschaltkreis 46 zwischen dem negativen Bus 41 und der Fahrgestellerdung 42 angeordnet ist. Der erste Erfassungsschaltkreis 45 umfasst einen Strombegrenzungswiderstand 47 der mit einem Abtastschalter 48 und einem Strommesswiderstand 49 in Reihe geschaltet ist. Ein Steuerschaltkreis 50 (der z.B. in dem BECM enthalten ist) ist mit dem Schalter 48 verbunden, um den Schalter 48 selektiv so zu aktivieren, dass ein sich ergebender erster Strom, der durch den Erfassungsschaltkreis 45 fließt, eine Spannung über dem Strommesswiderstand 49 erzeugt, der proportional zu dem Strom ist, der durch den Widerstand 47 fließt und auch durch den Leckwiderstand 44 fließt. Die gemessene Spannung wird dem Steuerschaltkreis 50 bereitgestellt, der den Spannungswert als eine Anzeige des Stroms verwendet, der dann die Größe des Leckwiderstands 44 festlegt. Auf ähnliche Weise umfasst der zweite Erfassungsschaltkreis 46 eine Reihenschaltung eines Strombegrenzungswiderstands 51, eines Abtastschalters 52 und eines Strommesswiderstands 53, die auf ähnliche Weise mit dem Steuerschaltkreis 50 verbunden sind.
Bei einem vereinfachten Beispiel ermittelt das Erfassungssystem für Leckwiderstände einen Leckwiderstand R_L von einem der Busse mithilfe des Erfassungsstroms I_D, der durch den Erfassungswiderstand R_D fließt (z.B. die Summe der Widerstände 47 und 49) und einer gemessenen Batteriespannung V_B wie folgt:
Der sich ergebende Leckwiderstandswert kann mit einem Isolationsschwellenwert (z.B. 500 Ohm/V) verglichen werden, und wenn er geringer als der Schwellenwert ist, wird ein Isolationsfehler erfasst. Als Reaktion auf den Fehler kann ein entsprechender DTC von der BECM-Steuereinheit 50 eingestellt werden und/oder eine Anzeige kann eingeschaltet werden, um den Fahrer über die Bedingung zu informieren. Mehrere verschiedene Schwellenwertstufen können mit einer jeweils unterschiedlichen Antwort verwendet werden (wie zum Beispiel, dass bei einem Schwellenwert erlaubt wird, dass das Fahrzeug bis zu einem Halt weiterfährt, aber ein zukünftiges Starten verhindert wird, und dass, wenn der Leckwiderstand unter einem höheren Schwellenwert liegt, einfach eine Warnung erzeugt wird).
Bei dem Prozess eines regelmäßigen Prüfens der DC-Busisolation, bei dem die Busleckwiderstände gemessen werden, während das Antriebssystem in Betrieb ist, aktiviert das BECM 50 abwechselnd die Erfassungseinheiten 45 und 46 während vorbestimmter Zeiträume. Bei einer Ausführungsform kann jeder Zeitraum ungefähr 3 Sekunden dauern, wobei alle 10 Millisekunden Strommessungen von der Erfassungseinheit vorgenommen werden, die während des Zeitraums aktiv ist. Zum Verbessern der Robustheit kann die Vielzahl von während des Zeitraums vorgenommenen Strommessungen typischerweise gefiltert (z.B. gemittelt) werden, bevor sie mit dem Schwellenwert verglichen wird.
Ein bekanntes Verfahren zum Prüfen der DC-Busisolation wird in dem Ablaufplan der 4 zusammengefasst. Im Schritt 55 wird ein Leckerfassungsschaltkreis für den oberen Bus für eine vorbestimmte Zeitdauer eingeschaltet. Während des Schritts 56 werden eine Vielzahl von Abtastwerten durch den Erfassungsschaltkreis erhalten, indem der Leckwiderstand aufgrund eines Abtastens eines Stromflusses durch den Erfassungsschaltkreis gemessen wird, wobei der Stromfluss proportional zu dem Leckwiderstand zwischen dem negativen DC-Bus und der Fahrgestellerdung ist. Da der über den Erfassungswiderstand gemessene Spannungsabfall proportional zu dem gewünschten Leckwiderstandswert ist, kann die Datenverarbeitung direkt an den gemessenen Spannungen erfolgen oder die Berechnungen können alternativ so ausgeführt werden, dass eine Datenverarbeitung, die Vergleiche mit einem Schwellenwert umfasst, aktuelle Widerstandswerte verwenden kann.
In Schritt 57 wird die Vielzahl von abgetasteten Werten gefiltert, um ein Rauschen zu entfernen und eine robustere Bestimmung des Leckwiderstands zu erhalten. In Schritt 58 wird der gefilterte Leckwiderstandswert R_L mit einem Leckwiderstandsschwellenwert R_T verglichen. Wenn der Leckwiderstand unter dem Schwellenwert liegt, wird in Schritt 59 ein Diagnosefehlercode (Diagnostic Trouble Code, DTC) eingestellt, um einen negativen DC-Kurzschluss (d.h. einen Isolationsfehler) anzuzeigen. Wenn der Leckwiderstand über dem Schwellenwert liegt, oder nach dem Einstellen eines DTC geht das Verfahren weiter zu Schritt 60, um den Leckerfassungsschaltkreis für den unteren DC-Bus einzuschalten (wobei auch die obere Erfassungseinheit ausgeschaltet wird). In Schritt 61 wird eine Vielzahl von Spannungs-/Strommessungen der Erfassungseinheit zum Charakterisieren des Leckwiderstands erhalten, und danach in Schritt 62 die Abtastwerte gefiltert. In Schritt 63 wird ein gefilterter Leckwiderstandswert R_L mit dem Leckwiderstandsschwellenwert R_T verglichen. Wenn der Leckwiderstand geringer als der Schwellenwert ist, wird in Schritt 64 ein DTC eingestellt, um einen positiven DC-Kurzschluss anzuzeigen. Danach kehrt das Verfahren zurück zu Schritt 55, um erneut den oberen Erfassungsschaltkreis zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung erweitert die Verwendung der Leckerfassungsschaltkreise eines DC-Busses, um ein Erfassen von Isolationsfehlern oder Kurzschlüssen in den AC-Lastschaltungen (z.B. Elektromotorkabeln und -wicklungen) zu erreichen, wie in 5 gezeigt wird. Das BECM 50 ist über einen Multiplexbus 54 mit der Wechselrichtersteuereinheit 39 verbunden, wobei der Bus 54 Datennachrichten überträgt, die als Reaktion auf jeden der gemessenen Abtastwerte erzeugt werden, die von den Busleckerfassungsschaltkreisen erhalten werden. Der Bus 54 kann zum Beispiel in einem CAN-Bus enthalten sein. Um eine schnelle Erfassung des Auftretens eines Isolationsfehlers bereitzustellen, können die Datennachrichten vorzugsweise ohne beabsichtigte Verzögerungen als Reaktion auf jede neue Leckwiderstandsmessung erzeugt werden. Eine typische Datennachricht würde einen Wert für den gemessenen Leckwiderstand (z.B. entweder die gemessene Spannung oder einen berechneten Leckwiderstand) zusammen mit einer Kennung der Leckerfassungseinheit des positiven oder negativen Busses umfassen, die den jeweiligen gemessenen Abtastwert erzeugt hat. Die Informationen in den Datennachrichten werden empfangen und stehen in der Wechselrichtersteuereinheit 39 nach einer vorbestimmten Latenzperiode, die aus a) einer in der Abtastfrequenz innewohnenden Verzögerung (z.B. ungefähr 10 ms) und b) einer in dem Formatieren, Übertragen und Decodieren der Busnachrichten innewohnenden Nachrichtenlatenz (typischerweise ungefähr 10 ms) besteht, für eine Verarbeitung zur Verfügung. Somit kann eine kombinierte Latenzperiode ungefähr 20 ms lang sein. Aufgrund der Latenzperiode ist der Leckwiderstandswert einer Datennachricht nur unter bestimmten Umständen für eine Wechselrichtersteuereinheit 39 nützlich, wie weiter unten beschrieben wird.
Während vieler Betriebsformen eines wechselrichtergetriebenen AC-Traktionsmotors für ein Elektrofahrzeug findet das PWM-Schalten der Phasenschalter in den Wechselrichterphasenzweigen mit einer ausreichend hohen Frequenz statt, sodass die kontinuierliche Aktivierung eines Phasenschalters im Allgemeinen geringer ist als die Latenzperiode der Leckwiderstandsdaten. Bei bestimmten Bedingungen wie zum Beispiel einem Betrieb mit niedriger Drehzahl kann ein Phasenschalter jedoch länger als die Latenzperiode kontinuierlich aktiv (eingeschaltet) sein, was bedeutet, dass eine spezielle Leckwiderstandsmessung dann einer speziellen Phasenschalterkonfiguration zugeordnet werden kann. Wenn die Zuordnung gemacht werden kann, kann eine Berechnung ausgeführt werden, welche den gemessenen Leckwiderstandswert mit einem Leckwiderstand verbindet, der in dem Elektromotor (d.h. an den Elektromotorkabeln oder -wicklungen) auftritt. Unter der Annahme, dass an den DC-Bussen kein bedeutsamer Leckstrom gleichzeitig auftritt, kann ein elektrischer Kurzschluss des Elektromotors zu der Fahrgestellerdung quantitativ bestimmt werden.
6 stellt eine solche Bedingung dar, bei welcher der Leckerfassungsschaltkreis des oberen Busses 45 seinen Transistorschalter in einer geschlossenen Stellung aufweist, um über einem Erfassungsschaltkreiswiderstand Spannungen abzutasten, die proportional zu einem Leckwiderstand zwischen der Fahrgestellerdung 42 und dem negativen Bus 41 sind. Außerdem sind die gemessenen Spannungen auch von jedem Leckwiderstand 65 abhängig, der zwischen einer Wicklung 66 des Elektromotors 34 und der Fahrgestellerdung 42 vorhanden ist. Die notwendige Bedingung, um in der Lage zu sein, den Wert des Leckwiderstands 65 zu bestimmen, ist, dass einer der unteren Phasenschalter wie zum Beispiel der Phasenschalter 38 während eines Zeitraums geschlossen ist, der mindestens so lang wie die vorbestimmte Latenzperiode ist.
Wenn der obere Erfassungsschaltkreis 45 aktiv ist, kann ein beliebiger unterer Phasenschalter, der direkt mit dem negativen DC-Bus 41 verbunden ist, die erforderliche Schaltkreiskontinuität zum Erfassen des AC-Leckwiderstands bereitstellen. Darüber hinaus kann der genaue Standort jedes Isolationsfehlers, der zu einem niedrigen gemessenen Leckwiderstand führt, überall auf der AC-Lastseite des Wechselrichters sein, da der Leckstrom, wie in 6 gezeigt wird, durch die Elektromotorwicklungen fließen kann. 7 zeigt die gleichen Schalteraktivierungen, wobei ein elektrischer Kurzschluss, der einen niedrigen Leckwiderstand 70 erzeugt, stattdessen entlang eines Eingangskabels auftritt, das zu der Elektromotorwicklung 67 führt. Obwohl sich der Kurzschluss an einem anderen Ort befindet, kann er immer noch durch das Schließen des Phasenschalters 38 erfasst werden.
8 zeigt eine Schaltkreiskonfiguration zu einem anderen Zeitpunkt, wobei der Erfassungsschalter des unteren Erfassungsschaltkreises 46 zum Zweck eines Erzeugens von Leckwiderstandsdaten des positiven DC-Busses 40 geschlossen ist. Ein Phasenschalter 71 wird aktiviert, der sich in der oberen Hälfte eines mittleren Phasenzweigs befindet und mit dem positiven DC-Bus 40 verbunden ist. Es kann auch notwendig sein, dass ein Schalter 72 des DC-DC-Wandlers während der Zeit geschlossen ist, in welcher der Phasenschalter 71 geschlossen ist, um den Erfassungspfad zu vervollständigen. Der geschlossene oder aktivierte Zustand des Schalters 72 kann direkt durch die Wechselrichtersteuereinheit ermittelt werden oder er kann als Daten in der Datennachricht von der BECM-Steuereinheit enthalten sein. Wenn die untere Erfassungseinheit 46 aktiv ist, wobei ein beliebiger oberer Phasenschalter, der mit dem oberen DC-Bus verbunden ist, kontinuierlich für einen Zeitraum geschlossen ist, der größer als die oder gleich der Latenzperiode ist, wird ein geschlossener Schaltkreis gebildet, der durch die geschlossenen Schalter, die Elektromotorwicklungen 68 und 66 und den Leckwiderstand 65 geht. Folglich ist die Wechselrichtersteuereinheit in der Lage, Gelegenheiten zu erfassen, in denen ein Phasenschalter während einer ausreichenden Zeitdauer geschlossen ist, und ist dann in der Lage, die von der BECM-Steuereinheit empfangenen Datennachrichten danach zu beurteilen, ob die erforderlichen Leckwiderstandsmessungen zur Verfügung stehen, um zu ermitteln, ob irgendwelche Elektromotorkabel oder -wicklungen einem Leckwiderstand unterliegen, der geringer als ein Schwellenwert ist.
Ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung wird in 9 gezeigt. Im Schritt 80 überwacht die Wechselrichtersteuereinheit laufende Verschlusszeiten der Phasenschalter während eines PWM-gestützten Betriebs des Wechselrichters. Im Schritt 81 wird eine Prüfung ausgeführt, um zu ermitteln, ob eine Verschlusszeit eines Phasenschalters größer als die vorbestimmte Latenzperiode ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird das Überwachen fortgesetzt, indem kontinuierlich zwischen den Schritten 80 und 81 gewechselt wird. Falls dies der Fall ist, wird in Schritt 82 eine Prüfung ausgeführt, um zu ermitteln, ob die identifizierte aktive Erfassungseinheit für einen DC-Leckwiderstand mit derjenigen übereinstimmt, die erforderlich ist, um eine Leckwiderstandsmessung auszuführen (d.h., wenn ein oberer Phasenzweigschalter geschlossen ist, würde der erforderliche Leckwiderstandswert von dem unteren Leckerfassungsschaltkreis kommen und wenn ein unterer Phasenzweigschalter geschlossen ist, ist die übereinstimmende Erfassungseinheit die obere Leckerfassungseinheit). Wenn der Phasenschalter, der die Zeitanforderung erfüllt, nicht mit dem aktuell aktiven Leckerfassungsschaltkreis übereinstimmt, wird eine Rückkehr zum Schritt 80 ausgeführt. Wenn eine Übereinstimmung gefunden wird, wird der Leckwiderstandswert R_L, der in der jüngsten Datennachricht enthalten ist, im Schritt 83 mit einem ersten Leckwiderstandsschwellenwert R_T1 verglichen, der auf eine relativ höhere Widerstandsstufe eingestellt wurde (d.h., auf eine Stufe, die geeignet ist, einen leichten Isolationsverlust zu erfassen, für den eine angemessene Antwort ist, eine Benutzerwarnung bereitzustellen). Wenn der Leckwiderstand größer als der erste Schwellenwert ist, wird eine Rückkehr zum Schritt 80 ausgeführt, da kein Isolationsfehler vorhanden ist. Wenn ein Leckwiderstand unter einem ersten Schwellenwert R_T1 liegt, wird der Leckwiderstand R_L im Schritt 84 mit einem zweiten Leckwiderstandsschwellenwert R_T2 verglichen, der eine niedrigere Stufe als der erste Schwellenwert aufweist und geeignet ist, einen Isolationsfehler zu erfassen, der eine Schwere aufweist, die einen Eingriff erforderlich macht. Wenn der Leckwiderstand nicht unter dem zweiten Schwellenwert liegt, wird im Schritt 85 ein erster DTC eingestellt, der die Notwendigkeit für eine Fahrerwarnung oder andere Aktionen wiedergibt, die folgerichtig die frühen Entwicklungsstufen eines Isolationsfehlers beheben. Wenn in Schritt 84 ermittelt wird, dass der Leckwiderstand geringer ist als der zweite Schwellenwert, wird im Schritt 86 ein zweiter DTC eingestellt, der die Notwendigkeit für einen Eingriff wiedergibt (wie zum Beispiel ein Code der einen Neustart des Elektromotors verhindert).
Zusätzlich zum Erfassen eines elektrischen Kurzschlusses der AC-Lastelemente einschließlich des Elektromotors und der Elektromotorkabel während des Elektromotorbetriebs, kann die vorliegende Erfindung auch einen Isolationsfehler auffinden, wenn der Wechselrichter nicht betrieben wird und der Elektromotor sich zum Beispiel in einer Off-line-Diagnoseprüfung für einen elektrischen Kurzschluss des Elektromotors nicht dreht. Hierbei kann ein willkürlich ausgewählter Phasenschalter während dieser Diagnoseprüfung geschlossen werden und zugleich ein übereinstimmender Leckerfassungsschaltkreis aktiviert werden, sodass die BECM-Steuereinheit eine Datennachricht, die einen gemessenen Widerstandswert enthält, der einen Leckstrom an den Elektromotorelementen charakterisiert, an die Wechselrichtersteuereinheit liefert. Nach dem Empfangen der Datennachricht öffnet die Wechselrichtersteuereinheit den ausgewählten Phasenschalter und vergleicht den Leckwiderstandswert aus der Datennachricht mit einem Schwellenwert, um einen Isolationsfehler des Elektromotors und der Elektromotorkabel zu erfassen.

Claims

Elektrofahrzeug, umfassend: einen ersten und einen zweiten DC-Bus, die mit einer DC-Stromquelle verbindbar sind; eine Fahrgestellerdung, die dezentral in dem Fahrzeug verteilt ist; einen Schaltkreis einer DC-Busleckstromerfassungseinheit, der einen Erfassungsschalter und einen Erfassungswiderstand aufweist, die zwischen dem ersten Bus und der Fahrgestellerdung in Reihe geschaltet sind, wobei eine über den Erfassungswiderstand gemessene Spannung proportional zu einem Leckwiderstand zwischen dem zweiten Bus und der Fahrgestellerdung ist; einen Wechselrichter, der eine Vielzahl von Phasenzweigen aufweist, wobei jeder Phasenzweig einen ersten und einen zweiten Phasenschalter aufweist, die zwischen den ersten und den zweiten Bus geschaltet sind; einen AC-Traktionsmotor, der eine Vielzahl von Phasen aufweist, die mit den Phasenzweigen verbunden ist; und einen Wechselrichtersteuerschaltkreis, der mit dem Schaltkreis der Leckstromerfassungseinheit und den Phasenzweigen verbunden ist, wobei der Steuerschaltkreis ausgelegt ist, um a) Datennachrichten gemäß einer vorbestimmten Latenzperiode von dem Erfassungsschaltkreis zu empfangen, der einen gemessenen Leckwiderstand identifiziert, b) Schaltereignisse zu erfassen, während denen ein Phasenschalter für eine Dauer geschlossen wird, die länger als die Latenzperiode ist; und c) einen elektrischen Kurzschluss des Elektromotors zu der Fahrgestellerdung anzuzeigen, wenn der gemessene Leckwiderstand in einer während einem erfassten Schaltereignis empfangenen Datennachricht geringer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, das außerdem umfasst: einen zweiten Schaltkreis einer DC-Busleckstromerfassungseinheit, der einen zweiten Erfassungsschalter und einen zweiten Erfassungswiderstand aufweist, die zwischen dem zweiten Bus und der Fahrgestellerdung in Reihe geschaltet sind, wobei eine über den Erfassungswiderstand gemessene zweite Spannung proportional zu einem zweiten Leckwiderstand zwischen dem ersten Bus und der Fahrgestellerdung ist; wobei die Busleckerfassungseinheiten gemäß einer vorbestimmten Periodendauer abwechselnd betrieben werden, und wobei jede entsprechende Datennachricht identifiziert, welche der Busleckerfassungseinheiten einen entsprechenden gemessenen Leckwiderstand erzeugt hat; wobei der Wechselrichtersteuerschaltkreis außerdem geeignet ist, die Schaltereignisse nur gemäß dem ersten und dem zweiten Phasenschalter zu erfassen, die mit der Busleckerfassungseinheit übereinstimmen, die gleichzeitig betrieben wird.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wechselrichtersteuerschaltkreis außerdem geeignet ist, einen ausgewählten Phasenschalter während eines Zeitraums zu schließen, in dem sich der Elektromotor nicht dreht, um einen gemessenen Leckwiderstand als eine Off-Line-Diagnoseprüfung für einen elektrischen Kurzschluss des Elektromotors zu erhalten.
Fahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzeige eines elektrischen Kurzschlusses ein Einstellen eines Diagnosefehlercodes in einem Diagnosespeicher innerhalb des Fahrzeugs umfasst.
Verfahren zum Erfassen elektrischer Kurzschlüsse eines AC-Traktionsmotors in einem Elektrofahrzeug, das die folgenden Schritte umfasst: steuerbares Schalten einer Vielzahl von Phasenzweigen in einem Wechselrichter, wobei jeder Phasenzweig einen ersten und einen zweiten Phasenschalter aufweist, die zwischen einen ersten und einen zweiten DC-Bus geschaltet sind, wobei ein AC-Traktionsmotor eine Vielzahl von Phasen aufweist, die mit den Phasenzweigen verbunden sind, wobei der erste und der zweite Bus mit einer DC-Stromquelle verbunden sind, und wobei das Schalten der Phasenzweige die Drehung des Elektromotors antreibt; wiederholtes Abtasten einer Spannung über einen Erfassungswiderstand eines Schaltkreises einer DC-Busleckstromerfassungseinheit, der einen Erfassungsschalter aufweist, der mit dem Erfassungswiderstand zwischen dem ersten Bus und einer Fahrgestellerdung in Reihe geschaltet ist, wobei die Spannung proportional zu einem Leckwiderstand zwischen dem zweiten Bus und der Fahrgestellerdung ist, wobei die Fahrgestellerdung dezentral in dem Fahrzeug verteilt ist, und wobei eine Vielzahl von abgetasteten Spannungen mit einer vorbestimmten Latenzperiode erzeugt wird; Erfassen des Auftretens von Schaltereignissen, während denen ein Phasenschalter für eine Dauer geschlossen wird, die länger als die Latenzperiode ist; als Reaktion auf ein erfasstes Schaltereignis, Vergleichen eines Leckwiderstands für eine entsprechende abgetastete Spannung mit einem vorbestimmten Schwellenwert und Anzeigen eines elektrischen Kurzschlusses des Elektromotors zur Fahrgestellerdung, wenn der Leckwiderstand geringer als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, das außerdem den folgenden Schritt umfasst: Übertragen einer Datennachricht über einen Multiplexbus zu einer Wechselrichtersteuereinheit, die den Wechselrichter steuert, wobei die Datennachricht eine entsprechende abgetastete Spannung aus dem Erfassungsschaltkreis darstellt, und wobei die vorbestimmte Latenzperiode eine Übertragungszeit für die Datennachricht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Datennachricht von einer Batterieenergiesteuereinheit stammt, die mit der DC-Stromquelle und dem ersten und dem zweiten DC-Bus verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, das außerdem den folgenden Schritt umfasst: Schließen eines ausgewählten Phasenschalters während eines Zeitraums, in dem sich der Elektromotor nicht dreht, um einen gemessenen Leckwiderstand als eine Off-Line-Diagnoseprüfung für einen elektrischen Kurzschluss des Elektromotors zu erhalten.
Verfahren zum Erfassen von Elektromotorfehlern in einem Elektrofahrzeug mit einem Traktionsmotor und einem Wechselrichter, umfassend: Messen eines Leckwiderstands zwischen einem ersten DC-Bus und einem Fahrgestell; Übertragen des Leckwiderstands zu einer Wechselrichtersteuereinheit gemäß einer Latenzperiode; Erfassen einer Aktivierung eines Wechselrichterschalters, der mit einem zweiten DC-Bus verbunden ist, während eines Zeitraums, der die Latenzperiode überschreitet; Anzeigen eines Elektromotorkurzschlusses, wenn ein entsprechender Leckwiderstand geringer als ein Widerstandsschwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem aufweist: Messen eines zweiten Leckwiderstands zwischen dem zweiten DC-Bus und dem Fahrgestell; Übertragen des zweiten Leckwiderstands zu der Wechselrichtersteuereinheit gemäß der Latenzperiode; Erfassen einer Aktivierung eines anderen Wechselrichterschalters, der mit dem ersten DC-Bus verbunden ist, während eines anderen Zeitraums, der die Latenzperiode überschreitet; Anzeigen eines Elektromotorkurzschlusses, wenn ein entsprechender zweiter Leckwiderstand geringer als der Widerstandsschwellenwert ist.