本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)，具體涉及一種用于電氣化動力總成系統(tǒng)的絕緣監(jiān)控裝置及絕緣監(jiān)控方法。
背景技術(shù)：
：絕緣監(jiān)控是所有高壓(60伏以上)電氣化動力總成的關(guān)鍵安全特性。絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的用途在于檢測任何可能將人置于電擊危險的漏電情況。所測絕緣電阻必須在某一特定閾值之上以符合不同適用標(biāo)準(zhǔn)，例如FMVSS305(倘若Ri1小于Ri2，則用Ri1除以動力電池包的標(biāo)稱電壓(Vb)，該值記錄為Ri/Vb，該值必須等于或大于500，倘若該值小于500Ohm/V(標(biāo)稱閾值)，則應(yīng)存在絕緣錯誤；倘若Ri2小于Ri1，則用Ri2除以電力推進(jìn)電池的標(biāo)稱工作電壓(Vb)。該值記錄為Ri/Vb，該值必須等于或大于500，倘若該值小于500Ohm/V(標(biāo)稱閾值)，則應(yīng)存在絕緣錯誤)、ECER100、ISO6469-1(動力電池的整個壽命周期中，絕緣電阻Ri根據(jù)計算標(biāo)準(zhǔn)方法除以動力電池的標(biāo)稱電壓Vb，其結(jié)果應(yīng)超過100Ohm/V)，從而確保系統(tǒng)的安全性。如圖1所示，為一種絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的典型系統(tǒng)拓?fù)鋱D，其中絕緣監(jiān)控由電池系統(tǒng)或一個專有的與直流電網(wǎng)相連的外部的絕緣監(jiān)控模塊101來執(zhí)行。如圖2所示，詳細(xì)來講，絕緣監(jiān)控是通過將已知電阻切換連接直流電網(wǎng)的正負(fù)電極來進(jìn)行測量。例如在FMVSS305標(biāo)準(zhǔn)中，對絕緣電阻Rl的測量提出了同樣的原則：Rl取Rl1與Rl2中的最小值，見式(1)：Rl1=R0×V1-V1′V1′×(1+V2V1)]]>Rl2=R0×V2-V2′V2′×(1+V1V2)---(1)]]>式(1)中，R0為已知電阻，V1’和V2’分別為R0上電壓，V1為電阻Rl1上電壓，V2為電阻Rl2上電壓。如果絕緣電阻Rl/Vb<標(biāo)稱閾值，則說明檢測到了絕緣故障。目前，現(xiàn)有技術(shù)的缺點在于：1)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，僅高壓電池與直流電網(wǎng)的絕緣電阻受監(jiān)控。但由于一般交流電網(wǎng)電壓高于60伏，因而也會使用戶面臨電擊危險；2)精確測量交流電網(wǎng)絕緣電阻的主要問題為逆變器使得不同交流電線上絕緣電阻的測量值不連續(xù)；3)如果需要精確測量，則需要將電機(jī)及控制器主動短路，將所有相與直流電網(wǎng)的一極相連。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種電氣化動力總成系統(tǒng)的絕緣監(jiān)控裝置及絕緣監(jiān)控方法，具有鑒別直流電網(wǎng)或交流電網(wǎng)漏電的能力，并可對交流電網(wǎng)的每一相進(jìn)行漏電識別。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種電氣化動力總成系統(tǒng)的絕緣監(jiān)控裝置，該電氣化動力總成系統(tǒng)包含：電路連接直流電網(wǎng)的電池；逆變器，其直流端電路連接電池正極和負(fù)極；電路連接交流電網(wǎng)的電機(jī)，其三相電路連接逆變器交流端；其特點是，該絕緣監(jiān)控裝置包含：絕緣監(jiān)控設(shè)備，其與逆變器三相的開關(guān)狀態(tài)變化時刻同步進(jìn)行絕緣測量，判斷交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)的漏電情況和識別漏電線路；逆變器控制器，其電路連接絕緣監(jiān)控設(shè)備與逆變器，上傳逆變器開關(guān)狀態(tài)至絕緣監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)絕緣監(jiān)控設(shè)備輸出的不同脈寬調(diào)制的指令控制逆變器開關(guān)狀態(tài)。上述電池的正極與接地之間電路連接有正極開關(guān)，電池的負(fù)極與接地之間電路連接有負(fù)極開關(guān)；上述絕緣監(jiān)控設(shè)備分別電路連接正極開關(guān)和負(fù)極開關(guān)，切換電池的正極和負(fù)極接地，檢測直流電網(wǎng)漏電線路。一種絕緣監(jiān)控裝置的絕緣監(jiān)控方法，其特點是，該方法包含：絕緣監(jiān)控裝置與逆變器三相的開關(guān)狀態(tài)同步進(jìn)行絕緣測量；絕緣監(jiān)控裝置判斷交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)的漏電情況，并基于判斷結(jié)果識別漏電的線路。上述絕緣監(jiān)控裝置進(jìn)行絕緣測量時，接收逆變器上傳的逆變器開關(guān)的平均脈寬調(diào)制數(shù)值。上述逆變器通過任意通信協(xié)議上傳逆變器開關(guān)的平均脈寬調(diào)制數(shù)值至絕緣監(jiān)控裝置。上述絕緣監(jiān)控裝置判斷交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)的漏電情況包含：絕緣監(jiān)控裝置控制逆變器改變其開關(guān)的脈寬調(diào)制，若不同脈寬調(diào)制下絕緣監(jiān)控裝置絕緣測量所得結(jié)果不同，則判定漏電發(fā)生在交流電網(wǎng)處。上述絕緣監(jiān)控裝置判斷交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)的漏電情況包含：絕緣監(jiān)控裝置在不同頻率下進(jìn)行絕緣測量，若不同頻率下絕緣監(jiān)控裝置絕緣測量所得結(jié)果不同，則判定漏電發(fā)生在交流電網(wǎng)處。上述絕緣監(jiān)控裝置判定交流電網(wǎng)為絕緣失效的原因，則絕緣監(jiān)控裝置將交流電網(wǎng)三相中的每一相分別直接與直流電網(wǎng)電路連接，以識別交流電網(wǎng)三相中漏電的線路。上述絕緣監(jiān)控裝置判定直流電網(wǎng)為絕緣失效的原因，則絕緣監(jiān)控裝置將電池的正極和負(fù)極切換接地，以識別直流電網(wǎng)中漏電的線路。上述絕緣監(jiān)控裝置進(jìn)行絕緣檢測時，將電機(jī)控制器開關(guān)的半橋主動短路，使電機(jī)交流端三相與電池直流端連通；絕緣監(jiān)控裝置采樣時間與主動短路時間同步。本發(fā)明電氣化動力總成系統(tǒng)的絕緣監(jiān)控裝置及絕緣監(jiān)控方法和現(xiàn)有技術(shù)絕緣監(jiān)控技術(shù)相比，其優(yōu)點在于，本發(fā)明通過逆變器開關(guān)在絕緣電阻計算中的影響，實現(xiàn)鑒別電氣化動力總成系統(tǒng)中直流電網(wǎng)或交流電網(wǎng)對絕緣失效負(fù)責(zé)，并實現(xiàn)具體檢測直流電網(wǎng)或交流電網(wǎng)漏電的具體線路；本發(fā)明絕緣監(jiān)測裝置進(jìn)行絕緣采樣與逆變器主動短路時間完全同步，提高絕緣測量精確度。附圖說明圖1為現(xiàn)有技術(shù)絕緣監(jiān)控系統(tǒng)的典型系統(tǒng)拓?fù)鋱D；圖2為現(xiàn)有技術(shù)直流端絕緣監(jiān)控的電路原理圖；圖3為本發(fā)明絕緣監(jiān)控裝置的連接示意圖；圖4為電機(jī)工作時典型的開關(guān)狀態(tài)示意圖；圖5為在測試中開關(guān)的具體狀態(tài)表；圖6為電機(jī)三相均斷開時的等效電路示意圖；圖7為電機(jī)三相均連通至DC-時的等效電路示意圖；圖8為電機(jī)三相均連通至DC+時的等效電路示意圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施例。如圖3所示，為本發(fā)明所公開的一種適用于電氣化動力總成系統(tǒng)的絕緣監(jiān)控裝置的實施例。其中，絕緣監(jiān)控裝置所適用的電氣化動力總成系統(tǒng)包含：電池303、電機(jī)控制器、電機(jī)305。電池303電路連接直流電網(wǎng)。電機(jī)305的電機(jī)控制器中包含有逆變器304，其直流端電路連接電池303的正極和負(fù)極。電機(jī)305電路連接交流電網(wǎng)，其三相(a相、b相、c相)分別對應(yīng)電路連接逆變器304交流端的三相。電池303正極與逆變器304之間電路連接有正極開關(guān)SW1，正極開關(guān)SW1通過一個已知標(biāo)準(zhǔn)電阻R0接地。電池303負(fù)極與逆變器304之間電路連接有負(fù)極開關(guān)SW2，負(fù)極開關(guān)SW2通過一個已知標(biāo)準(zhǔn)電阻R0接地。絕緣監(jiān)控裝置包含：絕緣監(jiān)控設(shè)備301和逆變器控制器302。逆變器控制器302電路連接絕緣監(jiān)控設(shè)備301與逆變器304，用于上傳逆變器304的IGBT開關(guān)狀態(tài)至絕緣監(jiān)控設(shè)備301，并且根據(jù)絕緣監(jiān)控設(shè)備301輸出的不同脈寬調(diào)制的指令控制逆變器304的開關(guān)狀態(tài)。絕緣監(jiān)控設(shè)備301電路連接正極開關(guān)SW1、負(fù)極開關(guān)SW2和逆變器控制器302。絕緣監(jiān)控設(shè)備301用于通過逆變器控制器302實時監(jiān)測逆變器304的實際脈寬調(diào)制(PWM)或三相(a相、b相、c相)的IGBT開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)與逆變器304三相的開關(guān)狀態(tài)變化時刻同步進(jìn)行絕緣測量，判斷交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)的漏電情況和識別漏電線路。絕緣監(jiān)控設(shè)備301為了正確測量交流電網(wǎng)，絕緣測量可以與a,b與c相的開關(guān)狀態(tài)同步，以進(jìn)行精確測量。也就是說，絕緣監(jiān)控設(shè)備301實時接收到了逆變器304開關(guān)的實際狀態(tài)，以確定其是否在直流正極或負(fù)極的主動短路中。主動短路由電機(jī)控制器中的逆變器304控制；具體操作為將電機(jī)控制器IGBT的半橋進(jìn)行短路，使得在絕緣檢測時，電機(jī)305交流端三相與電池303直流端連通，這樣檢測到的絕緣值就包含了電機(jī)305的絕緣狀況。絕緣監(jiān)控設(shè)備301檢測絕緣失效，即漏電，考慮通過在交流電網(wǎng)上逆變器304的實際脈寬調(diào)制頻率或逆變器304開關(guān)狀態(tài)，結(jié)合絕緣監(jiān)控設(shè)備301測量中的測量的電壓值來檢測。絕緣失效的故障原因可以通過改變開關(guān)的脈寬調(diào)制(PWM)來鑒別，倘若不同的脈寬調(diào)制的絕緣測量得到不同的結(jié)果，說明交流電網(wǎng)處漏電，否則可能為直流電網(wǎng)出漏電。絕緣監(jiān)控設(shè)備301一旦識別出交流電網(wǎng)為絕緣失效的原因，即可由絕緣監(jiān)控設(shè)備301通過逆變器控制器302來獨立控制逆變器304開關(guān)，以直接將交流單相與直流電網(wǎng)相連，與其它控制分開，觸發(fā)專門的測量來識別。絕緣監(jiān)控設(shè)備301一旦識別出直流電網(wǎng)為絕緣失效的原因，即通過正極開關(guān)SW1、負(fù)極開關(guān)SW2，切換控制電池303的正極和負(fù)極接地，從而檢測直流電網(wǎng)具體漏電的線路。本發(fā)明還公開了一種適用于電氣化動力總成系統(tǒng)的絕緣監(jiān)控裝置的絕緣監(jiān)控方法，該方法具體包含以下步驟：步驟1、絕緣監(jiān)控裝置與逆變器三相的開關(guān)狀態(tài)同步進(jìn)行絕緣測量。絕緣監(jiān)控裝置進(jìn)行絕緣測量時，通過逆變器控制器302實時接收和監(jiān)測逆變器304通過任意通信協(xié)議上傳的實際脈寬調(diào)制(PWM)或逆變器304三相(a相、b相、c相)的IGBT開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)與逆變器304三相的開關(guān)狀態(tài)變化時刻同步進(jìn)行絕緣測量，以進(jìn)行精確測量。也就是說，絕緣監(jiān)控設(shè)備實時接收到了開關(guān)的實際狀態(tài)，以確定其是否在直流正極或負(fù)極的主動短路(ASC)中。主動短路通常在電機(jī)啟動前進(jìn)行，由電機(jī)控制器中的逆變器控制；具體操作為將電機(jī)控制器IGBT的半橋進(jìn)行短路，使得在絕緣檢測時，電機(jī)交流端三相與電池直流端連通，這樣檢測到的絕緣值就包含了電機(jī)的絕緣狀況。如果電機(jī)扭矩波動小，則相電壓之間的差值小，主動短路(ASC)時間就長；若扭矩波動大，則相電壓之間的差值大，主動短路(ASC)時間短，甚至為0μs。在穩(wěn)態(tài)時，通常脈寬調(diào)制(即ASC中的時間百分比)約為50％。波動越大，ASC的時間段越短。ASC的時間段越短，絕緣電阻的誤差越高。所以絕緣監(jiān)控裝置絕緣測量的采樣時間與主動短路時間同步，絕緣測量將很精確。步驟2、絕緣監(jiān)控裝置判斷交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)的漏電情況，并基于判斷結(jié)果識別漏電的線路。步驟2.1、絕緣監(jiān)控裝置判斷漏電是否發(fā)生在交流電網(wǎng)處，若是，判定漏電為交流電網(wǎng)引起，則跳轉(zhuǎn)到步驟3；若否，判定漏電為直流電網(wǎng)引起，則跳轉(zhuǎn)到步驟4。判斷漏電發(fā)生源的方法可以有以下兩個實施例。實施例一、絕緣監(jiān)控裝置通過逆變器控制器控制逆變器改變其開關(guān)的脈寬調(diào)制，若不同脈寬調(diào)制下絕緣監(jiān)控裝置絕緣測量所得結(jié)果不同，則判定漏電發(fā)生在交流電網(wǎng)處；若不同脈寬調(diào)制下絕緣監(jiān)控裝置絕緣測量所得結(jié)果相同，則判定漏電發(fā)生在直流電網(wǎng)處。實施例二、絕緣監(jiān)控裝置可以在不同頻率下進(jìn)行絕緣測量，若兩個或兩個以上不同頻率下絕緣監(jiān)控裝置絕緣測量所得結(jié)果不同，則判定漏電發(fā)生在交流電網(wǎng)處；若兩個或兩個以上不同頻率下絕緣監(jiān)控裝置絕緣測量所得結(jié)果相同，則判定漏電發(fā)生在直流電網(wǎng)處。頻率的改變可以由絕緣監(jiān)控系統(tǒng)通過特殊情況觸發(fā)(例如在車靜止時，對于電機(jī)的a，b，c三相進(jìn)行輪流檢測；或在車加速時，當(dāng)電機(jī)處在不同頻率時進(jìn)行檢測)，或者關(guān)聯(lián)到電機(jī)控制的固有表現(xiàn)。步驟3、絕緣監(jiān)控裝置判定交流電網(wǎng)為絕緣失效的原因，則由絕緣監(jiān)控設(shè)備來獨立控制開關(guān)，絕緣監(jiān)控裝置將交流電網(wǎng)三相中的每一相分別直接與直流電網(wǎng)電路連接，與其它控制分開，以識別交流電網(wǎng)三相中漏電的線路。識別漏電線路后跳轉(zhuǎn)到步驟1，實時監(jiān)測電氣化動力總成系統(tǒng)的漏電狀態(tài)。步驟4、絕緣監(jiān)控裝置判定直流電網(wǎng)為絕緣失效的原因，則絕緣監(jiān)控裝置將電池的正極和負(fù)極切換接地，以識別直流電網(wǎng)中漏電的線路。識別漏電線路后跳轉(zhuǎn)到步驟1，實時監(jiān)測電氣化動力總成系統(tǒng)的漏電狀態(tài)。為了準(zhǔn)確得到各相的絕緣電阻，需要在不同的開關(guān)連接狀態(tài)下對各電壓進(jìn)行測量。如圖4所示，為當(dāng)電機(jī)工作時典型的開關(guān)狀態(tài)。在整個工作周期內(nèi)，a，b，c三相與直流端的連接狀態(tài)不斷變化(圖中高電平為連接DC+，低電平為連接DC-)。圖中采樣時期時長為1ms，在采樣時期內(nèi)，不同連接狀態(tài)的累積時間分別統(tǒng)計。在圖中，分別為a、b、c三相均與DC+連通，a、b兩相與DC+連通，a、c兩相與DC+連通，b、c兩相與DC+連通，以及a相單獨與DC+連通。如圖5所示，為在測試中開關(guān)的具體狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)停機(jī)時，分別在三種連接狀態(tài)下測量電壓：三相均斷開；三相連接DC+；三相連接DC-。當(dāng)電機(jī)啟動后，在不同的連接狀態(tài)下，以不同的采樣時間測量相應(yīng)電壓，并計算絕緣電阻Ri1和Ri2。如圖6所示，為當(dāng)電機(jī)三相均斷開時的等效電路：其中Ri1_DC+和Ri1_DC-分別為電池正負(fù)極對地的絕緣電阻，R0為阻值已知的電阻，SW1和SW2分別為控制負(fù)極和正極R0導(dǎo)通的開關(guān)。V1和V2分別為電池負(fù)極和正極的對地電壓。絕緣電阻的計算公式如式(1)：Ri2=Ri2_DC+=V2(0)-V2′(0)V2′(0)·(1+V1(0)V2(0))]]>Ri1=Ri1_DC-=R0·V1(0)-V1′(0)V1′(0)·(1+V2(0)V1(0))---(1)]]>如圖7所示，為當(dāng)電機(jī)三相均連通至DC-時的等效電路。圖中Phasea、b、c分別代表三相，Ri_a、Ri_b、Ri_c分別為各相的對地絕緣電阻。其它參數(shù)與圖6中所示相同。絕緣電阻的計算公式如式(2)：Ri2＝Ri2_DC+Ri1=11Ri1DC-+1Ria+1Rib+1Ric=R0·V2(1-)-V2′(1-)V2′(1-)·(1+V1(1-)V2(1-))]]>RiAC=11Ria+1Rib+1Ric---(2)]]>如圖8所示，為當(dāng)電機(jī)三相均連通至DC+時的等效電路。絕緣電阻的計算公式如式(3)：Ri2=11Ri2DC++1Ria+1Rib+1Ric=R0·V2(1+)-V2′(1+)V2′(1+)·(1+V1(1+)V2(1+))]]>Ri1＝Ri1_DC-RiAC=11Ria+1Rib+1Ric---(3)]]>這樣便可以計算出等效絕緣電阻，從而判斷電池和電機(jī)的絕緣狀態(tài)。由于在絕緣監(jiān)測時，設(shè)備的采樣時間顯著長于電機(jī)三相連通狀態(tài)的持續(xù)時間，因此測量所得的電壓值是電機(jī)在相同開關(guān)狀態(tài)下的平均值。如圖所示。為了保證在每一狀態(tài)下均得到合理的測量電壓加權(quán)平均值，需要合理設(shè)置采樣周期。采樣后的電壓通過下式(4)計算：ΣinVi·tiT=Vmeas---(4)]]>其中，采樣電壓Vmeas通過下式(5)計算：其中k代表開關(guān)SW1和SW2的不同狀態(tài)。通過圖5中所示的1+、1-和0三種狀態(tài)，可以分別計算出V(i)1，V(i)2與V(i)9，因此式中矩陣的大小可簡化為4×6。為了求解矩陣，電機(jī)系統(tǒng)的控制算法需要實現(xiàn)以下功能：在時長t1、t2、t3的測量結(jié)束后，下一次絕緣檢測中測量t4、t5、t6。這可以通過絕緣監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送命令或者改變電機(jī)轉(zhuǎn)速或扭矩實現(xiàn)。測量需要重復(fù)6次，即可解開未知的矩陣。Vmeas_Tot＝[Vmeas(1)...Vmeas(k)…Vmeas(6)].ATot=a11a12a13a14a15a16a11a12a13a14a15a16a21a22a23a24a25a26a21a22a23a24a25a26a21a22a23a24a25a26a31a32a33a34a35a36a31a32a33a34a35a36a31a32a33a34a35a36=A(1)...A(k)...A(6)]]>VmeasTot=V.ATot⇒V=VmeasTot/ATot]]>當(dāng)V的值得以確定，即可計算得到Ria、Rib與Ric。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。當(dāng)前第1頁1 2 3