CN105196877B - 电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路及方法，包括：绝缘电阻检测模块、连接电阻检测模块、电池管理模块、电机控制模块、预充电监控模块、继电器监控模块、控制计算模块，上述模块用于在线检测电动汽车的串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值、高压线路的连接电阻值、串联电池组的健康状态、串联电池组的电压、串联电池组的电流、驱动电机系统的故障等级、驱动电机系统直流输入端的电压、驱动电机系统直流输入端的电流、预充电电路的故障等级、继电器的故障等级。本发明实现了对高压电系统健康状态的定量综合表征和在线识别，从而使得对电动汽车高压电系统安全状态进行更科学合理的高压电安全管理。

Description

电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车高压电安全技术，具体地，涉及电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路及方法。

背景技术

以电力驱动的汽车已成为全球发展的重点和热点。为满足大功率电驱动的需求，汽车高压电路通过的电流高达数百安培。高压电安全已成为电力驱动汽车应用中需要首先解决的技术关键，对车辆本身的安全、驾乘人员的安全以及车辆运行环境的安全，均有十分重要的影响。目前，虽已有高压电路连接电阻故障、绝缘电阻故障等高压电安全故障检测诊断方法，但缺乏对高压电系统健康状态的综合表征方法及其诊断预警方法，从而缺乏对高压电系统进行安全管理的科学依据，造成对高压电系统的滥用以及由此导致的高压电安全事故频发，使电动汽车存在的高压电安全隐患难于有效解决。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路及方法。

根据本发明提供的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路，包括：绝缘电阻检测模块、连接电阻检测模块、电池管理模块、电机控制模块、预充电监控模块、继电器监控模块、控制计算模块，其中，

-所述绝缘电阻检测模块，用于在线检测电动汽车中的串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值；

-所述连接电阻检测模块，用于在线检测电动汽车高压线路的连接电阻值；

-所述电池管理模块，用于在线检测电动汽车中的串联电池组的电压和电流，对电池进行管理，判断所述串联电池组的健康状态；

-所述电机控制模块，用于控制电机运行并在线诊断电动汽车中驱动电机系统的故障等级及直流输入端的电压和电流；

-所述预充电监控模块，用于在线检测连接于电动汽车高压电路中的预充电电路的故障等级；

-所述继电器监控模块，用于在线检测串联在电动汽车高压电路中的各继电器的故障等级；

-所述控制计算模块，用于接收和处理所述绝缘电阻检测模块、连接电阻检测模块、电池管理模块、电机控制模块、预充电监控模块、继电器监控模块输出的信息。

根据本发明提供的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，包括如下步骤：

步骤1：在线检测电动汽车的串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值、高压线路的连接电阻值、串联电池组的健康状态、串联电池组的电压、串联电池组的电流、驱动电机系统的故障等级、驱动电机系统直流输入端的电压、驱动电机系统直流输入端的电流、预充电电路的故障等级、继电器的故障等级；

步骤2：当驱动电机系统的故障等级达到设定等级时，则要求驱动电机系统降功率运行；当预充电电路的故障等级达到设定等级，且高压电路继电器未闭合时，则要求减小预充电持续时间后的时间百分比；当继电器的故障等级达到设定等级时，则减小继电器带载电流后的电流百分比；

步骤3：根据高压线路的连接电阻值计算高压电路连接健康状态指数；

步骤4：根据串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值、串联电池组额定电压计算归一化绝缘电阻值；并通过函数计算得到高压系统绝缘健康状态指数；

步骤5：计算高压电系统健康状态指数。

优选地，还包括步骤6：

将各级的高压电系统健康故障的判定值与高压电系统健康状态指数对比，

当高压电系统健康状态指数SOH小于等于某一级的高压电系统健康故障的判定值时，即SOH≤SOH_{lmt_i}时，

则认定第i级高压电系统发生了健康故障，其中SOH_{lmt_i}表示第i级的高压电系统健康故障的判定值，i为正整数。

优选地，还包括如下任一步骤：

绝缘电阻值预测步骤：利用在最近多个检测时刻上检测到的m个串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值，

在线拟合出绝缘电阻值与时间t的变化曲线，利用该变化曲线计算出未来一段时间后的绝缘电阻值，实现对绝缘电阻的预测；其中m≥3，设这m个绝缘电阻值中的第一个绝缘电阻值对应的检测时刻为T0i，其余各个检测时刻与前一个检测时刻的差值为时间t；

连接电阻值预测步骤：利用在最近多个检测时刻上检测到的n个高压线路的连接电阻值，

在线拟合出连接电阻值与时间t的变化曲线，利用该变化曲线计算出未来一段时间后的连接电阻值，实现对高压线路的连接电阻值的预测；其中n≥3，设这n个连接电阻值中的第一个连接电阻值对应的检测时刻为T0c，其余各个检测时刻与前一个检测时刻的差值为时间t，；。

根据本发明提供的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，针对每一时刻，执行权利要求3所述的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法中的步骤1至步骤6，实现对每一时刻高压电系统健康状态指数的计算以及健康等级的判断。

优选地，还包括如下步骤：

指数发送步骤：通过设置在计算模块上的CAN通讯接口将步骤1至6、绝缘电阻值预测步骤、连接电阻值预测步骤中分别计算的得到的高压电系统健康状态指数、未来一段时间后的绝缘电阻值、未来一段时间后的连接电阻值发送至整车控制器。

优选地，所述步骤3中，高压电路连接健康状态指数的计算公式如下：

SOH_C＝60×((1/10)/Rc)^1/2；

式中：SOH_C表示高压电路连接健康状态指数，Rc表示高压线路的连接电阻值。

优选地，所述步骤4中通过函数计算得到高压系统绝缘健康状态指数；

计算公式如下：

RV_lmt＝Ri/V_BATnrm；

SOH_i＝f(RV_lmt)；

式中：RV_lmt表示归一化绝缘电阻值，Ri表示串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值，V_BATnrm表示串联电池组额定电压，f(RV_lmt)表示按将通过人体的电流值对人体的影响程度转化为RV_lmt对人体的影响所设定的函数，SOH_i表示高压系统绝缘健康状态指数。具体地，通过人体的电流值对人体的影响程度转化为RV_lmt对人体的影响所设定的函数，即通过人体的电流大小会引起人体不同程度的感应，这些感应与人体的阻抗、电流大小、电流持续的时间有关，假设当电流增大到一定的值以后，人体的阻抗、电流持续的时间等要素对人体的影响可以忽略不计，则通过人体的电流值的大小与人体感应之间可以通过函数关系来表征；因此也可将这一函数关系间接地以RV_lmt对人体的影响来表征。

优选地，所述步骤5中计算高压电系统健康状态指数的计算公式如下：

SOH＝min(SOH_BAT,SOH_Pre,SOH_R,SOH_C,SOH_i)；

式中：SOH表示高压电系统健康状态指数，SOH_BAT表示串联电池组的健康状态指数，SOH_Pre表示预充电电路健康状态指数，SOH_R表示继电器健康状态指数，min表示最小值运算符。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法实现了对高压电系统健康状态的定量综合表征和在线识别，从而使得对电动汽车高压电系统安全状态进行更科学合理的高压电安全管理。

2、本发明提供电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法实现了对高压电系统健康状态的预测，从而使提前排除高压电系统故障风险、避免因高压电安全造成事故，保护系统免受损坏。

3、经测试表明，本发明提供电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法具有高压电路健康状态指数估计误差<3％，实现了高压电系统健康状态等级精确诊断预测的高精度和高可靠性。

4、本发明提供电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法不仅适用于电动汽车，还适用于混合动力汽车、燃料电池汽车甚至储能系统、串联电池组、串联电容组等，具备良好的适用性。

5、本发明提供电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法填补了现有同类技术的空白，有效防止了因高压电系统故障引起的火灾、设备损毁及人身伤害。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路的原理框图；

图2为本发明提供电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明中的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路，包括绝缘电阻检测模块、连接电阻检测模块、电池管理模块、电机控制模块、预充电监控模块、继电器监控模块、控制计算模块，其中：所述绝缘电阻检测模块能在线检测电动汽车中的串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值，所述连接电阻检测模块能在线检测电动汽车高压线路的连接电阻值，所述电池管理模块能在线检测电动汽车中的串联电池组的电压和电流，以及健康状态，所述电机控制模块能在线诊断电动汽车中驱动电机系统的故障等级及其直流输入端的电压和电流，所述预充电监控模块能在线检测连接于电动汽车高压电路中的预充电电路的故障等级，所述继电器监控模块能在线检测串联在电动汽车高压电路中的各继电器的故障等级，所述控制计算模块能接收和处理所述绝缘电阻检测模块、连接电阻检测模块、电池管理模块、电机控制模块、预充电模块、继电器监控模块输出的信息，并管理上述的各个模块。

结合图1，如图2所示，图1中，DTC_Pre为预充电电路的故障等级、CMD_Pre为控制计算模块对预充电监控模块的指令信号、Rc为高压线路的连接电阻值、CMD_c为控制计算模块对连接电阻检测模块的指令信号、DTC_R为继电器的故障等级、CMD_R为控制计算模块对继电器监控模块的指令信号、SOH_BAT为串联电池组的健康状态指数、V_BAT和I_BAT分别为串联电池组的电压和电流、DTC_M为驱动电机系统的故障等级、V_M和I_M分别为驱动电机系统的直流输入端的电压和电流、Ri为串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值、CMD_i为控制计算模块对绝缘电阻检测模块的指令信号，CAN为CAN通讯接口。

图2中，BMS为电池管理模块，DMCM为电机控制模块。

设置串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值为Ri、高压线路的连接电阻值为Rc、串联电池组的健康状态指数为SOH_BAT、串联电池组的电压为V_BAT、串联电池组的电流为I_BAT、驱动电机系统的故障等级为DTC_M、驱动电机系统的直流输入端的电压和电流分别为V_M和I_M、预充电电路的故障等级为DTC_Pre、继电器的故障等级为DTC_R、高压电路连接健康状态指数为SOH_C、高压系统绝缘健康状态指数为SOH_i、驱动电机系统健康状态指数为SOH_M、预充电电路健康状态指数为SOH_Pre、继电器健康状态指数为SOH_R、高压电系统健康状态指数为SOH、第i级高压电系统健康故障的判定值为SOH_{lmt_i}、串联电池组额定电压为V_BATnrm、归一化绝缘电阻值为RV_lmt、PDr为DTC_M时要求电机系统降功率运行后的功率百分比、TDr为DTC_Pre时要求减小预充电持续时间后的时间百分比、CDr为DTC_R时研究减小继电器带载电流后的电流百分比、SOH_T为未来时间T时刻的SOH，所述电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，包括如下步骤：

步骤S1：控制计算模块分别通过CMDi指令绝缘电阻检测模块采样计算并输出串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值Ri给控制计算模块、通过CMDc指令连接电阻检测模块采样计算并输出高压线路的连接电阻值Rc给控制计算模块、通过电池管理模块获得串联电池组的健康状态为SOH_BAT以及串联电池组的电压V_BAT和电流I_BAT、通过电机控制模块获得驱动电机系统的故障等级为DTC_M及其直流输入端的电压V_M和电流I_M、通过CMD_Pre指令预充电监控模块采样判断并输出预充电电路的故障状态DTC_Pre给控制计算模块、通过CMD_R指令继电器监控模块采样判断并输出继电器的故障状态DTC_R给控制计算模块；

步骤S2：如果为DTC_M则SOH_M＝PDr，如果为DTC_Pre且高压电路继电器未闭合则SOH_Pre＝TDr，如果为DTC_R则SOH_R＝CDr；

步骤S3：利用公式SOH_C＝60ⅹ(1/10/Rc)^1/2计算高压电路连接健康状态指数SOH_C；

步骤S4：利用公式RV_lmt＝Ri/V_BATnrm计算归一化绝缘电阻值RV_lmt，进而通过按以下的表1通过线性插值计算高压系统绝缘健康状态指数为SOH_i；

表1

RVlmt，Ω/V	100	33	20	11
					SOHi，％	100	80	60	0

步骤S5，利用SOH＝min(SOH_BAT,SOH_Pre,SOH_R,SOH_C,SOH_i)计算高压电系统健康状态指数SOH；

步骤S6，如果SOH≤SOH_{lmt_i},则判定为高压电系统发生了第i健康故障；

步骤S7，利用在最近一段时间内步骤1收到的m个绝缘电阻值Ri，其中m≥3，设这m个Ri中的第一个Ri对应的时刻为T0i及各Ri的计算时刻与T0i的差值为t，在线拟合出Ri与t的变化曲线，利用该变化曲线计算出未来一段时间后的Ri，从而实现对绝缘电阻Ri的预测；

步骤S8，利用在最近一段时间内步骤1收到的n个高压线路的连接电阻值Rc，其中n≥3，设这n个Rc中的第一个Rc对应的时刻为T0c及各Ri的计算时刻与T0c的差值为t，在线拟合出Rc与t的变化曲线，利用该变化曲线计算出未来一段时间后的Rc，从而实现对高压线路的连接电阻值Rc的预测；

步骤S9，重复上述步骤S1～S6，实现对下一时刻高压电系统健康状态指数SOH的计算和健康等级的判断；

步骤S10，重复上述步骤S1～S8，其中，以步骤S7～S8预测出的Ri和Rc代入步骤S1重复步骤1～6，实现对未来一段时间后高压电系统健康状态指数SOH_T的预测和健康等级的预测。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤S11，控制计算模块通过其CAN通讯接口，将上述步骤S1～步骤S8计算出的高压电系统健康状态指数SOH发送至整车控制器。

按所述电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，计算得出的高压电系统健康状态指数、健康等级等信息，也可以直接显示在仪表上以提醒驾驶人员，还可以通过远程通讯传送到监控中心以实现对大量车辆高压电路连接状态的统计分析和大数据处理等。

本发明应用于电驱动汽车：不仅实现了对高压电系统健康状态的定量综合表征和在线识别，从而使对电动汽车高压电系统安全状态进行更科学合理的高压电安全管理成为可能；还实现了对高压电系统健康状态的预测，从而使提前排除高压电系统故障风险、避免因高压电安全造成事故和保护系统免受损坏成为了可能。本发明所述高压电系统健康状态诊断预警方法，填补了现有同类技术的空白，有效防止了因高压电系统故障引起的火灾、设备及人身伤害，对电动汽车的发展具有重要的意义和作用。并对混合动力汽车、燃料电池汽车甚至储能系统等都是适用的，对串联电池组、串联电容组等也都是适用的。经测试表明，本发明所述电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法具有高压电路健康状态指数估计误差<3％，实现了高压电系统健康状态等级精确诊断预测的高精度和高可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种电动汽车高压电系统健康状态诊断预警电路，其特征在于，包括：绝缘电阻检测模块、连接电阻检测模块、电池管理模块、电机控制模块、预充电监控模块、继电器监控模块、控制计算模块，其中，

-所述绝缘电阻检测模块，用于在线检测电动汽车中的串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值；

-所述连接电阻检测模块，用于在线检测电动汽车高压线路的连接电阻值；

-所述电池管理模块，用于在线检测电动汽车中的串联电池组的电压和电流，对电池进行管理，判断所述串联电池组的健康状态；

-所述电机控制模块，用于控制电机运行并在线诊断电动汽车中驱动电机系统的故障等级及直流输入端的电压和电流；

-所述预充电监控模块，用于在线检测连接于电动汽车高压电路中的预充电电路的故障等级；

-所述继电器监控模块，用于在线检测串联在电动汽车高压电路中的各继电器的故障等级；

-所述控制计算模块，用于接收和处理所述绝缘电阻检测模块、连接电阻检测模块、电池管理模块、电机控制模块、预充电监控模块、继电器监控模块输出的信息。

2.一种电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在线检测电动汽车的串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值、高压线路的连接电阻值、串联电池组的健康状态、串联电池组的电压、串联电池组的电流、驱动电机系统的故障等级、驱动电机系统直流输入端的电压、驱动电机系统直流输入端的电流、预充电电路的故障等级、继电器的故障等级；

步骤2：当驱动电机系统的故障等级达到设定等级时，则要求驱动电机系统降功率运行；当预充电电路的故障等级达到设定等级，且高压电路继电器未闭合时，则要求减小预充电持续时间后的时间百分比；当继电器的故障等级达到设定等级时，则减小继电器带载电流后的电流百分比；

步骤3：根据高压线路的连接电阻值计算高压电路连接健康状态指数；

步骤4：根据串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值、串联电池组额定电压计算归一化绝缘电阻值；并通过函数计算得到高压系统绝缘健康状态指数；

步骤5：计算高压电系统健康状态指数；

步骤6：

将各级的高压电系统健康故障的判定值与高压电系统健康状态指数对比，

当高压电系统健康状态指数SOH小于等于某一级的高压电系统健康故障的判定值时，即SOH≤SOH_{lmt_i}时，

则认定第i级高压电系统发生了健康故障，其中SOH_{lmt_i}表示第i级的高压电系统健康故障的判定值，i为正整数。

3.根据权利要求2所述的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，其特征在于，还包括如下任一步骤：

绝缘电阻值预测步骤：利用在最近多个检测时刻上检测到的m个串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值，

在线拟合出绝缘电阻值与时间t的变化曲线，利用该变化曲线计算出未来一段时间后的绝缘电阻值，实现对绝缘电阻的预测；其中m≥3，设这m个绝缘电阻值中的第一个绝缘电阻值对应的检测时刻为T0i，其余各个检测时刻与前一个检测时刻的差值为时间t；

连接电阻值预测步骤：利用在最近多个检测时刻上检测到的n个高压线路的连接电阻值，

在线拟合出连接电阻值与时间t的变化曲线，利用该变化曲线计算出未来一段时间后的连接电阻值，实现对高压线路的连接电阻值的预测；其中n≥3，设这n个连接电阻值中的第一个连接电阻值对应的检测时刻为T0c，其余各个检测时刻与前一个检测时刻的差值为时间t。

4.一种电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，其特征在于，针对每一时刻，执行权利要求3所述的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法中的步骤1至步骤6，实现对每一时刻高压电系统健康状态指数的计算以及健康等级的判断。

5.根据权利要求3所述的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，其特征在于，还包括如下步骤：

指数发送步骤：通过设置在计算模块上的CAN通讯接口将步骤1至6、绝缘电阻值预测步骤、连接电阻值预测步骤中分别计算的得到的高压电系统健康状态指数、未来一段时间后的绝缘电阻值、未来一段时间后的连接电阻值发送至整车控制器。

6.根据权利要求2所述的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，其特征在于，所述步骤3中，高压电路连接健康状态指数的计算公式如下：

SOH_C＝60×((1/10)/Rc)^1/2；

式中：SOH_C表示高压电路连接健康状态指数，Rc表示高压线路的连接电阻值。

7.根据权利要求6所述的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，其特征在于，所述步骤4中通过函数计算得到高压系统绝缘健康状态指数；

计算公式如下：

RV_lmt＝Ri/V_BATnrm；

SOH_i＝f(RV_lmt)；

式中：RV_lmt表示归一化绝缘电阻值，Ri表示串联电池组与车身地之间的绝缘电阻值，V_BATnrm表示串联电池组额定电压，f(RV_lmt)表示按将通过人体的电流值对人体的影响程度转化为RV_lmt对人体的影响所设定的函数，SOH_i表示高压系统绝缘健康状态指数。

8.根据权利要求7所述的电动汽车高压电系统健康状态诊断预警方法，其特征在于，所述步骤5中计算高压电系统健康状态指数的计算公式如下：

SOH＝min(SOH_BAT,SOH_Pre,SOH_R,SOH_C,SOH_i)；

式中：SOH表示高压电系统健康状态指数，SOH_BAT表示串联电池组的健康状态指数，SOH_Pre表示预充电电路健康状态指数，SOH_R表示继电器健康状态指数，min表示最小值运算符。