用于具有可重新配置的电池系统的电力推进系统的诊断方法

技术领域

本公开涉及一种诊断方法，该诊断方法与配置成用于激励车辆或其他可再充电移动平台上的推进功能的电力传动系一起使用。电力传动系通常包括至少一个由缠绕的定子和磁转子构造的多相/交流(“AC”)旋转电机。定子绕组连接到功率逆变器的AC侧，而功率逆变器的直流(“DC”)侧又连接到DC电压总线。当电机用作牵引马达时，功率逆变器的各个半导体开关的ON/OFF状态的切换控制产生适于激励定子绕组的水平的AC输出电压。顺序激励的定子绕组产生旋转磁场，该磁场最终与转子场相互作用以产生机器旋转和马达输出转矩。

背景技术

上述DC电压母线电连接到电压源，其通常被实现为多单元高压电池系统。用于激励机动车辆和其他移动平台的推进功能的电池的额定电压不断增加，增加的电池组电压最终扩展了电动行驶范围并改善了整体行驶性能。电池充电基础设施及相关充电方法同样在继续发展。

例如，一些新兴的DC快速充电(“DCFC”)站能够提供800-1000V或更高的充电电压，而较旧的“传统”DCFC站可能能够提供较低的充电电压，例如400-500V。为了适应更宽范围的充电电压，某些电池系统利用多个电池模块。各个电池模块可以在推进操作期间选择性地并联连接，而在高压充电操作期间选择性地串联连接，其中串联连接使得能够利用较高的充电电压。

发明内容

本文描述了用于移动平台的电力推进系统以及用于诊断电力推进系统的电气状况的方法。电力推进系统包括电池系统、牵引功率逆变器模块(“TPIM”)和电机。电池系统连接到正电压母线轨和负电压母线轨，具有多个电池模块、切换控制电路和控制器。控制器配置为执行体现用于从多种可能的电气状况中检测并隔离诊断的电气状况的方法的指令，其中一些可能指示电气故障状况，而另一些则被认为是正常或预期状况。

每个电池模块都有对应的模块电压。整个电池系统具有总电压，在此称为电池电压。切换控制电路选择性地建立电池模块的串联连接(“S连接”)配置(其中电池电压是模块电压的倍数)或并联连接(“P连接”)配置(其中电池电压等于模块电压)。如本领域普通技术人员将理解的，当以P连接配置操作时，对于各种电池模块，模块电压基本相等，在电池系统的给定构造中使用的电池模块的数量确定S连接配置的电压倍数。

直流快速充电(“DCFC”)站提供的快速充电电压可能等于或大大超过模块电压。为了适应来自给定遇到的DCFC站的不同可能的充电电压，在连接到DCFC站时控制切换控制电路，以在S连接和P连接配置之间选择。控制器可基于各种模式选择因素来选择适当的配置，比如但不限于来自DCFC站的可用最大充电电压、电池模块或其组成电池单元的温度和充电状态和/或其他因素。以这种方式，电池系统能够灵活地利用更高或更低的DCFC电压。

如本文所认识到的，从P连接配置切换到S连接配置的动作有时会导致某些电气状况。某些电气状况是故障状况。其他是正常或预期状况。形成切换控制电路的各个开关的结构可能会导致某些电气状况，例如，体现继电器或接触器的硬件或者固态/高能半导体开关(比如IGBT或MOSFET)中的可能故障。因此，控制器配置为执行本方法，以帮助识别并隔离电力推进系统中的故障和无故障电气状况，例如到底盘接地的正或负母线轨的电气短路、马达绕组故障和其他电气故障或无故障状况，如本文所述。

电池系统可选择性地连接到电气负载，比如附件负载，例如辅助电源模块(“APM”)、压缩机、TPIM等。电池系统的多个电池模块具有模块电压，该电池系统还包括切换控制电路，其具有分别具有对应的ON/OFF状态的开关。切换控制电路配置为通过开关的操作以并联连接电池模块以提供等于模块电压的第一电池电压。在移动平台经由旋转电机的推进期间建立并联配置。经由开关选择性地建立串联配置，以提供模块电压的倍数的第二电池电压，其发生在电池的充电操作期间。

响应于电池模块串联连接，控制器分别确定正负母线轨上的第一(正)和第二(负)母线轨电压以及正负轨之间的中间母线电压，然后使用第一和第二母线轨电压和中间母线电压从多个可能的电气状况中识别诊断的电气状况。此后，控制器响应于诊断的电气状况执行适当的控制动作。例如，控制动作可以包括在控制器的存储器中记录指示诊断的电气状况的诊断代码。

分别连接到母线轨和位于其间的中间母线轨的电压传感器可用于测量第一(正)和第二(负)母线轨电压以及中间母线电压。可能的电气状况可包括当附件负载连接到母线时的正或负母线轨的短路接地状况和/或中间母线轨的短路接地状况。可能的电气状况还可包括无故障状况，其中当在快速充电操作期间连接电气负载时，控制器检测在正负母线轨之间的期望电压偏移。

另外，可能的电气故障状况可以包括旋转电机的马达绕组故障。例如，控制器可以通过检测在第一(正)和第二(负)母线轨电压以及中间母线电压中的每个的预定切换频率下的预定振荡来检测马达绕组故障。

控制器可以包括查找表，其填充有正负母线轨电压以及中间母线电压的期望值。在这样的实施例中，控制器可以通过将各个电压与存储在查找表中的期望电压进行比较来识别并隔离可能的电气状况。

根据示例性实施例，本文中还公开了一种移动平台，其包括：连接至平台主体的道路车轮；包括旋转电机的电气负载，该旋转电机配置成为道路车轮提供动力并由此推动移动平台；以及上述电池系统、电压传感器、切换控制电路和控制器。

另外，公开了一种与上述电力推进系统一起使用的诊断方法。在该方法的特定实施例中，响应于在对电池系统充电之前从P连接配置转换为S连接配置，控制器分别确定正负母线轨上的正负母线轨电压作为上述第一和第二母线轨电压，并且还确定中间母线电压。该方法包括使用母线轨电压和中间母线电压(包括参考填充有电压的期望值的查找表)从多个可能的电气状况中将电力推进系统的电气状况识别为诊断状况。该方法还包括响应于诊断的电气状况而执行控制动作，包括在控制器的存储器中记录指示诊断的电气状况的诊断代码。

以上发明内容并非旨在表示本公开的每个实施例或方面。而是，前述发明内容举例说明了本文阐述的某些新颖方面和特征。当结合附图和所附权利要求书考虑时，根据用于实施本公开的代表性实施例和模式的以下详细描述，本公开的上述及其他特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是正在进行直流快速充电(“DCFC”)操作的移动平台的示意图。

图2A和2B是分别并联和串联连接的一对代表性电池模块的示意性现有技术电路图。

图3是具有电力推进系统的移动平台的示意图。

图4和5是具有图2B的串联连接的电池模块和在DCFC操作期间的连接的电气负载的电力推进系统的示意性电路图。

图6A和6B分别是使用电池系统和DCFC站的非限制性示例性配置的图4和5的电力推进系统内可能的诊断结果的通用表和专用表。

图7是描述本诊断方法的实施例的流程图。

本公开易于进行修改和替代形式，其中代表性实施例通过示例在附图中示出并且在下面详细描述。本公开的发明方面不限于所公开的特定形式。而是，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本公开范围内的修改、等同物、组合和替代方案。

具体实施方式

参照附图，其中在多个图中相似的附图标记指代相同或相似的部件，图1中描绘了移动平台20，其包括主体200和电力推进系统10，其中电力推进系统10包括电池系统11。在所示的代表性实施例中，电力推进系统10为移动平台20的推进功能提供动力，本文所用的“示例性”是指示出本教导的某些方面的非限制性示例配置，即相对于其他可能的实施方式不一定是有利的或优选的。示出了移动平台20正在进行直流快速充电(“DCFC”)操作，其中电池系统11电连接至车外DCFC站30，例如经由使用一定长度的高压充电线缆30C而内部连接至DC电荷耦合器(未示出)的车辆充电端口200C。尽管在图1中未示出，但充电线缆30C的末端连接可以是SAE J1772或其他合适的充电插头或连接器。

电池系统11可以用作图1的移动平台20的一部分或在其他可再充电电气系统中使用，比如但不限于移动式发电厂、机器人、输送机或运输平台等，该电池系统的内部结构和可重新配置的串联-并联切换控制在下面参考图2A和2B详细描述。对于车辆应用，包括飞机、轮船和铁路车辆在内的非机动车辆可能会享有类似的好处。为了说明一致性，在下文中将移动平台20描述为受益于从本教导至一般的车辆应用或特定的机动车辆应用的示例性应用。

所示实施例中的移动平台20分别包括前后道路车轮14F、14R。道路车轮14F、14R分别连接到分开的前后驱动轴14A

移动平台20可以不同地体现为具有可以选择性地通过充电电压(“V

图1的控制器50包括处理器(P)和存储器(M)，其中存储器(M)包括适合应用量的有形非暂时性存储器，例如只读存储器，无论是光学、磁性、闪存还是其他形式。控制器50还包括足够应用量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等以及高速时钟、模数和数模电路以及输入/输出电路和设备以及适当的信号调节和缓冲电路。控制器50被编程为执行体现故障检测和隔离方法的指令100，其中控制器50接收指示电池系统11的驱动请求或自主请求的充电模式的输入信号(箭头CC

如本领域普通技术人员将理解的，一些输入信号(箭头CC

参考图2A，在简化的实施例中，电池系统11可以由少至两个电池模块12A和12B构成。在其他实施例中可以使用附加的电池模块，两个电池模块12A和12B在下文中仅用于说明一致性和简单性。电池模块12A和12B以P连接配置示出，其中每个电池模块12A和12B具有如上所述的电池模块电压V

在说明性且非限制性实施例中，电池模块电压V

在图2A和2B的示例性电路拓扑中，为了说明简单起见，其使用两个电池模块12A和12B，开关控制电路15由多个开关构成，例如开关S1、S2和S3，在其他实施例中可能使用三个以上开关。开关S1、S2和S3可以配置为机电和/或电磁开关(比如继电器或接触器)，也可以配置为固态半导体开关(比如MOSFET、IGBT等)。因此，为便于说明，各个开关S1、S2和S3被描述为二进制开关，当处于闭合位置时其具有ON/导通状态，而当处于断开位置时其具有OFF/非导通状态。

开关S1连接在电池模块12A的负(-)端子与负DC母线轨17

当开关S3断开并且开关S1和S2闭合时(在图2A中示出了这种情况)，电池模块12A和12B并联电连接。同样，如图2B所示，当开关S3闭合且开关S1和S2断开时，电池模块12A和12B串联电连接。因此，电池电压V

简要地参照图3，电力推进系统10可以包括电池系统(“B

参考图4，电池系统11电连接到DCFC站30和附件负载(“LD”)40，比如但不限于图3的APM42、电机28和/或128、TPIM25和/或125、空调控制模块等。本文所述的电路可包括DCFC站30、电池系统11和附件负载40。DCFC站30中的隔离电阻器表示为R7和R8。同样地，在图4的最右边示出的附件负载40处，电容器由C5和C6表示，并且隔离电阻器由R5和R6表示，并且示意性地示出了标称附件(“ACC”)40A。电池系统11包括：电池堆叠13C，其具有隔离电阻器R1和R2，以及用于电池模块12A的电容器C1和C2及其相关功率电子器件，并且具有用于电池模块12B的隔离电阻器R3和R4以及电容器C3和C4及其相关功率电子器件。

在DC快速充电过程期间，在电池系统11内，中间母线节点N

如图4所示，在分析对应于电池系统11的电路时，假定三个电流变量，其中电流I

简要地参考图5，当TPIM25和电机28连接到电池系统11时，附件负载40可以可替代地体现为附件负载140。为了说明简单，图5中示出了TPIM25的一个相腿，图5同样描绘了电机28的相应定子绕组W

可以如下对电池系统11进行数学分析：

I

V

V

其中，在稳态条件下，时间导数项接近零。在电容器和电阻器的系统参数为已知/预定值的情况下，可以使用上述六个方程来计算六个未知数V

参照图6A的表60，从以上方程，可以获得V

图6B的表160是其中电池模块电压(V

图6A和6B的诊断状况(1)和(2)是在示例性DCFC操作期间的正常或预期状况，即无故障，其中附件负载40或140分别切断/不通电或接通/通电。当附件负载40或140通电时，附件负载40或140以小于DCFC电压被供电，例如以下面使用的400V，而在图6B中DCFC电压800V。因此，状况1和2描述了在接通附件负载40或140时应该发生的电压偏移，在该示例中，使图4和5的正轨17

图6A和6B的状况3-5描述了各种可能的“故障”状况，在本公开的范围内其他故障状况也是可能的。在特定实施例中，分别在图4中标记为框[3]、[4]和[6]的状况3、4和6分别对应于负母线、正母线和中间母线的短路主体或短路底盘/接地状况。这样的短路状况的特征在于在三个传感器节点N1、N2或N

状况6描述了异常状况，其中中间母线电压V

这样的结果可以指示中间母线轨的短路接地状况。响应于在电池系统11的DC快速充电之前从图2A的P连接配置转换为图2B的连接配置，控制器50分别确定正负母线轨上的正负母线轨电压(V

在执行方法100时，控制器50可通过将电压V

可能的电气诊断状况可能包括：当第一(正)母线轨电压V

参照图7，方法100的示例实施例从框B102开始，其中控制器50分别计算第一(正)和第二(负)母线轨电压V

在框B103，控制器50将针对第一和第二母线轨电压(V

框B104包括记录指示第一诊断状况(“DIAG1”)的诊断代码，即在充电期间当附件负载40或140未运行时的正常或预期状况。方法100在校准的控制循环中从框B102重新开始，使得方法100在整个充电操作期间以这种循环执行。

与框B103类似，框B105包括将来自框B102的电压测量与指示中间母线短路状况的阈值范围进行比较。也就是说，框B105可以确定中间母线电压V

在框B106，控制器50记录指示第六诊断状况(“DIAG6”)的诊断代码，即在DCFC过程期间当附件负载40或140接通时会发生的可能的中间母线轨短路接地状况。方法100从框B102重新开始，如以上关于框B104所述。

框B107包括将来自框B102的母线轨测量与针对第二诊断状况(即在充电期间当附件负载40或140接通或运行时的正常或预期状况)的低/高阈值范围进行比较。当满足框B107的状况时，控制器50行进至框B108，可替代地，行进至框B109。

在框B108，控制器50记录指示第二诊断状况(“DIAG2”)的诊断代码，即在充电期间附件负载40或140运行的正常或预期状况。方法100从框B102重新开始，如以上关于框B104所述。

框B109包括将针对第一(正)和第二(负)母线轨电压V

框B110包括经由控制器50确定电压V

在框B111，控制器50记录指示第五诊断结果(“DIAG5”)的诊断代码，即可能的马达绕组故障。然后，方法100从框B102重新开始。

在框B112，控制器50记录指示第三诊断结果(“DIAG3”)的诊断代码，即到主体200或其他电气接地的负母线轨17

框B113包括将针对母线轨电压V

框B114包括记录指示第四诊断结果(“DIAG4”)的诊断代码。然后，方法100从框B102重新开始。

框B115包括记录指示无故障或替代故障状况(“NF/ALT”)的诊断代码。取决于控制器50的编程，即，框B115可以是无故障状况，或者可以以与其他可能的故障模式相对应的额外范围来执行额外的分析。因此，图6A、6B和7的六个指示的电气状况不是限制性的，在其他实施例中可能使用更多或更少的状况。

本方法100的使用可以促进检测并隔离图1的电力推进系统10中的电气故障状况，其中在充电期间选择性地启用S连接电池配置以利用较高的充电电压。如上所述，从P连接配置转换为S连接配置可以增加发生某些电气故障的可能性，比如但不限于图6A和6B中详细描述的故障状况。鉴于前述公开，本领域普通技术人员可以容易地想到这些及其他益处。

虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但存在各种替代设计和实施例用于实践在所附权利要求中定义的本教导。本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本公开的范围的情况下对所公开的实施例进行修改。而且，本概念明确地包括所描述的元件和特征的组合和子组合。详细描述和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求限定。