CN101488662A - 用于故障隔离和漏电流检测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于故障隔离和漏电流检测的系统和方法。提供了交通工具的包括壳体、初级、次级和故障检测电路的逆变器系统。初级配置成从能量功率源接收第一电压信号以产生第二电压信号。次级配置成响应于第二电压信号而产生第三电压信号。初级和次级中的至少一个限定至少一个电阻点，以响应于产生第三电压信号而释放漏电流。故障检测电路配置成电耦合初级和次级，以向次级提供第二电压信号，并测量第三电压信号的一部分，以确定通过至少一个电阻点释放的漏电流是否在预定的电流范围内。

Description

用于故障隔离和漏电流检测的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年1月16日提交的美国临时申请序列号61/021,472的利益并要求2008年12月23日提交的美国专利申请序列号12/342，110的优先权，这些申请在此通过引用被全部并入。
技术领域
本发明的一个或更多实施方式通常涉及用于对交通工具中的逆变器(inverter)电路检测故障隔离和漏电流(leakage current)的系统和方法。
背景技术
众所周知，为了给不是交通工具的部分的电气设备(例如但不限于便携式电话、膝上型计算机或真空吸尘器)充电或使用这些电气设备，需要购买各种配件市场适配器，以便这样的适配器可插入交通工具的电源插座和电气设备中，以给电气设备充电或使用该电气设备。为了给交通工具中的这样的电气设备充电和/或使用该电气设备，需要配件市场交通工具适配器，其包括电缆和通常以圆柱形连接器的形式成形的连接器，以与交通工具中的电源插座(例如雪茄点火插座)紧密配合。连接器包括可缩回的导电销，该导电销与位于交通工具的电源插座内的配合端子接触，以实现其间的功率传输。适配器可包括用于将DC功率转换成AC功率的额外的电路(例如，逆变器电路)，以便电气设备可操作或储存交通工具所提供的功率。
原始设备制造商(OEM)试图消除交通工具乘客必须购买如上所述的配件市场交通工具电气适配器的需要。例如，OEM实现了交通工具内的母插脚连接器，该母插脚连接器能够以与当将电气设备连接到住宅、建筑物或其它适当设施的电气壁插座时调用的方法类似的方法来接纳公插脚连接器。OEM一贯对为用户提供安全连接的需要警觉，所述用户可能与母插脚连接器或用于在交通工具中提供DC到AC转换的其它元件接触。
发明内容
提供了用于交通工具的包括壳体、初级(primary stage)、次级(secondarystage)和故障检测电路的逆变器系统。初级配置成从能量功率源接收第一电压信号以产生第二电压信号。次级配置成响应于第二电压信号而产生第三电压信号。初级和次级中的至少一个限定至少一个电阻点，以响应于产生第三电压信号而释放(discharge)漏电流。故障检测电路配置成电耦合初级和次级，以向次级提供第二电压信号并测量第三电压信号的一部分，以确定通过至少一个电阻点释放的漏电流是否在预定的电流范围内。
附图说明
在所附权利要求中具体指出了本发明的实施方式。然而，通过结合附图参考下列详细说明，各种实施方式的其它特征将变得明显并最佳地被理解，其中：
图1描绘用在交通工具中的逆变器系统；
图2描绘逆变器系统的各个内部电阻点；
图3描绘根据本发明的一个实施方式的逆变器系统；
图4是描绘相应于非隔离故障情况的波形的曲线；以及
图5是描绘相应于一个隔离故障情况的波形的曲线。
具体实施方式
这里公开了本发明的详细实施方式。然而，应理解，所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，本发明可体现在不同的和可选的形式中。附图不一定按比例绘制，一些部件可被放大或缩小以显示特定组件的细节。因此，这里公开的特定的结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为权利要求的代表性基础和/或用于教导本领域的技术人员不同地使用本发明的一个或更多实施方式的代表性基础。
为了在交通工具中提供DC到AC的转换，以便电气设备可从基于高AC的电压输出工作，各种安全措施可用于保护与连接器中的插脚接触的用户，该连接器与向电气设备提供基于高AC的电压相关。在第一措施中，通常与基于高AC的电压相关的任何组件(包括连接器和一个或更多插脚)与交通工具的电气网络的其余部分充分隔离(例如，通过交通工具的轮胎经由底盘到地表的接地)。这样的隔离是足够的，只要在DC到AC转换系统(或逆变器系统)周围的各个隔离电阻点高。
第二措施要求如果关于从交通工具网络的其余部分隔离高AC电压组件存在故障，这样的高AC电压被断开以防止电击用户的危险。本发明的一个或更多实施方式目的在于保护可能与连接器的插脚接触的用户，该连接器用于将高AC电压从交通工具传送到电气设备。
图1一般地示出用在交通工具中的逆变器系统10。系统10包括功率源12和逆变器模块14。逆变器模块14通常包括其中具有用于接纳第二连接器(未示出)的插脚18a-18n的第一连接器16。用户20可使第二连接器紧密配合到第一连接器16。一般来说，逆变器模块14配置成从功率源12接收DC电压并将DC电压转换成AC电压输出。第二连接器耦合到电气设备。电气设备可包括便携式电话、膝上型计算机、真空吸尘器或需要A/C电功率来操作的其它适当的设备。
AC电压输出可为100Vac/50Hz、110Vac/60Hz、200Vac/60Hz、220Vac/60Hz或230Vac/50Hz中的任何一个，但不限于此，取决于交通工具在哪个国家使用。在一个实例中，功率源12可为产生12Vdc的交通工具电池。在另一实例中，功率源12可为DC电源，例如电压DC/DC稳压器或转换器，该转换器将基于高DC的电压转换到适合于输入到逆变器模块14的DC电压电平。功率源12被认为是能够向逆变器模块14提供适当的输入的任何这样的设备。
逆变器模块14包括初级24和次级26。逆变器模块14进一步包括具有初级线圈(coil)22a和次级线圈22b的变压器22。初级24和次级26彼此协作以将DC电压输入转换成AC电压输出。例如，初级24可包括DC/AC转换器(未示出)以将DC输入电压转换成具有高频分量的低AC电压。次级26将低AC电压转换回高DC电压(例如，300V或其它适当的电压)。高DC电压被输入到包括MOSFET、IGBT或其它适当的功率设备的开关元件，以产生期望的AC电压输出。将DC电压转换成AC电压输出的上面描述在本领域中是已知的，并且将不被进一步描述。由于次级26的高电压特性，次级26通常从初级24隔离(通过各种隔离元件)。隔离元件包括但不限于在印刷电路板(PCB)中分离初级24和次级26中的轨道的分离机构、变压器22中的电隔离、光耦合器或其它适当的设备。初级24可包括变压器22的初级线圈22a，而次级26可包括变压器22的次级线圈22b。
逆变器模块14可包括由金属(可考虑其它电导性材料)构成的壳体25。初级24和次级26通常位于逆变器模块14内。第一连接器16可位于交通工具中仪表板的中央堆积(stack)区内。绝缘的布线电缆可耦合到第一连接器16和逆变器模块14，以实现其间的电通信。
可定位壳体25，以便与交通工具中的表面产生足以建立到地表的适当接地的接触。在一个实例中，壳体25可耦合到交通工具底盘(例如，见底盘连接28)。底盘连接28通过轮子(未示出)耦合到地。轮子可包括如Rwh表示的小电阻。
连接27在壳体25和功率源12的负馈电之间形成。如上所述，次级26从初级24隔离。这样的隔离通常指如下情况：最小漏电流在初级24和次级26之间流动，同时逆变器模块14将DC电压输入转换成AC电压输出。通过从初级24隔离次级26，这样的情况也从负馈电的连接27和底盘连接28隔离次级26。如果次级26没有从初级24适当地隔离，则电路闭合时大量漏电流可在初级24和次级26之间流动。在用户20接触第一连接器16的负插脚的情况下，这样的情况可能伤害用户20。
图2描绘了可能出现在逆变器系统10内的各个内部电阻点(RP1、RP2、RP3和RP4)。各个内部电阻点RP1、RP2、RP3和RP4的欧姆值确定在初级24和次级26之间流动的漏电流的量。应注意，为了将DC电压输入转换成AC电源输出，内部电阻点RP1-RP4不应被解释为在逆变器模块14内实现的实际电阻器。这样的内部电阻点RP1-RP4表示在初级24、次级26和/或壳体25之间可能呈现欧姆值的位置。
内部电阻点RP1-RP4的电阻值在正常工作情况下高，这指示次级26从初级24隔离。RP1可相应于变压器22的初级线圈22a的正侧和次级线圈22b的正侧之间的内阻。RP2可相应于初级线圈22a的负侧和次级线圈22b的负侧之间的内阻。RP3可相应于次级线圈PR3的正侧和接地(例如，耦合到底盘连接28的金属壳体25)之间的内阻。RP4可相应于次级线圈RP4的负侧和接地(例如，耦合到底盘连接28的金属壳体25)之间的内阻。
如果电阻点RP1-RP4中的一个或更多电阻点呈现低欧姆情况，这样的情况可相应于次级26没有从初级24隔离。在这样的情况下，如果第一连接器16与第二连接器紧密配合，则认为隔离故障存在，且从次级26传递到初级24的漏电流高。由于在初级或次级26中电气设备内的一个或更多问题，可能造成这样的隔离故障。任何一个电阻点所呈现的低欧姆情况可相应于隔离故障。通常应认识到，漏电流从次级26传递到初级24(并通过电阻点RP1-RP4)，同时高AC电压输出被传送到电气设备。当隔离故障未出现时，通过电阻点RP1-RP4释放的任何这样的漏电流被认为是可忽略的。
图3描绘了根据本发明的一个实施方式的逆变器系统50。系统50包括故障检测电路51。故障检测电路51通常配置成确定在次级26和初级24之间流动的漏电流的量。故障检测电路51关闭初级24和次级26之间的电路，以确定漏电流是否在预定的电流范围内。在一个实例中，预定的电流范围可相应于小于5mA的电流值。用于建立预定的电流范围的特定的电流值可根据特定实现的期望标准而变化。故障检测电路51包括开关器件52、微控制器54和分压器网络(例如电阻器R1和R2)。微控制器54测量电阻器R1和/或R2两端的电压，以确定从次级26流到初级24的漏电流的量。
在运行中，微控制器54配置成控制开关器件52(例如，开关、继电器、晶体管或其它适当的机构)来关闭一段预定数量的时间，以便微控制器54测量电阻器R2(或电阻器R1、或电阻R1和R2)两端的电压，以确定是否被测量的电压在预定的电压范围内。如果电阻器R2两端被测量的电压在预定的电压范围内，则微控制器54确定没有隔离故障出现在电阻点RP1-RP4中的一个或更多电阻点处。同样，流经逆变器模块14的任何这样的漏电流通常被认为是可忽略的(或在预定的电流范围内)，且可不电击用户20。如果被测量的电压不在预定的电压范围内，则微控制器54确定至少有一个隔离故障存在，且漏电流超过预定的电流范围。在这种情况下，微控制器54可关闭逆变器模块14并停止将DC电压输入转换成AC电压输出，以消除高漏电流与用户20接触的可能性。
微控制器54可响应于检测隔离故障而控制LED或其它适当的机构，以警告用户。在一个实例中，微控制器24可通过数据通信总线电耦合到交通工具周围的其它控制器。这样的数据通信总线可被实现为控制局域网(CAN)、本地互联网(LIN)或其它公认的备选方案，但不限于此。微控制器54可在总线上将消息传输到其它控制器，以便控制器通知用户隔离故障(例如，警告用户的集群照明警报器(cluster lighting telltale))。
微控制器54可在交通工具引擎启动之后控制开关器件52关闭并测量电阻器R2两端的电压，从而检测高漏电流情况(或隔离故障)的存在(例如，电阻点RP1-RP4的欧姆值中的一个或更多值为低)。在用户可能经受电击情况之前，微控制器54响应于检测隔离故障而关闭逆变器模块14。通常设想，微控制器54还可在引擎启动之后控制开关器件52关闭并以预定的间隔(例如，每10秒钟或适当的时间帧)周期性地测量电压。
在一个实例中，微控制器54可用电阻器R2两端的被测量电压来计算电阻器R2两端的Vrm。Vrm可相应于具有5V峰-峰值的AC信号，DC偏移为2.5V。微控制器54可在20ms的一段时间内对50Hz的A/C输出电压以及在16.6ms的一段时间内对60Hz的A/C输出电压测量电阻器R2两端的电压。在微控制器54确定了被测量的电压的Vrm之后，微控制器54比较Vrm与预定的电压范围。在预定的电压范围内的电压值可以是均方根的格式。应认识到，微控制器54用来测量电压的时间段可包括不同于上面提到的那些值的其它值。
在一个实例中，预定的电压范围可相应于0.78Vrm到1Vrm的范围。这意味着，如果被测量的电压的Vrm相应于0.78Vrm和1Vrm之间的值，则这样的情况可指示没有隔离故障存在，且漏电流在预定的电流范围内。这样的情况还可指示在逆变器模块14周围的所有电阻点RP1-RP4的总电阻大于或等于120Kohm。另一方面，如果被测量的电压的Vrm小于0.78Vrm或大于1Vrm，则这样的情况可指示在次级26和初级24之间有隔离故障存在，且漏电流可能在预定的电流范围之外。如果这样的情况存在，微控制器54可关闭逆变器模块14的运行。被选择成建立预定的电压范围的特定值可根据给定实现的期望标准而变化。
形成系统50中的分压器网络的电阻器的数量可变化，且没有被规定为限制到图3所示的那些。分压器网络(例如，电阻器R1和R2)可减小电压，以便微控制器54内的模拟/数字(A/D)转换器(未示出)可读取电阻器R1和/或R2两端被测量的电压。可以设想，微控制器54可以不包括读取电阻器R1和R2两端的电压的A/C转换器，且可使用用于读取电压的其它适当的方法。
如上所述，次级26从初级24接收低DC电压。次级26将低AC电压转换回高DC电压，并将高DC电压提供到功率开关元件以产生期望的AC电压输出。在另一实施方式中，开关器件52可耦合到次级26内的各个DC级，以便可测量电阻器R1和/或R2两端的基于DC的电压，以获得与如上所述的均方根电压格式相对的基于DC的测量。对于如上所述的均方根电压格式，电阻器R1和R2通常耦合到次级26内的与AC电压组件相关的不同设备。
图4是根据本发明的一个实例描绘相应于非隔离故障情况的被测量的波形62的曲线60。波形62通常相应于单个电阻器(例如电阻器R1或R2)两端被测量的电压。波形62以正弦波的形式成形，且这样的正弦波通常指示各个内部电阻点RP1-RP4呈现高电阻值(例如，在预定的电压范围内的被测量的电压读数)，从而指示漏电流在预定的电流范围内(例如，小于5mn或其它适当的电流值)。
图5是描绘相应于隔离故障情况的被测量的波形72的曲线。波形72是可表示高漏电流风险的被测量的电压的实例(例如，不在预定的电压范围内的被测量的电压)。在这样的情况下，内部电阻点RP1-RP4中的一个或更多电阻点可呈现低电阻状态。通常设想，包括在逆变器模块14内的其它这样的电子设备例如电容器、二极管和/或感应器可与电阻器R1和/或R2组合，以提供备用检测电路来产生相应于高漏电流情况的特征波形(signature waveform)。
虽然示出和描述了本发明的实施方式，但不意味着这些实施方式示出和描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，在本说明书中使用的词语是描述而不是限制的词语，且应理解，可进行各种变化而不偏离本发明的实质和范围。

Claims (20)

1.一种用于交通工具的逆变器系统，所述逆变器系统包括：
壳体；
初级，其位于所述壳体内并配置成从能量功率源接收第一电压信号，以产生第二电压信号；
次级，其位于所述壳体内并配置成响应于所述第二电压信号而产生第三电压信号，其中所述初级和所述次级中的至少一个级限定至少一个电阻点，以响应于产生所述第三电压信号而释放漏电流；以及
故障检测电路，其配置成电耦合所述初级和所述次级，以向所述次级提供所述第二电压信号，并测量所述第三电压信号的一部分，以确定通过所述至少一个电阻点释放的所述漏电流是否在预定的电流范围内。
2.如权利要求1所述的逆变器系统，其中所述故障检测电路包括开关器件和至少一个电阻器，且其中所述开关器件配置成将所述初级电耦合到所述次级，以向所述至少一个电阻器提供所述第三电压信号来产生所述第三电压信号的所述一部分。
3.如权利要求2所述的逆变器系统，其中所述故障检测电路包括控制器，所述控制器配置成测量所述至少一个电阻器两端的所述第三电压信号的所述一部分，并确定所述第三电压信号的被测量的部分是否在预定的电压范围内。
4.如权利要求3所述的逆变器系统，其中所述控制器进一步配置成如果所述第三电压信号的所述被测量的部分在所述预定的电压范围内，则确定所述漏电流在预定的电流范围内。
5.如权利要求3所述的逆变器系统，其中所述控制器进一步配置成如果所述第三电压信号的所述被测量的部分不在所述预定的电压范围内，则确定所述漏电流不在所述预定的电流范围内。
6.如权利要求5所述的逆变器系统，其中所述控制器进一步配置成响应于确定所述第三电压信号的所述被测量的部分不在所述预定的电压范围内而禁止产生所述第三电压信号的操作。
7.如权利要求1所述的逆变器系统，其中所述壳体是金属。
8.如权利要求1所述的逆变器系统，其中所述第一电压信号是第一基于DC的电压信号，而所述第三信号是第二基于DC的电压信号和基于AC的电压输出信号中的至少一个信号。
9.一种用于交通工具的逆变器系统，所述逆变器系统包括：
电导性壳体；
初级，其位于所述壳体内并配置成从能量功率源接收第一电压信号，以产生第二电压信号；
次级，其位于所述壳体内并配置成响应于所述第二电压信号而产生第三电压信号，其中所述初级和所述次级中的至少一个级限定至少一个电阻点，以响应于产生所述第三电压信号而释放漏电流；以及
故障检测电路，其配置成电耦合所述初级和所述次级，以向所述次级提供所述第二电压信号，并测量所述第三电压信号的一部分，以确定通过所述至少一个电阻点释放的所述漏电流是否在预定的电流范围内。
10.如权利要求9所述的逆变器系统，其中所述故障检测电路包括开关器件和至少一个电阻器，且其中所述开关器件配置成电耦合所述初级和所述次级，以向所述至少一个电阻器提供所述第三电压信号来产生所述第三电压信号的所述一部分。
11.如权利要求10所述的逆变器系统，其中所述故障检测电路进一步包括控制器，所述控制器配置成控制所述开关器件，以响应于检测引擎“启动”情况而向所述电阻器提供所述第三电压信号。
12.如权利要求10所述的逆变器系统，其中所述控制器进一步配置成测量所述至少一个电阻器两端的所述第三电压信号的所述一部分，并确定所述第三电压信号的被测量的部分是否在预定的电压范围内。
13.如权利要求12所述的逆变器系统，其中所述控制器进一步配置成响应于确定所述第三电压信号的所述被测量的部分在所述预定的电压范围内而实现所述第三电压信号的产生。
14.如权利要求12所述的逆变器系统，其中所述控制器进一步配置成响应于确定所述第三电压信号的所述被测量的部分不在所述预定的电压范围内而禁止产生所述第三电压信号的操作。
15.如权利要求9所述的逆变器系统，其中所述壳体是金属。
16.如权利要求9所述的逆变器系统，其中所述第一电压信号是第一基于DC的电压信号，而所述第三信号是第二基于DC的电压信号和基于AC的电压输出信号中的至少一个信号。
17.一种用于交通工具的逆变器系统，所述逆变器系统包括：
壳体；
初级，其位于所述壳体内并配置成从能量功率源接收DC电压信号，以产生低AC电压信号；
次级，其位于所述壳体内并配置成响应于所述低AC电压信号而产生高AC电压信号，其中所述初级和所述次级中的至少一个级限定至少一个电阻点，以响应于产生所述高AC电压信号而释放漏电流；以及
故障检测电路，其配置成电耦合所述初级和所述次级，以向所述次级提供所述低AC电压信号，并测量所述高AC电压信号的一部分，以确定通过所述至少一个电阻点释放的漏电流是否在预定的电流范围内。
18.如权利要求17所述的逆变器系统，其中所述故障检测电路包括开关器件和至少一个电阻器，且其中所述开关器件配置成将所述初级电耦合到所述次级，以向所述至少一个电阻器提供所述高AC电压信号来产生所述高AC电压信号的所述一部分。
19.如权利要求18所述的逆变器系统，其中所述故障检测电路包括控制器，所述控制器配置成测量所述至少一个电阻器两端的所述高AC电压信号的所述一部分，并确定所述高AC电压信号的被测量的部分是否在预定的电压范围内。
20.如权利要求19所述的逆变器系统，其中所述控制器进一步配置成响应于确定所述高AC电压信号的所述被测量的部分不在所述预定的电压范围内而禁止产生所述高AC电压信号的操作。
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