CN101846711A - 用于检测电源和底盘之间的泄漏路径的故障检测方法 - Google Patents

用于检测电源和底盘之间的泄漏路径的故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种检测电动或者混和-电动车辆的直流功率系统和底盘地之间的接地故障状况的方法。所述方法包括：顺序地打开和闭合连接在所述车辆的所述直流功率系统的正节点和底盘地之间的第一开关以及连接在所述直流功率系统的负节点和所述底盘地之间的第二开关。顺序地打开和闭合所述第一和第二开关对存在于所述直流功率系统的金属部件和所述底盘之间的固有电容充电和放电。当所述固有电容被充电和放电时生成第一和第二电流。然后，使用所生成的第一和第二电流的测量值来确定在所述直流功率系统和所述车辆底盘地之间是否存在接地故障状况。

Description

用于检测电源和底盘之间的泄漏路径的故障检测方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2009年2月16日递交的名为“用于检测电源和底盘之间的泄漏路径的故障检测方法”的No.61/152,905号美国临时申请的优先权，该临时申请的说明书通过引用被包含于此。
技术领域
下面的公开内容涉及用于高压DC系统的电气故障检测系统和方法。
背景技术
很多因素，包括日益提高的能源价格、环境考虑以及新电池技术的发展，激发了对电动汽车的兴趣。“插入(plug-in)”型电动车辆只依赖于电池供电的电动机来推动车辆。“混和”车辆使用电驱动马达结合汽油或者柴油为燃料的引擎的组合以获得更高的里程数。
插入和混和车辆通常使用以大型电池或电池组供电的高压DC驱动器。在这些系统中存在的电压范围可以从100到1000伏或者更高。因此，如果未将高压系统与车辆底盘有效地隔离，则使用这些系统可能造成危险。DC变得危险的阈值电压可能低至55到60伏，并且与高压DC电源接触可能导致严重的伤害。和直流接触易于导致使受害者紧握带电导体的连续肌肉收缩，增大了烧伤或者其他伤害的风险。从高压系统到底盘的电流泄漏(故障)可能由和底盘部件接触的磨损电线以及部件故障导致。盐、尘土和其他碎屑的腐蚀和/或浸蚀可能提供电流路径。因此，识别潜在的危险故障非常重要。
一种目前提出的故障检测器利用注入被隔离的地的电容耦合的信号。但是，在电动车辆中的大量寄生和固有电容往往使这些设备对于可靠的使用电容耦合的信号用于故障检测来说“噪声”过高。另一建议的方法是使用惠斯顿电桥。但是，跨过惠斯顿电桥的检测节点的短路可能无法检测。因此，需要一种用于例如在电动车辆和其他应用中使用的高压DC系统的更可靠的故障检测系统。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于在直流系统和底盘地(chassisground)之间具有固有电容(inherent capacitance)的设备中，监测所述直流系统以便监测接地故障的装置。这个实施例包括连接在底盘地与第一和第二开关之间的故障检测模块。第一开关也连接在所述直流系统的正节点和所述故障检测模块之间。第二开关连接在所述直流系统的负节点和所述故障检测模块之间。提供了开关驱动器来顺序地打开和闭合所述第一开关和所述第二开关，以使所述固有电容被充电和放电。
在一个方面中，所述故障检测模块包括用于控制所述开关驱动器的控制器以及电流传感器。电流传感器感测所述第一开关闭合时的第一电流和所述第二开关闭合时的第二电流。然后，电流传感器把指示所述第一和第二电流的测量值或者安培数的信号传送到所述控制器。连接到所述控制器的数据接口响应于所述第一和第二电流的测量值或者安培数输出信号。所述电流传感器可以包括可编程增益放大器和模数信号转换器，其中，所述可编程增益放大器向所述模数信号转换器传送信号，并且，所述模数信号转换器向所述控制器传送信号。
在另一方面，第一电阻串联连接在所述直流系统的正节点和所述第一开关之间。并且，第二电阻连接在所述直流系统的负节点和所述第二开关之间。优选地，第一和第二电阻的电阻基本相等。第一和第二电阻的电阻通常较高，在兆欧量级。
所述装置可以包括连接到所述控制器的非易失性存储器，具有所述控制器用来根据所述第一和第二电流中的变化检测故障的预编程指令。所述非易失性存储器还可以包括或者被预编程为包括被所述控制器采用的、用于响应于所述第一和第二电流中的变化确定所述直流系统信号的寄生电阻的指令，以及被所述控制器采用的、用于根据所述第一和第二电流确定所述直流系统信号的泄漏电流的指令。
在另一个实施例中，提供了一种用于具有直流功率系统的电动车辆的故障检测装置，在所述直流功率系统和所述车辆的底盘之间具有固有电容，所述故障检测装置包括连接到所述车辆的底盘地的故障检测模块。所述故障检测模块也连接到第一开关和第二开关，第一开关和第二开关进而分别连接到所述直流功率系统的正节点和负节点。所述故障检测模块包括开关输出驱动器控制部分，所述开关输出驱动器控制部分顺序地或者以交替地方式打开和闭合第一和第二开关，以便以预定间隔对所述固有电容充电和放电。电流传感器感测当固有电容被充电时所述第一开关闭合时的第一电流，并感测当固有电容被放电时所述第二开关闭合时的第二电流。基于所感测的第一和第二电流的值，可以包括信号处理器的数字控制器利用存储在非易失性存储器中的预编程的指令来确定在所述直流功率系统和所述车辆的底盘之间是否存在接地故障状况。连接到所述数字控制器的数据接口把指示是否检测到故障状况的信号发送到车辆的车载计算机或者其他的控制器或处理器。
在又一个实施例中，一种检测电动车辆或者混和-电动车辆的直流功率系统中的接地故障状况的方法包括：顺序地打开和闭合连接在所述直流功率系统的正节点和所述电动车辆的底盘地之间的第一开关以及连接在所述直流功率系统的负节点和所述电动车辆的底盘地之间的第二开关。当第一和第二开关被打开和闭合时，功率系统的金属或者其他导电部件和底盘之间的固有电容被充电和放电。当固有电容被充电和放电时，通过第一开关的第一电流和通过第二开关的第二电流分别被测量。使用所测量的电流的值来确定在所述直流功率系统和底盘地之间是否存在接地故障状况。
附图说明
为了更完善的理解，结合附图参考下列的描述，在附图中：
图1示出了采用根据本公开内容的故障检测系统的高压DC电气系统的示意图；
图2是示出故障检测系统的模拟工作的图；
图3是示出在故障情况下图1的故障检测系统的模拟工作的图；
图4是表示在第二故障情况下图1的故障检测系统的模拟工作的图；
图5是进一步示出图1的故障检测系统的模拟工作的图；和
图6的框图示出了图1的故障检测模块的一种结构。
具体实施方式
图1是采用示范性故障检测系统100的高压DC电气系统的示意图。例如，可以在例如高尔夫球车或者汽车的电动车辆102(由电动机104驱动，并由电池或者电池组106供电)中采用系统100。也可以在汽油-电动混和或者其他类型的混和电动设备或者机器中采用系统100。这些系统通常工作于较高的电压，例如100到1000伏或者更高。如图所示，下面将更详细地描述的检测模块108通过第一开关110和第一电阻112连接到电池106的正端子。检测模块108也通过第二开关116和第二电阻118连接到电池106的负端子。如任选地所示那样，第一开关110和第二开关116可以被组合为单刀双掷型开关或者继电器113。
在工作中，开关110和116在故障检测模块108的控制下被顺序地打开和闭合。第一和第二开关110、116是高压固态开关，例如光耦继电器。第一和第二电阻112、118是大值电阻，通常在1兆欧或者更高的量级上。优选地，电阻112、118的电阻值相等或者基本相等。在一个实施例中，其中，电池的地和底盘地122相对于彼此浮动，系统100包括可以包括齐纳二极管120的过压保护设备。可以使用其他的设备来为这个系统提供过压保护。如图所示，齐纳二极管120连接在底盘地122和高压系统之间，并具有略高于跨过直流供电系统-电池或电池组106-的电势的击穿电压。
在图1中，系统中的寄生电阻由电阻124表示。理想地，电阻124的值非常大，在兆欧量级。电容126代表系统中存在于电池部分106和车辆底盘地122之间的固有电容。在电动车辆的情况下，固有电容126通常因位置靠近或者邻近高压系统的金属部分的金属底盘部件的数量和尺寸所致而较大。
图2是示出示范性故障检测系统100的模拟工作的图。出于这个例子的目的，假设电阻112的值是1兆欧，假设固有电容126的值是1纳法，并且假设寄生电阻124的值是10兆欧。这代表从高压系统到底盘地没有或者几乎没有电流泄漏的理想状况。如图所示，当开关110在时间T0闭合时，电流通过电阻112和开关110流动，直到固有电容126被充电。当固有电容126被充电时，I1的值下降，接近零，反映出电阻112的较大值。在T2，开关110被打开，并且开关116被闭合。固有电容126通过电阻118和开关116放电，导致电流I2。如图所示，当电容126被放电时，I2的值接近零。将会理解，图2代表具有非常高的寄生电阻，因而具有低泄漏电流的系统，在图1中泄漏电流被指示为Ilk。
图3是示出在故障情况下图1的示范性故障检测系统100的模拟工作的图。出于图3的目的，假设300伏电池系统106，电阻112和118的值被设置为1兆欧，电容126的值为1纳法。在这种情况下，也假设了10毫安的泄漏电流(Ilk)。在T0，开关110闭合。电流I1通过电阻112和开关110流动。但是，在这个例子中，因通过寄生电阻124流动的泄漏电流所致，电流I1不下降。在时间T2，开关110被打开，并且开关116闭合。电流I2通过电阻118和开关116流动。同样，因跨过寄生电阻124的泄漏Ilk所致，I2的值不下降。
图4是表示在假设寄生电阻124的值是300千欧情况下图1的故障检测系统的模拟工作的图。再一次假设电阻112和118的值是1兆欧，并且假设固有电容126的值是1纳法。在T0，开关110闭合，并且电流通过电阻112和开关流动。如图所示，电流I1的值快速下降，但是，因跨过寄生电阻124的泄漏所致，I1的值不接近零。
图5是示出在电阻112失效开路时图1的故障检测系统的模拟工作的图。和图4的情况中一样，假设300伏电池系统106，其中，电阻118的值是1兆欧，并且寄生电容124的值是300千欧，固有电容126的值是1纳法。在T0，开关110闭合。但是，因为电阻112已经失效开路，没有电流I1通过电阻112流动。缺少I1是指示性的，并且可以被测量为失效开路电阻112。在时间T1，开关116闭合，并且开关110打开。如图所示，电流I2通过开关116和电阻118流动，达到峰值，然后下降到反映出相对较低的寄生电阻124的值的水平。在时间T2，开关116打开，并且开关110闭合。但是，由于电阻112的失效，I1的值达到零。此外，圆圈部分200标识了进一步可检测和可测量的电阻112失效开路的指示。例如，在时间T4在圆圈部分200中看到开路电阻112的进一步指示，其中，不存在一般因出现电容/电阻充电或者放电而看得到的过冲202。因此，在某些实施例中，电流I1、I2波形的每一个前沿或者过冲部分200、202也可以被控制器监测或者比较(如下面讨论的那样)，以便确定是否存在系统电阻失效。以类似方式，电阻118的失效也可以被监测。换句话说，可以使用在I1、I2电流波形的不同位置处所取的多个电流测量值来确定是否出现接地故障，或者接地故障检测电路或者检测系统是否已经失效。
图6的框图示出了图1的故障检测模块108的一个示范性结构。如图所示，模块108包括数字控制器或者微处理器600以及相关联的非易失性存储器602。非易失性存储器602可以被编程，或者被提供指令供存储。所存储的指令被工作模块108用于具体应用。例如，可以用规定了开关110和116被顺序地循环的频率、电流I1和I2被测量或者采样的频率、以及指示故障的阈值的指令来编程非易失性存储器602。如图所示，微处理器600通过开关输出驱动器控制部分604控制开关110和116的工作。
使用电流传感器电路605测量I1和I2的值，电流传感器电路605可以包括互阻抗可编程增益放大器，或者可编程/可调节电流传感器606。互阻抗可编程放大器606实际上把输入(IN)的电流测量值表示为电压输出(VOUT)。在其他的实施例中，可以使用提供代表电流测量值的输出信号或者执行实际上相同功能的其他设备或者电路。再次参考图2，可以以预定间隔确定或者测量I1和I2的值。例如，可以在T0和T2之间采样I1的值一次、两次、三次或者更多次。可以使用其他的采样频率。
模数转换器608接收可编程增益放大器606的输出，模数转换器608把电压输出信号转换为数字输出。在一个实施例中，数字输出在微控制器600的控制下被以预定间隔采样，并且样本被存储在存储寄存器610中。在某些实施例中，被选择的存储值可以被平均，以便在预定时段上和/或预定数量的存储值样本上平滑电流测量值。在各种实施例中，电流传感器电路605或者模数转换器608的数字输出被直接地、基本上直接地、或者间接地提供给控制器600。可以向模数转换器608提供来自内部基准电压电路614或者来自外部基准电压612其中之一的基准电压。模块108可以用电压调节器电路616的输出供电，电压调节器电路616可以集成到模块108中，或者可以是单独的外部设备。
模块108也包括允许微处理器600与外部设备通信的数据或者通信接口618。可以采用各种标准通信接口作为通信接口618，包括但不限于：I2C、CAN、SAA、单线(one-wire)或者其他通信接口，包括定制通信接口以及模拟信号接口。例如，在电动车辆中采用故障检测系统100的情况下，通信接口618可以把指示是否检测到故障的信号传送到电动车辆的控制器或者计算机系统。在一个实施例中，微处理器600可以把指示存在故障的信号通过接口618传送到电动车辆的计算机或者控制系统。在这种变型中，可以采取许多动作。例如，可以发出声音或者可视警报，或者，当车辆被关闭并置于“停车”时，继电器可以被打开以禁止车辆的电气系统。在其他的实施例中，利用通过通信接口618的来自微处理器600的信号输出用于测试设备的诊断目的。
通过进一步说明，测量I1和I2值使得能够确定任何寄生电阻124的值。再次转向图1，寄生电阻124的值可以如下确定。当开关112闭合时：
I1＝((V1-VR))/(RS1+Rlk)
其中RS1是第一电阻112的电阻，Rlk是寄生电阻124的值，并且V1和VR是图1中所指示的电压。
当开关112被打开并且开关116闭合时：
I2＝(V2-VR)/(RS2+Rlk)
其中，RS2是第二电阻116的电阻。
组合这些电流并设定RS1＝RS2：
(I1-I2)＝(V1-VR+(V2+VR))/(RS2+Rlk)＝VBATT/(RS2+Rlk)
其中，VBATT是电池106的电压。
由于使用检测模块108测量I1和I2，并且VBATT和RS2是已知量，可以使用数字控制器600和来自非易失存储器602的指令解前述方程求Rlk。随着Rlk的值已知，泄漏电流Ilk可以被确定为Ilk＝VBATT/Rlk。如果数字控制器确定Ilk大于预定值，例如1毫安，则数字控制器600将指令通信接口618传递故障信号。
再次参考图1，尽管系统100被示出为直接连接到电池组106的端子，在其他的版本中，它可以跨过高压系统的不同节点连接。在不同的实施例中，系统100可以被包含在车辆的高压电池组中，在电池供电的后备功率系统、无线动力工具或者装备和类似设备中采用。此外，故障检测模块108可以被包含在直流电源侧，或者车辆底盘、设备或机器上。
本发明的另一个实施例可以包含手持或者用户握持高压接地故障测试仪，该测试仪包含模块108和开关110和116，同时连接有三分叉引线。可以使这三个引线其中之一接触底盘或者设备地，第二个引线可以包含电阻RS1 112，并接触高压DC电源的高压侧，并且第三个引线可以包含电阻RS2 118，并接触高压DC电源的低压或者地侧。利用这种示范性手持测试设备，可以在电动或者混和-电动机器与高压DC电源或者具有相关联的较大DC偏压的AC电源之间的具有电气噪声的高压电气环境中，很容易地测试包含对人来说可能致命的电流的接地故障。
尽管已经详细描述了优选实施例和其他实施例，但是应该理解，不偏离本发明的概念和范围，可以对其做出各种变化、替换和更改。

Claims (20)

1.一种用于在直流系统和底盘地之间具有固有电容的设备中监测所述直流系统以便监测接地故障的装置，所述装置包含：
故障检测模块；
连接在所述直流系统的正节点和所述故障检测模块之间的第一开关；
连接在所述直流系统的负节点和所述故障检测模块之间的第二开关；
开关驱动器，顺序地打开和闭合所述第一开关和所述第二开关，以使所述固有电容被充电和放电；
其中，所述故障检测模块被连接在所述底盘地和所述第一和第二开关之间，所述故障检测模块包含：
用于控制所述开关驱动器的控制器；
连接到所述控制器的电流传感器，所述电流传感器感测所述第一开关闭合时的第一电流和所述第二开关闭合时的第二电流，所述电流传感器提供电流测量值，其中，所述电流测量值是指示所述第一电流和所述第二电流中的每一个的安培数的信号；
连接到所述控制器的数据接口，所述数据接口响应于根据控制器计算提供的结果输出信号，其中，所述控制器计算包含电流测量值。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电流传感器包括可编程增益放大器和模数信号转换器，所述可编程增益放大器向所述模数信号转换器传送信号，并且其中，所述模数信号转换器向所述控制器传送所述电流测量值。
3.如权利要求1所述的装置，还包含串联连接在所述直流系统的所述正节点和所述第一开关之间的第一电阻，以及串联连接在所述直流系统的所述负节点和所述第二开关之间的第二电阻。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述第一电阻和第二电阻的电阻大致相等。
5.如权利要求1所述的装置，还包含连接到所述控制器的非易失性存储器，所述非易失性存储器适于被加载多条指令，其中，所述多条指令被配置成使所述控制器执行所述控制器计算以确定在所述直流系统和所述底盘地之间是否存在接地故障，并提供所述结果，其中，所述控制器计算包含所述第一电流和第二电流的电流测量值。
6.如权利要求1所述的装置，还包含连接到所述控制器的非易失性存储器，所述非易失性存储器适于存储多条指令，其中，所述多条指令被配置成使所述控制器执行所述控制器计算以确定在所述直流系统和所述底盘地之间是否存在能够产生大于预定安培数的寄生电流的寄生电阻，并提供所述结果。
7.如权利要求1所述的装置，还包含连接到所述控制器的非易失性存储器，所述非易失性存储器适于存储多条指令，其中，所述多条指令被配置成使所述控制器执行所述控制器计算以确定在所述直流系统和所述底盘地之间是否存在大于预定安培数的泄漏电流，并提供所述结果。
8.如权利要求1所述的装置，还包含连接在所述底盘地和所述直流系统的所述负节点之间的过压保护设备。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述故障检测模块连接到电动或者混和-电动车辆的电气系统。
10.一种用于电动车辆或者混和-电动车辆的电气故障检测装置，其中，所述车辆包含直流功率系统以及所述直流功率系统与车辆底盘之间的固有电容，所述装置包含：
故障检测模块，适于连接在所述车辆的底盘地和第一开关之间，所述第一开关连接到所述直流功率系统的正节点，所述故障检测模块还适于连接在所述底盘地和第二开关之间，所述第二开关连接到所述直流功率系统的负节点，所述故障检测模块包含：
开关输出驱动器控制部分，提供开关信号供所述第一和第二开关接收，所述开关信号指令所述第一开关和所述第二开关顺序地打开和闭合，从而以预定间隔对所述固有电容充电和放电；
电流传感器，感测所述固有电容被充电时的第一电流和所述固有电容被放电时的第二电流；
连接到所述开关输出驱动器控制部分的控制器，所述控制器给所述开关输出驱动器控制部分提供开关输出驱动器控制信号；
连接到所述控制器的非易失性存储器，所述非易失性存储器适于存储多条指令，其中，所述多条指令被配置成使所述控制器基于从所述电流传感器输出的数字测量数据确定是否存在故障状况；和
连接到所述控制器的通信接口，响应于来自所述控制器的故障状况信号输出用于车辆控制器的信号。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述电流传感器包含：
可编程增益放大器，接收所述第一电流和第二电流；和
模数信号转换器，接收指示第一电流和第二电流测量值的可编程增益放大器输出信号，所述模数信号转换器把数字测量数据输出直接地或间接地提供给所述控制器。
12.如权利要求10所述的装置，其中，第一电阻串联连接在所述直流系统的正节点和所述第一开关之间，并且第二电阻串联连接在所述直流系统的负节点和所述第二开关之间。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述第一电阻和第二电阻的电阻大致相等。
14.如权利要求10所述的装置，其中，所述多条指令还被配置成使所述控制器在所述开关输出驱动器控制信号中包括预定间隔信息。
15.如权利要求10所述的装置，还包含连接在所述底盘地和所述直流系统的所述负节点之间的过压保护设备。
16.如权利要求10所述的装置，其中，所述多条指令还被配置成使所述控制器确定所述直流系统和所述底盘之间的泄漏电流是否大于预定安培数。
17.一种检测电动或者混和-电动车辆的直流功率系统中的故障状况的方法，所述直流功率系统在所述直流功率系统的金属部件和所述车辆的金属底盘之间具有固有电容，所述方法包含：
使用数字控制器，顺序地打开和闭合连接在所述直流功率系统的正节点和底盘地之间的第一开关以及连接在所述直流功率系统的负节点和所述底盘地之间的第二开关，以便以预定间隔对所述固有电容充电和放电；
测量当所述固有电容被充电时的第一电流的值和当所述固有电容被放电时的第二电流的值；和
使用所述数字控制器，使用所测量的所述第一电流和第二电流的值，计算在所述车辆中是否存在接地故障状况。
18.如权利要求17所述的方法，还包含当检测到故障状况时把故障信号提供给车辆电路。
19.如权利要求17所述的方法，还包含使用所述数字控制器，基于所述第一和第二电流的所述安培数计算所述直流系统和所述底盘之间的寄生电阻。
20.如权利要求17所述的方法，还包含使用所测量的所述第一电流和所述第二电流的值，确定所述直流系统和所述底盘之间的泄漏电流。
CN201010121177.9A 2009-02-16 2010-02-11 用于检测电源和底盘之间的泄漏路径的故障检测方法 Active CN101846711B (zh)

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