CN102735983B - 具有失效检测器的绝缘状态检测单元 - Google Patents

Abstract

一种绝缘状态检测单元构造成：通过利用根据可变值的失效判定阈值执行对于开关的失效检测，所述开关将快速电容器连接至用于获取充电电压的取样保持电路和地电位。也就是说，绝缘状态检测单元构造成：当快速电容器被充以与DC电源的输出电压对应的电荷量时，通过把被充以与快速电容器的充电电压相对应的电荷量的取样保持电路的电容器的充电电压作为基准来确定失效判定阈值。

Description

具有失效检测器的绝缘状态检测单元

技术领域

本发明涉及一种利用快速电容器检测非接地电源与地电位的绝缘状态的绝缘状态检测单元，尤其地涉及一种具有失效检测器的绝缘状态检测单元，该失效检测器检测对充电/放电电路转换快速电容器的连接状态的开关的失效。

背景技术

在将电功率用作驱动能量的车辆中，通常将其中电压被升压(例如，升压至200V)的DC电源用作与车身绝缘的非接地电源。在如上所述非接地的电源中，对于非接地电源与地电位的绝缘状态的检测，诸如关于是否存在接地故障的检测，使用利用快速电容器的绝缘状态检测单元。

绝缘状态检测单元在转换其内部开关的同时，可各自地以与和地电位绝缘的DC电源的输出电压相对应的电荷量、以与DC电源的正端子侧上的接地故障电阻对应的电荷量、和以与DC电源负端子侧上的接地故障电阻对应的电荷量给快速电容器充电。于是，在绝缘状态检测单元的控制器中，测量各充电电压，并基于各测量值，计算正端子侧与负端子侧上的接地故障电阻，由此能检测非接地电源的绝缘状态。

然而，当开关中发生完全短路或者局部短路时，不能精确地检测非接地电源的绝缘状态。因此，已提出的是，逐个地将在检测非接地电源的绝缘状态时初始应接通的开关转换成断开状态，并且从快速电容器的充电状态检测仅仅在转换成断开状态的所述开关处于接通状态时才出现的状态，由此检测每一个开关的失效。

具体地，在初始处于未放电的状态的快速电容器实际上放电的情况下，判定在快速电容器的放电电路上存在任一开关失效(参考JP3890503B、JP 3890504B、JP 3962991B和JP 2008-089323A(专利族：US 7,443,155B2))。

发明内容

在上述传统的开关失效检测的情况下，将快速电容器的充电电压与失效检测用的阈值互相比较。此时，在快速电容器的充电电压的测量值中有时包含噪声成分。为了避免由噪声成分的存在引起失效检测的错误判定，有利地将比噪声成分的电压值高的值用作为失效检测用的阈值。

然而，实际上，即使出现开关的局部短路状态是罕见的，也希望能够检测相关的局部短路状态，并因此不得不将低的值用作为失效检测用的阈值，使得能将局部短路状态包括为检测目标。在利用设定为这种低的值的阈值的失效检测中，存在因噪声成分的存在而错误地检测失效的可能性。

考虑到上述情形做出本发明。本发明的目的是提供一种具有失效检测器的绝缘状态检测单元，其在失效检测范围内包括局部短路状态的同时，抑制因包含在充电电压的测量值中的噪声成分导致的错误的失效检测，并从而能够精确地检测失效。

为了实现前述目的，根据本发明的第一方面的绝缘状态检测单元包括：快速电容器，其布置成可充以与地电位绝缘的DC电源的电源电压相对应的电荷量；伏特计，其用于测量快速电容器的充电电压；第一开关，其能够将快速电容器的一端连接至伏特计；第二开关，其能够将快速电容器的另一端连接至地电位；以及失效检测器，其在快速电容器被充以与DC电源的电源电压相对应的电荷量时，基于失效判定阈值与当第一开关与第二开关中的任意一个开关处于接通状态而该第一开关与该第二开关中的另一开关处于断开状态时由伏特计测量的电压值之间的比较结果来检测第一开关与第二开关的失效状态。失效检测器在快速电容器被充以与DC电源的电源电压相对应的电荷量时，将通过使第一开关与第二开关两者均处于接通状态时由伏特计测量的电压值降低至预定的比率所获得的电压值作为失效判定阈值，之后基于在快速电容器被再次充以与DC电源的电源电压相对应的电荷量之前获得的比较结果来检测第一开关与第二开关的失效状态。

根据本发明的第一方面的绝缘状态检测单元，确定了所述失效判定阈值，该失效判定单元是通过将在失效检测之前即刻由伏特计所测量的电压值(快速电容器的充电电压)降低至预定比率而获得的。因此，如果在失效检测之前即刻由伏特计所测量的电压值为高，则失效判定阈值同样变成高的值，而如果在失效检测之即刻由伏特计所测量的电压值为低，则失效判定阈值同样变成低的值。

顺便提及，在第一开关或第二开关出现失效的情况下，如果在失效检测之前即刻由伏特计所测量的电压值为高，则在失效检测时由伏特计所测量的充电电压(在第一开关与第二开关的其中一个开关处于接通状态而其中另一开关处于断开状态时所述快速电容器的充电电压)也为高，而如果在失效检测之前即刻由伏特计所测量的电压值为低，则在失效检测时由伏特计测量的充电电压也为低.

因此，从在失效检测之前即刻由伏特计测量的电压值来适当地设定确定失效判定阈值之时的比率，由此，即使将与在失效检测之前即刻由伏特计测量的电压值相对应的可变值作为失效判定阈值，也能执行包括第一开关与第二开关的局部短路状态的这种失效的检测。

于是，由于在失效检测之前即刻由伏特计测量的电压值较高，所以增大了失效判定阈值可能超出相关测量电压值中所包含的噪声成分的电压值的可能性，或者替代性地，还增大了失效判定阈值超出噪声成分的电压值的程度。因此，由于在失效检测之前即刻由伏特计测量的电压值较高，所以对于基于测量电压值所确定的失效判定阈值，可以确保对噪声成分的较大的容限。

这样，在失效检测范围内包括局部短路状态的同时，抑制了因在失效检测时由伏特计测量的电压值(快速电容器的充电电压)中包含的噪声成分而导致的错误的失效检测，并能精确地检测失效。

此外，在根据本发明的第一方面的绝缘状态检测单元中，优选地，伏特计包括：电容器，其被充以与快速电容器的一端的电位相对应的电荷量；和第三开关，其能够通过第一开关将电容器连接至快速电容器的一端，并且所述伏特计构造成当第一开关与第二开关两者处于接通状态时，获取与通过将第三开关变成接通状态达预定时段而充电至电容器的电荷量相对应的电压值作为测量电压值。于是，优选地，失效检测器还在电容器被充以与快速电容器的充电电压相对应的电荷量时，将通过在第三开关处于断开状态时由伏特计测量的电压值降低至预定比率所获得的电压值作为第三开关的失效判定阈值，之后基于由伏特计测量的电压值与第三开关的失效判定阈值(在电容器以第三开关接通的方式放电之前所获得的失效判定阈值)之间的比较结果以及由伏特计测量的电压值与第三开关的失效判定阈值(在电容器以第三开关接通的方式放电之后所获得的失效判定阈值)之间的比较结果中的至少任意一个比较结果，检测第三开关的失效状态。

在这样的构造中，同样地，在用于使得伏特计能够测量与快速电容器的充电电压相对应的测量电压值的第三开关中，存在可能出现被锁定在接通状态或断开状态中的失效的可能性。

在电容器被充以与快速电容器的充电电压相对应的电荷量的情况下，当第三开关处于断开状态时，电容器处于与放电电路断开的状态。因此，由伏特计测量的电压值初始应当为与电容器的充电电压相对应的值。因此，在应当处于断开状态的第三开关中出现失效，并且第三开关处于接通状态时，则电容器通过经由第三开关而与其相连的放电电路放电，并且由伏特计测量的电压值变成零。

此外，在电容器被充以与快速电容器的充电电压相对应的电荷量的情况下，当第三开关处于接通状态时，电容器通过第三开关连接至放电电路，并处于将充入电容器中的电荷放电的状态。因此，由伏特计测量的电压值初始应当为零。然而，在应当处于接通状态的第三开关中出现失效，并且第三开关处于断开状态时，则电容器不放电，并变成维持被充以与快速电容器的充电电压相对应的电荷量的状态。因此，由伏特计测量的电压值变成比零高的值。

因此，将第三开关的失效判定阈值设定为这样的比零高的值：使得当测量电压值比第三开关的失效判定阈值低时，能够判断第三开关引起了被锁定在接通状态的失效，而当测量电压值比第三开关的失效判定阈值高时，能够判断第三开关引起了被锁定在断开状态的失效。

因此，同样对于由伏特计所拥有的第三开关，能执行利用失效判定阈值的失效检测。

另外，当恰好在失效检测之前由伏特计测量的电压值为高时，响应于此，对于第三开关的失效判定阈值也升高，并能防止在失效检测时由伏特计测量的电压值超过对于第三开关的失效判定阈值以及在第三开关中出现失效的错误判定，所述错误判定是因噪声成分而做出的。

这样，同样对于由伏特计所拥有的第三开关，在失效检测范围内包括局部短路的同时，能防止该第三开关引起被锁定在断开状态的失效的这种错误判定，该错误判定是因在失效检测时由伏特计测量的电压值(快速电容器的充电电压)中所包含的噪声成分而做出的。

根据本发明的第一方面的绝缘状态检测单元，在失效检测范围内包括局部短路的同时，抑制因在充电电压的测量值中所包含的噪声成分而导致的错误的失效检测，并从而能精确地检测失效。

附图说明

图1是图示了根据本发明的实施例的具有失效检测器的绝缘状态检测单元的电路图。

图2是图示了取样保持电路的电路图。

图3是图示了各开关的接通/断开与电容器的充电状态之间的关系的时间图。

图4是在将作为定值的失效判定阈值用于接地故障检测电路的开关失效检测的情形下的说明图。

图5是根据本发明的实施例的说明图，图示了将作为可变值的失效判定阈值用于接地故障检测电路的开关失效检测的情形。

图6是图示了在通过利用作为可变值的失效判定阈值来执行开关失效检测的情况下各开关的接通/断开定时的时间图。

图7是图示了在通过利用作为可变值的失效判定阈值来执行开关失效检测的情况下各开关的接通/断开定时的时间图。

图8是图示了在通过利用作为可变值的失效判定阈值来执行开关失效检测的情况下各开关的接通/断开定时的时间图。

具体实施方式

以下在参考附图的同时做出本发明的实施例的说明。

图1是图示了根据本发明实施例的具有失效检测器的绝缘状态检测单元的电路图。根据该实施例的绝缘状态检测单元是这样一种单元：该单元用于检测与诸如车辆(未图示)的车身的地电位绝缘的DC电源B中的正端子侧上的主电路配线1p或负端子侧上的主电路配线1n中的绝缘状态。

图1中的附图标记RLp表示正端子侧上的接地故障电阻，而其中的附图标记RLn表示负端子侧上的接地故障电阻。每个接地故障电阻都是在正端子侧上的主电路配线1p和负端子侧上的主电路配线1n的每一者中出现接地故障的情况下的有效电阻。

检测主电路配线1p和1n的绝缘状态的绝缘状态检测单元10包括：接地故障检测电路11，其包括快速电容器C1；取样保持电路13，其取样保持快速电容器C1的充电电压和放电电压；以及微型计算机15，其检测取样保持电路13的保持值并测量快速电容器C1的充电电压和放电电压。在该实施例中将陶瓷电容器用作快速电容器C1。

除快速电容器C1之外，接地故障检测电路11还包括：正电极侧开关S1，其将快速电容器C1连接至DC电源B的正电极；负电极侧开关S2，其将快速电容器C1连接至DC电源B的负电极；第一开关S3，其将快速电容器C1连接至微型计算机15；和第二开关S4，其将快速电容器C1连接至地电位。第一电阻器R1串联连接在快速电容器C1与正电极侧开关S1之间。第二电阻器R2串联连接在快速电容器C1与负电极侧开关S2之间。

应指出的是，为了在由稍后将描述的微型计算机15测量快速电容器C1的充电电压和放电电压的情况下确保对于DC电源B的绝缘性能，将具有相同值的高电阻的电阻器用作第一电阻器R1和第二电阻器R2。

如在图2的电路图中所图示地，取样保持电路13包括：第三开关Sa，在该第三开关Sa中，一端连接至微型计算机15的第一A/D转换端口A/D1；读取电容器Ca，其连接在第三开关Sa的一端与地电位之间；和读取电阻器Ra，其串联连接在第三开关Sa的另一端与第一开关S3之间。

在第三开关Sa闭合的同时，读取电容器Ca被充以通过第五电阻器R5出现在第三开关Sa的一端上的电位。

微型计算机15通过在电压方面比DC电源B低的低压系统的电源(未图示)操作，并且DC电源B同样与微型计算机15的地电位绝缘。接地故障检测电路11的各开关S1至S4和取样保持电路13的第三开关Sa例如由光学MOSFET组成、与DC电源B绝缘，并能够受微型计算机15的接通/断开控制。

微型计算机15的第一A/D转换端口A/D1通过取样保持电路13连接至第一开关S3。取样保持电路13与第一开关S3之间的节点通过第四电阻器R4接地。第五电阻器R5连接在第二开关S4与地电位之间。此外，位于快速电容器C1的一端侧上(图1中的上极上)的正电极侧开关S1与第一开关S3彼此串联连接，并且电流方向转换电路X连接在正电极侧开关S1与第一开关S3之间的节点与快速电容器C1的一端之间。

电流方向转换电路X为并联电路，其中的一组由第一二极管D0与第一电阻器R1组成，在该第一二极管D0中，正向是从正电极侧开关S1朝快速电容器C1的一端，而其中的另一组由第二二极管D1组成，在该第二二极管D1中，正向是从第一开关S3朝快速电容器C1的一端，并且其中的至少一组由第三二极管D2与第三电阻器R3的串联电路组成，在该第三二极管D2中，正向是从快速电容器C1的一端朝第一开关S3。

在该实施例中，伏特计由上述取样保持电路13和微型计算机15组成。

接下来，关于检测上述绝缘状态检测单元10中的绝缘状态的情况下的程序的做出说明。首先，通过微型计算机15的控制，将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2接通达预定的规定时间，另外，将第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa断开达所述的规定时间。在此，规定时间是比快速电容器C1完全充电所需的时间短的时间。

这样，形成充电电路，其从DC电源B的正电极开始，经过正端子侧上的主电路配线1p、正电极侧开关S 1、第一二极管D0、第一电阻器R1、快速电容器C1的一端(在图1中的上极)、快速电容器C1的另一端(在图1中的下极)、第二电阻器R2、负电极侧开关S2和负端子侧上的主电路配线1n，然后到达DC电源B的负电极。该充电电路以下被称为第一充电电路。

于是，在第一充电电路中，快速电容器C1被充以与DC电源B的电压相对应的电荷量。通过该充电，快速电容器C1的一端变成正电极，而其另一端变成负电极。

随后，通过微型计算机15的控制，将正电极侧开关S 1和负电极侧开关S2断开，并将第一开关S3和第二开关S4接通。这样，快速电容器C1的正电极通过第三二极管D2、第三电阻器R3和第一开关S3连接至取样保持电路13，并且快速电容器C1的负电极通过第二开关S4和第五电阻器R5连接至地电位。这样，快速电容器C1放电。

此外，如图3的时间图所图示地，在第一开关S3和第二开关S4接通时的同时(也就是说，在时间点T1时)，通过微型计算机15的控制将取样保持电路13的第三开关Sa接通达短的时间(从T1到T2的时段，例如200至300μS)。这样，读取电容器Ca被充以在通过用第三电阻器R3和第四电阻器R4对快速电容器C1的充电电压分压所获得的电压当中的与第三电阻器R3的两端电压之间的差相当的电位。

在快速电容器C1开始放电时，快速电容器C1处于被充以与DC电源B的电压相对应的电荷量的状态。因此，在快速电容器C1的放电开始之后即刻被充以快速电容器C1的放电电压的所述读取电容器Ca中，积蓄了在与DC电源B相对应的电荷量中与第四电阻器R4和第五电阻器R5的分压比相对应的电荷量。

于是，当通过微型计算机15的控制将取样保持电路13的第三开关Sa断开时(在时间点T2时)，通过取样保持电路13向微型计算机15的第一A/D转换端口A/D1输入通过对读取电容器Ca的充电电压分压所获得的电位，并在那测量该电位。因此，允许微型计算机15从该测量的值、第三电阻器R3与第四电阻器R4的分压比和第四电阻器R4与第五电阻器R5的分压比来测量快速电容器C1的与DC电源B的电压相对应的充电电压Vc1。

应指出的是，在取样保持电路13的第三开关Sa断开之后，第一开关S3和第二开关S4在测量快速电容器C1的充电电压Vc1的时间段期间还保持接通，因此，快速电容器C1继续处于放电状态。

此外，在快速电容器C1的充电电压Vc1的测量结束之后(在时间点T3时)，通过微型计算机15的控制将取样保持电路13的第三开关Sa接通。这样，快速电容器C1和读取电容器Ca变成放电状态。在快速电容器C1和读取电容器Ca每一者都完全放电时的时间点时(也就是说，在时间点T4时)，通过微型计算机15的控制将各开关S3、S4和Sa断开。

于是，在快速电容器C1和读取电容器Ca完全放电之后，通过微型计算机15的控制将正电极侧开关S1和第二开关S4接通并将负电极侧开关S2和第一开关S3断开达上述规定时间。

这样，形成充电电路，其从DC电源B的正电极开始，经过正端子侧上的主电路配线1p、正电极侧开关S1、第一二极管D0、第一电阻器R1、快速电容器C1的一端、快速电容器C1的另一端、第二开关S4、第五电阻器R5、(地电位、)负端子侧上的接地故障电阻RLn和负端子侧上的主电路配线1n，然后到达DC电源B的负电极。该充电电路以下被称为第二充电电路。

于是，在第二充电电路中，快速电容器C1被充以与负端子侧上的接地故障电阻RLn相对应的电荷量。通过该充电，快速电容器C1的一端变成正电极，而其另一端变成负电极。

随后，通过微型计算机15的控制，将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2断开，另外，将第一开关S3和第二开关S4接通(在图3中的时间点T1时)，并将取样保持电路13的第三开关Sa接通达短的时间(从T 1到T2的时段，例如200至300μs)。

之后，在直到通过微型计算机15的控制将取样保持电路13的第三开关Sa再次接通为止的时间段期间(也就是说，在图3中从T2到T3的时段)，允许微型计算机15以与测量快速电容器C1的与DC电源B的电压相对应的充电电压Vc1时相似的方式来测量快速电容器C1的与负端子侧上的接地故障电阻RLn相对应的充电电压Vc1-。

于是，在快速电容器C1和读取电容器Ca完全放电之后，通过微型计算机15的控制将正电极侧开关S1和第二开关S4断开并将负电极侧开关S2和第一开关S3接通达上述规定时间。

这样，形成充电电路，其从DC电源B的正电极开始，经过正端子侧上的主电路配线1p、正端子侧上的接地故障电阻RLp、(地电位、)第四电阻器R4、第一开关S3、第二二极管D1、快速电容器C1的一端、快速电容器C1的另一端、第二电阻器R2、负电极侧开关S2和负端子侧上的主电路配线1n，然后到达DC电源B的负电极。该充电电路以下被称为第三充电电路。

于是，在第三充电电路中，快速电容器C1被充以与正端子侧上的接地故障电阻RLp相对应的电荷量。通过该充电，快速电容器C1的一端变成正电极，而其另一端变成负电极。

随后，通过微型计算机15的控制，将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2断开，另外，将第一开关S3和第二开关S4接通(在图3中的时间点T1时)，并将取样保持电路13的第三开关Sa接通达短的时间(从T1到T2的时段，例如200至300μs)。

之后，在直到通过微型计算机15的控制将取样保持电路13的第三开关Sa再次接通为止的时间段期间(也就是说，在图3中从T2到T3的时段)，允许微型计算机15以与测量快速电容器C1的与DC电源B的电压相对应的充电电压Vc1时以及以与测量快速电容器C1的与负端子侧上的接地故障电阻RLn相对应的充电电压Vc1时相似的方式来测量快速电容器C1的与正端子侧上的接地故障电阻RLp相对应的充电电压Vc1+。然后，快速电容器C1和读取电容器Ca完全放电。

顺便提及，在快速电容器C1的与DC电源B的电压相对应的充电电压Vc1、快速电容器C1的与负端子侧上的接地故障电阻RLn相对应的充电电压Vc-、快速电容器C1的与正端子侧上的接地故障电阻RLp相对应的充电电压Vc1+和正端子侧上的接地故障电阻RLp与负端子侧上的接地故障电阻RLn的并联合成电阻R当中，存在由以下的关系式所表示的关系：

1/R＝(RLp+RLn)/(RLp·RLn)与{(Vc1+)+(Vc1-)}/Vc1成比例

因此，通过利用上述关系式，微型计算机15能计算正端子侧上的接地故障电阻RLp与负端子侧上的接地故障电阻RLn的并联合成电阻R，并能检测DC电源B的绝缘状态。

应指出的是，关于在该实施例的接地故障检测电路11中用作快速电容器C1的陶瓷电容器，陶瓷电容器的电容由于DC偏压而很大程度地改变。此外，电容还由于绝缘状态检测单元10的环境温度、用作快速电容器C1的陶瓷电容器的个体差异等而很大程度地改变。

因此，为了消除电容的这些改变的影响，可改变由计算机15执行的各充电电压Vc1、Vc1-和Vc1+的测量程序。以下将对这种测量程序做出说明。

当快速电容器C1的电容降低到低于正常状态时，在对该快速电容器C1充电达固定时间的场合下，该快速电容器C1的充电量变得比在正常状态的充电量高，并且快速电容器C1的放电量在放电开始之后暂时变高。

相反，当快速电容器C1的电容上升到高于正常状态时，在对该快速电容器C1充电达固定时间的场合下，该快速电容器C1的充电量变得比在正常状态的充电量低，并且快速电容器C1的放电量在放电开始之后暂时变低。

在当放电开始之后经过了少许时间时，快速电容器C1的放电接近饱和。因此，即使快速电容器C1的电容从正常状态时的电容波动，从该时起在快速电容器C1的放电量中也不会出现大的差异。

也就是说，尽管因快速电容器C1的电容特性变化导致的充电量的波动是大的，但在当快速电容器C1的放电开始之后经过了少许时间的时间点时的放电电压的变化变小。具体地，当在快速电容器C1充电达固定时间(t1)之后开始快速电容器C1的放电的时间点时的放电电压VD 1以及当在快速电容器C1的放电开始之后经过了时间t2的时间点时的放电电压VD2由以下的方程表示：

VD1＝V0·[1-exp{-t1/(C1·a·RC)}]

VD2＝VD1·[exp{-t2/(C1·a·RD)}]

其中，V0：充电电压；C1：快速电容器C1：的电容；RC：充电电阻；RD：放电电阻；和a：快速电容器C1的电容的变异系数(也就是说，相对于正常状态的电容的比率)。

如从上述方程明显地，在快速电容器C1的电容下降的方向出现变化的情况下，在开始放电的时间点时的充电电压VD1变高。此外，在开始放电之后当经过了时间t2的时间点时的放电电压VD2同样变高。相反地，在快速电容器C1的电容上升的方向出现变化的情况下，在开始放电的时间时的充电电压VD1变低。此外，在开始放电之后经过了时间t2的时间点时的放电电压VD2同样变低。

如上所述，当快速电容器C1的电容相对于正常状态波动时，设想以使得快速电容器C1的充电量在开始放电之后暂时波动的方式来抵消快速电容器的充电量相对于正常状态波动的量。

因此，在从快速电容器C1的放电电压获得给快速电容器C1充电达固定时间时的充电电压的情况下，在获得充电电压V0时，通过利用放电电压VD2的以下方程(1)比通过利用放电电压VD1的以下方程(2)获得更高的精度：

V0＝VD2/{(t2与C1·RD的放电比)-(t1与Cl·RC的放电比)…方程(1)

V0＝VD1/(t1与C1·RC充电比)…方程(2)

(其中，放电比：在放电之后的电荷的残余率；而充电比：在充电之后的电荷的残余率)

因此，在快速电容器C的放电开始后经过了少许时间之后，通过微型计算机15的控制，将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2断开，另外，将第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa接通(在图3中的时间点T1时)。于是，从微型计算机15的第一A/D转换端口A/D1的输入测量电位，该电位是通过在短时间消逝之后对在直到通过微型计算机15的控制将第三开关Sa断开为止的时间段期间充电的读取电容器Ca的充电电压分压所获得的。于是，基于如此测量的值，由微型计算机15测量快速电容器C1的充电电压。

如上所述，可从在快速电容器C1的放电开始后经过了少许时间之后所测量的放电电压VD2来获得快速电容器C1的各充电电压Vc1、Vc1-和Vc1+。此外，可从放电电压VD2获得被充以与DC电源B的电源电压相对应的电荷量的快速电容器C1的充电电压Vc1，并且可从在当放电开始的时间点时的放电电压VD1获得与负端子侧上的接地故障电阻RLn相对应的快速电容器C1的充电电压Vc1-和与正端子侧上的接地故障电阻RLp相对应的快速电容器C1的充电电压Vc1+。

应指出的是，快速电容器C1的放电接近饱和的步调取决于快速电容器C1的电容而不同。因此，其中电容不为正常状态的快速电容器C1的放电量并没有从其中电容为正常状态的快速电容器C1的放电量大幅改变的时间点(也就是说，当在放电开始之后经过了少许时间的时间点)取决于电容比正常状态高还是低而不同。

因此，关于其中电容不为正常状态的快速电容器C1的放电量并没有从其中电容为正常状态的快速电容器C1的放电量大幅改变的时间点，在快速电容器C1的电容比正常状态更高和更低的情况下，可求得其平均值。于是，通过这种平均化而获得的时间点可被设定成测量放电电压VD2的时间点。

顺便提及，当接地故障检测电路11的各开关S1至S4发生被锁定于在接通状态的失效时，变成不可能以上述程序中恰当地检测DC电源B的绝缘状态。因此，检测DC电源B的绝缘状态的同时，上述微型计算机15在还用作用于对各开关S1至S4执行失效检测的失效检测器。

以下面的方式执行对于各开关S1至S4的失效检测：使得初始接通的开关S1至S4逐个地变成断开状态，并且从快速电容器C1的充电状态检测只有当变成断开状态的开关S1至S4处于接通状态才出现的状态。

在对各开关S1至S4的失效检测的情况下，将取样保持电路13的读取电容器Ca的与快速电容器C1的充电电压相当的充电电压Va(测量电压值)与阈值(失效判定阈值)互相比较。

在此，参考图4，对象以前一样将失效判定阈值设定为固定值的情形做出说明。

在开关的失效中，存在完全短路状态和局部短路状态。在这样的开关失效出现在绝缘状态检测单元10中的情况下，则关于读取电容器Ca的由微型计算机15测量的作为与快速电容器C1的充电电压对应的值的充电电压Va(测量电压值)，在完全短路状态时的所述充电电压Va采用比在局部短路状态时的更高的值。

因此，例如，在采用通过微型计算机15的正常测量中的测量电压值的50％作为失效判定阈值的情况下，如果将在每一个开关中出现完全短路状态的失效的情况下的测量电压值的假定范围内的最大值(也就是说，最大值是由图4中的测量电压值(最大值)时的完全短路的直方图所指示的水平)看作为失效判定阈值的基准，则失效判定阈值采用最高的值(图4中的失效判定阈值(1))。

其间，如果在开关中出现完全短路状态的失效的情况下的测量电压值的假定范围内的最小值(也就是说，最小值是由在图4中的测量电压值(最小值)时的完全短路的直方图所指示的水平)作为失效判定阈值的基准，则失效判定阈值采用最低的值(图4中的失效判定阈值(2))。

如果失效判定阈值设定为图4中最高的失效判定阈值(1)，则在开关中出现局部短路状态的失效的情况下，在由微型计算机15测量的电压值是假定范围内的最小值(也就是说，最小值是由图4中的测量电压值(最小值)时的局部短路的直方图所指示的水平)的情况下，不能检测失效。

与此相反，如果失效判定阈值被设定为图4中的最低的失效判定阈值(2)，则在开关中出现局部短路状态的失效的情况下，即使在由微型计算机15测量的电压值是假定范围内的最小值(也就是说，最小值是由图4中的测量电压值(最小值)时的局部短路的直方图所指示的水平)的情况下，也能检测失效。

替代地，在开关中未出现完全短路状态和局部短路状态的失效的情况下，在由微型计算机15测量的电压值中所包含的噪声成分(处于图4中的噪声容限(最坏)的水平)与失效判定阈值之间失去水平差。因此，尽管开关中未出现失效，因测量电压值中所包含的噪声成分，变得易于发生失效检测的错误判定。

应指出的是，还设想将图4中的失效判定阈值(1)与图4中的失效判定阈值(2)之间的中间至设定为失效判定阈值(也就是说，中间值是图4中的失效判定阈值(3))。然而，在该情况下，倘若出现局部短路状态的失效，则当由微型计算机15测量的电压值是最小值(由图4中的测量电压值(最小值)时的局部短路的直方图所指示的水平)或者接近该最小值时，变得不能够检测失效。

因此，在根据该实施例的绝缘状态检测单元10中，将作为取样保持电路13的读取电容器Ca的充电电压Va(由微型计算机15测量的电压值)的50％的电压值(相当于“降低至预定比率的电压值”)看作为失效判定阈值。在此，在失效检测之前即刻由微型计算机15测量充电电压Va，并且该充电电压Va是在快速电容器C1被充以与DC电源B相对应的电荷量时的电压。

例如，如在图5中所图示地，倘若在失效检测之前即刻由微型计算机15测量的电压值是在开关中出现完全短路状态的失效的情况下的假定范围内的最大值(也就是说，最大值是由图5中的测量电压值(最大值)时的完全短路的直方图所指示的水平)，则失效判定阈值变成处于由图5中的情形1的线所指示的测量电压值的一半的水平。

此时，基于快速电容器C1的充电状态的判定、由微型计算机15测量的电压值中所包含的噪声成分的容量的状况等等，由微型计算机15测量的电压值处于假定范围内的最高水平。因此，假定同样当开关中出现局部短路状态的失效时，由微型计算机15测量的电压值达到假定范围内的最大值(也就是说，最大值是由图5中的测量电压值(最大值)时的局部短路的直方图所指示的水平)。

当开关中出现局部短路状态的失效时由微型计算机15测量的电压值的最大值(也就是说，最大值是由图5中的测量电压值(最大值)时的局部短路的直方图所指示的水平)明显比在图5中由情形1的线所指示的失效判定阈值的水平高。此外，在由微型计算机15测量的电压值中包含的噪声成分的假定范围内的最大值(也就是说，最大值处于图5中的噪声容限(最坏)的水平)明显比失效判定阈值低。

此外，在失效检测之前即刻由微型计算机15测量的电压值是在开关中出现完全短路状态的失效的情况下的假定范围内的最小值的场合下(也就是说，最小值是由图5中的测量电压值(最小值)时的完全短路的直方图所指示的水平)，失效判定阈值变成处于由图5中的情形2的线所指示的测量电压值的一半的水平。

此时，基于快速电容器C1的充电状态的判定，由微型计算机15测量的电压值处于假定范围内的最低水平。因此，假定同样当开关中出现局部短路状态的失效时，由微型计算机15测量的电压值近似变成假定范围内的最小值(也就是说，最小值是由图5中的测量电压值(最小值)时的局部短路的直方图所指示的水平)。

当开关中出现局部短路状态的失效时由微型计算机15测量的电压值的最小值(也就是说，最小值是由图5中的测量电压值(最小值)时的局部短路的直方图所指示的水平)明显比在图5中由情形2的线所指示的失效判定阈值的水平高。此外，在由微型计算机15测量的电压值中所包含的噪声成分的假定范围内的最大值(也就是说，最大值处于图5中的噪声容限(最坏)的水平)明显比失效判定阈值低。

因此，通过如下方式确定根据可变值的所述失效判定阈值：将在失效检测之前即刻快速电容器C1被充以与DC电源B的电源电压相对应的电荷量时由微型计算机15所测量的电压看作为基准，由此，在开关中出现失效的情况下，能在不使局部短路状态的检测范围变窄的情况下精确地检测失效。

此外，由于失效判定阈值较高，所以提高了失效判定阈值可超过快速电容器C1的充电电压中所包含的噪声成分的电压值的可能性，或者替代性地，还提高了失效判定阈值超过噪声成分的电压值的程度。因此，由于失效检测之前即刻由微型计算机15测量的电压值较高，所以能为基于测量电压值确定的失效判定阈值确保对于噪声成分的较大的容限，能在失效检测范围内包括局部短路状态，同时，能基于微型计算机15的测量电压值精确地执行失效检测。

接下来，在对通过上述可变值确定失效判定阈值时的具体程序进行说明之前，对于在绝缘状态检测单元10中存在的接地故障检测电路11的各开关S1至S4和在绝缘状态检测单元10中存在的取样保持电路13的第三开关Sa的失效检测程序的做出说明。

关于使DC电源B的正电极与快速电容器C1互相连接的正电极侧开关S1和，以及使DC电源B的负电极与快速电容器C1互相连接的负电极侧开关S2，在快速电容器C1放电之后逐个地将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2变成接通状态，并且在之后确认快速电容器C1是否充电，由此能检测其失效。

也就是说，如果当正电极侧开关S1变成接通状态而负电极侧开关S2变成断开状态时，在负电极侧开关S2中出现被锁定于接通状态的失效，则初始不应充电的快速电容器C1由DC电源B充电。以类似的方式，同样在当正电极侧开关S1变成断开状态而负电极侧开关S2变成接通状态时，在正电极侧开关S1中出现被锁定于接通状态的失效的情况下，则初始不应充电的快速电容器C1由DC电源B充电。

因此，其后由微型计算机15测量与快速电容器C1的充电电压相当的取样保持电路13的读取电容器Ca的充电电压(测量电压值)，并确认测量充电电压是低于失效判定阈值(也就是说，没有失效)还是高于失效判定阈值(也就是说，存在失效)，由此能检测正电极侧开关S1和负电极侧开关S2的失效。

在此，如下的程序变成必需的，以便确定作为可变值的正电极侧开关S1和负电极侧开关S2的失效判定阈值，其中在失效检测之前即刻当快速电容器C1被充以与DC电源B的电源电压对应的电荷量时，将由微型计算机15测量的电压值作为基准。

也就是说，如上所述，需要在快速电容器C1放电之后直至交替地接通正电极侧开关S 1和负电极侧开关S2为止的期间内插入通过接通正电极侧开关S 1和负电极侧开关S2两者而以DC电源B的电源电压给快速电容器C1充电的步骤。

然而，根据该程序，不可能插入如上所述的步骤。因此，该实施例不适于在对正电极侧开关S1和负电极侧开关S2的失效检测中使用的失效判定阈值，并且与以前一样，将固定值用作失效判定阈值。

接下来，关于使取样保持电路13与快速电容器C1互相连接的第一开关S3，在快速电容器C1充电并且取样保持电路13的读取电容器Ca放电的状态下，将第二开关S4和第三开关Sa变成接通状态，将第一开关S3变成断开状态，之后确认读取电容器Ca是否充电，由此能检测第一开关S3的失效。

此外，关于使地电位与快速电容器C1互相连接的第二开关S4，在快速电容器C1充电并且取样保持电路13的读取电容器Ca放电的状态下，将第一开关S3和第三开关Sa变成接通状态，将第二开关S4变成断开状态，并且之后确认读取电容器Ca是否充电，由此能检测第二S4的失效。

在此，如下的程序变成必需的，以便确定作为可变值的对于正电极侧开关S1和负电极侧开关S2的失效判定阈值，其中在失效检测之前即刻当快速电容器C1被充以与DC电源B的电源电压相对应的电荷量时，将由微型计算机15测量的电压值作为基准。

也就是说，在其中快速电容器C1充电并且取样保持电路13的读取电容器Ca放电的上述的这种状态出现之前，需要执行通过接通正电极侧开关S 1和负电极侧开关S2而以DC电源B的电源电压给快速电容器C1充电的步骤、以与快速电容器C1的充电电压相对应的电荷量给取样保持电路13的读取电容器Ca充电的步骤，以及使如此充电的读取电容器Ca放电的步骤。

根据该程序，能够预先执行这些步骤。因此，该实施例适于对于第一开关S3和第二开关S4的失效检测，并将可变值用作所述失效判定阈值。

应指出的是，关于取样保持电路13的第三开关Sa，在读取电容器Ca充电的状态下将第三开关Sa变成断开状态，之后确认读取电容器Ca是否充电，由此能检测所述第三开关Sa的失效。此外，在读取电容器Ca放电的状态下将第三开关Sa变成接通状态，之后确认读取电容器Ca是否充电，由此能检测所述第三开关Sa的失效。

在此，根据该程序能够在将第三开关Sa变成断开状态之前使读取电容器Ca充电，并且能够在将第三开关Sa变成接通状态之前使读取电容器Ca放电。因此，该实施例还适于对于第三开关Sa的失效检测，并将可变值用作所述失效判定阈值。

接下来，参考图6和7的时间图，对在利用作为可变值的失效判定阈值对第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa执行失效检测的时的程序做出说明。

首先，如在图6中所图示地，将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2变成接通状态，并将第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa变成断开状态，由此以DC电源B的电源电压给快速电容器C1充电。这样，快速电容器C1的充电电压Vc1上升。

随后，在将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2变成断开状态之后，将第一开关S3和第二开关S4变成接通状态，并且稍后将第三开关Sa变成接通状态，由此以充入快速电容器C1中的电荷给取样保持电路13的读取电容器Ca充电。这样，读取电容器Ca的充电电压Va上升。

因此，当经过足以给读取电容器Ca充电的时间时，则将第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa变成断开状态，之后，由微型计算机15测量读取电容器Ca的充电电压Va，并获取如此测量的充电电压Va([正常测量1])作为测量电压值的。应注意的是，在此作为测量电压值获取的读取电容器Ca的充电电压Va可用于求得在快速电容器C1充电达规定时间(t1)之后放电的情况下在放电开始的时间点时的上述放电电压VD1。

于是，将作为[正常测量1]中的测量电压值的50％的电压值看作为如下值，所述值是供对于第一开关S3和第二开关S4的失效检测中使用的失效判定阈值。

接下来，将第三开关Sa变成接通状态，以开始读取电容器Ca的放电，并且稍后将第二开关S4变成接通状态。当在第三开关Sa接通之后经过了与读取电容器Ca的时间常数对应的时间时，读取电容器Ca应当完全放电；然而，当在第三开关S3中出现被锁定在接通状态的失效时，读取电容器Ca自将第二开关S4变成接通状态起被充以充入快速电容器C1的电荷。

因此，在第二开关S4接通之后经过少许时间之后(也就是说，在读取电容器Ca初始应完全放电时的时间点时)，由微型计算机15测量作为测量电压值的读取电容器Ca的充电电压Va，并将如此测量的充电电压Va与上述失效判定阈值(＝[正常测量1]/2)相比较(在图6中的时段(a)期间)。于是，在测量电压值(读取电容器Ca的充电电压Va)比[正常测量1]/2高的情况下，判定在第一开关S3中出现被锁定在接通状态的失效。

接下来，在将第二开关S4变成断开状态之后，稍后将第一开关S3变成接通状态。在此，在将第二开关S4变成断开状态之前在测量电压值(读取电容器Ca的充电电压Va)不比[正常测量1]/2高的情况下，则该状态应至少持续到将第一开关S3接通时的时间点为止。

因此，在第一开关S3接通之后经过了少许时间之后，如在图7中所图示地，由微型计算机15测量作为测量电压值的读取电容器Ca的充电电压Va，并将如此测量的充电电压Va与上述失效判定阈值(＝[正常测量1]/2)相比较(在图7中的时段(b)期间)。于是，在测量电压值(读取电容器Ca的充电电压Va)比[正常测量1]/2高的情况下，判定在第二开关S4中出现被锁定在接通状态的失效。

接下来，在将第二开关S4变成接通状态时的同时将第三开关Sa变成断开状态，允许快速电容器C1开始通过放电电路放电，并且不久以后将第三开关Sa变成接通状态，并且取样保持电路13的读取电容器Ca被充以与快速电容器C1的充电电压Vc 1相对应的电荷量。

此外，当经过了足以对读取电容器Ca充电的时间时，则将第三开关Sa变成断开状态，由微型计算机15测量读取电容器Ca的充电电压Va，并获取如此测量的充电电压作为测量电压值([正常测量2])。应注意的是，在此作为测量电压值获取的所述读取电容器Ca的充电电压Va可用于所获得在所述快速电容器C1于充电达规定时间(t1)之后放电的情况下、该快速电容器C1的放电开始之后经过了时间t2的时间点时的上述放电电压VD2。

于是，将作为[正常测量2]中的测量电压值的50％的电压值看作为该值，即在对于第三开关Sa的失效检测中使用的失效判定阈值。

在经过另一短时间之后，也就是说，在将第二开关S4接通和将第三开关Sa断开之后，在与快速电容器C1的时间常数对应的时间消逝之后，经过了快速电容器C1应当完全放电的定时之后，则由微型计算机15测量作为测量电压值的读取电容器Ca的充电电压Va，并将如此测量的充电电压Va与上述失效判定阈值(＝[正常测量2]/2)相比较(在图7中的时段(c)期间)。于是，在测量电压值(读取电容器Ca的充电电压Va)比[正常测量2]/2低的情况下，判定第三开关Sa中出现被锁定在接通状态的失效。

随后，将第三开关Sa变成接通状态。在此，在将第三开关Sa变成接通状态之前所述测量电压值(读取电容器Ca的充电电压)不比[正常测量2]/2低的情况下，则该状态应当至少持续到当将第三开关Sa接通的时间点为止。

因此，在将第三开关Sa接通之后，在与快速电容器C1的时间常数相对应的时间消逝之后，经过了快速电容器C1应完全放电时的定时之后，则将第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa变成断开状态，由微型计算机15测量作为测量电压值的读取电容器Ca的充电电压Va，并将如此测量的充电电压Va与上述失效判定阈值(＝[正常测量2]/2)相比较(在图7中的时段(d)期间)。于是，在测量电压值(读取电容器Ca的充电电压Va)比[正常测量2]/2高的情况下，判定第三开关Sa中出现被锁定在接通状态的失效。

在通过将固定值用作失效判定阈值对正电极侧开关S1和负电极侧开关S2执行失效检测时的程序中，首先，如图8的时间图中所图示地将正电极侧开关S1接通达固定时间。此时(在图8的时段(e)期间)，当负电极侧开关S2中出现被锁定在接通状态的失效时，快速电容器C1被充以与DC电源B的电源电压相对应的电荷量。

此外，当在将正电极侧开关S1接通达固定时间并变成断开状态之后经过了少许时间时，接下来，将负电极侧开关S2接通达固定时间。此时(在图8的时段(f)期间)，当正电极侧开关S1中出现被锁定在接通状态的失效时，快速电容器C1被充以与DC电源B的电源电压相对应的电荷量。

于是，当在将负电极侧开关S2接通达固定时间并变成断开状态之后经过了少许时间时，接下来，将第一开关S3和第二开关S4接通，并且稍后还将第三开关Sa接通。此外，当经过了足够读取电容器Ca充电的时间时，将第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa变成断开状态，之后，由微型计算机15测量读取电容器Ca的充电电压Va，并获取如此测量的充电电压Va作为测量电压值(在图8中的时段(g)期间)。

在此，在如此获取的测量电压值比根据预定固定值的失效判定阈值高的情况下，判定正电极侧开关S1和负电极侧开关S2中至少任一一个出现被锁定在接通状态的失效。

顺便提及，还在将正电极侧开关S1接通达固定时间并变成断开状态后经过了少许时间之后、直到将负电极侧开关S2接通达固定时间为止的时期内执行在将负电极侧开关S2接通达固定时间并变成断开状态之后所执行的程序，由此可单独地执行对于正电极侧开关S1和负电极侧开关S2的失效判定。在该情况下，在将正电极侧开关S1和负电极侧开关S2每一者接通达固定时间之前，执行将用于使读取电容器Ca放电的第三开关Sa接通的程序。

如上所述，根据该实施例的绝缘状态检测单元10，利用根据可变值的失效判定阈值来执行对于第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa的失效检测。具体地，通过将取样保持电路13的读取电容器Ca的充电电压Va([正常测量1]、[正常测量2])作为基准来确定失效判定阈值，该取样保持电路13的读取电容器Ca在快速电容器C1被充以与DC电源B的电源电压相对应的电荷量时被充以与快速电容器C1的充电电压Vc1相对应的电荷量。

因此，即使在由微型计算机15测量的电压值中包含噪声成分，在第一开关S3、第二开关S4和第三开关Sa中的每一者出现失效的情况下，也能在不使局部短路状态的检测范围变窄的情况下精确地检测失效。

也就是说，在失效检测范围内包括局部短路的同时，在失效判定阈值中很大程度地确保了对于在由微型计算机15测量的电压值中所包含的噪声成分的噪声容限，并能精确地执行失效检测。

应注意的是，在该实施例中，利用取样保持电路13测量与快速电容器C1的充电电压Vc1相对应的电压值，并因此限定的是，测量电压值是取样保持电路13的读取电容器Ca的充电电压Va。然而，本发明还可应用于在不利用取样保持电路13的情况下直接测量快速电容器C1的充电电压Vc1的情况。在该情况下，快速电容器C1的充电电压Vc1相当于测量电压值，并且基于此，确定失效判定阈值。

此外，在该实施例中，已对“预定比率”为50％的情形做出说明；然而，预定比率可高于50％或低于50％。此外，可允许相当于所述“预定比率”的比率在对于第一开关S3和第二开关S4的失效判定阈值与对于第三开关Sa的失效判定阈值之间不同。

此外，在该实施例中，已关于与对于第一开关S3和第二开关S2的失效检测一起执行对于取样保持电路13的第三开关Sa的失效检测的情形做出说明；然而，不管是否存在取样保持电路13，可省略对第三开关Sa执行失效检测的这种构造。

此外，如何获得快速电容器C1的充电电压Vc1不局限于在该实施例中描述的方法，并且是任意的。

Claims (1)

1.一种绝缘状态检测单元，包括：

快速电容器，该快速电容器布置成可充以与地电位绝缘的DC电源的输出电压相对应的电荷量；

伏特计，该伏特计用于测量所述快速电容器的充电电压；

第一开关，该第一开关能够将所述快速电容器的一端连接至所述伏特计；

第二开关，该第二开关能够将所述快速电容器的另一端连接至地电位；以及

失效检测器，该失效检测器在所述快速电容器被充以与所述DC电源的输出电压相对应的电荷量时，基于失效判定阈值与当所述第一开关和所述第二开关中的任意一个开关处于接通状态而所述第一开关和所述第二开关中的另一开关处于断开状态时由所述伏特计测量的电压值之间的比较结果，检测所述第一开关与所述第二开关的失效状态，其中

所述失效检测器在所述快速电容器被充以与所述DC电源的输出电压相对应的电荷量时，将通过使在所述第一开关与所述第二开关两者处于接通状态时由所述伏特计测量的电压值降低至预定比率所获得的电压值作为所述失效判定阈值，之后，基于在所述快速电容器被再次充以与所述DC电源的输出电压相对应的电荷量之前获得的比较结果来检测所述第一开关与所述第二开关的失效状态，

其中，所述伏特计包括：电容器，该电容器被充以与所述快速电容器的一端的电位相对应的电荷量；和第三开关，该第三开关能够通过所述第一开关将所述电容器连接至所述快速电容器的一端，

所述伏特计构造成：当所述第一开关与所述第二开关两者处于接通状态时，获取与通过将所述第三开关变成接通状态达预定时段而充电至所述电容器的电荷量相对应的电压值，作为测量电压值，以及

所述失效检测器还在所述电容器被充以与所述快速电容器的充电电压相对应的电荷量时，将通过使在所述第三开关处于断开状态时由所述伏特计测量的电压值降低至预定比率所获得的电压值作为所述第三开关的失效判定阈值，之后，基于由所述伏特计测量的第一电压值与所述第三开关的所述失效判定阈值之间的比较结果、以及由所述伏特计测量的第二电压值与所述第三开关的所述失效判定阈值之间的比较结果中的至少任意一个比较结果，检测所述第三开关的失效状态，所述第一电压值在以该第三开关接通的方式使所述电容器放电之前获得，所述第二电压值在以该第三开关接通的方式使所述电容器放电之后获得。