CN103608689A - 绝缘缺陷的检测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力供应装置，其包含：持续电压电源；和用于检测绝缘缺陷的装置(4)，其包含连接到所述电压电源的端子的第一输入端子和第二输入端子(47、48)，第一电路(41)，其连接在所述第一输入端子(47)和中间点(49)之间，第二电路(42)，其连接在所述第二输入端子(48)和所述中间点之间，和用于检测绝缘缺陷电流的电路(45)，其连接在接地和所述中间点(49)之间。所述第一电路和第二电路为限流器，其被配置成选择性地断开及接通其输入端子和所述中间点之间的连接。所述装置包含控制电路(8)，其被配置成同时地保持所述限流器中的一个断开而所述限流器中的另一个接通。

Description

绝缘缺陷的检测
本发明涉及直流（DC）电压电源或网络相对于地面的绝缘。
大功率直流电压电力系统经历了显著的发展。事实上，许多运输系统都包含直流电压供应器。
具体地，混合式燃烧/电动或电动车辆包含大功率电池组。为了获得适当的电压电平，串联放置若干电化学蓄电池。为了获得大功率和大容量，串联放置若干组蓄电池。级数(蓄电池的组数)和每一级中并联的蓄电池的数目根据所希望的电压、电流和电池容量而变化。若干蓄电池的联用被称作一组蓄电池。这些车辆所使用的电化学蓄电池通常为锂离子型的，这是因为锂离子蓄电池以有限的重量和体积储存大量能量的能力。磷酸铁锂离子LiFePO4类型的电池技术由于固有的高安全等级而得到了显著发展，但缺点为稍微受限制的能量储存密度。
这些电池组用于借助逆变器来推进交流（AC）电动机。这些电机所需的电压电平达到数百伏特，通常约为400伏特。这些电池组还具有高容量，以便赋予电动模式下车辆的续航。特定于汽车应用的一些技术原因导致在车辆的机械主体(由车辆的金属底盘和金属车架形成，且因此用户可进入)和电池组电势之间使用绝缘。主要原因为，不可能在驾驶中第一次绝缘缺陷发生时立刻断开牵引用电池组。例如以下情形，其中在蓄电池组的一个极上出现绝缘缺陷时，另一个极已连接到机械结构。这会显现为短路和保险丝的立即熔断。这将具有使车辆危险的结果。考虑到牵引动力的消失或再生式制动，因此必须使电池组绝缘，并出于个人安全的原因用绝缘监测仪来检查这种绝缘。事实上，如果在发生第一缺陷时用户无风险，那么适宜的方法是在出现具有断开牵引用电池组的效果的第二缺陷之前警示所述用户该第一缺陷，因为这会导致电池组的正极端子和负极端子之间的短路。另外，在发生所述第二缺陷时，电池的电压将直接连接到车辆的机械主体，并且因此用户将可能和机械主体接触。考虑到这种能量源对用户的潜在风险，必须尤其小心地注意电池和机械主体之间的绝缘以及所述绝缘的监测。车辆的任何导电部分必须相对于主体绝缘。通过使用绝缘材料来实现这种绝缘。绝缘可能随着时间而退化(由于振动、机械碰撞、灰尘等)，并且因此将机械主体置于危险的可能性中。
另外，可能使用并未和电力网络电绝缘的充电器。按照规范，车辆的机械主体在再充电期间是接地的，而且常规使用的中性点机制(EE机制)在驻停时将中性点接地，这相当于在再充电期间将车辆的机械主体连接到电池的一个电势。因此，和只施加电池的整个电压的一半且首要是监测所述电压的标称情形相比，在这些再充电期间，横跨绝缘端子施加此电池的整个电压。这种绝缘可能不能处理整个电压，从而形成立即导致短路的第二缺陷。
根据现有技术的电动车辆通常具有意图用于三相电动机的电力供应的电池组。所述电池组包括电化学蓄电池。装备有保险丝的保护装置连接到电池组的端子。绝缘监测装置也连接到所述电池组的端子，并连接到车辆的机械主体。所述绝缘监测装置连接到计算机，以便将检测到的绝缘缺陷发信号给所述计算机。所述计算机由车载网络电池组供电。所述电池组的端子利用截止系统将电压+Vbat和-Vbat施加到逆变器的直流输入端。所述截止系统包括由所述计算机控制的电力接触器。所述电动机连接到所述逆变器的交流输出端。根据现有技术，已知多种类型的绝缘监测。
文件FR2671190具体地描述一种用于监测直流电压电力网络的绝缘的装置。该文件描述以低频率(在4Hz和10Hz之间)注入交流分量(约30V)的电阻电桥。检测电路测量通过绝缘阻抗器和测量电阻器直到接地的电流。这种电路的设计涉及对电阻电桥的电阻器的额定值的折衷。
电阻电桥会引起保持较明显的电力消耗，以便保留适当的测量精密度。例如考虑到电动车辆的续航降低的因素，这种电流消耗可能变得与车载系统中的应用不相容。另外，具体考虑到使用额定为高直流电压的低频率发电机，这种装置是相对昂贵的。此外，检测电路只允许检测端子之一和接地之间的绝缘缺陷，而不允许检测另一个端子和接地之间的绝缘缺陷。另外，这种监测装置易发生误报(false positive)错误，这些误报错误会通过非适时的检测而显现，这是因为在交流电流通过逆变器中存在的共模电容器时所述监测装置会检测到绝缘缺陷。
在电动车辆1中通常实施的另一种解决方案中，绝缘监测装置包括电阻分压器。双向光耦合器连接在分压器的中点和机械主体之间。分压器在所述中点的任一侧上的电阻器是一样的。因此，当不存在绝缘缺陷时，横跨光耦合器的端子的电压为零，并且不发信号通知绝缘缺陷。当在电池组的端子之一和机械主体之间出现绝缘缺陷时，分压器的中点电势就会偏移。然后横跨光耦合器的端子出现电压，因此产生绝缘缺陷信号。
在检测到强加较低的泄漏电流阈值的调节的情况下，分压器中存在的电阻器必须具有相对受限的值，约为50kΩ。于是，这些电阻器引起相对明显的直流电消耗，这对电池组所提供的续航不利。
图14的图表示出了针对端子和中点之间的各种电阻值，作为绝缘电阻的函数的对最小电池组电压(在这一例子中为192V)的泄漏电流。应注意到，举例来说，10kΩ的电阻值使得可能检测到小于50kΩ的绝缘缺陷电阻，而56kΩ的电阻值使得可能检测到小于仅1kΩ的绝缘缺陷电阻。
此外，由于老化问题，某些绝缘材料可能变得在正常操作下适合于承受机械主体和电池组端子之间的电压，但在其经受电池组端子之间的总电压时由于绝缘缺陷则可能烧坏。这种监测装置并不能测试和检测像这样的潜在绝缘缺陷，并且这可能导致连锁绝缘缺陷。一个极上的第一绝缘缺陷会在另一极和接地之间施加总电压。如果这个另一极的绝缘不能承受所述总电压，那么出现第二绝缘缺陷。这会形成短路以及保险丝的熔断。这对应于牵引力的损失和随后车辆的突然失去机动性，这是危险的。
此外，这种绝缘监测装置使得可能只检测绝缘缺陷而不确定其量值。
本发明的目的是解决这些缺点中的一个或多个。因此，本发明涉及一种电力供应装置，所述电力供应装置包括：
-易于引起触电的直流电压电源；
-用于检测所述直流电压电源的绝缘缺陷的装置，其包括：
-连接到所述电压电源的端子的第一输入端子和第二输入端子；
-第一电路，其连接在所述第一输入端子和中间点之间；
-第二电路，其连接在所述第二输入端子和所述中间点之间；
-绝缘缺陷电流检测电路，其连接在电接地和所述中间点之间。
所述第一电路和第二电路为限流器，其配置成选择性地断开和接通其相应输入端子和所述中间点之间的连接，所述限流器电路中的每一个都被额定成使得在接通所述第一或第二限流器电路且直流电压电源的端子之一短路到电接地时，小于标准安全阈值的电流穿过所述限流器电路。
控制电路被配置成同时地保持所述限流器电路中的一个断开而所述限流器电路中的另一个接通。
根据一种变型，所述限流器电路中的每一个都包括由控制电路控制的光耦合器，以便选择性地断开和接通其相应限流器电路中的连接。
根据另一变型，所述装置包括：第一电容器，其在第一输入端子和电接地之间与第一限流器电路并联连接；第二电容器，其在所述第二输入端子和电接地之间与第二限流器电路并联连接，所述控制电路被配置成在接通所述限流器电路中的一个的连接时检测所述电容器中的一个的放电。
根据另一变型，所述控制电路按10秒与30秒之间的时间间隔以重复方式来接通所述限流器电路中的每一个。
根据再一变型，所述控制电路保持以小于2%的占空比接通所述限流器电路。
根据一种变型，电流检测电路包括微控制器，所述微控制器包括接收源于所述中间点的绝缘缺陷电流的输入端子，所述输入端子借助第一电阻器连接到电力供应器，而且所述输入端子借助第二电阻器电接地，所述电力供应器的电压电平是直流电压电源的电压电平的十分之一或更小，所述微控制器被配置成根据施加到其输入端子的电压来确定绝缘缺陷的幅度。
根据另一变型，每一限流器电路包括：
-第一晶体管，其包括连接到检测装置的相应输入端子的输入电极，输出电极和控制电极；
-第一电阻器，其连接在所述输入电极和所述控制电极之间；
-第二电阻器，其连接在所述输出电极和所述中间点之间；
-用于限制控制电极上的电压电平的元件。
根据另一变型，所述第一晶体管为金属氧化物半导体场效应(MOSFET)晶体管。
根据再一变型，用于限制电压电平的元件为连接在第一晶体管的控制电极和中间点之间的齐纳二极管(Zener diode)。
根据另一变型，用于限制电压电平的元件为双极型晶体管，其基极连接到第一晶体管的输出电极，其发射极连接到中间点，且其集电极连接到第一晶体管的控制电极。
根据再一变型，所述限流器电路中的每一个都被额定成使得在接通第一或第二限流器电路且直流电压电源的端子之一短路到电接地时，小于3.5mA的电流穿过所述限流器电路。
根据一种变型，所述限流器电路中的每一个都被额定成使得在控制电路将接通命令施加到该限流器电路时，在直流电压电源的端子之一和电接地之间的短路所引起的电流穿过该限流器电路时该限流器电路保持接通。
本发明还涉及一种动力化系统，包括：
-如上文中所描述的电力供应装置，其中所述直流电压电源为电池；
-逆变器，其具有直流接口和交流接口，所述电池的端子连接到所述直流接口；
-电动机，其连接到所述逆变器的所述交流接口。
根据一种变型，横跨所述电池组的所述端子的电压大于100V。
本发明另外涉及一种包括如上文所描述的动力化系统的汽车。
根据本发明在下文中给出的描述，借助完全非限制性的指示并参考附图，将清楚地显现本发明的其它特性和优点，在图中：
-图1为具有由电池组供电的电动机的示例性车辆的示意图；
-图2为用于电力供应装置的绝缘缺陷检测装置的一个实施例的示意图；
-图3和图4示出了在两个监测阶段期间绝缘缺陷检测装置的配置；
-图5为限流器的第一变型的电气图；
-图6为限流器的第二变型的电气图；
-图7为限流器的第三变型的电气图；
-图8为限流器的第四变型的电气图；
-图9为应用于所述第三变型的增强的电气图；
-图10为限流器的第五变型的电气图；
-图11为基于阈值的泄漏电流检测电路的示意图；
-图12为用于量化所述泄漏电流的电路的示意图；
-图13为使得可能测试检测装置的增强的示意图；
-图14为示出了根据绝缘缺陷检测装置的电阻器的额定值来检测的各种泄漏电流的图表；以及
-图15和图16为包含限流器的变型的绝缘缺陷检测电路的电气图。
本发明提出一种电力供应装置，其装备有用于检测易于引起触电的直流电压电源的绝缘缺陷的装置。此装置包括：意图连接到所述电压电源的端子的第一输入端子和第二输入端子。第一电路连接在所述第一输入端子和中间点之间，第二电路连接在所述第二输入端子和所述中间点之间。绝缘缺陷电流检测电路连接在电接地和所述中间点之间。
所述第一电路和第二电路为限流器，其被配置成选择性地断开和接通其相应输入端子和中间点之间的连接。控制电路被配置成同时地保持所述限流器电路中的一个断开而所述限流器电路中的另一个接通。
因此，本发明使得可能通过有限的电流消耗并且借助简单的手段来检测所述电源的两个端子上的绝缘缺陷的出现。另外，本发明使得可能通过在测试期间将整个电源电势差施加到绝缘体的端子来检测绝缘缺陷。因此，可能预防性地确定电介质击穿所致的绝缘缺陷的风险。另外，本发明使得可能无需在直流电压电源的端子处注入低频率交流分量。而且，本发明使得可能在不损害对用户的保护的情况下改善检测的灵敏度。
另外，本发明与生产绝缘缺陷检测装置的领域内的技术人员的技术偏见相反：根据所述技术偏见，使用有源硬件元件使得不可能确保令人满意的可靠性和因此对用户的充分保护。
限流器的通常公认定义(例如，由施耐德电气公司(Schneider Electric)在1998年9月公布的技术规范162所提供)为：一种在短路期间允许在幅度上明显低于假定电流的电流通过的装置，所述假定电流基于在不存在短路的情况下允许通过的电流。在下文中，措辞限流器将特指下面这样一种硬件元件或电路：当横跨其端子的电压小于饱和电压时其具有大体上恒定的阻抗，而当该电压大于所述饱和阈值时其具有与横跨其端子的电压成比例的阻抗。这种属性可被用来确保在饱和电压下的良好测量灵敏度，且因此确保在大于饱和电压时对用户的充分保护。
图1示出了实施本发明的实施例的示例性车辆1。所述车辆1为电动车辆，其以本身已知的方式包括电池组2，所述电池组2包括串联连接的电化学蓄电池21。电池2包括串联连接的大量蓄电池21，通常在40个蓄电池和150个蓄电池之间，这取决于所需要的电压和所使用的蓄电池类型。横跨充电电池组2的端子的电压通常约为400V。电池2将电压+Vbat施加到第一端子，且将电压-Vbat施加到第二端子。蓄电池21借助电力连接而串联连接。电池组2的端子连接到逆变器6的直流接口。电动机7连接到逆变器6的交流接口。
借助保护电路3且借助电力耦合电路5来实现电池组2的端子和逆变器6的直流接口之间的连接。保护电路3可以本身已知的方式包括配置成在短路期间断开所述连接的保险丝。电力耦合电路5包括断路器51和52，使得可能选择性地将电池组2的端子连接到逆变器6的直流接口或使电池组2的端子与逆变器6的直流接口断开。断路器51和52的断开/接通由控制电路8控制，所述控制电路8通常为用于管理电池组2的操作的计算机。控制电路8通常借助电池组91来供电，所述电池组91用于为车辆1的车载网络供电，且具有比电池组2的电压电平低得多的电压电平。控制电路8通常连接到机械主体93，所述机械主体包含车辆1的金属底盘和车架92。
用于检测绝缘缺陷4的装置连接到电池组2的端子和机械主体93。图2中示意性地详述这种检测装置4的实施例。检测装置4包括输入端子47和48，其中借助电力连接95和96将电压+Vbat和-Vbat分别地施加到所述输入端子47和48。检测装置4包括中间点49。绝缘缺陷电流检测电路45连接在中间点49和机械主体93之间。限流电路41连接在输入端子47和中间点49之间。如图所示，电路41具有限流功能411，其被额定为将通过电路41的电流限制为低于绝缘缺陷电流的标准所确定的安全阈值（例如3.5毫安）的值。电路41另外具有断路器功能412，这使得其可能选择性地断开和接通输入端子47和中间点49之间的连接。断路器功能412的断开/接通由控制电路8控制。
限流电路42连接在输入端子48和中间点49之间。电路42具有限流功能421，其被额定为将通过电路42的电流限制为低于绝缘缺陷电流的标准所确定的安全阈值（例如3.5毫安）的值。电路42另外具有断路器功能422，这使得其可能选择性地断开和接通输入端子48和中间点49之间的连接。断路器功能422的断开/接通由控制电路8控制。
限流功能411和421有利地为额定的，以使得针对零绝缘缺陷电阻，在断路器功能412或422的接通期间通过其的电流小于安全值Imax。在这种情形中，值Imax由Imax=Vb/Zmax定义，其中Vb为电池组的标称电压，且Zmax为当将电压Vb施加于横跨其端子时限流功能的阻抗。Imax将能够小于或等于10mA，小于5mA，小于或等于3.5mA或者小于或等于2mA。
如图3中示出，为了测试电池2的+Vbat端子和机械主体93之间的绝缘，控制电路8断开限流电路41中的断路器功能，且接通限流电路42中的断路器功能。电流检测电路45然后与限流电路42串联连接在-Vbat端子和机械主体93之间。在+Vbat侧上有绝缘缺陷的情形中，借助+Vbat端子和接地93之间的绝缘缺陷形成电路。通过电路45的绝缘缺陷电流可为绝缘缺陷的大小的线性函数，但此绝缘缺陷电流受到电路42的限制。当绝缘缺陷电阻的值足够高时，通过接通的限制电路42的绝缘缺陷电流小于由此限制电路定义的电流限值。
如图4中示出，为了测试电池组2的-Vbat端子和机械主体93之间的绝缘，控制电路8断开限流电路42中的断路器功能，且接通限流电路41中的断路器功能。电流检测电路45则与限流电路41串联连接在+Vbat端子和机械主体93之间。在-Vbat侧上有绝缘缺陷的情形中，借助端子-Vbat和接地93之间的绝缘缺陷形成电路。通过电路45的绝缘缺陷电流可为绝缘缺陷的大小的线性函数，但此绝缘缺陷电流受到电路41的限制。当绝缘缺陷电阻的值足够高时，通过接通的限制电路的绝缘缺陷电流小于由该限制电路定义的电流限值。
图5示出了限流功能411的第一变型(此领域中的技术人员当然可实现类似的限流功能421)。此限流功能411包括NPN双极型晶体管TB11，其集电极连接到端子47。偏压电阻器R1连接在晶体管TB11的所述集电极和基极之间。电阻器R2连接在晶体管TB11的发射极和中间点49之间。齐纳二极管DZ1连接在所述中间点和晶体管TB11的基极之间。
齐纳二极管DZ1使得可能以本身已知的方式维持基极和中间点49之间的大体恒定的电压。偏压电阻器R1使得可能在端子47和中间点49之间出现电流时接通晶体管TB11并且给DZ1加偏压。最大电流Imax大体对应于通过晶体管TB11的电流，且因此可由以下关系来表示：
Imax=(Vz-Vbe)/R2
其中Vz为齐纳二极管的击穿电压，Vbe为晶体管TB11的基极和发射极之间的电压，且R2为电阻器R2的值。
电阻器R1的功能为将此分支中的电流限制到最大值，同时能够为晶体管TB11和齐纳二极管DZ1加偏压。出于此目的，有利地电阻器R1将具有在100kΩ和5MΩ之间的电阻。二极管DZ1将有利地具有在5V和20V之间的击穿电压，例如15V。在这些值的情况下，电阻器R2通常将具有7kΩ的值，以便在绝缘缺陷短路期间将通过电路41的最大电流限制到2mA。
图6示出了限流功能411的第二变型。此限流功能包括NPN双极型晶体管TB11，其集电极连接到端子47。偏压电阻器R1连接在晶体管TB11的集电极和基极之间。电阻器R2连接在晶体管TB11的发射极和中间点49之间。NPN双极型晶体管TB12将其集电极连接到晶体管TB11的基极，将其基极连接到晶体管TB11的发射极，且将其发射极连接到中间点49。
最大电流Imax大体上对应于通过晶体管TB11的电流，且因此可由以下关系来表示：
Imax=(Vbe)/R2(Vbe在这里为晶体管TB12的基极/发射极电压)
图7示出了限流功能411的第三变型。此限流功能包括MOSFET晶体管TC11，其漏极连接到端子47。偏压电阻器R1连接在晶体管TC11的漏极和栅极之间。电阻器R2连接在晶体管TC11的源极和中间点49之间。齐纳二极管DZ1连接在中间点和晶体管TC11的栅极之间。
齐纳二极管DZ1使得可能以本身已知的方式维持栅极和中间点49之间的大体恒定电压。偏压电阻器R1使得可能在端子47和中间点49之间出现电流时接通晶体管TC11。最大电流Imax大体上对应于通过晶体管TC11的电流，且因此可由下列关系表示：
Imax=(Vz-Vgsth)/R2
其中Vz为齐纳二极管的击穿电压，Vgsth为晶体管TC11的栅极/源极阈值电压，且R2为电阻器R2的值。
图8示出了限流功能411的第四变型。此限流功能包括MOSFET晶体管TC11，其漏极连接到端子47。偏压电阻器R1连接在晶体管TC11的漏极和栅极之间。电阻器R2连接在晶体管TC11的源极和中间点49之间。NPN双极型晶体管TB12将其集电极连接到晶体管TC11的栅极，将其基极连接到晶体管TC11的源极，且将其发射极连接到中间点49。
最大电流Imax大体上对应于通过晶体管TC11的电流，且因此可由以下关系来表示：
I=(Vbe)/R2
其中Vbe为晶体管TB12的基极/发射极电压。
伴随NPN晶体管和N沟道Mosfet出现的电流源还可以利用PNP晶体管和P沟道MOS来体现。
即使所描述的限流功能达到饱和，且不再可能确定绝缘缺陷电流的幅度超出某一阈值，但这对检测装置4的操作也并无害，检测装置4仍保留其检测绝缘缺陷的出现的功能，且可选地分析其最初演变。
在图5到图8的变型中，断路器功能412为测试配置且因此是接通的。因此，限流功能411示出为连接在端子47和中间点49之间。
图9示出了合并有根据第三变型的限流功能411的示例性限流电路41。限流电路41包括以光耦合器43的形式体现的断路器。光耦合器43包括光电晶体管，其集电极连接到晶体管TC11的栅极，且其发射极连接到中间点49。
保护电阻器R3连接在晶体管TC11的漏极和端子47之间。保护齐纳二极管DZ2连接在晶体管TC11的漏极和机械主体93之间。这用于保护免受由网络引起的过电压，尤其是在使用非绝缘充电器时，以便改善系统的稳健性。
在这里通过光耦合器43来实现限流电路41的断路器功能。通过适当的命令，控制电路8将光耦合器43的光电晶体管接通或关断。在接通状态下，光电晶体管保持晶体管TC11关断，因此确保断开断路器功能。所述断路器功能使得可能交替地接通限流电路41和42。事实上，由于难以生产具有足够类似属性的电路41和42，因此电路41和42的同时接通可引起中间点49的电平不平衡，以及因此绝缘缺陷的错误检测。而且，断路器功能还使得可能通过以下方式来限制除了测试阶段以外的检测装置4的电流消耗：通过以高占空比保持电路41和42断开，尤其约束了检测装置4的消耗。在直流电压电源的操作期间，将有利地以小于0.1Hz的频率(例如，在10秒和30秒之间的时间间隔)以及优选地小于2%的接通电路41和42的占空比来接通每一电路41或42。
限流电路41和42将有利地为额定的，以便在控制电路将接通命令施加给它们时，甚至在对应于端子和接地之间的短路的绝缘缺陷所致的电流穿过它们时，它们仍保持接通。将能够根据控制电路8施加于它们的接通占空比而达到此额定值。
图9的解决方案的缺点为，为了保持晶体管TC11关断需要引起光耦合器43中的消耗。图10的解决方案提出一种使得可能在限流电路41断开时仍消除此电流消耗的替代方案。限流电路41包括光耦合器43。光耦合器43包括光电晶体管，其集电极连接到电阻器R2，且其发射极连接到中间点49。
限流电路41的断路器功能在这里也借助光耦合器43来实现。通过适当的命令，控制电路8将光电晶体管接通或关断。在关断状态下，光电晶体管保持晶体管TC11关断，因此确保断开断路器功能。在接通状态下，通过晶体管TC11的电流可通过光电晶体管。如在图9的实例中，断路器功能使得可能交替地接通限流电路41和42。
图15示出了装备有绝缘缺陷限流器电路的检测装置4的变型，其中所述绝缘缺陷限流器电路和用于放大此电流的电路组合在一起。在此变型中，基于双极型晶体管来实现用于放大泄漏电流的电路。
检测装置4包括串联连接在第一端子47和第二端子48之间的第一阻抗器R11和第二阻抗器R12(在这一例子中为电阻器)。阻抗器R11和R12借助中间点49连接且优选地具有大体相同的值。第一断路器43与第一阻抗器R11串联连接在端子47和中间点49之间。第二断路器44与第二阻抗器R12串联连接在第二端子48和中间点49之间。在这一例子中，断路器43和44为MOSFET晶体管。当然，可使用其它类型的受控断路器。控制电路8控制断路器43和44的相应断开/接通。在测试阶段期间当控制电路8保证接通断路器44时其保持断路器43断开，且反之亦然。
放大电路包括：NPN双极型晶体管TB11，其基极连接到中间点49；NPN双极型晶体管TB21，其集电极连接到中间点49，其基极连接到晶体管TB11的发射极，且其发射极连接到检测电路45的输入端491。增益电阻器R21连接在晶体管TB21的基极和发射极之间。保护电阻器R31有利地连接在晶体管TB11的集电极和端子47之间。
所述放大电路还包括：PNP双极型晶体管TB12，其基极连接到中间点49；PNP双极型晶体管TB22，其集电极连接到中间点49，其基极连接到晶体管TB12的发射极，且其发射极连接到检测电路45的输入端491。增益电阻器R22连接在晶体管TB22的基极和发射极之间。保护电阻器R32有利地连接在晶体管TB12的集电极和端子48之间。
而且，所述放大电路有利地包括齐纳二极管DZ21和DZ22，它们分别连接在TB11的集电极和机械主体93之间以及TB12的集电极和机械主体93之间。
晶体管TB11和TB12意在放大通过阻抗器R11和R12的电流，以便增加测量范围。晶体管TB21和TB22意在限制绝缘缺陷电流，以便确保对用户的保护。仅利用阻抗器R11和R12不可能同时地具有扩大的测量范围和令人满意的用户保护。保护电阻器R31和R32以及齐纳二极管DZ21和DZ22使得可能保护放大电路的晶体管TB11、TB12、TB21和TB22免受过电压，尤其是在使用直接施加由网络引起的过电压的非绝缘充电器时。
图16示出了装备有绝缘缺陷限流器电路的检测装置4的另一变型，所述绝缘缺陷限流器电路和用于放大此电流的电路组合在一起。在此变型中，基于MOS晶体管来实现用于放大泄漏电流的电路。
检测装置4包括串联连接在第一端子47和第二端子48之间的第一阻抗器R11和第二阻抗器R12。阻抗器R11和R12借助中间点49连接，且优选地为大体相同的值。第一断路器43与第一阻抗器R11串联连接在端子47和中间点49之间。第二断路器44与第二阻抗器R12串联连接在第二端子48和中间点49之间。控制电路8控制断路器43和44的相应断开/接通。在测试阶段期间当控制电路8保证接通断路器44时其保持断路器43断开，且反之亦然。
所述放大电路包括在中间点49和检测电路45的输入端491之间的头尾串联地安装的一对齐纳二极管46或一个双向齐纳二极管。
所述放大电路包括N沟道MOS晶体管Rc3，其栅极连接到中间点49。所述放大电路有利地还包括保护电阻器R31，其连接在端子47和晶体管Rc3的漏极之间。
所述放大电路包括P沟道MOS晶体管Rc4，其栅极连接到中间点49。所述放大电路有利地还包括保护电阻器R32，其连接在端子48和晶体管Rc4的漏极之间。
所述放大电路包括电流衰减电阻器Rt，其连接在输入端491和晶体管Rc3和Rc4的源极之间。
而且，所述放大电路有利地包括齐纳二极管DZ21和DZ22，其分别连接在晶体管Rc3和Rc4的漏极和机械主体93之间。这保护电路免受过电压，尤其是在使用直接施加由网络引起的过电压的非绝缘充电器时。双向齐纳二极管(或头尾二极管对)46使得可能将通过检测电路45的电流限制为由下列关系定义的值Imax：
Imax=(Vz-Vgsth)/Rt
其中Rt为Rt的电阻值，Vz为该对双向齐纳二极管46(或头尾二极管对)的阈值电压，且Vgsth为所述晶体管Rc3或Rc4中的一个的栅极和源极之间的电势差。
在测试阶段期间且在存在绝缘缺陷时，晶体管Rc3或Rc4的栅极上的电压足以将其接通。通过接通的晶体管的电流通过电阻器Rt和检测电路45。因此实现施加到检测电路45的输入端491的绝缘缺陷电流的放大。出于硬件和人的安全，最大缺陷电流由电阻器Rt和双向齐纳二极管46(或头尾二极管对)限制。
图11表示呈滞后型光耦合器451(为本身已知的结构)形式的示例性检测电路，其使得在绝缘缺陷电流超过阈值时可能检测到该绝缘缺陷电流。当在输入端491处的电流超过针对滞后型光耦合器451限定的阈值时，光耦合器451产生关于绝缘缺陷Vde的由控制电路8读取的检测信号。
图12示出了绝缘缺陷检测的另一实例，其使得可能确定绝缘缺陷电流的幅度，且因此能够分析其随时间的演变。检测电路45包含微控制器453。微控制器453连接到输入端491、电势Vcc和机械主体93。电压Vcc可从电池组91获得。二极管454与电阻器456并联连接在Vcc和输入端491之间。二极管455与电阻器457并联连接在机械主体93和输入端491之间。电阻器456和457为相同值。在没有绝缘缺陷电流的情况下，输入端491上的电压为值Vcc/2。任何缺陷电流都会修改输入端491上的电压。根据在输入端491上读取的电压值，微控制器453可精确地确定绝缘缺陷的幅度。在输入端491上读取的电压值可被提供给控制电路8。
图13示出了使得可能测试其操作的检测装置4的变型。出于此目的，检测装置4包括两个电容器C1和C2，它们分别连接在端子+Vbat和机械主体93之间以及端子-Vbat和机械主体93之间。
当控制电路8接通限流电路41时，电容器C1的放电电流在检测电路45可测量可能的绝缘缺陷电流之前瞬间通过所述检测电路45。因此，控制电路8可通过验证所述瞬间放电电流的存在而识别出所述检测电路4在工作中。
当控制电路8接通限流电路42时，电容器C2的放电电流在检测电路45可测量可能的绝缘缺陷电流之前瞬间通过所述检测电路45。因此，控制电路8可通过验证所述瞬间放电电流的存在而识别出所述检测电路4在工作中。
这些电容器已经和其它功能一起整合在电气架构中，例如以滤除逆变器6内部或能量转换器中的共模干扰。在这种情形中，无需任何额外硬件元件。还可以用各种电路内部的寄生电容来补充这些电容器。
这些电容器的放电时间还可以用来估计这些电容器的值以及它们随时间的可能漂移。
在交流电电力设置方面，最常见的中性点机制为：
-EE机制：所述设置的中性点在发电机侧接地，且金属主体接地；
-EN机制：所述设置的中性点在发电机侧接地，且金属主体连接到中性点；
-IE机制：所述设置的中性点和地面绝缘，或通过发电机侧上的高阻抗器连接，且金属主体连接到接地插座。
因此，所述中性点机制一方面定义中性点连接的方式，且另一方面定义在用户侧主体连接的方式。接地布局的目的是为了通过检查绝缘缺陷来保护人和硬件。
电池2的接地布局可以视作电力网络的IE中性点机制，也就是说，中性点相对于地面绝缘，且机械主体链接到地面(但在驾驶时除外，这时借助轮胎使机械主体和地面绝缘)。这种接地布局使得可能确保在出现第一绝缘缺陷时车辆服务的连续性。因此，用户可以继续控制车辆，以便在良好的安全条件下停车。
为了确保通过电力网络对电池2的再充电，通常连接连接到所述网络的交流绝缘充电器。在这种情形中，保留IE机制。另一方面，电绝缘充电器比非绝缘充电器更昂贵。在非绝缘充电器的情况下，在充电期间获得EE机制，这相当于在电力网络的正交变期间将地面连接到电池2的电势-Vbat。于是在这些交变期间，电流经过地面。
为了避免检测装置4在电池的快速充电期间的误报，则通过断开两个断路器41和42来停用在电池2的-Vbat端子上的绝缘监测。
在图9和图10中示出的实例中，借助电阻器R3且借助齐纳二极管或transil二极管DZ2来保护限流电路41免受可能的过电压，所述过电压可由非绝缘的充电器引起。用于评定这些保护硬件元件的规则可如下。在电池2的标称电压为400V的情况下，将可能使用限流功能411的被设计成抵抗600V电压的硬件元件。如果想要保护限流电路41免受4kV的过电压(例如，其可能是由于闪电对非绝缘充电器的电力供应网络的影响)，那么横跨二极管DZ2的端子的电压必须因此保持小于600V。对于这种过电压来说，横跨电阻器R3的端子的电压将因此为3.4kV。在二极管DZ的额定功率为600W的情况下，通过所述二极管的电流必须小于1A。结果，电阻器R3必须具有至少等于3.4kΩ的值。
如果晶体管TC11在雪崩模式下承受所述过电压能量，那么可能无需使用二极管DZ2。
电阻器R3还有利于在晶体管TC11被破坏的假设下限制电流。尽管已经结合第三变型的解决方案描述了这些保护，但这些保护当然可用于第一、第二和第四变型中。

Claims (15)

1.一种电力供应装置，其包括：
-易于引起触电(2)的直流电压电源；
-用于检测所述直流电压电源的绝缘缺陷的装置(4)，其包括：
-连接到所述电压电源的端子的第一输入端子和第二输入端子(47、48)；
-第一电路(41)，其连接在所述第一输入端子(47)和中间点(49)之间；
-第二电路(42)，其连接在所述第二输入端子(48)和所述中间点之间；
-绝缘缺陷电流检测电路(45)，其连接在电接地和所述中间点(49)之间；
其特征在于，所述第一电路和第二电路为限流器，其被配置成选择性地断开和接通其相应输入端子和所述中间点之间的连接，所述限流器电路中的每一个都是额定的，以便在接通所述第一或第二限流器电路且直流电压电源的端子之一短路到电接地时，小于标准安全阈值的电流穿过所述限流器电路；
而且，其特征在于，所述用于检测所述直流电压电源的绝缘缺陷的装置包括控制电路(8)，其被配置成同时地保持所述限流器电路中的一个断开而所述限流器电路中的另一个接通。
2.根据权利要求1所述的电力供应装置，其中所述限流器电路中的每一个都包括由所述控制电路(8)控制的光耦合器(43)，以便选择性地断开和接通其相应限流器电路中的连接。
3.根据权利要求1或2所述的电力供应装置，包括：第一电容器(C1)，其在所述第一输入端子和电接地(93)之间与所述第一限流器电路并联连接；第二电容器(C2)，其在所述第二输入端子和所述电接地之间与所述第二限流器电路并联连接，所述控制电路(8)被配置成在接通所述限流器电路中的一个的连接时检测所述电容器中的一个的放电。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供应装置，其中所述控制电路(8)以在10秒和30秒之间的时间间隔以重复方式接通所述限流器电路中的每一个。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供应装置，其中所述控制电路(8)保持以小于2%的占空比接通所述限流电路(41、42)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供应装置，其中所述电流检测电路(45)包括微控制器(453)，所述微控制器(453)包括接收源于所述中间点(49)的绝缘缺陷电流的输入端子(491)，所述输入端子借助第一电阻器(456)连接到电力供应器，而且所述输入端子借助第二电阻器(457)电接地(93)，所述电力供应器处于所述直流电压电源的电压电平的十分之一或更小的电压电平，所述微控制器(453)被配置成根据施加到其输入端子的电压来确定所述绝缘缺陷的幅度。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供应装置，其中每一限流器电路包括：
-第一晶体管，其包括连接到所述检测装置的相应输入端子的输入电极，输出电极和控制电极；
-第一电阻器(R1)，其连接在所述输入电极和所述控制电极之间；
-第二电阻器(R2)，其连接在所述输出电极和所述中间点(49)之间；
-用于限制所述控制电极上的电压电平的元件。
8.根据权利要求7所述的电力供应装置，其中所述第一晶体管为MOSFET晶体管(TC11)。
9.根据权利要求7或8所述的电力供应装置，其中用于限制所述电压电平的所述元件为连接在所述第一晶体管的控制电极和所述中间点之间的齐纳二极管。
10.根据权利要求7或8所述的电力供应装置，其中用于限制所述电压电平的所述元件为双极型晶体管，其基极连接到所述第一晶体管的所述输出电极，其发射极连接到所述中间点，且其集电极连接到所述第一晶体管的所述控制电极。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供应装置，其中所述限流器电路中的每一个限流器电路都是额定的，以便在接通所述第一或第二限流器电路且将所述直流电压电源的端子之一短路到电接地时，小于3.5mA的电流穿过所述限流器电路。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供应装置，其中所述限流器电路中的每一个限流器电路都是额定的，以便在所述控制电路将接通命令施加到所述限流器电路时，在所述直流电压电源的端子之一和电接地之间的短路引起的电流穿过所述限流器电路时所述限流器电路仍保持接通。
13.一种机动化系统(1)，其包括：
-根据前述权利要求中的任一项所述的电力供应装置，其中所述直流电压电源为电池；
-逆变器(6)，其具有直流接口和交流接口，所述电池的端子连接到直流接口；
-电动机(7)，其连接到所述逆变器(6)的交流接口。
14.根据权利要求13所述的机动化系统，其中横跨所述电池(2)的端子的电压大于100V。
15.一种汽车(1)，其包括如权利要求13或14所述的机动化系统。
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