CN104641244B - 用于检测和测量绝缘故障的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测直流电压源的能够引起触电的绝缘故障的装置(4)，该装置包括：用于该电压源的第一输入端子和第二输入端子(‑Vbat，+Vbat)；第一电阻偶极子和第三电阻偶极子(41，43)，这些电阻偶极子被串联在一个电气接地极(91)与该第二输入端子(+Vbat)之间，该第一电阻偶极子(41)具有的电阻是该第三偶极子(43)的至少十倍；一个第二电阻偶极子(42)和一个开关(45)，该第二偶极子和该开关被串联在该第一输入端子(‑Vbat)与该电气接地极(91)之间；以及一个检测电路(44)，该检测电路被连接在该第三偶极子(43)的这些端子上，该检测电路设计成交替地断开和闭合所述开关、测量该第三偶极子的端子间的电压、并且确定随这些测量出的电压的变化而变化的一个绝缘故障的幅度。

Description

用于检测和测量绝缘故障的装置
技术领域
本发明涉及关于一个参考电压的DC电压网络或电源的绝缘。
背景技术
高功率的DC电气系统已经历了显著的发展。确切地讲，大量的运输系统包括DC电源。
混合式燃烧/电动车辆或电动车辆特别地包括高功率电池。为了获得适当的电平而串联地放置多个电化学蓄能器。为了获得高的功率和容量而串联地放置多个蓄能器组。级数(蓄能器的组数)以及各级中并联的蓄能器的个数根据该电池所希望的电压、电流以及容量而变化。多个蓄能器的这种组合被称为一个具有多个蓄能器的电池。
多个这样的电池用于通过一个逆变器来驱动一个AC电动马达。这样的马达所必需的电平达到几百伏特，典型地为400伏特的数量级。这样的电池还具有一个高的容量，以便提升该车辆在电动模式下的里程。汽车应用所特有的若干个技术原因导致在该车辆的机械接地极(由车辆的金属底盘和车身形成并且因此使用者可触及)与该电池的电势之间使用绝缘。主要原因在于在行驶过程中在第一绝缘故障的事件中瞬时断开该牵引电池是不可预见的。例如，在该电池的其中一个极与该机械接地极相连并且在另一极上出现这种绝缘故障时就是这种情况。这导致短路和保护用保险丝的立即熔断。这样的影响会使该车辆因为缺少牵引功率或回收制动而变得危险。这因此使得有必要使该电池绝缘并且出于人员安全的原因由一个绝缘监测器监测该绝缘。确切地讲，如果在第一故障的事件中要对于使用者而言不存在危险的话，适宜的是在发生会导致断开该牵引电池的第二故障之前报告该第一故障，因为该第二故障致使该电池的正极端子和负极端子之间短路。此外，在该第二故障的事件中，该电池的电压将被直接地连接到该车辆的机械接地极上并且因此使用者将潜在地与该机械接地极相接触。由于这样的能量源对于使用者而言的潜在危险，必须特别关心绝缘以及对该电池与机械接地极之间的绝缘的监测。该车辆的与该电池电连接的任何零件都必须与该接地极绝缘。这种绝缘是通过使用绝缘材料来产生的。该绝缘可能随着时间的流逝而退化(因为振动、机械冲击、灰尘等等)并且因此将该机械接地极置于潜在危险中。
此外，可以设想到的是使用不与该电力网络相DC隔离的一个充电器。由于该车辆的机械接地极在再充电过程中通过调节而被连接到地线上并且常规的住所使用的零线模式(TT模式)将该零线连接到地线上，这等效于在再充电过程中将该车辆的机械接地极连接到该电池的其中一个电势上。在这些充电过程中，相比于只施加并且尤其是监测了该电池的电压的一半的正常情况，该电池的满电压因此被施加到绝缘件的端子上。这一绝缘不能够承受该满电压，从而瞬时产生导致短路的第二故障。
根据现有技术的电动车辆典型地具有旨在给三相电动马达供电的一个电池。该电池包括多个电化学蓄能器。配备有多个保险丝的一个保险装置被连接到该电池的端子上。一个绝缘监测装置也被连接到该电池的端子上、并且被连接到该车辆的机械接地极上。该绝缘监测装置被连接到一个计算机上以便给该计算机发送关于这些检测出的绝缘故障的信号。该计算机由一个车载网络电池供电。该电池的负极被连接到该车辆的接地极上。该电池的端子通过一个截断系统对一个逆变器的DC输入施加电压+Vbat和-Vbat。该截断系统包括由该计算机控制的多个功率接触器。该电动马达被连接到该逆变器的AC输出端上。在现有技术中已知多种不同类型的绝缘监测。
由于老化，一些绝缘材料可以证明适用于在正常运行过程中承受该机械接地极与该电池的一个端子间的电压，但可能在由于绝缘故障而使它们承受该电池的端子之间的全电压时损坏。
已知的监测装置不能够测试和检测这种潜在的绝缘故障，这可能会导致连锁式绝缘故障。在一个极性上的第一绝缘故障会在另一个极性与接地极之间施加全电压。如果该另一个极性的绝缘件不能够承受该全电压，则发生第二绝缘故障。这导致短路，保险丝熔断。这对应于牵引损失然后突然锁定该车辆，这是危险的。
对于所面临的工业约束，已知的绝缘检测器没有令人满意的。这些已知的绝缘检测器都不可能检测绝缘故障、确定该电池的哪个极性受该绝缘故障的影响、确定是否两个极性都受绝缘故障影响以及测量绝缘故障的幅度，而不引起额外的电力消耗并且具有与向公众大规模销售的车辆所期望的出售价格兼容的成本。
发明内容
本发明旨在解决这些缺点中的一个或多个。本发明因此涉及一种用于对DC电压源的易于引起触电的绝缘故障的进行检测和测量的装置，该装置包括：
-第一输入端子和第二输入端子，这些输入端子旨在被连接到该电压源的端子上；
-第一电阻偶极子和第三电阻偶极子，这些电阻偶极子被串联在一个电气接地极与该第二输入端子之间，该第一电阻偶极子具有的电阻是该第三偶极子的至少十倍；
-一个第二电阻偶极子和一个开关，该第二偶极子和该开关被串联在该第一输入端子与该电气接地极之间；
-一个检测电路，该检测电路被连接在该第三偶极子的端子上，该检测电路被配置成：
-交替地断开和闭合所述开关；
-测量在该开关被断开和该开关被闭合时该第三偶极子的端子间的电压；
-确定随这些测量出的电压的变化而变化的一个绝缘故障的幅度。
根据一个变体，该第一偶极子的电阻是该第二偶极子的电阻的至少三倍。
根据另一个变体，该第三偶极子是一个电位器或具有多个开关电阻器的一个网络。
根据又一个实施例，该检测电路以2秒与30秒之间的一个时间间隔重复地闭合所述开关。
根据另一个变体，该检测电路以小于或等于2％的一个占空比使该开关保持闭合。
根据又一个变体，所述开关包括由该检测电路控制的一个光耦合器。
根据一个变体，该第一偶极子的电阻和该第二偶极子的电阻各自至少等于50kΩ。
本发明此外涉及一种机动化系统，该机动化系统包括：
-如上所述的一个检测装置；
-一个电池，该电池的端子被连接到该检测装置的第一输入端子和第二输入端子；
-一个逆变器，该逆变器具有一个DC接口和一个AC接口，该电池的这些端子被连接到该DC接口上；
-一个电动马达，该电动马达被连接到该逆变器的AC接口上。
根据一个变体，该电池的端子间电压大于100V。
根据一个变体，该检测电路对该电位器的电阻加以控制以使得该电阻与该电池的端子间电压成比例。
附图说明
本发明的其他特点和优点将会从以下参照附图以指示的方式而绝非限制的方式给出的说明中变得清楚，在附图中：
-图1是具有由一个电池供电的一个电动马达的一台车辆的一个实例的示意性表示；
-图2是根据本发明的一个实施例的一个用于检测和测量绝缘故障的示意性表示；
-图3展示了在第一种类型的绝缘故障的背景下图2的检测和测量装置；
-图4展示了在第二种类型的绝缘故障的背景下图2的检测和测量装置；
-图5和图6展示了一个检测装置的随不同的电阻值的变化而变化的灵敏度图；
-图7和图8展示了当存在双故障时用于检测绝缘故障的装置的运行；
-图9和图10展示了用于检测和测量绝缘故障的装置的两个变体的运行结果；
-图11至图14展示了用于检测绝缘故障的装置的不同变体。
具体实施方式
本发明提供了一种用于对DC电压源的易于引起触电的绝缘故障的进行检测和测量的装置。这一装置包括与该电压源的端子相连的第一输入端子和第二输入端子。
图1展示了实现本发明的实施例的一台车辆1的一个实例。车辆1是一台电动车辆，该电动车辆以一种本身已知的方式包括一个电池2，该电池包括多个串联的电化学蓄能器21。电池2包括大量串联的蓄能器21，典型地在40个与150个蓄能器之间，这取决于所需要的电压和所使用的蓄能器类型。当充好电时电池2的端子间的电压典型地是在400V的数量级。电池2给一个第一端子施加电压+Vbat并且给一个第二端子-Vbat施加电压。这些蓄能器21通过电气功率连接件而串联。电池2的这些端子被连接到一个逆变器6的一个DC接口上。一个电动马达7被连接到逆变器6的一个AC接口上。
电池2的这些端子与逆变器6的DC接口直接的连接是通过一个保护电路3和一个功率耦合电路5而产生的。以一种本身已知的方式，保护电路3可以包括被配置成在短路事件中断开该连接的多个保险丝。功率耦合电路5包括多个开关51和52，这些开关使得有可能选择性地使电池2的端子与逆变器6的DC接口连接/脱离连接。这些开关51和52的断开/闭合是由一个控制电路8、典型的是用于监测电池2的运行状况的一个计算机加以控制的。控制电路8典型地是通过车辆1的车载网络的一个供电电池92供电的，该供电电池具有比电池2的电平低很多的一个电平。控制电路8典型地被连接到机械接地极91上，该机械接地极包括车辆1的金属底盘和车身93。
一个用于检测和测量绝缘故障的装置4被连接到电池2的端子和机械接地极91上。在图2中图解式地详述这样一个检测装置4的一个实施例。
该检测和测量装置4包括多个输入端子+Vbat和-Vbat，该电池的电压+Vbat和-Vbat通过多个功率连接件被对应地施加给这些输入端子。该装置4包括第一、第二以及第三电阻偶极子41、42和43。电阻偶极子41和43被串联在机械接地极91与输入端子+Vbat之间。在输入端子-Vbat与机械接地极91之间串联了电阻偶极子42与一个开关45。
电池2的端子间的电压以下将由Vbat指代，并且这些偶极子41、42和43的对应的电阻将由R1、R2和R3指代。
一个检测和测量电路44被连接到第三偶极子43的这些端子上。该检测和测量电路44被配置成交替地使开关45断开和闭合。检测和测量电路44测量偶极子43的端子间的电压并且被配置成从该电压推导出绝缘故障的存在、该绝缘故障的极性和/或该绝缘故障的幅度。
图3展示了当存在可以比作端子+Vbat与机械接地极91之间的电阻Rd1的绝缘故障时装置4的等效电路图。图4展示了当存在可以比作端子-Vbat与机械接地极91之间的电阻Rd2的绝缘故障时装置4的等效电路图。这样一个装置4证明特别适用于额定电压通常高于100V的动力电池。
在实践中，当机械接地极91与端子-Vbat之间短路时偶极子43的端子间的电压达到最大。为了限制施加给检测和测量电路4的输入的电压，偶极子41的电阻是偶极子43的电阻的至少10倍。对于电路44的端子处的期望电压范围VoutMax而言，R3可以被确定如下：
R3＝(R1*VoutMax)/(Vbat-VoutMax)
VoutMax将有利地小于或等于3.5V，以便使得有可能在电路44中采用通常使用的低成本电子元器件。
此外，检测和测量电路44的端子所连接到的这个偶极子43有利地是连接在接地极91与电池2的正极端子之间的，以使得该检测和测量电路44只测量正的电压。电路44使得有可能针对这些具有相反极性的端子测量绝缘故障，并且是以具有符号保持不变的测量电压Vout来做到的。
偶极子43有利地被连接到机械接地极91上。开关45有利地被连接到机械接地极91上。
当开关45被闭合时，如果仅在端子+Vbat与接地极91之间存在绝缘故障Rd1，则施加给电路44的这些端子的电压将是：
当开关45被闭合时，如果仅在端子-Vbat与接地极91之间存在绝缘故障Rd2，则施加给电路44的这些端子的电压将是：
在这两种象征性情况下，可以由其推导出这些绝缘故障的幅度：
绝缘故障的幅度的测量因此是基于偶极子43的端子间的电压的DC分量的幅度。
图5和图6展示了对于偶极子41和42的不同的电阻值而言随着绝缘故障Rd1或Rd2的幅度的变化而变化的检测和测量回路44的端子间的电压。对与这些测量而言，开关45是闭合的。在这些不同的象征性情况下，电阻R1是电阻R3的至少100倍。在此，R3的大小被确定成使得VoutMax＝3.3V。在这些不同的象征性情况下，R1＝R2。
该图表示出了电路44具有未检测出绝缘故障(绝缘故障的幅度太低)的一个范围、一个测量范围(可以检测出绝缘故障幅度)以及一个检出范围(可以识别出绝缘故障但其幅度却不能被识别)。
可以看到R1和R2的值增大使得有可能更早地检测处绝缘故障。R1和R2的值增大还使该测量范围与该检出范围之间的转换阈值增大。因此，R1和R2的值将有利地根据该测量范围与非检出范围之间的转换阈值以及该测量范围希望的大小来选定。
在实践中，开关45的交替断开/闭合使得有可能增大电路44的测量范围的大小。此外，开关45的交替的断开和闭合使得有可能检测在端子-Vbat侧和在端子+Vbat侧同时存在绝缘故障。开关45使得有可能通过补偿在机械接地极91的任一侧的绝缘故障而避免绝缘故障检测的不精确或缺失。
当开关45被闭合时，偶极子43的端子间的电压Vout1由以下公式给出：
当开关45被断开时，偶极子43的端子间的电压Vout2由以下公式给出：
因此获得了具有带两个未知数的两个方程的方程组，该方程组给出了以下解：
其中R13＝R1+R3并且Vb3＝Vbat*R3
因此，只要在机械接地极91的一侧或另一侧的绝缘故障不具有在该检出范围的转换阈值之下的一个电阻，电路44就能够提供对这些绝缘故障Rd1和Rd2的幅度的测量。
当开关45被断开时，没有绝缘故障时电压Vout1为零。这些偶极子41至43的电力消耗于是也为零。电压Vout1于是只在发生绝缘故障Rd2时增大。
为了限制在开关45闭合期间的消耗，该开关可保持以小于或等于2％的占空比来闭合。此外，这些电阻R1和R2将有利地各自等于至少50kΩ。开关45的闭合可以按2秒与30秒之间的一个时间间隔来重复。
为了确定该绝缘故障的幅度，电路44可以执行对所测量的电压Vout的数字编码。例如，电压测量值Vout可以通过在电路44的输入处的一个采样器而以12位加以编码。当然，编码字的大小将适配该测量所希望的精度。
对于1MΩ的电阻R1和R2而言，已经针对绝缘故障Rd1＝50kΩ和Rd2＝1MΩ的情况进行了多次测试。回路44使得有可能在以12位、10位或8位对测量值Vout进行编码的情况下以小于10％的误差获得Rd1和Rd2的测量值。
对于1MΩ的电阻R1和R2而言，已经针对绝缘故障Rd1＝Rd2＝100kΩ的情况下进行了多次测试。回路44使得有可能在以12位、10位或8位对测量值Vout进行编码的情况下以小于2％的误差获得Rd1和Rd2的测量值。
如果在该电池中所包含的一个单体中发生故障的话，电压Vbat和Vout将变化。在这些串联的电池单体的中间与机械接地极91的短路不会修改机械接地极91的电势。相比之下，开关45的断开使得有可能识别这样的短路。确切地讲，没有短路时，将存在值为零的电压Vout2。存在这样的短路时，获得以下值：
Vout2＝+Vbat*R3/(R1+R3)
这样的短路的存在因此可以基于Vout2与预期值的偏差来确定。
当电阻R1大于电阻R2时，例如当R1至少等于两倍R2时，优选地当R1至少等于三倍R2时，本发明证明是特别有利的。
在实践中，这样使得有可能大大地扩大该测量范围的大小。此外，这样的电阻差异使得有可能在该电池的各个端子-Vbat和+Vbat与机械接地极91之间施加接近于电压Vbat的一个电压，以便测试绝缘强度。没有太大的绝缘故障的情况下，当开关45被断开时，基本上电压Vbat施加在端子-Vbat与机械接地极91之间。当开关45被闭合时，由于电阻R1与R2之间的差异，在端子+Vbat与机械接地极91之间施加接近Vbat的一个电压。对于装置4的部件而言获得了这些优点而不引致额外的成本。
由于这样的大的电阻差，没有绝缘故障Rd2时电压Vout1的变化率增大。当存在绝缘故障R2时，电阻R2的值低允许对这个绝缘故障Rd2的更大的测量灵敏度。
图9和图10的表格对应于分别以相等的电阻R1和R2(1MΩ)和不同的电阻R1和R2(分别为1MΩ和100kΩ)所实行的仿真。对于这些仿真而言电压测量Vout是以12位来编码的。
该表格展示了针对绝缘故障Rd1和Rd2的不同的值组合的结果。
使用了以下记号：
Mes：绝缘故障已识别并且带有小于20％的误差测量幅度；
NDet：绝缘故障未识别；
Det：绝缘故障已检测但未测量，或者带有大于20％的误差测量；
Imp：检测误差或未检测；
X：不可能的测量。
可以看到并未实施对具有低电阻的绝缘故障的精确测量，但对于绝缘故障而言这样的精度不是必要的，因为该绝缘故障是其幅度为在任何不严重情况下的绝缘故障。
还可以看到电阻R1和R2的值不同还使得有可能获得大多数情况下的精确测量(针对电阻的故障测量减少十倍)、更少次数的不可能测量以及更少次数的错误检测。在所有情况下，都检测出了主要绝缘故障。
使用具有较低值的电阻R2与存在的一个串联的开关45相组合使得有可能在任何情况下限制装置4的电力消耗，而同时从电阻R1与R2之间的这种差异的优点获益。电阻R2有利地具有一个足够高的值以便能够精确地测量具有高电阻值的绝缘故障Rd1。
偶极子43可以被实施成一个电位计或多个开关电阻器的形式，该偶极子的电阻值由一个控制电路设定为与电池2的端子处的电压Vbat成比例。这种绝缘故障测量因此可以考虑电池2的负荷的变化。因此测量分辨率可以是相同的而不管电池2的负荷如何。偶极子43可以例如被实施成一个数字电位器的形式。这样一个电位器可以包括其电阻固定的一个部件，该部件与其电阻随着电阻R3所希望的值范围变化而可变的一个部件串联。有利地，这些偶极子41和42可以是电位器。因此，可以通过更改这些电阻值来修改测量范围大小。
图11至图13展示了用于检测绝缘故障的装置的不同变体，其中开关45包括一个光耦合器。光耦合器的使用使得有可能将对开关45的控制与高电压施加于其端子上的偶极子41至43隔离开。
在这些不同的变体中，一个齐纳二极管431与第三偶极子43并联。该偶极子431使得有可能避免电路44中的过电压，假设存在一个明显的绝缘故障的话。在这些不同的变体中，一个电容器432与第三偶极子43并联。电容器432使得有可能对偶极子43的端子间的电压进行滤波以便消除这些高频扰动。
在图11的变体中，开关45包括单一光耦合器451。该光耦合器451使用一个双极类型的光电晶体管。一个齐纳二极管452与光耦合器451并联。光耦合器451采用饱和模式以便满足开关的功能。由控制电路8通过一个电阻器46控制光耦合器451。齐纳二极管452保护光耦合器451免遭可能的过电压，这些可能的过电压可能来自与电池2相连的元件，例如行驶过程中的一个马达逆变器或再充电过程中的一个电力网络。二极管452的齐纳电压小于该光耦合器的电压VceMax并且大于电压Vbat。在这种情况下开关45是常开的，对开关45的控制于是在休息时不消耗能量。
在图12的变体中，开关45包括相串联的两个光耦合器451和453。这样一种安排使得有可能特别地与额定电压Vbat高于400V的电池一起使用比较常见的功率器件。这些光耦合器451和453使用双极类型的光电晶体管。一个齐纳二极管452与光耦合器451并联，并且一个齐纳二极管454与光耦合器453并联。二极管452和454的齐纳电压大于Vbat/2。在该实例中，光耦合器452和454的这些二极管串联。如果该控制电压不足以驱动这些串联的二极管，则可以使用一个并联的控制电路。
在图13的变体中，开关45包括使用一个场效应光电晶体管的一个光耦合器451。由于这种类型的光耦合器的更好的电压强度，就可以使用单一光耦合器451，甚至是当电压Vbat高于400V时也是如此。对于这样的电平而言，在与光耦合器451的光电晶体管并联的一条支路中使用相串联的多个齐纳二极管455和456。
图14展示了一个检测和测量装置4的另一个变体，其中对开关45的控制可以不与偶极子41至43隔离开。在该实例中，开关45被连接在偶极子42与机械接地极91之间。
开关45包括串联在偶极子42与机械接地极91之间的一个PMOS晶体管462。与晶体管462并联的一条支路包括相串联的两个齐纳二极管455和456。一个电阻器48连接在端子-Vbat与晶体管462的栅极之间。一个齐纳二极管457连接在晶体管462的栅极与机械接地极91之间。开关45此外包括一个NMOS晶体管461，该NMOS晶体管的栅极由控制电路8控制。电源电压Vdd被施加到晶体管461的漏极上，并且一个电阻器47被连接在晶体管461的源极与晶体管462的栅极之间。
当晶体管461被断开时，齐纳二极管457使得有可能将一个负的电压施加到晶体管462的栅极上以便使该晶体管饱和。当晶体管461被闭合时，电源电压Vdd被施加到晶体管462的栅极上并且因此导致该晶体管被停用。
对于集成到汽车1中而言，可以在起动该车辆和/或在行驶过程中由检测和测量装置4监测绝缘故障。

Claims (9)

1.一种用于检测DC电压源的易于引起触电的绝缘故障的装置(4)，其特征在于，该装置包括：
-第一输入端子和第二输入端子，这些输入端子旨在被连接到该DC电压源的端子上；
-第一电阻偶极子和第三电阻偶极子(41，43)，这些电阻偶极子被串联在一个电气接地极(91)与该第二输入端子之间，该第一电阻偶极子(41)具有的电阻是该第三电阻偶极子(43)的至少十倍；
-一个第二电气连接件，该第二电气连接件由一个第二电阻偶极子(42)与一个开关(45)组成，该第二电阻偶极子和该开关被串联在该第一输入端子与该电气接地极(91)之间，所述第二电气连接件一方面与该第一输入端子并且另一方面与该电气接地极直接相连，该第一电阻偶极子(41)的电阻是该第二电阻偶极子(42)的电阻的至少三倍；
-一个检测电路(44)，该检测电路被连接在该第三电阻偶极子(43)的端子上，该检测电路被配置成：
-交替地断开和闭合所述开关；
-测量在该开关被断开和该开关被闭合时该第三电阻偶极子的端子间的电压；
-确定随这些测量出的电压的变化而变化的一个绝缘故障的幅度。
2.如权利要求1所述的装置，其中该第三电阻偶极子(43)是一个电位器或具有多个开关电阻器的一个网络。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中该检测电路(44)以2秒与30秒之间的一个时间间隔重复地闭合所述开关(45)。
4.如权利要求1或2所述的装置，其中该检测电路(44)以小于或等于2％的一个占空比使该开关(45)保持闭合。
5.如权利要求1或2所述的装置，其中所述开关包括由该检测电路(44)控制的一个光耦合器(451)。
6.如权利要求1或2所述的装置，其中该第一电阻偶极子的电阻和该第二电阻偶极子的电阻各自至少等于50kΩ。
7.一种机动化系统，包括：
-如以上权利要求中任一项所述的一个装置(4)；
-一个电池(2)，该电池的端子被连接到该装置的第一输入端子和第二输入端子；
-一个逆变器(6)，该逆变器具有一个DC接口和一个AC接口，该电池的端子被连接到该DC接口上；
-一个电动马达(7)，该电动马达被连接到该逆变器(6)的AC接口上。
8.如权利要求7所述的机动化系统，其中该电池(2)的端子间的电压大于100V。
9.如权利要求7或8所述的机动化系统，包括如权利要求2所述的一个装置，其中该检测电路(44)对该电位器(43)的电阻加以控制以使得该电阻与该电池(2)的端子间电压成比例。
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