CN104714144A

CN104714144A - 用于连续检测高压电缆的电绝缘中的断线的设备和方法

Info

Publication number: CN104714144A
Application number: CN201410768039.8A
Authority: CN
Inventors: C.罗班; E.塞韦尔
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: FR3015040B1; FR3015040A1; CN104714144B; US20150168480A1

Abstract

本发明涉及用于连续检测高压电缆的电绝缘中的断线的设备和方法。本发明的目的是用于连续检测高压电缆和电接地之间的电绝缘中断线的设备，高压电缆一侧连接到直流高压电流生成器并且另一侧连接到用于使用所述高电压的设备，并且与电接地生成寄生电容Cp。根据本发明，所述检测设备包括：至少一个电极，位于距高压电缆一段距离，与所述高压电缆形成附加电容Ca且电连接到用于测量所述电极和电接地之间的测量的电容Cm的装置，该装置连接到用于比较该测量的电容值和预存的阈值的装置，该装置连接到如果测量的电容的值大于阈值，表示所述高压电缆的电绝缘中的断线，则用于生成警告消息的装置，测量的电容值等于。。

Description

用于连续检测高压电缆的电绝缘中的断线的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于连续检测在高压电缆的电绝缘中的断线的设备和相关联的检测方法。在电绝缘中的断线被理解为意味着对高压电缆的电接地的连接。

更特别地，本发明涉及包括高电压直流电源，例如80 V电池的电机动车辆或混合式机动车辆。针对这样的高直流电压，电池不连接到车辆的电接地，即不连接到其底盘，如针对12 V直流低电压电池通常是的情况那样。电池和一个用于正极而一个用于负极的两个高压电缆，所述两个高压电缆将所述电池电连接到在车辆上的剩余的电/混合式系统，出于电安全的原因，所述电池和所述两个高压电缆被保持与车辆的电接地电绝缘，即与车辆的底盘绝缘。

背景技术

在电绝缘中的断线的现象可以针对车辆的用户具有严重的后果。确实，如果直流高压电缆中的至少一个不与电接地（例如，与底盘）绝缘，则在车辆维护操作期间，驾驶员或者操作者可能进入与底盘（例如借助于放置在车体上的他的手）以及与高压电缆两者的接触。考虑到使用的直流电压的高数值，则后者冒严重受伤的风险。此外，高压电缆中的一个对电接地的连接（借助于车辆底盘）可以增加在车辆中起火的可能性。

因此将理解的是，必须时常检查来自电池的这两个高压电缆的电绝缘。这种要求在2010年3月的SAE International™（美国汽车工程师学会）标准J2344“Guidelines for Electric Vehicle Safety”中被详述。

在先技术中的一种技术方案在于测量电阻器的端子处的电压，所述电阻器在一侧上连接到高压电缆，所述高压电缆的电绝缘将被检查，并且在另一侧上连接到车辆的底盘。

然而，为了执行该测量，必须将高压电缆电连接到底盘，并且因此潜在地危害了所述电缆的电绝缘。因此，优选地是，应该间歇地执行该测量，例如使用放置在电阻器和底盘之间的开关以固定频率执行。但是，仍然剩余在两个接连的测量之间发生的在高压电缆的电绝缘中的断线的风险。

为此，本发明提出用于检测在高压电缆的电绝缘中的断线的设备，其允许在不危害所述电缆的电绝缘的同时，连续并且不受干扰地检查所述电缆的电绝缘。

发明内容

本发明提出了一种用于连续检测在高压电缆和电接地之间的电绝缘中的断线的设备，所述高压电缆在一侧上连接到直流高电压电流生成器并且在另一侧上连接到用于使用所述直流高电压的设备，并且与电接地生成寄生电容。根据本发明，所述检测设备包括：

·至少一个电极，其定位于距高压电缆一段距离处，与所述高压电缆形成附加电容，

·用于对测量的电容进行测量的装置，其在所述电极和所述电接地之间，

·用于比较测量的电容和预存的阈值的装置，

·用于如果测量的电容大于阈值，表示所述在高压电缆的电绝缘中的断线，则生成警告消息的装置，

·测量的电容值等于：

其中：

Cm = 测量的电容（pF）

Ca = 附加电容（pF）

Cp = 寄生电容（pF）

因此，经由附加被定位以使得其与高压电缆创建附加电容Ca的电极而间接地并且连续地测量寄生电容是理智的。考虑到附加电容Ca具有固定并且已知的值，通过测量在该电极的端子处的电容Cm，间接地测量在高压电缆和电接地之间的寄生电容Cp。在测量的电容Cm中的任何变化代表在寄生电容Cp中的变化。如果寄生电容Cp超过阈值，并且因此测量的电容Cm超过阈值，则检测在所述电缆的电绝缘中的断线。

在第二实施例中，连续检测设备进一步包括：

·参考电极，其定位于距高压电缆一段距离处，与所述高压电缆形成参考电容，并且连接到电接地，

·测量的电容值等于：

其中：

Cm' = 测量的电容（pF）

Ceq = 等效电容（pF）

Cref = 参考电容（pF）

Ca = 附加电容（pF）。

优选地，附加电容至少是寄生电容的十倍大，或者根据第二实施例，参考电容至少是寄生电容的十倍大，并且附加电容至少是参考电容的两倍大。

电极可以由定位于与高压电缆相对的平面电极或者由传导材料制造的围绕高电压电极的圆柱电极组成。

类似地，参考电极可以由定位于与高压电缆相对的平面电极或者由传导材料制造的围绕高电压电极的圆柱电极组成。

生成警告消息的装置优选地是对在电绝缘中的断线发信号的视觉或者声音装置。

本发明也涉及一种用于使用根据上文所列出的特征的连续检测设备，连续检测在高压电缆和电接地之间的电绝缘中的断线的方法，所述检测方法包括以下步骤：

·步骤a：比较装置存储测量的电容的阈值，

·步骤b：测量装置对测量的电容进行测量，以及

·步骤c：比较装置比较测量的电容值和预存的阈值，

·步骤d：如果测量的电容值大于阈值，则由用于生成警告消息的装置生成警告消息，

否则

·步骤e：如果测量的电容值小于阈值，则重复步骤b、c、d。

在第一实施例中，方法进一步包括用于确定寄生电容的最大值的在先阶段，并且在步骤a期间，阈值等于寄生电容的最大值。

在第二实施例中，阈值等于：

其中：

Cth' = 阈值

Cref = 参考电容的值（pF），并且

A = 安全因数

本发明也涉及包括根据上文列出的特征的任一项的连续检测设备的任何机动车辆。

附图说明

本发明的其它目的、特征和优点将在阅读作为非限制性示例给出的以下描述时以及在审查附图时出现，其中：

-图1示意性地示出了根据本发明的检测设备D的第一实施例，

-图2a示意性地详细示出了根据检测设备D的第一实施例的第一替代的平面电极40a，

-图2b示意性地详细示出了根据检测设备D的第一实施例的第二替代的圆柱电极40b，

-图3示意性地示出了根据本发明的检测设备D'的第二实施例，

-图4a示意性地详细示出了根据检测设备D'的第二实施例的第一替代的平面电极40a和平面参考电极41a，

-图4b示意性地详细示出了根据检测设备D'的第二实施例的第二替代的圆柱电极40b和圆柱参考电极41b。

具体实施方式

在图1示出根据本发明的连续检测设备D的第一实施例。高电压电池类型直流高电压生成器10具有两个端子，正（V+）和负（V-），其通过两个高压电缆10a和10b连接到用于使用所述直流电压的设备20，例如连接到低电压DC到DC转换器。使用设备20电连接到车辆的车上电气或者电子系统（未示出）。所述组件装载在所述车辆之内。

直流高电压电路由电池10和两个高压电缆10a、10b组成，并且与连接到电接地的车辆的底盘C绝缘。

在两个高压电缆10a、10b（其没有连接到电接地）和车辆的底盘C（其连接到电接地）之间的接近度创建在所述高压电缆10a、10b中的每个和车辆的底盘C之间的具有无限值的电阻R。在图1中，出于清楚的目的，仅示出在连接到高电压电池10的正端子（V+）的高压电缆10a和车辆的底盘C之间的电阻R。此外，在高压电缆10a、10b中的每个和底盘C之间的具有低值（几pF）的寄生电容Cp并联伴随具有无限值的该电阻R。除其他之外，该寄生电阻归因于在高压电缆10a、10b中的每个和底盘C之间电势的差。

例如，如果连接到高电压电池10的正端子（V+）的高压电缆10a不再是电绝缘的并且变成电连接到底盘C，则在所述两者之间的电阻R将显著下降，以得到等于在高压电缆10a和车辆底盘C之间的连接的电阻的值。寄生电容Cp被这个低值电阻短路。

本发明提出了连续测量在高压电缆10a、10b中的至少一个和底盘C（即车辆的电接地）之间的寄生电容值Cp，以便检测在所述高压电缆10a、10b的电绝缘中的任何断线。

为此，本发明提出加入接近于将检查其电绝缘的高压电缆10a的电极40a（参考图2a），以及连接到底盘C（电接地）的测量装置30，并且测量在所述电极40a和底盘C之间存在的测量的电容Cm。接近于高压电缆10a的电极40a的存在创建了在电极40a和所述电缆之间的附加电容Ca。确实，所述附加电容Ca由两个电极组成：电极40a和由电缆形成的电极。

考虑到在高压电缆10a和底盘C之间的寄生电容Cp的存在，测量装置30不仅测量附加电容值Ca，也测量等效于串联安装的两个电容的测量的电容Cm，即附加电容Ca和寄生电容Cp（参考图1）。

因此，测量的电容Cm等效于：

[等式1]

由于附加电容值Ca是固定以及已知的，因此在测量的电容值Cm中的变化代表在寄生电容值Cp中的变化。

确实，根据等式1，在寄生电容值Cp中的任何变化产生在测量的电容值Cm中的变化。

因此，根据本发明的连续检测设备D允许通过对测量的电容Cm进行测量来间接地测量寄生电容值Cp。

通过将附加电容值Ca理智地选择为比寄生电容值Cp大得多，例如，至少是寄生电容Cp的十倍大，所述等式[1]给出：

因此，当高压电缆10a与底盘C（即电接地）绝缘时，测量的电容值Cm因此基本上等于寄生电容值Cp。

在高压电缆10a的电绝缘中的断线的期间，即，当后者连接到底盘C的电接地时，寄生电容Cp消失，因为其被连接到底盘C的高压电缆10a的电阻R短路。在该情况下，在高压电缆10a之间只存在一个电容，其等于附加电容Ca。

当寄生电容Cp被短路时，则：

当然，取决于在高压电缆10a和底盘C之间的泄漏电流的强度，可以存在在电绝缘中的断线的若干中间情况。因此，测量的电容值Cm从寄生电容值Cp（在电绝缘中没有断线）变化到与附加电容值Ca相等的最大值（在电绝缘中的断线的情况下）。

为了检测在电绝缘中的断线的所有情况，本发明提出测量寄生电容的最大值Cpmax的在先步骤。

对若干车辆执行所述在先步骤。例如，电容表电连接在高压电缆10a和车辆的底盘C之间，则测量等于寄生电容值Cp的值（在所述电缆的电绝缘中不存在断线的情况下）。这针对每个车辆重复。以这种方式测量的寄生电容的值的最大值Cpmax允许定义测量的电容Cm的阈值Cth，并且因此：

超过该阈值则表示在高压电缆10a与电接地（即底盘C）之间的电绝缘中的断线。

为了在这两种情况之间进行区分（在电绝缘中的断线或者没有断线），推荐将附加电容值Ca计算比最大寄生电容值Cpmax大得多。

例如：

因此，测量的电容值Cm在最大寄生电容值Cpmax与所述最大寄生电容值的十倍（由于Ca=10 × Cpmax）之间变化，其允许快速检测在电绝缘中的断线的情况。

对在测量的电容Cm中的变化进行测量的测量装置30对本领域技术人员是已知的，并且由例如用于测量在电荷转移电容中的变化的设备或者任何等效设备组成，诸如在例如专利FR 2 938 344 B1中描述的那样。

连接到测量装置30的比较装置50然后比较测量的电容值Cm与阈值Cth，所述阈值Cth已经被先前存储在比较装置50中。比较装置50是例如并入在微处理器中的软件装置。

如果测量的电容值Cm大于阈值Cth，则生成装置70触发警告消息，例如表示在高压电缆10a的电绝缘中的断线，即间接地表示在车辆的高电压电池10的电绝缘中的断线的（针对车辆的用户/驾驶员的）视觉或者声音警告消息。

附加电容Ca由两个电极组成：

·第一电极，例如由传导材料组成的平面电极40a（参考图2a），定位于距高压电缆10a一段距离e处，并且定位于与其相对，例如，具有几平方厘米的表面积S的铜片，以及

·第二电极，由所述电缆10a其自身组成。

平面电极40a没有连接到高压电缆10a（或者10b），并且电连接到用于对测量的电容Cm进行测量的装置30，所述测量的电容在所述电极40a和底盘C之间。

在由定位于距电缆距离e=1 mm处的铜片组成的平面电极40a的情况下，铜片的表面积S等于：

其中：

εo = 自由空间的电容率等于，

εr = 围绕电缆10a的绝缘体的介电常数，例如针对塑料等于3，

Ca = 附加电容。

针对等于1 pF的寄生电容的最大值Cpmax，如果目标是使附加电容Ca等于10 pF（在Ca=10 × Cpmax的情况下），则表面积S必须等于4 cm²。

因此，4 cm²的铜片足够创建大约10 pF的附加电容Ca。

电极也可以采取部分或者全部围绕高压电缆10a的绝缘鞘（sheath）的铜环形状的圆柱电极40b的形式（参考图2a）。

在该情况下，圆柱电极40b的长度I由以下公式给出：

其中：

R1 = 高压电缆的半径，

R2 = 圆柱电极40b的内部半径，

εo = 自由空间的电容率等于，

εr = 围绕电缆10a的绝缘体的介电常数，例如针对塑料等于3，

∏ = 3.14,

Ca = 附加电容。

例如，如果：

R1 = 0.015 m

R2 = 0.016 m

则d = R1 - R2 = 0.001 m

如果目标是获得附加电容Ca = 10 pF，则圆柱电极的长度等于：

I = 0.010 m

重要的是，将平面电极40a或者圆柱电极40b定位于距高压电缆10a特定距离（e、d）处，以便将电极与来自高压电缆10a的电势电荷绝缘，其可以在所述电缆中的过电压期间发生。这些放电可以损害电极40a、40b。例如，在平面电极40a和高压电缆10a的绝缘鞘之间的距离e或者在圆柱电极40b的内部半径R2和高压电缆10a的半径R1之间，即d = R2 - R1的距离e优选地在1 mm的范围内。

如上文所指示的那样，寄生电容值Cp可以在车辆之间不同。这可以使得建立不检测对某些具有小于寄生电容的最大值Cpmax的寄生电容Cp的车辆的在绝缘中的断线的情况。

为了克服该缺点，本发明提出了在图3中示出的连续检测设备D'的第二实施例。

在这个第二实施例中，连续检测设备D'进一步包括参考电极41a、41b，其定位于距高压电缆10a一段距离e'、d'处（参考图4a、4b），并且电连接到车辆的底盘C。该参考电极可以像电极40a、40b一样，是平面参考电极41a（定位于与高压电缆相对）或者是圆柱参考电极41b（围绕高压电缆）。该参考电极（41a、41b）创建在高压电缆10a和底盘C之间的参考电容Cref。

平面参考电极41a定位于距高压电缆10a的鞘距离e'处。优选地，e' = 1 mm。

圆柱电极41b具有内部半径R2'，使得在所述电极的内部半径R2'和高压电缆10a的半径R1之间的距离d'，即d' = R2'-R1，优选地在1 mm的范围内。

类似地，平面参考电极41a的表面积S'由下给出：

其中：

εo = 自由空间的电容率等于，

εr = 围绕电缆10a的绝缘体的介电常数，例如针对塑料等于3，

e' = 在平面电极41a和高压电缆10a的绝缘鞘之间的距离，

Cref = 参考电容（pF）。

在圆柱参考电容41b的情况下，所述电极41b的长度I'由以下内容给出：

R1 = 高压电缆的半径，

R2' = 圆柱电极41b的内部半径，

εo = 自由空间的电容率等于，

εr = 围绕电缆10a的绝缘体的介电常数，例如针对塑料等于3，

Cref = 参考电容（pF），

∏ = 3.14。

在该第二实施例中，两者都连接到电缆和地的寄生电容Cp和参考电容Cref，被并联地安装。因此，等效电容Ceq由以下内容定义：

通过理智地选择具有明显大于寄生电容Cp的值的参考电容Cref，例如至少是寄生电容Cp的十倍大，则可以关于参考电容值Cref忽略寄生电容值Cp，并且：

因此，测量的电容Cm'等于：

并且测量的电容值Cm'变成：

将参考电容值Cref理智地选择为明显小于附加电容值Ca，例如至少减少至二分之一。因此，在本发明的该第二实施例中，优选地：

例如，Cp = 1 pF,Cref = 10 pF,并且Ca = 50 pF。

参考电容Cref至少是寄生电容Cp的十倍大，并且附加电容至少是参考电容Cref的两倍。

因此，当在高压电缆10a的电绝缘中不存在断线时，则：

因此，电容Cth'的阈值等于参考电容值Cref。

定义电容的阈值如下：

其中：

A = 安全因数，并且A的值例如在1和2之间。

如果测量的电容值Cm'大于阈值Cth'，即Cm'>Cth'，则存在在高压电缆10a的电绝缘中的断线。

本发明也涉及用于连续检测在高压电缆10a和电接地之间的电绝缘中的断线，在该示例中，车辆的底盘C包括以下步骤：

·步骤a：在比较装置50中存储测量的电容Cm、Cm'的阈值Cth、Cth'，

·步骤b：测量装置30对测量的电容Cm、Cm'进行测量，

·步骤c：比较装置50比较测量的电容值Cm、Cm'与阈值Cth、Cth'，

·步骤d：如果测量的电容值Cm、Cm'大于阈值Cth、Cth'，则生成装置70触发警告消息，

否则

·步骤e：如果测量的电容值Cm、Cm'小于阈值Cth、Cth'，则重复步骤b、c、d。

在本发明的第一实施例中，所述检测方法进一步包括用于确定最大寄生电容Cpmax的在先阶段，并且在步骤a期间Cth = Cpmax。

在本发明的第二实施例中，参考电极41a、41b定位于距高压电缆10a距离（e'、d'）处，并且连接到电接地，创建参考电容Cref，其值是固定以及已知的，并且在步骤a期间：

其中：

A = 安全因数，并且A的值例如在1和2之间。

因此，本发明允许通过使用连续测量在所述电缆和电接地之间存在的寄生电容来以不受干扰的方式理智地检测在连接到直流高电压生成器的高压电缆的电绝缘中的断线。

当然，本发明不限于描述的实施例，并且可以由任何等效装置产生。

例如，可以使用电容器或者通过对本领域技术人员已知的其它装置产生附加电容和/或参考电容。

Claims

1.一种设备（D），用于连续检测在高压电缆（10a，10b）和电接地（C）之间的电绝缘中的断线，所述高压电缆（10a，10b）在一侧上连接到高电压直流生成器（10）并且在另一侧上连接到用于使用所述高电压的设备（20），并且与电接地（C）生成寄生电容（Cp），所述检测设备（D）特征在于，其包括：

　·至少一个电极（40a，40b），定位于距高压电缆（10a，10b）一段距离（e，d）处，与所述高压电缆（10a，10b）形成附加电容（Ca），

　·用于测量在所述电极（40a，40b）和电接地（C）之间的测量的电容（Cm）的装置（30），

　·用于比较测量的电容的值（Cm）和预存的阈值（Cth）的装置（50），

　·用于如果测量的电容的值（Cm）大于阈值（Cth），表示在所述高压电缆（10a，10b）的电绝缘中的断线，则生成警告消息的装置（70），

　·测量的电容的值（Cm）等于：

其中：

Cm = 测量的电容

Ca = 附加电容

Cp = 寄生电容。

2.如前述权利要求中所述的检测设备（D'），其特征在于，其进一步包括：

　·参考电极（41a，41b），定位于距高压电缆（10a，10b）一段距离（e'，d'）处，与所述高压电缆（10a，10b）形成参考电容（Cref），并且连接到电接地（C），

测量的电容的值（Cm'）等于：

其中：

Cm' = 测量的电容

Ceq = 等效电容，等于

Cref = 参考电容

Ca = 附加电容。

3.如权利要求1或2中所述的检测设备（D，D'），其特征在于附加电容（Ca）至少是寄生电容（Cp）的十倍大。

4.如权利要求2中所要求保护的检测设备（D'），特征在于参考电容（Cref）至少是寄生电容（Cp）的十倍大，并且附加电容（Ca）是参考电容（Cref）的两倍大。

5.如前述权利要求中的任一项所述的检测设备（D,D'），其特征在于电极（40a，40b）由定位于与高压电缆（10a，10b）相对的平面电极（40a）或者由围绕高压电缆（10a，10b）的传导材料制造的圆柱电极（40b）组成。

6.如权利要求2、3或者4中所述的检测设备（D'），其特征在于参考电极（41a，41b）由定位于与高压电缆（10a，10b）相对的平面电极（40a）或者由围绕高压电缆（10a，10b）的传导材料制造的圆柱电极（40b）组成。

7.一种用于使用如前述权利要求中的任一项所述的检测设备（D,D'）连续检测在高压电缆（10a，10b）和电接地（C）之间的电绝缘中的断线的方法，其特征在于其包括以下步骤：

　·步骤a：比较装置（50）存储测量的电容（Cm，Cm'）的阈值（Cth,Cth'）,

　·步骤b：测量装置（30）对测量的电容（Cm，Cm'）进行测量，以及

　·步骤c：比较装置（50）比较测量的电容的值（Cm，Cm'）和预存的阈值（Cth,Cth'），

　·步骤d：如果测量的电容的值（Cm，Cm'）大于阈值（Cth,Cth'），则由生成装置（70）生成警告消息，

否则，

　·步骤e：如果测量的电容的值（Cm，Cm'）小于阈值（Cth,Cth'），则重复步骤b、c、d。

8.如前述权利要求中所述的连续检测方法，其特征在于其进一步包括用于确定寄生电容的最大值（Cpmax）的在先阶段，并且在步骤a期间，所述阈值（Cth）等于寄生电容的最大值（Cpmax）。

9.一种连续检测方法，使用如权利要求2和6所述的检测设备（D'）,其特征在于阈值（Cth'）等于：

其中：

Cth' = 阈值

Cref = 参考电容的值，并且

A = 安全因数。

10.一种机动车辆，包括如权利要求1至6中的任一项所述的连续检测设备（D,D'）。