CN112034383A - 接地故障检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种接地故障检测装置，包括电容器、开关、偏置分压器电路和控制装置，开关用于在以下路径之间切换：V0充电路径，其包括电池和电容器；Vcn充电路径，其包括电池、电容器和作为电池的负极侧与地之间的绝缘电阻的负极侧绝缘电阻；Vcp充电路径，其包括电池、电容器和作为电池的正极侧与地之间的绝缘电阻的正极侧绝缘电阻；和充电电压测量路径，其包括电容器和测量电阻器。偏置分压器电路对在测量电阻器处产生的电压进行分压和偏置；控制装置控制开关，并且基于V0充电路径处测量的V0、Vcn充电路径处测量的Vcn和Vcp充电路径处测量的Vcp，利用作为测量值的偏置分压器电路的输出电压，计算绝缘电阻。

Description

接地故障检测装置
技术领域
本发明涉及一种使用飞跨电容器的接地故障检测装置。
背景技术
在诸如电动车辆和包括发动机和电动机作为驱动源的混合动力汽车这样的车辆中，安装在车身上的电池被充电，并且利用从电池供给的电能产生驱动力。一般地，与电池相关的电源电路被配置为使用200V以上的高压的高压电路，并且为了确保安全性，包括电池的高压电路处于未接地配置，其中，高压电路与充当地的基准电位点的车身电绝缘。
此外，有一种包括升压转换器的车辆，该升压转换器被配置为使电池的正电位升压并且将其供应至负载，以提高负载的驱动效率。在包括升压转换器的车辆中，电池的输出侧，即，升压转换器的初级侧和升压转换器的输出侧，即，升压转换器的次级侧处于它们与车身电绝缘的未接地配置，从而车辆对于电池和升压转换器而言不用做地。因此，包括升压转换器的车辆需要检测电池与地之间的绝缘电阻以及升压转换器的次级侧与地之间的绝缘电阻，以监控接地故障状态。
从而，设置接地故障检测装置以监控车身与设置有电池和升压转换器的系统之间的接地故障状态，所述系统具体为从电池通过升压转换器到诸如电动机这样的负载的主电源系统。作为接地故障检测装置，广泛使用一种使用被称作飞跨电容器的电容器的类型。
图8是示出飞跨电容器型的传统的接地故障检测装置500的配置实例的框图。接地故障检测装置500连接至未接地的电池B，并且被配置为检测设置有电池B和升压转换器520的系统的接地故障。接地故障检测装置500、升压转换器520和负载540等由诸如未示出的主设备这样的外部控制设备控制。
此处，将电池B的输出侧，即，初级侧上的正极与地之间的绝缘电阻称为RLp1，并且将该侧的负极与地之间的绝缘电阻称为RLn1。此外，将升压转换器520的输出侧，即，次级侧上的正极与地之间的绝缘电阻称为RLp2，并且将该侧的负极与地之间的绝缘电阻称为RLn2。正极侧绝缘电阻RLp是电阻RLp1与RLp2的合成电阻，负极侧绝缘电阻RLn是电阻RLn1与RLn2的合成电阻。正极侧绝缘电阻RLp与负极侧绝缘电阻RLn的合成电阻对应于系统的绝缘电阻RL。
在通过接通和断开开关S1-S4而形成的路径中，用作飞跨电容器的电容器C1充电，并且其充电电压通过控制装置510测量。
作为获取绝缘电阻RL的方法，已知一种技术：其中，测量V0、Vcn和Vcp，计算(Vcn+Vcp)/V0，并且基于获得的计算值，参考预制的表格数据获得绝缘电阻RL。当获得的绝缘电阻RL低于预定基准值时，接地故障检测装置500判定正发生接地故障，并且向外部控制设备输出警告。
此处，V0是与通过接通开关S1和开关S2形成的路径所测量的电池B的电压对应的值。在电容器C1的电极板之中，与电池B的正极侧连接的电极板称为第一电极板，并且与电池B的负极侧连接的电池板称为第二电极板。
Vcn是用通过接通开关S1和开关S4形成的电池B的正极侧的充电路径来测量的电压值，并且是受负极侧绝缘电阻RLn影响的电压值。Vcp是用通过接通开关S2和开关S3形成的电池B的负极侧的充电路径来测量的电压值，并且是受正极侧绝缘电阻RLp影响的电压值。
一般地，在接地故障判定时，以包括V0测量、Vcn测量、V0测量和Vcp测量为一个周期进行测量，并且在切换各个测量时，读取电容器C1的充电电压，并且以通过接通开关S3和开关S4形成的路径进行电容器C1的放电。
当在升压转换器520进行升压转换操作的同时通过接通开关S1和开关S4来测量Vcn时，升压后的电压被正极侧绝缘电阻RLp和负极侧绝缘电阻RLn分压后获得的电压施加到电容器C1的第二电极板。
当该电压变得高于从电池B的正极侧施加的电压时，电容器C1将由于流过的电流而以与正极性相反的反向极性充电。即，第二电极板侧将具有更高的电位，并且施加到作为测量电阻的电阻器R3的电压为负。在该情况下，通过控制装置510测量的电压变为零，这是因为控制装置510的测量范围通常针对正电位，并且因此，不能计算出绝缘电阻RL。
为解决该问题，下面列出的专利文献1公开了一种包括负电位测量电路620的接地故障检测装置600，如图9所示。此处，负电位测量电路620包括二极管Da、电阻器Ra、由光电MOS-FET构成的开关Sa以及电阻器Rb。另外，接地故障检测装置600包括开关S5和电阻器R5。
当以与在Vcn测量期间的正极性相反的反极性对电容器C1充电时，接地故障检测装置600通过接通开关S5和开关Sa而使用控制装置610的A/D2测量电容器C1的充电电压，而不是通过接通开关S3和开关S4而使用控制装置610的A/D1来测量电容器C1的充电电压。这样，能够测量以反极性充电的电容器C1的充电电压，并且能够计算绝缘电阻RL。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP 2011-17586A
发明内容
技术问题
在专利文献1中，通过设置包括二极管、电容器和开关的负电位测量电路，即使以反极性对飞跨电容器充电，也能够测量具有升压转换器的系统的接地故障检测装置中的电容器的充电电压。然而，由于负电位测量电路是仅当由于电压的升压而导致发生电流回流(flow around)时才使用的附加电路，并且由于负电位测量电路需要开关Sa的单独控制，所以优选的是省略负电位测量电路以避免配置复杂化。
另外，在图8所示的配置中，如果由于故障等而使开关S1和开关S3两者均接通，则电池B与控制装置610之间无电阻器地连接，导致控制装置610暴露于高压的危险。为解决该问题，已经提出一种图10所示的接地故障检测装置700，其被配置为不在其间没有电阻器的情况下连接开关S1与开关S3，以保护控制装置710。然而，在这样的接地故障检测装置700中，由于其中设置了二极管D0，所以电流不能在从电容器C1的第一电极板向二极管D0的方向流动。因此，即使当对电容器C1的第二电极板施加的电压已经变得比从电池B的正极侧施加的电压高时，电流也不会流向电容器C1，从而不能对电容器C1充电。结果，即使向图10所示的接地故障检测装置700添加图9所示的负电位测量电路，当对电容器C1的第二电极板施加的电压高于从电池B的正极侧施加的电压时，也不能获得绝缘电阻RL。
鉴于以上缺点，本发明的目的是使得能够以简单的配置进行充电电压的测量，而无论飞跨电容器的充电方向如何。
问题解决方案
为了实现上述目的，本发明在一个方面中提供了一种接地故障检测装置，该接地故障检测装置被配置为连接至未接地的电池，所述电池用于经由升压电路向负载供电，并且所述接地故障检测装置被配置为通过计算设置有所述电池的系统的绝缘电阻而检测接地故障，所述接地故障检测装置包括：电容器，该电容器被配置为作为飞跨电容器操作；一组开关，该一组开关被配置为在以下路径之间切换：第一电压(V0)充电路径，该第一电压(V0)充电路径包括所述电池和所述电容器；第二电压(Vcn)充电路径，该第二电压(Vcn)充电路径包括所述电池、所述电容器和负极侧绝缘电阻，所述负极侧绝缘电阻为所述电池的负极侧与地之间的绝缘电阻；第三电压(Vcp)充电路径，该第三电压(Vcp)充电路径包括所述电池、所述电容器和正极侧绝缘电阻，所述正极侧绝缘电阻为所述电池的正极侧与所述地之间的绝缘电阻；以及充电电压测量路径，该充电电压测量路径包括所述电容器和测量电阻器；偏置分压器电路，该偏置分压器电路对在所述测量电阻器处产生的电压进行分压和偏置；以及控制装置，该控制装置被配置为：控制所述一组开关，并且基于作为在所述第一电压(V0)充电路径中测量的值的第一电压(V0)、作为在所述第二电压(Vcn)充电路径中测量的值的第二电压(Vcn)和作为在所述第三电压(Vcp)充电路径中测量的值的第三电压(Vcp)，利用作为测量值的所述偏置分压器电路的输出电压，计算绝缘电阻。
所述偏置分压器电路可以包括：输入部，所述测量电阻器处产生的电压被输入到该输入部；输出部，该输出部输出所述输出电压；第一电阻器，该第一电阻器连接在所述输入部与所述输出部之间；电压源，该电压源供应恒定电压；第二电阻器，该第二电阻器的一端连接至所述电压源，并且另一端连接至将所述第一电阻器与所述输出部连接的线路；以及第三电阻器，该第三电阻器的一端接地，并且另一端连接至将所述第一电阻器与所述输出部连接的所述线路。此外，第三电阻器可以由两个电阻器构成，并且所述第一电阻器的阻值、所述第二电阻器的阻值以及构成所述第三电阻器的所述两个电阻器各自的阻值可以相等。
发明的有益效果
根据上述本发明，能够以简单的配置进行充电电压的测量，而无论飞跨电容器的充电方向如何。
附图说明
图1是根据本实施例的接地故障检测装置的配置的框图；
图2是示出V0充电路径的图；
图3是示出用于充电测量和放电的路径的图；
图4是示出Vcn充电路径的图；
图5是示出Vcp充电路径的图；
图6是示出根据本实施例的偏置分压器电路的示例性配置的框图；
图7是示出测量电压与储存在本实施例的飞跨电容器中的电压之间的关系的图；
图8是示出传统的飞跨电容器型接地故障检测装置的示例性配置的框图；
图9是示出即使当以反极性对飞跨电容器充电时也能够测量充电电压的传统配置的框图；以及
图10是示出用于保护控制装置免于高压的传统配置的框图。
参考标记列表
100 接地故障检测装置
110 控制装置
120 偏置分压器电路
520 升压转换器
540 负载
具体实施方式
在下文中，将参考附图说明根据本发明的实施例的接地故障检测装置。图1是示出根据本实施例的接地故障检测装置100的配置的框图。接地故障检测装置100被配置为连接至向负载540供电的未接地的电池B，并且被配置为检测设置有电池B和升压转换器520的系统的接地故障。接地故障检测装置100、升压转换器520和负载540等由未示出的作为主设备的外部控制设备控制。
此处，将电池B的输出侧，即，初级侧上的正极与地之间的绝缘电阻称为RLp1，并且将该侧的负极与地之间的绝缘电阻称为RLn1。此外，将升压转换器520的输出侧，即，次级侧上的正极与地之间的绝缘电阻称为RLp2，并且将该侧的负极与地之间的绝缘电阻称为RLn2。正极侧绝缘电阻RLp是电阻RLp1与RLp2的合成电阻，负极侧绝缘电阻RLn是电阻RLn1与RLn2的合成电阻。正极侧绝缘电阻RLp与负极侧绝缘电阻RLn的合成电阻对应于系统的绝缘电阻RL。
电池B由诸如锂离子电池这样的可充电电池构成，并且电池B的正极经由升压转换器520连接到诸如电动机这样的负载540的正极，并且电池B的负极连接到负载540的负极。
如图1所示，接地故障检测装置100包括用作飞跨电容器的电容器C1。
接地故障检测装置100包括布置在电容器C1周围的四个开关S1-S4，用以切换测量路径并且控制电容器C1的充电和放电。这些开关可以由诸如光电MOS-FET这样的绝缘型开关元件构成。
开关S1的一端连接至电池B的正极，并且另一端连接到电阻器R1的一端。电阻器R1的另一端连接到电容器C1的第一电极板。如图10所示，传统技术包括设置于开关S1与电阻器R1之间的二极管，其中，二极管的正向对应于从电池B的正极到电容器C1的方向，然而在本实施例中省略了该二极管。从而，在本实施例中，当向电容器C1的第二电极板施加的电压大于从电池B的正极侧施加的电压时，将以与正极性相反的反极性对电容器C1充电。
电容器C1的第一电极板还连接到由二极管D1与二极管D2形成的并联电路的一端，其中，二极管D1与电容器R6串联连接。二极管D1与二极管D2连接为使得它们的正向相反，并且二极管D1的阳极连接到电容器C1的第一电极板侧。
开关S3的一端连接到由二极管D2和与电阻器R6串联连接的二极管D1所形成的并联电路的另一端，并且开关S3的另一端连接到电阻器R3的一端。电阻器R3的另一端接地。从而，电容器C1的第一电极板的电压在电阻器R6和电阻器R3两端分压。一般地，由于电池B具有高电压，所以向电容器C1充电的电压也是高电压。从而，在该实施例中，为了降低由控制装置110测量的电压，用电阻器R6和电阻器R3将电容器C1的第一电极板的电压分压。
偏置分压器电路120的一端连接到将开关S3与电阻器R3连接的线路，并且偏置分压器电路120的另一端连接到控制装置110的A/D端口。偏置分压器电路120是将施加于电阻器R3的电压分压且偏置的电路。即，偏置分压器电路120是如下的电路：其将施加于电阻器R3的电压VR3分压为是电压VR3的“a”倍(其中，0＜a＜1)的电压，并且将该电压偏置(即，偏移)为增大了预定电压b的电压(其中，b＞0)。将利用控制装置110测量通过将施加于电阻器R3分压和偏置而获得的电压(aVR3+b)。
开关S2的一端连接到电池B的负极，并且另一端连接到电容器C1的第二电极板。开关S4的一端连接到电容器C1的第二电极板，并且另一端连接到电阻器R4的一端。电阻器R4的另一端接地。
控制装置110由微计算机等构成，并且通过执行预先嵌入的程序而控制接地故障检测装置100的各种操作。具体地，控制装置110单独控制开关S1-S4以切换测量路径，并且控制电容器C1的充电和放电。
此外，控制装置110从A/D端口输入在电阻器R3中感应的模拟电压电平。控制装置110基于测量值进行预定计算，并且计算绝缘电阻RL。控制装置110的测量数据和表示检测到接地故障的警告等输出到外部控制设备。
控制装置110设计为用于测量在例如0V-5V的预定测量范围内的正电压。从而，在不考虑电容器C1可能在反方向上充电的传统接地故障检测装置中，选择电阻器R6和电阻器R3的值，使得施加于电阻器R3的电压落入从0V到5V的范围内。例如，当电容器C1的充电范围为从0V到500V时，将电阻器R6和电阻器R3的值选择为分压约为1/100。
然而，考虑到电容器C1可能被以反方向充电，电容器C1的充电范围将为从-500V到500V。此时，施加到电阻器R3的电压将在-5V到5V的范围内，这比控制装置110的测量范围宽。
从而，本实施例的接地故障检测装置使用偏置分压器电路，利用该偏置分压器电路，施加于作为测量电阻器的电阻器R3的电压的范围被分压并且减小，并且使其向正值侧偏置。结果，在本实施例中，即使当电容器C1以与正极性相反的反极性充电，也能够利用控制装置110测量电压。即，在本实施例中，能够测量充电电压而无论飞跨电容器的充电方向如何。
例如，通过将施加于电阻器R3的电压的范围减小一半以提供从-2.5V至2.5V的范围并且使该范围偏置2.5V，能够在从0V至5V的范围内测量施加于电阻器R3的从-5V至5V范围内的电压。如上所述，为了简化电路配置，例如可以通过将施加于电阻器R3的电压的范围减小到2/5并且偏置2V，而在从0V至4V的范围内测量施加到电阻器R3的从-5V到5V的范围内的电压。当然，也可以使用根据电容器C1的充电范围以及控制装置的测量范围选择的其它电压分压率和偏置量。
接着将说明具有上述配置的接地故障检测装置100的操作。接地故障检测装置100重复例如具有包括V0测量周期、Vcn测量周期、V0测量周期、Vcp测量周期和绝缘电阻RL计算的一个循环的测量操作。
在V0测量周期中，测量与电池B的电压对应的电压V0。为此，接通开关S1和S2，并且断开开关S3和S4，从而针对电压V0充电。此时，如图2所示，电池B、电阻器R1和电容器C1在充电路径中，并且以正极性对电容器C1充电。
然后，如图3所示，断开开关S1和S2，并且接通开关S3和S4，使用控制装置110测量V0。对下一测量使用相同电路对电容器C1放电。
在Vcn测量时间段中，测量反映负极侧绝缘电阻RLn的影响的电压。为此，接通开关S1和S4，并且断开开关S2和S3，从而针对Vcn充电。此时，如图4所示，电池B、电阻器R1、电容器C1、电阻器R4和负极侧绝缘电阻RLn在测量路径上。
然后，如图3所示，开关S1和S2断开并且开关S3和S4接通，使用控制装置110测量Vcn。
当升压转换器520进行升压操作时，向电容器C1的第二电极板施加的电压是通过用正极侧绝缘电阻RLp和负极侧绝缘电阻RLn将升压电压分压而获得的电压。当该电压变得高于从电池B的正极侧施加的电压时，电容器C1将由于电流的回流而以与正极性相反的反极性充电。
在Vcp测量时间段中，测量反映正极侧绝缘电阻RLp的影响的电压。为此，接通开关S2和S3并且断开开关S1和S4，从而针对Vcp充电。此时，如图5所示，电池B、正极绝缘电阻RLp、电阻器R3和电容器C1在充电路径上，并且以正极性对电容器C1充电。
然后，如图3所示，断开开关S1和S2并且接通开关S3和S3，以使用控制装置110测量Vcp。对下一测量使用相同电路对电容器C1放电。
基于在上述测量时间段中获得的V0、Vcn和Vcp，控制装置110参考预制的表格数据计算绝缘电阻RL。然后，当绝缘电阻RL等于或小于预定的判定基准值时，控制装置110判定存在接地故障，并且向外部控制装置输出警告。
图6是示出根据本实施例的偏置分压器电路120的配置实例的框图。偏置分压器电路120包括：输入部121，其连接至将开关S3与电阻器R3连接的线路；输出部122，其连接至控制装置110；三个电阻器RO1、RO2、RO3；以及电压源VS，用于供应恒定电压。电阻器RO1的一端连接至输入部121，并且电阻器RO1的另一端连接至输出部122。电阻器RO2的一端连接至电压源VS，并且电阻器RO2的另一端连接至将电阻器RO1与输出部122连接的线路。电阻器RO3的一端接地，并且电阻器RO3的另一端连接至将电阻器RO1与输出部122连接的线路。在该电路中，施加于电阻器RO3的电压VRO3从输出部122输出并且通过控制装置110测量。
在该电路中，使用以下公式得到施加于电阻器RO3的电压VRO3：
Figure BDA0002522499640000111
从而，在该电路中，如果控制装置110能够测量的电压的上限值为Vcmax，则三个电阻器RO1、RO2、RO3的值和用于供应恒定电压的电压源VS的值可以被设置为0≤VRO3≤Vcmax，从而即使当以与正极性相反的反极性对电容器C1充电时，控制装置110也能够测量电压。
例如，在R6/R3＝99的情况下，当电容器C1处储存的电压从-500V到500V变化时，施加至电阻器R3的电压从-5V到5V变化。因此，如果不存在本实施例的偏置分压器电路120并且控制装置110直接测量施加至电阻器R3的电压，则当电容器C1处储存的电压的值在-500V与0V之间时，控制装置110测量的电压为零，如图7中的虚线所示，从而控制装置110不能准确测量施加至电阻器R3的电压。
相比之下，在本实施例中，例如，当RO1＝RO2＝RO3/2并且VS＝5V时，施加于电阻器RO3的电压VRO3为(2/5)(VR3+5)。从而，当电容器C1处储存的电压在从-500V到500V的范围内并且施加至电阻器R3的电压在-5V到5V之间时，施加至电阻器RO3的电压VRO3在0V与4V之间。即，在本实施例中，即使当电容器C1处储存的电压为负时，施加于电阻器RO3的电压VRO3也将为正的而不是负的，并且低于5V。从而，在本实施例中，如图7中的实线所示，即使当电容器C1处储存的电压的值在-500V与0V之间时，控制装置110也能够准确测量电压。即，在本实施例中，即使当以与正极性相反的反极性对电容器C1充电时，也能够通过控制装置110测量电压。即，在本实施例中，能够测量充电电压，而无论飞跨电容器的充电方向如何。
此处，电阻器RO3可以由串联连接并且具有相同阻值的两个电阻器RO32、RO32构成。在该情况下，电阻器之间的关系将为RO1＝RO2＝RO32＝RO32，从而偏置分压器电路可以由具有相同阻值的四个电阻器构成，使得能够提供具有高精度的偏置分压器电路120。
图6所示的偏置分压器电路120仅为一个实例，并且偏置分压器电路可以具有其他电路配置。例如，可以使用两个电阻器将输入处的电压分压，并且可以使用由运算放大器构成的加法器电路来偏置电压。
以上已经参考本发明的优选实施例描述了本发明。从而，尽管已经描述了本发明的特定示例，但是可以在不脱离所附权利要求书所阐述的本发明的范围的情况下进行各种修改和改变。

Claims (3)

1.一种接地故障检测装置，该接地故障检测装置被配置为，连接至未接地的电池，所述电池用于经由升压电路向负载供电，并且所述接地故障检测装置被配置为，通过计算设置有所述电池的系统的绝缘电阻而检测接地故障，所述接地故障检测装置包括：
电容器，该电容器被配置为，作为飞跨电容器操作；
一组开关，该一组开关被配置为，在以下路径之间进行切换：第一电压(V0)充电路径，该第一电压(V0)充电路径包括所述电池和所述电容器；第二电压(Vcn)充电路径，该第二电压(Vcn)充电路径包括所述电池、所述电容器和负极侧绝缘电阻，所述负极侧绝缘电阻为所述电池的负极侧与地之间的绝缘电阻；第三电压(Vcp)充电路径，该第三电压(Vcp)充电路径包括所述电池、所述电容器和正极侧绝缘电阻，所述正极侧绝缘电阻为所述电池的正极侧与所述地之间的绝缘电阻；以及充电电压测量路径，该充电电压测量路径包括所述电容器和测量电阻器；
偏置分压器电路，该偏置分压器电路对在所述测量电阻器处产生的电压进行分压和偏置；以及
控制装置，该控制装置被配置为：
控制所述一组开关，并且
基于作为在所述第一电压(V0)充电路径中测量的值的第一电压(V0)、作为在所述第二电压(Vcn)充电路径中测量的值的第二电压(Vcn)和作为在所述第三电压(Vcp)充电路径中测量的值的第三电压(Vcp)，利用作为测量值的所述偏置分压器电路的输出电压，计算所述绝缘电阻。
2.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，其中，
所述偏置分压器电路包括：
输入部，在所述测量电阻器处产生的电压被输入到所述输入部；
输出部，该输出部输出所述输出电压；
第一电阻器，该第一电阻器连接在所述输入部与所述输出部之间；
电压源，该电压源供应恒定电压；
第二电阻器，该第二电阻器的一端连接至所述电压源，并且所述第二电阻器的另一端连接至将所述第一电阻器与所述输出部连接的线路；以及
第三电阻器，该第三电阻器的一端接地，并且所述第三电阻器的另一端连接至将所述第一电阻器与所述输出部连接的所述线路。
3.根据权利要求2所述的接地故障检测装置，其中，
所述第三电阻器由两个电阻器构成，并且
所述第一电阻器的阻值、所述第二电阻器的阻值以及构成所述第三电阻器的所述两个电阻器各自的阻值相等。
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