CN113167825A - 用于在不接地的高压系统中进行故障识别的电路组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在不接地的高压系统（20）中进行故障识别的电路组件（10），所述高压系统具有所连接的逆变器（4）并且具有至少一个在所述高压系统（20）的高压电势（7a、7b）与基准电势（8）之间的电阻（5），其中所述电路组件（10）具有检测电路（1），该检测电路被设置用于量取电阻（5）的电压，由此生成第一测量参量，并且在输出端（1c、1d）提供所述第一测量参量，并且所述电路组件具有分析装置（2），所述分析装置与检测电路（1）的输出端（1c、1d）连接，其中所述分析装置（2）被设置用于将第一测量参量与第一边界值比较，并且当第一测量参量超过第一边界值时，输出第一信号。

Description

用于在不接地的高压系统中进行故障识别的电路组件

技术领域

本发明涉及一种用于在具有逆变器的不接地的高压系统中进行故障识别的电路组件，该逆变器可以通过相线缆来操控单相或多相消耗器。

背景技术

在电气高压系统的技术领域中，必须在任何时间都可靠地确保运行安全性。为此，这种高压系统构造为IT （

）系统，其中所有的有源的部件要么相对于HV基础电势GND绝缘要么通过足够高的阻抗与HV基础电势GND连接。

为了在混合动力车辆或者电动车辆中进行驱动，通常使用呈旋转磁场电机形式的电机，所述电机与逆变器（通常也称为换流器）相结合地运行并且由电池、燃料电池或者它们的组合来馈电。

由于在这样的IT系统中，由于在第一绝缘故障的情况下没有建立闭合电路，因此第一绝缘故障必要时能够被容忍，因此较大的失效保护装置与这样的系统相连接。然而，必须确保识别并报告这种绝缘故障。为此，整个电网必须在车辆运行期间也至少周期性地被监控。

由于绝缘故障，可能在电路部件上出现额外的电压和电流，它们不是为此而设计的并且不能在持续时间内承受与此相关的负荷。一个示例是Y型电容器，其根据EMV要求（电磁兼容性）在高压电势与基准电势（如车辆接地端）之间连接。绝缘故障可能导致高的转载电流（Umladestrom），这种转载电流会损坏构件。

为了探测绝缘故障，可以使用所谓的绝缘监测器，所述绝缘监测器通过在高压电势和基准电势之间的小的叠加电压跟踪绝缘电阻的变化。为了对将逆变器与消耗器连接的相线缆的绝缘进行故障检查，逆变器的与高压电势重叠的开关信号使该故障探测变得困难。

由DE 10 2010 030 079 A1已知一种用于监控未接地的电网中的绝缘电阻的方法和装置，所述电网具有直流电压中间回路和至少一个连接在其上的逆变器，所述逆变器用于控制n相电网中的n相电消耗器。在此，在消耗器的运行期间确定待监控的电压，所述待监控的电压代表所述直流电压中间回路的供电电压电势相对于基准电势的电压波动。此外，确定表征电消耗器的电频率的参量、尤其所述电消耗器的电角速度。将在所述电消耗器的n倍电频率下的待监控的电压的第一谱振幅与第一参考值进行比较，并且如果比较得出所述第一谱振幅与所述第一参考值的偏差，则探测到所述直流电压中间回路或所述n相电网中的对称的绝缘故障。

发明内容

因此，本发明的任务在于，说明一种简单的电路组件，该电路组件在运行中针对故障、尤其是逆变器、相线缆和与之连接的总成的绝缘故障，负荷特定地检查具有所连接的逆变器的高压系统，并且必要时用信号通知存在故障，以便也避免过载和与此关联的例如在Y型电容器上的后续故障。

根据本发明，说明了根据独立权利要求的特征的用于故障识别的电路组件、用于故障识别的系统、用于进行故障识别的方法以及计算机程序产品和计算机可读的存储介质，它们至少部分地具有所提及的作用。有利的设计方案是从属权利要求以及以下说明的主题。

本发明基于以下认识，例如在相线缆上的绝缘故障引起在对称电阻上的电压降，该电压降可以通过转载电流表征Y型电容器的负荷。

根据本发明的电路组件被设置用于在具有所连接的逆变器的未接地的高压系统中进行故障识别，其中高压系统具有至少一个在高压系统的高压电势和基准电势之间的电阻。

电路组件的检测电路量取（abgreifen）电阻的电压并且由此生成第一测量参量（Maßgröße）。在检测电路的输出端处提供该测量参量。这种测量参量从所量取的电压导出，以便在分析装置中准备比较。电阻可以布置在两个高压电势中的一个高压电势之间以使高压电势对称，并且是一系列多个对称电阻组成的所谓的对称电阻，以用于在高压电势中的相应一个高压电势和基准电势之间进行电压对称。这样的基准电势例如可以通过壳体接触部来形成，其中，壳体例如包围高压系统的部件。这种测量参量例如可以通过对在电阻上下降的经整流的电压的时间积分来形成。此外，电路组件具有如下分析装置，所述分析装置与检测电路的输出端连接。该分析装置被设置用于不仅比较第一测量参量与第一边界值，而且当第一测量参量超过第一边界值时，输出第一信号。在此，高压电势定义为高压系统的电势，该电势由与高压系统的正的高压接头HV +或负的高压接头HV -的电接触产生并且相应地定义正的或负的高压电势。

在例如在相线缆上有绝缘故障的情况下，对逆变器的时钟控制（该逆变器对于消耗器的每个相交替地将正的高压电势和负的高压电势与消耗器连接）引起EMV-Y型电容器中的高的转载电流，所述EMV-Y型电容器连接在高压电势和基准电势、如壳体接地端之间。

在这种故障中，通常不被设计用于这种故障的Y型电容器可以根据Y型电容器上的高压转载电压和脉宽调制频率而热过载。

由于对称电阻与Y型电容器并联连接，相应的电压变化在对称电阻上的大小和/或时间上的变化曲线方面伴随着这种绝缘故障。

典型地，对称电阻由多个单个电阻组成，使得在量取多个对称电阻中的单个对称电阻上的电压时，可以得到对于检测电路有利的电压降低。检测电路由该电压生成第一测量参量，然后在分析装置中将该第一测量参量与存储在分析装置中的第一边界值进行比较。因此，通过替换存储的值，该第一边界值可以匹配于不同的运行场景。根据本发明，这种电阻也可以附加于对称电阻或者替代于对称电阻地布置在高压系统的高压电势和基准电势之间。

电阻上的电压在逆变器相的时钟控制中变化，并且由于例如相线缆的相上的绝缘故障，不仅大小上升而且具有其他时间上的变化曲线。在这两种情况下，检测电路的第一测量参量得出较高的值，并且，当根据待检验的场景选出第一边界时，与第一边界值的比较得出超过情况。由于超过了第一边界值，分析装置输出第一信号。

因此，利用该电路组件实现，确保对于否则在连续运行中难以探测的绝缘故障进行可靠和简单的探测。此外，利用所述电路组件实现了外围的构件或总成的可能的过载状态的早期识别。

根据本发明的一种设计方案提出，将该电路组件用于高压系统，在该高压系统中所连接的逆变器通过控制装置来控制。在该设计方案中，分析单元设置用于输出用于控制装置（3）的触发信号。

根据本发明的一种设计方案提出，分析装置设置用于，将第一信号作为用于逆变器的控制装置的触发信号输出。

逆变器可以被如此配置，使得它在接收到来自分析装置的触发信号时在预先定义的时间间隔内切换到特殊运行模式中。作为这样的特殊运行模式，可以根据机器类型和安全方案选择性地设置接通运行、逆变器的下短路、上短路或其他特殊运行模式。因此，根据特殊运行模式的持续时间已经可以实现外围构件或总成的负荷的降低。然而，特殊运行模式的持续时间也可以与待探测的场景和分析装置的灵敏度相匹配。

根据改进本发明的措施提出，分析装置被设置用于，紧接着输出用于控制装置的触发信号，将由检测电路在量取另一电压之后生成的第二测量参量与第二边界值进行比较，并且在低于第二边界值时输出第二信号。

由此可以实现，在逆变器的特殊运行模式期间将由检测装置生成的第二测量参量与第二边界值进行比较。如果第二测量参量现在低于第二边界值，则分析装置输出第二信号。

第一边界值可以被选择为等于第二边界值。

只要当分析装置由于超过第一边界值而事先已经触发逆变器而切换到特殊运行模式时，由分析装置输出这种第二信号，则意味着，在逆变器、至总成的相线缆的单元中或者在总成自身中存在绝缘故障，因为所述绝缘故障仅在逆变器的持续运行中出现。因此也就以简单的方式证实了绝缘方面的故障并且至少将原因归因于高压系统的部分区域。

根据本发明的一种设计方案提出，检测电路被设置用于生成第一和第二测量参量作为用于构件负荷的表征性参量。也就是说，第一测量参量以这种方式从电压信号变化曲线中生成，使得该测量参量的大小表征高压系统的构件的负荷。这种构件例如可以是Y型电容器。

该电路组件可以与逆变器的相应设置的控制装置如此配合作用，使得在接收第二信号时持续地中断逆变器的运行。

根据本发明的一个实施例，分析装置可以具有数字信号处理单元。分析装置例如可以具有微处理器。由此，也可以容易地实现其他复杂的分析方法，所述分析方法从本发明的基本构思和教导中是显而易见的。通过AD转换器通道可以读取第一或第二测量参量，它们可以显示Y型电容器的负荷的程度，并且作为数值提供给相应的软件功能。

根据本发明的一种设计方案提出，在分析装置和控制装置之间的控制，如对于分析装置本身的控制那样由单独的、例如中央的控制装置予以执行。

本发明此外包括一种用于在未接地的高压系统中进行故障识别的系统，该高压系统具有正的和负的高压电势，其中该高压系统与逆变器连接。该系统具有至少一个在该高压系统的高压电势之一与一个基准电势之间的电阻的串联电路并且至少一个电容被布置在该高压系统的高压电势之一与该基准电势之间。

此外，该系统包括带有检测电路和分析装置的电路组件。检测电路量取电阻的电压并且由此生成第一测量参量。在检测电路的输出端处提供该测量参量。这种测量参量从所量取的电压导出，以便在分析装置中准备比较。电阻可以布置在两个高压电势中的一个高压电势之间以使高压电势对称并且是由一系列多个电阻组成的所谓的对称电阻，以用于在高压电势中的相应一个高压电势和基准电势之间进行电压对称。

这样的基准电势可以通过壳体接触部来形成，其中，壳体例如包围高压系统的部件。这种测量参量例如可以通过电阻上的电压的时间积分来形成。

此外，该系统具有分析装置，该分析装置与检测电路的输出端连接。该分析装置被设置用于不仅比较第一测量参量与第一边界值，而且当第一测量参量超过第一边界值时，输出第一信号。在此，高压电势定义为高压系统的电势，该电势由与高压系统的正的高压接头HV +或负的高压接头HV -的电接触产生并且相应地定义正的或负的高压电势。

此外，该系统具有用于控制逆变器的控制装置，并且电路组件的分析装置被设置用于输出用于控制装置的触发信号。

在本发明的一种设计方案中提出，系统的控制装置被设置用于基于分析装置的触发信号向与控制装置连接的逆变器提供操控信号，以便在特殊运行模式中运行逆变器。

作为这样的特殊运行模式，可以根据机器类型和安全方案选择性地设置接通运行、逆变器的下短路、逆变器的上短路或逆变器的其他特殊运行模式。根据特殊运行模式的持续时间，由此已经可以实现外围构件或总成的负荷的降低。然而，特殊运行模式的持续时间也可以与待探测的场景和分析装置的灵敏度相匹配。

在本发明的另一种设计方案中提出，系统具有至少一个电容，所述电容与对称电阻并联连接。这样的Y型电容通常基于EMV规格来构建并且可以在使用根据本发明的电路组件时更为成本低廉地设计，因为快速地探测这些电容的过载。

根据本发明的其它设计方案，系统也可以单独地或共同地具有上面所描述的电路组件的其它特征。

根据本发明的另一种设计方案提出，电路组件的或系统的检测电路具有由耦合电容器、二极管、限流电阻和充电电容器组成的串联电路，并且该串联电路与电阻的第一和第二接触部电连接。另外，放电电阻与充电电容并联连接，其中放电电阻的两个接头形成检测电路的输出端。这种仅由少量构件组成的检测电路在经济上可以特别有利和简单地实现。

通过耦合电容器在检测电路中形成高通（Hochpass），使得较高的频率引起较高的充电电流。经由通过二极管的峰值整流，在充电电容器中存储最大电压变化。当对称电阻上的电压再次降低时，放电电阻使充电电容器放电。限流电阻用于充电电容器的充电电流限制并且必要时可以取消。因此，Y型电容器的通过对称电阻链分压的电压被送到具有低通特性的峰值整流器。因此，这样的检测电路在其输出端生成表征例如Y型电容器的负荷的测量参量，并且可以在电路技术上以多种电路变型方案实现。

本发明此外说明了一种用于在具有所连接的逆变器的未接地的高压系统中进行故障识别的方法，其中该高压系统具有至少一个在高压电势与基准电势之间的电阻。在此，借助检测电路量取电阻的电压并且由此生成第一测量参量，并且借助分析装置比较第一测量参量是否超过第一边界值。

在第一测量参量超过第一边界值时，由分析单元输出第一信号。

根据本发明的另一设计方案提出，第一信号由分析装置输出给控制装置，逆变器与所述控制装置连接，并且控制装置基于接收第一信号将逆变器切换到特殊运行模式中。

该特殊运行模式至少可以在预先定义的时间间隔内被维持。根据该方法的应用和整个系统的运行状态，该时间间隔也可以例如通过分析单元被延长，以便确保绝缘故障的可靠探测。因为特别短的时间间隔可能不足以可靠地探测表征改变的状态的第二测量参量。

在根据本发明的方法的一种设计方案中提出，紧接着输出第一信号，借助检测电路量取在电阻上的另一电压，生成第二测量参量，并且借助分析电路来比较第二测量参量是否小于第二边界值，并且当第二测量参量低于第二边界值时，输出第二信号。

这于是意味着，在电阻上提高的电压积分的原因可能归因于逆变器、与该逆变器连接的相线缆或总成上的绝缘故障。

本发明还说明一种计算机程序产品，其包括如下指令，当由计算机实施所述程序时，所述指令使所述计算机实施上述方法。

本发明还说明一种计算机可读的存储介质，其包括如下指令，当由计算机实施程序时，所述指令使计算机实施上述方法。

附图说明

本发明的实施例在图1和图2中示出并且在下面详细阐述。本发明示出：

图1示出了用于识别故障的电路组件的框图，其被插入到具有所连接的逆变器的不接地的高压系统中；

图2示出了用于在具有所连接的逆变器的未接地的高压系统中进行故障识别的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了用于在具有集成的逆变器4的不接地的高压系统20中进行故障识别的电路组件10的示例性的框图，其中高压系统20的真正的能量源11在该实施例中实施为例如电动车的可再充电的电池。替代地，燃料电池可以经由DC/DC转换器耦合到可再充电的直流电压源，或者可以提供燃料电池来代替HV电池。

高压系统20具有正的高压电势7a和负的高压电势7b并且实施为IT系统，使得有源元件与地的基础电势GND绝缘地连接。这些高压电势与高压系统的正的高压接头HV +或负的高压接头HV -导电地连接。与高压系统20的这些高压电势7a、7b并联连接有至少一个逆变器4，该逆变器在图1中仅被表示为单相逆变器4，但是通过复制也可以被设计为多极的逆变器系统。

消耗器可以经由接头12与逆变器4耦合，该接头连接在逆变器4的串联连接在高压电势之间的开关元件9a和9b之间。

至少一个Y型电容器6a和6b以及至少一个对称电阻5分别将高压电势7a或7b与基准电势8、像比如壳体接地端连接。被绘制为电阻的串联电路的对称电阻5 （其串联连接在两个高压电势7a或7b之间）通过其节点与基础电势的电连接引起电势相对于基础电势的对称。对称电阻5的典型值在0.5 毫欧姆至5 毫欧姆的范围中。

逆变器4的控制装置3根据消耗器的运行条件来控制逆变器4的开关元件9a和9b，所述消耗器可以经由接头12连接到逆变器4上。在图1中用锯齿状的箭头、在相接头12与所述基准电势8之间示出，在所述高压系统的哪些部件之间比如可能存在绝缘故障。

检测电路1通过其输入接头1a和1b量取串联连接的对称电阻5中的电阻5中的至少一个电阻的电压，并且由此生成第一测量参量，检测电路1在其输出接头1c和1d处提供该第一测量参量。

该分析装置2以其输入接触部2a和2b与检测电路的输出接头1c和1d连接。分析装置2传输由检测单元1提供的第一测量参量并且将该第一测量参量与所存储的第一边界值2e比较。只要由该比较得出第一测量参量超过第一边界值2e，则分析装置2在其输出端2c处输出第一信号。

只要由检测电路的第一测量参量与所存储的第一边界值2e的比较得出第一边界值2e被第一测量参量超过，则分析装置2可以经由接头2d向逆变器4的控制装置3输出触发信号。

逆变器4的控制装置3可以配置为，根据分析装置2的第一信号，在预先定义的时间间隔内将控制单元4切换到特殊运行模式中。在此特殊运行模式意味着，开关元件9a和9b或者说在多相运行时其它相的其它开关元件也切换到打开的开关位置中。选择性地，在特殊运行模式下，逆变器还可以根据机器类型和安全方案而切换到下短路或上短路或另一种特殊运行模式中。

开关元件9a和9b的这种例如在特殊运行模式中的断开阻止了逆变器的输出端与基准电势的由于绝缘故障引起的接触，紧接着检测电路1测量在对称电阻5上的较小的电压并且与之相应地在输出端1c和1d处提供较小的第二测量参量。然后，由分析装置2将该第二测量参量与第二边界值进行比较，并且只要绝缘故障是由逆变器4本身、至消耗器的连接线或者由负载引起的，则该第二测量参量被确定为低于第二边界值。

分析装置2被如此设置，使得其在该情况下可以输出第二信号，以便要么报告相应的识别的故障，要么逆变器4的控制装置3可以被如此配置，使得借助该第二信号持久地接通逆变器4，以便实现高压系统20的安全运行。但是替代地，第二信号也可以被传送给上级的控制单元，该上级的控制单元根据总系统的、像比如集成有高压系统的车辆的运行状态决定是否应基于所识别的故障使逆变器接通。必要时也可以首先进行警告并且接着使总系统“软化”，也就是在对电池或燃料电池不造成可能的损害作用的情况下停机。

作为一个实施例，在图1中，检测电路1被实施为由第一输入接头1a、耦合电容器13、二极管14、限流电阻15、充电电容器16和第二输入接头1b组成的串联电路。检测装置2的输出接头1c与充电电容器16电并联接线，放电电阻18与该充电电容器电并联连接。因此，Y型电容器6a、6b的通过对称电阻链5分压的电压被送到具有低通特性的峰值整流器。然后在充电电容器16处提供检测电路1的测量参量。

图2用于阐释用于在未接地的高压系统20中进行故障识别的方法，该高压系统具有所连接的逆变器4，其中，高压系统20具有至少一个在高压电势7a、7b和基准电势8之间的对称电阻5。在该方法开始S1之后，借助检测电路1量取S2对称电阻5的电压并且生成S3第一测量参量。然后，借助分析装置2比较S4，第一测量参量是否超过第一边界值2e，并且在超过第一边界值2e时输出S5第一信号。只要不超过第一边界值，就进行电压的进一步的量取S2。因此，信号仅是警告或警报信号。

根据另一个实施例，可以由上级的控制电路或在运行开始时设定是否应该进行方法的另一部分S6。如果在输出S5第一信号之后不应该进行该方法的另一部分，则又进行电压的新的量取S2。当应该进行该方法的另一部分时，通过分析单元2向控制装置3输出S7第一信号，紧接着控制装置3将逆变器4在预先定义的时间间隔内切换到特殊运行模式中。

在逆变器4的特殊运行模式期间，量取S8在对称电阻5上的另一电压并且生成S9第二测量参量。在下一个步骤中比较S10，第二测量参量是否小于第二边界值。只要第二测量参量小于第二边界值，则由此得出，在与逆变器4经由接头12和线缆进行连接的消耗器的供电支路中或在逆变器4本身中存在绝缘故障。

Claims (12)

1. 一种用于在不接地的高压系统（20）中进行故障识别的电路组件（10），所述高压系统具有所连接的逆变器（4）并且具有至少一个在所述高压系统（20）的高压电势（7a、7b）与基准电势（8）之间的电阻（5），其中所述电路组件（10）的特征在于，所述电路组件：

具有检测电路（1），该检测电路被设置用于量取电阻（5）的电压，由此生成第一测量参量，并且

在输出端（1c、1d）处提供所述第一测量参量，并且

具有分析装置（2），所述分析装置与检测电路（1）的输出端（1c、1d）连接，其中所述分析装置（2）被设置用于：

- 将第一测量参量与第一边界值比较，并且

- 当第一测量参量超过第一边界值时，输出第一信号。

2.根据权利要求1所述的电路组件（10），其中，与所述高压系统连接的逆变器（4）通过控制装置（3）予以控制，其特征在于，分析单元（2）被设置用于输出用于所述控制装置（3）的触发信号。

3.根据权利要求2所述的电路组件（10），其特征在于，所述分析装置（2）被设置用于输出所述第一信号作为用于所述逆变器（4）的控制装置（3）的触发信号。

4.根据权利要求2或3所述的电路组件（10），其特征在于，所述分析装置（2）设置用于，紧接着输出用于所述控制装置（3）的触发信号，将由检测电路在量取另一电压之后生成的第二测量参量与第二边界值进行比较，并且在低于第二边界值时输出第二信号。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件（10），其特征在于，所述检测电路（1）被设置为，生成所述第一或第二测量参量作为用于构件负荷的表征性参量。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电路组件（10），其特征在于，所述检测电路（1）具有由耦合电容器（13）、二极管（14）、限流电阻（15）和充电电容器（16）组成的串联电路，其中，所述串联电路与所述电阻（5）的第一接触部和第二接触部电连接，并且放电电阻（17）与充电电容（16）电并联连接，其中，所述放电电阻（17）的两个接头形成所述检测电路（1）的输出端（1c、1d）。

7.一种用于在未接地的高压系统（20）中进行故障识别的系统，所述高压系统具有所连接的逆变器（4）和正的和负的高压电势（7a、7b），其特征在于，所述系统：

具有至少一个在所述高压系统（20）的高压电势（7a、7b）之一与基准电势（8）之间的电阻（5）的串联电路，

具有至少一个在该高压系统（20）的高压电势（7a、7b）之一与该基准电势（8）之间的电容（6a、6b），

具有根据权利要求1所述的电路组件（10），该电路组件被设置用于量取所述电阻（5）的串联电路的电阻（5）中的至少一个电阻的电压，

具有控制装置（3），所述控制装置控制所述逆变器（4），并且所述电路组件（10）的分析装置（2）被设置用于输出用于所述控制装置（3）的触发信号。

8.一种用于在未接地的高压系统（20）中进行故障识别的方法，该高压系统具有所连接的逆变器（4）和至少一个在高压系统（20）的高压电势（7a、7b）和基准电势（8）之间的电阻（5），其特征在于，借助检测电路（1）量取（S2）电阻（5）的电压并且生成（S3）第一测量参量，并且借助分析装置（2）比较（S4）第一测量参量是否超过第一边界值，并且分析电路（2）在超过第一边界值时输出（S5）第一信号。

9.根据权利要求8所述的用于进行故障识别的方法，其中，所述逆变器（4）与控制装置（3）连接，其特征在于，由用于控制装置（3）的分析装置（2）输出（S7）所述第一信号，并且所述控制装置（3）基于接收所述第一信号将所述逆变器（4）切换到特殊运行模式中。

10.根据权利要求9所述的用于进行故障识别的方法，其特征在于，紧接着借助检测电路（1）输出第一信号，量取（S8）在电阻（5）上的另一电压，生成（S9）第二测量参量，并且借助分析电路（2）比较第二测量参量是否小于第二边界值，并且当第二测量参量低于第二边界值时，输出第二信号。

11.一种计算机程序产品，包括指令，当所述程序由计算机实施时，所述指令使所述计算机实施根据权利要求8至10中任一项所述的方法。

12.一种计算机可读的存储介质，包括指令，所述指令在由计算机实施时使所述计算机实施根据权利要求8至10中任一项所述的方法。

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