CN115480184A - 接地故障检测装置 - Google Patents

Abstract

一种接地故障检测装置，包括：开关组，其被配置为在包括电池和电容器的第一测量路径与包括电池、正/负侧绝缘电阻和电容器的第二测量路径和第三测量路径之间切换；基准电阻和测试开关；以及控制单元，其基于在测试开关被断开并且电容器充电的情况下的每个充电电压来计算第一参考值，并且参考所创建的转换映射来计算绝缘电阻，该转换映射是对应于电源线与地之间的静电电容量而创建的，其中，控制单元基于在测试开关闭合并且电容器被充电较短的时间的情况下的每个充电电压计算第二参考值，并且参考预定的测试转换映射来估计静电电容量。

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

在诸如包括发动机和电动马达作为驱动源的混合动力车辆或电动车辆这样的车辆中，对配备在车身中的电池充电，以利用从电池供应的电能产生推进力。电池相关的电源电路通常被配置为高压电路，其处理等于或高于200V的高电压。为了确保安全性，包括电池的高压电路具有与车身绝缘的非接地的配置，车身用作接地的基准电位点。

在配备有非接地高压电池的车辆中，设置了接地故障检测装置，以监测车身与设置有高压电池的系统之间的绝缘状态(接地故障)，所述系统具体地是从高压电池到电机的主电源系统。作为接地故障检测装置，利用称为飞跨电容器的电容器的方法已广泛使用。

为了获得关于绝缘电阻的信息，飞跨电容器型的接地故障检测装置经由开关选择性地切换测量路径，每个测量路径包括用作飞跨电容器的检测电容器，其中，接地故障检测装置执行V0测量、Vc1n测量和Vc1p测量。这里，V0测量是与高压电池的电压相对应的电压的测量。Vc1n测量是反映作为负侧上的绝缘电阻的RLn的影响的电压的测量。Vc1p测量是反映作为正侧上的绝缘电阻的RLp的影响的电压的测量。

已知可以根据已经通过这些测量所获得的V0、Vc1n和Vc1p来计算通过将正侧上的绝缘电阻和负侧上的绝缘电阻组合在一起而获得的绝缘电阻。用于计算的操作是复杂的。因此，通常预先准备利用Vc1/V0(其中Vc1＝Vc1p+Vc1n)作为参考值对绝缘电阻进行转换的转换映射。然后参考转换映射根据已经通过测量获得的Vc1/V0的值估计绝缘电阻，并且判定接地故障的发生。

在V0、Vc1n和Vc1p的任一测量中，在当检测电容器已经被充电预定充电时间Δtm时的充电电压被测量并被设置为测量值。充电时间Δtm被设置为使得检测电容器未被完全充满的值，以便在短时间内确定接地故障。另一方面，在充电时间Δtm太短的情况下，充电电压降低，并且检测精度由于噪声等的影响而降低。为此，考虑到判定时间与检测精度之间的平衡来确定充电时间Δtm，并且充电时间Δtm可以是例如大约1.2秒。

顺便提及，为了去除高频噪声并稳定操作，在许多情况下，将被称为Y电容器(线路旁路电容器)的电容器连接在高压电池的正电源线和负电源线与接地电极之间。注意，在本说明书中，假设存在于电源线与接地电极之间的杂散电容也被认定为包括在Y电容器中。

当测量路径被切换时，在Y电容器与检测电容器之间交换电荷。因此，检测电容器的充电电压可能受到Y电容器的影响，并且绝缘电阻的计算精度可能会降低。

在Y电容器的电容量已知的情况下，能够通过准备与Y电容器的电容量相对应的转换映射来防止绝缘电阻的计算精度的降低。然而，Y电容器的电容量对于接地故障检测装置来说是未知的，并且根据车型、情况等而变化。

专利文献JP2014-126382A描述了为Y电容器的各电容量准备多个转换映射。在具有已知电阻值的基准电阻连接在电源线与接地电极之间的状态下执行测试模式，使得选择与Y电容器的实际电容量相对应的转换映射。

具体地，利用已经在测试模式中获得的参考值在每个转换映射中计算绝缘电阻，并且选择已经获得最接近基准电阻的值的该转换映射。然后，在实际测量中，利用已经在测试模式中选择的转换映射来计算绝缘电阻。

参考列表

专利文献

专利文献1：JP2014-126382A

发明内容

在专利文献JP2014-126382A中描述的发明中，已知的基准电阻被视为测试模式中的绝缘电阻，并且选择了已经获得最接近基准电阻的值的转换映射。然而，在测试模式中作为绝缘电阻发挥作用的不仅有基准电阻而且有基准电阻、绝缘电阻RLn和绝缘电阻RLp的合成电阻，并且还受到实际绝缘电阻的影响。特别是，随着实际绝缘电阻减小，影响变大。

此外，在这些年，存在其中使用高压电池和燃料电池两者的车辆。在这样的车辆中，燃料电池与地之间的绝缘电阻也被并联地添加。因此，在测试模式中，绝缘电阻与基准电阻之间的差异进一步增大。

因此，对应于转换映射的并且所获得的值最接近基准电阻的Y电容器的电容量并不总是接近Y电容器的实际电容量，并且可能不利地影响绝缘电阻的计算精度。

因此，本发明的目的是提高在飞跨电容器型的接地故障检测装置中的电源线与地之间的静电电容量的估计精度。

为了解决上述问题，本发明中的接地故障检测装置是如下接地故障检测装置：该接地故障检测装置与非接地的电池连接，并且用于计算包括所述电池的系统的绝缘电阻，该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运行；

开关组，该开关组被配置为在第一测量路径、第二测量路径和第三测量路径之间切换；所述第一测量路径包括所述电池和所述电容器，所述第二测量路径包括所述电池、负侧绝缘电阻和电容器，所述负侧绝缘电阻是所述电池的负侧线与地之间的绝缘电阻；所述第三测量路径包括所述电池、正侧绝缘电阻和所述电容器，所述正侧绝缘电阻是所述电池的正侧线与所述地之间的绝缘电阻；

基准电阻和测试开关，该基准电阻和测试开关串联连接在所述电池的所述正侧线或所述负侧线与所述地之间；以及

控制单元，该控制单元被配置为：基于在所述测试开关被断开并且在所述第一测量路径至所述第三测量路径中的每个测量路径中所述电容器充电了第一时间的情况下的每个充电电压，来计算第一参考值，并且该控制单元被配置为参考已经被创建的转换映射来计算所述绝缘电阻，所述转换映射是对应于所述地与所述电池的所述正侧线和所述负侧线之间的静电电容量而创建的，其中，

控制单元基于在测试开关闭合并且在所述第一测量路径至所述第三测量路径中的每个测量路径中所述电容器充电第二时间的情况下的每个充电电压，来计算第二参考值，所述第二时间比所述第一时间短，并且所述控制单元被配置为参考预定的测试转换映射来估计所述静电电容量。

根据本发明，在飞跨电容器型的接地故障检测装置中，能够提高电源线与地之间的静电电容量的估计精度。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的接地故障检测装置的配置的框图；

图2是说明转换映射的实例的图；

图3是说明Y电容器的各电容量的充电时间与充电电压之间的关系的图；

图4是说明用于测试模式的转换映射的实例的图；

图5是用于描述在测试模式下的接地故障检测装置的操作的流程图；以及

图6是用于描述由接地故障检测装置执行的接地故障判定过程的流程图。

参考标记列表

100 接地故障检测装置

120 控制装置

130 转换映射(用于测量)

140 转换映射(用于测试)

300 高压电池

310 负载

320 燃料电池

330 升压器

具体实施方式

将参照附图详细描述本发明的实施例。图1是示出根据本发明的实施例的接地故障检测装置100的配置的框图。如附图中所示，接地故障检测装置100是飞跨电容器型的装置，其与高压电池300连接并且检测设置有高压电池300的系统的接地故障。这里，RLp表示高压电池300的正极侧与地之间的绝缘电阻，并且RLn表示高压电池300的负极侧与地之间的绝缘电阻。

高压电池300是用于驱动车辆行驶的电池。高压电池300配置有诸如锂离子电池这样的可充电电池，并且驱动包括例如电动马达这样的负载310。

另外，在本实施例中的高压系统中，除了高压电池300之外还设置燃料电池320。燃料电池320通过升压器330与高压电池300并联连接。在RLf表示燃料电池320的正极侧与地之间的绝缘电阻的情况下，高压系统的绝缘电阻具有通过合成RLn、RLp和RLf而获得的值。不必说，本发明也适用于不包括燃料电池320的高压系统、包括替代了高压电池300的燃料电池320的高压系统等。

均称为Y电容器的电容器CYp和CYn分别连接在高压电池300的正极侧电源线与接地电极之间以及负极侧电源线与接地电极之间。这里，电源线与接地电极之间的杂散电容被认为也包括在电容器CYp和CYn中。电容器CYp和CYn的电容量值是未知的。

如图所示，接地故障检测装置100包括作为飞跨电容器运行的检测电容器C1以及控制装置120。另外，接地故障检测装置100在检测电容器C1的周围包括四个开关S1至S4，以便切换测量路径并控制检测电容器C1的充电和放电。这些开关各自能够配置有绝缘切换元件，例如光学MOSFET。

开关S1具有与正极侧电源线连接的第一端和与二极管D1的阳极侧连接的第二端。二极管D1的阴极侧与电阻器R1的第一端连接，并且电阻器R1的第二端与检测电容器C1的第一极连接。开关S2具有与负极侧电源线连接的第一端和与电阻R2的第一端连接的第二端。电阻器R2的第二端与检测电容器C1的第二极连接。

开关S3的第一端与电阻器R3的第一端和二极管D3的阳极侧连接，并且开关S3的第二端与电阻器R5的第一端、控制装置120的模拟输入端子和第二极接地的电容器C2的第一极连接。二极管D3的阴极侧与检测电容器C1的第一极连接，电阻器R3的第二端与二极管D2的阴极侧连接，并且二极管D2的阳极侧与检测电容器C1的第一极连接。电阻器R5的第二端接地。开关S4的第一端与检测电容器C1的第二极连接，并且开关S4的第二端与电阻器R4的第一端连接。电阻器R4的第二端接地。

控制装置120被配置有微计算机等，并且执行已预先并入的程序以进行接地故障检测装置100所需的各种类型的控制。具体地，控制装置120分别控制开关S1至S4以切换测量路径，并且还控制检测电容器C1的充电和放电。

用于V0测量、Vc1n测量及Vc1p测量的相应测量电路类似于现有技术中的测量电路。也就是说，在V0测量中，开关S1和S2接通以对检测电容器C1充电。在Vc1n测量中，开关S1和S4接通以对检测电容器C1充电。在Vc1p测量中，开关S2和S3接通以对检测电容器C1充电。

另外，控制装置120从模拟输入端子接收与检测电容器C1的充电电压相对应的模拟电平的输入，其中，该模拟电平用作测量值。基于这样的测量值来检测设置有高压电池300的系统的绝缘电阻的减小。当检测电容器C1的充电电压被施加到模拟输入端子时，开关S3和S4接通。在该路径中，检测电容器C1也放电。

以上描述涉及在飞跨电容器型的接地故障检测装置中广泛使用的基本电路配置。然而，飞跨电容器型的接地故障检测装置具有各种变形。接地故障检测装置100的配置不限于附图中的示例。

在本实施例中，控制装置120还包括用于测量的测量转换映射130和用于测试的测试转换映射140。测量转换映射130是在实际的接地故障检测处理中使用的转换映射。测试转换映射140是在估计Y电容器的电容量的测试模式中所使用的转换映射。针对Y电容器的每个电容量创建两个转换映射。例如，电容量能够根据其大小而分成多个组，并且能够为每个组创建转换映射。

另外，基准电阻Rref和测试开关Sr在负极侧电源线与地之间彼此串联连接。基准电阻Rref的电阻值是已知的，并且测试开关Sr在测试模式下被控制装置120切换为闭合。基准电阻Rref和测试开关Sr可以连接在正极侧电源线与地之间。

在测试模式中，RLp、RLn和RLf的各绝缘电阻与基准电阻Rref的合成电阻在测试时变成绝缘电阻值。在此状态下，测量V0、Vc1n和Vc1p以计算参考值。将参考值应用于已针对Y电容器的每个电容量创建的各个测试转换映射140，并且计算绝缘电阻。

然后，在已经获得的绝缘电阻中，被假定为与在测试时的绝缘电阻值最接近的转换映射所对应的Y电容器的电容量被估计为Y电容器的实际电容量。然后，在实际的接地故障检测处理中，参考与已经估计的Y电容器的电容量相对应的测量转换映射130来计算绝缘电阻。

这里，假定接地故障检测处理中的先决条件。在没有发生接地故障的正常状态下，RLp、RLn和RLf的各自的绝缘电阻足够大。假设在这样的状态下的值是4.8MΩ的情况下，合成绝缘电阻(RLp//RLn//RLf)是1.6MΩ。

为了将基准电阻Rref的值设置为小于正常绝缘电阻，在此将该值设置为1350kΩ。在这种情况下，当在测试模式连接基准电阻Rref时，正常绝缘电阻与基准电阻的合成电阻(RLp//RLn//RLf//Rref)为736kΩ。该值能够被认为是在测试时的绝缘电阻值的最大值。

另一方面，每个绝缘电阻根据各种因素而变化，并且例如，RLp、RLn和RLf中的任何一者可以降低到3.0MΩ。在这种情况下，合成绝缘电阻是1.3MΩ。在测试模式下，绝缘电阻与基准电阻的合成电阻是668kΩ。假设该值是在测试时的绝缘电阻值的最小值。

也就是说，在测试模式下，能够假设在测试时的绝缘电阻值依据绝缘电阻的情况而在668kΩ与736kΩ之间变化。

另外，能够根据技术标准等针对每种车型在某种程度上假定Y电容器的电容量的范围。例如，假定在电容量C1与电容量C9(其中C1＜C9)之间变化。

图2示出了已经针对电容量C1至C9中的每一个电容量创建的测量转换映射130的示例。除了Y电容器的电容量之外，还可以通过利用检测电容器C1的电容量、测量电路中的电阻和充电时间进行计算来获得转换映射。然而，在该图的实例中，充电时间被设置为实际接地故障检测处理中的充电时间Δtm。如上所述，考虑到判定时间和检测精度之间的平衡来确定充电时间Δtm，并且充电时间Δtm可以是例如约1.2秒。此外，图中的阴影区域指示在测试时的绝缘电阻值的变化范围内所包括的668kΩ至736kΩ。

例如，假设参考值P12是在测试模式中通过V0、Vc1n和Vc1p的测量而获得的参考值。在这种情况下，Y电容器的每个电容量的绝缘电阻值在682kΩ至736kΩ的范围内变化，并且所有绝缘电阻值都落入测试时的绝缘电阻值的变化范围内。因此，在此条件下，不能选择出与测试时的绝缘电阻值最接近的绝缘电阻值，且不能估计Y电容器的电容量。

顺便提及，如图3所示，检测电容器C1的充电电压的上升速度根据Y电容器的电容量而不同。具体地，随着Y电容器的电容量变小，上升变陡。该差异显著地出现在由附图中的矩形虚线所指示的时间tr周围。充电时间Δtr比接地故障检测处理中的充电时间Δtm短，并且能够设置为例如大约一半，即大约600毫秒。

为了不降低检测精度，不能缩短充电时间Δtm。因此，在本实施例中，测试模式下的充电时间Δtr被设定为比接地故障检测处理中的充电时间Δtm小的值。在测试模式下，通过缩短充电时间Δtr降低了所获得的参考值的准确度。然而，根据参考值计算的绝缘电阻在宽范围内分布，并且有利于估计Y电容器的电容量。

图4示出了已经针对电容量C1至C9中的每一个电容量创建的测试转换映射140的示例。电容量C1与电容量C9类似于图2中的电容量，但是在附图的示例中，充电时间被设置为充电时间Δtr，该充电时间Δtr是实际接地故障检测处理中的充电时间Δtm的一半。附图中的阴影区域指示包括在测试时的绝缘电阻值的变化范围内的668kΩ至736kΩ。

举例来说，假定参考值Q10是如下参考值：在测试模式下，在充电时间为Δtr的情况下，已经通过V0、Vc1n和Vc1p的测量而获得的参考值。在这种情况下，Y电容器的每个电容量的绝缘电阻值在566kΩ至888kΩ的范围内大幅变化。这是因为充电时间缩短，并且因此显著地出现与Y电容器的电容量相对应的充电电压的差异。

在充电时间缩短的条件下，测试时的绝缘电阻值大幅变化。因此，能够缩窄与在测试时的绝缘电阻值的变化范围重叠的绝缘电阻值所对应的Y电容器的电容量。因此，能够提高Y电容器的电容量的估计精度。因此，能够选择适用于实际情况的转换映射，并且还能够提高绝缘电阻的计算精度。

在附图的示例中，Y电容器的电容量能够被指定为电容量C5或电容量C6。在实际接地故障检测处理中，以充电时间Δtm执行测量，并且针对已经获得的参考值，能够参考与电容量C5或电容量C6相对应的测量转换映射130来获得绝缘电阻。

接下来，将描述具有上述配置的接地故障检测装置100的操作。作为先决条件，在充电时间为充电时间Δtm的情况下，为Y电容器的每个电容量创建测量转换映射130，并且在充电时间为比充电时间Δtm短的充电时间Δtr的情况下，为Y电容器的每个电容量创建测试转换映射140。

首先，将参照图5中的流程图描述接地故障检测装置100在测试模式下的操作。测试模式由控制装置120控制，并且能够例如在启动车辆时或基于预定指令来执行。

在测试模式下，测试开关Sr被闭合以连接基准电阻Rref(S101)。

在基准电阻Rref连接的状态下，控制开关S1至S4的断开和闭合，并且分别在充电时间Δtr处测量V0、Vc1n和Vc1p(S102)。充电时间Δtr比接地故障检测处理中的充电时间Δtm短。

然后，基于在充电时间Δtr处获得的V0、Vc1n和Vc1p来计算参考值(S103)。

关于已经计算的参考值，参考测试转换映射140来估计Y电容器的电容量(S104)。具体地，针对测试转换映射140中所包括的各个电容量的每个转换映射来计算基于参考值的绝缘电阻，并且将与测试时假定的测试绝缘电阻范围重叠的绝缘电阻所对应的电容量估计为Y电容器的电容量。

接下来，将参照图6中的流程图来描述在实际接地故障检测处理中的接地故障检测装置100的操作。接地故障检测处理由控制装置120控制，并且能够例如在车辆运行时适当地执行。

在接地故障检测过程中，测试开关Sr被断开，以断开基准电阻Rref(S201)。

控制开关S1至S4的断开和闭合，并且分别在正常充电时间Δtm测量V0、Vc1n和Vc1p(S202)。

基于已经在充电时间Δtm获得的V0、Vc1n和Vc1p，计算参考值(S203)。

参照与已经在测试模式中估计的Y电容器的电容量相对应的测量转换映射130(S204)，计算基于所计算的参考值的绝缘电阻(S205)。

基于所计算的绝缘电阻，根据给定技术标准进行接地故障判定(S206)。

如上所述，在本实施例的在接地故障检测装置100中，测试模式下的充电时间比实际接地故障检测处理的充电时间短，使得能够容易地缩小Y电容器的电容量，并且能够提高Y电容器的电容量的估计精度。因此，能够选择适用于实际情况的转换映射，并且绝缘电阻的计算精度也能够得到改善。

Claims (2)

1.一种接地故障检测装置，所述接地故障检测装置与非接地的电池连接，并且用于计算包括所述电池的系统的绝缘电阻，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运行；

开关组，该开关组被配置为在第一测量路径、第二测量路径和第三测量路径之间切换；所述第一测量路径包括所述电池和所述电容器；所述第二测量路径包括所述电池、负侧绝缘电阻和所述电容器，所述负侧绝缘电阻是所述电池的负侧线与地之间的绝缘电阻；所述第三测量路径包括所述电池、正侧绝缘电阻和所述电容器，所述正侧绝缘电阻是所述电池的正侧线与所述地之间的绝缘电阻；

基准电阻和测试开关，该基准电阻和测试开关串联连接在所述电池的所述正侧线或所述负侧线与所述地之间；以及

控制单元，该控制单元被配置为：基于在所述测试开关被断开并且在所述第一测量路径至所述第三测量路径之中的每个测量路径中所述电容器充电了第一时间的情况下的每个充电电压，来计算第一参考值；并且所述控制单元被配置为：参考已经创建的转换映射来计算所述绝缘电阻，所述转换映射是对应于所述电池的所述正侧线和所述负侧线的每一者与所述地之间的静电电容量而创建的，其中，

所述控制单元基于在测试开关闭合并且在所述第一测量路径至所述第三测量路径之中的每个测量路径中所述电容器充电了第二时间的情况下的每个充电电压，来计算第二参考值，所述第二时间比所述第一时间短，并且所述控制单元被配置为：参考预定的测试转换映射来估计所述静电电容量。

2.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，其中，

所述测试转换映射指示每个所述静电电容量的相对于所述第二参考值的电阻值；并且

所述控制单元被配置为：基于将被假定为所述绝缘电阻与所述基准电阻的合成电阻的电阻值的范围以及每个所述静电电容量的相对于所述第二参考值的电阻值，估计所述静电电容量。

Images