CN115774170A - 电绝缘监测装置 - Google Patents

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CN115774170A CN202211058046.XA CN202211058046A CN115774170A CN 115774170 A CN115774170 A CN 115774170A CN 202211058046 A CN202211058046 A CN 202211058046A CN 115774170 A CN115774170 A CN 115774170A
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Abstract

本发明涉及电绝缘监测装置。确定导体的电绝缘是否充分的方法包括：接通或断开导体与接地之间的电阻负载，在接通或断开负载之后的第一时间点t1测量导体与接地之间的所得电压Um的第一电压值u1，确定第一电压值u1是否满足第一条件，和/或基于第一电压值u1确定导体与接地之间的所得电压Um的初始变化率，确定初始变化率是否满足第二条件，第一条件和第二条件中的至少一个被满足时，确定电绝缘充分。电绝缘未被确定为充分时，方法还包括：预测导体与接地之间随时间的电压响应Up，发起对所得电压Um的连续测量，并且比较Um与Up，确定Um与Up之间的关系满足预定第三条件的时间点，并且由此预测稳态电压uss，使用稳态电压uss估计电绝缘是否充分。

Description

电绝缘监测装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定电气系统——诸如能够被描述为电阻器-电容器电路的电气系统——中的导体的电绝缘是否充分的方法。本发明还涉及一种用于确定这种电气系统中的导体的电绝缘是否充分的电子设备、计算机程序、计算机可读介质和车辆。
本发明能够例如被应用于电动重型车辆，诸如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管本发明将相对于完全电气化公共汽车进行描述，但本发明不限于该特定车辆，而是还可以被使用于诸如卡车、拖车、轮式装载机、挖掘机、客车等的其他车辆中。它也可以被应用于例如电动船舶的电气系统中和各种工作机器中。它适用于全电动车辆中以及也包括内燃机的混合动力车辆中。本发明还适用于其他应用中(诸如船舶中和固定工业机器中)的电气系统中。
背景技术
电绝缘监测、也称为电隔离监测在设置有其中危险电压电平被使用的电气系统的电动车辆中很重要。通过监测电绝缘电阻，确保车辆对驾驶员和乘客来说是安全的，并且确保技术人员例如在车辆上执行任务是安全的，而不会有触电的风险。电绝缘监测设备可以被用于该目的，其被连接在充当接地的车辆的底盘与电气系统的导体——例如直流(DC)电气系统中的DC线之一——之间。电气系统可以在本文中被描述为电阻器-电容器电路。
绝缘监测设备在导体与底盘之间施加测试负载或测试信号，并且电压响应通过测量单元来检测和评估。如果导体与底盘之间的电阻(即，绝缘电阻)下降到特定水平以下，则绝缘监测设备可以被配置成发出警报信号和/或断开电气系统的电源。
绝缘监测的典型实施方式需要相当长的时间，多达30秒，来确立电绝缘电阻值。这可能会在电动车辆的启动时引起问题，因为期望确保车辆上的电气系统的导体在车辆起动之前充分地绝缘。测量时间长意味着车辆启动将很慢，除非在测量时间段期间允许车辆在没有确认电气安全的情况下操作。30秒的车辆启动时间通常是不可接受的，并且因此尽管存在安全问题，但在测量时间期间仍允许车辆操作。在这种情况下，如果绝缘电阻测量结果披露绝缘不充分，则只有在车辆已经运行时才会提醒车辆操作员。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种在至少一些方面中改进的用于确定电气系统中的导体的电绝缘(诸如电动车辆的电力推进系统中的导体的电绝缘)是否充分的方法和电子设备。本发明的另一目的是提供减少确立电绝缘充分从而以安全的方式操作车辆所需的时间的这种方法和设备。
根据本发明的第一方面，至少主要目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。用于确定诸如被描述为电阻器-电容器电路的电气系统的电气系统中的导体的电绝缘是否充分的方法包括：
-接通或断开导体与接地之间的电阻负载，
-在接通或断开负载之后的预定第一时间点t1处测量导体与接地之间的所得电压Um的第一电压值u1。
该方法进一步包括：
-确定第一电压值u1是否满足预定第一条件，和/或
-基于所测量的第一电压值u1来确定导体与接地之间的所得电压Um随时间的初始变化率，并且确定初始变化率是否满足预定第二条件，
当第一条件和第二条件中的至少一个被满足时，确定电绝缘充分。
当电绝缘未被确定为充分时，该方法进一步包括：
-通过使用初始变化率并且假设线性响应来预测导体与接地之间随时间的电压响应Up，
-发起对导体与接地之间的所得电压Um随时间的连续测量，并且将所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up进行比较，
-确定当所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up之间的关系满足预定第三条件时的时间点，并且由此确定电气系统的时间常数τ和/或预测导体与接地之间的稳态电压uss，
-使用所确定的时间常数τ和/或所预测的稳态电压uss，估计导体与接地之间的电绝缘是否充分。
通过所提出的方法，能够进行对电绝缘是否充分的初步估计，而不必确立绝缘电阻的精确值。这实现对电气系统操作起来是否安全的快速且可靠的确定。因此，该方法以可靠的方式提高了电气系统的安全性，而没有长启动时间的副作用。该方法提供了一种三步方法，其中连续检查第一条件和第二条件是否被满足，如果不是，则时间常数τ和/或稳态电压uss的预测被用于估计电绝缘电阻是否充分。由此启动时间能够被显著减少，特别是在第一条件和第二条件中的一个条件被满足的情况下。在这些情况下，在第三条件被满足之前，将没有必要继续测量所得电压Um。相反，能够立即确立绝缘电阻是否充分。
电气系统可以是能够被描述为电阻器-电容器电路的电气系统，即，包括电阻和电容元件并且具有时间常数τ＝RC的电气系统，其中，R是电阻并且C是电气系统的电容。该系统可以是浮动B类直流(DC)电压系统，其中，对接地的杂散或其他电容使绝缘监测变得困难并且可能很慢。绝缘电缆或导体是这种系统的示例。
本文描述的方法特别适用于DC电气系统中的DC导体，但原则上也可以被应用于交流(AC)电气系统中。导体可以例如是DC电气系统的正导体或负导体。
可选地，当预定第一条件未被满足时，仅执行确定初始变化率以及确定初始变化率是否满足预定第二条件。因此，如果第一条件被满足，则初始估计能够被非常快速地提供，而无需附加计算。
可选地，稳态电压uss被预测，并且如果所预测的稳态电压uss符合预定稳态电压阈值，则导体与接地之间的电绝缘被认为充分。
可选地，稳态电压uss被预测，并且估计导体与接地之间的电绝缘是否充分包括：将所预测的稳态电压uss输入到电绝缘计算算法。这种电绝缘计算算法可以例如使用已知电阻负载Rtest、如在接通或断开负载Rtest之前确定的初始电压值u0和稳态电压uss。使用简单的泄漏模型，绝缘电阻Rleak能够被估计为Rleak＝Rtest*(u0/uss–1)。一旦时间常数τ和/或稳态电压uss的值已经被确立，就存在许多不同的算法用于计算电绝缘电阻。
可选地，初始电压值u0在接通或断开负载之前被确定，其中，当以下方程被满足时，所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up之间的关系被认为在接通或断开负载之后的时间点t3处满足预定第三条件：
(Um(t3)-u0)/(Up(t3)-u0)≤x3，
其中，x3是预定阈值，Um(t3)是在时间t3处的所得电压值，并且Up(t3)是在时间t3处的所预测的电压响应值。初始电压值u0可以在选择的时间点处被确定，使得在该时间处的电压值对应于刚好在切换之前的电压值。它可以例如被选择为刚好在接通或断开负载之前的时间点，或者如果电压能够被假设为稳定的，则它可以在较早的时间点处被测量或以其他方式被确立。
可选地，预定阈值x3被设置为包括端点的0.63至0.75范围内的值，诸如被设置为0.75或者被设置为0.70或者被设置为0.65或者被设置为0.63。预定阈值x3也可以被设置为使得其在0.7*τ≤t3≤τ或者0.8*τ≤t3≤τ或者0.9*τ≤t3≤τ或者当t3＝τ的时间点处被达到，其中，τ是时间常数。通过假设Up(τ)＝uss，所预测的电压响应Up(τ)可以被用作绝缘计算算法的输入。通过将阈值x3设置为0.63或稍高，诸如设置为上面定义的范围内的值，可以实现对稳态电压uss的充分可靠的预测。
可选地，当第一电压值u1与在接通或断开负载之前确定的初始电压值u0相差至少预定阈值量x1时，预定第一条件被认为被满足。快速电压响应指示绝缘电阻充分，并且无需进一步计算和估计。电压u0可以如上所述的被确定。
可选地，如果初始变化率超过预定阈值变化率，则预定第二条件被认为被满足。此处，无论电压是已经增加还是减少，感兴趣的是变化率的幅度。电压的初始变化率大指示绝缘电阻充分。在预定第一条件未被满足或未被检查的情况下，因此当第二条件被满足时，绝缘电阻仍然能够被确定为充分。
可选地，预定第一时间点t1被设置为接通或断开负载之后的0.5秒或更短或者0.2秒或更短或者0.1秒或更短。应该确保第一电压值u1被测量，同时电压响应能够被假设为是线性的，即，在接通或断开负载之后的相对较短的时间段内。出于实际原因，当假设电压变化大到足以被准确确定时，诸如在50至100毫秒(ms)之后，第一电压值u1可以被测量。这将确保对绝缘电阻是否充分的准确估计能够被实现。
根据本发明的第二方面，至少主要目的通过一种用于确定电气系统、诸如被描述为电阻器-电容器电路的电气系统中的导体的电绝缘是否充分的电子设备来实现，该电子设备包括：切换设备，其用于接通和断开导体与接地之间的电阻负载；以及电压传感器，其用于测量导体与接地之间的电压；以及控制单元，其用于控制切换设备和电压传感器，其中，电子设备被配置成执行根据第一方面的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据第二方面的电子设备的车辆，其中，电子设备被配置成确定车辆内的电气系统的至少一个导体的电绝缘是否充分。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于使根据第二方面的电子设备执行根据第一方面的方法的程序代码单元。
根据本发明的第五方面，提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质承载根据第四方面的计算机程序。
在以下描述中和从属权利要求中公开了本发明的进一步优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。
在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的方法可以被应用于其中的电动车辆，
图2示意性地示出了根据本发明的电子设备的示例实施例；
图3是图示电压测量结果的图，以及
图4是图示根据本发明的实施例的方法的流程图。
这些附图是示意性的并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
在本详细描述中，根据本发明的方法的实施例主要参考全电动公共汽车进行描述，全电动公共汽车包括电池供电电动机形式的推进系统。然而，应该注意，所描述的本发明的各种实施例同样适用于各种混合动力和电动车辆。本发明也适用于例如建筑设备、船舶等中的电气系统中。
图1示出了公共汽车1形式的全电动车辆的简化透视图。公共汽车1包括电气系统2，其在本文中包括用于推进公共汽车的电驱动单元3。当然，除了电驱动单元3之外或代替电驱动单元3，其他负载可以被提供，例如需要电力的辅助系统和/或车载充电器和/或动力输出装置。电驱动单元3可以包括牵引电机、电力电子设备和与其相关联的控制装置(未示出)。
公共汽车1还承载包括多个电池模块5的电能存储系统(ESS)4，其中，每个电池模块5可以继而包括多个电池单体(未示出)。电池单体可以被串联连接，以提供具有期望电压电平的输出DC电压。适当地，电池单体是锂离子类型的，但其他类型也可以被使用。每个电池模块5的电池单体的数量可以在50到500个单体的范围内。要注意的是，ESS 4还可以包括多个电池组，每个电池组包括一个或多个电池模块5。ESS控制单元6被提供用于控制ESS 4的操作。
图2示意性地示出了车辆的电气系统2，诸如图1中图示的公共汽车1的电气系统2。电气系统2能够被描述为电阻器-电容器(RC)电路，并且包括第一导体11(在本文中被图示为正DC线)和第二导体12(在本文中被图示为负DC线)。根据本发明的实施例的电子设备10被连接到电气系统2，并且被配置用于确定电气系统2的(即，在导体11、12中的每个导体与接地参考之间的)电绝缘电阻是否充分。在这种情况下，车辆1的底盘用作接地参考。
电子设备10包括用于接通和断开导体11、12中的一个导体与接地之间的已知电阻负载16的切换设备15以及用于测量该导体11、12与接地之间的电压的电压传感器13。用于控制切换设备15和电压传感器13的控制单元14也被提供。在图示的示例中，为了便于理解，电子设备10被图示为具有单个切换设备15和单个电压传感器13。当然，电子设备10可以包括多个切换设备和电压传感器，以便确定绝缘电阻对于电气系统2内的许多导体——诸如至少两个切换设备、两个电压传感器等——是否充分。电阻负载16可以形成或可以不形成电子设备10的一部分。
现在参考图3和图4。图3图示了当具有电阻值Rtest的测试负载16被接通时电气系统2中随时间t的电压U。图4图示了用于确定导体11、12的电绝缘——即，电绝缘电阻——是否充分的方法。该方法可以由电子设备10执行，并且包括以下动作：
S1：使用切换设备15来接通或断开导体11、12与接地之间的电阻负载16。该步骤在时间点t0处被执行。在接通或断开负载16之前，初始电压值u0可以借助于电压传感器13来确定。在接通负载16时，在图示的示例中出现电压降。
S2：在接通或断开负载之后的预定第一时间点t1处测量导体11、12与接地之间的所得电压Um的第一电压值u1。这可以使用电压传感器13来执行。所得电压Um由图3中的实线图示。预定第一时间点t1可以例如被设置为接通或断开负载16之后的0.5秒或更短或者0.2秒或更短或者0.1秒或更短。
该方法进一步包括动作S3和动作S4，这两者中的一个动作可以被执行。
S3：确定第一电压值u1是否满足预定第一条件。预定第一条件可以被设置为使得其当第一电压值u1与在接通或断开负载16之前确定的初始电压值u0相差至少预定阈值量x1时被认为被满足。
S4：基于所测量的第一电压值u1来确定导体11、12与接地之间的所得电压Um随时间的初始变化率k，并且确定初始变化率k是否满足预定第二条件。变化率k被确定为k＝(u1-u0)/(t1-t0)。预定第二条件可以例如被设置为使得其在初始变化率的幅度超过预定阈值幅度的情况下被认为被满足。如果预定第一条件被满足，则动作S4可以被省略。
该方法进一步包括当第一条件和第二条件中的至少一个被满足时确定电绝缘充分的动作S5。因此，当已经在步骤S3中确定第一条件被满足时，和/或当已经在步骤S4中确定第二条件被满足时，电绝缘被确定为充分。
当电绝缘在执行动作S1至S5之后不能被确定为充分时，即，当第一条件和第二条件都未被满足时，该方法进一步包括以下动作：
S6：通过使用初始变化率k并且在假设线性响应的情况下预测导体11、12与接地之间随时间的电压响应Up。在可描述为RC电路的电气系统2中，在接通或断开负载16之后的初始电压响应能够被假设为是线性的。所预测的电压响应Up在图3中用点划线图示。
S7：发起对导体11、12与接地之间的所得电压Um随时间t的连续测量，并且将所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up进行比较。所得电压Um可以使用电压传感器13以预定频率进行采样。
S8：确定当所测量的所得电压Um与所预测的电压Up之间的关系满足预定第三条件时的时间点t3，并且由此确定电气系统2的时间常数τ和/或预测导体11、12与接地之间的稳态电压uss。当以下方程被满足时，所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up之间的关系可以被认为在接通或断开负载16之后的时间点t3处满足预定第三条件：
(Um(t3)-u0)/(Up(t3)-u0)≤x3，
其中，x3是预定阈值，Um(t3)是在时间t3处的所得电压值，并且Up(t3)是在时间t3处的预测电压响应值。该比率描述了所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up相比已经变化了多少。当所测量的电压Um与所预测的电压响应Up相比变化了63％时，电气系统的时间常数τ已经被达到。因此，阈值x3可以被设置为0.63至0.75范围内的包括端点的值，诸如被设置为0.75或者被设置为0.70或者被设置为0.65或者被设置为0.63。预定阈值x3也可以被设置为使得其在0.7*τ≤t3≤τ或者0.8*τ≤t3≤τ或者0.9*τ≤t3≤τ或者当t3＝τ时的时间点被达到。
S9：使用所确定的时间常数τ和/或所预测的稳态电压uss，估计导体11、12与接地之间的电绝缘是否充分。所预测的稳态电压uss是所测量的电压响应Um随时间的渐近值的预测。该估计可以通过将所预测的稳态电压uss输入到电绝缘计算算法来实现，从而产生绝缘电阻的预测。如果导体11、12与接地之间的电绝缘超过预定阈值电阻值，则它可以被认为充分。阈值电阻值可以被设置有安全余量，以便考虑稳态电压uss和/或时间常数τ在达到实际稳态之前被预测。如果所预测的稳态电压uss符合预定稳态电压阈值，则导体11、12与接地之间的电绝缘可以替代地被认为充分。稳态电压阈值可以被预先设置，诸如通过计算针对给定绝缘电阻值的稳态电压值。
当绝缘电阻被确定为不充分时，该方法可以包括响应于此而采取至少一个动作，诸如生成信号和/或断开电气系统2的电源。
控制单元14可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备。因此，控制单元14包括电子电路和连接(未示出)以及处理电路系统(未示出)，使得控制单元14能够与例如公共汽车1的不同部分或者与公共汽车1和/或电气系统2的不同控制单元通信。控制单元14可以包括硬件或软件中的模块或者部分在硬件或软件中的模块，并且使用诸如CAN总线和/或无线通信能力的已知传输总线进行通信。处理电路系统可以是通用处理器或特定处理器。控制单元14包括用于存储计算机程序代码和数据的非暂时性存储器。因此，本领域技术人员认识到控制单元14可以通过许多不同的构造来体现。
应理解，本发明不限于以上描述和在附图中图示的实施例；相反，技术人员将认识到可以在所附权利要求的范围内进行许多变化和修改。

Claims (13)

1.一种用于确定电气系统(2)、诸如被描述为电阻器-电容器电路的电气系统(2)中的导体(11、12)的电绝缘是否充分的方法，所述方法包括：
-接通或断开(S1)所述导体(11、12)与接地之间的电阻负载(16)，
-在接通或断开所述负载(16)之后的预定第一时间点t1处测量(S2)所述导体(11、12)与接地之间的所得电压Um的第一电压值u1，
所述方法进一步包括：
-确定(S3)所述第一电压值u1是否满足预定第一条件，和/或
-基于所测量的第一电压值u1来确定(S4)所述导体(11、12)与接地之间的所述所得电压Um随时间的初始变化率，并且确定所述初始变化率是否满足预定第二条件，
-当所述第一条件和第二条件中的至少一个被满足时，确定(S5)所述电绝缘充分，
其中，当所述电绝缘未被确定为充分时，所述方法进一步包括：
-通过使用所述初始变化率并且假设线性响应来预测(S6)所述导体(11、12)与接地之间随时间的电压响应Up，
-发起(S7)对所述导体(11、12)与接地之间的所述所得电压Um随时间的连续测量，并且将所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up进行比较，
-确定当所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up之间的关系满足预定第三条件时的时间点，并且由此确定所述电气系统的时间常数τ和/或预测所述导体(11、12)与接地之间的稳态电压uss，
-使用所确定的时间常数τ和/或所预测的稳态电压uss，估计(S9)所述导体(11、12)与接地之间的所述电绝缘是否充分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述预定第一条件未被满足时，仅执行确定所述初始变化率以及确定所述初始变化率是否满足所述预定第二条件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述稳态电压uss被预测，并且其中，如果所预测的稳态电压uss符合预定稳态电压阈值，则所述导体(11、12)与接地之间的所述电绝缘被认为充分。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述稳态电压uss被预测，并且其中，估计所述导体(11、12)与接地之间的所述电绝缘是否充分包括：将所预测的稳态电压uss输入到电绝缘计算算法。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，初始电压值u0在接通或断开所述负载(16)之前被确定，并且其中，当以下方程被满足时，所测量的所得电压Um与所预测的电压响应Up之间的关系被认为在接通或断开所述负载(16)之后的时间点t3处满足所述预定第三条件：
(Um(t3)-u0)/(Up(t3)-u0)≤X3，
其中，x3是预定阈值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预定阈值x3被设置为包括端点的0.63至0.75范围内的值，诸如被设置为0.75或者被设置为0.70或者被设置为0.65或者被设置为0.63。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述第一电压值u1与在接通或断开所述负载(16)之前确定的初始电压值u0相差至少预定阈值量x1时，所述预定第一条件被认为被满足。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果所述初始变化率超过预定阈值变化率，则所述预定第二条件被认为被满足。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预定第一时间点t1被设置为接通或断开所述负载(16)之后的0.5秒或更短或者0.2秒或更短或者0.1秒或更短。
10.一种用于确定电气系统(2)、诸如被描述为电阻器-电容器电路的电气系统(2)中的导体(11、12)的电绝缘是否充分的电子设备(10)，所述电子设备(10)包括：切换设备(15)，所述切换设备(15)用于接通和断开所述导体(11、12)与接地之间的电阻负载(16)；以及电压传感器(13)，所述电压传感器(13)用于测量所述导体(11、12)与接地之间的电压；以及控制单元(14)，所述控制单元(14)用于控制所述切换设备(15)和所述电压传感器(13)，其中，所述电子设备(10)被配置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
11.一种包括根据权利要求10所述的电子设备的车辆(1)，其中，所述电子设备(10)被配置成确定所述车辆(1)内的电气系统(2)的至少一个导体(11、12)的电绝缘是否充分。
12.一种计算机程序，包括用于使根据权利要求10所述的电子设备(10)执行根据权利要求1至9中任一项所述的步骤的程序代码装置。
13.一种承载根据权利要求12所述的计算机程序的计算机可读介质。
CN202211058046.XA 2021-09-06 2022-08-30 电绝缘监测装置 Pending CN115774170A (zh)

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