KR20140041621A - 절연물의 결함을 검출하는 디바이스 - Google Patents

절연물의 결함을 검출하는 디바이스 Download PDF

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다니엘 샤트루
세바스띠앙 꺄르꾸에
쥴리앙 도쉬
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은, 제 1 및 제 2 입력 단자(47, 48); 상기 제 1 및 제 2 입력 단자들 사이에 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 임피던스(41, 42); 전기 접지 사이에 연결된 전류-검출 회로(45) 및 상기 제 1 및 제 2 임피던스 사이의 중간점(49)을 포함하는 전기 전원 디바이스에 관한 것이다. 상기 전류-검출 회로(45)는 상기 절연 결함 전류에 비례하는 전압을 수신하는 입력 단자를 구비하는 마이크로제어기(453)를 포함하며, 상기 입력 단자는 제 3 임피던스(456)를 통해 상기 DC 전압 소스의 전압 레벨보다 적어도 10배 더 낮은 전압 레벨을 가지는 전원에 연결되고, 상기 입력 단자는 제 4 임피던스(457)를 통해 상기 전기 접지(93)에 더 연결되고, 상기 마이크로제어기(453)는 절연 결함의 진폭을 결정하도록 구성된다.

Description

절연물의 결함을 검출하는 디바이스{DEVICE FOR DETECTING A DEFECT IN INSULATION}
본 발명은 접지에 대하여 DC 전압 전기 전원 또는 회로망을 절연시키는 것에 관한 것이다.
고전력 DC 전압 전기 시스템은 상당한 발전을 하고 있다. 사실, 다수의 운송 시스템은 DC 전압 공급원을 포함한다.
하이브리드 연소/전기 또는 전기 차량은 특히 고전력 배터리를 포함한다. 적절한 전압 레벨을 얻기 위해, 여러 전기화학 축전지가 직렬로 배치된다. 고전력 및 고용량을 얻기 위해, 여러 축전지 그룹이 직렬로 배치된다. 단(stage)의 수(축전지 그룹의 수) 및 각 단에서 병렬로 연결된 축전지의 수는 배터리의 원하는 전압, 전류 및 용량의 함수로서 변한다. 여러 축전지를 연결한 것은 축전지 배터리라고 언급된다. 차량에 사용되는 전기화학 축전지는 일반적으로 한정된 중량 및 볼륨에 상당한 에너지를 저장하는 용량을 가지는 리튬 이온 유형이다. 리튬이온 철 인산염 LiFePO4 유형의 배터리 기술은 다소 제한된 에너지 저장 밀도에 높은 고유 안전 레벨 때문에 상당한 발전 주제를 형성한다.
이 배터리는 인버터에 의하여 AC 전기 모터를 추진하는데 사용된다. 이 모터에 필요한 전압 레벨은 수 100볼트, 일반적으로 400볼트 정도에 이른다. 이 배터리는 또한 전기 모드에서 차량의 자율성을 위하여 고용량을 포함한다. 차량 응용에 특정된 여러 기술적 이유는 차량의 기계적인 질량(차량의 금속 섀시 및 금속 차체 외각에 의해 형성되어 유저에 액세스가능한) 및 배터리의 전위 사이에 절연물의 사용을 초래한다. 주된 이유는 운전 동안 제 1 절연물에서 견인 배터리를 순간적으로 분리시키는 결함을 고려할 수 없다는 것이다. 예를 들어, 배터리의 하나의 극성(pole)이 기계적인 부분(mechanics)에 연결되는 경우에도, 다른 극성에 절연 결함이 나타난다. 이것은 보호 퓨즈의 단락 및 직접 퓨즈 작용에 의하여 나타난다. 이것은 차량을 위험하게 하는 효과를 가질 수 있다. 견인력의 소멸 또는 브레이크 작용의 회복으로 인해, 이것은 배터리를 절연시키고 개인의 안전 상의 이유로 절연 모니터로 이 절연을 체크하는 것을 의무적이게 한다. 사실, 제 1 결함시 유저에 리스크가 없다면, 견인 배터리를 분리하는 효과를 가지는 제 2 결함이 출현하기 전에 제 1 결함을 유저에 통지하는 것이 적절한데, 그 이유는 이것이 배터리의 양 및 음의 단자 사이를 단락시키기 때문이다. 더욱이, 이 제 2 결함시, 배터리의 전압은 차량의 기계적인 질량에 직접 연결될 수 있고 이에 유저는 차량에 잠재적으로 접촉할 수 있다. 유저에 에너지 소스의 잠재적인 리스크로 인해, 배터리 및 기계적인 질량 사이를 절연시키고 이 절연을 모니터링하는 것은 특히 엄밀하여야 한다. 차량의 전도성 부분은 이 질량에 대하여 절연되어야 한다. 이 절연은 절연 물질을 사용하여 수행된다. 이 절연은 (진동, 기계적인 충격, 먼지 등으로 인해) 시간에 따라 저하될 수 있어서, 기계적인 질량을 잠재적으로 위험하게 할 수 있다.
더욱이, 전기 회로망으로부터 갈바닉적으로 절연되지 않은 충전기(charger)를 사용하는 것을 고려할 수 있다. 차량의 기계적인 질량은 충전 동안 규범적으로 접지되고 종래에 사용된 중성 영역(neutral regime)(EE 영역)이 거주지역에서 이 중성을 접지에 연결하면, 이것은 차량의 기계적인 질량을 충전 동안 배터리의 전위 중 하나에 연결하는 것에 해당된다. 이 충전 동안, 배터리의 전체 전압은, 이 전압의 절반만이 인가되고 특히 모니터링되는 명목 경우와 대조적으로, 절연물의 단자들 양단에 걸쳐 인가된다. 이 절연물은 전체 전압에 대처할 수 없어 제 2 결함을 야기하여 순간적으로 단락을 초래한다.
종래 기술에 따른 전기 차량은 일반적으로 3상 전기 모터의 전원을 위해 의도된 배터리를 구비한다. 배터리는 전기화학 축전지를 포함한다. 퓨즈를 구비하는 보호 디바이스는 배터리의 단자에 연결된다. 절연 모니터링 디바이스는 또한 배터리의 단자에 연결되고 차량의 기계적인 질량에 연결된다. 절연 모니터링 디바이스는 컴퓨터에 연결되어 검출된 절연 결함 신호를 이 컴퓨터에 전달한다. 이 컴퓨터는 탑재 회로망 배터리에 의해 전력이 공급된다. 배터리의 단자는 전압 +Vbat 및 -Vbat을 차단 시스템(cutoff system)을 통해 인버터의 DC 입력에 인가한다. 차단 시스템은 컴퓨터에 의해 제어된 전력 접촉기(power contactor)를 포함한다. 전기 모터는 인버터의 AC 출력에 연결된다. 여러 유형의 절연 모니터링은 종래 기술에 알려져 있다.
문헌 FR2671190은 특히 DC 전압 전기 회로망의 절연을 모니터링하는 디바이스를 기술한다. 이 문헌은 저주파수(4 내지 10 Hz)의 AC 성분(약 30V)을 주입하는 저항 브리지를 기술한다. 검출 회로는 절연 임피던스 및 측정 저항기를 통과하여 접지로 흐르는 전류를 측정한다. 이러한 회로의 디자인은 저항 브리지의 저항기의 정격(rating)에 손상을 수반한다.
저항 브리지는 적절한 측정 정밀도를 유지하기 위하여 상대적으로 상당한 전기 소비를 야기한다. 이 전류 소비는 예를 들어 전기 차량의 자율성을 감소시키는 것으로 인해 탑재 시스템에 있는 애플리케이션과 호환되지 않은 것으로 판명될 수 있다. 더욱이, 이러한 디바이스는 특히 높은 DC 전압을 위해 정격된 저주파수 발전기를 사용하는 것으로 인해 상대적으로 비싸다.
나아가, 검출 회로는 단자들 중 하나 및 접지 사이에 절연 결함만을 검출하고, 다른 단자 및 접지 사이에 절연 결함은 검출하지 못한다. 더욱이, 이 모니터링 디바이스는 거짓 양성(false positive)에 민감한데 그 이유는 AC 전류가 인버터에 존재하는 공통-모드 커패시터를 통과할 때 이 디바이스가 절연 결함을 검출하기 때문이다.
전기 차량(1)에 통상적으로 구현된 다른 해법에서, 절연 모니터링 디바이스는 저항 전압 분할기를 포함한다. 마이크로제어기는 전압 분할기의 중심점(midpoint) 및 기계적인 질량 사이에 연결된다. 중심점의 양측에 있는 전압 분할기의 저항기는 동일하다. 따라서, 절연 결함이 없는 경우, 마이크로제어기의 입력에서의 전압은 제로(zero)이고 절연 결함 신호는 전달되지 않는다. 배터리의 단자들 중 하나와 기계적인 질량 사이에 절연 결함이 출현하면, 전압 분할기의 중심점의 전위가 이동된다. 이후 마이크로제어기의 입력에 전압이 발생하며, 이에 의해 절연 결함 신호를 생성한다.
처리 회로는 마이크로제어기의 입력 및 중심점 사이에 연결된다. 이 처리 회로는 특히 차량의 탑재 회로망 배터리에 기초하여 생성된 전위 -Vcc 사이에 연결된 측정 저항기를 포함한다. 인버터 모드에서 제 1 연산 증폭기는 -Vcc 전위 및 +Vcc 전위를 가지는 이중 전원(double power supply)을 구비한다. 이 제 1 증폭기의 비반전 입력은 -Vcc에 연결된다. 이 제 1 증폭기의 반전 입력은 제 2 저항기 및 가산기 회로를 통해 중심점에 연결되어 Vcc/2의 반전 입력의 전위를 증가시킨다. 인버터 모드에서 제 2 연산 증폭기는 -Vcc 전위 및 +Vcc 전위를 가지는 이중 전원을 구비한다. 이 제 2 증폭기의 비반전 입력은 -Vcc에 연결된다. 이 제 2 증폭기의 반전 입력은 제 3 저항기를 통해 제 1 연산 증폭기의 출력에 연결된다. 제 2 연산 증폭기의 출력은 마이크로제어기의 입력에 연결된다.
이 해법은 상대적으로 비싸고 수많은 하드웨어 성분을 요구하는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 배터리의 여러 충전 레벨에 대해 충분한 검출 용량을 보장하기 위해, 전압 분할기에 존재하는 저항기는 50 kΩ 정도의 상대적으로 제한된 값을 구비하여야 한다. 이들 저항기는 상대적으로 상당한 DC 전기 소비를 야기하여 배터리에 의해 제공되는 자율성을 손상시킨다. 처리 회로는 또한 무시할 수 없는 전기 소비를 야기한다. 이 처리 회로는 또한 동시에 음 및 양의 전원을 요구하여, 비용 및 복잡도를 추가시킨다. 더욱이, 필요한 음 전원은 이 기능을 위해서만 사용된다. 나아가, 절연 결함을 충분한 정밀도로 정량화하는 동시에 터치 전류에 대해 유저를 보호하는 것을 보장할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 이들 단점 중 하나 이상을 해결하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라 본 발명은,
- 단자들 사이에 명목 전압 Vm을 인가하는, 일렉트로쿠션을 야기할 수 있는 DC 전압 소스;
- DC 전압 소스의 절연 결함을 검출하는 디바이스를 포함하며,
상기 검출 디바이스는,
- 전압 소스의 단자들에 연결된 제 1 및 제 2 입력 단자;
- 제 1 및 제 2 입력 단자들 사이에 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 임피던스로서, 상기 제 1 및 제 2 임피던스는 Zmin 및 Zmax 사이의 임피던스 값 Z을 각각 구비하고, Zmin= Vm/Imax 및 Zmax=1.5*Vm/Imax이고, Imax는 표준화된 안전 임계값에 의해 한정된 최대 절연 결함 전류인, 제 1 및 제 2 임피던스;
- 제 1 및 제 2 임피던스 사이에 중간점(intermediate point) 및 전기 접지 사이에 연결된 전류-검출 회로를 포함하는 것인, 전기 전원 디바이스에 관한 것이다.
전류-검출 회로는 중간점으로부터 유래하는 절연 결함 전류에 비례하는 전압을 수신하는 입력 단자를 구비하는 마이크로제어기를 포함하며, 상기 입력 단자는 제 3 임피던스를 통해 DC 전압 소스의 전압 레벨보다 적어도 10배 더 낮은 전압 레벨 Vcc을 구비하는 전원에 연결되고, 상기 입력 단자는 제 4 임피던스를 통해 전기 접지에 더 연결되고, 상기 마이크로제어기는 입력 단자에 인가된 전압의 함수로서 절연 결함의 진폭을 결정하도록 구성되고, 제 3 및 제 4 임피던스는 Ztmin 및 Ztmax 사이의 임피던스 값 Zt을 각각 구비하고, 여기서 Ztmin = Z*Vcc/ 및 Ztmax = Z * Vcc/2Vm이다.
변형예에 따라, 제 1 및 제 2 임피던스는 배터리의 단자들 중 하나가 전기 접지로 단락될 때 3.5mA 미만의 최대 전류가 횡단하도록 정격된다.
다른 변형예에 따라, 디바이스는,
- 제 1 입력 단자 및 중간점 사이에 제 1 임피던스와 직렬로 연결된 제 3 차단기;
- 제 2 입력 단자 및 중간점 사이에 제 2 임피던스와 직렬로 연결된 제 4 차단기;
- 상기 제 3 및 제 4 차단기 중 하나를 개방함과 동시에 상기 제 3 및 제 4 차단기 중 다른 하나를 폐쇄하도록 구성된 제어 회로를 포함한다.
다른 변형예에 따라, 디바이스는 제 3 임피던스와 병렬로 연결된 제 1 다이오드 및 제 4 임피던스와 병렬로 연결된 제 2 다이오드를 포함한다.
또 다른 변형예에 따라, 제 3 및 제 4 임피던스는 실질적으로 동일한 저항기이다.
변형예에 따라, 디바이스는,
- 제 3 임피던스와 병렬로 연결되고 제 3 임피던스보다 더 낮은 임피던스 값을 구비하는 제 5 임피던스;
- 제 4 임피던스와 병렬로 연결되고 제 4 임피던스보다 더 낮은 임피던스 값을 구비하는 제 6 임피던스;
- 제 5 임피던스와 직렬로 연결된 제 1 차단기;
- 제 6 임피던스와 직렬로 연결된 제 2 차단기를 포함한다.
변형예에 따라, 디바이스는 제 1 및 제 2 차단기를 일시적으로 동시에 폐쇄하도록 구성된 제어 회로를 포함한다.
다른 변형예에 따라, 제어 회로는 절연 결함의 진폭이 임계값을 초과하는지 결정하도록 구성되고 상기 임계값을 횡단하는 것으로 결정될 때 상기 제 1 및 제 2 차단기를 일시적으로 폐쇄하도록 구성된다.
다른 변형예에 따라, 마이크로제어기는 중간점의 전압에 비례하는 신호를 생성하고 생성된 신호를 상기 제어 회로에 제공한다.
추가적인 변형예에 따라, 상기 전원의 전압 레벨은 25V 미만이다.
더 다른 변형예에 따라, 제 1 및 제 2 임피던스는 100kΩ 이상의 임피던스 값을 구비한다.
추가적인 변형예에 따라, 1 및 제 2 임피던스는 실질적으로 동일한 저항기이다.
모터리제이션 시스템(motorization system)으로서,
- DC 전압 소스가 배터리인, 전술된 바와 같은 전기 전원 디바이스;
- DC 인터페이스 및 AC 인터페이스를 구비하며, 배터리의 단자는 DC 인터페이스에 연결된, 인버터;
- 인버터의 AC 인터페이스에 연결된 전기 모터를 포함하는 모터리제이션 시스템.
변형예에 따라, 배터리의 단자들 양단의 전압은 100V를 초과한다.
본 발명의 다른 특징 및 잇점은 첨부된 도면을 참조하여 전적으로 비제한적인 지시를 통해 이하 제공된 상세한 설명으로부터 명백히 드러날 것이다.
-도 1은 배터리에 의해 전력이 공급되는 전기 모터를 구비하는 예시적인 차량의 개략도;
-도 2는 절연 결함 검출 디바이스의 개략도;
-도 3 및 도 4는 2개의 모니터링 단계 동안 절연 결함 검출 디바이스의 구성을 도시하는 도면;
-도 5는 제 1 실시예의 누설 전류를 정량화(quantifying)하는 회로의 개략도;
-도 6은 제 2 실시예의 누설 전류 정량화 회로의 개략도.
본 발명은 단자들 사이에 명목 전압 Vm을 인가하는, 일렉트로쿠션을 야기할 수 있는 DC 전압 소스를 구비하는 전기 전원 디바이스를 제안한다. 절연 결함 검출 디바이스는 전압 소스의 단자들에 연결된 제 1 및 제 2 입력 단자를 포함한다. 제 1 및 제 2 임피던스는 입력 단자들 사이에 직렬로 연결된다. 전류-검출 회로는 전기 접지 및 제 1 및 제 2 임피던스들 사이 중간점 사이에 연결된다. 이들 제 1 및 제 2 임피던스는 Zmin 및 Zmax 사이의 임피던스 값 Z을 각각 구비하고, 여기서 Zmin= Vm/Imax 및 Zmax=1.5*Vm/Imax이고, Imax는 표준화된 안전 임계값으로 한정된 최대 절연 결함 전류이다. 전류-검출 회로는 중간점으로부터 유래하는 절연 결함 전류에 비례하는 전압 Vcc을 수신하는 입력 단자를 구비하는 마이크로제어기를 포함한다. 입력 단자는 2개의 임피던스의 중간점에 연결되고, 이 2개의 임피던스는 중간점을 접지에 및 전원에 각각 연결한다. 이들 2개의 임피던스는 Ztmin 및 Ztmax 사이의 임피던스 값 Zt을 각각 구비하고, 여기서 Ztmin = Z*Vcc/(4*Vm) 및 Ztmax = Z * Vcc/2Vm이다. 전원의 레벨은 DC 전압 소스의 전압 레벨보다 적어도 10배 더 낮다.
본 발명은 최소 하드웨어 성분, 제한된 비용의 하드웨어 성분 및 측정 회로의 단일 전원을 가지고 누설 전류의 측정을 수행하는 것을 가능하게 한다. 본 발명은 나아가 절연 결함 전류를 정밀하게 정량화할 수 있으면서 터치 전류로부터 사람을 보호하는 것을 보장하는 것을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 구현하는 예시적인 차량(1)을 도시한다. 차량(1)은 직렬로 연결된 전기화학 축전지(21)를 구비하는 배터리(2)를 그 자체로 알려진 방식으로 포함하는 전기 차량이다. 배터리(2)는 사용되는 축전지의 유형 및 요구되는 전압에 따라 일반적으로 40개 내지 150개의 축전지에 직렬로 연결된 다수의 축전지(21)를 포함한다. 충전된 배터리(2)의 단자들 양단의 전압은 일반적으로 400V 정도이다. 배터리(2)는 전압 +Vbat을 제 1 단자에 인가하고, 전압 -Vbat을 제 2 단자에 인가한다. 축전지(21)는 전기 전력 연결부를 통해 직렬로 연결된다. 배터리(2)의 단자들은 인버터(6)의 DC 인터페이스에 연결된다. 전기 모터(7)는 인버터(6)의 AC 인터페이스에 연결된다.
배터리(2)의 단자들 및 인버터(6)의 DC 인터페이스 사이에 연결은 보호 회로(3)를 통해 및 전력 커플링 회로(5)를 통해 수행된다. 보호 회로(3)는 그 자체로 알려진 방식으로 단락 동안 연결을 개방시키도록 구성된 퓨즈를 포함할 수 있다. 전력 커플링 회로(5)는 배터리(2)의 단자들을 인버터(6)의 DC 인터페이스에 선택적으로 연결/분리할 수 있게 하는 차단기(51 및 52)를 포함한다. 차단기(51 및 52)의 개폐는 제어 회로(8), 일반적으로 배터리(2)의 동작을 감독(supervising)하는 컴퓨터에 의해 제어된다. 어 회로(8)는 일반적으로 배터리(2)의 전압 레벨보다 더 훨씬 더 낮은 전압 레벨을 구비하는, 차량(1)의 탑재 회로망에 전력을 공급하는 배터리(91)를 통해 전력이 공급된다. 제어 회로(8)는 일반적으로 차량(1)의 금속 섀시 및 차체 외각(92)을 포함하는, 기계적인 질량(93)에 연결된다.
절연 결함(4)을 검출하는 디바이스는 배터리(2)의 단자들에 및 기계적인 질량(93)에 연결된다. 이러한 검출 디바이스(4)의 실시예는 도 2에 개략적으로 상술된다. 검출 디바이스(4)는 전압 +Vbat 및 -Vbat이 전력 연결부(95 및 96)를 통해 각각 인가되는 입력 단자(47 및 48)를 포함한다. 검출 디바이스(4)는 제 1 단자(47) 및 제 2 단자(48) 사이에 직렬로 연결된 제 1 임피던스(41) 및 제 2 임피던스(42)(이 경우에 저항기)를 포함한다. 임피던스(41 및 42)는 중간점(49)을 통해 연결되고 바람직하게 실질적으로 동일한 값이다. 제 1 차단기(43)는 단자(47) 및 중간점(49) 사이에 제 1 임피던스(41)에 직렬로 연결된다. 제 2 차단기(44)는 제 2 단자(48) 및 중간점(49) 사이에 제 2 임피던스(42)와 직렬로 연결된다. 차단기(43 및 44)는 이 경우에 MOSFET 트랜지스터이다. 다른 유형의 제어된 차단기들이 물론 사용될 수 있다. 제어 회로(8)는 차단기(43 및 44)의 개폐를 각각 제어한다. 검출 디바이스(4)는 나아가 기계적인 질량(93)과 연결을 포함한다. 검출 디바이스(4)는 중간점(49) 및 기계적인 질량(93) 사이에 연결된 절연 결함 전류 검출 회로(45)를 포함한다. 검출 회로(45)는 제 1 또는 제 2 임피던스 중 하나와 직렬로 차단기가 폐쇄될 때 제 1 또는 제 2 임피던스를 통과할 수 있는 절연 결함 전류를 수신하도록 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리(2)의 +Vbat 단자 및 기계적인 질량(93) 사이에 절연을 테스트하기 위하여, 제어 회로(8)는 차단기(43)를 개방하고 차단기(44)를 폐쇄한다. 그러나, 또한 차단기(43 및 44)를 동시에 폐쇄하는 것에 의해 배터리(2)의 단자들 및 기계적인 질량(93) 사이에 절연성을 테스트하는 것을 고려할 수 있다. 전류-검출 회로(45)는 -Vbat 단자 및 기계적인 질량(93) 사이에 임피던스(42)와 직렬로 연결된다. +Vbat 측에서 절연 결함이 있는 경우에, +Vbat 단자 및 접지(93) 사이에 절연 결함을 통해 회로가 형성되며 이때 전류는 검출 회로(45)를 통과한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(2)의 -Vbat 단자 및 기계적인 질량(93) 사이에 절연을 테스트하기 위하여, 제어 회로(8)는 차단기(44)를 개방하고 차단기(43)를 폐쇄한다. 전류-검출 회로(45)는 +Vbat 단자 및 기계적인 질량(93) 사이에 임피던스(41)와 직렬로 연결된다. -Vbat 측에 절연 결함이 있는 경우에, -Vbat 단자 및 접지(93) 사이에 절연 결함을 통해 회로가 형성되며 이때 전류는 검출 회로(45)를 통과한다.
차단기(43 및 44)를 사용하는 것에 의해, 검출 디바이스(4)의 전기 소비는 특히 제한될 수 있고, 차단기(43 및 44)를 폐쇄한 경우의 튜티비(duty ratio)는 특히 제한될 수 있다. 검출 디바이스(4)는 배터리(2)의 자율성에 단지 조금만 영향을 미친다. 예를 들어 차량(1)의 동작 동안 2초 내지 30초 사이에 시간 간격(예를 들어, 매 10초)으로 각 차단기(43 및 44)를 폐쇄하는 것을 고려할 수 있다. 트랜지스터(43 및 44)의 스위칭 속도는 차량(1)의 전기 회로에 전자기 교란의 생성을 제한할 만큼 충분히 제한될 수 있다. 차단기(43 및 44)를 폐쇄한 경우의 매우 제한된 튜티비에서, 임피던스(41 및 42)에 상대적으로 제한된 값을 사용하여, 배터리(2)의 자율성을 상당히 손상시킴이 없이 검출 디바이스(4)의 감도를 증가시킬 수 있다. 기계적인 질량(93)이 유저(예를 들어 차량(1)의 차체 외각)에 액세스가능할 때, 제 1 절연 결함이 출현시 기계적인 질량을 통과하는 최대 전류는 표준화된 안전 임계값으로 한정된 최대 절연 결함 전류 Imax 미만이어야 한다. 절연 결함 전류는 예를 들어 3.5 mA(특히, 문헌 NF EN61851-21(8페이지. 챕터 8.2)에 상술된 Imax의 값) 미만으로 한정될 수 있다. 이를 위해 임피던스(41 및 42)는 적어도 Zmin인 임피던스 값을 각각 구비하고, 여기서 Zmin=Vm/Imax이고 Vm은 단자(47 및 48)들 사이에 배터리(2)에 의해 인가되는 명목 전압이다. 일반적으로, 100kΩ을 초과하는 저항 값을 구비하는 저항기(41 및 42)가 사용될 수 있다. 저항기(41 및 42)는 또한 회로망으로부터 유래하는 과전압으로부터 보호 요소로 사용되어 배터리(2)의 충전을 보장하는 비절연된 외부 충전기의 사용에 대하여 트랜지스터(43 및 44)를 보호할 수 있다. 저항기(41 및 42)는 또한 검출 회로(45)를 통한 전류의 진폭의 감쇠를 보장한다.
충분히 낮은 절연 결함 검출 임계값을 유지하기 위하여, 임피던스(41 및 42)는 기껏해야 Zmax인 임피던스 값 Z을 각각 구비하며, 여기서 Zmax=1.5*Vm/Imax이다.
유리하게는, 저항기(41 및 42)는 직렬로 연결된 수 개의 저항기로 형성되어, 직렬로 연결된 저항기 중 하나가 단락되면, 직렬로 연결된 나머지 저항기가 단락에 대비하여 검출 디바이스(4)를 보호하게 한다.
유리하게는, 저항기(41 및 42)는 개방-회로 고장 모드(open-circuit failure mode)를 구비하며, 예를 들어 코일 저항기 형태로 구현된다. 저항기(41 또는 42) 중 하나가 고장날 때, 검출 디바이스(4)는 모든 것에 상관없이 단락으로부터 보호된다.
도 5는 절연 결함 전류의 진폭을 결정하여, 시간에 따라 전개(evolution)를 분석할 수 있게 하는 검출 회로(45)의 제 1 실시예를 도시한다. 검출 회로(45)는 마이크로제어기(453)를 포함한다. 마이크로제어기(453)는 입력(491)에 및 기계적인 질량(93)에 연결되고, 전위 Vcc에 의해 전력이 공급된다. 전압 Vcc은 배터리(91)로부터 유도될 수 있다. 이 전압은 예를 들어 3.3 V일 수 있고, 이것은 전자 회로에 대한 매우 일반적인 전원 레벨에 대응한다. 저항기(456)는 Vcc 및 입력(491) 사이에 연결된다. 다이오드(454)는 유리하게는 저항기(456)와 병렬로 연결된다. 저항기(457)는 Vcc 및 입력(491) 사이에 연결된다. 다이오드(455)는 유리하게는 저항기(457)와 병렬로 연결된다. 직렬로 연결된 저항기(456 및 457)의 단자들에 인가된 전위차 Vcc는 DC 소스의 전압 레벨(배터리(2)의 명목 전압 레벨)보다 적어도 10배 더 낮아서, 접지(93)와 접촉하는 유저의 안전을 보장하는 동시에, 저전압 하드웨어 성분을 가지는 회로(45)를 제조할 수 있게 한다.
저항기(456 및 457)는 동일한 값이다. 절연 결함 전류가 없으면, 입력(491)에서 전압은 값 Vcc/2에 있다.
절연 결함 전류는, 그 방향에 상관없이, 입력(491)에 있는 전압을 변경한다. 단자(47)에 절연 결함이 있는 경우에, 마이크로제어기(453)의 입력(491)에서 판독된 전압은 Vcc/2에 비해 증가되고, R/2*Idef (여기서 R은 저항기(456 또는 457)의 값이고 Idef은 중간점(49)으로부터 유래하는 결함 전류이다)의 값에 도달할 수 있는 진폭을 구비한다. 단자(48)에서 절연 결함이 있는 경우에, 마이크로제어기(453)의 입력(491)에서 판독된 전압은 Vcc/2에 비해 제한되고, R/2*Idef의 값에 도달할 수 있는 진폭을 구비한다.
입력(491)에서 판독된 전압 값의 함수로서, 마이크로제어기(453)는 절연 결함의 진폭을 정밀하게 결정할 수 있다. 이 결과는 반대 전위를 구비하는 전원을 사용할 것을 요구하지 않는 특히 간단한 회로에 의하여 획득된다. 입력(491)에서 판독된 전압 값은 제어 회로(8)에 제공될 수 있다. 마이크로제어기(453)는 예를 들어 입력(491)에서의 전압에 비례하는 진폭의 신호를 생성하고 이 신호를 제어 회로(8)에 제공할 수 있다.
유리하게는, 전압 Vcc은 저항기(456)를 통해 입력(491)에 연결되고 마이크로제어기(453)를 위한 공급 전압으로 인가된다. 단일 전원이 이에 따라 필요하고 배터리(91)의 전압으로부터 용이하게 유도될 수 있다. 탑재 회로망 배터리는 일반적으로 개인 차량에 대해 14V 미만의 명목 전압 버스 또는 트럭에 대해 25V 미만의 명목 전압을 구비한다.
다이오드(454 및 455)는 유리하게는 특히 비절연된 충전기를 사용할 때 전기 회로망으로부터 유래하는 과전압으로부터 마이크로제어기(453)를 보호할 수 있게 한다. 사실, 상당한 전압이 공통 모드 또는 차동 모드에서 배터리(2)의 단자 양단에 나타나면, 이 전압은 저항기(456 또는 457)에 상당한 전류가 흐르게 하여, 입력(491)에서 과전압의 리스크를 초래한다. 다이오드(454 및 455)는 따라서 값 -Vd 및 Vcc+Vd(Vd는 다이오드(456 및 457)의 임계값 전압이다) 사이로 입력(491)에서의 전압을 제한할 수 있게 한다. 다이오드(454 및 455)는 또한 우수한 측정 감도 및 제한된 전기 소비를 모두 획득할 수 있게 한다. 낮은 진폭의 저항기(456 및 457)를 가지고, 다이오드(454 및 455)는 상당한 절연 결함 전류를 클립(clip)하거나, 또는 더 약한 전류에 대해 우수한 감도를 획득할 수 있게 한다.
실제로, 접지(93)는 중간점(49)의 전위에 있지 않고, Vcc/2의 값만큼 이동된 전위에 있다. Vcc(일반적으로 25V 미만)의 값을 고려하면, 접지(93) 전위가 이동되어도 동작 문제도 안전 문제도 전혀 야기하지 않는다.
도 6은 누설 전류의 진폭의 함수로서 감도를 변경할 수 있게 하는 검출 회로(45)의 제 2 실시예를 도시한다. 이 실시예의 검출 회로는 도 5의 것과 실질적으로 동일하고, 저항기(456 및 457)와 병렬로 연결된 스위칭가능한 저항기의 존재를 통하는 것만 다르다.
회로(45)는 따라서 저항기(461) 및 이 저항기(456)와 병렬로 연결된 차단기(463), 저항기(465) 및 이 저항기(456)와 병렬로 연결된 차단기(467), 저항기(462) 및 이 저항기(457)와 병렬로 연결된 차단기(464), 저항기(466) 및 이 저항기(457)와 병렬로 연결된 차단기(468)를 포함한다.
저항기(461)의 진폭은 저항기(456)의 진폭 미만이다. 마찬가지로, 저항기(465)의 진폭은 저항기(461)의 진폭 미만이다. 저항기(462)의 진폭은 저항기(457)의 진폭 미만이다. 마찬가지로, 저항기(466)의 진폭은 저항기(462)의 진폭 미만이다.
마이크로제어기(453)에 의해 절연 결함 전류가 검출되지 않으면, 제어 회로(8)는 차단기(463, 464, 467 및 468)를 개방한 채 유지한다. 마이크로제어기(453) 또는 제어 회로(8)는 입력(491)에서 측정된 전압이 제 1 미리 결정된 임계값을 넘어 이동될 때 절연 결함의 존재를 결정한다. 이 제 1 시프트 임계값이 횡단되면, 제어 회로(8)는 마이크로제어기(453)의 측정 감도를 증가시키기 위하여 차단기(463 및 464)를 폐쇄한다. 차단기(463 및 464)의 폐쇄는 전기 소비를 제한하기 위하여 일시적이고 동시에 수행된다. 입력(491)에서 측정된 전압이 제 2 미리 결정된 임계값을 넘어 이동되면, 제어 회로(8)는 마이크로제어기(453)의 측정 감도를 더 증가시키기 위하여 차단기(467 및 468)를 폐쇄한다. 차단기(467 및 468)의 폐쇄는 전기 소비를 제한하기 위하여 일시적이고 동시에 수행된다.
접지(93) 및 배터리(2)의 단자들 중 하나 사이에 단락이 있는 경우에 입력(491)에서 전압을 접지 전압 및 Vcc 사이에 유지하기 위하여, 임피던스(456 및 457)는 기껏해야 Ztmax의 임피던스를 각각 구비하며, 여기서 Ztmax = Z * Vcc/2Vm이다. 절연 결함을 정량화하는 정밀도를 최적으로 보장할 만큼의 전압을 입력(491)에서 유지하기 위하여, 임피던스(456 및 457)는 적어도 Ztmin의 임피던스를 각각 구비하며, 여기서 Ztmin = Z * Vcc/4Vm이다.
AC 전기 시설에서, 공통 중성 영역은,
- EE 영역: 시설의 중성은 발전기측에서 접지되고 금속 질량은 접지된다;
- EN 영역: 시설의 중성은 발전기측에서 접지되고 금속 질량은 중성에 연결된다;
- IE 영역: 시설의 중성은 접지로부터 절연되거나 또는 발전기측에서 고 임피던스에 의해 연결되고 금속 질량은 접지 아울릿에 연결된다.
중성 영역은 이에 따라 한편으로 중성이 연결되는 방식, 및 다른 한편으로 질량이 유저측에 연결되는 방식을 한정한다. 접지 레이아웃의 목적은 절연 결함을 감독하는 것에 의해 사람과 하드웨어를 보호하는 것이다.
배터리(2)를 위한 접지 레이아웃은 전기 회로망의 IE 중성 영역, 즉 접지에 대하여 절연된 중성으로 고려될 수 있고 접지에 연결된 기계적인 질량으로 고려될 수 있다(운전 동안 기계적인 질량이 타이어를 통해 접지로부터 절연된 것을 제외하고는). 이 접지 레이아웃은 제 1 절연 결함의 출현시 차량의 서비스 연속성을 보장할 수 있게 한다. 유저는 이에 따라 차량을 계속 제어하여 우수한 안전 조건 하에서 차량을 정지시킬 수 있다.
전기 회로망에 의해 배터리(2)의 충전을 보장하기 위하여, 회로망에 연결된 AC 절연된 충전기가 일반적으로 연결된다. 이 경우에 IE 영역이 유지된다. 다른 한편으로, 갈바닉적으로 절연된 충전기는 비절연된 충전기보다 더 비싸다. 비절연된 충전기에서 EE 영역이 충전 동안 획득하고, 이것은 전기 회로망의 양의 교류(positive alternations) 동안 배터리(2)의 전위 -Vbat에 접지를 연결하는 것에 해당한다. 전류는 이후 이들 교류 동안 접지를 통해 이동한다.

Claims (14)

  1. - 단자들 사이에 명목 전압 Vm을 인가하는, 일렉트로쿠션(2)을 야기할 수 있는 DC 전압 소스;
    - 상기 DC 전압 소스(2)의 절연 결함을 검출하는 디바이스(4)를 포함하며,
    상기 검출 디바이스(4)는,
    - 상기 전압 소스의 상기 단자들에 연결된 제 1 및 제 2 입력 단자(47, 48);
    - 상기 제 1 및 제 2 입력 단자(47, 48)들 사이에 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 임피던스(41, 42)로서, 상기 제 1 및 제 2 임피던스는 각각 Zmin 및 Zmax 사이의 임피던스 값 Z를 나타내고, 여기서 Zmin= Vm/Imax 및 Zmax=1.5*Vm/Imax이고, Imax는 표준화된 안전 임계값으로 한정된 최대 절연 결함 전류인, 제 1 및 제 2 임피던스(41, 42);
    - 전기 접지 사이에 연결된 전류-검출 회로(45) 및 상기 제 1 및 제 2 임피던스 사이의 중간점(49)을 포함하는 전기 전원 디바이스에 있어서,
    상기 전류-검출 회로(45)는 상기 중간점(49)으로부터 유래하는 상기 절연 결함 전류에 비례하는 전압을 수신하는 입력 단자를 구비하는 마이크로제어기(453)를 포함하며, 상기 입력 단자는 제 3 임피던스(456)를 통해 상기 DC 전압 소스의 전압 레벨보다 적어도 10배 더 낮은 전압 레벨 Vcc을 가지는 전원에 연결되고, 상기 입력 단자는 제 4 임피던스(457)를 통해 상기 전기 접지(93)에 더 연결되고, 상기 마이크로제어기(453)는 입력 단자에 인가된 전압의 함수로서 절연 결함의 진폭을 결정하도록 구성되고, 상기 제 3 및 제 4 임피던스는 각각 Ztmin 및 Ztmax 사이의 임피던스 값 Zt을 나타내며, 여기서 Ztmin = Z*Vcc/(4*Vm) 및 Ztmax =Z*Vcc/2Vm인 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 임피던스는, 상기 배터리의 상기 단자들 중 하나가 상기 전기 접지(93)로 단락될 때, 3.5mA 미만의 최대 전류가 횡단하도록 정격(rated)되는 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 제 1 입력 단자 및 상기 중간점 사이에 상기 제 1 임피던스와 직렬로 연결된 제 3 차단기(43);
    - 상기 제 2 입력 단자 및 상기 중간점 사이에 상기 제 2 임피던스와 직렬로 연결된 제 4 차단기(44);
    - 상기 제 3 및 제 4 차단기 중 하나를 개방함과 동시에 상기 제 3 및 제 4 차단기 중 다른 하나를 폐쇄하도록 구성된 제어 회로(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 임피던스와 병렬로 연결된 제 1 다이오드(454) 및 상기 제 4 임피던스와 병렬로 연결된 제 2 다이오드(455)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 및 제 4 임피던스(456, 457)는 실질적으로 동일한 저항기인 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제 3 임피던스와 병렬로 연결되고 상기 제 3 임피던스보다 더 낮은 임피던스 값을 나타내는 제 5 임피던스(461);
    - 상기 제 4 임피던스와 병렬로 연결되고 상기 제 4 임피던스보다 더 낮은 임피던스 값을 나타내는 제 6 임피던스(462);
    - 상기 제 5 임피던스와 직렬로 연결된 제 1 차단기(463);
    - 상기 제 6 임피던스와 직렬로 연결된 제 2 차단기(464)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 차단기(463, 464)를 일시적으로 동시에 폐쇄하도록 구성된 제어 회로(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 회로(8)는 상기 절연 결함의 진폭이 임계값을 초과하는지를 결정하도록 구성되고 상기 임계값을 횡단하는 것으로 측정될 때 상기 제 1 및 제 2 차단기를 일시적으로 폐쇄하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 마이크로제어기(453)는 상기 중간점(49)의 전압에 비례하는 신호를 생성하고 생성된 신호를 상기 제어 회로에 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원의 전압 레벨은 25V 미만인 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 임피던스(454, 455)는 100 kΩ 이상의 임피던스 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 임피던스는 실질적으로 동일한 저항기인 것을 특징으로 하는 전기 전원 디바이스.
  13. - DC 전압 소스가 배터리인, 상기 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전기 전원 디바이스;
    - DC 인터페이스 및 AC 인터페이스를 구비하며, 상기 배터리의 단자들이 상기 DC 인터페이스에 연결된, 인버터(6); 및
    - 상기 인버터(6)의 AC 인터페이스에 연결된 전기 모터(7);를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터라이제이션 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리(2)의 단자들 양단의 전압은 100V를 초과하는 것을 특징으로 하는 모터라이제이션 시스템.
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