TWI802331B - 一種絕緣電阻偵測裝置及其偵測方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種絕緣電阻偵測裝置及其偵測方法，係包括一電阻分壓器及一微控制器，其中，該微控制器控制該電阻分壓器之複數開關進行作動，以獲得一供電模組施加於該電阻分壓器之複數量測電壓，俾由該微控制器依據該複數量測電壓分別運算出該供電模組之總電壓、第一待測電壓及第二待測電壓，藉此對該供電模組進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測，再由該微控制器運算出該供電模組中的待測絕緣電阻之電阻值。是以，本發明藉由平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測，以準確地計算出該供電模組中的待測絕緣電阻之電阻值，以確保該供電模組的絕緣狀態是否正常。

Description

一種絕緣電阻偵測裝置及其偵測方法

本發明關於一種絕緣電阻偵測技術，尤指一種用於電池模組之絕緣電阻偵測裝置及其偵測方法。

由於近年來電動載具的發展突飛猛進，針對電動載具及電池儲能系統的應用，越來越多的設計將電池額定電壓上升，以助於提升電動車的動力性能表現及電池儲能系統能量密度的提升。

再者，在相對高的功率輸出時，高電壓也可提供較有效率的能量傳遞，避免系統大電流導通過程中發生過熱造成安全疑慮，然而電壓的提升也會威脅到操作人員的安全性，並且當設備絕緣異常時高壓也會對產品本身產生危害，例如：當產品自然老化過程中或是因為外力，非正常的使用使得系統絕緣特性受到破壞，那麼操作人員在使用電動車或是電池儲能系統的操作維護過程中將提高發生電擊的危險，絕緣破壞也會造成局部放電發生引燃火災等工安事件。

雖，習知的絕緣電阻偵測電路係利用已知的電阻變化，並經由迴路方程式的推導可以換算得到絕緣電阻值，且比對絕緣電阻值和一預設安全設定值閥值，若小於安全設定值閥值系統將提出預警或停止運行之機制。然而，前述習知技術必須利用差動電壓量測電路及多組類比數位轉換單元(Analog to Digital Conversion Unit)才能達成，除了電路較為複雜外其可靠度亦受到考驗。

此外，習知的絕緣電阻檢測方式在第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻差異較大時，其量測電壓誤差亦較大，甚至量測電壓超過數位類比轉換單元可以量測的範圍，據此換算出的絕緣電阻值也將無法精確得知，甚至發生誤判的狀況。

因此，如何提供一種可準確偵測絕緣電阻的裝置及其偵測方法，能有效地提供精密偵測及計算，避免上述狀況發生，並確保操作人員及系統運作安全，遂成為業界亟待解決的課題。

為解決前述習知的技術問題或提供相關之功效，本發明提供一種絕緣電阻偵測裝置，係偵測一供電模組之第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻之電阻值，且包括：一電阻分壓器，係電氣連接該供電模組，且包括一第一電阻器、一量測電阻器、一第四電阻器、一第一開關、一第二開關及一第三開關，其中，該第一電阻器及該第四電阻器相互連接、該量測電阻器連接於該第一電阻器及該第四電阻器之共同連接點及該供電模組之負電壓端之間、該第一開關連接於該供電模組之正電壓端與該第一電 阻器之間、該第二開關連接於該第四電阻器之一端及一保護接地端(或稱系統保護大地)之間、及該第三開關連接於該第一電阻器及該第四電阻器之共同連接點及該保護接地端(或稱系統保護大地)之間；以及一微控制器，係電氣連接該電阻分壓器，且控制該第一開關、該第二開關及該第三開關進行作動，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓，俾分別運算出該供電模組之總電壓、該第一待測絕緣電阻之第一待測電壓及該第二待測絕緣電阻之第二待測電壓，其中，該微控制器判斷該第一待測電壓與該第二待測電壓之間的電壓差與該總電壓之比例是否小於一比較標準值，以對該供電模組進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測，再由該微控制器運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。

本發明亦提供一種絕緣電阻偵測方法，係包括：由一微控制器控制一電阻分壓器之第一開關、第二開關及第三開關進行作動，以獲得該電阻分壓器中之量測電阻器之複數量測電壓，俾供偵測一供電模組之第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻之電阻值；由該微控制器依據該量測電阻器之複數量測電壓以分別運算出該供電模組之總電壓、該第一待測絕緣電阻之第一待測電壓及該第二待測絕緣電阻之第二待測電壓；由該微控制器判斷該第一待測電壓與該第二待測電壓之間的電壓差與該總電壓之比例是否小於一比較標準值，以對該供電模組進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測；以及經該平衡絕緣電阻偵測或該不平衡絕緣電阻偵測後，由該微控制器運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。

於一實施例中，該量測電阻器係包含一第二電阻器及一第三電阻器，且該第二電阻器連接於該第一電阻器與該第三電阻器之間，而該第三電阻器連接於該第二電阻器與該供電模組之負電壓端之間，且其中，由該微控制器控制該第一開關、該第二開關及該第三開關進行作動後，獲得該量測電阻器之第三電阻器上的該複數量測電壓。

於一實施例中，當進行該供電模組之總電壓的運算時，由該微控制器將該第一開關導通，且將該第二開關與該第三開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出該總電壓。

於一實施例中，當進行該第一待測絕緣電阻之第一待測電壓的運算時，由該微控制器將該第一開關及該第三開關導通，且將該第二開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出該第一待測電壓，且將該總電壓減掉該第一待測電壓，以運算出該第二待測電壓。

於一實施例中，當對該供電模組進行該平衡絕緣電阻偵測時，由該微控制器將該第一開關及該第二開關斷路，且將該第三開關導通，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第三待測電壓，且將該總電壓減掉該第三待測電壓，以運算出一第四待測電壓，俾由該微控制器依據該第一待測電壓、該第二待測電壓、該第三待測電壓及該第四待測電壓運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。

於一實施例中，當對該供電模組進行該不平衡絕緣電阻偵測時，由該微控制器將該第一開關及該第二開關導通，且將該第三開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第五待測電壓，且將該總電壓減掉該第五待測電壓，以運算出一第六待測電壓。

於一實施例中，由該微控制器將該第一開關及該第三開關斷路，且將該第二開關導通，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第七待測電壓，且將該總電壓減掉該第七待測電壓，以運算出一第八待測電壓，俾由該微控制器依據該第五待測電壓、該第六待測電壓、該第七待測電壓及該第八待測電壓運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。

於一實施例中，更包括一隔離放大器，係電氣連接至該第三電阻器之兩端，且由該微控制器控制該隔離放大器，以獲得該第三電阻器之複數量測電壓。

於一實施例中，該微控制器包含一控制運算單元、一通用型輸入輸出及一類比數位轉換器，且該控制運算單元利用該通用型輸入輸出電氣連接該第一開關、該第二開關及該第三開關，以控制該第一開關、該第二開關及該第三開關作動，而該類比數位轉換器電氣連接該隔離放大器，以獲得該第三電阻器之複數量測電壓。

本發明之絕緣電阻偵測裝置及其方法，主要透過微控制器判斷供電模組之第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻上之待測電壓是否平衡，以進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測，且利用在電阻分壓 器上的第四電阻器之設計，以於兩個待測絕緣電阻之間差異較大時進行不平衡絕緣電阻偵測，藉此準確地計算出第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻之電阻值。

1:絕緣電阻偵測裝置

10:微控制器

11:控制運算單元

12:通用型輸入輸出

13:類比數位轉換器

20:電阻分壓器

30:隔離放大器

8:供電模組

PE:保護接地端

R_a:第一電阻器

R_b:第二電阻器

R_c:第三電阻器

R_d:第四電阻器

R_n:第一待測絕緣電阻

R_p:第二待測絕緣電阻

R_a’:第一等效電阻器

R_b’:第二等效電阻器

R_d’:第三等效電阻器

SW1:第一開關

SW2:第二開關

SW3:第三開關

V_o:量測電壓

V_o1:第一量測電壓

V_o2:第二量測電壓

V_o3:第三量測電壓

V_o4:第四量測電壓

V_o5:第五量測電壓

V_n,V_p:待測電壓

V_n1:第一待測電壓

V_p2:第二待測電壓

V_n3:第三待測電壓

V_p4:第四待測電壓

V_n5:第五待測電壓

V_p6:第六待測電壓

V_n7:第七待測電壓

V_p8:第八待測電壓

V_stack:總電壓

Stack+:正電壓端

Stack-:負電壓端

201:第一等效電路

202:第二等效電路

203:第三等效電路

204:第四等效電路

204a:子等效電路

204:第五等效電路

S11至S14:步驟

S21至S23:步驟

S31至S35:步驟

圖1係為本發明之絕緣電阻偵測裝置之架構示意圖。

圖2係為本發明之電阻分壓器及供電模組之電路示意圖。

圖3係為本發明之絕緣電阻偵測裝置之量測總電壓之電路示意圖。

圖4係為本發明之絕緣電阻偵測裝置之量測第一量測電壓之電路示意圖。

圖5為本發明之絕緣電阻偵測裝置之平衡絕緣電阻偵測之電路示意圖。

圖6為本發明之絕緣電阻偵測裝置之不平衡絕緣電阻偵測之電路示意圖。

圖7為本發明之絕緣電阻偵測裝置之不平衡絕緣電阻偵測之另一電路示意圖。

圖8為本發明之絕緣電阻偵測方法之流程示意圖。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「一」、「第一」及「第二」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當視為本發明可實施之範疇。

圖1係為本發明之絕緣電阻偵測裝置1之架構示意圖。如圖1所示，該絕緣電阻偵測裝置1係包括：一微控制器(micro controller)10、一電阻分壓器(resistive divider)20及隔離放大器(isolation amplifier)30，以偵測一供電模組8之第一待測絕緣電阻R_n及第二待測絕緣電阻R_p之電阻值，其中，該微控制器10包含一如處理器之控制運算單元(control arithmetic unit)11、一通用型輸入輸出(general-purpose input/output,GPIO)12及一類比數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC)13，以及該電阻分壓器20包含第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3、一第一電阻器R_a、一量測電阻器(包含第二電阻器R_b及第三電阻器R_c)及一第四電阻器R_d。

於本實施例中，該微控制器10之控制運算單元11藉由通用型輸入輸出12電氣連接該電阻分壓器20之第一開關SW1、第二開關SW2及第三開關SW3，以由該控制運算單元11控制第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3進行導通或斷路之作動。再者，該微控制器10之控制運算單元11藉由類比數位轉換器13電氣連接該隔離放大器30，而該隔離放大器30電氣連接該量測電阻器中之第三電阻器R_c之兩端，以獲得由該控制運算單元11控制第一開關SW1、第二開關SW2及第三開關SW3進行作動後，於該量測電阻器中之第三電阻器R_c所產生之複數量測電壓。此外，該供電模組8係為電池模組裝置或其它帶電裝置。

在一實施例中，該微控制器10之控制運算單元11依據該複數量測電壓分別運算出該供電模組8之總電壓、該第一待測絕緣電阻R_n之第一待測電壓及該第二待測絕緣電阻R_p之第二待測電壓，且該微控制器10判斷該第一待測電壓與該第二待測電壓之間的電壓差與該總電壓之比例是否小於或等於一比較標準值，以對該供電模組8進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測，再由該控制運算單元11運算出該第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p之電阻值。

在一實施例中，該隔離放大器30係將該第三電阻器R_c上之高壓量測端及低壓訊號端做電氣隔離，避免造成人員安全或量測迴路損壞，且避免雜訊干擾，而影響量測結果。再者，該隔離放大器30輸出正比於該第三電阻器R_c上之量測電壓V_o，故該微控制器10藉由該隔離放大器30輸出連接至該類比數位轉換器13以得到該第三電阻器R_c上之量測電壓V_o。

圖2係為本發明之電阻分壓器20及供電模組8之電路示意圖。如圖2所示，第二待測絕緣電阻R_p係為在該供電模組8之正電壓端Stack+與保護接地端PE之間的該供電模組8之等效絕緣電阻，而第一待測絕緣電阻R_n係為在該供電模組8之負電壓端Stack-與保護接地端PE之間的該供電模組8之等效絕緣電阻，其中，該保護接地端PE(或稱系統保護大地)可設置於絕緣電阻量測裝置1之機殼(Chassis)，且於此不限。

再者，該量測電阻器連接於該第一電阻器R_a及該第四電阻器R_d之共同連接點及該供電模組8之負電壓端Stack-之間，該第一開關SW1連接於該供電模組8之正電壓端Stack+與該第一電阻器R_a之間，該第二開關SW2連接於該第四電阻器R_d之一端及一保護接地端PE之間、及該第三開關SW3連接於該第一電阻器R_a及該第四電阻器R_d之共同連接點以及該保護接地端PE之間，以使該第三開關SW3與相互串連之該第二開關SW2與該第四電阻器R_d進行並聯連接，其中，該量測電阻器包含該第二電阻器R_b及該第三電阻器R_c，且該第二電阻器R_b連接於該第一電阻器R_a與該第三電阻器R_c之間，而該第三電阻器R_c連接於該第二電阻器R_b與該供電模組8之負電壓端Stack-之間。

於本實施例中，藉由已知該第一電阻器R_a、該量測電阻器(包含該第二電阻器R_b及該第三電阻器R_c)以及該第四電阻器R_d，且配合第一開關SW1、第二開關SW2及第三開關SW3之開關作動，以進行複數量測電壓V_o之電壓值量測，並經過該微控制器10之控制運算單元11適當地運算可得到該第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p之電阻值，其中，該第一電阻器R_a、該第二電阻器R_b、該第三電阻器R_c及該第四電阻 器R_d皆可由複數電阻器所組成之，以令該第一電阻器R_a、該第二電阻器R_b、該第三電阻器R_c及該第四電阻器R_d能承受較高電壓，進而避免電阻器之跨壓超過其額定電壓，且開關動作、控制方式、量測電壓V_o及待測絕緣電阻R_n,R_p之間的迴路關係詳細說明如下。

下列係為本發明之總電壓量測及電阻平衡判斷之第一實施例，且一併參閱圖1說明之。

圖3係為本發明之絕緣電阻偵測裝置之量測總電壓之電路示意圖。請同時配合參閱圖1，該微控制器10之控制運算單元11將該第一開關SW1導通，該第二開關SW2及該第三開關SW3斷路，以形成一第一等效電路201，俾使該第一電阻器R_a、該第二電阻器R_b及該第三電阻器R_c形成分壓迴路，且該微控制器10藉由該隔離放大器30量測該量測電阻器之第三電阻器R_c上之第一量測電壓V_o1，再透過迴路上之第一電阻器R_a、第二電阻器R_b及第三電阻器R_c的分壓推導出迴路方程式(1)，並由該微控制器10依據迴路方程式(1)及該第一量測電壓V_o1運算出一總電壓V_stack，其中，迴路方程式(1)如下所示：

換言之，藉由量測該第一量測電壓V_o1，且透過已知設定參數K₁可換算得到該總電壓V_stack之電壓值，其中，K₁係為(R _a +R _b +R _c )/R _c 。

圖4係為本發明之絕緣電阻偵測裝置之量測第二量測電壓之電路示意圖。請同時配合參閱圖1，該微控制器10之控制運算單元11將 該第一開關SW1及第三開關SW3導通，該第二開關SW2斷路，以形成一第二等效電路202。此時，該第四電阻器R_d因該第二開關SW2斷路而不連接在迴路上，而該第一電阻器R_a及該第二電阻器R_b之共接點藉由該第三開關SW3的導通而連接到該保護接地端PE。

是以，由圖4之該第二等效電路202可知，該第二待測絕緣電阻R_p將與該第一電阻器R_a並聯後連接於該供電模組8之正電壓端Stack+與該保護接地端PE之間，而該第一待測絕緣電阻R_n與相互串聯之該第二電阻器R_b及該第三電阻器R_c形成並聯迴路，且連接於該保護接地端PE與該供電模組8之負電壓端Stack-之間。之後，由該微控制器10藉由該隔離放大器30量測該量測電阻器之第三電阻器R_c上之第二量測電壓V_o2，且透過迴路上之第二電阻器R_b及第三電阻器R_c的分壓推導出迴路方程式(2)，並由該微控制器10依據迴路方程式(2)及該第二量測電壓V_o2運算出一第一待測電壓V_n1，其中，迴路方程式(2)如下所示：

換言之，藉由量測該第二量測電壓V_o2，且透過已知設定參數K₂可換算得到該第一待測電壓V_n1之電壓值，其中，K₂係為(R _b +R _c )/R _c 。

在第一實施例中，該微控制器10進行一第二待測電壓V_p2的量測，亦即該微控制器10之控制運算單元11依據該總電壓V_stack及該第一待測電壓V_n1利用一迴路方程式(3)運算出該供電模組8之正電壓端 Stack+對該保護接地端PE之間的第二待測電壓V_p2，如下該迴路方程式(3)所示：

V _p2=V _stack -V _n1 (3)

再者，藉由該第二等效電路202之迴路電路，且利用克希荷夫電流定律(Kirchhoff's current laws)得到一迴路方程式(4)，該迴路方程式(4)如下所示：

是以，當該總電壓V_stack固定時，該第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p上之第一待測電壓V_n1及第二待測電壓V_p2將成正比例，因而可藉由該微控制器10依據該第一待測電壓V_n1及該第二待測電壓V_p2之間的電壓差與該總電壓V_stack之比例，判斷該第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p是否電阻平衡，如下一平衡判斷公式(5)所示：

其中，依據不同的產品應用可設定不同的比較標準值Kth，且該比較標準值Kth約為10~20%，以符合一般產品的應用。具體而言，當該第一待測電壓V_n1與該第二待測電壓V_p2之間的電壓差與該總電壓V_stack之比例小於該比較標準值Kth時，該微控制器10對該供電模組8進行平衡絕緣電阻偵測(如下述之第二實施例)；反之，當該第一待測電壓V_n1與該第二待測電壓V_p2之間的電壓差與該總電壓V_stack之比例大於或等於該比較標準值Kth時，該微控制器10對該供電模組8進行不平衡絕緣電阻偵測(如下述之第三實施例)。

下列係為本發明之第二實施例之平衡絕緣電阻偵測，且一併參閱圖1說明之。

圖5為本發明之絕緣電阻偵測裝置之平衡絕緣電阻偵測之電路示意圖。請同時配合參閱圖1，該微控制器10之控制運算單元11將該第一開關SW1及該第二開關SW2斷路，該第三開關SW3導通，以形成一第三等效電路203。是以，由圖5之該第三等效電路203可知，該第一待測絕緣電阻R_n與相互串聯之該第二電阻器R_b及該第三電阻器R_c並聯連接，而原先與該第二待測絕緣電阻R_p並聯連接之該第一電阻器R_a，因該第一開關SW1斷路已不在迴路上。之後，由該微控制器10藉由該隔離放大器30量測該量測電阻器之第三電阻器R_c上之第三量測電壓V_o3，且透過迴路上之第二電阻器R_b及第三電阻器R_c的分壓推導出迴路方程式(6)，並由該微控制器10依據迴路方程式(6)及該第三量測電壓V_o3運算出一第三待測電壓V_n3，其中，迴路方程式(6)如下所示：

換言之，藉由量測該第三量測電壓V_o3，且透過已知設定參數K₂可換算得到該第三待測電壓V_n3之電壓值，其中，K₂係為(R _b +R _c )/R _c 。

進一步，該微控制器10在平衡絕緣電阻偵測下進行一第四待測電壓V_p4電壓的量測，亦即該微控制器10之控制運算單元11依據該總電壓V_stack及該第三待測電壓V_n3以運算出該供電模組8之正電壓端Stack+對該保護接地端PE之間的該第四待測電壓V_p4，如下迴路方程式(7)所示：

V _p4=V _stack -V _n3 (7)

再者，該微控制器10依據該第三等效電路203之迴路電路，且利用克希荷夫電流定律得到迴路方程式(8)，該迴路方程式(8)如下所示：

由上述推導所得到之該迴路方程式(4)及該迴路方程式(8)，可換算出在平衡絕緣電阻偵測下該第一待測絕緣電阻R_n之電阻值計算公式(9)，以及該第二待測絕緣電阻R_p之電阻值計算公式(10)如下所示：

最後，該微控制器10將上述所得之該第一待測電壓V_n1、該第二待測電壓V_p2、該第三待測電壓V_n3及該第四待測電壓V_p4代入上述電阻值計算公式(9)及(10)，即可由該微控制器10計算出在平衡狀態下(即平衡絕緣電阻偵測下)的該第一待測絕緣電阻R_n及第二待測絕緣電阻R_p之電阻值。

下列係為本發明之第三實施例之不平衡絕緣電阻偵測，且一併參閱圖1說明之。

圖6為本發明之絕緣電阻偵測裝置之不平衡絕緣電阻偵測之電路示意圖。請同時配合參閱圖1，該微控制器10之控制運算單元11將該第一開關SW1及該第二SW2導通，該第三開關SW3斷路，以形成一第四等效電路204，再將該第四等效電路204經由Y-Δ變換後，以形成一子 等效電路204a，且依據該第一電阻器R_a、該第二電阻器R_b、該第三電阻器R_c及該第四電阻器R_d以計算出該第一子等效電路204a之一第一等效電阻器R_a’、一第二等效電阻器R_b’及一第三等效電阻器R_d’，且於此不特別計算該第三等效電阻器R_d’，而該第一等效電阻器R_a’及該第二等效電阻器R_b’之計算公式(11)、(12)如下所示：

其中，R_bc係為該第二電阻器R_b結合該第三電阻器R_c所形成之，亦即該量測電阻器。

由該微控制器10藉由該隔離放大器30量測該量測電阻器之第三電阻器R_c上之第四量測電壓V_o4，且透過迴路上之第一電阻器R_a、第二電阻器R_b、第三電阻器R_c及第四電阻器R_d的分壓推導出迴路方程式(13)，並由該微控制器10依據迴路方程式(13)及該第四量測電壓V_o4運算出一第五待測電壓V_n5，其中，迴路方程式(13)如下所示：

換言之，藉由量測該第四量測電壓V_o4，且透過已知設定參數K₂可換算得到該第五待測電壓V_n5之電壓值，其中，K₂係為(R _b +R _c )/R _c 。

進一步，在不平衡絕緣電阻偵測下，該微控制器10進行一第六待測電壓V_p6的量測，亦即該微控制器10之控制運算單元11依據該總 電壓V_stack及該第五待測電壓V_n5利用迴路方程式(14)運算出該供電模組之正電壓端Stack+對該保護接地端PE之間的該第六待測電壓V_p6，該迴路方程式(14)如下所示：

V _p6=V _stack -V _n5 (14)

再者，藉由該子等效電路204a之迴路電路，且利用克希荷夫電流定律得到一迴路方程式(15)，該迴路方程式(15)可配合後續所述另一迴路方程式計算出第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p之電阻值，該迴路方程式(15)如下所示：

圖7為本發明之絕緣電阻偵測裝置之不平衡絕緣電阻偵測之另一電路示意圖。請同時配合參閱圖1，該微控制器10之控制運算單元11將該第一開關SW1及該第三開關SW3斷路，該第二開關SW2導通，以形成一第五等效電路205。是以，電路迴路簡化後可知該供電模組8之正電壓端Stack+對該保護接地端PE的該第二待測絕緣電阻Rp將與檢測迴路斷開，而該供電模組8之負電壓端Stack-對該保護接地端PE的該第一待測絕緣電阻R_n與相互串聯之第二電阻器R_b、第三電阻器R_c及第四電阻器R_d進行並聯，據此將改變原先的檢測迴路及待測絕緣電阻R_p,R_n的連接，藉由迴路的關係可以推得一迴路方程式(16)。再者，由該微控制器10藉由該隔離放大器30量測該量測電阻器之第三電阻器R_c上之第五量測電壓V_o5，並由該微控制器10依據迴路方程式(16)及該第五量測電壓V_o5運算出一第七待測電壓V_n7，其中，該迴路方程式(16)如下所示：

換言之，藉由量測第五量測電壓V_o5，且透過已知設定參數K₃可換算得到該第七待測電壓V_n7之電壓值，其中，K₃係為(R _b +R _c +R _d )/R _c 。

進一步，在不平衡絕緣電阻偵測下，該微控制器10進行一第八待測電壓V_p8的量測，亦即該微控制器10之控制運算單元11依據該總電壓V_stack及該第七待測電壓V_n7利用迴路方程式(17)運算出該供電模組之正電壓端Stack+對該保護接地端PE之間的該第八待測電壓V_p8，該迴路方程式(17)如下所示：

V _p8=V _stack -V _n7 (17)

再者，藉由該第五等效電路205之迴路電路，且利用克希荷夫電流定律得到一迴路方程式(18)，該迴路方程式(18)如下所示：

由上述推導所得到之該迴路方程式(15)該迴路方程式(18)，可換算出在不平衡絕緣電阻偵測下該第一待測絕緣電阻R_n之電阻值計算公式(19)，以及該第二待測絕緣電阻R_p之電阻值計算公式(20)如下所示：

最後，該微控制器10將上述所得之該第五待測電壓V_n5、該第六待測電壓V_p6、該第七待測電壓V_n7及該第八待測電壓V_p8代入上述電阻值計算公式(19)及(20)即可由該微控制器10計算出在不平衡狀態下(即不平衡絕緣電阻偵測下)的該第一待測絕緣電阻R_n及第二待測絕緣電阻R_p之電阻值。

是以，上述原理說明可歸納如下表1所示。

表1：

圖8為本發明之絕緣電阻偵測方法之流程示意圖，請一併配合上述實施例的說明，其中，該方法流程包含下列步驟S11至S14、步驟S21至S23及步驟S31至S35。

於步驟S11中，將第一開關SW1導通，且將第二開關SW2及第三開關SW3斷路，藉由量測第一量測電壓V_o1之電壓值，且透過已知設定參數K₁可計算得到一總電壓值V_stack(如迴路方程式(1))。

於步驟S12中，將第一開關SW1及第三開關SW3導通，且將第二開關SW2斷路，藉由量測第二量測電壓V_o2之電壓值且透過已知設定參數K₂計算出第一待測電壓V_n1(如迴路方程式(2))。

於步驟S13中，藉由該總電壓V_stack及該第一待測電壓V_n1計算出第二待測電壓V_p2(如迴路方程式(3))。

於步驟S14中，依據該第一待測電壓V_n1及該第二待測電壓V_p2之間的電壓差與該總電壓V_stack之比例，判斷該第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p是否電阻平衡，其中，當該第一待測電壓V_n1與該第二待測電壓V_p2之間的電壓差與該總電壓之比例小於比較標準值Kth時，進行平衡絕緣電阻偵測(即步驟S21至S23)，反之，當該第一待測電壓V_n1與該第二待測電壓V_p2之間的電壓差與該總電壓之比例大於或等於比較標準值Kth時，進行不平衡絕緣電阻偵測(即步驟S31至S35)。

於步驟S21中，將第一開關SW1及第二開關SW2斷路，且將第三開關SW3導通，藉由量測第三量測電壓V_o3之電壓值，且透過已設定參數K₂計算出第三待測電壓V_n3(如迴路方程式(6))。

於步驟S22中，藉由該總電壓V_stack及該第三待測電壓V_n3計算出第四待測電壓V_p4(如迴路方程式(7))。

於步驟S23中，將上述所得之該第一待測電壓V_n1、該第二待測電壓V_p2、該第三待測電壓V_n3及該第四待測電壓V_p4代入在平衡絕緣電阻偵測下的第一待測絕緣電阻R_n之電阻值計算公式(9)，以及第二待測絕緣電阻R_p之電阻值計算公式(10)，以計算出該第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p之電阻值。

於步驟S31中，將第一開關SW1及第二開關SW2導通，且將第三開關SW3斷路，藉由量測第四量測電壓Vo4之電壓值，且透過已設定參數K₂計算出第五待測電壓V_n5(如迴路方程式(13))。

於步驟S32中，藉由該總電壓V_stack及第五待測電壓V_n5計算出第六待測電壓V_p6(如迴路方程式(14))。

於步驟S33中，將第一開關SW1及第三開關SW3斷路，且將第二開關SW2導通，藉由量測第五量測電壓V_o5之電壓值，且透過已設定參數K₃計算出第七待測電壓V_n7(如迴路方程式(16))。

於步驟S34中，藉由該總電壓V_stack及第七待測電壓V_n7計算出第八待測電壓V_p8(如迴路方程式(17))。

於步驟S35中，將上述所得之該第五待測電壓V_n5、該第六待測電壓V_p6、該第七待測電壓V_n7及該第八待測電壓V_p8代入在不平衡絕 緣電阻偵測下的第一待測絕緣電阻R_n之電阻值計算公式(19)，以及第二待測絕緣電阻R_p之電阻值計算公式(20)，以計算出該第一待測絕緣電阻R_n及該第二待測絕緣電阻R_p之電阻值。

綜上所述，本發明之絕緣電阻偵測裝置及其偵測方法，藉由微控制器判斷供電模組之第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻上之待測電壓是否平衡，藉此判斷第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻是否也為平衡，以進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測，故相較於習知技術在兩個待測絕緣電阻之間差異較大時會發生量測電壓誤差及數值計算誤差，本發明透過在電阻分壓器上的第四電阻器之設計，以於兩個待測絕緣電阻之間差異較大時進行不平衡絕緣電阻偵測，藉此準確地計算出第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻之電阻值，以避免計算出錯誤的待測絕緣電阻之電阻值，造成對供電模組產生錯誤的評估。

此外，本發明之絕緣電阻偵測裝置及其偵測方法，係具備下列優點或技術功效：

一、本發明結合電壓量測迴路及已知電阻變化機制來達到待測絕緣電阻的偵測，且藉由第四電阻器之設計，能在第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻上之待測電壓不平衡的狀態下，更準確計算出第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻之電阻值，故相較於習知技術，本發明能提供更精準的待測絕緣電之電阻值給操作人員，以使操作人員能正確地評估供電模組(或稱電壓電池模組)的絕緣情況，俾確保供電模組的安全性，以避免供電模組在運作時發生電擊，或因供電模組之絕緣破壞所造成之火災等工安事件。

二、相較於習知利用差動電壓量測技術時之電路較為複雜，容易受到主動元件及被動元件的影響，且須利用複數類比數位轉換器才能完整地提供絕緣電阻的量測功能，而本發明之微控制器中僅用一個類比數位轉換器即可進行絕緣電阻的量測，以使電壓值精度僅受到分壓的電阻器(即第一電阻器、第二電阻器、第三電阻器及第四電阻器)的影響，大幅減少電路的複雜程度，並提升換算待測絕緣電阻之電阻值的精度。

上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍應如申請專利範圍所列。

1:絕緣電阻偵測裝置

10:微控制器

11:控制運算單元

12:通用型輸入輸出

13:類比數位轉換器

20:電阻分壓器

30:隔離放大器

8:供電模組

PE:保護接地端

R_a:第一電阻器

R_b:第二電阻器

R_c:第三電阻器

R_d:第四電阻器

R_n:第一待測絕緣電阻

R_p:第二待測絕緣電阻

SW1:第一開關

SW2:第二開關

SW3:第三開關

V_o:量測電壓

V_stack:總電壓

Stack+:正電壓端

Stack-:負電壓端

Claims (13)

1. 一種絕緣電阻偵測裝置，係偵測一供電模組之第一待測絕緣電阻及第二待測絕緣電阻之電阻值，其包括：一電阻分壓器，係電氣連接該供電模組，且包括一第一電阻器、一量測電阻器、一第四電阻器、一第一開關、一第二開關及一第三開關，其中，該第一電阻器及該第四電阻器相互連接、該量測電阻器連接於該第一電阻器及該第四電阻器之共同連接點及該供電模組之負電壓端之間、該第一開關連接於該供電模組之正電壓端與該第一電阻器之間、該第二開關連接於該第四電阻器之一端及一保護接地端之間、及該第三開關連接於該第一電阻器及該第四電阻器之共同連接點及該保護接地端之間；以及一微控制器，係電氣連接該電阻分壓器，且控制該第一開關、該第二開關及該第三開關進行作動，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓，俾分別運算出該供電模組之總電壓、該第一待測絕緣電阻之第一待測電壓及該第二待測絕緣電阻之第二待測電壓，其中，該微控制器判斷該第一待測電壓與該第二待測電壓之間的電壓差與該總電壓之比例是否小於一比較標準值，以對該供電模組進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測，再由該微控制器運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值，其中，當進行該第一待測絕緣電阻之第一待測電壓的運算時，由該微控制器將該第一開關及該第三開關導通，且將該第二開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電 壓其中一者運算出該第一待測電壓，且將該總電壓減掉該第一待測電壓，以運算出該第二待測電壓。
2. 如請求項1所述之絕緣電阻偵測裝置，其中，該量測電阻器係包含一第二電阻器及一第三電阻器，且該第二電阻器連接於該第一電阻器與該第三電阻器之間，而該第三電阻器連接於該第二電阻器與該供電模組之負電壓端之間，且其中，由該微控制器控制該第一開關、該第二開關及該第三開關進行作動後，獲得該量測電阻器之第三電阻器上的該複數量測電壓。
3. 如請求項1所述之絕緣電阻偵測裝置，其中，當進行該供電模組之總電壓的運算時，由該微控制器將該第一開關導通，且將該第二開關與該第三開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出該總電壓。
4. 如請求項1所述之絕緣電阻偵測裝置，其中，當對該供電模組進行該平衡絕緣電阻偵測時，由該微控制器將該第一開關及該第二開關斷路，且將該第三開關導通，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第三待測電壓，且將該總電壓減掉該第三待測電壓，以運算出一第四待測電壓，俾由該微控制器依據該第一待測電壓、該第二待測電壓、該第三待測電壓及該第四待測電壓運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。
5. 如請求項1所述之絕緣電阻偵測裝置，其中，當對該供電模組進行該不平衡絕緣電阻偵測時，由該微控制器將該第一開關及該第二 開關導通，且將該第三開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第五待測電壓，且將該總電壓減掉該第五待測電壓，以運算出一第六待測電壓。
6. 如請求項5所述之絕緣電阻偵測裝置，其中，由該微控制器將該第一開關及該第三開關斷路，且將該第二開關導通，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第七待測電壓，且將該總電壓減掉該第七待測電壓，以運算出一第八待測電壓，俾由該微控制器依據該第五待測電壓、該第六待測電壓、該第七待測電壓及該第八待測電壓運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。
7. 如請求項2所述之絕緣電阻偵測裝置，更包括一隔離放大器，係電氣連接至該第三電阻器之兩端，且由該微控制器控制該隔離放大器，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓。
8. 如請求項7所述之絕緣電阻偵測裝置，其中，該微控制器包含一控制運算單元、一通用型輸入輸出及一類比數位轉換器，且該控制運算單元利用該通用型輸入輸出電氣連接該第一開關、該第二開關及該第三開關，以控制該第一開關、該第二開關及該第三開關作動，而該類比數位轉換器電氣連接該隔離放大器，以獲得該第三電阻器之複數量測電壓。
9. 一種絕緣電阻偵測方法，係包括：由一微控制器控制一電阻分壓器之第一開關、第二開關及第三開關進行作動，以獲得該電阻分壓器中之量測電阻器之複數量測電壓； 由該微控制器依據該量測電阻器之複數量測電壓以分別運算出一供電模組之總電壓、一第一待測絕緣電阻之第一待測電壓及一第二待測絕緣電阻之第二待測電壓；由該微控制器判斷該第一待測電壓與該第二待測電壓之間的電壓差與該總電壓之比例是否小於一比較標準值，以對該供電模組進行平衡絕緣電阻偵測或不平衡絕緣電阻偵測；以及經該平衡絕緣電阻偵測或該不平衡絕緣電阻偵測後，由該微控制器運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值，其中，當進行該第一待測絕緣電阻之第一待測電壓的運算時，由該微控制器將該第一開關及該第三開關導通，且將該第二開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出該第一待測電壓，且將該總電壓減掉該第一待測電壓，以運算出該第二待測電壓。
10. 如請求項9所述之絕緣電阻偵測方法，其中，當進行該供電模組之總電壓的運算時，由該微控制器將該第一開關導通，且將該第二開關與該第三開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出該總電壓。
11. 如請求項9所述之絕緣電阻偵測方法，更包括當對該供電模組進行該平衡絕緣電阻偵測時，由該微控制器將該第一開關及該第二開關斷路，且將該第三開關導通，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第三待測電壓，且將該總電壓減掉該第三待測電壓，以運算出一第四待測電壓，俾由 該微控制器依據該第一待測電壓、該第二待測電壓、該第三待測電壓及該第四待測電壓運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。
12. 如請求項9所述之絕緣電阻偵測方法，更包括當對該供電模組進行該不平衡絕緣電阻偵測時，由該微控制器將該第一開關及該第二開關導通，且將該第三開關斷路，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第五待測電壓，且將該總電壓減掉該第五待測電壓，以運算出一第六待測電壓。
13. 如請求項12所述之絕緣電阻偵測方法，更包括由該微控制器將該第一開關及該第三開關斷路，且將該第二開關導通，以獲得該量測電阻器之複數量測電壓其中一者，再由該微控制器依據該複數量測電壓其中一者運算出一第七待測電壓，且將該總電壓減掉該第七待測電壓，以運算出一第八待測電壓，俾由該微控制器依據該第五待測電壓、該第六待測電壓、該第七待測電壓及該第八待測電壓運算出該第一待測絕緣電阻及該第二待測絕緣電阻之電阻值。

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