CN110895312B

CN110895312B - 接地故障检测设备

Info

Publication number: CN110895312B
Application number: CN201910682083.XA
Authority: CN
Inventors: 河村佳浩
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: US20200064388A1; JP2020030117A; JP6781212B2; US10890627B2; CN110895312A

Abstract

一种接地故障检测设备，其被配置为连接到用于经由升压电路向负载供给电力的非接地的电池，并且被配置为通过计算设置有电池的系统的绝缘电阻而检测接地故障，该接地检测设备包括：电容，其作为飞跨电容操作；一组开关，该组开关被配置为在第一电压测量路径、第二电压测量路径、第三电压测量路径与电容充电电压测量路径之间切换，第一电压测量路径包括电池和电容，第二电压测量路径包括电池、电容以及作为在电池的负极侧与地之间的绝缘电阻的负极侧绝缘电阻，第三电压测量路径包括电池、电容以及作为在电池的正极侧与地之间的绝缘电阻的正极侧绝缘电阻；以及一对C型触点式继电器，其能够使电容的连接方向反向。

Description

接地故障检测设备

技术领域

本发明涉及一种使用飞跨电容的接地故障检测设备。

背景技术

在诸如电动车辆以及包括发动机和电动机作为驱动源的混合动力汽车这样的车辆中，安装在车体上的电池充电，并且使用从电池供给的电能而产生驱动力。通常地，与电池相关的电源电路被配置为使用200V以上的高电压的高压电路，并且为了确保安全性，包括电池的高压电路为非接地配置，其中，高压电路与用作地的基准电位点的车体电绝缘。

此外，存在包括升压器的车辆，该升压器被配置为将电池的正极电位升压，并且将其供给到负载，以提高的负载的驱动效率。在包括升压器的车辆中，电池的输出侧，即，升压器的初级侧，和升压器的输出侧，即，升压器的次级侧处于它们与车体电绝缘的非接地配置，从而车辆对于电池和升压器不用作地。从而，包括升压器的车辆要求检测电池与地之间的绝缘电阻以及升压器的次级侧与地之间的绝缘电阻，以监控接地故障状态。

从而，设置接地故障检测设备以监控车体与设置有电池和升压器的系统之间的接地故障状态，具体地，系统为从电池经过升压器到诸如电动机这样的负载的主电源系统。作为接地故障检测设备，广泛地使用一种应用被称为飞跨电容的电容器的接地故障检测设备。

图9是示出传统的飞跨电容型接地故障检测设备500的配置实例的方框图。接地故障检测设备500连接到非接地的电池B，并且被配置为检测设置有电池B和升压器520的系统的接地故障。接地故障检测设备500、升压器520和负载540等由未示出的作为主装置的外部控制装置控制。

此处，电池B的输出侧上的正极，即，初级侧与地之间的绝缘电阻称为RLp1，并且负极与地之间的绝缘电阻称为RLn1。此外，升压器520的输出侧上的正极，即，次级侧与地之间的绝缘电阻称为RLp2，并且负极与地之间的绝缘电阻称为RLn2。正极侧绝缘电阻RLp是电阻RLp1与RLp2的合成电阻，并且负极侧绝缘电阻RLn是电阻RLn1与RLn2的合成电阻。正极侧绝缘电阻RLp与负极侧绝缘电阻RLn的合成电阻对应于绝缘电阻RL。

用作飞跨电容的电容C1在通过接通和断开开关S1-S4而形成的路径中充电，并且由控制装置510测量其充电电压。

作为用于获得绝缘电阻RL的方法，已知如下技术：其中，测量V0、Vcn和Vcp，计算(Vcn+Vcp)/V0，并且基于获得的计算值，参考预先制作的表格数据获得绝缘电阻RL。当获得的绝缘电阻RL低于预定的基准值时接地故障检测设备500判定发生接地故障，并且向外部控制装置输出警告。

这里，V0是与利用通过接通开关S1和开关S2而形成的路径所测量的电池B的电压相对应的值。在电容C1的电极板之中，连接到电池B的正极侧的一个电极板称为第一电极板，并且连接到电池B的负极侧的一个电极板称为第二电极板。

Vcn是利用通过接通开关S1和S4而形成的电池B的正极侧的充电路径所测量的电压值，并且是具有负极侧绝缘电阻RLn的效果的电压值。Vcp是利用通过接通开关S2和S3而形成的电池B的负极侧上的充电路径所测量的电压值，并且是具有正极侧绝缘电子RLp的效果的电压值。

通常地，在接地故障判定时，以包括V0测量、Vcn测量、V0测量和Vcp测量的一个循环进行测量，并且在切换各个测量时，读取电容C1的充电电压，并且利用通过接通开关S3和S4所形成的路径进行电容C1的放电。

当在升压器520进行升压操作的同时通过接通开关S1和S4而测量Vcn时，通过利用正极侧绝缘电阻RLp和负极侧绝缘电阻RLn将升压后的电压分压而获得的电压被施加到电容C1的第二电极板。

当该电压变得大于从电池B的正极侧施加的电压时，由于电流环流，电容C1将以与正向极性(normal polarity)相反的极性充电。即，第二电极板将具有较高的电位。在该情况下，由控制装置510测量的电压变为零，从而不能计算绝缘电阻RL。

为了解决该问题，下文列出的专利文献1公开了一种接地检测设备600，其包括负电位测量电路620，如图10所示。这里，负电位测量电路620包括二极管Da、电阻Ra、由光MOS-FET构成的开关Sa和电阻Rb。另外，接地检测设备600包括开关S5和电阻R5。

当在Vcn的测量期间电容C1以与正向极性相反的极性充电时，接地检测设备600通过接通开关S5和开关Sa而使用控制装置610的A/D1测量电容C1的充电电压，而不是通过接通开关S3和S4而利用控制610的A/D1测量电容C1的充电电压。由此，能够测量以反向极性(reversed polarity)充电的电容C1的充电电压，并且能够计算绝缘电阻RL。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP 2011-17586 A

发明内容

在专利文献1中，通过设置包括二极管、电阻和开关的负电位测量电路，即使以反向极性对飞跨电容充电，也能够测量具有升压器的系统的接地故障检测设备中的电容的充电电压。然而，由于在负电位测量电路中用作开关的光MOS-FET是昂贵的，所以增加了接地故障检测设备的成本。

鉴于上述背景技术，本发明的目的是提供一种具有升压器的系统的接地故障检测设备，即使当以反向极性对飞跨电容充电时，也能够廉价地进行飞跨电容的充电电压的测量。

解决问题的方案

为了实现上述目的，本发明在一个方面中提供了一种接地故障检测设备，其被配置为连接到用于经由升压电路向负载供给电力的非接地的电池，并且被配置为通过计算设置有所述电池的系统的绝缘电阻而检测接地故障，所述接地故障检测设备包括：电容，该电容被配置为作为飞跨电容操作；一组开关，该组开关被配置为在第一电压(V0)测量路径、第二电压(Vcn)测量路径、第三电压(Vcp)测量路径与电容充电电压测量路径之间切换，所述第一电压测量路径包括所述电池和所述电容，所述第二电压测量路径包括所述电池、所述电容以及作为在所述电池的负极侧与地之间的绝缘电阻的负极侧绝缘电阻，所述第三电压测量路径包括所述电池、所述电容以及作为在所述电池的正极侧与所述地之间的绝缘电阻的正极侧绝缘电阻；以及一对C型触点式继电器，该对C型触点式继电器被配置为使所述电容的连接方向反向。其中，所述一对C型触点式继电器中的每个C型触点式继电器的触点c可以连接到所述电容侧，并且所述一对C型触点式继电器中的一个C型触点式继电器的触点a和触点b可以分别连接到所述一对C型触点式继电器中的另一个C型触点式继电器的触点b和触点a。此外，当在所述第二电压(Vcn)测量路径中的所述电容的充电电压的测量值能够被视为0时，所述一对C型触点式继电器能够切换为使所述电容的所述连接方向反向。此外，所述一对C型触点式继电器可以由双继电器构成。此外，所述一组开关由两个C型触点式继电器构成。

发明的优势效果

根据本发明，提供了具有升压器的系统的接地故障检测设备，其中，即使当以反向极性对飞跨电容充电时，也能够以低的成本进行飞跨电容的充电电压的测量。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的接地故障检测设备的框图；

图2是图示出在V0测量期间的测量路径的图；

图3是图示出用于测量电容的充电电压的路径的图；

图4是图示出在Vcp测量期间的测量路径的图；

图5是图示出在Vcn测量期间的测量路径的图；

图6是图示出以反向极性充电的电容的充电电压的测量路径的图；

图7是示出该实施例的接地故障检测设备的另一配置的框图；

图8是示出该实施例的接地故障检测设备的另一配置的框图；

图9是示出传统的飞跨电容型的接地故障检测设备的配置实例的框图；以及

图10是示出即使以反向极性对飞跨电容充电也能够测量充电电压的传统配置的框图。

参考标记列表

100 接地故障检测设备

110 控制装置

120 双继电器

121 C型触点式继电器

122 C型触点式继电器

131 C型触点式继电器

132 C型触点式继电器

500 接地故障检测设备

510 控制装置

520 升压器

540 负载

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述根据本发明的一个实施例的接地故障检测设备。图1是根据一个实施例的接地故障检测设备100的框图。接地故障检测设备100被配置为连接到将电力供给到负载540的非接地的电池B，并且被配置为检测设置有电池B和升压器520的系统的接地故障。接地故障检测设备100、升压器520和负载540等由未示出的作为主装置的外部控制装置控制。

此处，电池B的输出侧上的正极，即，初级侧与地之间的绝缘电阻称为RLp1，并且负极与地之间的绝缘电阻称为RLn1。此外，升压器520的输出侧上的正极，即，次级侧与地之间的绝缘电阻称为RLp2，并且负极与地之间的绝缘电阻称为RLn2。正极侧绝缘电阻RLp是电阻RLp1与RLp2的合成电阻，并且负极侧绝缘电阻RLn是电阻RLn1与RLn2的合成电阻。正极侧绝缘电阻RLp与负极侧绝缘电阻RLn的合成电阻对应于系统的绝缘电阻RL。

电池B由诸如锂离子电池这样的可充电电池构成，并且电池B的正极侧经由升压器520连接到诸如电动机这样的负载540，并且电池B的负极侧连接到负载540。

如图1所示，接地故障检测设备100包括用作飞跨电容的电容C1。例如，可以使用陶瓷电容器作为电容C1。

在该实施例中，一对C型触点式继电器121、122连接到电容C1的两极板，以能够使电容C1的连接方向反向。具体地，C型触点式继电器121的触点“c”连接到电容C1的第一电极板，并且C型触点式继电器122的触点“c”连接到电容C1的第二电极板。C型触点式继电器121、122可以由例如高击穿电压且低信号的机械继电器或者簧片继电器构成。

电容C1的第一电极板与C型触点式继电器121的触点“c”经由电阻Ra连接。电阻Ra用作防止异常继电器操作时的短路的保护电阻，并且在与电阻R3、电阻R4和电阻R6串联连接时用作放电电阻。例如，电阻Ra可以被配置为使得Ra<<R1、R6，或者可以省略。

如图1所示，C型触点式继电器121的触点“a”与C型触点式继电器122的触点“b”连接，而C型触点式继电器121的触点“b”与C型触点式继电器122的触点“a”连接。如稍后所述，由于C型触点式继电器121和C型触点式继电器122彼此协同地进行切换，所以优选地，将C型触点式继电器121和C型触点式继电器122构造为双继电器120，其被配置为通过一个控制而同时切换。相比于光MOS-FET，C型触点式继电器121、C型触点式继电器122和双继电器120非常廉价。

接地故障检测设备100包括四个开关S1-S4，该四个开关S1-S4布置在电容C1周围，以切换测量路径并且控制电容C1的充电和放电。这些开关可以由诸如光MOS-FET这样的绝缘型切换元件构成。

开关S1的一端连接到电池B的正极，并且开关S1的另一端连接到二极管D0的阳极侧以及电阻R6的一端。二极管D0的阴极侧连接到电阻R1的一端，并且电阻R6的另一端连接到二极管D1的阴极侧。电阻R1的另一端与二极管D1的阳极侧连接到C型触点式继电器121的触点“b”。

开关S2的一端连接到电池B的负极，并且开关S2的另一端连接到C型触点式继电器122的触点“b”。

开关S3的一端连接到二极管D0的阳极侧以及电阻R6的一端，并且开关S3的另一端连接到电阻R3的一端以及控制装置110的A/D端口。电阻R3的另一端接地。

开关S4的一端连接到C型触点式继电器122的触点“b”，并且开关S4的另一端连接到电阻R4的一端。电阻R4的另一端接地。

控制装置110由微计算机等构成，并且通过执行预先嵌入的程序而控制接地故障检测设备100的各种操作。具体地，控制装置110分别控制开关S1-S4和双继电器120以切换测量路径，并且控制电容C1的充电和放电。

此外，控制装置110从A/D端口输入与电容C1的充电电压相对应的模拟电平，基于该值进行预定的计算，并且计算绝缘电阻RL。控制装置110的测量数据以及表示检测到接地故障的警报等输出到外部控制装置。

下面将说明具有上述配置的接地故障检测设备100的操作。例如，接地故障检测设备100以包括V0测量周期、Vcp测量周期、V0测量周期和Vcn测量周期的一个循环重复测量操作。在各个测量周期中，电容C1以待测量对象的电压充电，而后测量电容C1的充电电压。然后，将电容C1放电用于下一测量。注意，双继电器120在初始状态下切换到触点“b”侧。

在V0测量周期中，测量与电池B的电压相对应的电压。为此，接通开关S1和S2，断开开关S3和S4，从而对电容C1充电。即，如图2所示，电池B和电容C1位于测量路径中。电容C1以正向极性充电，并且电容C1的第一电极板将具有较高的电位。

如图3所示，在电容C1的充电电压的测量期间，开关S1和S2断开，并且开关S3和S4接通，并且通过控制装置110而进行采样，而后将电容C1放电用于下一测量。

在Vcp测量周期中，测量反映正极侧绝缘电阻RLp的效果的电压。为此，接通开关S2和S3，并且断开开关S1和S4，并且对电容C1充电。即，如图4所示，电池B、初级侧正极绝缘电阻RLp1与次级侧正极绝缘电阻RLp2的并联电路、电阻R3和电容C1位于测量路径中。电容C1以正向极性充电，并且电容C1的第一电极板将具有较高的电位。从而，在图3所示的路径中测量电容C1的充电电压。

在Vcn测量周期中，测量反映负极侧绝缘电阻RLn的效果的电压。为此，接通开关S1和S4，并且断开开关S2和S3，并且对电容C1充电。即，如图5所示，电池B、电阻R1、电容C1、电阻R4和负极侧绝缘电阻RLn位于测量路径中。

在升压器520的升压操作期间，通过利用正极侧绝缘电阻RLp和负极侧绝缘电阻RLn，将升压后的电压分压而获得的电压施加到电容C1的第二电极板。当该电压变得大于从电池B的正极侧施加的电压时，由于电流环流，电容C1将以与正向极性相反的极性充电。

在该情况下，当利用图3所示的路径测量电容C1的充电电压时，测量值将为0V。注意，考虑到噪声等的影响，等于或小于几十mV的测量值被视作0V。

从而，当在Vcn测量期间测量值为0V时，控制装置110将双继电器120切换到触点“a”侧。由此，电容C1的连接方向反向，如图6所示，从而能够测量以反向极性充电的电容C1的充电电压Vcn。

另一方面，如果电流不环流并且电容C1以正向极性充电，并且利用图3所示的路径测量的测量值不为0V，则测量值可以是电容C1的充电电压Vcn。

基于使用在上述测量周期中获得的V0、Vcn和Vcp计算的(Vcp+Vcn)/V0，控制装置110参考预先制作的表格数据计算绝缘电阻RL。然后，当绝缘电阻RL等于或者低于预定的判定基准等级时，判定发生接地故障，并且将警报输出到外部控制装置。

如上所述，本实施例的接地故障检测设备100使用廉价的C型接触式继电器121、122或者双继电器120，以提供使得电容C1的连接方向反向的路径。因此，即使当电容C1以反向极性充电时，也能够以廉价的方式测量充电电压。

可以如图7所示地配置使得电容C1的连接方向反向的路径。在图7所示的实例中，代替电阻Ra，电阻Rb连接在C型触点式继电器122的触点“a”与C型触点式继电器121的触点“b”之间，并且电阻Rc连接在C型触点式继电器121的触点“a”与C型触点式继电器122的触点“b”之间。

电阻Rb和电阻Rc用作防止异常继电器操作时的短路的保护电阻，并且与电阻R3、电阻R4和电阻R6串联连接时用作放电电阻。例如，电阻Rb和Rc可以被配置为使得Rb＝Rc＝R6，或者可以省略。

如图2和图6所示，在各个测量周期的测量路径中，开关S1与开关S3从不同时接通，并且开关S2与开关S4从不同时接通。

从而，开关S1与开关S3可以由C型触点式继电器131构成，并且开关S2和开关S4可以由C型触点式继电器132构成，如图8所示。C型触点式继电器131、132均连接为使得它们的触点“c”布置在电容C1侧上。

C型触点式继电器131、132可以由例如高击穿电压且低信号的机械继电器或者簧片继电器构成。由此，能够省略使得成本增加的四个光MOS-FET，从而以甚至更低的成本提供接地故障检测设备100。

Claims

1.一种接地故障检测设备，被配置为连接到非接地的电池，该电池用于经由升压电路向负载供给电力，并且所述接地故障检测设备被配置为通过计算设置有所述电池的系统的绝缘电阻而检测接地故障，所述接地故障检测设备包括：

电容，该电容被配置为作为飞跨电容；

一组开关，该一组开关被配置为在第一电压(V0)测量路径、第二电压(Vcn)测量路径、第三电压(Vcp)测量路径与电容充电电压测量路径之间切换，所述第一电压(V0)测量路径包括所述电池和所述电容，所述第二电压(Vcn)测量路径包括所述电池、所述电容以及作为在所述电池的负极侧与地之间的绝缘电阻的负极侧绝缘电阻，所述第三电压(Vcp)测量路径包括所述电池、所述电容以及作为在所述电池的正极侧与所述地之间的绝缘电阻的正极侧绝缘电阻；以及

一对C型触点式继电器，该一对C型触点式继电器被配置为使所述电容的连接方向反向，

其中，所述一对C型触点式继电器中的每个C型触点式继电器的触点c连接到所述电容侧，并且所述一对C型触点式继电器中的一个C型触点式继电器的触点a和触点b分别连接到所述一对C型触点式继电器中的另一个C型触点式继电器的触点b和触点a。

2.根据权利要求1所述的接地故障检测设备，其中，当在所述第二电压(Vcn)测量路径中的所述电容的充电电压的测量值能够被认为是0时，所述一对C型触点式继电器能够被切换为使所述电容的所述连接方向反向。

3.根据权利要求1或2所述的接地故障检测设备，其中，所述一对C型触点式继电器由双继电器构成。

4.根据权利要求1或2所述的接地故障检测设备，所述一组开关由两个C型触点式继电器构成。

5.根据权利要求3所述的接地故障检测设备，所述一组开关由两个C型触点式继电器构成。