绝缘电阻检测设备、具有该设备的系统及其方法与流程

绝缘电阻检测设备、具有该设备的系统及其方法
1.相关申请的参考
2.本技术要求2021年1月11日在韩国知识产权局提交的第10-2021-0003165号韩国专利申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种绝缘电阻检测设备、包括该设备的系统及其方法，更具体地，涉及一种通过将离子过滤器与系统故障分离来检测由于离子过滤器寿命缩短而导致的绝缘电阻降低的技术。


背景技术：

4.燃料电池是将燃料氧化产生的化学能直接转化为电能的电池，是一种发电装置。近来，燃料电池发电系统已投入实际使用，由于燃料电池的反应产物是纯水，因此正在积极开展将其用作环保型车辆能源的研究。
5.具体而言，燃料电池车辆的结构包括混合系统，该混合系统不仅使用燃料电池作为主要能源，还使用二次储能装置，如电池或超级电容器。这里，设置双向转换器以用于通过储能装置(例如电池)充放电适当的能量，保持恒定的燃料利用率，并平衡燃料电池和负载之间的电力。
6.在使用这样的高电压电池或燃料电池的车辆中，应防止绝缘电阻劣化。一般来说，车辆的绝缘电阻降低的主要原因可能是高压部件内部短路或绝缘击穿、高压电缆绝缘击穿等，即使在燃料电池堆内流动的冷却液受到污染时，电流也会流过冷却液内的离子，从而可能降低高电压端的绝缘电阻。
7.传统上，绝缘电阻是实时测量的，当绝缘电阻值小于最小参考值时，通知驾驶员绝缘电阻击穿。
8.在绝缘电阻降低的情况下，必须直接进行维护以确定原因，并且，如果由于离子导电性而导致击穿，通过检查高电压组件的绝缘电阻是正常的，存在无法确定绝缘电阻降低原因的技术限制，例如当高压组件不是原因时，假设离子过滤器是原因。
9.本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增进对本发明的背景的理解，并且因此可以包含不形成本领域技术人员已知的国内现有技术的信息。


技术实现要素：

10.本发明的示例性实施方式旨在提供一种绝缘电阻检测设备、包括该设备的系统及其方法，能够通过控制主继电器分离燃料电池堆和高电压组件从而限制和诊断绝缘电阻降低的位置，并通过在车辆行驶期间使用降低的绝缘电阻的变化准确确定降低绝缘电阻的原因。
11.本发明的技术目的不限于上述目的，本领域技术人员可以从权利要求的描述清楚地理解其他未提及的技术目的。
12.本发明的示例性实施方式提供了一种绝缘电阻检测设备，其包括处理器，该处理器被配置为在车辆行驶期间根据车辆的绝缘电阻值将燃料电池与高电压电池分离，并然后测量燃料电池的绝缘电阻值，以确定是燃料电池的故障还是高电压电池的故障，并且当是燃料电池的故障时，通过计算绝缘电阻的变化确定故障原因。绝缘电阻检测设备还包括存储器，该存储器被配置为存储由处理器驱动的数据和算法。
13.在示例性实施方式中，处理器可以在车辆启动关闭(starting off)期间计算车辆的绝缘电阻值的平均值，并将平均绝缘电阻值存储在存储器中。
14.在示例性实施方式中，当车辆的绝缘电阻值小于预定参考值时，处理器可以通过阻断燃料电池的堆电流维持开路电压(ocv)状态。
15.在示例性实施方式中，当车辆的绝缘电阻值小于预定参考值时，处理器可以断开连接在燃料电池和高电压电池之间的主继电器。
16.在示例性实施方式中，处理器可以在主继电器断开的状态下将燃料电池的绝缘电阻值与预定参考值进行比较。
17.在示例性实施方式中，当燃料电池的绝缘电阻值等于或大于参考值时，处理器可以确定是由于高电压电池的绝缘电阻引起的故障。
18.在示例性实施方式中，当燃料电池的绝缘电阻值小于参考值时，处理器可以计算平均绝缘电阻值和燃料电池的绝缘电阻值之间的差值作为绝缘电阻变化。
19.在示例性实施方式中，处理器可以将绝缘电阻变化与预定变化参考值进行比较，当绝缘电阻变化小于变化参考值时确定是由于离子导电性增加引起的绝缘电阻的故障，并且当绝缘电阻变化等于或大于变化参考值时确定是由于燃料电池的绝缘击穿引起的故障。
20.在示例性实施方式中，当绝缘电阻值快速变化时，处理器可以确定是由于燃料电池的绝缘击穿引起的故障，并且当绝缘电阻值平稳地变化时，可以确定是由于离子导电性增加引起的绝缘电阻的故障。
21.在示例性实施方式中，当确定是由于离子导电性增加引起的绝缘电阻的故障时，处理器可以通知更换离子过滤器。
22.本发明的示例性实施方式提供了一种车辆系统，该车辆系统包括配置为用于供电的燃料电池；配置为用于充电和放电的高电压电池；位于燃料电池和高电压电池之间的主继电器；连接到燃料电池的输出端以测量燃料电池的绝缘电阻值的第一绝缘电阻测量装置；连接到高电压电池的输出端以测量高电压电池的绝缘电阻值的第二绝缘电阻测量装置；和绝缘电阻检测设备，其被配置为在车辆行驶期间根据车辆的绝缘电阻值将燃料电池与高电压电池分离，然后确定是燃料电池的故障还是高电压电池的故障，并且当是燃料电池的故障时，通过计算绝缘电阻变化确定故障原因。
23.在示例性实施方式中，当车辆的绝缘值小于预定参考值时，绝缘电阻检测设备可以断开连接在燃料电池和高电压电池之间的主继电器，并且可以控制第一绝缘电阻测量装置以测量燃料电池的绝缘电阻值。
24.在示例性实施方式中，当燃料电池的绝缘电阻值等于或大于预定参考值时，绝缘电阻检测设备可以确定是由于高电压电池的绝缘电阻引起的故障，并且当燃料电池的绝缘电阻值小于参考值时，可以计算绝缘电阻变化。
25.在示例性实施方式中，绝缘电阻检测设备可以在车辆启动关闭(starting off)时
计算车辆的绝缘电阻值的平均值并将平均绝缘电阻值存储在存储器中，并且可以计算平均绝缘电阻值和燃料电池的绝缘电阻值之间的差值作为绝缘电阻变化。
26.本发明的示例性实施方式提供一种绝缘电阻检测方法，包括：在车辆行驶期间根据车辆的绝缘电阻值将燃料电池与高电压电池分离；通过测量燃料电池的绝缘电阻值，确定是燃料电池的故障还是高电压电池的故障；以及当是燃料电池的故障时，通过计算绝缘电阻变化确定故障原因。
27.在示例性实施方式中，该方法还可以包括在车辆启动关闭(starting off)时计算车辆的绝缘电阻值的平均值并将平均绝缘电阻值存储在存储器中。
28.在示例性实施方式中，燃料电池和高电压电池的分离可以包括：当车辆的绝缘电阻值小于预定参考值时，通过阻断燃料电池的堆电流维持开路电压(ocv)状态；以及断开连接在燃料电池和高电压电池之间的主继电器。
29.在示例性实施方式中，确定是燃料电池的故障还是高电压电池的故障可以包括在主继电器断开的状态下，确定燃料电池的绝缘电阻值是否小于预定参考值，并且当燃料电池的绝缘电阻值等于或大于参考值时，确定是由于高电压电池的绝缘电阻引起的故障。
30.在示例性实施方式中，确定故障是否是由于离子导电性引起的可以包括，当燃料电池的绝缘电阻值小于参考值时，计算平均绝缘电阻值和燃料电池的绝缘电阻值之间的差值作为绝缘电阻变化。
31.在示例性实施方式中，确定故障是否由于离子导电性引起可以包括将绝缘电阻变化与预定变化参考值进行比较，当绝缘电阻变化小于变化参考值时确定是由于离子导电性引起的绝缘电阻的故障，以及当绝缘电阻变化等于或大于变化参考值时，确定是由于燃料电池的绝缘击穿引起的故障。
32.根据本发明，能够通过控制主继电器分离燃料电池堆和高电压组件从而限制和诊断绝缘电阻降低的位置，并通过在车辆行驶期间使用降低的绝缘电阻的变化准确确定降低绝缘电阻的原因。
33.此外，可以提供可以通过该文件直接或间接识别的各种效果。
附图说明
34.图1示出根据本发明的示例性实施方式的包括绝缘电阻检测设备的车辆系统的配置的框图。
35.图2示出根据本发明的示例性实施方式的绝缘电阻检测设备的配置的框图。
36.图3示出根据本发明的示例性实施方式的绝缘电阻检测方法。
37.图4示出根据本发明的示例性实施方式的用于描述绝缘电阻变化的曲线图。
38.图5示出根据本发明的示例性实施方式的离子过滤器性能劣化的测试结果。
39.图6示出根据本发明的示例性实施方式的计算系统。
具体实施方式
40.在下文中，将参考示例性附图详细描述本发明的一些示例性实施方式。应注意的是，在将参考标记添加到每个图的构成要素中，即使在不同的附图中表示相同的构成要素，相同的构成要素也尽可能使用相同的参考标记。此外，在描述本发明的示例性实施方式中，
当确定相关公知配置或功能的详细描述干扰对本发明的示例性实施方式的理解时，将省略其详细描述。
41.在描述根据本发明的示例性实施方式的构成要素时，可以使用诸如第一、第二、a、b、(a)和(b)的术语。这些术语仅用于将构成要素与其他构成要素区分开来，并且构成要素的性质、序列或顺序不受这些术语限制。此外，本文所用的所有术语包括技术科学术语与本发明所属技术领域的技术人员(本领域技术人员)通常理解的那些具有相同的含义，除非它们有不同的定义。通用词典中定义的术语应理解为具有与相关技术上下文中的那些相匹配的含义，并且不应被解释为具有理想化或过于正式的含义，除非它们在本说明书中明确定义。
42.在下文中，将参考图1至图6详细描述本发明的实施方式。
43.图1示出根据本发明的示例性实施方式的包括绝缘电阻检测设备的车辆系统的配置的框图。
44.参考图1，根据本示例性实施方式的车辆系统可以包括：绝缘电阻检测设备100、第一绝缘电阻测量装置200、第二绝缘电阻测量装置300、燃料电池堆400以及冷却组件500、高电压电池600、高电压组件700和主继电器800。
45.根据本发明的示例性实施方式的绝缘电阻检测设备100可以在车辆内部进行实施。在这种情况下，绝缘电阻检测设备100可以与车辆的内部控制单元一体地形成，或者可以被实施为通过单独的连接装置连接到车辆的控制单元的单独装置。
46.当在车辆行驶(driving)期间绝缘电阻降低时，绝缘电阻检测设备100可以将燃料电池堆与高电压组件分离，以测量绝缘电阻值，并且可以准确地确定故障原因，通过使用降低的绝缘电阻的变化检查是否是由于离子导电性、水流入、冷却液的不正确注入、堆绝缘击穿等引起的故障。
47.第一绝缘电阻测量装置200可以连接到燃料电池堆400，以测量燃料电池堆400的绝缘电阻，并且可以对应于堆电压监测(svm)。
48.第二绝缘电阻测量装置300可以连接到高电压电池600，以测量高电压电池的绝缘电阻，并且可以对应于电池管理系统(bms)。
49.燃料电池堆400可以向车辆供电。
50.冷却组件500可以连接到燃料电池堆400，并且可以包括散热器。
51.高电压电池600可以向车辆供电，并且可以进行充电和放电。
52.高电压组件700可以连接在高电压电池和主继电器800之间，并且可以包括转换器、电机等。
53.主继电器800可以包括连接在燃料电池堆400和高电压组件700之间、并由绝缘电阻检测设备100控制的并联结构的两个开关元件sw1和sw2。
54.图2示出根据本发明的示例性实施方式的绝缘电阻检测设备的配置的框图。
55.参考图2，绝缘电阻检测设备可以包括：通信装置110、存储器120和处理器130。
56.通信装置110可以是与用于车载网络通信的各种电子电路实施的硬件装置。作为示例，车载网络通信技术可以包括控制器局域网(can)通信、本地互连网络(lin)通信、flex-ray通信等。
57.作为示例，通信装置110可以从svm绝缘电阻测量控制器200和bms绝缘电阻测量控
制器300接收绝缘电阻测量值。
58.存储器120可以存储处理器130运行所需的数据和/或算法等。例如，存储器120可以在启动时存储绝缘电阻的平均值。此外，存储器120可以存储用于确定绝缘电阻降低的参考值和用于确定绝缘电阻变化的变化参考值。在这种情况下，参考值和变化参考值可以由实验值预先确定并进行存储。
59.存储器120可以包括在诸如闪存、硬盘、微型、卡(例如，安全数字(sd)卡或极限数字(xd)卡)、随机存取存储器(ram)、静态ram(sram)、只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可擦除prom(eeprom)、磁存储器(mram)、磁盘和光盘等类型的存储器中的至少一种类型的存储介质。
60.处理器130可以电连接到通信装置110、存储器120等，可以电控制每个组件，并且可以是执行软件命令的电路，从而执行下面描述的各种数据处理和计算。
61.处理器130可以处理在绝缘电阻检测设备100的构成元件之间传输的信号。处理器130可以是例如安装在车辆中的燃料电池控制单元(fcu)、电子控制单元(ecu)、微控制器单元(mcu)或另外的上部或下部控制器。
62.当车辆关闭(turned off)时，处理器130可以计算车辆的绝缘电阻值的平均值，并且可以将平均绝缘电阻值存储在存储器120中。在这种情况下，处理器130可以计算为从车辆启动(starting)到车辆启动关闭(staring off)的每个预定时间段测量的车辆的绝缘电阻值的平均值。在这种情况下，车辆的绝缘电阻值可以是燃料电池的绝缘电阻值或者是高电压电池的绝缘电阻值。
63.在车辆行驶(driving)时绝缘电阻值小于预定参考值的情况下，处理器130可以将燃料电池与高电压电池分离，并且可以测量燃料电池的绝缘电阻值，以确定是否是高电压电池的故障，并且当不是高电压电池的故障时，可以通过计算绝缘电阻变化确定故障是否是由于离子导电性引起。
64.在这种情况下，当车辆的绝缘电阻小于预定参考值时，处理器130断开连接在燃料电池和高电压电池之间的主继电器800，以将燃料电池和高电压电池分离，同时通过阻断燃料电池的堆电流维持开路电压(ocv)状态。
65.处理器130可以控制第一绝缘电阻测量装置200，以在主继电器800断开的状态下测量燃料电池的绝缘电阻值，以确定燃料电池的绝缘电阻值是否小于预定参考值。在这种情况下，参考值可以被预先确定为实验值。
66.在燃料电池的绝缘电阻值等于或大于预定参考值的情况下，处理器130可以确定是由于高电压电池的绝缘电阻引起的故障，并且，当燃料电池的绝缘电阻值小于预定参考值时，可以通过使用绝缘电阻变化来确定是由于离子导电性引起的故障还是由于燃料电池的绝缘击穿引起的故障。在这种情况下，处理器130可以计算平均绝缘电阻值和燃料电池的绝缘电阻值之间的差值作为绝缘电阻变化。
67.处理器130可以将绝缘电阻变化与预定变化参考值进行比较，并且，当绝缘电阻变化小于预定变化参考值时，可以确定是由于离子导电性增加引起的绝缘电阻的故障，并且，当绝缘电阻变化等于或大于预定变化参考值时，可以确定是由于燃料电池的绝缘击穿引起的故障。在这种情况下，变化参考值可以被预先确定为实验值。
68.也就是说，当绝缘电阻值快速变化时，处理器130可以确定是由于燃料电池的绝缘
击穿引起的故障，并且，当绝缘电阻值平稳变化时，可以确定是由于离子导电性增加引起的绝缘电阻的故障。下面将参考图4和图5，对根据绝缘电阻值的突然变化和平稳变化进行的确定过程进行详细描述。
69.这样，当确定是由于离子导电性增加引起的绝缘电阻的故障时，处理器130可以通知用户离子过滤器需要更换，并且可以执行通过车辆中的显示装置的文本通知或通过扬声器的语音通知。
70.这样，处理器130在车辆行驶时，在切断堆电流后，在继电器断开状态下检测燃料电池堆在断电状态下的绝缘电阻，当检测到的燃料电池堆的绝缘电阻值等于或大于参考值时，确定燃料电池堆正常运行并且高电压组件的绝缘电阻是故障的；当检测到的燃料电池堆的绝缘电阻值小于参考值时，通过使用燃料电池中的变化量确定是由于燃料电池堆的绝缘电阻引起的故障还是由于离子导电性引起的故障，以在需要更换离子过滤器时执行故障通知。
71.在下文中，将参考图3至图5详细描述根据本发明的示例性实施方式的绝缘电阻检测方法。图3示出根据本发明的示例性实施方式的绝缘电阻检测方法。
72.在下文中，假设图1的绝缘电阻检测设备100执行图3的过程。另外，在图3的描述中，描述为由装置执行的操作可以理解为由绝缘电阻检测设备100的处理器130控制。
73.参考图3，在步骤s101，绝缘电阻检测设备(fcu)100通过can通信接收由燃料电池的第一绝缘电阻测量装置(svm)200和第二绝缘电阻测量装置(bms)300测量的绝缘电阻值。
74.在步骤s102，绝缘电阻检测设备100将接收到的绝缘电阻值与预定参考值进行比较；在步骤s103，当绝缘电阻值等于或大于预定参考值时，确定处于正常行驶状态；并且，在步骤s104，在启动关闭(when starting is turned off)时，计算并存储平均绝缘电阻值。在这种情况下，参考值可以被预先确定为实验值。
75.另一方面，在步骤s105，当绝缘电阻值小于预定参考值时，绝缘电阻检测设备100确定处于异常行驶状态并阻断堆电流，以维持最小化堆电流(开路电压(ocv))的状态。
76.随后，在步骤s106，绝缘电阻检测设备100断开主继电器800，以将燃料电池堆400与高电压组件700分离，然后测量svm级的第一绝缘电阻测量装置200中的绝缘电阻。
77.然后，在步骤s107，绝缘电阻检测设备100可以将由第一绝缘电阻测量装置200测量的绝缘电阻值与预定参考值进行比较，并且，在步骤s108，当由第一绝缘电阻测量装置200测量的绝缘电阻值等于或大于预定参考值时，可以确定不是由于燃料电池堆400的绝缘电阻引起的故障，而是由于高电压组件的绝缘电阻引起的故障。
78.另一方面，在步骤s109，当由第一绝缘电阻测量装置200测量的绝缘电阻值小于预定参考值时，绝缘电阻检测设备100将绝缘电阻变化与变化参考值进行比较。
79.在这种情况下，绝缘电阻变化(绝缘电阻的降低量)表示在车辆正常行驶期间存储在车辆中的绝缘电阻平均值和当前绝缘电阻值之间的差值。此外，绝缘电阻变化可以被预先确定为实验值，并且，由于离子导电性引起的绝缘电阻的降低平稳地减小，而由于高电压组件的故障引起的绝缘电阻的降低可以基于执行快速减少的特性进行确定。
80.在步骤s110，当绝缘电阻变化小于变化参考值时，绝缘电阻检测设备100可以确定是由于离子导电性增加引起的绝缘电阻的故障，并且，在步骤s111，当绝缘电阻变化等于或大于变化参考值时，确定是燃料电池堆的故障。
81.也就是说，在由于高电压组件的绝缘电阻引起故障的情况下，绝缘电阻会突然下降，但由于在离子导电性引起故障的情况下，绝缘电阻不会突然降低，因此可以确定故障原因是离子导电性还是燃料电池堆。
82.图4示出根据本发明的示例性实施方式的用于描述绝缘电阻变化的曲线图。参考图4，在正常行驶期间的平均绝缘电阻值为区段
①
并且在启动关闭时(when staring off)存储。此后，再次启动(starting is on again)并且在行驶时绝缘电阻值降低，如区段
②
所示。当绝缘电阻值减小并达到参考值
⑥
并低于参考值时，绝缘电阻检测设备100计算绝缘电阻值的变化
③
，并将绝缘电阻值的变化
③
与预定变化参考值
⑤
进行比较。
83.随后，当绝缘电阻值的变化
③
小于预定变化参考值
⑤
时，绝缘电阻检测设备100可以确定是由于离子导电性的增加引起的绝缘电阻的故障，并且，当绝缘电阻值显著降低并且绝缘电阻的变化
④
大于预定变化参考值
⑤
时，可以确定是由于燃料电池堆的其它原因而不是由于离子导电性的增加引起的绝缘电阻的故障。
84.由于离子导电性的增加，由绝缘电阻的降低引起的每车辆行驶时间或每英里的绝缘电阻的降低率，即离子过滤器性能的降低大约小于由于诸如高电压组件的故障、冷却液的混合和不正确注入等疏忽而引起的绝缘电阻降低率的1,000-10,000倍。
85.图5示出根据本发明的示例性实施方式的离子导电性过滤器性能劣化的测试结果。参考图5，可以看出，当离子过滤器性能下降时，绝缘电阻值线性下降到0.06kω/km的水平，并且绝缘电阻不是突然下降。在这种情况下，当绝缘电阻极低(例如，10kω以下)时，可以确定为诸如高电压组件的故障或防冻液污染等危险状态。
86.这样，根据本发明，由于离子过滤器的寿命减少而引起的绝缘电阻降低可与系统故障分开检测，并且当检测到与离子导电性增加无关的绝缘电阻击穿时，可能导致系统不稳定，因此，可以针对故障而积极采取应对措施(例如，停止堆发电等)。
87.此外，根据本发明能够通过将燃料电池堆与高电压电池分离以及诊断绝缘电阻故障，防止不必要的维护以及机械师成本和时间的消耗。
88.图6示出了根据本发明的示例性实施方式的计算系统。
89.参考图6，计算系统1000包括：通过总线1200连接的至少一个处理器1100、存储器(memory)1300、用户界面输入装置1400、用户界面输出装置1500和存储器(storage)1600以及网络接口1700。
90.处理器1100可以是依照存储器(memory)1300和/或存储器(storage)1600中存储的命令执行处理的中央处理单元(cpu)或半导体设备。存储器(memory)13000和存储器(storage)1600可包括各种类型的易失性或非易失性存储介质。例如，存储器(memory)1300可包括rom(只读存储器)1310和ram(随机存取存储器)1320。
91.因此，结合本文所公开的示例性实施方式描述的方法或算法的步骤可以由处理器1100执行的硬件、软件模块或两者的组合直接实现。软件模块可以驻留在诸如ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘和cd-rom等存储介质(即存储器(memory)1300和/或存储器(storage)1600)中。
92.示例性存储介质耦接到处理器1100，其可以从存储介质读取信息并将信息写入存储介质。可替代地，存储介质可以与处理器1100集成。处理器和存储介质可以驻留在专用集成电路(asic)内。asic可以驻留在用户终端内。可替代地，处理器和存储介质可以作为单独
的组件驻留在用户终端内。
93.以上描述仅用于说明本发明的技术思想，本发明所属领域的技术人员可以在不脱离本发明的本质特性的情况下进行各种修改和变化。
94.因此，本发明中公开的示例性实施方式不旨在限制本发明的技术思想，而是用于对其进行解释，并且本发明的技术思想的范围不受这些示例性实施方式的限制。本发明的保护范围以权利要求书为准，并且在等同范围内的所有技术思想均应理解为包含在本发明的范围内。