接地故障检测装置的制作方法

1.本发明涉及一种具有飞跨电容器的接地故障检测装置。


背景技术：

2.在配备有发动机和电动机作为驱动源的混合动力车辆中，或者在诸如电动车辆这样的由电动机提供动力的车辆中，安装在车身上的电池被充电，其中，通过利用从电池供应的电能产生驱动力。通常，电池相关的电源电路被配置为旨在用于等于或大于200v的高电压的高压电路。为了确保安全，这样的包括电池的高压电路以非接地方式配置，其中，高压电路与用作接地的基准电位点的车身电绝缘。
3.配备有非接地高压电池的车辆配备有接地故障检测装置，以监测其中布置有高压电池的系统，具体地，监测车身与从高压电池延伸到电动机的主电源系统之间的绝缘状态(接地故障)。在这样的接地故障检测装置中，广泛使用利用称为飞跨电容器的电容器的系统。
4.为了得知绝缘电阻，基于飞跨电容器的接地故障检测装置执行v0测量、vc1n测量和vc1p测量，其中，通过利用开关切换包括检测电容器的充电路径来执行这些测量，检测电容器被配置为用作飞跨电容器。这里，v0测量是与高压电池的电压对应的充电电压的测量，vc1n测量是反映负侧绝缘电阻的影响的充电电压的测量，并且vc1p测量是反映正侧绝缘电阻的影响的充电电压的测量。
5.已知的是，能够根据通过上述测量获得的电压v0、vc1n和vc1p来计算由正绝缘电阻和负绝缘电阻的绝缘电阻产生的绝缘电阻。由于用于计算的操作是复杂的，因此通常预先提供用于计算绝缘电阻的转换映射，其使用vc1/v0作为参考值(其中vc1＝vc1p vc1n)，其中，为了确定是否发生接地故障，通过参考转换映射根据已经通过测量获得的vc1/v0的值来计算绝缘电阻。
6.为了消除高频噪声和/或稳定操作，被称为y电容器(旁路电容器)的电容器通常连接在地与高压电池的正电源线和负电源线之间。在本说明书中，地与正电源线和负电源线之间存在的杂散电容应被处理为包括在y电容器中。特别是近年来，车辆的性能增强已经进步，由此杂散电容倾向于增大。
7.引用列表
8.专利文献
9.专利文献1：jp2013-205082a


技术实现要素：

10.由于在切换充电路径期间在y电容器与检测电容器之间发生电荷交换，因此检测电容器的充电电压可能受到y电容器的影响，并且可能降低计算绝缘电阻的精度。
11.将描述y电容器的影响。由于正侧y电容器和负侧y电容器分别与正侧和负侧上的绝缘电阻并联存在。在不从外部施加变化的状态下，这些y电容器因此以由正侧和负侧上的
绝缘电阻的分压比确定的平衡充电，由此y电容器稳定化。这里，该状态应被称为平衡状态。还在假设利用与高压电池的电压对应的v0测量所获得的测量值是存在于平衡状态中的值的情况下，执行利用接地故障检测装置对绝缘电阻的计算。
12.然而，由于vc1n测量和vc1p测量中的每个测量均使用绝缘电阻之一作为充电路径，因此这种平衡可能在分别反映了负侧绝缘电阻和正侧绝缘电阻的影响的vc1n测量和vc1p测量中被破坏。如果在已经破坏的平衡恢复之前执行v0测量，则可能不满足y电容器处于平衡状态的上述假设。这导致计算绝缘电阻的精度降低。
13.如果在完全恢复平衡状态之后启动v0测量以便减小y电容器的影响，则这可能导致用于接地故障检测的时间增加。特别是当y电容器具有大电容时，在大接地电阻的情况下，平衡状态的恢复可能基本上延迟。还能够想到增大检测电容器的尺寸。然而，所需的充电时间也延长了对应于尺寸增大的量。同样在这种情况下，用于接地故障时间的时间增加。
14.为了解决该问题，专利文献1描述了设置平衡状态形成电路，其包括控制电阻器，该控制电阻器的一端接地，其中，控制电阻器经由控制开关连接到正电源线和负电源线中的每者。根据专利文献1中描述的本发明，在由于vc1n/vc1p测量而破坏平衡之后，可以通过将控制开关切换为闭合并且因此将正/负侧上的y电容器的充电状态快速地转变为控制电阻器的分压比。来促进平衡状态的恢复。
15.这使得能够防止绝缘电阻的检测精度由于y电容器的影响而降低，而不会增加接地故障检测时间。另一方面，需要提供专用电路，即平衡状态形成电路，这导致成本增加。
16.因此，本发明的目的是在不增加检测时间和成本的情况下，防止由于y电容器的影响而导致绝缘电阻的检测精度降低。
17.为了实现上述目的，根据本发明的第一方面的接地故障检测装置被配置为连接到不接地的电池并且计算设置有所述电池的系统的绝缘电阻，该接地故障检测装置包括：检测电容器，被配置为用作飞跨电容器；开关组，该开关组用于进行第一充电路径、第二充电路径、第三充电路径和测量路径之间的切换，该第一充电路径连接所述电池与所述检测电容器，该第二充电路径连接所述电池、负侧绝缘电阻和所述检测电容器，所述负侧绝缘电阻是所述电池的负侧线到地的绝缘电阻，该第三充电路径连接所述电池、正侧绝缘电阻和所述检测电容器，所述正侧绝缘电阻是所述电池的正侧线到所述地的绝缘电阻，该测量路径用于测量所述检测电容器的充电电压；以及控制器，其被配置为控制开关组并且基于在每个充电路径的充电之后存在的检测电容器的充电电压测量值来计算绝缘电阻，其中，在测量第二充电路径的充电电压之后，控制器被配置为使开关组在切换到第一充电路径之前暂时切换到第三充电路径。
18.在一个或一些实施例中，在测量第三充电路径的充电电压之后，控制器还被配置为使开关组在切换到第一充电路径之前临时切换到第二充电路径。
19.为了实现上述目的，根据本发明的第二方面的接地故障检测装置被配置为连接到不接地的电池并且计算设置有所述电池的系统的绝缘电阻，该接地故障检测装置包括：检测电容器，被配置为用作飞跨电容器；开关组，该开关组用于进行第一充电路径、第二充电路径、第三充电路径和测量路径之间的切换，该第一充电路径连接所述电池与所述检测电容器，该第二充电路径连接所述电池、负侧绝缘电阻和所述检测电容器，所述负侧绝缘电阻是所述电池的负侧线到地的绝缘电阻，该第三充电路径连接所述电池、正侧绝缘电阻和所
述检测电容器，所述正侧绝缘电阻是所述电池的正侧线到所述地的绝缘电阻，该测量路径用于测量所述检测电容器的充电电压；以及控制器，其被配置为控制开关组并且基于在每个充电路径的充电之后存在的检测电容器的充电电压测量值来计算绝缘电阻，其中，在测量第三充电路径的充电电压之后，控制器被配置为使开关组在切换到第一充电路径之前暂时切换到第二充电路径。
附图说明
20.图1是示出根据本发明的实施例的接地故障检测装置的配置的框图；
21.图2a是用于说明v0-充电路径和测量路径的图；
22.图2b是用于说明v0-充电路径和测量路径的图；
23.图2c是用于说明v0-充电路径和测量路径的图；
24.图3a是用于说明vc1n-充电路径和vc1p-充电路径的图；
25.图3b是用于说明vc1n-充电路径和vc1p-充电路径的图；
26.图4是用于说明根据现有技术在一般测量周期期间y电容器的充电状态的时序图；以及
27.图5是用于说明在根据实施例的测量期间y电容器的充电状态的时序图。
28.参考标记列表
29.100接地故障检测装置
30.110控制装置
31.300高压电池
32.301正极侧电源线
33.302负极侧电源线
34.c1检测电容器
35.cypy电容器
36.cyny电容器
37.rlp正极侧绝缘电阻
38.rln负极侧绝缘电阻
39.s1-s4和sa开关
具体实施方式
40.将参考附图详细描述本发明的实施例。图1示出了说明根据本发明的实施例的接地故障检测装置100的配置的框图。如该图所示，接地故障检测装置100是基于飞跨电容器的装置，其中该装置被配置为连接到高压电池300并且用于检测其中布置有高压电池300的系统中的接地故障。这里，rlp和rln应分别表示地与高压电池300的正极侧之间的绝缘电阻以及地与高压电池300的负极侧之间的绝缘电阻。
41.高压电池300是用于驱动车辆的电池。高压电池300由诸如锂离子电池这样的可充电电池形成，并且驱动诸如电动机(未示出)的负载，该负载连接到正极侧电源线301和/或负极侧电源线302。
42.称为y电容器的电容器cyp和cyn分别连接在正极侧电源线301与地之间以及负极
侧电源线302与地之间。这里，地与电源线301和302中的每条电源线之间的杂散电容也应被处理为包括在y电容器cyp、cyn中。
43.如该图所示，接地故障检测装置100包括检测电容器c1和控制装置110，其中，检测电容器c1作为飞跨电容器运行。接地故障检测装置100还包括在检测电容器c1周围的四个开关s1至s4，用于切换检测电容器c1的充电路径并用于形成充电电压测量路径。这些开关能够由绝缘切换元件形成，例如光mosfet。此外，接地故障检测装置100包括用于对与检测电容器c1的充电电压对应的测量的电压进行采样的开关sa。
44.开关s1的第一端连接到正极侧电源线301，并且开关s1的第二端连接到二极管d1的阳极侧。二极管d1的阴极侧连接到电阻器r1的第一端，其中，电阻器r1的第二端连接到检测电容器c1的第一极。开关s2的第一端连接到负极侧电源线302，并且开关s2的第二端连接到电阻器r2的第一端。电阻器r2的第二端连接到检测电容器c1的第二极。
45.开关s3的第一端连接到电阻器r5的第一端和二极管d3的阳极侧，并且开关s3的第二端连接到电阻器r3的第一端和开关sa的第一端。开关sa的第二端连接到控制装置110的模拟输入端和电容器c2的第一极，其中电容器c2具有第二接地极。二极管d3的阴极侧连接到检测电容器c1的第一极，并且电阻器r5的第二端连接到二极管d2的阴极侧。二极管d2的阳极侧连接到检测电容器c1的第一极。电阻器r3具有第二接地端。开关s4的第一端连接到检测电容器c1的第二极，并且开关s4的第二端连接到电阻器r4的第一端。电阻器r4具有第二接地端。
46.控制装置110例如由微计算机形成，并且通过执行预先内置于控制装置110中的程序来执行接地故障检测装置100所需的各种控制。具体地，控制装置110通过单独地控制开关s1至s4以及开关sa来切换充电路径，并且控制检测电容器c1的充电电压测量和放电。
47.尽管上面已经描述了在基于飞跨电容器的接地故障检测装置中广泛使用的基本电路配置，但是还存在基于飞跨电容器的接地故障检测装置的各种示例性修改，并且接地故障检测装置100的配置不限于该图的示例。
48.为了得知绝缘电阻rlp和rln，接地故障检测装置100以与现有技术中相同的方式重复测量操作，其中，用于测量操作的一个循环被定义为v0测量周期
→
vc1n测量周期
→
v0测量周期
→
vc1p测量周期的顺序。然而，在本实施例中，在导致y电容器cyp和cyn的充电状态平衡损失的vc1n测量周期和vc1p测量周期之后，立即使这些y电容器中的电荷强制放电，以便使y电容器快速地接近平衡状态。下面将描述该操作。
49.在所有v0测量周期、vc1n测量周期和vc1p测量周期中，在执行检测电容器c1的充电电压的测量之前，通过各个充电路径对检测电容器c1充电。随后，检测电容器c1放电以进行下一测量。
50.在v0测量周期中，测量与高压电池300的电压对应的电压。为此，开关s1和s2接通并且开关s3和s4断开，以便对检测电容器c1充电。这意味着高压电池300、电阻器r1、检测电容器c1和电阻器r2形成充电路径，如图2a所示。将高压电池300连接到检测电容器c1的该充电路径应被称为v0充电路径或第一充电路径。
51.为了测量检测电容器c1的充电电压，开关s1和s2断开，开关s3和s4接通，并且开关sa接通，如图2b所示，其中，控制装置110则进行采样。然后，如图2c所示，通过断开开关sa，对检测电容器c1进行放电以进行下一测量。在剩余测量周期中以相同方式执行检测电容器
c1的充电电压的测量及检测电容器c1的放电的操作。
52.通过断开开关s1和s2并且接通开关s3和s4而形成的路径应当被称为测量路径。即，在测量路径中执行检测电容器c1的充电电压测量和检测电容器c1的放电。
53.在vc1n测量周期中，测量反映绝缘电阻rln的影响的电压。为此，开关s1和s4接通并且开关s2和s3断开，以便对检测电容器c1充电。这意味着高压电池300、电阻器r1、检测电容器c1、电阻器r4和绝缘电阻rln形成充电路径，如图3a中所示。连接高压电池300、绝缘电阻rln和检测电容器c1的该充电路径应被称为vc1n充电路径或第二充电路径。
54.在vc1p测量周期中，测量反映绝缘电阻rlp的影响的电压。为此，开关s2和s3接通并且开关s1和s4断开，以便对检测电容器c1充电。即，如图3b所示，高压电池300、绝缘电阻rlp、地、电阻器r3、电阻器r1、检测电容器c1是充电路径。连接高压电池300、绝缘电阻rlp和检测电容器c1的该充电路径应被称为vc1p充电路径或第三充电路径。
55.基于在这些测量周期期间获得的电压v0、vc1n和vc1p，控制装置110计算绝缘电阻。在计算值等于或低于预定基准水平的情况下，判定已经发生接地故障，并且输出警报。
56.接下来，将描述如下操作：其中，由于形成vc1n充电路径/vc1p充电路径而处于不平衡状态的y电容器cyp和cyn中的电荷被强制放电，以使y电容器快速接近平衡状态。
57.首先，将参考图4中的时序图描述在常规的一般测量循环期间y电容器cyp和cyn的充电状态作为参考示例，用于与本发明的实施例进行比较。
58.如上所述，接地故障检测过程重复测量操作，该测量操作具有被定义为v0测量周期
→
vc1n测量周期
→
v0测量周期
→
vc1p测量周期的顺序的循环。在初始状态下，y电容器cyp和cyn应处于平衡状态。
59.在t1处，开关s1和开关s2接通，并且开关s3和开关s4断开以形成v0充电路径。以这种方式，检测电容器c1被充电为v0。
60.在经过预定时间之后的t2处，开关s1和开关s2断开，开关s3和开关s4接通，并且开关sa接通以形成测量路径，然后测量v0。一旦已经测量了v0，则开关sa断开。检测电容器c1通过电阻器r3和电阻器r4放电。
61.在t3处，开关s1和开关s4接通，并且开关s2和开关s3断开以形成vc1n充电路径。以这种方式，检测电容器c1被充电为vc1n。在vc1n充电路径中，绝缘电阻rln形成充电路径的一部分，这破坏了y电容器cyp(虚线)与cyn(实线)之间的平衡，从而扩大了不平衡程度。
62.在经过预定时间之后的t4处，开关s1和开关s2断开，开关s3和开关s4接通，并且开关sa接通以形成测量路径，然后测量vc1n。一旦已经测量了vc1n，则开关sa断开。检测电容器c1通过电阻器r3和电阻器r4放电。y电容器cyp和cyn根据其电容以及正和负绝缘电阻的时间常数缓慢地向平衡状态转变。
63.在t5处，开关s1和开关s2接通，并且开关s3和开关s4断开以形成v0充电路径。以这种方式，检测电容器c1被充电为v0。然而，y电容器cyp、cyn不从不平衡状态返回到平衡状态，这影响检测电容器c1的充电电压。因此，如果通过使用在经过预定时间之后的t6处所获得的v0测量值来计算绝缘电阻，则降低了计算精度。这同样适用于在t7处形成vc1p充电路径之后的下一循环的v0测量。
64.接下来，将参考图5中的时序图描述在由上述实施例的接地故障检测装置100执行的测量循环期间的y电容器cyp和cyn的充电状态作为参考示例，用于与本发明的实施例进
行比较。基本上，根据本实施例的接地故障检测过程也重复测量操作，其具有被定义为v0测量周期
→
vc1n测量周期
→
v0测量周期
→
vc1p测量周期的顺序的循环。在初始状态下，y电容器cyp和cyn应处于平衡状态。此外，在控制装置110的控制下执行以下处理。
65.在t1处，开关s1和开关s2接通，并且开关s3和开关s4断开以形成v0充电路径。以这种方式，检测电容器c1被充电为v0。
66.在经过预定时间之后的t2处，开关s1和开关s2断开，开关s3和开关s4接通，并且开关sa接通以形成测量路径，然后测量v0。一旦已经测量了v0，则开关sa断开。检测电容器c1通过电阻器r3和电阻器r4放电。
67.在t3处，开关s1和开关s4接通，并且开关s2和开关s3断开以形成vc1n充电路径。以这种方式，检测电容器c1被充电为vc1n。在vc1n充电路径中，绝缘电阻rln形成充电路径的一部分，这破坏了y电容器cyp(虚线)与cyn(实线)之间的平衡，从而增加了不平衡程度。
68.在经过预定时间之后的t4处，开关s1和开关s2断开，开关s3和开关s4接通，并且开关sa接通以形成测量路径，然后测量vc1n。一旦已经测量了vc1n，则开关sa断开。检测电容器c1放电。
69.在此之后，立即在切换到v0充电路径之前的t5处，执行临时切换到vc1p充电路径。这意味着开关s1和s4断开并且开关s2和s3接通。以此方式，检测电容器c1朝向vc1p充电。而且，由于y电容器cyp和cyn被强制在与vc1n充电路径相反的方向上放电，因此y电容器快速向平衡状态转变。
70.在接下来的时间t6，开关s1和开关s2断开，并且开关s3和开关s4接通以再次切换到测量路径，以便使检测电容器c1放电。y电容器cyp和cyn根据其电容以及正绝缘电阻和负绝缘电阻的时间常数向平衡状态转变。然而，由于在相反方向上的强制充电和放电，y电容器cyp和cyn已经足够接近平衡状态。
71.在t7处，开关s1和开关s2接通，并且开关s3和开关s4断开以形成v0充电路径。以这种方式，检测电容器c1被充电为v0。由于y电容器cyp和cyn已经几乎返回到平衡状态，所以它们不影响检测电容器c1的充电电压。
72.在t8处测量v0之后，在t9处开关s2和开关s3接通，并且开关s1和开关s4断开，用于切换到vc1p充电路径。此后，y电容器cyp和cyn以与上述类似的方式在相反方向上被强制充电/放电。
73.这意味着在t10处，执行到测量路径的切换并且测量vc1p，并且在此之后，在切换到v0充电路径之前，立即在t11处临时执行向vc1n充电路径的切换。这意味着开关s1和s4接通并且开关s2和s3断开。由于y电容器cyp和cyn以上述方式在与vc1n充电路径相反的方向上被强制放电，因此y电容器快速向平衡状态转变。在接下来的时间t12处，开关s1和开关s2断开，并且开关s3和开关s4接通以再次切换到测量路径，以便使检测电容器c1放电。在下一循环期间的v0充电路径中，由于y电容器cyp和cyn已经几乎返回到平衡状态，所以y电容器cyp、cyn不影响检测电容器c1的充电电压。
74.如上所述，根据本实施例的接地故障检测装置100，即使当y电容器由于充电路径的影响而进入不平衡状态时，由于y电容器在充电电压测量之后立即在相反方向上被强制充电/放电，因此y电容器也快速返回到平衡状态。以这种方式，能够在不增加检测时间的情况下防止绝缘电阻的检测精度由于y电容器的影响而降低。另外，由于y电容器通过不导致
增加成本的临时切换充电路径而充电/放电，所以基于软件的控制足以致使y电容器在相反方向上充电/放电，而不需要专用设备，例如平衡状态形成电路。
75.尽管已经参考重复测量操作的示例描述了本实施例，该测量操作具有被定义为v0测量周期
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vc1n测量周期
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v0测量周期
→
vc1p测量周期的顺序的循环，但是应当注意，本发明还可以应用于具有被定义为v0测量周期
→
vc1n测量周期
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vc1p测量周期的顺序或v0测量周期
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vc1p测量周期
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v0测量时段
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vc1n测量周期的顺序的循环的测量。在任何情况下，在y电容器的充电状态在vc1n充电路径/vc1p充电路径中达到不平衡之后，在切换到v0充电路径之前使y电容器在相反方向上被强制充电/放电就足够了。