絕緣缺陷的檢測的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電力供應裝置，其包含：持續(xù)電壓電源；和用于檢測絕緣缺陷的裝置(4)，其包含連接到所述電壓電源的端子的第一輸入端子和第二輸入端子(47、48)，第一電路(41)，其連接在所述第一輸入端子(47)和中間點(49)之間，第二電路(42)，其連接在所述第二輸入端子(48)和所述中間點之間，和用于檢測絕緣缺陷電流的電路(45)，其連接在接地和所述中間點(49)之間。所述第一電路和第二電路為限流器，其被配置成選擇性地斷開及接通其輸入端子和所述中間點之間的連接。所述裝置包含控制電路(8)，其被配置成同時地保持所述限流器中的一個斷開而所述限流器中的另一個接通。
【專利說明】絕緣缺陷的檢測
[0001]本發(fā)明涉及直流(DC)電壓電源或網(wǎng)絡相對于地面的絕緣。
[0002]大功率直流電壓電力系統(tǒng)經(jīng)歷了顯著的發(fā)展。事實上，許多運輸系統(tǒng)都包含直流電壓供應器。
[0003]具體地，混合式燃燒/電動或電動車輛包含大功率電池組。為了獲得適當?shù)碾妷弘娖?，串?lián)放置若干電化學蓄電池。為了獲得大功率和大容量，串聯(lián)放置若干組蓄電池。級數(shù)(蓄電池的組數(shù))和每一級中并聯(lián)的蓄電池的數(shù)目根據(jù)所希望的電壓、電流和電池容量而變化。若干蓄電池的聯(lián)用被稱作一組蓄電池。這些車輛所使用的電化學蓄電池通常為鋰離子型的，這是因為鋰離子蓄電池以有限的重量和體積儲存大量能量的能力。磷酸鐵鋰離子LiFePCM類型的電池技術(shù)由于固有的高安全等級而得到了顯著發(fā)展，但缺點為稍微受限制的能量儲存密度。
[0004]這些電池組用于借助逆變器來推進交流(AC)電動機。這些電機所需的電壓電平達到數(shù)百伏特，通常約為400伏特。這些電池組還具有高容量，以便賦予電動模式下車輛的續(xù)航。特定于汽車應用的一些技術(shù)原因?qū)е略谲囕v的機械主體(由車輛的金屬底盤和金屬車架形成，且因此用戶可進入)和電池組電勢之間使用絕緣。主要原因為，不可能在駕駛中第一次絕緣缺陷發(fā)生時立刻斷開牽引用電池組。例如以下情形，其中在蓄電池組的一個極上出現(xiàn)絕緣缺陷時，另一個極已連接到機械結(jié)構(gòu)。這會顯現(xiàn)為短路和保險絲的立即熔斷。這將具有使車輛危險的結(jié)果?？紤]到牽引動力的消失或再生式制動，因此必須使電池組絕緣，并出于個人安全的原因用絕緣監(jiān)測儀來檢查這種絕緣。事實上，如果在發(fā)生第一缺陷時用戶無風險，那么適宜的方法是在出現(xiàn)具有斷開牽引用電池組的效果的第二缺陷之前警示所述用戶該第一缺陷，因為這會導致電池組的正極端子和負極端子之間的短路。另外，在發(fā)生所述第二缺陷時，電池的電壓將直接連接到車輛的機械主體，并且因此用戶將可能和機械主體接觸?？紤]到這種能量源對用戶的潛在風險，必須尤其小心地注意電池和機械主體之間的絕緣以及所述絕緣的監(jiān)測。車輛的任何導電部分必須相對于主體絕緣。通過使用絕緣材料來實現(xiàn)這種絕緣。絕緣可能隨著時間而退化(由于振動、機械碰撞、灰塵等)，并且因此將機械主體置于危險的可能性中。
[0005]另外，可能使用并未和電力網(wǎng)絡電絕緣的充電器。按照規(guī)范，車輛的機械主體在再充電期間是接地的，而且常規(guī)使用的中性點機制(EE機制)在駐停時將中性點接地，這相當于在再充電期間將車輛的機械主體連接到電池的一個電勢。因此，和只施加電池的整個電壓的一半且首要是監(jiān)測所述電壓的標稱情形相比，在這些再充電期間，橫跨絕緣端子施加此電池的整個電壓。這種絕緣可能不能處理整個電壓，從而形成立即導致短路的第二缺陷。
[0006]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電動車輛通常具有意圖用于三相電動機的電力供應的電池組。所述電池組包括電化學蓄電池。裝備有保險絲的保護裝置連接到電池組的端子。絕緣監(jiān)測裝置也連接到所述電池組的端子，并連接到車輛的機械主體。所述絕緣監(jiān)測裝置連接到計算機，以便將檢測到的絕緣缺陷發(fā)信號給所述計算機。所述計算機由車載網(wǎng)絡電池組供電。所述電池組的端子利用截止系統(tǒng)將電壓+Vbat和-Vbat施加到逆變器的直流輸入端。所述截止系統(tǒng)包括由所述計算機控制的電力接觸器。所述電動機連接到所述逆變器的交流輸出端。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，已知多種類型的絕緣監(jiān)測。
[0007]文件FR2671190具體地描述一種用于監(jiān)測直流電壓電力網(wǎng)絡的絕緣的裝置。該文件描述以低頻率(在4Hz和IOHz之間)注入交流分量(約30V)的電阻電橋。檢測電路測量通過絕緣阻抗器和測量電阻器直到接地的電流。這種電路的設計涉及對電阻電橋的電阻器的額定值的折衷。
[0008]電阻電橋會引起保持較明顯的電力消耗，以便保留適當?shù)臏y量精密度。例如考慮到電動車輛的續(xù)航降低的因素，這種電流消耗可能變得與車載系統(tǒng)中的應用不相容。另外，具體考慮到使用額定為高直流電壓的低頻率發(fā)電機，這種裝置是相對昂貴的。此外，檢測電路只允許檢測端子之一和接地之間的絕緣缺陷，而不允許檢測另一個端子和接地之間的絕緣缺陷。另外，這種監(jiān)測裝置易發(fā)生誤報(false positive)錯誤，這些誤報錯誤會通過非適時的檢測而顯現(xiàn)，這是因為在交流電流通過逆變器中存在的共模電容器時所述監(jiān)測裝置會檢測到絕緣缺陷。
[0009]在電動車輛I中通常實施的另一種解決方案中，絕緣監(jiān)測裝置包括電阻分壓器。雙向光耦合器連接在分壓器的中點和機械主體之間。分壓器在所述中點的任一側(cè)上的電阻器是一樣的。因此，當不存在絕緣缺陷時，橫跨光耦合器的端子的電壓為零，并且不發(fā)信號通知絕緣缺陷。當在電池組的端子之一和機械主體之間出現(xiàn)絕緣缺陷時,分壓器的中點電勢就會偏移。然后橫跨光耦合器的端子出現(xiàn)電壓，因此產(chǎn)生絕緣缺陷信號。
[0010]在檢測到強加較低的泄漏電流閾值的調(diào)節(jié)的情況下，分壓器中存在的電阻器必須具有相對受限的值，約為50k Ω。于是，這些電阻器引起相對明顯的直流電消耗，這對電池組所提供的續(xù)航不利。
[0011]圖14的圖表示出了針對端子和中點之間的各種電阻值，作為絕緣電阻的函數(shù)的對最小電池組電壓(在這一例子中為192V)的泄漏電流。應注意到，舉例來說，IOkQ的電阻值使得可能檢測到小于50k Ω的絕緣缺陷電阻，而56k Ω的電阻值使得可能檢測到小于僅IkQ的絕緣缺陷電阻。
[0012]此外，由于老化問題，某些絕緣材料可能變得在正常操作下適合于承受機械主體和電池組端子之間的電壓，但在其經(jīng)受電池組端子之間的總電壓時由于絕緣缺陷則可能燒壞。這種監(jiān)測裝置并不能測試和檢測像這樣的潛在絕緣缺陷，并且這可能導致連鎖絕緣缺陷。一個極上的第一絕緣缺陷會在另一極和接地之間施加總電壓。如果這個另一極的絕緣不能承受所述總電壓，那么出現(xiàn)第二絕緣缺陷。這會形成短路以及保險絲的熔斷。這對應于牽引力的損失和隨后車輛的突然失去機動性，這是危險的。
[0013]此外，這種絕緣監(jiān)測裝置使得可能只檢測絕緣缺陷而不確定其量值。
[0014]本發(fā)明的目的是解決這些缺點中的一個或多個。因此，本發(fā)明涉及一種電力供應裝置，所述電力供應裝置包括:
[0015]-易于引起觸電的直流電壓電源；
[0016]-用于檢測所述直流電壓電源的絕緣缺陷的裝置，其包括:
[0017]-連接到所述電壓電源的端子的第一輸入端子和第二輸入端子；
[0018]-第一電路，其連接在所述第一輸入端子和中間點之間；
[0019]-第二電路，其連接在所述第二輸入端子和所述中間點之間；
[0020]-絕緣缺陷電流檢測電路，其連接在電接地和所述中間點之間。[0021]所述第一電路和第二電路為限流器，其配置成選擇性地斷開和接通其相應輸入端子和所述中間點之間的連接，所述限流器電路中的每一個都被額定成使得在接通所述第一或第二限流器電路且直流電壓電源的端子之一短路到電接地時，小于標準安全閾值的電流穿過所述限流器電路。
[0022]控制電路被配置成同時地保持所述限流器電路中的一個斷開而所述限流器電路中的另一個接通。
[0023]根據(jù)一種變型，所述限流器電路中的每一個都包括由控制電路控制的光耦合器，以便選擇性地斷開和接通其相應限流器電路中的連接。
[0024]根據(jù)另一變型，所述裝置包括:第一電容器，其在第一輸入端子和電接地之間與第一限流器電路并聯(lián)連接；第二電容器，其在所述第二輸入端子和電接地之間與第二限流器電路并聯(lián)連接，所述控制電路被配置成在接通所述限流器電路中的一個的連接時檢測所述電容器中的一個的放電。
[0025]根據(jù)另一變型，所述控制電路按10秒與30秒之間的時間間隔以重復方式來接通所述限流器電路中的每一個。
[0026]根據(jù)再一變型，所述控制電路保持以小于2%的占空比接通所述限流器電路。
[0027]根據(jù)一種變型，電流檢測電路包括微控制器，所述微控制器包括接收源于所述中間點的絕緣缺陷電流的輸入端子，所述輸入端子借助第一電阻器連接到電力供應器，而且所述輸入端子借助第二電阻器電接地，所述電力供應器的電壓電平是直流電壓電源的電壓電平的十分之一或更小，所述微控制器被配置成根據(jù)施加到其輸入端子的電壓來確定絕緣缺陷的幅度。
[0028]根據(jù)另一變型，每一限流器電路包括:
[0029]-第一晶體管，其包括連接到檢測裝置的相應輸入端子的輸入電極，輸出電極和控制電極；
[0030]-第一電阻器，其連接在所述輸入電極和所述控制電極之間；
[0031]-第二電阻器，其連接在所述輸出電極和所述中間點之間；
[0032]-用于限制控制電極上的電壓電平的元件。
[0033]根據(jù)另一變型，所述第一晶體管為金屬氧化物半導體場效應(MOSFET)晶體管。
[0034]根據(jù)再一變型，用于限制電壓電平的元件為連接在第一晶體管的控制電極和中間點之間的齊納二極管(Zener diode)。
[0035]根據(jù)另一變型，用于限制電壓電平的元件為雙極型晶體管，其基極連接到第一晶體管的輸出電極，其發(fā)射極連接到中間點，且其集電極連接到第一晶體管的控制電極。
[0036]根據(jù)再一變型，所述限流器電路中的每一個都被額定成使得在接通第一或第二限流器電路且直流電壓電源的端子之一短路到電接地時，小于3.5mA的電流穿過所述限流器電路。
[0037]根據(jù)一種變型，所述限流器電路中的每一個都被額定成使得在控制電路將接通命令施加到該限流器電路時，在直流電壓電源的端子之一和電接地之間的短路所引起的電流穿過該限流器電路時該限流器電路保持接通。
[0038]本發(fā)明還涉及一種動力化系統(tǒng)，包括:
[0039]-如上文中所描述的電力供應裝置，其中所述直流電壓電源為電池；[0040]-逆變器，其具有直流接口和交流接口，所述電池的端子連接到所述直流接口；
[0041]-電動機，其連接到所述逆變器的所述交流接口。
[0042]根據(jù)一種變型，橫跨所述電池組的所述端子的電壓大于100V。
[0043]本發(fā)明另外涉及一種包括如上文所描述的動力化系統(tǒng)的汽車。
[0044]根據(jù)本發(fā)明在下文中給出的描述，借助完全非限制性的指示并參考附圖，將清楚地顯現(xiàn)本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點，在圖中:
[0045]-圖1為具有由電池組供電的電動機的示例性車輛的示意圖；
[0046]-圖2為用于電力供應裝置的絕緣缺陷檢測裝置的一個實施例的示意圖；
[0047]-圖3和圖4示出了在兩個監(jiān)測階段期間絕緣缺陷檢測裝置的配置；
[0048]-圖5為限流器的第一變型的電氣圖
[0049]-圖6為限流器的第二變型的電氣圖
[0050]-圖7為限流器的第三變型的電氣圖
[0051]-圖8為限流器的第四變型的電氣圖
[0052]-圖9為應用于所述第三變型的增強的電氣圖；
[0053]-圖10為限流器的第五變型的電氣圖；
[0054]-圖11為基于閾值的泄漏電流檢測電路的示意圖
[0055]-圖12為用于量化所述泄漏電流的電路的示意圖
[0056]-圖13為使得可能測試檢測裝置的增強的示意圖
[0057]-圖14為示出了根據(jù)絕緣缺陷檢測裝置的電阻器的額定值來檢測的各種泄漏電流的圖表；以及
[0058]-圖15和圖16為包含限流器的變型的絕緣缺陷檢測電路的電氣圖。
[0059]本發(fā)明提出一種電力供應裝置，其裝備有用于檢測易于引起觸電的直流電壓電源的絕緣缺陷的裝置。此裝置包括:意圖連接到所述電壓電源的端子的第一輸入端子和第二輸入端子。第一電路連接在所述第一輸入端子和中間點之間，第二電路連接在所述第二輸入端子和所述中間點之間。絕緣缺陷電流檢測電路連接在電接地和所述中間點之間。
[0060]所述第一電路和第二電路為限流器，其被配置成選擇性地斷開和接通其相應輸入端子和中間點之間的連接?？刂齐娐繁慌渲贸赏瑫r地保持所述限流器電路中的一個斷開而所述限流器電路中的另一個接通。
[0061]因此，本發(fā)明使得可能通過有限的電流消耗并且借助簡單的手段來檢測所述電源的兩個端子上的絕緣缺陷的出現(xiàn)。另外，本發(fā)明使得可能通過在測試期間將整個電源電勢差施加到絕緣體的端子來檢測絕緣缺陷。因此，可能預防性地確定電介質(zhì)擊穿所致的絕緣缺陷的風險。另外，本發(fā)明使得可能無需在直流電壓電源的端子處注入低頻率交流分量。而且，本發(fā)明使得可能在不損害對用戶的保護的情況下改善檢測的靈敏度。
[0062]另外，本發(fā)明與生產(chǎn)絕緣缺陷檢測裝置的領域內(nèi)的技術(shù)人員的技術(shù)偏見相反:根據(jù)所述技術(shù)偏見，使用有源硬件元件使得不可能確保令人滿意的可靠性和因此對用戶的充分保護。
[0063]限流器的通常公認定義(例如，由施耐德電氣公司(Schneider Electric)在1998年9月公布的技術(shù)規(guī)范162所提供)為:一種在短路期間允許在幅度上明顯低于假定電流的電流通過的裝置，所述假定電流基于在不存在短路的情況下允許通過的電流。在下文中，措辭限流器將特指下面這樣一種硬件元件或電路:當橫跨其端子的電壓小于飽和電壓時其具有大體上恒定的阻抗，而當該電壓大于所述飽和閾值時其具有與橫跨其端子的電壓成比例的阻抗。這種屬性可被用來確保在飽和電壓下的良好測量靈敏度，且因此確保在大于飽和電壓時對用戶的充分保護。
[0064]圖1示出了實施本發(fā)明的實施例的示例性車輛I。所述車輛I為電動車輛，其以本身已知的方式包括電池組2，所述電池組2包括串聯(lián)連接的電化學蓄電池21。電池2包括串聯(lián)連接的大量蓄電池21，通常在40個蓄電池和150個蓄電池之間，這取決于所需要的電壓和所使用的蓄電池類型。橫跨充電電池組2的端子的電壓通常約為400V。電池2將電壓+Vbat施加到第一端子，且將電壓-Vbat施加到第二端子。蓄電池21借助電力連接而串聯(lián)連接。電池組2的端子連接到逆變器6的直流接口。電動機7連接到逆變器6的交流接□。
[0065]借助保護電路3且借助電力耦合電路5來實現(xiàn)電池組2的端子和逆變器6的直流接口之間的連接。保護電路3可以本身已知的方式包括配置成在短路期間斷開所述連接的保險絲。電力耦合電路5包括斷路器51和52，使得可能選擇性地將電池組2的端子連接到逆變器6的直流接口或使電池組2的端子與逆變器6的直流接口斷開。斷路器51和52的斷開/接通由控制電路8控制，所述控制電路8通常為用于管理電池組2的操作的計算機?？刂齐娐?通常借助電池組91來供電，所述電池組91用于為車輛I的車載網(wǎng)絡供電，且具有比電池組2的電壓電平低得多的電壓電平?？刂齐娐?通常連接到機械主體93，所述機械主體包含車輛I的金屬底盤和車架92。
[0066]用于檢測絕緣缺陷4的裝置連接到電池組2的端子和機械主體93。圖2中示意性地詳述這種檢測裝置4的實施例。檢測裝置4包括輸入端子47和48，其中借助電力連接95和96將電壓+Vbat和-Vbat分別地施加到所述輸入端子47和48。檢測裝置4包括中間點49。絕緣缺陷電流檢測電路45連接在中間點49和機械主體93之間。限流電路41連接在輸入端子47和中間點49之間。如圖所示，電路41具有限流功能411，其被額定為將通過電路41的電流限制為低于絕緣缺陷電流的標準所確定的安全閾值(例如3.5毫安)的值。電路41另外具有斷路器功能412，這使得其可能選擇性地斷開和接通輸入端子47和中間點49之間的連接。斷路器功能412的斷開/接通由控制電路8控制。
[0067]限流電路42連接在輸入端子48和中間點49之間。電路42具有限流功能421，其被額定為將通過電路42的電流限制為低于絕緣缺陷電流的標準所確定的安全閾值(例如
3.5毫安)的值。電路42另外具有斷路器功能422，這使得其可能選擇性地斷開和接通輸入端子48和中間點49之間的連接。斷路器功能422的斷開/接通由控制電路8控制。
[0068]限流功能411和421有利地為額定的，以使得針對零絕緣缺陷電阻，在斷路器功能412或422的接通期間通過其的電流小于安全值Imax。在這種情形中，值Imax由Imax=Vb/Zmax定義，其中Vb為電池組的標稱電壓，且Zmax為當將電壓Vb施加于橫跨其端子時限流功能的阻抗。Imax將能夠小于或等于10mA，小于5mA，小于或等于3.5mA或者小于或等于2mA ο
[0069]如圖3中示出，為了測試電池2的+Vbat端子和機械主體93之間的絕緣，控制電路8斷開限流電路41中的斷路器功能，且接通限流電路42中的斷路器功能。電流檢測電路45然后與限流電路42串聯(lián)連接在-Vbat端子和機械主體93之間。在+Vbat側(cè)上有絕緣缺陷的情形中，借助+Vbat端子和接地93之間的絕緣缺陷形成電路。通過電路45的絕緣缺陷電流可為絕緣缺陷的大小的線性函數(shù)，但此絕緣缺陷電流受到電路42的限制。當絕緣缺陷電阻的值足夠高時，通過接通的限制電路42的絕緣缺陷電流小于由此限制電路定義的電流限值。
[0070]如圖4中示出，為了測試電池組2的-Vbat端子和機械主體93之間的絕緣，控制電路8斷開限流電路42中的斷路器功能，且接通限流電路41中的斷路器功能。電流檢測電路45則與限流電路41串聯(lián)連接在+Vbat端子和機械主體93之間。在-Vbat側(cè)上有絕緣缺陷的情形中，借助端子-Vbat和接地93之間的絕緣缺陷形成電路。通過電路45的絕緣缺陷電流可為絕緣缺陷的大小的線性函數(shù)，但此絕緣缺陷電流受到電路41的限制。當絕緣缺陷電阻的值足夠高時，通過接通的限制電路的絕緣缺陷電流小于由該限制電路定義的電流限值。
[0071]圖5示出了限流功能411的第一變型(此領域中的技術(shù)人員當然可實現(xiàn)類似的限流功能421)。此限流功能411包括NPN雙極型晶體管TB11，其集電極連接到端子47。偏壓電阻器Rl連接在晶體管TBll的所述集電極和基極之間。電阻器R2連接在晶體管TBll的發(fā)射極和中間點49之間。齊納二極管DZl連接在所述中間點和晶體管TBll的基極之間。
[0072]齊納二極管DZl使得可能以本身已知的方式維持基極和中間點49之間的大體恒定的電壓。偏壓電阻器Rl使得可能在端子47和中間點49之間出現(xiàn)電流時接通晶體管TBll并且給DZl加偏壓。最大電流Imax大體對應于通過晶體管TBll的電流，且因此可由以下關系來表示:
[0073]Imax= (Vz-Vbe) /R2
[0074]其中Vz為齊納二極管的擊穿電壓，Vbe為晶體管TBll的基極和發(fā)射極之間的電壓，且R2為電阻器R2的值。
[0075]電阻器Rl的功能為將此分支中的電流限制到最大值，同時能夠為晶體管TBll和齊納二極管DZl加偏壓。出于此目的，有利地電阻器Rl將具有在IOOkQ和5ΜΩ之間的電阻。二極管DZl將有利地具有在5V和20V之間的擊穿電壓，例如15V。在這些值的情況下，電阻器R2通常將具有7kQ的值，以便在絕緣缺陷短路期間將通過電路41的最大電流限制到 2mA。
[0076]圖6示出了限流功能411的第二變型。此限流功能包括NPN雙極型晶體管TB11，其集電極連接到端子47。偏壓電阻器Rl連接在晶體管TBll的集電極和基極之間。電阻器R2連接在晶體管TBl I的發(fā)射極和中間點49之間。NPN雙極型晶體管TB12將其集電極連接到晶體管TBll的基極，將其基極連接到晶體管TBll的發(fā)射極，且將其發(fā)射極連接到中間點49。
[0077]最大電流Imax大體上對應于通過晶體管TBll的電流，且因此可由以下關系來表示:
[0078]Imax= (Vbe)/R2 (Vbe在這里為晶體管TB12的基極/發(fā)射極電壓)
[0079]圖7示出了限流功能411的第三變型。此限流功能包括MOSFET晶體管TC11，其漏極連接到端子47。偏壓電阻器Rl連接在晶體管TCll的漏極和柵極之間。電阻器R2連接在晶體管TCll的源極和中間點49之間。齊納二極管DZl連接在中間點和晶體管TCll的柵極之間。[0080]齊納二極管DZl使得可能以本身已知的方式維持柵極和中間點49之間的大體恒定電壓。偏壓電阻器Rl使得可能在端子47和中間點49之間出現(xiàn)電流時接通晶體管TC11。最大電流Imax大體上對應于通過晶體管TCll的電流，且因此可由下列關系表不:
[0081]Imax=(Vz-Vgsth)/R2
[0082]其中Vz為齊納二極管的擊穿電壓，Vgsth為晶體管TCll的柵極/源極閾值電壓，且R2為電阻器R2的值。
[0083]圖8示出了限流功能411的第四變型。此限流功能包括MOSFET晶體管TC11，其漏極連接到端子47。偏壓電阻器Rl連接在晶體管TCll的漏極和柵極之間。電阻器R2連接在晶體管TCll的源極和中間點49之間。NPN雙極型晶體管TB12將其集電極連接到晶體管TCll的柵極，將其基極連接到晶體管TCll的源極，且將其發(fā)射極連接到中間點49。
[0084]最大電流Imax大體上對應于通過晶體管TCll的電流，且因此可由以下關系來表示:
[0085]I= (Vbe)/R2
[0086]其中Vbe為晶體管TB 12的基極/發(fā)射極電壓。
[0087]伴隨NPN晶體管和N溝道Mosfet出現(xiàn)的電流源還可以利用PNP晶體管和P溝道MOS來體現(xiàn)。
[0088]即使所描述的限流功能達到飽和，且不再可能確定絕緣缺陷電流的幅度超出某一閾值，但這對檢測裝置4的操作也并無害，檢測裝置4仍保留其檢測絕緣缺陷的出現(xiàn)的功能，且可選地分析其最初演變。
[0089]在圖5到圖8的變型中，斷路器功能412為測試配置且因此是接通的。因此，限流功能411示出為連接在端子47和中間點49之間。
[0090]圖9示出了合并有根據(jù)第三變型的限流功能411的示例性限流電路41。限流電路41包括以光耦合器43的形式體現(xiàn)的斷路器。光耦合器43包括光電晶體管，其集電極連接到晶體管TCll的柵極，且其發(fā)射極連接到中間點49。
[0091]保護電阻器R3連接在晶體管TCll的漏極和端子47之間。保護齊納二極管DZ2連接在晶體管TCll的漏極和機械主體93之間。這用于保護免受由網(wǎng)絡引起的過電壓，尤其是在使用非絕緣充電器時，以便改善系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
[0092]在這里通過光耦合器43來實現(xiàn)限流電路41的斷路器功能。通過適當?shù)拿?，控制電?將光耦合器43的光電晶體管接通或關斷。在接通狀態(tài)下，光電晶體管保持晶體管TCll關斷，因此確保斷開斷路器功能。所述斷路器功能使得可能交替地接通限流電路41和42。事實上，由于難以生產(chǎn)具有足夠類似屬性的電路41和42，因此電路41和42的同時接通可引起中間點49的電平不平衡，以及因此絕緣缺陷的錯誤檢測。而且，斷路器功能還使得可能通過以下方式來限制除了測試階段以外的檢測裝置4的電流消耗:通過以高占空比保持電路41和42斷開，尤其約束了檢測裝置4的消耗。在直流電壓電源的操作期間，將有利地以小于0.1Hz的頻率(例如，在10秒和30秒之間的時間間隔)以及優(yōu)選地小于2%的接通電路41和42的占空比來接通每一電路41或42。
[0093]限流電路41和42將有利地為額定的，以便在控制電路將接通命令施加給它們時，甚至在對應于端子和接地之間的短路的絕緣缺陷所致的電流穿過它們時，它們?nèi)员３纸油?。將能夠根?jù)控制電路8施加于它們的接通占空比而達到此額定值。[0094]圖9的解決方案的缺點為，為了保持晶體管TCll關斷需要引起光耦合器43中的消耗。圖10的解決方案提出一種使得可能在限流電路41斷開時仍消除此電流消耗的替代方案。限流電路41包括光耦合器43。光耦合器43包括光電晶體管，其集電極連接到電阻器R2，且其發(fā)射極連接到中間點49。
[0095]限流電路41的斷路器功能在這里也借助光耦合器43來實現(xiàn)。通過適當?shù)拿?，控制電?將光電晶體管接通或關斷。在關斷狀態(tài)下，光電晶體管保持晶體管TCll關斷，因此確保斷開斷路器功能。在接通狀態(tài)下，通過晶體管TCll的電流可通過光電晶體管。如在圖9的實例中，斷路器功能使得可能交替地接通限流電路41和42。
[0096]圖15示出了裝備有絕緣缺陷限流器電路的檢測裝置4的變型，其中所述絕緣缺陷限流器電路和用于放大此電流的電路組合在一起。在此變型中，基于雙極型晶體管來實現(xiàn)用于放大泄漏電流的電路。
[0097]檢測裝置4包括串聯(lián)連接在第一端子47和第二端子48之間的第一阻抗器Rll和第二阻抗器R12(在這一例子中為電阻器)。阻抗器Rll和R12借助中間點49連接且優(yōu)選地具有大體相同的值。第一斷路器43與第一阻抗器Rll串聯(lián)連接在端子47和中間點49之間。第二斷路器44與第二阻抗器R12串聯(lián)連接在第二端子48和中間點49之間。在這一例子中，斷路器43和44為MOSFET晶體管。當然，可使用其它類型的受控斷路器?？刂齐娐?控制斷路器43和44的相應斷開/接通。在測試階段期間當控制電路8保證接通斷路器44時其保持斷路器43斷開，且反之亦然。
[0098]放大電路包括:NPN雙極型晶體管TB11，其基極連接到中間點49 ;NPN雙極型晶體管TB21，其集電極連接到中間點49，其基極連接到晶體管TBll的發(fā)射極，且其發(fā)射極連接到檢測電路45的輸入端491。增益電阻器R21連接在晶體管TB21的基極和發(fā)射極之間。保護電阻器R31有利地連接在晶體管TBll的集電極和端子47之間。
[0099]所述放大電路還包括:PNP雙極型晶體管TB12，其基極連接到中間點49 ；PNP雙極型晶體管TB22，其集電極連接到中間點49，其基極連接到晶體管TB12的發(fā)射極，且其發(fā)射極連接到檢測電路45的輸入端491。增益電阻器R22連接在晶體管TB22的基極和發(fā)射極之間。保護電阻器R32有利地連接在晶體管TB12的集電極和端子48之間。
[0100]而且，所述放大電路有利地包括齊納二極管DZ21和DZ22，它們分別連接在TBll的集電極和機械主體93之間以及TB12的集電極和機械主體93之間。
[0101]晶體管TBll和TB12意在放大通過阻抗器Rll和R12的電流，以便增加測量范圍。晶體管TB21和TB22意在限制絕緣缺陷電流，以便確保對用戶的保護。僅利用阻抗器Rll和R12不可能同時地具有擴大的測量范圍和令人滿意的用戶保護。保護電阻器R31和R32以及齊納二極管DZ21和DZ22使得可能保護放大電路的晶體管TB11、TB12、TB21和TB22免受過電壓，尤其是在使用直接施加由網(wǎng)絡引起的過電壓的非絕緣充電器時。
[0102]圖16示出了裝備有絕緣缺陷限流器電路的檢測裝置4的另一變型，所述絕緣缺陷限流器電路和用于放大此電流的電路組合在一起。在此變型中，基于MOS晶體管來實現(xiàn)用于放大泄漏電流的電路。
[0103]檢測裝置4包括串聯(lián)連接在第一端子47和第二端子48之間的第一阻抗器Rll和第二阻抗器R12。阻抗器Rll和R12借助中間點49連接，且優(yōu)選地為大體相同的值。第一斷路器43與第一阻抗器Rll串聯(lián)連接在端子47和中間點49之間。第二斷路器44與第二阻抗器R12串聯(lián)連接在第二端子48和中間點49之間。控制電路8控制斷路器43和44的相應斷開/接通。在測試階段期間當控制電路8保證接通斷路器44時其保持斷路器43斷開，且反之亦然。
[0104]所述放大電路包括在中間點49和檢測電路45的輸入端491之間的頭尾串聯(lián)地安裝的一對齊納二極管46或一個雙向齊納二極管。
[0105]所述放大電路包括N溝道MOS晶體管Rc3，其柵極連接到中間點49。所述放大電路有利地還包括保護電阻器R31，其連接在端子47和晶體管Rc3的漏極之間。
[0106]所述放大電路包括P溝道MOS晶體管Rc4，其柵極連接到中間點49。所述放大電路有利地還包括保護電阻器R32，其連接在端子48和晶體管Rc4的漏極之間。
[0107]所述放大電路包括電流衰減電阻器Rt，其連接在輸入端491和晶體管Rc3和Rc4的源極之間。
[0108]而且，所述放大電路有利地包括齊納二極管DZ21和DZ22，其分別連接在晶體管Rc3和Rc4的漏極和機械主體93之間。這保護電路免受過電壓，尤其是在使用直接施加由網(wǎng)絡引起的過電壓的非絕緣充電器時。雙向齊納二極管(或頭尾二極管對)46使得可能將通過檢測電路45的電流限制為由下列關系定義的值Imax:
[0109]Imax=(Vz-Vgsth)/Rt
[0110]其中Rt為Rt的電阻值，Vz為該對雙向齊納二極管46 (或頭尾二極管對)的閾值電壓，且Vgsth為所述晶體管Rc3或Rc4中的一個的柵極和源極之間的電勢差。
[0111]在測試階段期間且在存在絕緣缺陷時，晶體管Rc3或Rc4的柵極上的電壓足以將其接通。通過接通的晶體管的電流通過電阻器Rt和檢測電路45。因此實現(xiàn)施加到檢測電路45的輸入端491的絕緣缺陷電流的放大。出于硬件和人的安全，最大缺陷電流由電阻器Rt和雙向齊納二極管46 (或頭尾二極管對)限制。
[0112]圖11表示呈滯后型光耦合器451 (為本身已知的結(jié)構(gòu))形式的示例性檢測電路，其使得在絕緣缺陷電流超過閾值時可能檢測到該絕緣缺陷電流。當在輸入端491處的電流超過針對滯后型光耦合器451限定的閾值時，光耦合器451產(chǎn)生關于絕緣缺陷Vde的由控制電路8讀取的檢測信號。
[0113]圖12示出了絕緣缺陷檢測的另一實例，其使得可能確定絕緣缺陷電流的幅度，且因此能夠分析其隨時間的演變。檢測電路45包含微控制器453。微控制器453連接到輸入端491、電勢Vcc和機械主體93。電壓Vcc可從電池組91獲得。二極管454與電阻器456并聯(lián)連接在Vcc和輸入端491之間。二極管455與電阻器457并聯(lián)連接在機械主體93和輸入端491之間。電阻器456和457為相同值。在沒有絕緣缺陷電流的情況下，輸入端491上的電壓為值Vcc/2。任何缺陷電流都會修改輸入端491上的電壓。根據(jù)在輸入端491上讀取的電壓值，微控制器453可精確地確定絕緣缺陷的幅度。在輸入端491上讀取的電壓值可被提供給控制電路8。
[0114]圖13示出了使得可能測試其操作的檢測裝置4的變型。出于此目的，檢測裝置4包括兩個電容器Cl和C2，它們分別連接在端子+Vbat和機械主體93之間以及端子-Vbat和機械主體93之間。
[0115]當控制電路8接通限流電路41時，電容器Cl的放電電流在檢測電路45可測量可能的絕緣缺陷電流之前瞬間通過所述檢測電路45。因此，控制電路8可通過驗證所述瞬間放電電流的存在而識別出所述檢測電路4在工作中。
[0116]當控制電路8接通限流電路42時，電容器C2的放電電流在檢測電路45可測量可能的絕緣缺陷電流之前瞬間通過所述檢測電路45。因此，控制電路8可通過驗證所述瞬間放電電流的存在而識別出所述檢測電路4在工作中。
[0117]這些電容器已經(jīng)和其它功能一起整合在電氣架構(gòu)中，例如以濾除逆變器6內(nèi)部或能量轉(zhuǎn)換器中的共模干擾。在這種情形中，無需任何額外硬件元件。還可以用各種電路內(nèi)部的寄生電容來補充這些電容器。
[0118]這些電容器的放電時間還可以用來估計這些電容器的值以及它們隨時間的可能漂移。
[0119]在交流電電力設置方面，最常見的中性點機制為:
[0120]-EE機制:所述設置的中性點在發(fā)電機側(cè)接地，且金屬主體接地；
[0121]-EN機制:所述設置的中性點在發(fā)電機側(cè)接地，且金屬主體連接到中性點；
[0122]-1E機制:所述設置的中性點和地面絕緣，或通過發(fā)電機側(cè)上的高阻抗器連接，且金屬主體連接到接地插座。
[0123]因此，所述中性點機制一方面定義中性點連接的方式，且另一方面定義在用戶側(cè)主體連接的方式。接地布局的目的是為了通過檢查絕緣缺陷來保護人和硬件。
[0124]電池2的接地布局可以視作電力網(wǎng)絡的IE中性點機制，也就是說，中性點相對于地面絕緣，且機械主體鏈接到地面(但在駕駛時除外，這時借助輪胎使機械主體和地面絕緣)。這種接地布局使得可能確保在出現(xiàn)第一絕緣缺陷時車輛服務的連續(xù)性。因此，用戶可以繼續(xù)控制車輛，以便在良好的安全條件下停車。
[0125]為了確保通過電力網(wǎng)絡對電池2的再充電，通常連接連接到所述網(wǎng)絡的交流絕緣充電器。在這種情形中，保留IE機制。另一方面，電絕緣充電器比非絕緣充電器更昂貴。在非絕緣充電器的情況下，在充電期間獲得EE機制，這相當于在電力網(wǎng)絡的正交變期間將地面連接到電池2的電勢-Vbat。于是在這些交變期間，電流經(jīng)過地面。
[0126]為了避免檢測裝置4在電池的快速充電期間的誤報，則通過斷開兩個斷路器41和42來停用在電池2的-Vbat端子上的絕緣監(jiān)測。
[0127]在圖9和圖10中示出的實例中，借助電阻器R3且借助齊納二極管或transil 二極管DZ2來保護限流電路41免受可能的過電壓，所述過電壓可由非絕緣的充電器引起。用于評定這些保護硬件元件的規(guī)則可如下。在電池2的標稱電壓為400V的情況下，將可能使用限流功能411的被設計成抵抗600V電壓的硬件元件。如果想要保護限流電路41免受4kV的過電壓(例如，其可能是由于閃電對非絕緣充電器的電力供應網(wǎng)絡的影響)，那么橫跨二極管DZ2的端子的電壓必須因此保持小于600V。對于這種過電壓來說，橫跨電阻器R3的端子的電壓將因此為3.4kV。在二極管DZ的額定功率為600W的情況下，通過所述二極管的電流必須小于1A。結(jié)果，電阻器R3必須具有至少等于3.4k Ω的值。
[0128]如果晶體管TCll在雪崩模式下承受所述過電壓能量，那么可能無需使用二極管DZ2。
[0129]電阻器R3還有利于在晶體管TCll被破壞的假設下限制電流。盡管已經(jīng)結(jié)合第三變型的解決方案描述了這些保護，但這些保護當然可用于第一、第二和第四變型中。
【權(quán)利要求】
1.一種電力供應裝置，其包括:-易于引起觸電(2)的直流電壓電源；-用于檢測所述直流電壓電源的絕緣缺陷的裝置(4)，其包括:-連接到所述電壓電源的端子的第一輸入端子和第二輸入端子(47、48)；-第一電路(41)，其連接在所述第一輸入端子(47)和中間點(49)之間；-第二電路(42)，其連接在所述第二輸入端子(48)和所述中間點之間；-絕緣缺陷電流檢測電路(45)，其連接在電接地和所述中間點(49)之間；其特征在于，所述第一電路和第二電路為限流器，其被配置成選擇性地斷開和接通其相應輸入端子和所述中間點之間的連接，所述限流器電路中的每一個都是額定的，以便在接通所述第一或第二限流器電路且直流電壓電源的端子之一短路到電接地時，小于標準安全閾值的電流穿過所述限流器電路； 而且，其特征在于，所述用于檢測所述直流電壓電源的絕緣缺陷的裝置包括控制電路(8)，其被配置成同時地保持所述限流器電路中的一個斷開而所述限流器電路中的另一個接通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力供應裝置，其中所述限流器電路中的每一個都包括由所述控制電路(8)控制的光耦合器(43)，以便選擇性地斷開和接通其相應限流器電路中的連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電力供應裝置,包括:第一電容器(Cl),其在所述第一輸入端子和電接地(93)之間與所述第一限流器電路并聯(lián)連接；第二電容器(C2)，其在所述第二輸入端子和所述電接地之間與所述第二限流器電路并聯(lián)連接，所述控制電路(8)被配置成在接通所述限流器電路中的一個的連接時檢測所述電容器中的一個的放電。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的電力供應裝置，其中所述控制電路(8)以在10秒和30秒之間的時間間隔以重復方式接通所述限流器電路中的每一個。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的電力供應裝置，其中所述控制電路(8)保持以小于2%的占空比接通所述限流電路(41、42)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的電力供應裝置，其中所述電流檢測電路(45)包括微控制器(453)，所述微控制器(453)包括接收源于所述中間點(49)的絕緣缺陷電流的輸入端子(491)，所述輸入端子借助第一電阻器(456)連接到電力供應器，而且所述輸入端子借助第二電阻器(457)電接地(93)，所述電力供應器處于所述直流電壓電源的電壓電平的十分之一或更小的電壓電平，所述微控制器(453)被配置成根據(jù)施加到其輸入端子的電壓來確定所述絕緣缺陷的幅度。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的電力供應裝置，其中每一限流器電路包括:-第一晶體管，其包括連接到所述檢測裝置的相應輸入端子的輸入電極，輸出電極和控制電極；-第一電阻器(Rl)，其連接在所述輸入電極和所述控制電極之間；-第二電阻器(R2)，其連接在所述輸出電極和所述中間點(49)之間；-用于限制所述控制電極上的電壓電平的元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電力供應裝置，其中所述第一晶體管為MOSFET晶體管(TCll)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電力供應裝置，其中用于限制所述電壓電平的所述元件為連接在所述第一晶體管的控制電極和所述中間點之間的齊納二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電力供應裝置，其中用于限制所述電壓電平的所述元件為雙極型晶體管，其基極連接到所述第一晶體管的所述輸出電極，其發(fā)射極連接到所述中間點，且其集電極連接到所述第一晶體管的所述控制電極。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的電力供應裝置，其中所述限流器電路中的每一個限流器電路都是額定的，以便在接通所述第一或第二限流器電路且將所述直流電壓電源的端子之一短路到電接地時，小于3.5mA的電流穿過所述限流器電路。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的電力供應裝置，其中所述限流器電路中的每一個限流器電路都是額定的，以便在所述控制電路將接通命令施加到所述限流器電路時，在所述直流電壓電源的端子之一和電接地之間的短路引起的電流穿過所述限流器電路時所述限流器電路仍保持接通。
13.—種機動化系統(tǒng)(1)，其包括:-根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的電力供應裝置，其中所述直流電壓電源為電池；-逆變器(6)，其具有直流接口和交流接口，所述電池的端子連接到直流接口 ；-電動機(7)，其連接到所述逆變器(6)的交流接口。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的機動化系統(tǒng)，其中橫跨所述電池(2)的端子的電壓大于100V。
15.—種汽車(I)，其包括如權(quán)利要求13或14所述的機動化系統(tǒng)。
【文檔編號】G01R31/02GK103608689SQ201280026526
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月1日
【發(fā)明者】達尼埃爾·沙特魯, 塞巴斯蒂安·喀考特, 朱利安·德西 申請人:原子能和替代能源委員會