接地故障检测设备的制作方法

本发明涉及一种使用飞跨电容器的接地故障检测设备。

背景技术：

在诸如具有发动机和电动机作为驱动源的混合动力车辆和电动车辆这样的车辆中，将安装在车身上的电池充电，并且通过使用从电池供给的电能产生推进力。通常地，与电池相关的电源电路被配置为高压电路，其处理200v以上的高压，并且为了确保安全性，包括电池的高压电路具有不接地构造，其中，高压电路与作为地基准电位点的车身电绝缘。

在配备有不接地的高压电池的车辆中，设置有接地故障检测设备，以监控车身与设置有高压电池的系统之间的绝缘状态(接地故障)，更具体地，所述系统是从高压电池延伸到电机的主电源系统。在接地故障检测设备中，广泛地使用应用被称为飞跨电容器的电容器的系统。

图10是图示出现有技术中的飞跨电容器型接地故障检测设备的电路的实例的图。如所示出的，接地故障检测设备400是如下装置：其连接到不接地的高压电池300，以检测设置有高压电池300的系统的接地故障。此处，高压电池300的正极侧与地之间的绝缘电阻器表示为rlp，并且高压电池300的负极侧与地之间的绝缘电阻器表示为rln。

如所示出的，接地故障检测设备400包括作为飞跨电容器操作的检测电容器c1。此外，为了切换测量路径并且控制检测电容器c1的充电和放电，四个开关元件s1至s4设置在检测电容器c1周围。此外，设置有开关元件sa，其用于对与检测电容器c1的充电电压相对应的测量电压进行采样。

在接地故障检测设备400中，为了获取绝缘电阻rlp和rln，以v0测量周期→vc1n测量周期→v0测量周期→vc1p测量周期为一个循环重复进行测量操作。在所有的测量周期中，在使检测电容器c1充电要测量的电压之后，测量检测电容器c1的充电电压。然后，为了随后的测量，使检测电容器c1放电。

在v0测量周期，测量与高压电池300的电压相对应的电压。因此，开关元件s1和s2接通，并且开关元件s3和s4断开，从而检测电容器c1充电。即，如图11a所示，高压电池300、电阻器r1和检测电容器c1充当测量路径。

在测量检测电容器c1的充电电压时，如图11b所示，开关元件s1和s2断开，开关元件s3和s4接通，并且开关元件sa接通，从而利用控制装置420进行采样。其后，如图11c所示，开关元件sa断开，并且检测电容器c1为了随后的测量而放电。在测量检测电容器c1的充电电压时，对检测电容器c1放电时的操作与其它测量周期中的相同。

在vc1n测量周期中，测量反映绝缘电阻rln的影响的电压。因此，开关元件s1和s4接通，并且开关元件s2和s3断开，从而对检测电容器c1充电。即，如图12a所示，高压电池300、电阻器r1、检测电容器c1、电阻器r4、地和绝缘电阻器rln充当测量路径。

在vc1p测量周期中，测量反映绝缘电阻器rlp的影响的电压。因此，开关元件s2和s3接通，并且开关元件s1和s4断开，从而对检测电容器c1充电。即，如图12b所示，高压电池300、绝缘电阻器rlp、地、电阻器r3、电阻器r1和检测电容器c1充当测量路径。

已知基于从这些测量周期中获得的v0、vc1n和vc1p计算的(vc1p+vc1n)/v0能够获得(rlp×rln)/(rlp+rln)。因此，接地故障检测设备400中的控制装置420能够通过测量v0、vc1n和vc1p获取绝缘电阻rlp和rln。然后，当绝缘电阻rlp和rln变为等于或低于预定的判定基准等级时，判定已经发生接地故障，并且输出警报。

专利文献1：jp2009-281986a

技术实现要素：

在现有技术中，通过使用四个光学mos-fet构成接地故障检测设备，该光学mos-fet是作为开关元件s1至s4的绝缘型开关元件。然而，光学mos-fet是昂贵的，这导致接地故障检测设备的成本增加。

因此，本发明的目的是提供一种使用飞跨电容器的接地故障检测设备，其中，抑制了由于开关元件而导致的成本增加。

为了解决前述问题，根据本发明的接地故障检测设备提供了如下的接地故障检测设备，其连接到不接地的高压电池，并且检测设置有所述高压电池的系统的接地故障，所述接地故障检测设备包括：控制单元；检测电容器，该检测电容器作为飞跨电容器而操作；正极侧第一电阻器，该正极侧第一电阻器连接到所述高压电池的正极侧；负极侧第一电阻器，该负极侧第一电阻器连接到所述高压电池的负极侧；正极侧第二电阻器，该正极侧第二电阻器的第一端接地，并且该正极侧第二电阻器的第二端的电压通过所述控制单元测量；负极侧第二电阻器，该负极侧第二电阻器的第一端接地；正极侧c接触开关，该正极侧c接触开关形成为双继电器，在该双继电器中，第一继电器与第二继电器互相协同地操作，并且该正极侧c接触开关基于来自所述控制单元的指令，在包括所述正极侧第一电阻器的路径与包括所述正极侧第二电阻器的路径之间择一地切换所述检测电容器的第一端的连接目的地；以及负极侧c接触开关，该负极侧c接触开关形成为双继电器，在该双继电器中，第三继电器与第四继电器互相协同地操作，并且该负极侧c接触开关基于来自所述控制单元的指令，在包括所述负极侧第一电阻器的路径与包括所述负极侧第二电阻器的路径之间择一地切换所述检测电容器的第二端的连接目的地，其中，所述第一继电器设置为在包括所述正极侧第一电阻器的路径与所述第二继电器的一个触点之间择一地切换所述检测电容器的所述第一端的连接目的地，所述第二继电器用作切换开关，在所述第一继电器切换到包括所述正极侧第一电阻器的路径时，该切换开关将所述第一继电器的连接触点与所述正极侧第二电阻器的连接状态切换为断开状态，所述第三继电器被设置为在包括所述负极侧第一电阻器的路径与所述第四继电器的一个触点之间择一地切换所述检测电容器的所述第二端的连接目的地，并且所述第四继电器用作切换开关，在所述第三继电器切换到包括所述负极侧第一电阻器的路径时，该切换开关将所述第三继电器的连接触点与所述负极侧第二电阻器的连接状态切换为断开状态。

此处，所述设备可以包括切换开关，所述切换开关设置在所述正极侧c接触开关的所述正极侧第一电阻器这一侧以及所述负极侧c接触开关的所述负极侧第一电阻器这一侧，并且被配置为与所述正极侧c接触开关和所述负极侧c接触开关协同地接通和断开。

根据本发明，在使用飞跨电容器的接地故障检测设备中，不使用导致成本增加的光学mos-fet，从而能够抑制由于开关元件而导致的成本增加。

附图说明

图1是图示出根据本发明的实施例的接地故障检测设备的配置的方框图；

图2是用于描述根据本实施例的空间距离的图；

图3是图示出增大空间距离的第一实例的图；

图4a和4b是图示出增大空间距离的第一实例的图；

图5a和5b是图示出增大空间距离的第一实例的图；

图6是图示出增大空间距离的第二实例的图；

图7a和7b是图示出增大空间距离的第二实例的图；

图8a和8b是图示出增大空间距离的第二实例的图；

图9是图示出增大空间距离的第三实例的图；

图10是图示出现有技术中的飞跨电容器型接地故障检测设备的电路的实例的图。

图11a至11c是图示出在v0测量周期的测量路径的图；以及

图12a和12b是图示出在vc1n测量周期和vc1p测量周期中的测量路径的图。

参考标记列表

100接地故障检测设备

111正极侧c接触开关

112负极侧c接触开关

120控制装置

300高压电池

301正极侧电源线

302负极侧电源线

具体实施方式

将参考附图详细描述本发明的实施例。图1是图示出根据本发明的实施例的接地故障检测设备100的配置的方框图。如图所示，接地故障检测设备100是飞跨电容器型设备，其连接到不接地的高压电池300，并且检测设置有高压电池300的系统的接地故障。此处，高压电池300的正极侧与地之间的绝缘电阻器表示为rlp，并且高压电池300的负极侧与地之间的绝缘电阻器表示为rln。高压是指比用于驱动车辆中的各种装置(灯、雨刮器等)的低压电池(通常12v)高的电压，并且高压电池300是用于驱动车辆行驶的电池。

高压电池300由诸如锂离子电池这样的可充电电池构成，其经由高压汇流条(未示出)放电，并且驱动经由逆变器等连接的电动机。此外，在再生或者充电设备连接期间，经由高压汇流条进行充电。

为了去除电源的高频噪声或者稳定操作，称为y电容器(线旁路电容器)的电容器cyp和cyn分别连接在高压电池300的正极侧电源线301与地电极之间和负极侧电源线302与地电极之间。然而，可以省略y电容器。

如图所示，接地故障检测设备100包括：检测电容器c1，其作为飞跨电容器操作；以及开关元件sa，其用于对与检测电容器c1的充电电压相对应的测量电压采样。然而，还能够省略开关元件sa。另外，设置有由微计算机等构成的控制装置120。控制装置120执行预先内置的程序，以执行接地故障检测设备100所需的各种控制，例如，下文将描述的开关切换处理。

如参考图11a至12b所述，在各个测量周期的测量路径中，正极侧电源线301的系统的开关元件s1与开关元件s3不同时接通，并且负极侧电源线302的系统的开关元件s2与开关元件s4不同时接通。即，开关元件s1与开关元件s3排他地切换，并且开关元件s2与开关元件s4排他地切换。

因此，在接地故障检测设备100中，正极侧c接触开关111用作正极侧电源线301的系统的开关元件，并且负极侧c接触开关112用作负极侧电源线302的系统的开关元件。正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112能够由例如高耐压小信号机械继电器或者簧片继电器构成。

正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112在检测电容器c1侧分别设置有共用触点c。具体地，正极侧c接触开关111的共用触点c经由二极管d1和电阻器r1的路径与电阻器r2和二极管d2的路径的并联电路连接到检测电容器c1的第一端(正极侧)，并且负极侧c接触开关112的共用触点c连接到检测电容器c1的第二端(负极侧)。以从正极侧c接触开关111到检测电容器c1的方向作为正方向，在该方向上连接用作充电期间的路径的二极管d1，并且在反方向上连接用作放电期间的路径的二极管d2。电阻器r1用作充电电阻器，并且电阻器r2用作放电电阻器。

正极侧c接触开关111的触点a经由电阻器ra连接到正极侧电源线301，并且负极侧c接触开关112的触点a经由电阻器rb连接到负极侧电源线302。即，各个c接触开关在高压电池300侧具有触点a。

正极侧c接触开关111的触点b连接到开关元件sa，并且连接到另一端接地的电阻器r3。负极侧c接触开关112的触点b连接到另一端接地的电阻器r4。即，各个c接触开关在控制装置120(地)侧具有触点b。

如图1所示，正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112被控制装置120单独地控制和切换。控制装置120通过独立地控制正极侧c接触开关111、负极侧c接触开关112和开关元件sa的切换而切换测量路径，并且进行检测电容器c1的充电和放电并且进行充电电压的测量。

具体地，在v0测量周期内，正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112两者均被切换至触点a，从而形成高压电池300、电阻器ra、电阻器r1、检测电容器c1和电阻器rb的测量路径。

在测量检测电容器c1的充电电压时，正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112两者均切换至触点b，以接通开关元件sa。其后，开关元件sa断开，以通过主要使用用于随后的测量的电阻器r2而对检测电容器c1放电。在测量检测电容器c1的充电电压时，放电时的操作与其它测量周期中的操作相同。

在vc1n测量周期内，正极侧c接触开关111切换到触点a，并且负极侧c接触开关112切换到触点b，从而形成高压电池300、电阻器ra、电阻器r1、检测电容器c1、电阻器r4、地和绝缘电阻器rln的测量路径。

在vc1p测量周期内，正极侧c接触开关111切换到触点b，并且负极侧c接触开关112切换到触点a，从而形成高压电池300、绝缘电阻器rlp、地、电阻器r3、电阻器r1、检测电容器c1和电阻器rb的测量路径。

在接地故障检测设备100中，电阻器ra、电阻器rb和电阻器r1具有例如大约几百kω的高电阻，并且电阻器r2、电阻器r3和电阻器r4具有例如大约几kω的低电阻。

与电阻器r1分离地，电阻器ra设置在正极侧，并且电阻器rb设置在负极侧，并且正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112由c触点式继电器构成。因此，即使在任一c接触开关中产生吸持，具有高电阻的电阻器ra或者电阻器rb介于高压电池300与控制装置120之间，从而限制了电流。因此，能够保护控制装置120和通电电路。

此外，即使触点a和触点b通过一个c接触开关而短路，具有高电阻的电阻器ra或者电阻器rb介于高压电池300与控制装置120之间以限制电流，从而保护了控制装置120。

此外，假定用于判定关于绝缘电阻rlp和绝缘电阻rln的接地故障的基准值是rls，当绝缘电阻rlp和绝缘电阻rln是基准值rls时，则根据r1+ra+rb＝r1+r4+ra+rln＝r1+r3+rb+rlp的关系确定各个电阻值，使得路径上的电阻值v0测量周期、vc1n测量周期和vc1p测量周期内相同，从而即使当陶瓷电容器用作检测电容器c1时，也能够防止接地故障检测精度由于直流偏置特性的影响而降低。

能够考虑以下特性适当地确定在正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112中将高压电池300侧的触点a和控制装置120(地)侧的触点b中的哪一个设置为常闭：

1)当对于正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112两者均将高压电池300侧的触点a设置为常闭时，在接地故障检测设备100的启动的开始时，高压电压已经充电到检测电容器c1，从而在第一v0测量周期省略了充电过程。由此，能够响应于与正常时间相比加快接地故障判定的功能需求，以确保启动时的安全性。

2)当对于正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112两者均将控制装置120(地)侧的触点b设置为常闭时，当停止操作时检测电容器c1处于放电状态。由此，当移除接地故障检测设备100时，例如，减小了触电的风险；以及

3)当正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112中的任意一者的触点a被设置为常闭时，启动时检测电容器c1以任意一个电极与地之间的电压充电。通过测量该电压，并且将其与正常状态进行比较，能够以简单的方式快速获取电极中的一个电极的绝缘电阻减小的情况。

如上所述，由于根据本实施例的接地故障检测设备100不使用导致成本增加的光学mos-fet作为用于接地故障检测的测量路径的切换开关，所以能够抑制由于开关元件导致的成本增加。

另外，由于现有技术的四个开关元件被两个c接触开关替代，所以相比于现有技术能够减小部件的数量以及控制线路的数量。此外，由于易于使c接触开关小型化，所以还能够节省空间。

在下文中，将参考图2描述高压电池300的高压vh与地(gnd)之间的空间距离。在图1所示的电路配置中，对于正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112两者而言，与一个继电器对应的触点间隙(g1)是在触点a和触点b两者的切换状态下高压vh与地(gnd)之间的空间距离。

与光学mos-fet相比，继电器具有在确保空间距离方面有利的特性。然而，优选地，鉴于例如耐电压性能以及在发生接地故障时进一步确保安全性，在压vh与地(gnd)之间的空间距离尽可能大。

因此，如图3所示，正极侧c接触开关111可以由通过一个控制同时切换的单线圈2c触点的双继电器(c触点继电器111a和c触点继电器111b)构成，并且负极侧c接触开关112可以由通过一个控制同时切换的单线圈2c触点的双继电器(c触点继电器112a和c触点继电器112b)构成。

此时，c触点继电器111a设置为在包括电阻器ra的路径与c触点继电器111b的一个触点之间择一地切换检测电容器c1的正极侧的连接目的地，并且c触点继电器111b设置为用作切换开关，其在c触点继电器111a切换为包括电阻器ra的路径时，将c触点继电器111a与电阻器r3的连接触点的连接状态切换为断开状态。共用触点c被布置为不互相连接。

此外，c触点继电器112a设置为在包括电阻器rb的路径与c触点继电器112b的一个触点之间择一地切换检测电容器c1的负极侧的连接目的地，并且c触点继电器112b设置为用作切换开关，其在c触点继电器112a切换到包括电阻器rb的路径时，将c触点继电器112a与电阻器r4的连接触点的连接状态切换为断开状态。共用触点c被布置为不互相连接。

在图3的实例中，正极侧c接触开关111由c触点继电器111a和c触点继电器111b的双继电器构成，并且c触点继电器111a和c触点继电器111b的触点b互相连接。

设置在高压vh侧上的c触点继电器111a的触点a和共用触点c以与正极侧c接触开关111的触点a和共用触点c相同的方式互相连接。即，触点a经由电阻器ra连接到正极侧电源线301，并且共用触点c经由二极管d1和电阻器r1的路径与电阻器r2和二极管d2的路径的并联电路连接到检测电容器c1的正极侧。

设置在地(gnd)侧的c触点继电器111b用作切换开关，当c触点继电器111a切换到高压vh(触点a)时，该切换开关断开。即，触点a打开，并且共用的触点c连接到开关元件sa，并且连接到电阻器r3。

另外，负极侧c接触开关112由c触点继电器112a和c触点继电器112b的双继电器构成，并且c触点继电器112a和c触点继电器112b的触点b互相连接。

设置在高压vh侧上的c触点继电器112a的触点a和共用触点c以与负极侧c接触开关112的触点a和共用触点c相同的方式互相连接。即，触点a经由电阻器rb连接到负极侧电源线302，并且共用触点c连接到检测电容器c1的负极侧。

设置在地(gnd)侧的c触点继电器111b用作切换开关，当c触点继电器111a切换到高压vh(触点a)时，该切换开关断开。即，触点a打开，并且共用触点c连接到电阻器r4。

根据前述配置，如图4a所示，在停止或充电电压测量的状态下，在正极侧和负极侧均存在对应于一个继电器触点间隙(g1)。然而，如图4b所示，在v0测量周期，在正极侧和负极侧均能够确保通过触点间隙(g1)和触点间隙(g2)提供的对应于两个继电器的触点间隙。

在vc1n测量周期内，如图5a所示，能够确保在正极侧由触点间隙(g1)和触点间隙(g2)提供的对应于两个继电器的触点间隙，并且在负极侧存在通过触点间隙(g1)提供的对应于一个继电器的触点间隙。在vc1p测量周期内，如图5b所示，在正极侧通过触点间隙(g1)提供对应于一个继电器的触点间隙，并且在负极侧能够确实地通过触点间隙(g1)和触点间隙(g2)提供对应于两个继电器的触点间隙。

如上所述，在如图3所示的配置中，两个触点串联地夹置在高压vh与地(gnd)之间，从而能够增大高压vh与地(gnd)之间的空间距离，从而提高电路的耐电压性能。

为了增大高压vh与地(gnd)之间的空间距离，可以使用如图6所示的连接。在示出的实例中，正极侧c接触开关111由包括c触点继电器111a和c触点继电器111b的双继电器构成，并且c触点继电器111a的触点b与c触点继电器111b的共用触点c互相连接。

设置在地(gnd)侧的c触点继电器111a与c触点继电器111b的连接状态与图3所示的配置不同。然而，相同的点在于：其用作切换开关，其在高压侧的c触点继电器111a和112a切换到高压vh侧(触点)时断开。

具体地，在c触点继电器111b中，触点a是打开的，触点b连接到开关元件sa，并且连接到电阻器r3。在c触点继电器112b中，触点a是打开的，并且共用触点c连接到电阻器r4。

根据前述配置，如图7a所示，在停止或充电电压测量的状态下，在正极侧和负极侧均设置对应于一个继电器的触点间隙(g1)。然而，如图7b所示，在v0测量周期，在正极侧和负极侧均能够通过触点间隙(g1)和触点间隙(g2)确保对应于两个继电器的触点间隙。

在vc1n测量周期内，如图8a所示，在正极侧能够通过触点间隙(g1)和触点间隙(g2)确保对应于两个继电器的触点间隙，并且在负极侧通过触点间隙(g1)确保对应于一个继电器的触点间隙。在vc1p测量周期内，如图8b所示，在正极侧通过触点间隙(g1)提供对应于一个继电器的触点间隙，并且在负极侧能够通过触点间隙(g1)和触点间隙(g2)确保对应于两个继电器的触点间隙。

如上所述，在如图6所示的配置中，同样地，两个触点串联地夹置在高压vh与地(gnd)之间，从而能够增大高压vh与地(gnd)之间的空间距离，从而提高电路的耐电压性能。

在图3和6所示的配置中，可以存在空间距离是对应于一个继电器的触点间隙的状态。然而，在任何配置中，用作接通或断开的切换开关的双继电器113可以设置在正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112的高压侧，如图9所示，从而在停止或者充电电压测量的状态下，在vc1n测量周期和vc1p测量周期，在正极侧和负极侧能够确保包括额外的触点间隙(g3)的对应于两个继电器的触点间隙。

在图9的实例中，c接触开关113a设置在正极侧c接触开关111的高压侧，并且c接触开关113b设置在负极侧接触开关112的高压侧。用作切换开关的双继电器113被控制为与正极侧c接触开关111和负极侧c接触开关112之中的切换到触点a(高压侧)一者协同地接通和断开。