本发明涉及一种用于确定绝缘电阻的技术。特别是介绍一种用于确定机动车中的绝缘电阻的装置和一种配备有这种装置的机动车。
背景技术：
带电化驱动系的机动车具有直流电网，该直流电网把牵引蓄能器(例如,驱动电池或燃料单体电池)的电能分配到电的设备上，特别是分配到驱动系的电驱动单元和机动车的辅助设备上。电的设备往往不被供应以直流电网的直流电压，而是被供应以交流电流、多相的交流电流、脉冲式的直流电压或带有不同于直流电网的电压的直流电压。因此，在直流电网与相应的设备之间设置了变流器。变流器在此具有如下任务：把直流电网的直流电流转变为相应的电流形式，反之亦然，例如用于回收机动车的动能。因而存在耦接的直流和交流电网。
由于电的驱动系统的大的功率需求，直流电网和由后者供电的交流电网往往设计成高压电网(例如,带有介于300伏和1000伏之间的电压)或it电网(法文：isoléterre)。为了保证在工作时特别是对车辆乘客的电安全性，监视电网的相对于电学地的绝缘电阻。如果绝缘电阻因绝缘失败而下降，就可以对机动车使用者发出警告，以便例如及早地采取电网维修措施。
通常，例如在驱动电池内部，绝缘监视单元与机动车的直流电网在电学上连接。在现有技术中，广泛地采用绝缘监视机构，其采用了被动式的测量方法，因为这些机构成本非常低廉。在此采用了位于直流电网中的直流电压源，以便驱动在整个网络与电学地之间的测量电流。由产生的测量电流，可以按照已知的方法来确定整个网络的相对于电学地的绝缘电阻。
然而，与直流电网关联的被动测量方法不准确，并且往往有系统性错误，因为通过变流器耦接的交流电网的绝缘电阻未正确地得到确定。因交流电网的绝缘电阻决定的测量电流通过变流器的工作而减小，且往往随时变化。因此，交流电网的利用通常的监视机构从直流电网测得的绝缘电阻往往明显大于绝缘电阻的实际值。所以存在如下危险：未识别出工作中在交流电网内出现的绝缘故障。总之，在直流电网中采用被动式测量方法的传统的机构不适合于监视电流地耦接上的交流电网。
主动式测量方法相比于被动式测量方法成本高，并且由于其复杂性而容易出错，在主动式测量方法中，经过时间编码的电压信号驱动由锁定放大器测量的测量电流。
文献de102010054413a1介绍了一种查明系统中的绝缘故障的方法，该系统具有直流区段和包括逆变器在内的交流区段。逆变器包括功率开关，这些功率开关分别在测量间隔期间持久地断开(空载)和持久地闭合(导通状态)。由于这种开关状态在机动车的工作中未出现，且在车辆工作不受限制的情况下也不能予以应用，所以这种方法不能应用在车辆工作中。
技术实现要素：
因此目的是，提出一种用于确定工作中的耦接的直流和交流电网的绝缘电阻的技术。
该目的通过具有独立权利要求的特征的一种用于确定机动车中的绝缘电阻的装置和一种机动车得以实现。有利的设计和应用是从属权利要求的主题，并在下面部分地参照附图予以详述。
根据第一方面，用于确定机动车中的绝缘电阻的装置包括：控制机构，该控制机构被设计用于在至少两个测量间隔内分别控制机动车的至少一个与牵引蓄能器导电地连接的变流器的工作状态；测量机构，其带有测量端子和接地端子，该测量端子与机动车的电的牵引蓄能器的至少一个直流电压极导电地连接或可连接，该接地端子与机动车的参考电位导电地连接或可连接，其中，测量机构被设计用于在至少两个测量间隔内分别测量在测量端子与接地端子之间的电导；和计算机构，该计算机构被设计用于作为至少两个测得的电导与至少两个受控的工作状态的函数来确定绝缘电阻。
在此，对电导的确定等效地通过对电阻的确定来实现。在这里，电导和电阻可以互为倒数。
牵引蓄能器可以包括多个用于蓄存电能的单体电池模块。牵引蓄能器还可以包括中间电路和/或中间电路电压变换器。中间电路电压变换器可以在输入端与单体电池模块连接。变换器可以在输出端与中间电路连接。直流电压极可以是中间电路的输出端侧极。
对电导的测量可以通过对总电阻的测量来实现。测量机构可以在相应的测量间隔内测量在测量端子与接地端子之间的电流和电压，其中，电导或总电阻由测得的电流和测得的电压(例如由测量机构或计算机构)算得(例如作为比值)。
工作状态可以包括变流器的至少一个开关元件的开关状态和/或占空比。工作状态可以用耦合因数(例如，0和1之间的实数)来表示。确定的绝缘电阻可以(例如在通过测量得到电导时)是占空比的或耦合因数的严格单调下降的函数。例如，绝缘电阻的倒数可以线性地既位于测得的电导中、又位于占空比或耦合因数中。
受控的占空比可以低于100％和/或高于0％，例如高于10％。与受控的占空比相应的耦合因数(例如，当耦合因数与相应的电导相乘地运算时)可以小于1而大于0，例如大于0.1。与检测得的占空比相应的耦合因数(例如，当耦合因数与相应的电阻相乘地运算时)可以大于1，可选地小于10。受控的占空比可以大于最小值(例如为5％、10％或20％)。
每个受控制的工作状态都可以在相应的测量间隔内在时间上恒定。在每个测量间隔内控制的各工作状态的组合(或组装)在每个测量间隔内都可以是不同的。
至少一个变流器可以包括逆变器和/或直流电压变换器。每个变流器都可以包括场效应晶体管作为开关元件。
至少一个变流器可以分别给机动车的设备供电，或者把电能从所述设备引回到直流电网中。所述设备可以包括电机(驱动器和/或发电机)。
参考电位可以包括机动车的导电的车身。通过纤维复合材料在电学上分开的各车身部分可以通过接地导线而电连接。
控制机构可以被设计用于分别在多个测量间隔内控制多个变流器的工作状态。测量机构可以被设计用于在每个测量间隔内都测量电导。计算机构可以被设计用于针对每个变流器(或每个开关元件)，根据测得的电导和受控的工作状态来计算绝缘电阻。
变流器之一(例如逆变器)可以与用于驱动机动车的电机导电地连接。替代地或补充地，变流器之一(例如直流电压变换器)可以与机动车的助力转向机构的电驱动器导电地连接。替代地或补充地，变流器之一(例如直流电压转换器或变换器)可以与机动车的压缩机或泵导电地连接，例如与空调设备的压缩机、用于压缩空气的压缩机或者机动车的液压机构的油泵连接。
所述函数可以包括用来加权绝缘电阻与受控的工作状态的相关性(abhaengigkeit)的参数或耦合因数。计算机构可以包括存储器，在该存储器中存储着参数的特定于机动车的值。函数可以包括用来加权绝缘电阻与受控的工作状态的线性的相关性和/或非线性的相关性的参数或耦合因数。
控制机构可以根据机动车的行驶状态来确定测量间隔。控制机构可以确定至少一个在时间上处于机动车的行驶准备建立之前和/或在时间上处于机动车的行驶准备撤销之后的测量间隔。
根据另一方面提出一种机动车，其包括根据前述方面的装置。该机动车可以包括电的牵引蓄能器、至少一个与牵引蓄能器导电地连接的变流器和用于确定机动车中的绝缘电阻的装置。
所述机动车可以是商用车，例如载重车或拖拉机(用于输送货物)和/或公交车(用于输送乘客)，或者是轿车。
附图说明
前述特征可在任意组合中实现。本发明的其它特征和优点将在下面参照附图予以介绍。其中：
图1为机动车的在其电网方面的示意图，其具有用于确定机动车中的绝缘电阻的装置的第一实施例；
图2为用于确定机动车中的绝缘电阻的装置的第二实施例的示意性的方框图；和
图3为用于计算绝缘电阻的示意性的等效电路图，其可在所述装置的实施例之一中实施。
具体实施方式
图1示意性地示出概括地用附图标记100标出的机动车，在该机动车中可采用本发明的技术。机动车100包括蓄能器侧的区域102和车辆侧的区域104。蓄能器侧的区域102和车辆侧的区域104通过直流电网106连接，在车辆侧的区域104中，至少一个交流电网108与所述直流电网耦接。通常，从直流电网106给至少一个交流电网108供电。耦接的电网106和108也称为总电网，且可以设计成it电网。
机动车100包括用于存储电能的牵引蓄能器110。所述电能通过直流电压极112输出给直流电网106(有时在能量回收情况下吸收在牵引蓄能器110中)。牵引蓄能器110包括多个电化学的单体电池，这些单体电池在单体电池模块114中连接在一起且通过接触器116可通断地与直流电压极112连接。
此外，机动车100在车辆侧的区域104中包括至少一个与牵引蓄能器110导电地连接的变流器120，该变流器在相应的交流电网108中分别给机动车100的至少一个设备130供电。为此，变流器120包括开关元件122，这些开关元件分别在输入端与牵引蓄能器110连接，且在输出端与机动车100的相应的设备130连接。通常，在作为初级电压源的单体电池模块114与开关元件122的输入端之间连接一个中间电路118，该中间电路可以是牵引蓄能器110的部分、直流电网106的独立部分或变流器120的(比如图1中所示的)部分。
图1中所示的设备130包括机动车100的电驱动机(也叫牵引电机或tem)，其被设计为多相的交流电机。相应的相132受两个分别配置成半桥的开关元件122的控制。图1中所示的多相的交流电网108仅仅是示范性的。这种技术可以用于任何电流形式例如单相的交流电流、和/或通过脉冲宽度调制(英文“pulsewidthmodulation”或pwm)控制的直流电压。特别地，机动车100可以由直流电网106给多个交流电网108供电，这些交流电网例如分别为不同的设备130提供不同的电流形式。
根据变流器120的工作状态，其开关元件122取(通常动态的)开关状态。开关元件122在这里具有如下任务：把由直流电网106得到的直流电流转变为交流电网108的相应地构成的交流电流，必要时反向转变，例如用于能量回收。开关元件122优选包括进行开关的半导体元件，这些半导体元件在机动车100的工作中根据(通常与时间有关的)开关状态以高的、例如至少1khz的开关频率被控制。
开关状态例如由占空比(也叫时钟比)来决定。开关元件122的占空比是变流器120的工作状态参数的一个例子。在此，占空比是在开关元件122闭合时的脉冲持续时间与动态的开关状态的周期持续时间的比率(即开关频率倒数)。
为了相对于机动车100的电学上的地140、例如相对于由金属的车架规定的参考电位确定电网106和108的绝缘电阻，机动车100包括用于确定机动车100中的绝缘电阻的装置150。装置150也可以称为“绝缘监控装置(或imd)”。
装置150的在图1中示出的第一实施例包括至少一个测量端子152，该测量端子与电的牵引蓄能器110的至少一个直流电压极112或113导电地连接。此外，装置150包括与机动车100的参考电位140导电地连接的接地端子153。
如图1中示意性地示出，装置150可以设置在牵引蓄能器110的内部。替代地，装置150可以作为独立的组件设置在直流电网106中。此外，该装置可以部分地集成在牵引蓄能器110中。有利地，测量端子152与单体电池模块114的直流电压极113连接，而无关于接触器116的状态，例如用于确定在接触器116断开时的绝缘电阻。
为了确定绝缘电阻，装置150控制变流器120的工作状态，即由开关元件122的时间开关特性决定的开关状态，例如至少一个开关元件122的由占空比决定的工作状态。在时间上分开的多个测量间隔中，装置150分别测量在测量端子152与接地端子153之间的电导。在这里，工作状态规定了对于相应的测量间隔来说静止的和通常(例如在测量间隔之间)动态的开关状态或占空比。例如，至少一个开关元件122按照开关状态或占空比在一个测量间隔内多次地(例如，多于100次或1000次)断开和闭合。
装置150利用变流器120的工作状态、即把直流电网106与交流电网108连接起来的开关元件122的开关状态或占空比，以便即使在交流电网108中也正确地确定绝缘电阻。开关元件122的开关状态或占空比在此可以由用于确定绝缘电阻的装置150的控制机构主动地予以影响、和/或可以被提供给该控制机构。例如，该控制机构包括用于变流器120的接口，用于控制或询问变流器120的工作状态。例如，通过该接口来交换状态设置或状态通报，例如开关元件122之一的闭合位置或断开位置、或者作为变流器120的半导体变流器的占空比。
图2所示为用于确定汽车100中的绝缘电阻的装置150的第二实施例的示意性的方框图。可与第一实施例交换的或一致的特征标有相同的附图标记。
装置150包括控制机构156，该控制机构被设计用于在至少两个测量间隔内分别控制机动车100的至少一个与牵引蓄能器110导电地连接的变流器或其开关元件122的工作状态。
装置150还包括带测量端子152和接地端子153的测量机构154，该测量端子与机动车100的电的牵引蓄能器110的至少一个直流电压极112导电地连接，该接地端子与机动车100的参考电位140导电地连接。测量机构154被设计用于在至少两个测量间隔内分别测量在测量端子152与接地端子153之间的至少一个电导。
为此，测量机构154可以在空间上与装置150的其它机构分开地布置，例如布置在牵引蓄能器110的内部。控制机构156可以构造成上级的控制件，该控制件把对变流器120的工作状态(例如开关元件122的开关状态或占空比)的主动的影响与用于测量电导的测量机构154协调起来。
装置150还包括计算机构158，该计算机构被设计用于作为至少两个测得的电导与至少两个受控的工作状态的函数来确定绝缘电阻。如图2中所示，计算机构158可以是控制机构156的一部分。
图3示出了机动车100的针对于直流电网106的绝缘电阻162(用riso,dc表示)以及两个交流电网108的绝缘电阻(用riso,ac1和riso,ac2表示)的等效电路图。该等效电路图或者采用计算机构158的相应的计算，可以在装置150的任一实施例中实施。在任一测量间隔中，测量在测量端子152与接地端子153之间的电导160(或者，等效地其倒数作为组合的绝缘电阻)
交流电网108分别通过相关变流器120的开关元件122与直流电网106并联。交流电网108的通过相应变流器120进行的耦接，借助由相应变流器120或开关元件122的工作状态124确定的因数k1或k2，结合到绝缘电阻的确定中。例如，因数ki对应于相应变流器120或开关元件122的占空比。
变流器120可以通过功率电子器件(pe)来实现。特别地，变流器120可以包括ac/dc变换器和/或dc/ac转换器。在至少两个测量间隔中分别受控的工作状态124可以各自包括主动的工作状态(下标“a”)或被动的工作状态(下标“p”)。主动的工作状态例如可以包括50％的占空比，即受控的设备工作。被动的工作状态例如可以包括0％的或小于5％的占空比，也就是说，受控的设备不工作。在这里，“主动的”和“被动的”例如是两种不同的工作状态的名称。
如果开关元件122在测量间隔的持续时间内完全闭合(例如，所有变流器120的交流相都主动地短路，在其中三个交流相各与一个直流电压极连接，也就是说，要么仅仅上面的、要么仅仅下面的三个开关元件122闭合，因为否则两个直流电压极同样会短路)，则一次单独的测量就足以正确地确定或估计总电网的绝缘电阻。在这里，可以基于并联来确定或估计出各个相的绝缘电阻(即部分电网的单独值)全都大于或等于绝缘电阻的测得的组合值。这样就能保证遵守极限值，而无安全余量。这里的前提优选是，变换器的电阻在主动短路情况下可忽略不计，也就是说，近乎耦合因数等于1。在此，各开关元件122的闭合在时间上与测量协调地进行。
计算机构158根据在相应的工作状态124下电路106和108的并联，并根据测得的电导160确定绝缘电阻162。变流器120的或其开关元件122的工作状态124的影响(例如变流器120的占空比)可以在事先通过分析或试验来确定，并存储在计算机构158中，例如通过因数ki根据占空比以最简单的形式或者以线性的或非线性的函数的形式(例如，一系列展开式)予以存储。这些函数可以例如特定于车辆地或者特定于类型地(例如系列型号)在制造机动车100之前(例如在借助交流电网108中的已知的绝缘电阻进行测量安装时，或者采用机动车100的原型)求取。
对于具有直流电网106和交流电网108的总电网而言，必须以至少两种不同的工作状态124(例如开关元件的开关状态或占空比)对电导160进行至少两次测量，即两个受控的测量间隔。通常，可以基于在每一个测量间隔内对电导160的n+1次测量，以相应的n+1个不同的工作状态，确定n个交流电网108的n个绝缘电阻和直流电网106的绝缘电阻。如果存在多于n+1次的测量，则计算机构158可以进行线性的回归。
由控制机构156实行的主动的方法包括，调节开关元件122的不同的工作状态124(例如开关状态或占空比)。工作状态124例如决定了对用于行驶驱动系统的变换器120、用于转向辅助的变换器120和/或用于空调压缩机的变换器120的占空比的时间可变的控制。
控制机构156因而在测量间隔的持续时间内(例如500ms至30s)主动地干预对变流器120和/或其开关元件的工作要求，用于控制工作状态124。测量间隔的长度(即测量持续时间)可以基于it网络的放电容量和/或(由测量机构154进行的)滤波得到。
控制机构为了调节工作状态124而采取的干预在此可以经过设计，从而分别有在时间上恒定的工作状态124适用于测量间隔(例如开关元件122的恒定的开关状态或恒定的占空比)。这便于正确地确定电导160或相应的组合的绝缘电阻。
优选地，控制机构156在机动车100的行驶准备建立之前不久和/或在机动车100的行驶准备撤销后不久进行干预，以便尽可能少地干扰对使用者功能(例如行驶、冷却、转向辅助)的变流器120的工作要求(或者对其开关元件122的工作要求)。
如果电导160的至少两个测量值(例如，组合的绝缘电阻)和相应的工作状态124(例如，在相应的工作状态124下绝缘电阻162的相关的函数关系或者与工作状态124有关的因数ki的值)是已知的，则计算机构158例如借助回归来确定在直流电网106中的绝缘电阻riso,dc和在第i个交流电网108中的相应的绝缘电阻riso,aci的未知的变量162。原则上，通过计算机构158可以实现确定全部的绝缘电阻162，如果测量的次数(即测量间隔)大于或等于部分电网106和108的数量的话。
例如，计算机构158基于测得的电导160(li或组合的绝缘电阻riso,i＝1/li)和工作状态124的相应的耦合因数ki按下述计算绝缘电阻162。
基于例如n+1＝3个测量间隔，数据组(riso,1、k1p、k2p)、(riso,2、k1a、k2p)、(riso,3、k1a、k2a)是已知的。计算相应的电网106和电网108的绝缘电阻162，即riso,dc、riso,ac1、riso,ac2。确切地，计算机构158基于在相应的测量间隔内的函数相关性，确定绝缘电阻162作为数据组的函数：
测量间隔1:riso,1＝riso,dc||k1priso,ac1||k2priso,ac2||…
测量间隔2:riso,2＝riso,dc||k1ariso,ac1||k2priso,ac2||…
测量间隔3:riso,3＝riso,dc||k1ariso,ac1||k2ariso,ac2||…
在这里，“||”表示电阻的电并联，即各电阻的倒数之和。如果n+1个测量间隔的数据组可用于计算机构158，则可以(在离散地控制的工作状态下)例如通过由耦合因数确定的矩阵的求逆，计算全部的绝缘电阻162。如果有多于n+1个测量间隔的数据组，则通过回归来计算绝缘电阻162。
例如如下计算绝缘电阻。
测量间隔1:riso,1＝1/(1/riso,dc+1/(k1p·riso,ac1)+1/(k2p·riso,ac2)+…)
测量间隔2:riso,2＝1/(1/riso,dc+1/(k1a·riso,ac1)+1/(k2p·riso,ac2)+…)
测量间隔3:riso,2＝1/(1/riso,dc+1/(k1a·riso,ac1)+1/(k2a·riso,ac2)+…)
替代地，可以采用耦合因数倒数(例如，在利用电导计算时)：
测量间隔1:giso,1＝giso,dc+k1p·giso,ac1+k2p·giso,ac2+…
测量间隔2:giso,2＝giso,dc+k1a·giso,ac1+k2p·giso,ac2+…
测量间隔3:giso,2＝giso,dc+k1a·giso,ac1+k2a·giso,ac2+…
这种技术应用到多于一个的交流电网108上(例如,多个交流电机，比如行驶驱动系统和/或辅助设备)，由此仅仅所需要的(至少n+1个)各有不同的工作状态124的测量间隔的数量上升，以便利用装置150来确定总电网中的全部绝缘电阻162。
尽管前面在各指配于交流电网108的变流器120之间及在其各指配于交流电网108的一个相的开关元件122之间有所不同，该装置150也可以用于确定各个相的绝缘电阻。在此，可以采用近似：
负载电阻<<绝缘电阻
在这种情况下，术语“变流器”120和“开关元件”122可互换。
如本领域技术人员可借助前面的示范性的实施例可知，该技术能实现成本低廉地确定在工作期间机动车的耦接电网内的绝缘电阻。
该技术可以在耦接的交流电网中实施用于正确地确定绝缘电阻的成本低廉的被动的测量方法。而在现有技术中目前为此必需明显成本高昂的、主动的测量方法，其采用了调制到电网电压上的试验电压。
该技术的实施例可以分别为每个部分电网(特别是为每个直流和交流电网)确定各个绝缘电阻值。由此也可以采用该技术有利地确定绝缘故障地点。这便于故障搜寻和故障消除。
主动地控制在测量间隔期间分别恒定的工作状态(例如，开关状态或占空比)能实现精确的测量值和/或改善精确地测量绝缘电阻值的测量精度。
直流和交流电网的工作(例如用于电动车辆行驶的实用功能)可以保持不受该方法影响，其方式特别是，测量间隔在工作阶段之前和/或之后发生。
尽管本发明已针对示范性的实施例予以介绍，对于本领域技术人员显然的是，可以进行各种不同的改变，且可以采用等效方案作为替代。此外，可以进行多种改型，以便使得一定的状况或一定的车型适配于本发明的教导。因此，本发明不局限于所公开的实施例，而是涵盖了落入所附权利要求范围内的全部实施例。
附图标记清单
100机动车
102存储器侧的区域
104车辆侧的区域
106直流电网
108交流电网
110牵引蓄能器
112、113直流电压极
114单体电池模块
116接触器
118中间电路
120变流器
122变流器的开关元件
124变流器的工作状态
130设备
132设备的相
140机动车的参考电位
150用于确定绝缘电阻的装置
152测量端子
153接地端子
154测量机构
156控制机构
158计算机构
160电导
162绝缘电阻