[发明专利]混动、电动车辆高压交流系统漏电和接地故障检测电路

说明书

本发明提供用于变流器DC侧以及AC侧的接地故障检测的装置及方法。检测装置能够接收正向及反向电流，并且基于它们之间的差值提供感应电流。与感应电流相关的参数或者与通过感应电流穿过装置的传导而产生的电压相关的参数能够用于检测接地故障。另外，检测装置能够配置为接收瞬变电流，并且检测装置上产生的电压能够用于故障检测。检测装置能够设置在变流器的DC侧或变流器的AC侧。装置及方法能够配置为检测由接地故障引起的AC泄漏电流。

技术领域

本发明总体涉及电气化车辆的故障检测，并且更加具体地涉及高压交流电系统漏电检测。

背景技术

电动及混合电动车辆使用高压(HV)能量储存装置(ESD)——例如高压牵引电池——及功率转换系统来提供到电动机的交流电流(AC)输出。凭借足够高的电压，HV ESD能够提供功率来辅助车辆驾驶操作，因此减少其对化石燃料内燃机的依赖。因为设计为提供驾驶动力，HV ESD能够具有显著高于用于为低压车辆系统供能的标准辅助车辆电池的电压。因此，HV ESD及其正和负轨(positive and negative rails)都典型地与车辆低压系统隔离。另外，作为预防措施，不像辅助电池，HV ESD通常不接地到车辆底盘，而是典型地配置在隔离的回路中。尽管尽最大努力隔离高压ESD与HV AC系统，偶尔电流可能流经意想不到的通路。例如短路或低阻抗连接——即接地故障——可能发生在AC电动机电流和底盘之间。如果这样，耦接到高压总线的车辆设备可能经历电压和电流的极端摆动，并且甚至可能被显著破坏。

过去，已经提出了各种方法和系统来检测车辆电力系统的故障。例如，授权给Gale的第5382946号美国专利(下文中称“Gale”)教导了用于检测电动车辆中泄漏通路电阻的方法和电路，该电动车辆具有隔离的高压牵引电池及接地到车辆的辅助电池。该电路通过在选定时间段周期性地施加选定的激励信号并且比较由激励信号在能量储存元件上感应的电压和选定的参考电压来运行。替换实施例提供一种电路，该电路通过施加周期性激励信号以及比较能量储存元件上感应的电压的相位偏移和来源于激励信号的信号的相位偏移来运行。尽管适合于他们的预期目的，Gale建议的方案主要针对检测牵引电池和接地到车辆的辅助电池之间的漏电。未解决来自车辆AC系统的漏电，例如变流器输出端到底盘的漏电。

与Gale相反，其他建议已经考虑了AC电流泄漏。例如，授权给Roden等的第6,856,137号美国专利(下文中称“Roden”)建议一种AC接地故障检测器系统，该系统使用电容耦合电路来感测指示由电源驱动的负载和参考电势之间的非预期电力通路的AC信号。第一电导体耦接到电源的第一端子以及第二电导体耦接到电源的第二端子。耦接到第一和第二电导体的开关机构可操作，以用于根据预设的开关频率交替连接负载的相与第一和第二电导体，借此，在常规运行情况下，在第一电导体和第二电导体上产生的电压相对参考电势基本是恒定的。在出现负载的至少一相与参考电势间的非预期电力通路的情况下，在第一电导体和第二电导体上产生与开关频率相关的、随时间变化的电压。故障检测器通过串联的电容/电阻电路来感测故障引起的方波电压的存在。Roden还教导了，当感测指示接地故障状态的电压变化时，能够通过感测电容器或变压器来执行高压隔离。Roden因此教导了检测直流(DC)总线上随时间变化的电压来检测接地故障。

授权给Kubo的第7443643号美国专利(下文中称“Kubo”)教导了一种变流器装置，该装置包含连接在电池负极线和车身之间的接地故障检测电路，以及控制器，其中该接地故障检测电路包括电阻器元件和电容器元件的串联电路或多个电阻器元件的串联电路，并且将元件连接点上的电势输入到控制器以检测接地故障。该Kubo接地故障检测电路连接在电池负极线和车身之间。当输入电势降低时，该Kubo变流器装置判定在电池的负极线上已经发生接地故障，并且当输入电势增加时，判定电池正极线或变流器输出端已经发生接地故障。