CN101158701B - 高压系统电压及绝缘电阻测量电路 - Google Patents

Abstract

一种高压系统电压及绝缘电阻测量装置，包括：高压系统直流电压采样模块、绝缘电阻采样模块、信号处理模块、高压系统隔离模块、主控制器模块、CAN总线接口模块、电源模块。高压系统直流电压采样模块和绝缘电阻采样模块通过采样电阻R36、R38接高压直流系统的正端，通过采样电阻R37、R39接高压直流系统的负端。采样电压直接送入信号处理模块，经过运放U16A、U17B输出电压信号U1、U2。电压信号U1、U2接入高压系统隔离模块隔离后，输出的信号AD1、AD2直接输入到主控制器模块的AD转换器。主控制器的164管脚，265管脚接到CAN总线接口模块。供电模块接+9V-+18V的直流电源，给整个系统供电。本发明将测量到的绝缘电阻和直流电压送到CAN总线，方便地连接到车辆系统上。

Description

高压系统电压及绝缘电阻测量电路

技术领域

本发明涉及电动汽车、混合动力车、铁路电力机车、电力系统等对直流高压系统电压及绝缘电阻测量电路。

背景技术

电动汽车、铁路电力机车等供电系统中通常存在高压系统和低压系统。由于高压系统为车辆的大功率部件提供电能，而高压系统主要由动力电池、电源变换器、电机等电气设备组成。动力电池的电压通常在100V以上，有的甚至高达300V以上。较高的工作电压系统对车辆底盘和电压系统之间的绝缘性能提出了更高的要求。空气的潮湿、绝缘介质的老化等因素都会导致高压系统和车辆底盘间的绝缘性能下降。绝缘性能的下降使得电源正、负极引线通过绝缘层和底盘之间构成漏电流回路，会造成底盘电位上升，这不仅会影响车辆电气系统的正常工作，而且会危及乘客的安全。当电气系统中发生多点绝缘故障时，会导致漏电回路的热积累效应，可能造成车辆电气火灾等严重后果。因此，利用高压系统的绝缘电阻检测装置实时、定量地检测高压电气系统对车辆底盘的绝缘电阻，发现绝缘故障，对保证车辆电气系统正常工作、车辆安全及保证乘客安全具有重要意义。

目前关于绝缘检测相关发明专利主要是判断是否有绝缘故障及绝缘状态，不能够计算绝缘电阻大小和计算直流高压系统的直流电压。中国专利94240186.7“蓄电池对地绝缘检测仪”，它通过开关控制输入端来控制蓄电池处于不同的外接电阻状态，测量蓄电池负端对自然地的电压来测量蓄电池的对地的绝缘状态。它需要通过外部一个双刀双掷开关拨到不同位置进行多次测量，测量烦琐。另外专利94240186.7中运用了大量模拟电路进行数学运算，模拟电路复杂，可靠性降低。专利02218899.1“轨道车辆电气绝缘检测仪”，它在测量绝缘电阻时，需要外接电子兆欧表。专利号97206362.5，“绝缘检测器”，主要是测量电线电缆及附件的绝缘缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术通过兆欧表测量直流高压系统的绝缘电阻，其测量精度不高，人工操作存安全隐患的缺点。本发明通过CPU控制实现了自动实时测量，测量精度高，不需要人进行干预。同时本发明提供一种成本低，使用方便，既能测量高压系统直流电压，又能测量高压系统的绝缘电阻，而且能够与CAN总线系统相融合的测量装置。

本发明主要包括：高压系统直流电压采样模块、绝缘电阻采样模块、信号处理模块、高压系统隔离模块、主控制器模块、CAN总线接口模块、电源模块。

高压系统直流电压采样模块和绝缘电阻采样模块通过采样电阻R36、R38接高压直流系统的正端，通过采样电阻R37、R39接高压直流系统的负端。采样电压直接送入信号处理模块，经过运放U16A、U17B输出电压信号U1、U2。电压信号U1、U2接入高压系统隔离模块隔离后，输出信号AD1、AD2。信号AD1、AD2直接输入到主控制器模块的AD转换器。主控制器的164管脚TXCAN1，265管脚RXCAN1接到CAN总线接口模块。供电模块接+9V-+18V的直流电源，输出+5V电源给整个系统供电。

高压系统直流电压采样模块对高压系统直流电压的测量采用耐共模电压高的运放，将直流电压按比例缩小到AD口能输入的电压。因为高压系统容易对低压系统造成干扰，这里的采样电阻的阻值要求比较大，需要把电流控制在毫安级。为了测量的准确需要采用精密电阻，要求它的温度系数是50ppm以下。

绝缘电阻采样模块测量绝缘电阻的原理是根据在不同绝缘电阻条件下，测量高压系统直流电压正负端对地的电压，经过换算得到的。电路设计中需要测量高压系统直流电压U1，高压系统直流电压正端对地的电压U2。在高压系统直流电压的正负端通过一个固定阻值的电阻R1、R2和低压系统的地连接，在R1的两端在并联一个固定阻值的电阻R0，R0是通过继电器来控制是否并联到R1两端的。R1和R2的阻值较大且大小相同，否则容易降低绝缘电阻。假设高压系统直流电压的正负端对地的绝缘电阻分别是R+和R-。当绝缘电阻无穷大时，高压系统的正负端对地的电压是一个固定值，且相等。当绝缘电阻被破坏且高压系统直流电压的正负端对的绝缘电阻不相等，高压系统的正负端对地的电压不相等。设R0没有并联到R1两端时，测得高压系统直流电压是U1，高压系统正端对地的电压是U2，将R0并联到R1两端后，测得得高压系统直流电压是U11，高压系统正端对地电压是U22。因此可以得到两个二元的方程，其中未知参数是R+和R-，通过计算得到R+和R-的电阻值。

信号处理模块通过传统的电阻分压的方法，将高压系统直流电压和高压系统直流电压的正端对地电压处理成AD转换器能够输入的信号量。分压后通过一级电压跟随，提高电压的稳定性。

为了使高压系统不对低压系统造成干扰，高压系统隔离模块中采用线性光耦HCNR200把高压和低压部分进行隔离。HCNR200和普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。通过反馈电路的非线性抵消直通通路的非线性性，从而达到和实现线性隔离的目的。在本发明中，需要设计HCNR200的外围电路，使得HCNR200工作在线性区，同时使它的放大倍数是一，这样HCNR200只是起到电压隔离的作用，不对电压进行放大。

主控制器模块采用了飞思卡尔单片机MC9S12DG256，MC9S12DG256片内集成了AD和CAN控制器，这样仅需要简单的外围电路就可以实现本发明的功能。

CAN总线接口模块提供本发明与电动汽车的CAN总线系统的接口，能和电动汽车的CAN总线系统方便地融合。电动汽车的工作环境干扰较大，本发明在CAN接口设计上加上了共模线圈和磁珠来抑制环境对CAN总线造成的干扰。

电源模块需要满足汽车对供电系统宽电压范围输入的要求，在本发明装置中，为了保证系统安全，采用隔离DC/DC将系统的低压部分和供电电源完全隔离开，进一步降低了系统的干扰，本发明是采用外部9V-18V的直流电源供电，供电范围较宽，符合汽车对供电电源的要求。

本发明直接通过测量高压直流系统正负端对地的电压，通过计算直接得到正负端对地的绝缘电阻，测量更加方便、准确。

本发明不仅能够测量高压系统的绝缘电阻，而且能够测量高压系统的直流电压，可满足电动车辆不仅需要测量高压系统的绝缘电阻，还需要测量提供高压系统电源的动力蓄电池的电压的需求。

本发明可以与现有的CAN总线系统相融合，大大简化了系统的设计。

附图说明

图1是高压系统直流电压采样模块、绝缘电阻采样模块、信号处理模块电路原理图；

图2是高压系统隔离模块电路原理图；

图3是主控制器模块电路原理图；

图4是CAN总线接口模块电路原理图；

图5是电源模块电路原理图。

具体实施方式

本发明包括高压系统直流电压采样模块、绝缘电阻采样模块、信号处理模块、高压系统隔离模块、主控制器模块、CAN总线接口模块、电源模块。高压系统直流电压采样模块和绝缘电阻采样模块通过采样电阻R36、R38接高压直流系统的正端，通过采样电阻R37、R39接高压直流系统的负端。采样电压直接送入信号处理模块，经过运放U16A、U17B输出电压信号U1、U2。电压信号U1、U2接入高压系统隔离模块隔离后，输出信号AD1、AD2。信号AD1、AD2直接输入到主控制器模块的AD转换器。主控制器的164管脚TXCAN1，265管脚RXCAN1接到CAN总线接口模块。供电模块接+9V-+18V的直流电源，输出+5V电源给整个系统供电。

图1是本发明高压系统直流电压采样模块、绝缘电阻采样模块、信号处理模块电路。如图1所示，电阻R34和R35的阻值相等，取值为1M欧0.25W。电阻R34一端接高压直流系统的正端，另一端接低压系统供电电源的地VB-。电阻R35一端接高压直流系统的负端，另一端接低压系统供电电源的地VB-。高压直流系统的正端串连两个电阻值为2M的精密电阻R36、R38到运放U17A的正端，高压直流系统的负端同样串连两个电阻值为2M的精密电阻R37、R39到运放的负端。运放U17A的正端接100K的精密电阻到VB-，电容C31起滤波的作用。运放U17A的负端接100K的精密电阻和C34到运放U17A的输出端。电阻R30、R41是10K的电阻，提高前一级的输出阻抗。运放U16A和U17B起到电压跟随的作用。

设高压直流系统的两端电压是Ui，运放U16A的输出电压U2，运放U17B的输出电压U1。R34两端电压是U34，R35两端电压是U35。根据电路原理

根据测量的U1可计算出高压系统正负端的电压Ui。电阻R36、R38、R29串联后和R34并联，根据原理图U35＝Ui-U34。根据以上的推导，测量得到U1、U2的值就可以推算出总电压和电阻R34、R35两端的电压U34、U35。

设高压直流系统正负端对地的绝缘电阻分别是R+和R-。当绝缘性能很好，绝缘电阻很大时，U34＝U35＝Ui/2。当出现绝缘故障时，断开S1测的R34两端电压是U34，R35两端电压是U35，闭合S1时，测得R34两端电压是U34′，R35两端电压是U35′，由此得到等式：

$\frac{U34}{R+}-\frac{U35}{R-}=\frac{U35R34-U34R35}{R35R34}$

$\frac{{U34}^{\′}}{R+}-\frac{{U35}^{\′}}{R-}=\frac{{U35}^{\′}{R34}^{\′}-{U34}^{\′}R35}{{R35R34}^{\′}}$

${R34}^{\′}=\frac{R14R34}{R14+R34}$

以上方程可以计算得到R+和R-。

图2是高压系统隔离模块。电压U2通过电阻R31接U16B的6管脚，U16B的5管脚接电源地。U16B的6脚接隔离光耦U20的3管脚，U20管脚1通过电阻R32接U16B的7管脚，2管脚接电源正。U20的5脚、6脚分别接U19A的3脚、2脚。U19A的2脚通过电阻R33、电容C33接U19A的管脚1。电压U1通过电阻R42接U18A的2管脚，U18A的3管脚接电源地。U18A的2脚接隔离光耦U21的3管脚，U31管脚1通过电阻R43接U18A的1管脚，3管脚接电源正。U21的5脚、6脚分别接U19B的5脚、6脚。U19B的6脚通过电阻R33、电容C33接U19B的管脚7。高压系统隔离模块的重点是要求线性光耦HCNR200工作在线性区。要做到这一点需要对运放进行合理的选型，并且确定电阻的阻值。在本系统中隔离运放只是隔离不放大，对运放的速度要求不高，因此选用LM158作为HCNR200的外围电路就可以满足系统要求，且使用单电源供电即可。假设高压直流系统的电压最大是180V最小是100V，那么HCNR200的放大电压的范围是2.4V-4.4V之间。HCNR200工作在线性区时发光二极管的电流大概是10mA左右，取R32、R43为620欧。R31、R42、R33、R44的确定可以根据所需要的放大倍数确定，这里不需要放大，只需要取R31＝R42＝R33＝R44＝51K就可以。另外由于光耦会产生一些高频的噪声，通常在R33、R44两端并联一个电容C33、C36，构成一个低通滤波器，这里根据实际的噪声频率取电容的值为0.1uF。

图3是主控器模块电路。本发明装置中采用了飞思卡尔单片机MC9S12DG256，MC9S12DG256片内集成了AD和CAN控制器，使用了67脚PAD0、69脚PAD1来测量电压U1、U2。电阻R119、R120是一个0欧的电阻，用来选择单片机内部AD转换器的参考源。为了调试方便，使用单片机的7管脚PK1来控制发光二极管D12闪烁。JP1是调试端口，1管脚接单片机的23管脚BKGN，2管脚接地，4管脚接单片机的复位管脚42脚REST，6管脚接电源VCC，3、5管脚悬空。为了在上电过程中能够稳定给单片机复位，使用专用复位芯片MAX705，MAX705有看门狗的功能，8管脚WD输出接1管脚MR，2接电源VCC，3接电源地，7经过上拉电阻R127和单片机42脚REST连接，6脚是MAX705看门狗输入端MI和单片机32管脚PH7连接，用来给MAX705喂狗。0欧电阻R8用来选择是否使用MAX705的看门狗功能，断开R8，不使用MAX705的看门狗功能，MAX705只是提供一个上电复位的信号。单片机使用16M外部有源晶振OC2，3脚输出波形经过一个滤波电路接到单片机的46管脚EXTAL端。单片机的电源端VDDR、VDDA、RDDX，分别通过电感L6、L7、L8和电源VCC连接。电容C93-C101主要是起到电源滤波的作用。单片机可以通过37管脚MODB、38管脚MODA、23管脚MODC来选择单片的工作模式，系统MODA、MODB、MODC分别通过3.3K的电阻上拉和下拉，在实际应用中，可以根据实际需要单片机工作的模式来选择焊接电阻。单片机104管脚TXCAN0，105管脚RXCAN0是内部CAN控制器的发送端和接收端，它们分别接到CAN收发器TJA1050的1管脚和4管脚。

图4所示是CAN总线接口模块。本发明中CAN收发器采用了TJA1050，TJA1050的抗干扰性能较好。1管脚TXD接单片机的104管脚TXCAN0，4管脚RXD接单片机的105管脚RXCAN0。1管脚TXD通过电阻R99上拉，提高CAN发送端的抗干扰能力。3脚接电源VCC。2脚接电源地。电阻R104在使用TJA1050时可以不焊，它主要是使用CAN收发器82C250替换TJA1050时使用的。6管脚CHNL接共模线圈S81R5的3脚，7管脚CHNH接共模线圈S81R5的4脚。共模线圈的输出端1和2通过磁珠F4、F6接CAN高和CAN低。在这个电路中，共模线圈S81R5和磁珠主要是起滤波的作用，提高CAN的抗干扰能力。

图5是电源模块——低压系统供电电源原理图。为了提高整个系统的安全性和抗干扰能力，使用了隔离电源模块WRB1205CS-2W。输入电压范围是9V-18V，输出电压是5V。输入电源正端VB+接二级管IN4100的输入端，二极管输出端接电源模块的2脚VIN。二极管的作用是防止外部电源反接。电容C59串接在VB+和VB-端，电容C61、C62串接在二极管输出端和VB-端。电容C64、C67串接在电源模块的6脚+Vout和7脚0V端。电容C65串接在电源模块的8脚CS和7脚0V端。电解电容C61主要是在外部电压瞬间跳变时，能保证电源部分的稳定工作。电容C64、C67、是5V输出滤波。

Claims (5)

1.一种高压系统电压及绝缘电阻测量电路，其特征在于包括：高压系统直流电压采样模块、绝缘电阻采样模块、信号处理模块、高压系统隔离模块、主控制器模块、CAN总线接口模块、电源模块；高压系统直流电压采样模块和绝缘电阻采样模块通过采样电阻R36、R38接高压直流系统的正端，通过采样电阻R37、R39接高压直流系统的负端；采样电压直接送入信号处理模块，经过运放U16A、U17B输出电压信号U1、U2；电压信号U1、U2接入高压系统隔离模块隔离后，输出信号AD1、AD2；信号AD1、AD2直接输入到主控制器模块的AD转换器；主控制器的164管脚TXCAN1，265管脚RXCAN1接到CAN总线接口模块；供电模块接+9V-+18V的直流电源，输出+5V电源给整个系统供电。

2.根据权利要求1所述的高压系统电压及绝缘电阻测量电路，其特征在于所述的高压系统直流电压采样模块、绝缘电阻采样模块、信号处理模块电路中：电阻R34一端接高压直流系统的正端，另一端接低压系统供电电源的地VB-；电阻R35一端接高压直流系统的负端，另一端接低压系统供电电源的地VB-；高压直流系统的正端串连两个精密电阻R36、R38到运放U17A的正端，高压直流系统的负端串连两个精密电阻R37、R39到运放U17A的负端；运放U17A的正端接100K的精密电阻到VB-，电容C31起滤波的作用；运放U17A的负端接并联连接的100K的精密电阻和电容C34到运放U17A的输出端。

3.根据权利要求1所述的高压系统电压及绝缘电阻测量电路，其特征在于所述的主控器模块电路的主控制器为单片机MC9S12DG256，调试端口JP1的1管脚接单片机的23管脚BKGN，2管脚接地，4管脚接单片机的复位管脚42管脚REST，6管脚接电源VCC，3、5管脚悬空；芯片MAX705的8管脚WD输出接1管脚MR，2管脚接电源VCC，3管脚接电源地，7管脚经过上拉电阻R127和单片机42管脚REST连接，6管脚是MAX705看门狗输入端MI和单片机32管脚PH7连接；电阻R8用来选择是否使用MAX705的看门狗功能；单片机使用16M外部有源晶振OC2，3管脚输出波形经过一个滤波电路接到单片机的46管脚EXTAL端；单片机的电源端VDDR、VDDA、RDDX，分别通过电感L6、L7、L8和电源VCC连接；电容C93-C101起到电源滤波的作用；单片机通过37管脚MODB、38管脚MODA、23管脚MODC来选择单片的工作模式，系统MODA、MODB、MODC分别通过3.3K的电阻上拉和下拉；单片机104管脚TXCAN0，105管脚RXCAN0是内部CAN控制器的发送端和接收端，分别接到CAN收发器TJA1050的1管脚和4管脚。

4.根据权利要求1所述的高压系统电压及绝缘电阻测量电路，其特征在于所述的CAN总线接口模块中，CAN收发器TJA1050的1管脚TXD接单片机的104管脚TXCAN0，4管脚RXD接单片机的105管脚RXCAN0；1管脚TXD通过电阻R99上拉，提高CAN发送端的抗干扰能力；3管脚接电源VCC；2管脚接电源地；6管脚CHNL接共模线圈S81R5的3管脚，7管脚CHNH接共模线圈S81R5的4管脚；共模线圈的输出端1和2通过磁珠F4、F6接CAN高和CAN低。

5.根据权利要求1所述的高压系统电压及绝缘电阻测量电路，其特征在于输入电源正端VB+接二极管IN4100的输入端，二极管输出端接隔离电源模块WRB1205CS-2W的2管脚VIN；电容C59串接在VB+和VB-端，电容C61、C62分别串接在二级管输出端和VB-端；电容C64、C67分别串接在电源模块的6管脚+Vout和7管脚0V端；电容C65串接在电源模块的8管脚CS和7管脚0V端；电容C64、C67是5V输出滤波。

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