CN101281230A - 一种用于混合动力汽车高压系统的绝缘故障监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于混合动力汽车高压系统的绝缘故障监测装置，包括电压采集电路、电压转换电路、CAN通讯标定端口，其中电压采集电路采集高压系统正负端的电压HV、正端对地的电压HV+、及负端对地的电压HV－，通过电压变换电路转化成单片机可接收的电压信号。本发明还公开了采用上述监测装置进行监测的方法，具体是：当安全接通高压系统后，每隔一定时间电压采集电路采集一次HV、HV+、及HV－，通过电压变换电路转化成单片机可接收的电压信号，比较三者的关系，当HV+和HV－满足大于a1HV，并且小于a2HV，即认为高压系统是安全的，其中系数a1、a2是与高压系统参数及车辆使用环境相关的可标定的变量。利用该监测装置可较容易的实现对高压系统绝缘状态的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及故障监测，特别是涉及一种电动汽车或混合动力汽车高压系统安全实时监测装置。
背景技术
电动汽车或混合动力汽车都包括由高压电池包、逆变器、电机等组件组成的高压系统，确保高压系统的高压电安全不仅可以保护驾乘人员的生命安全，也保护车内用电设备的安全，同时也间接避免了混合动力车辆发生交通事故的可能性。
电动汽车或混合动力汽车高压系统工作环境复杂恶劣，并且温度及系统的老化等因素都会影响高压系统的安全性，GB/T 18384.1中对动力蓄电池绝缘电阻的要求如下：在动力蓄电池的整个寿命周期内，根据图7所示的测量电路的计算方法得到的绝缘电阻值除以动力蓄电池的标称电压值，所得值应大于100Ω/V。其中计算方法如下：
1)测量牵引电池电压Vb。
2)测量牵引电池负极和车辆底盘之间的电压V1。
3)测量牵引电池正极和车辆底盘之间的电压V2。
4)如果V1＞＝V2，在电池负极和底盘之间插入标准电阻R0，测量电池负极与底盘之间的电压V1’，根据所示公式计算绝缘电阻Ri。
5)如果V2＞＝V1，在电池正极和底盘之间插入标准电阻R0，测量电池正极与底盘之间的电压V2’，根据所示公式计算绝缘电阻Ri。
标称电阻R0＝100Ω/V-500Ω/V，应该近似于车辆标称电压的100倍(单位：Ω)。
但上述标准仅提供了一种静态测量绝缘电阻的方法，不能应用于混合动力车运行状态下的实时动态测量，因为电阻测量不同于电压、电流等，可以直接测量出来。另一方面由于高压系统的直流高压一般大于200V，如果高压系统出现绝缘故障，为保证人员和车辆的安全，必须立即断开高压系统，因此，为保证车辆和驾乘人员的安全，并且满足高压绝缘标准，混合动力车辆应具有实时监测高压系统状态的装置，但现有的绝缘状态监测装置通过周期性地采集绝缘电阻，判断是否出现绝缘故障，不具有实时性。现有的绝缘监测装置实现绝缘检测的原理是标准GB/T 18384.1规定的绝缘电阻测量方式(如图7所示)，每计算一次绝缘电阻，都需要至少三次对继电器电路的控制，由于继电器的控制响应时间大概是100ms，因此，很难实现对绝缘电阻的实时测量。
由于高压系统绝缘故障判断条件会受到高压系统器件老化及环境的影响，因此，传统的高压系统绝缘故障监测装置会经常出现误操作，也影响到驾乘人员和车辆的安全性。
发明内容
本发明公开了一种用于混合动力汽车高压系统的绝缘故障监测装置，包括电压采集电路、电压转换电路、CAN通讯标定端口，其中电压采集电路采集高压系统正负端的电压HV、正端对地的电压HV+、以及负端对地的电压HV-，通过电压转换电路转化成单片机可接收的电压信号。
进一步，当HV+和HV-满足大于a1HV，并且小于a2HV，即认为高压系统是安全的，其中系数a1、a2是与高压系统参数及车辆使用环境相关的可标定的变量。具体地，系数a1为0.4，系数a2是为0.6。
电压转换电路的输入端是高压信号，输出端是0-5V范围内的信号，输出信号再输入单片机的模拟输入通道，实现对高压模拟信号的测量。
CAN通讯标定端口通过CAN_HI、CAN_LW接口与标定工具INCA连接，通过与标定工具的CAN通讯实现对绝缘判断条件的在线标定及修改。
本发明还公开了采用上述监测装置进行绝缘故障监测的方法，具体步骤是：当安全接通高压系统后，每隔一定时间电压采集电路采集一次高压系统正负端的电压HV、正端对地的电压HV+、以及负端对地的电压HV-，通过电压转换电路转化成单片机可接收的电压信号，比较三者的关系，当HV+和HV-满足大于a1HV，并且小于a2HV，即认为高压系统是安全的，其中系数a1、a2是与高压系统参数及车辆使用环境相关的可标定的变量。当监测到HV+和HV-满足0.3HV＜HV+和HV-＜0.4HV或0.6HV＜HV+和HV-＜0.7HV时，控制器发出警告信号；当监测到HV+和HV-＜0.3HV或者HV+和HV-＞0.7HV时，则认为发生严重绝缘故障，自动断开高压系统。
利用本发明提供的监测装置进行监测可较容易的实现对高压系统绝缘状态的实时监测，本发明提供的CAN标定接口可方便地修改绝缘判断条件，确保该监测装置能满足高压系统绝缘标准，增加了监测装置判断绝缘状态的灵活性，实现了对高压系统绝缘故障的实时准确监测。
本发明不仅适用于纯电动汽车或混合动力汽车的高压安全监控，也适用于其它工业上使用的高压系统的监测。
附图说明
图1为混合动力高压系统图；
图2为绝缘监测装置系统图；
图3为电压转换电路图；
图4为CCP通讯方式框图；
图5为CCP协议主从通讯方式框图；
图6为软件流程图；
图7为GB/T 18384.1标准中规定的电动汽车绝缘电阻测量电路图；
具体实施方式
图1所示为高压系统电路图，高压系统包括高压电池包、电池管理系统BMS、信号采集单元、正负端及预充电继电器、高压熔断器、保护电容、逆变器、及三相电机等。电池管理系统通过MOSFET驱动电路控制继电器，继电器的控制端通过碰撞开关和揭盖保护开关与12V电源连接，当车辆出现碰撞事故或操作人员揭开高压电池包时，高压系统将自动断开；信号采集单元实现对各电池组电压信号的采集，信号采集单元的输入信号是电池组电压信号，输出信号是转换成0-5V范围的电压信号。通过控制正负端继电器实现电池包的正负端与接入逆变器的正负端连接。逆变器两端的电压HV+和HV-就是本绝缘监测系统需要采集的信号。
图2所示为图1高压系统的绝缘故障监测装置，由电压采集电路、电压变换电路、CAN通讯及标定接口等电路组成。该装置采用两路电压转换电路，一路用于总电压的测量，另一路用于高压系统正端或负端对系统地电压的测量。电压转换电路的输入端是高压信号，输出端是0-5V范围内的信号，输出信号再输入单片机的模拟输入通道，实现对高压模拟信号的测量。图3为图2所示的监测装置中的电压转换电路，运放U1B实现对输入信号的处理，该运放输出处理后的高压系统两端电压；U1A提供电压跟随功能，降低输出信号的阻抗，以提高信号的处理精度。该电路将电池组两端的电压、电池组正端对地的电压、电池组负端对地的电压转化成可直接输入单片机引脚的信号。
图2中的通讯标定端口通过CAN_HI、CAN_LW接口与标定工具INCA的连接，通过与标定工具的CAN通讯实现对控制器存储器的读写操作。
理想情况下，高压系统的正端或负端应与车辆底盘完全隔离，但通常情况下是不可能实现的。例如，假设当正端与绝缘地短路，这是一种高压系统与绝缘地的完全接通，这是一种最危险的绝缘故障，这种状态下，正端对车辆底盘地的电压是0。绝缘监测装置用于监测高压系统的正端或负端与底盘地的连接状态，当发现连接状态不在安全范围内，绝缘监测控制器将故障码发送给整车控制器，整车控制器再根据车辆行驶工况和绝缘故障的等级确定对高压继电器的操作。
具体实施方式是绝缘监测装置采集高压系统正负端的电压HV、正端对地的电压HV+、负端对地的电压HV-，并通过电压变换电路转化成单片机可接收的电压信号，通过软件策略比较三者的关系，当HV+和HV-满足大于a1HV，并且小于a2HV，即认为是安全的，由于系数a1、a2与高压系统参数及车辆使用环境有关，为便于在车辆上调试，系数a1、a2是可标定的变量。
监测装置也包括带有CAN通讯的单片机系统，并且具有CAN标定接口，可通过标定工具INCA卡实现对绝缘判断条件的在线标定及修改。
本发明设计的软件满足CAN标定协议CCP(CAN CalibrationProtocol)，可通过标定工具(例如INCA卡)，标定系数a1和a2，其实现原理是通过标定工具将存储在控制器只读存储器的变量a1、a2读取到随机存储器，然后将变量修改后再写入只读存储器。
CCP是为了满足车载电子系统匹配标定要求的新一代开放通用标定协议，采用CCP协议可以快速而有效地实现对汽车电控单元的标定。如图4CCP通讯协议结构所示，CCP采用主从式通讯模式，一个主机与多个从机相连，主机是测量标定设备(即MCD：Measurement CalibrationDevice)；从机是车载控制器。主机通过向从机发送命令来初始化CAN上的数据传输。CCP支持两种变量测量模式：即命令控制方式(Polling)和数据采集方式(DAQ)。图5为CCP协议主从通讯方式，其中主设备是指包括标定工具的电脑；从设备是指被标定的控制器，即电池管理系统BMS，基于CCP协议的标定只占用两帧CAN报文，如图所示分别是命令接收对象CRO(Command Receive Object)和数据传输对象DTO(DataTransmission Object)。CRO由主设备发给从设备，DTO是从设备反馈的报文。两者分别通过一个自己的ID标识符进行标识(CRO_ID与DTO_ID)。主设备首先发送请求连接指令，与从设备建立连接关系，从设备并将状态信息发送给主设备。DAQ(Data Acquisition)是数据采集的意思。
基于CCP协议的标定，需要在ECU内部实现支持CCP协议的驱动程序(CCP driver)，本发明提供的绝缘监测装置控制器底层程序支持CCP协议，可方便的与满足CCP协议的标定设备连接，从而可以通过CAN总线实现对某些参数的标定修改。
图6为绝缘监测的软件流程图。该软件流程图的流程是在图4的系统中执行。
当电池管理控制器收到整车唤醒信号，将从休眠状态被唤醒，在唤醒模式下，控制器完成初始化后，将处于等待接收整车控制器的闭合继电器的指令，此状态下的继电器处于断开状态；当BMS收到整车控制器允许闭合的指令后，进入预充电状态，在预充电状态下，BMS控制负端继电器和预充电继电器闭合，并规定的时间内，如果成功完成预充电，则闭合正端继电器，延时一段时间后，再断开预充电继电器；在断开模式下，所有继电器将断开，电池包与高压系统断开。
当安全接通高压系统后，软件每10ms判断一次高压系统是否出现绝缘故障。绝缘故障分为一级绝缘故障和二级绝缘故障，当出现一级绝缘故障，系统发出警告信号；当出现二级绝缘故障，软件自动断开高压系统。其中判定为一级绝缘故障的条件为：0.3HV＜HV+和HV-＜0.4HV或0.6HV＜HV+和HV-＜0.7HV；判定为二级绝缘故障的条件为：HV+和HV-＜0.3HV或者HV+和HV-＞0.7HV。
本发明提供的监测方法需要确定高压系统正负端电压平衡与绝缘电阻值之间的对应关系，例如，如果要求绝缘电阻值大于100Ω/V，需要确定高压系统正端对底盘地的电压HV+、负端对地的电压HV-与HV之间的对应关系，理想情况下HV+＝HV-＝50％HV。但通常情况下，HV-与HV+存在一定程度的不平衡，本发明根据这种不平衡关系实现对绝缘故障的判断。为便于修改绝缘故障判断条件，本发明提供了满足CCP协议的CAN标定接口，可通过INCA卡标定设备标定修改绝缘故障判断条件。
本发明用于电动汽车或混合动力汽车的高压系统绝缘监测，由于电动汽车高压安全标准提供了一种静态测量绝缘电阻的方法，不适用与车辆行驶过程中的实时测量。本发明根据高压系统正负端电压与总电压的平衡程度和有关标准规定的绝缘电阻的测量存在一定得对应关系，提出了电压平衡法监测高压系统绝缘状态的方法，较好的解决了高压系统绝缘故障的实时监测问题。
Claims (10)
1、一种用于混合动力汽车高压系统的绝缘故障监测装置，包括电压采集电路、电压转换电路、CAN通讯标定端口，其中电压采集电路采集高压系统正负端的电压HV、正端对地的电压HV+、以及负端对地的电压HV-，通过电压转换电路转化成单片机可接收的电压信号。
2、根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：当HV+和HV-满足大于a1HV，并且小于a2HV，即认为高压系统是安全的，其中系数a1、a2是与高压系统参数及车辆使用环境相关的可标定的变量。
3、根据权利要求2所述的监测装置，其特征在于：其中系数a1为0.4，系数a2是为0.6。
4、根据权利要求1或2或3所述的监测装置，其特征在于：电压转换电路的输入端是高压信号，输出端是0-5V范围内的信号，输出信号再输入单片机的模拟输入通道，实现对高压模拟信号的测量。
5、根据权利要求1-4任一项所述的监测装置，其特征在于：CAN通讯标定端口通过CAN_HI、CAN_LW接口与标定工具INCA连接，通过与标定工具的CAN通讯实现对绝缘判断条件的在线标定及修改。
6、一种用于混合动力汽车高压系统的绝缘故障监测方法，当安全接通高压系统后，每隔一定时间电压采集电路采集一次高压系统正负端的电压HV、正端对地的电压HV+、以及负端对地的电压HV-，通过电压转换电路转化成单片机可接收的电压信号，比较三者的关系，当HV+和HV-满足大于a1HV，并且小于a2HV，即认为高压系统是安全的，其中系数a1、a2是与高压系统参数及车辆使用环境相关的可标定的变量。
7、根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：其中系数a1为0.4，系数a2是为0.6。
8、根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于：当监测到HV+和HV-满足0.3HV＜HV+和HV-＜0.4HV或0.6HV＜HV+和HV-＜0.7HV时，控制器发出警告信号；当监测到HV+和HV-＜0.3HV或者HV+和HV-＞0.7HV时，则认为发生严重绝缘故障，自动断开高压系统。
9、根据权利要求7或8所述的监测方法，其特征在于：电压转换电路的输入端是高压信号，输出端是0-5V范围内的信号，输出信号再输入单片机的模拟输入通道，实现对高压模拟信号的测量。
10、根据权利要求6-9任一项所述的监测方法，其特征在于：利用CAN通讯标定端口与标定工具INCA的连接，通过与标定工具的CAN通讯实现对绝缘判断条件的在线标定及修改。
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