CN102707144B - 动力电池组母线绝缘电阻测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池组母线绝缘电阻测量装置，包括：正母线、负母线以及整车地，生成第一分压输出信号的第一分压电路；控制正母线电路通断的第一选通开关；生成第二分压输出信号的第二分压电路；控制负母线电路通断的第二选通开关；控制单元，用于控制所述第一和第二选通开关的通断，并根据所述第一分压输出信号和第二分压输出信号计算所述正、负母线绝缘电阻。还公开了一种动力电池组母线绝缘电阻的测量方法，包括：按照以下的顺序进行循环采样：电池组电压→正母线对地电压→电池组电压→负母线对地电压；估算正母线对地电压和负母线对地电压在电池组电压采样时刻的估计值；计算正母线绝缘电阻和负母线绝缘电阻。本发明减小了测量误差。

Description

动力电池组母线绝缘电阻测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，尤其涉及一种动力电池组母线绝缘电阻测量装置及方法。

背景技术

在电动汽车中，由于动力电池组的工作电压较高(一般在300V-600V)，当电池动力母线电缆绝缘介质老化或受潮湿环境影响等因素都会导致高电压电路和环境地之间的绝缘性能下降，造成电源正负极母线和环境地之间形成漏电流回路，危及人身安全和整车安全。因此，实时准确地监测动力电池母线绝缘电阻，对于保证车辆及人员安全具有重要的意义。

目前，测量动力电池母线绝缘电阻的方法主要有辅助电源法、电流传感法、正负极母线对环境地分压法和不对称电桥法等。由于不对称电桥法测量电路相对简单，目前得到较多的应用。其基本原理是分别接通并联在正母线对地绝缘电阻Rp和负母线对地绝缘电阻Rn上的两个已知正负母线并联电阻R+和R-，通过测量正负母线对地电压Vp、Vn和电池电压V，根据回路方程：

$\frac{R_p//R+}{R_n}=\frac{V_p}{V-V_p}=K_{+}............\left(1\right)$

$\frac{R_n//R-}{R_p}=\frac{V_n}{V-V_n}=K_{-}............\left(2\right)$

R+＝R-............(3)

$R_p=\frac{(1-K_{+}{K}_{-})R}{K_{-}(1+K_{+})}............\left(4\right)$

$R_n=\frac{(1-K_{+}{K}_{-})R}{K_{+}(1+K_{-})}............\left(5\right)$

实现对Rp和Rn的间接测量。

由于这种方法是通过切换R+和R-来分时完成对Vp和Vn以及V采样和测量的，因此，在采样测量期间，当电池电压V为稳态值时，该方法的测量误差主要来自于分压电阻、运算放大器A1、A2以及ADC的误差。然而，当动力电池处于动态工况状态时，由于电池电压V的剧烈变化以及Vp、Vn和V采样测量时间的不同步，将使Rp和Rn的测量值产生较大的误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种动力电池组母线绝缘电阻测量装置及方法，可以在动态工况下减小母线绝缘电阻的测量误差。

(二)技术方案

为解决上述问题，一方面本发明提供了一种动力电池组母线绝缘电阻测量装置，包括：一端与电池组的正极连接的正母线、一端与电池组的负极连接的负母线以及整车地，以及：

第一分压电路，连接在所述正母线的另一端与整车地之间，用于生成第一分压输出信号；

第一选通开关，设于所述电池组的正极与第一分压电路之间的正母线上，用于控制所述正母线与第一分压电路之间的电路通断；

第二分压电路，连接在所述负母线的另一端与整车地之间，用于生成第二分压输出信号；

第二选通开关，设于所述电池组的负极与第二分压电路之间的负母线上，用于控制所述负母线与第二分压电路之间的电路通断；

控制单元，用于控制所述第一选通开关和第二选通开关的通断，并根据所述第一分压输出信号和第二分压输出信号计算所述正、负母线绝缘电阻。

优选地，所述测量装置还包括运算放大器，同相输入端连接所述第一分压输出信号，反相输入端连接所述第二分压输出信号，与整车地共地设置，放大输出端与所述控制单元的测量信号输入端连接。

优选地，所述运算放大器的放大输出端与所述控制单元的测量信号输入端之间还连接有隔离放大器。

优选地，所述第一选通开关和第二选通开关为光继电器。

优选地，所述控制单元设有：

第一控制信号输出端，与所述第一选通开关的控制端连接，用于发出选通控制信号；

第二控制信号输出端，与所述第二选通开关的控制端连接，用于发出选通控制信号。

优选地，所述第一分压电路包括串联连接的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的另一端与所述正母线连接，所述第二电阻的另一端与所述整车地连接，所述第一分压输出信号生成于所述第一电阻和第二电阻串联连接的部分。

优选地，所述第二分压电路包括串联连接的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的另一端与所述负母线连接，所述第四电阻的另一端与所述整车地连接，所述第二分压输出信号生成于所述第三电阻和第四电阻串联连接的部分。

另一方面，本发明还提供了一种动力电池组母线绝缘电阻的测量方法，包括：

S1：按照以下的顺序进行循环采样：首先对电池组电压进行采样；接着对正母线对地电压进行采样；再对电池组电压进行采样；然后对负母线对地电压进行采样；

S2：计算在正母线对地电压采样前后的两次电池组电压采样之间的电压差作为第一增量系数，计算在负母线对地电压采样前后的两次电池组电压采样之间的电压差作为第二增量系数，并根据所述第一增量系数和第二增量系数分别得到正母线对地电压和负母线对地电压在电池组电压采样时刻的估计值；

S3：根据采样得到的电池组电压和该电池组电压采样时刻的正、负母线对地电压估计值，得到该采样时刻的正母线绝缘电阻和负母线绝缘电阻。

优选地，所述循环采样过程具体为：

S11：初始化循环采样计数器i＝0；

S12：连通正母线和负母线，测量电池组电压V(4i*Δt)，其中Δt为采样周期；

S13：连通正母线，断开负母线，测量正母线对地电压Vp((4i+1)*Δt)；

S14：连通正母线和负母线，测量电池组电压V((4i+2)*Δt)；

S15：连通负母线，断开正母线，测量负母线对地电压Vn((4i+3)*Δt)；

S16：循环采样计数器i＝i+1，转到步骤S12。

(三)有益效果

本发明可有效地实现对电池组电压以及正负母线对地绝缘电阻的实时测量，提高动态工况下正负母线对地绝缘电阻的测量精度，具有电路简单、功耗低、硬件成本低等特点，更适合于集成在动力电池组监测单元中。

附图说明

图1为本发明实施例一测量装置的电路结构示意图；

图2为本发明实施例二测量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例二测量方法步骤S1的具体流程示意图；

图4为本发明实施例二对正负母线对地电压进行估算测量的示意图；

其中，1：电池组；2：正母线；3：负母线；4：整车地；5：第一分压电路；6：第二分压电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

实施例一：

如图1所示，本实施例记载了一种动力电池组母线绝缘电阻测量装置，包括：

一端与电池组1的正极连接的正母线2；

一端与电池组1的负极连接的负母线3；

整车地4；

第一分压电路5，连接在所述正母线2的另一端与整车地4之间，用于生成第一分压输出信号；在本实施例中所述第一分压电路5包括串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的另一端与所述正母线2连接，所述第二电阻R2的另一端与所述整车地4连接，所述第一分压输出信号生成于所述第一电阻R1和第二电阻R2串联连接的部分。

第一选通开关J+，设于所述电池组1的正极与第一分压电路5之间的正母线2上，用于控制所述正母线2与第一分压电路5之间的电路通断；

第二分压电路6，连接在所述负母线3的另一端与整车地4之间，用于生成第二分压输出信号；在本实施例中，所述第二分压电路6包括串联连接的第三电阻R3和第四电阻R4，所述第三电阻R3的另一端与所述负母线3连接，所述第四电阻R4的另一端与所述整车地4连接，所述第二分压输出信号生成于所述第三电阻R3和第四电阻R4串联连接的部分。

在本实施例中，所述第一至第四电阻R1、R2、R3、R4均为0.1％精密电阻。以500V电池组为例，第一电阻R1和第三电阻R3可选1MΩ、1W电阻，为适应模数转换器ADC信号输入范围(0-2.5V)，设分压比为500V/2.5V，第二电阻R2和第四电阻R4可选5kΩ、0.1W电阻。

第二选通开关J-，设于所述电池组1的负极与第二分压电路6之间的负母线3上，用于控制所述负母线3与第二分压电路6之间的电路通断；

控制单元，用于控制所述第一选通开关J+和第二选通开关J-的通断，并根据所述第一分压输出信号和第二分压输出信号计算所述正、负母线绝缘电阻。在本实施例中，所述控制单元为微控制器CPU。

在本实施例中，所述测量装置还包括运算放大器A1，同相输入端连接所述第一分压输出信号，反相输入端连接所述第二分压输出信号，与整车地4共地设置，放大输出端与所述控制单元的测量信号输入端连接。

在本实施例中，所述运算放大器A1为AD620，放大倍数为1。本实施例中所述控制单元的测量信号输入端为微控制器CPU的模数转换器ADC输入端。

所述运算放大器A1的放大输出端与所述控制单元的测量信号输入端之间还连接有隔离放大器A2。在本实施例中，所述隔离放大器A2采用ISO120，其与运算放大器A1的供电由5V入12V出隔离DCDC电源提供。

在本实施例中，所述第一选通开关J+和第二选通开关J-为光继电器。并且，本实施例中所述光继电器为AQW216ENPHOTOMOS光继电器，所述光继电器触点耐压为600VDC，为进一步提高耐压性能，采用触点串联方式连接。

所述控制单元设有：

第一控制信号输出端，与所述第一选通开关J+的控制端连接，用于发出选通控制信号；

第二控制信号输出端，与所述第二选通开关J-的控制端连接，用于发出选通控制信号。

本实施例中所述第一控制信号输出端和第二控制信号输出端分别为微控制器CPU的数字IO口DO0和DO1。

在本实施例中，微控制器CPU采用具有12位模数转换器ADC和CAN接口的C8051F500，通过12位模数转换器ADC完成对测量信号的AD转换，通过数字IO口DO0和DO1完成对光继电器的开关控制。

使用时，根据不对称电桥法基本原理，测量装置电路有3个输入端，即正母线输入端、负母线输入端和整车地(搭铁)，通过由第一电阻R1和第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4作为分压电阻构成第一和第二分压电路5、6，为高阻抗差分运算放大器A1的同相端和反相端提供经分压后的正母线对地电压Vp、负母线对地电压Vn和电池组电压V测量信号。本实施例中R1＝R3，R2＝R4，kf＝R1/R2＝R3/R4为分压比。经运算放大器A1放大后的信号通过隔离放大器A2送至微处理器CPU的模数转换器ADC输入端进行AD转换。测量时：

(1)当第一选通开关J+和第二选通开关J-同时导通时，电池组电压V经第一至第四电阻R1、R2、R3和R4构成的分压电路，为运算放大器A1提供电池组电压V的分压信号V/kf，实现对电池组电压V的测量。

(2)当第一选通开关J+导通，第二选通开关J-关断时，正母线对地电压Vp经第一和第二电阻R1和R2分压后，为运算放大器A1提供正母线对地电压Vp的分压信号Vp/kf，实现对正母线对地电压Vp的测量。由于运算放大器A1输入端具有G欧级的输入阻抗，因此，可将R1+R2看出为正母线与地之间的并联电阻R+，用于计算正母线绝缘电阻Rp和负母线绝缘电阻Rn。

(3)当第二选通开关J-导通，第一选通开关J+关断时，负母线对地电压Vn经第三和第四电阻R3和R4分压后，为运算放大器A1提供负母线对地电压Vn的分压信号Vn/kf，实现对负母线对地电压Vn的测量。由于运算放大器A1输入端具有G欧级的输入阻抗，因此，可将R3+R4作为负母线与地之间的并联电阻R-，用于计算正母线绝缘电阻Rp和负母线绝缘电阻Rn。

具体通过背景技术中的公式(1)～(5)得到正、负母线绝缘电阻的值：

$\frac{R_p//R+}{R_n}=\frac{V_p}{V-V_p}=K_{+}............\left(1\right)$

$\frac{R_n//R-}{R_p}=\frac{V_n}{V-V_n}=K_{-}............\left(2\right)$

R+＝R-............(3)

$R_p=\frac{(1-K_{+}{K}_{-})R}{K_{-}(1+K_{+})}............\left(4\right)$

$R_n=\frac{(1-K_{+}{K}_{-})R}{K_{+}(1+K_{-})}............\left(5\right).$

实施例二：

如图2所示，本实施例记载了一种动力电池组母线绝缘电阻的测量方法，包括：

S1：按照以下的顺序进行循环采样：首先对电池组电压进行采样；接着对正母线对地电压进行采样；再对电池组电压进行采样；然后对负母线对地电压进行采样；

S2：计算在正母线对地电压采样前后的两次电池组电压采样之间的电压差作为第一增量系数，计算在负母线对地电压采样前后的两次电池组电压采样之间的电压差作为第二增量系数，并根据所述第一增量系数和第二增量系数分别得到正母线对地电压和负母线对地电压在电池组电压采样时刻的估计值；

S3：根据采样得到的电池组电压和该电池组电压采样时刻的正、负母线对地电压估计值，得到该采样时刻的正母线绝缘电阻和负母线绝缘电阻。

如图3所示，在本实施例中，所述循环采样过程具体为：

S11：初始化循环采样计数器i＝0；

S12：连通正母线和负母线，测量电池组电压V(4i*Δt)，其中Δt为采样周期；

S13：连通正母线，断开负母线，测量正母线对地电压Vp((4i+1)*Δt)；

S14：连通正母线和负母线，测量电池组电压V((4i+2)*Δt)；

S15：连通负母线，断开正母线，测量负母线对地电压Vn((4i+3)*Δt)；

S16：循环采样计数器i＝i+1，转到步骤S12。

本实施例中采样周期Δt＝10ms或20ms。

由于绝缘性能衰减是一缓慢过程，在本实施例中，正母线绝缘电阻Rp和负母线绝缘电阻Rn在一个采样循环时间内可近似看成常数，由式(1)、(2)和(3)可以看出，当R+＝R-，i＝N时，正母线对地电压Vp在4NΔt-(4N+2)Δt采样时间内具有与电池组电压V的第一增量系数相同的增量系数kp(N)，即

kp(N)＝ΔVp/Vp＝[V((4N+2)Δt)-V(4NΔt)]/V(4NΔt)

同理，负母线对地电压Vn在(4N+2)Δt-(4N+4)Δt采样时间内具有与电池组电压的第二增量系数相同的增量系数kn(N)，即

kn(N)＝ΔVn/Vn＝[V((4N+4)Δt)-V((4N+2)Δt)]/V((4N+2)Δt)

据此，可由正母线对地电压Vp在(4N+1)*Δt时刻和负母线对地电压Vn在(4N+3)*Δt时刻的测量值Vp((4N+1)*Δt)和Vn((4N+3)*Δt)推算出正负母线对地电压Vp和Vn在(4N+2)Δt时刻的估计值：

Vp((4N+2)*Δt)＝Vp((4N+1)*Δt)[1+kp(N)/2]

Vn((4N+2)*Δt)＝Vn((4N+3)*Δt)[1-kn(N)/2]

根据电池组电压在(4N+2)*Δt时刻的测量值V((4N+2)*Δt)和已知的R+、R-，利用(1)-(5)式，即可计算出正负绝缘电阻Rp和Rn在(4N+2)*Δt时刻的测量值。

当进入下一采样循环，即i＝N+1时，在4NΔt时刻的正负母线对地电压Vp和Vn可按下式计算

kp(N)＝ΔVp/Vp＝[V((4N+2)Δt)-V(4NΔt)]/V(4NΔt)

Vp((4N+2)*Δt)＝Vp((4N+1)*Δt)[1-kp(N)/2]

Vn((4(N-1)+2)*Δt)＝Vn((4(N-1)+3)*Δt)[1+kn(N-1)/2]

根据电池组电压在4NΔt时刻的测量值V(4NΔt)和已知的R+、R-，利用(1)-(5)式，即可计算出正负绝缘电阻Rp和Rn在4NΔt时刻的测量值，如图4所示。

本发明减小了电池组电压快速变化时由于电池组电压V、正母线对地电压Vp和负母线对地电压Vn测量不同步而引起的正母线绝缘电阻Rp和负母线绝缘电阻Rn测量误差，提高了母线对地绝缘电阻测量精度；本发明降低了测量电路的复杂性，使得测量电路更为简单可靠；实现了电池组电压和母线对地绝缘电阻的一体化测量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种采用电动汽车动力电池组母线绝缘电阻测量装置进行动力电池组母线绝缘电阻的测量的方法，所述动力电池组母线绝缘电阻测量装置包括：一端与电池组的正极连接的正母线、一端与电池组的负极连接的负母线以及整车地；第一分压电路，连接在所述正母线的另一端与整车地之间，用于生成第一分压输出信号；

第一选通开关，设于所述电池组的正极与第一分压电路之间的正母线上，用于控制所述正母线与第一分压电路之间的电路通断；

第二分压电路，连接在所述负母线的另一端与整车地之间，用于生成第二分压输出信号；

第二选通开关，设于所述电池组的负极与第二分压电路之间的负母线上，用于控制所述负母线与第二分压电路之间的电路通断；

控制单元，用于控制所述第一选通开关和第二选通开关的通断，并根据所述第一分压输出信号和第二分压输出信号计算所述正、负母线绝缘电阻；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：按照以下的顺序进行循环采样：首先对电池组电压进行采样；接着对正母线对地电压进行采样；再对电池组电压进行采样；然后对负母线对地电压进行采样；

S2：计算在正母线对地电压采样前后的两次电池组电压采样之间的电压差作为第一增量系数，计算在负母线对地电压采样前后的两次电池组电压采样之间的电压差作为第二增量系数，并根据所述第一增量系数和第二增量系数分别得到正母线对地电压和负母线对地电压在电池组电压采样时刻的估计值；

S3：根据采样得到的电池组电压和该电池组电压采样时刻的正、负母线对地电压估计值，得到该采样时刻的正母线绝缘电阻和负母线绝缘电阻。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述循环采样过程具体为：

S11：初始化循环采样计数器，将计数值i设为i＝0；

S12：连通正母线和负母线，测量电池组电压V_(4i×Δt)，其中Δt为采样周期；

S13：连通正母线，断开负母线，测量正母线对地电压Vp_{((4i+1)×Δt)}；

S14：连通正母线和负母线，测量电池组电压V_{((4i+2)×Δt)}；

S15：连通负母线，断开正母线，测量负母线对地电压Vn_{((4i+3)×Δt)}；

S16：令i＝i+1，转到步骤S12。