CN103869166B - 一种电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，包括切换模块、采样电阻网络、电压测量模块、数据运算分析模块。测量绝缘电阻时，通过切换模块将高压引入到采样电阻中，然后送入到电压测量模块进行采样，最后根据数学运算分析模块进行运算，从而得到绝缘电阻值，如发生绝缘电阻低故障，则可通过本装置精确定位绝缘故障在电池系统中的位置。

Description

一种电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置

技术领域

本发明涉及一种电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置。

背景技术

近年来随着人们环保意识的增强，越来越多的电动汽车、储能系统被应用到人们生活当中。电动汽车和储能系统的基础是电池系统，电池系统的安全问题尤为重要，绝缘电阻是一个十分重要的安全参数。当电池系统的绝缘电阻出现故障时（GB/T18384.1-2001电动汽车安全要求第一部分：车载储能装置中规定绝缘电阻应大于500Ω/V），一方面会对人造成触电危险，另一方面会影响电池系统的工作，还会损坏电池系统及与其相连的电器设备。电池系统一般由多个模块构成，每个模块由多个单体电池串并联后组成。如果发生电池系统绝缘电阻低故障，如何能快速准确的找出故障点位置进而进行维修是一件十分有意义和必要的事情。

发明内容

本发明提供一种电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特点是可快速、精确测定绝缘电阻故障及故障位置，可有效解决现有技术中电池系统的无法测量绝缘电阻值及出现绝缘电阻故障时无法准确、快速定位故障位置的问题。

本发明为了解决其要解决的技术问题所采用的技术方案是：

一种电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，该装置包括：

切换模块，依据数据运算分析模块给出的指令向采样电阻网络接入或切断电池系统的高压+和高压-；

采样电阻网络，用于连接高压+、高压-和接地线间的电阻网络；

电压测量模块，测量采样电阻两端的电压值；和

数据运算分析模块，依据采样电阻网络的电阻值、电压测量模块的测量结果，计算绝缘电阻的电阻值和故障点位置，并给出切换模块相关指令的模块。

其中，切换模块为继电器、固态继电器、MOSFET或三极管，优选的为固态继电器。

电压测量模块包括为运算放大器和高精度A/D转换器。

其中，电池系统的电池组由单体电池模块构成，可以有1～999个串联单元。

其中，所述单体电池模块是锂离子电池、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、燃料电池或液硫电池等。

所述采样网络包括两个回路，分别从电池高压+或高压-经采样电阻、绝缘电阻、最终回到电池形成回路。

上述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1）由数据运算分析模块给出切换模块指令，切换模块向采样电阻网络接入或切断高压+或高压-；

2）电压测量模块测量所述采样电阻网络中接入高压的各回路中采样电阻两端电压值，各回路中采样电阻值相等；

3）通过数据运算分析模块根据采样电阻值、测量模块所得采样电阻的电压值计算绝缘电阻值，根据所得绝缘电阻值判断是否存在绝缘电阻故障；

4）若存在绝缘电阻故障，数据运算分析模块可直接计算绝缘电阻故障位置。

如测得不无绝缘电阻故障，则还需包括如下方法确定故障是否放生在电池系统中间位置：

5）若根据步骤1）-4）判断不存在绝缘电阻故障，在采样电阻网络的一个回路中引入新的电阻，使回路中采样电阻值不相等；

6）所述电压测量模块测量新回路中采样电阻两端电压值；

7）通过所述数据运算分析模块计算绝缘电阻值，以此判断故障是否发生在电池系统中间位置。

本发明的有益效果是：

提供了准确的绝缘电阻值。

提供了准确的绝缘故障位置。

减少了工作人员的工作量。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图。

图2是本发明的电路原理图。

图3是本发明的优选补偿方式电路原理图。

图4是本发明高压+绝缘电阻故障原理图。

图5是本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

在下文中，通过借助附图可详细描述本发明的优选实施方式。

如图1所示，电池系统1的绝缘电阻的测量及故障点定位装置，该装置包括：

切换模块2，依据数据运算分析模块5给出的指令向采样电阻网络接入或切断电池系统的高压+和高压-；

采样电阻网络3，用于连接高压+、高压-和接地线间的电阻网络；

电压测量模块4，测量采样电阻两端的电压值；和

数据运算分析模块5，依据采样电阻网络3的电阻值、电压测量模块4的电压测量结果，计算绝缘电阻的电阻值和故障点位置，并给出切换模块1相关指令；其中，根据测得的绝缘电阻值判断是否存在绝缘电阻低故障，若存在绝缘电阻低故障则根据采样电阻上的电压值定位故障点在电池系统中的位置。

在本发明的一个优选方式中，如本发明的测量原理图2所示，J1、J2（以及图3中的J3）优选固态继电器作为切换模块控制采样电阻网络。R1、R3、R4、R2（图3中的R5）构成了对GND的采样电阻网络，电池高压通过电阻网络构成回路。V1、V2为电压测量模块，检测采样电阻R3、R4上的电压并被送入到数据运算分析模块中。Rx为等效待测绝缘绝缘电阻，其大小和连接位置是未知的，依据实际工作和故障发生位置决定。

测量开始时，由数据运算分析模块给出指令，控制J1闭合，J2打开，在采样电阻R3上会测量到的电压V1，输入数据运算分析模块；然后数据运算分析模块给出指令：打开J1，闭合J2，在采样电阻R4上会测量到电压V2，并输入数据运算分析模块。

设电池系统中单只电池电压为A（V），Vbat1由n节单只电池串联组成，Vbat2由m节单只串联组成，成组电池系统共由N节单只电池串联组成。由电路原理图可知：

$V1=\mathrm{nA}\·\frac{R3}{R1+R3+\mathrm{Rx}}\left(V\right)$ ①

$V2=\mathrm{mA}\·\frac{R4}{R2+R4+\mathrm{Rx}}---\left(V\right)$ ②

n+m＝N

由以上式子可得 $\mathrm{Rx}=\frac{A\·N\·R3R4-(V2R2R3+V2R3R4+V1R4R1+V1R3R4)}{V2R3+V1R4}$ ③

其中V1、V2为实测参数，A、N为已知参数，这样可以算的Rx的大小。又由式①和②可以得到n、m值。当测出Rx的大小小于规定的标准值时，即存在绝缘电阻低故障时，即可根据所得的n、m值即可定位故障点在电池系统中的位置。

通常，为了简化运算，一般可以取R1=R2，R3=R4，这样可得

$\mathrm{Rx}=\frac{A\·N\·R3}{V2+V1}-R1-R3$

$n=\frac{V1}{V1+V2}\·N$

$m=\frac{V2}{V1+V2}\·N$

然而此时当绝缘电阻故障发生在电池组中间时，即n≈m时，不论Rx大小，测量得到V1、V2会很接近，进而造成定位误判。为了解决该误判问题，本发明的另一种实施方式中（如图3所示），采用引入另一回路，即闭合J3、将R5接入回路，造成网络电阻值不平衡的办法。接入R5后测得V3的大小，依据V3可以准确得到Rx的大小从而消除误判。

$V3=\mathrm{mA}\·\frac{R4}{R5+R4+\mathrm{Rx}}\left(V\right)$ ④

依据上述测量和数据运算分析模块的上述运算得到的Rx值的大小，来判断是否存在绝缘电阻故障。通常绝缘电阻大于500Ω/V，我们认为绝缘电阻无故障；若绝缘电阻小于500Ω/V，我们认为绝缘电阻故障。

推广到R1≠R2、R3≠R4时，

$n=\frac{R1+R3}{R1+R2+R3+R4}(n+m)$

$m=\frac{R2+R4}{R1+R2+R3+R4}(n+m)$

需闭合J3将R5接入回路，从而准确确定Rx的大小。

通过原理图还可以发现两个特例，当绝缘电阻故障发生在电池系统高压+和高压-时，如图4高压+绝缘电阻故障原理图。此时电池整组电压都加到了R1、R3、Rx回路中，R2、R4、Rx回路电流为零，此时：

$V1=(n+m)\·V\·\frac{R3}{R1+R3+\mathrm{Rx}}$

V2＝0

当高压-绝缘电阻故障时，同理可知：

V1＝0

$V2=(n+m)\·V\·\frac{R4}{R2+R4+\mathrm{Rx}}$

下面，根据上述实施方式现给出以下实施例进行进一步的说明。

实施例1：

单体电池模块是锂离子电池，单体容量为8Ah，额定电压为3.8V，电池系统为2并96串。采样电阻网络电阻值R1、R2为10MΩ，R3、R4为75KΩ。绝缘电阻为10MΩ，成组电压在额定电压下，闭合J1、打开J2、J3，测量V1；闭合J2、打开J1、J3，测量V2；V1为0.665V，V2为0.589V；通过第一实施方式中的公式③得到Rx值为10MΩ，大于500Ω/V，不存在绝缘电阻故障。

实施例2：

蓄电池是锂离子电池，单体容量为8Ah，额定电压为3.8V，电池系统为2并96串。采样电阻网络电阻值R1、R2为10MΩ，R3、R4为75KΩ。成组电压在额定电压下，闭合J1、打开J2、J3，测量得到V1，闭合J2、打开J1、J3，测量得到V2；V1为1.849V，V2为0.84V时，带入公式③得故障绝缘电阻Rx约为100KΩ。将Rx值带入公式①和②，求得n=30，m=66，故障在第30节位置。实际人工检验，故障定位准确。

实施例3：

蓄电池是锂离子电池，单体容量为8Ah，额定电压为3.8V，电池系统为2并96串。采样电阻网络电阻值R1、R2为10MΩ，R3、R4为75KΩ。成组电压在额定电压下，闭合J1、打开J2、J3，测量得到V1；闭合J2、打开J1、J3，测量得到V2；V1为2.106V，V2为553mV时，带入公式③得故障绝缘电阻Rx约为200KΩ。将Rx值带入公式①和②，求得n=20，m=76，故障在第20节位置。实际人工检验，故障定位准确。

实施例4：

蓄电池是锂离子电池，单体容量为8Ah，额定电压为3.8V，电池系统为2并96串。采样电阻网络电阻值R1、R2为10MΩ，R3、R4为75KΩ。成组电压在额定电压下，闭合J1、打开J2、J3，测量得到V1；闭合J2、打开J1、J3，测量得到V2，V1和V2均为1.33V，带入公式③得故障绝缘电阻Rx约为210KΩ，存在绝缘电阻故障。

由于V1、V2比较接近，打开J1、J2,闭合J3引入不平衡电路；R5为2MΩ，此时可以在R4测量得到V3，V3为3.20V；带入公式③得故障绝缘电阻Rx为200KΩ。将Rx值带入公式①和②，求得n=48，m=48，故障在第48节的中间位置。实际人工检测，故障定位准确。

如图4所示，系统工作流程如下：

1、首先由数据运算分析模块给出指令闭合J1，打开J2、J3，电压测量模块通过采样电阻网络测量得到R3两端电压V1，然后闭合J2，打开J1、J3，电压测量模块通过采样电阻网络测量得到R4两端电压V2。

2、通过数据运算分析模块计算绝缘电阻Rx的大小。

3、依据运算得到的Rx大小判断是否存在绝缘电阻故障，若存在绝缘电阻故障，直接计算绝缘电阻故障位置。若不存在绝缘电阻故障进行进一步判断。

4、判断绝缘电阻故障位置是否在中间位置，若计算若在中间位置，数据运算分析模块发出指令闭合J3，打开J1、J2，电压测量模块再次得到R4两端电压V2’；若不在中间位置说明绝缘电阻无故障。

3、依据V2’由数据运算分析模块精确计算出绝缘电阻大小，判断是否存在绝缘故障，若存在定位出绝缘故障点位置。

当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。

Claims (9)

1.一种电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特征在于：该装置包括切换模块、采样电阻网络、电压测量模块和数据运算分析模块；其中，所述切换模块用于依据所述数据运算分析模块给出的指令向所述采样电阻网络接入或切断电池系统的高压+和高压-，所述采样电阻网络为连接高压+、高压-和接地线间的电阻网络，所述电压测量模块用于测量采样电阻两端的电压值，所述数据运算分析模块依据所述采样电阻网络的电阻值、所述电压测量模块的测量结果计算采样绝缘电阻的电阻值和故障点位置，并给出所述切换模块相关指令；其中，若判断不存在绝缘电阻故障时，在采样电阻网络的一个回路中引入新的电阻，使回路中采样电阻值不相等；所述电压测量模块测量新回路中采样电阻两端电压值；通过所述数据运算分析模块计算绝缘电阻值，以此判断故障是否发生在电池系统中间位置。

2.如权利要求1所述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特征在于：所述切换模块为继电器、MOSFET或三极管。

3.如权利要求2所述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特征在于：所述继电器为固态继电器。

4.如权利要求1所述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特征在于：所述电压测量模块包括运算放大器和高精度A/D转换器。

5.如权利要求1所述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特征在于：所述电池系统的电池组由单体电池模块构成，有1～999个串联单元。

6.如权利要求5所述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特征在于：所述单体电池模块是锂离子电池、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、燃料电池或液硫电池。

7.如权利要求1所述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置，其特征在于：所述采样电阻网络包括两个回路，所述电压测量模块用于分别测量两回路中采样电阻上高压+和高压-对地间的分压，所述数据运算分析模块根据分压大小准确计算绝缘电阻值的大小和发生绝缘电阻低故障的位置。

8.如上述任一权利要求所述的电池系统绝缘电阻的测量及故障点定位装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)由数据运算分析模块给出切换模块指令，切换模块向采样电阻网络接入或切断高压+或高压-；

2)电压测量模块测量所述采样电阻网络中接入高压的各回路中采样电阻两端电压值，各回路中采样电阻值相等；

3)通过数据运算分析模块根据采样电阻值、测量模块所得采样电阻的电压值计算绝缘电阻值，根据所得绝缘电阻值判断是否存在绝缘电阻故障；

4)若存在绝缘电阻故障，数据运算分析模块可直接计算绝缘电阻故障位置。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

5)若根据步骤1)-4)判断不存在绝缘电阻故障，在采样电阻网络的一个回路中引入新的电阻，使回路中采样电阻值不相等；

6)所述电压测量模块测量新回路中采样电阻两端电压值；

7)通过所述数据运算分析模块计算绝缘电阻值，以此判断故障是否发生在电池系统中间位置。