CN104049136A

CN104049136A - 一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法

Info

Publication number: CN104049136A
Application number: CN201310078332.7A
Authority: CN
Inventors: 雷晶晶; 郑伟伟; 陈小源
Original assignee: Sunwoda Electronic Co Ltd
Current assignee: Sunwoda Electronic Co Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明公开了一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法，包括R1～R4组成的分压电阻网络，Kp和Kn组成的高压开关网络，OP1～OP6、R5～R14、C1～C2构成的正负两路信号处理电路。其中信号处理部分中的OP1和OP2构成两路电压跟随器，OP3、电容C1、电阻R5构成高通滤波器，OP5与电阻R7～R10构成差分放大器，OP4、电容C2、电阻R6构成高通滤波器，OP6与电阻R11～R14构成差分放大器，通过在正负两路信号中减去高频部分实现了很好的滤波效果。本发明采用了高效率的信号处理方法和计算方法，解决了传统方法成本过高、检测算法单一、抗干扰能力差、计算精度较差、无法应付各种漏电情况的问题，同时避免了检测过程中破坏系统的绝缘性能。

Description

一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种电压和电阻检测电路及其检测方法，特别地，涉及一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法，属于电池管理技术领域。

背景技术

在电动汽车及大型储能电池组系统中，电压往往很高，一般为几百伏，高压安全防护是高压电池组系统的一个重要的课题。正常状态下，电池系统正负母线与车体(或者设备的外壳)具有良好的绝缘性能，但是在使用过程中，由于振动、器件老化、潮湿、腐蚀等问题造成绝缘破坏，可能会出现漏电，影响乘客或操作人员的人身安全。所以在此类高压电池组系统中，实时检测系统的绝缘性能是非常有必要的。在检测到系统绝缘故障之后，应采取相应的措施防止乘客或操作人员触电。根据国内相关标准，电池系统正负母线与大地或车体之间的绝缘电阻应不小于100欧/伏。

现有的高压电池组系统漏电检测方法有信号注入法、电流传感器法、辅助电源法、平衡电桥法等等，这些方法往往由于成本过高、检测算法单一、精度较差、抗干扰能力差、无法应对漏电的各种情况(例如：单边漏电、双边漏电、单边近似短路等)、有的检测过程中会破坏系统绝缘性能等，无法彻底解决问题。

高压电池组系统(高压侧)与电池管理系统(低压侧)往往是隔离的，现有的总电压检测方法一般采用模拟隔离和数字隔离两种检测方式。模拟隔离一般采用线性光耦或者隔离放大器，在低压侧进行信号处理、AD采样；数字隔离一般需要在高压侧放置一个单片机或者模数变换器ADC，再使用数字隔离器件(光耦、磁耦等)传输数字信号。这两种方法中，高压侧电路元件的供电由于不能使用高压侧的电源，需要使用隔离电源模块给高压侧的电路元件供电。这两种方法由于使用了信号隔离器件、隔离电源模块等器件，使得结构复杂，成本也比较高，可靠性也无法得到保证。

在高压电池组系统中，尤其是车载电池组系统，逆变器、电机控制器等设备工作时，会对高压检测造成很大的干扰。尤其在绝缘电阻检测时，绝缘电阻检测信号极其微弱，非常容易受到干扰。另外在常规算法中，AD采样很小的偏差就会造成绝缘电阻几十千欧甚至上百千欧的误差。在一些检测系统中，采用低通滤波器、数字平均等方法滤除高频噪声，往往无法达到很好的效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高压电池组系统总电压和绝缘电阻检测电路及其检测方法，本发明的电路主要由三部分组成：由R1～R4组成的分压电阻网络，Kp和Kn组成的开关网络，OP1～OP6、R5～R14、C1～C2构成的正负两路信号处理电路，待测绝缘电阻Rp、Rn，以及高压电池组BT1。

电阻R1和R2为正极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R1的一端与R2串联，另一端通过开关Kp连接到正极母线上，电阻R2的一端与R1串联，另一端接大地或车体；同样的，电阻R3与R4为负极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R3的一端与R4串联，另一端通过开关Kn连接到负极母线，电阻R4的一端与R3串联，另一端接大地或车体。开关Kp和Kn为高压开关网络，用于控制高压电池组系统正负极，通过分压电阻与大地或车体接通，且受外部单片机的控制。

OP1～OP6、C1～C2、R5～R14构成两路信号处理电路，其中，OP1和OP2构成两路电压跟随器，OP3、C1、R5构成高通滤波器，OP5与R7～R10构成差分放大器，OP4、C2、R6构成高通滤波器，OP6与R11～R14构成差分放大器。OP1、OP3、OP5构成正极信号处理电路，OP2、OP4、OP6构成负极信号处理电路。OP1的同相输入端与电阻R1和R2连接，反向输入端与输出连接，构成一个电压跟随器，有助于提高检测电路的输入阻抗，减少误差。OP3、C1、R5构成一个高通滤波器，提取高频部分。OP5与R7～R10构成一个差分放大器，通过使用原始信号减去高频干扰获取有效信号。同样，OP2的同相输入端与R3、R4连接，反相输入端与输出连接，构成一个电压跟随器，有助于提高检测电路的输入阻抗，减少误差。OP4、C2、R6构成一个高通滤波器，提取高频部分。OP6与R11～R14构成一个差分放大器，通过使用原始信号减去高频干扰获取有效信号。

进一步地，本方案的具体检测过程及算法原理如下：

1、Kp、Kn同时闭合，单片机对V₁和V₂采样，并计算出Vp、Vn，则总电压为：

V＝Vp+Vn(其中：V为Kp、Kn同时闭合的总电压，Vp为Kp、Kn同时闭合时正极母线与大地或车体之间的电压，Vn为Kp、Kn同时闭合时负极母线与大地或车体之间的电压)；

2、Kp闭合，Kn断开，此时V₂输出为0，单片机对V₁进行采样，计算出Vp’，Vp’＝V-Vn’ (其中：Vp’为Kp闭合、Kn断开时正极母线与大地或车体之间的电压，Vn’为Kp闭合、Kn断开时负极母线与大地或车体之间的电压)；

3、Kp断开，Kn闭合，此时V₁输出为0，单片机对V₂进行采样，计算出Vn”，Vn”＝V-Vp”(其中：Vp”为Kp断开、Kn闭合时正极母线与大地或车体之间的电压，Vn”为Kp断开、Kn闭合时负极母线与大地或车体之间的电压)；

更进一步地，根据上述三种开关状态得到三个不同状态下的Vp、Vn。根据以下算法原理即可计算出Rp、Rn，正常情况下，可以根据以下算法原理得出Rp、Rn。

1、根据公式1，得出Rn：

\frac{V_{p} \times V_{n}^{'}}{V_{n} \times V_{p}^{'}} = \frac{Rn + R 3 + R 4}{R 3 + R 4}

公式1

2、根据公式2，得出Rp：

\frac{V_{p} \times V_{n}^{''}}{V_{n} \times V_{p}^{''}} = \frac{R 1 + R 2}{Rp + R 1 + R 2}

公式2

再进一步地，如果按照公式1和公式2计算得到的两边绝缘电阻相差悬殊时，再按照以下算法计算电阻较小一边的绝缘电阻：

假设Rp＞＞Rn，则依据公式3即可得到比第一步计算更精确的Rn值。

Rn = \frac{(Rp + R 1 + R 2) \times V_{n}}{V_{p}}

公式3

同理，如果Rp＜＜Rn，则根据公式4可得到Rp值。

Rp = \frac{(Rn + R 3 + R 4) \times V_{p}}{V_{n}}

公式4

在实际使用时，由于检测电阻上的电流只有微安级甚至更低，属于微弱信号，所以很容易受到外部的差模、共模干扰，对检测结果影响巨大，尤其是车载电池组系统中，逆变器和电机控制器带来的高频共模干扰，使用一般的低通滤波器往往无法滤除干净。为此，在本发明中，信号处理电路采用了一种特殊的滤波方法。该方法简单，基本可以彻底滤除已知频段的高频干扰。

考虑到干扰信号一般都是比较高的频率，比如电机控制器带来的干扰为10～20kHz，而漏电检测的信号基本上是直流信号，干扰信号和待测信号频率相差比较大，所以可以使用以下方法进行滤波：

1、首先使用电压跟随器OP1和OP2，获取原始电压信号Vori；

2、使用OP3和OP4构成的高通滤波器提取原始信号Vori里的高频信号，去掉直流部分，得到交流信号Vac；

3、再用OP5和OP6构成的差分放大器用原始信号Vori减去高频信号Vac，即可以滤除原始信号里的高频部分，基本上可以得到非常平坦的直流信号，只有少许由于相位延迟产生的毛刺信号，这种毛刺信号使用RC滤波器即可轻易滤掉。

由于绝缘测量的电阻网络和运算放大器的电阻网络存在匹配误差的问题，所以首先要对两边的增益进行独立校准。

上述电路中的高压开关Kp、Kn应采用漏电较小、耐压大于1000+2U(U为电池组最高电压)的开关。

上述电路中所述的电阻网络R1～R4优先采用低温漂、高耐压、高阻值、高精度的电阻。

上述电路中所述的信号处理部分的运算放大器应优先采用低输入失调电压、低输入偏置电流的高速运算放大器，且电阻网络优先选用低温漂、高精度的电阻。

有益效果

本发明采用了简单低成本的架构、先进的算法、创新的信号处理方法，实现了实时检测电池组系统的总电压、正负母线对大地或车体的绝缘电阻，且抗干扰能力强，在各种恶劣的电磁环境尤其是车载环境下，以及各种单边漏电、双边漏电、单边近似短路的情况下，仍然保证了很好的精度，可以有效的提高高压电池组系统的安全性。

附图说明

附图1是本发明的电路结构图。

具体实施方式

本发明作为电动汽车BMS(电池管理系统)中的一个独立模块，通过CAN总线与BMS主控模块通信，实时检测系统的绝缘性能，并通过CAN总线报告给主控，一旦发生绝缘被破坏的情况，主控及时采取相应的措施，相关的动作包括：切断接触器、声光报警等。

绝缘检测模块包括以下几个部分：电池组正负母线(B+，B-)、高压开关(Kp，Kn)、电阻网络(R1～R4)、信号处理电路(OP1～OP6)、大地或车体。Rp和Rn分别是正负母线与大地或车体之间的绝缘电阻。由外部单片机控制及AD采样，并通过现场总线传送到主控单元。

在本实施例中，电池组系统标称电压为288V，最高为330V，最低为180V，设计中按照400V的等级来设计。

模块中Kp为正极高压开关，用于控制正极母线与大地或车体之间的通断；Kn为负极高压开关，用于控制负极母线与大地或车体之间的通断；Kp和Kn分别选用两个耐压为2500V的MOS管串联。

电阻网络中的R1、R2构成正极的分压电阻网络，考虑检测过程中不能破坏系统的绝缘性能，同时考虑电池组系统中电压比较高、电阻耐压及PCB爬电距离要求，R1选用四颗510K、1％的电阻串联，R2采用20K、1％的电阻。

同样地，R3与R4构成负极的分压电阻网络，R3选用四颗510K、1％的电阻串联，R4采用20K、1％的电阻。这样分压比为205∶1，运算放大器输入的最大电压为1.95V。

信号处理电路部分的运算放大器选用低输入失调电压、低偏置电流的高速运算放大器，在本实施方式中，高速运算放大器选用型号为AD8629；其中高通滤波器的电阻匹配可采用0.1uF和1K的RC组合，截止频率为4K。OP5和OP6的差分放大增益为2倍，电阻使用10K，1％和20K，1％的组合。

本实施例中，控制及采样的单片机采用汽车级高可靠性单片机，ADC为12位，基准源为4.096V。

具体检测过程及算法如下：

2、Kp闭合，Kn断开，此时V₂输出为0，单片机对V₁进行采样，计算出Vp’，Vn’＝V’-Vp’(其中：V’为Kp闭合，Kn断开时的总电压，Vp’为Kp闭合，Kn断开时的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn’为Kp闭合，Kn断开时的负极母线与大地或车体之间的电压)；

3、Kp断开，Kn闭合，此时V₁输出为0，单片机对V₂进行采样，计算出Vn”，Vp”＝V”-Vn”(其中：V”为Kp断开，Kn闭合时的总电压，Vp”为Kp断开，Kn闭合时的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn”为Kp断开，Kn闭合时的负极母线与大地或车体之间的电压)；

更进一步地，根据上述三种开关状态得到三个不同状态下的Vp、Vn。根据以下算法原理即可计算出Rp、Rn。正常情况下，可以根据以下算法原理得出Rp、Rn。

1、根据公式1，得出Rn：

\frac{V_{p} \times V_{n}^{'}}{V_{n} \times V_{p}^{'}} = \frac{Rn + R 3 + R 4}{R 3 + R 4}

公式1

2、根据公式2，得出Rp：

\frac{V_{p} \times V_{n}^{''}}{V_{n} \times V_{p}^{''}} = \frac{R 1 + R 2}{Rp + R 1 + R 2}

公式2

假设Rp＞＞Rn，则依据公式3即可得到比第一步计算更精确的Rn值。同理，如果Rn＞＞Rp，则根据公式4可得到Rp值。

Rn = \frac{(Rp + R 1 + R 2) \times V_{n}}{V_{p}}

公式3

Rp = \frac{(Rn + R 3 + R 4) \times V_{p}}{V_{n}}

公式4 。

Claims

1.一种高压电池组系统隔离总电压和绝缘电阻检测电路，包括R1～R4组成的分压电阻网络，Kp和Kn组成的开关网络，OP1～OP6、R5～R14、C1～C2构成的正负两路信号处理电路，待测绝缘电阻Rp、Rn，高压电池组BT1，

所述的电阻R1和R2为正极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R1的一端与R2串联，另一端通过开关Kp连接到正极母线上，电阻R2的一端与R1串联，另一端接大地或车体，

所述的电阻R3与R4为负极母线与大地或车体之间的检测分压电阻，电阻R3的一端与R4串联，另一端通过开关Kn连接到负极母线，电阻R4的一端与R3串联，另一端接大地或车体，

所述的正负两路信号处理电路中，OP1和OP2构成两路电压跟随器，OP3、C1、R5构成高通滤波器，OP5与R7～R10构成差分放大器，OP4、C2、R6构成高通滤波器，OP6与R11～R14构成差分放大器。

2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于：所述的Kp和Kn是高压开关网络，用于控制高压电池组系统正负极，通过分压电阻与大地或车体接通，且受外部单片机的控制。

3.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于：所述的高压开关Kp和Kn的耐压值均大于1000+2U，其中U为电池组的最高电压。

4.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于：所述的高压开关Kp和Kn是耐压值为2500V的MOS管串联。

5.一种权利要求2所述的检测电路中高压电池组系统总电压的检测方法，当开关Kp、Kn同时闭合时，单片机对V₁和V₂采样，计算出Vp、Vn，则总电压V＝Vp+Vn，其中Vp为Kp、Kn同时闭合的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn为Kp、Kn同时闭合的负极母线与大地或车体之间的电压。

6.一种权利要求1所述的检测电路中高压电池组系统绝缘电阻的检测方法，

(1)当开关Kp、Kn同时闭合时，单片机对V₁和V₂采样，计算出Vp、Vn，则总电压V＝Vp+Vn，其中Vp为Kp、Kn同时闭合时正极母线与大地或车体之间的电压，Vn为Kp、Kn同时闭合时负极母线与大地或车体之间的电压，

(2)当Kp闭合，Kn断开时，V₂输出为0，单片机对V₁进行采样，计算出Vp’，Vp’＝V-Vn’，其中Vp’为Kp闭合、Kn断开时的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn’为Kp闭合、Kn断开时的负极母线与大地或车体之间的电压，

(3)当Kp断开，Kn闭合时，V₁输出为0，单片机对V₂进行采样，计算出Vn”，Vn”＝V-Vp”，其中Vp”为Kp断开、Kn闭合时的正极母线与大地或车体之间的电压，Vn”为Kp断开、Kn闭合时的负极母线与大地或车体之间的电压。

7.根据权利要求6所述的检测电路中高压电池组系统绝缘电阻的检测方法，

(1)根据(公式1)得出绝缘电阻Rn值，

\frac{V_{p} \times V_{n}^{'}}{V_{n} \times V_{p}^{'}} = \frac{Rn + R 3 + R 4}{R 3 + R 4}

公式1，

(2)根据(公式2)得出绝缘电阻Rp值，

\frac{V_{p} \times V_{n}^{''}}{V_{n} \times V_{p}^{''}} = \frac{R 1 + R 2}{Rp + R 1 + R 2}

公式2。

8.根据权利要求7所述的检测电路中高压电池组系统绝缘电阻的检测方法，

当Rp＞＞Rn时，按照(公式3)得出绝缘电阻Rn值，

Rn = \frac{(Rp + R 1 + R 2) \times V_{n}}{V_{p}}

公式3，

当Rp＜＜Rn时，按照(公式4)得出绝缘电阻Rp值，

Rp = \frac{(Rn + R 3 + R 4) \times V_{p}}{V_{n}}

公式4。

9.一种权利要求1所述检测电路的信号处理方法，首先通过电压跟随器OP1和OP2无损获取原始信号Vori，高通滤波器提取其中的高频信号Vac，利用差分放大器OP5和OP6使原始信号Vori减去高频信号Vac，从而得到有效的信号。