CN104407220A - 电动汽车高压电绝缘电阻测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电动汽车高压电绝缘电阻测量装置，包括高压电切断单元、测量单元以及AD采样模块；高压电切断单元是由两个高压光耦继电器构成，测量单元有同相电压跟随电路和反向电压跟随电路构成，AD采样模块由12位A/D采样芯片和四通道的数字隔离芯片构成。本发明实现了电动汽车高压系统对地的绝缘电阻的测量，通过CAN通讯实现传输，能够实时监测高压系统的绝缘性能，并在高压系统发生绝缘故障时，能够准确及时报警并切断高压回路，保证乘客人身安全和财产安全。同时，本发明具有安全性高，监测精度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，涉及一种电动汽车高压电绝缘电阻测量装置。
背景技术
电动汽车电压工作范围在300-600V，属于高压大电流系统，所以电动汽车安全性很重要，电动汽车高压系统与汽车底盘之间的绝缘性能对乘客的人身安全和整车低压系统工作的可靠性有着极其重要的影响。由于电动汽车高压系统的设备工作条件比较恶劣，振动、摩擦、冲击、酸碱气体的腐蚀、温度及湿度的变化等都有可能造成动力电缆及其他绝缘材料迅速老化甚至绝缘破损，使得设备的绝缘性能大大降低。
目前，现有的监测绝缘电阻的技术还不能及时判断电动汽车高压系统总正端和总负端双极同时存在绝缘故障的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全性高，监测精度高的电动汽车高压电绝缘电阻测量装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
电动汽车高压电绝缘电阻测量装置，包括高压电切断单元、测量单元以及AD采样模块；
高压电切断单元包括高压光耦继电器U6和U7、电阻R17～R20；高压光耦继电器U6的6脚为与电动汽车电池组GB总正端的连接端BAT+, 高压光耦继电器U6的5脚是与测量单元A端的连接端，电阻R17的一端与电源+5V连接，电阻R17另一端与高压光耦继电器U6的1脚连接，高压光耦继电器U6的2脚与电阻R18连接，电阻R18的另一端为HV1+_input端；
高压光耦继电器U7的6脚为与电动汽车电池组GB总负端的连接端BAT-, 高压光耦继电器U7的5脚是与测量单元B端的连接端，电阻R19一端与5V电源连接，电阻R19另一端与高压光耦继电器U7的1脚连接，高压光耦继电器U7的2脚与电阻R20连接，电阻R20的另一端为HV1-_input端；
测量单元包括光耦U4、U5、运放U1、U2、U3、电阻RO1、RO2、Ri1～Ri20、R1～R16、RN、RP、电容C1～C10；
电阻RO1一端为测量单元的A端，电阻RO1另一端与光耦继电器U4集电极连接，光耦继电器U4发射极接地，光耦继电器U4的二极管阳极通过电阻R1连接到电源+5V，光耦继电器U4的二极管阴极通过电阻R2连接到HV+_input端；电阻Ri1一端与测量单元的A端连接，电阻Ri1与电阻Ri2～Ri10串联与电阻R4、电阻R7的一端连接，电阻R7另一端接地；电阻R4的另一端连接到运放U1的2脚，运放U1的6脚连接到3脚，运放U1的6脚通过电阻R3与二极管D1阳极、D2阴极连接且连接到AD采样芯片U10的CH1端；电阻R5和电容C3并联后一端连接到二极管D1阳极和D2阴极连接处，另一端接地；二极管D1阴极接电源+5V，二极管D2阳极接电源-12V；运放U1的4脚接电源-12V，7脚接电源+12V；电容C1跨接在地和电源-12V之间，电容C2跨接在地和电源+12V之间；
电阻RO2一端为测量单元的B端，电阻RO2另一端与光耦继电器U5集电极连接，光耦继电器U5发射极接地，光耦继电器U5的二极管阳极通过电阻R10连接到电源+5V，光耦继电器U5的二极管阴极通过电阻R11连接到HV-_input端；电阻Ri11一端连接到测量单元的的B端，电阻Ri11与电阻Ri12～Ri20串联与电阻R9、电阻R16的一端连接，电阻R16另一端接地；电阻R9的另一端连接到运放U3的3脚，运放U3的6脚通过电阻R8连接到3脚，运放U3的6脚连接到运放U2的2脚，运放U3的6脚连接到3脚同时连接电阻R12一端，电阻R12另一端与二极管D3阳极、D4阴极连接且连接到AD采样芯片U10的CH2端；电阻R13和电容C9并联后一端连接到二极管D3阳极和D4阴极连接处，另一端接地；二极管D3阴极接电源+5V，二极管D4阳极接电源-12V；运放U2、U3的4脚接电源-12V，7脚接电源+12V；电容C6、C7跨接在地和电源-12V之间，电容C5、C8跨接在地和电源+12V之间；
经上述连接后，测量单元的A端经过高压电切断单元的高压光耦继电器U6连接到电动汽车电池组GB的总正端，测量单元的B端经过高压电切断单元的高压光耦继电器U7连接到电动汽车电池组GB的总负端；电阻RP即为电动汽车电池组GB总正端BAT+对地需要测量的绝缘电阻，电阻RP的一端接到测量单元的A端，另一端接大地；电阻RN即为电动汽车电池组GB总负端BAT-对地需要测量的绝缘电阻，电阻RN的一端接到测量单元的的B端，另一端接大地；
AD采样模块包括单片机AD采样芯片U8、四通道数字隔离芯片U9、单片机U10、电阻R21～29、电容C11～C16；
AD采样芯片U10的1脚连接电源+5V和电容C11，电容C11的另一端接地；AD采样芯片U8的2脚为CH1端，3脚为CH2端，4脚接地，5脚接4.096V基准信号并通过电容C12接地，其中4.096V基准信号是通过+5V电源通过稳压芯片REF3040降压得到的，6脚通过电阻R21接地、7脚通过电阻R23接地、8脚通过电阻R22接地，同时6脚通过电阻R24接四通道数字隔离芯片U9的14脚，AD采样芯片U8的8脚通过电阻R25接U9的13脚，AD采样芯片U8的7脚通过电阻R26接U9的11脚，四通道数字隔离芯片U9的10、16脚接电源+5V，U9的9、15脚接地，电容C13跨接在U9的15、16脚之间，电容C14跨接在U9的9、10脚之间，U9的1脚接电源+5V，2脚接地，3脚接到单片机U10的脚且与电阻R27一端连接，4脚接U10的SPSCK脚且与电阻R28一端连接，6脚接单片机U10的MRST脚且与电阻R29一端连接，7脚接电源+5V，8脚接地，电容C15跨接在U9的1、2脚之间，电容C16跨接在四通道数字隔离芯片U9的7、8脚之间；电阻R27、28、29的另一端连地；单片机U10设有HV1+_input端和HV1-_input端两个输入端。
作为优选，运放U1、U2、U3均为OP27GS；高压光耦继电器U6和U7为AQY216EHA；光耦继电器U4、U5为PS2801。
作为优选，AD采样芯片U10为MAX1288，四通道数字隔离芯片U9为ADUM1401。
作为优选，单片机U10的型号为S9S08DZ60。
本发明的有益效果：
1）本发明实现了电动汽车高压系统对地的绝缘电阻的测量，通过CAN通讯实现传输，能够实时监测高压系统的绝缘性能，并在高压系统发生绝缘故障时，能够准确及时报警并切断高压回路，保证乘客人身安全和财产安全。
2）本发明具有监测精度高，隔离效果好，电动汽车的高压电采用高精度的电阻分压后通过12位高分辨率的AD采样芯片采集，实现了绝缘电阻的高精度测量。并且在测量时把高压电引入测量回路，在不测量时，把高压电和测量回路通过高压光耦继电器实现完全隔离。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明电动汽车高压电绝缘电阻测量装置实施例的测量单元电路原理图。
图2为本发明电动汽车高压电绝缘电阻测量装置实施例的高压电切断单元电路原理图。
图3为本发明电动汽车高压电绝缘电阻测量装置实施例的AD采样模块电路原理图。
具体实施方式
一种电动汽车高压电绝缘电阻测量装置，由测量单元电路、高压电切断单元电路和AD采样模块电路组成，用来测量电动汽车电池组GB的高压电绝缘电阻。
如图1和图2所示，将测量单元电路的A端与高压切断单元的高压光耦继电器U6的6脚连接并通过U6连接到电动汽车电池组GB的总正端，同样，测量单元电路的B端与高压切断单元的高压光耦继电器U7的6脚连接并通过U7连接到电动汽车电池组GB的总负端连接。
经过上述连接后，电阻RP为电动汽车电池组GB总正端BAT+对地需要测量的绝缘电阻，电阻RN为电动汽车电池组GB总负端BAT-对地需要测量的绝缘电阻，电阻RO1为电动汽车电池组GB总正端BAT+对地引入的偏置电阻，电阻R02为电动汽车电池组GB总负端BAT-对地引入的偏置电阻，电动汽车电池组GB总正端BAT+经过Ri1-Ri10高精度电阻分压后得到0～4V的电压为HV+电压信号，HV+信号经过R4、C4、R6后进入运放U1的3脚，R4是限流电阻，电容C4和电阻R6构成低通滤波电路实现对HV+电压信号的滤波，运放U1是起到电压跟随的作用，经过运放U1的6脚输出经过R3、C3、R5、D1、D2输出CH1电压信号到AD采样模块，这里R3起到限流的作用，C3和R5构成低通滤波电路，D1和D2二极管起到嵌位和电压保护的作用。其中运放U1的型号为OP27GS。
电动汽车电池组GB总负端BAT-经过Ri11-Ri20高精度电阻分压后得到-4～0V的电压为HV-电压信号，HV-信号经过R9、C10、R14后进入运放U3的2脚，R9是限流电阻，C10和R14构成低通滤波电路实现对HV-电压信号的滤波，R9和R8构成电压负反馈电路，运放U3的3脚通过R15电阻接地，运放U3是起到电压反相的作用，经过运放U3的 6脚输出0～4V的电压然后接入运放U2电压跟随电路后通过R12、C9、R13、D3、D4输出CH2电压信号到AD采样模块，这里电阻R12起到限流的作用，电容C9和电阻R13构成低通滤波电路，D3和D4二极管起到嵌位和电压保护的作用。其中运放U2、U3的型号为OP27GS。
由图1所示：电动汽车电池组GB总正端BAT+对地电压为：
BAT+=(HV+)*[R7+(Ri1+Ri2+....+Ri10)]/R7
电动汽车电池组GB总负端BAT-对地电压为：
BAT-=(HV-)*[R16+(Ri11+Ri12+....+Ri20)]/R16
电动汽车电池组GB总正端BAT+对地绝缘电阻为：
RP=R01*R*[(HV1-)*(HV+)-(HV1+)*(HV-)]/{[(HV-)*（HV1+)-(HV+)*(HV1-)]*RV1 +(HV+)*(HV1+)*R}；
电动汽车电池组GB总负端BAT-对地绝缘电阻为：
RN=RO2*R*[(HV1+)*(HV-)-(HV1-)*(HV+)]/{[(HV+)*（HV1-)-(HV-)*(HV1+)]*RV2 +(HV-)*(HV1-)*R}；
注：RP和RN计算式的分别为Ri1～Ri10和Ri11～Ri20的和为定值1510K，HV1+为电池组总正对地引入偏置电阻以后的采集到的电压值，HV1-为电池组总负对地引入偏置电阻以后的采集到的电压值，电阻RO1和RO2为电动汽车电池组GB总正端和电动汽车电池组GB总负端对地引入的偏置电阻值，取值为1000欧姆～2000欧姆。
图2是电动汽车高压电绝缘电阻测量装置的高压电切断单元电路，其中高压光耦继电器U6、U7的型号为AQY216EHA。
高压光耦继电器U6的6脚与电动汽车电池组GB总正端BAT+连接，U6的5脚与测量单元电路的A端连接，高压光耦继电器U6的1脚通过上拉电阻R17接+5V，高压光耦继电器U6的2脚连接限流电阻R18接单片机HV1+_input脚，当被测系统接入测量单元电路时，HV1+_input信号输出低电平，高压光耦继电器U6导通。当监测是系统发生绝缘故障时，HV1+_input信号输出高电平，高压光耦继电器U6截止，测量单元电路和被测系统断开，能够有效的保护系统的安全性。
高压光耦继电器U7的6脚与电动汽车电池组GB总负端BAT-连接，U7的5脚与测量单元电路的B端连接，高压光耦继电器U7的1脚通过上拉电阻R19接+5V，高压光耦继电器U7的2脚连接限流电阻R20接单片机的HV1-_input脚，当被测系统接入测量单元电路时，HV1-_input信号输出低电平，高压光耦继电器U7导通。当监测是系统发生绝缘故障时，HV1-_input信号输出高电平，高压光耦继电器U7截止，测量单元电路和被测系统断开，能够保护系统的安全性。
图3是电动汽车高压电绝缘电阻测量装置的AD采样模块电路，其中AD采样芯片U8的型号为MAX1288，四通道数字隔离芯片U9的型号为 ADUM1401，单片机U10的型号为S9S08DZ60。
经过跟随电路后的CH1电压信号接入AD采样芯片U8的2脚，CH2电压信号接入AD采样芯片U8的3脚，AD采样芯片U8的5脚接基准信号4.096V，4.096V基准信号是通过+5V电源通过稳压芯片REF3040降压得到的，1脚为AD采样芯片U8供电电源+5V，4脚为GND，6脚接片选信号CS，7脚接数据输出信号DOUT，8脚接时钟信号SCLK，AD采样芯片U8采用SPI三线制传输通信，经过四通道数字隔离芯片U9隔离后输出到单片机U10。
Claims (4)
1.电动汽车高压电绝缘电阻测量装置，其特征在于，包括高压电切断单元、测量单元以及AD采样模块；
所述高压电切断单元包括高压光耦继电器U6和U7、电阻R17～R20；所述高压光耦继电器U6的6脚为与电动汽车电池组GB总正端的连接端BAT+, 高压光耦继电器U6的5脚是与测量单元A端的连接端，电阻R17的一端与电源+5V连接，电阻R17另一端与高压光耦继电器U6的1脚连接，高压光耦继电器U6的2脚与电阻R18连接，电阻R18的另一端为HV1+_input端；
所述高压光耦继电器U7的6脚为与电动汽车电池组GB总负端的连接端BAT-, 高压光耦继电器U7的5脚是与测量单元B端的连接端，电阻R19一端与5V电源连接，电阻R19另一端与高压光耦继电器U7的1脚连接，高压光耦继电器U7的2脚与电阻R20连接，电阻R20的另一端为HV1-_input端；
所述测量单元包括光耦U4、U5、运放U1、U2、U3、电阻RO1、RO2、Ri1～Ri20、R1～R16、RN、RP、电容C1～C10；
所述电阻RO1一端为测量单元的A端，电阻RO1另一端与光耦继电器U4集电极连接，光耦继电器U4发射极接地，光耦继电器U4的二极管阳极通过电阻R1连接到电源+5V，光耦继电器U4的二极管阴极通过电阻R2连接到HV+_input端；电阻Ri1一端与测量单元的A端连接，电阻Ri1与电阻Ri2～Ri10串联与电阻R4、电阻R7的一端连接，电阻R7另一端接地；电阻R4的另一端连接到运放U1的2脚，运放U1的6脚连接到3脚，运放U1的6脚通过电阻R3与二极管D1阳极、D2阴极连接且连接到AD采样芯片U10的CH1端；电阻R5和电容C3并联后一端连接到二极管D1阳极和D2阴极连接处，另一端接地；二极管D1阴极接电源+5V，二极管D2阳极接电源-12V；运放U1的4脚接电源-12V，7脚接电源+12V；电容C1跨接在地和电源-12V之间，电容C2跨接在地和电源+12V之间；
所述电阻RO2一端为测量单元的B端，电阻RO2另一端与光耦继电器U5集电极连接，光耦继电器U5发射极接地，光耦继电器U5的二极管阳极通过电阻R10连接到电源+5V，光耦继电器U5的二极管阴极通过电阻R11连接到HV-_input端；电阻Ri11一端连接到测量单元的的B端，电阻Ri11与电阻Ri12～Ri20串联与电阻R9、电阻R16的一端连接，电阻R16另一端接地；电阻R9的另一端连接到运放U3的3脚，运放U3的6脚通过电阻R8连接到3脚，运放U3的6脚连接到运放U2的2脚，运放U3的6脚连接到3脚同时连接电阻R12一端，电阻R12另一端与二极管D3阳极、D4阴极连接且连接到AD采样芯片U10的CH2端；电阻R13和电容C9并联后一端连接到二极管D3阳极和D4阴极连接处，另一端接地；二极管D3阴极接电源+5V，二极管D4阳极接电源-12V；运放U2、U3的4脚接电源-12V，7脚接电源+12V；电容C6、C7跨接在地和电源-12V之间，电容C5、C8跨接在地和电源+12V之间；
所述AD采样模块包括单片机AD采样芯片U8、四通道数字隔离芯片U9、单片机U10、电阻R21～29、电容C11～C16；
所述AD采样芯片U10的1脚连接电源+5V和电容C11，电容C11的另一端接地；AD采样芯片U8的2脚为CH1端，3脚为CH2端，4脚接地，5脚接基准信号4.096V并通过电容C12接地，其中4.096V基准信号通过+5V电源通过降压得到，6脚通过电阻R21接地、7脚通过电阻R23接地、8脚通过电阻R22接地，同时6脚通过电阻R24接四通道数字隔离芯片U9的14脚，AD采样芯片U8的8脚通过电阻R25接U9的13脚，AD采样芯片U8的7脚通过电阻R26接U9的11脚，四通道数字隔离芯片U9的10、16脚接电源+5V，U9的9、15脚接地，电容C13跨接在U9的15、16脚之间，电容C14跨接在U9的9、10脚之间，U9的1脚接电源+5V，2脚接地，3脚接到单片机U10的脚且与电阻R27一端连接，4脚接U10的SPSCK脚且与电阻R28一端连接，6脚接单片机U10的MRST脚且与电阻R29一端连接，7脚接电源+5V，8脚接地，电容C15跨接在U9的1、2脚之间，电容C16跨接在四通道数字隔离芯片U9的7、8脚之间；电阻R27、28、29的另一端连地；单片机U10设有HV1+_input端和HV1-_input端两个输入端。
2.根据权利要求1所述的电动汽车高压电绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述运放U1、U2、U3均为OP27GS；所述高压光耦继电器U6和U7为AQY216EHA；所述光耦继电器U4、U5为PS2801。
3. 根据权利要求1所述的电动汽车高压电绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述AD采样芯片U10为MAX1288，所述四通道数字隔离芯片U9为ADUM1401。
4. 根据权利要求1所述的电动汽车高压电绝缘电阻测量装置，其特征在于，所述单片机U10的型号为S9S08DZ60。
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