CN104569598A - 一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路及方法，所述电路包括依次连接的电阻网络、电压测试差分放大电路、高频滤波电路、信号隔离电路、AD转换电路和数据处理单元。本发明提供的技术方案用于对储能电池系统的正极接地故障、负极接地故障进行检测；实现高压电池储能系统接地故障的快速检测，应对使用过程中的各种漏电流，同时避免了检测过程中破坏系统的绝缘性能，提高电池储能系统的安全性。

Description

一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路及方法

技术领域：

本发明涉及高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测领域，更具体涉及一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路及方法。

背景技术：

储能电站一般由单体电池串并联组成电池组，再由电池组组成电池系统，电压往往较高，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技术。正常状态下，电池系统的正/负母线与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，影响操作人员的人身安全；如果发生了接地故障的极端情况，与之相连的储能变流器也可能损坏，甚至起火，因此在此类高压电池组系统中，实时检测系统的绝缘电阻具有重要意义。

目前，常用的绝缘电阻检测常采用兆欧表测试，兆欧表测试方法需要采用专门的仪器，不适合现场测试；其余的检测方法还有低频信号注入法、电流传感器法、辅助电源法和平衡电桥法等，这些方法往往成本过高、检测算法单一、精度较低、抗干扰能力差，并且低频信号注入法需要通过两个隔直电容向测试母线注入低频信号，会破坏系统绝缘性能等，尽管该低频信号相对母线电压相比很小，但对安全性要求高的系统来说仍会带来不安全因素。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路及方法，所述发明提供的技术方案实现了实时检测电池组系统的总电压、正负母线对大地或设备外壳的绝缘电阻。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，包括依次连接的电阻网络、电压测试差分放大电路、高频滤波电路、信号隔离电路、AD转换电路和数据处理单元。

本发明提供的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述电阻网络包括串联的电阻R1、高压开关Kp、高压开关Kn和电阻R2；所述电阻R1和电池正极相连，并通过所述高压开关Kp接到大地或者检测电路设备外壳；所述电阻R2和电池负极相连，并通过所述高压开关Kn接到大地或者检测电路设备外壳。

本发明提供的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述高压开关Kp和高压开关Kn均为高压开关网络，分别用于控制高压电池组的正极和负极，通过电阻与大地或设备外壳接通；所述高压开关Kp和高压开关Kn由数据处理单元的微处理器控制。

本发明提供的另一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述电压测试差分放大电路包括正极电压测试差分放大电路和负极电压测试差分放大电路。

本发明提供的再一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述正极电压测试差分放大电路包括运算放大器OP1、连接所述运算放大器OP1反向输入端和电池正极的电阻R3、连接所述运算放大器OP1反向输入端和输出端的电阻R4、连接所述运算放大器OP1正向输入端的电阻R5和连接所述运算放大器OP1正向输入端并接地的电阻R6；所述电阻R5通过所述高压开关Kp连接所述电阻R1。

本发明提供的又一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述负极电压测试差分放大电路包括运算放大器OP2、连接所述运算放大器OP2正向输入端和电池负极的电阻R9、连接所述运算放大器OP2反向输入端和输出端的电阻R8、连接所述运算放大器OP2反向输入端的电阻R7和连接所述运算放大器OP2正向输入端并接地的电阻R10；所述电阻R7通过所述高压开关Kn连接所述电阻R2。

本发明提供的又一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述高频滤波电路包括正极高频滤波电路和负极高频滤波电路；所述正极高频滤波电路包括正极高通滤波器和正极电压测试差分放大器；所述负极高频滤波电路包括负极高频滤波电路包括正极高通滤波器和负极电压测试差分放大器。

本发明提供的又一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述正极高通滤波器包括运算放大器OP3、连接所述运算放大器OP3反向输入端的电容C1和连接所述运算放大器OP3反向输入端并接地的电阻R12；所述电容C1通过电阻R11与所述运算放大器OP1的输出端连接；所述运算放大器OP3的正向输入端和输出端连接；

正极电压测试差分放大器包括运算放大器OP5、连接所述运算放大器OP5反向输入端和所述运算方大器OP3输出端的电阻R15、连接所述运算放大器OP5反向输入端和输出端的电阻R16、连接所述运算放大器OP5正向输入端的电阻R17和连接所述运算放大器OP5正向输入端并接地的电阻R18；所述电阻R17通过所述电容C1连接所述运算放大器OP3反向输入端；所述运算放大器OP5的输出端与电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端通过电容C3接地。

本发明提供的又一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述负极高通滤波器包括运算放大器OP4、连接所述运算放大器OP4反向输入端的电容C2和连接所述运算放大器OP4反向输入端并接地的电阻R14；所述电容C2通过电阻R13与所述运算放大器OP2的输出端连接；所述运算放大器OP4的正向输入端和输出端连接；

所述负极电压测试差分放大器包括运算放大器OP6、连接所述运算放大器OP6反向输入端和所述运算方大器OP4输出端的电阻R19、连接所述运算放大器OP6反向输入端和输出端的电阻R20、连接所述运算放大器OP6正向输入端的电阻R21和连接所述运算放大器OP6正向输入端并接地的电阻R22；所述电阻R21通过所述电容C2连接所述运算放大器OP4反向输入端；所述运算放大器OP6的输出端与电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端通过电容C4接地。

本发明提供的又一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述信号隔离电路包括正极信号隔离电路和负极信号隔离电路；所述正极信号隔离电路包括隔离运算放大器1或者线性光耦IC1；所述负极信号隔离电路包括隔离运算放大器2或者线性光耦IC2；所述隔离运算放大器1和隔离运算放大器2的反向输入端均接地；所述隔离运算放大器1和隔离运算放大器2的输出端均连接AD转换电路；所述隔离运算放大器1的正向输入端与所述电阻R23的另一端连接；所述隔离运算放大器2的正向输入端与所述电阻R24的另一端连接；所述线性光耦IC1和线性光耦IC2的阴极接地；所述线性光耦IC1的阳极与所述电阻R23的另一端连接；所述线性光耦IC2的阳极与所述电阻R24的另一端连接；所述线性光耦IC1和线性光耦IC2的输出均连接AD转换电路。

本发明提供的又一优选的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，所述AD转换电路包括正极AD转换电路和负极AD转换电路；所述正极AD转换电路包括AD转换器1；所述负极AD转换电路包括AD转换器2；所述AD转换器1的输入端与所述正极信号隔离电路输出端连接；所述AD转换器2与所述负极信号隔离电路输出端连接；所述AD转换器1和AD转换器2的输出端均与数据处理单元连接。

本发明提供的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路的检测方法，包括：

获取所述电阻R1和R2的两端电压；

确定电池正极对保护接地线的等效阻抗R_eq+与电池正极对保护接地线的绝缘电阻R₊之间的关系；

确定电池负极对保护接地线的等效阻抗R_eq-与电池负极对保护接地线的绝缘电阻R_-之间的关系；

确定电阻R1两端电压U_R1；

确定电阻R2两端电压U_R2；

确定电池正极对保护接地线的绝缘电阻为R₊和电池负极对保护接地线的绝缘电阻为R_-。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明提供的的技术方案实现高压电池储能系统绝缘电阻的快速无损检测；

2、本发明提供的的技术方案实现高压电池储能系统绝缘电阻的在线测量；

3、本发明提供的绝缘电阻检测电路成本较低、可靠性高；

4、本发明提供的技术方案采用原始信号减去高频信号获得电池直流电压的简易滤波电路；

5、本发明提供的技术方案避免发生接地故障的极端情况，避免使与之相连的储能变流器也可能损坏，甚至起火；保证操作人员的人身安全。

附图说明

图1为本发明的检测电路图；

图2为本发明的不含高频滤波电路的绝缘电阻的检测电路图；

图3为本发明的不含隔离电路和高频滤波电路的绝缘电阻的检测电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-3所示，本例的发明一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，如图1所示，包括电阻网络、电压测试差分放大电路、高频滤波电路、信号隔离电路、AD转换电路和数据处理单元，实现了实时检测电池组系统的总电压、正负母线对大地或设备外壳的绝缘电阻。

图1中，电池高压分压电阻网络由电阻R1、R2和高压开关Kp、Kn组成，电阻R1和电池正极相连，通过开关Kp接到大地或者设备外壳；电阻R2和电池负极相连，通过开关Kn接到大地或者设备外壳。开关Kp和Kn为高压开关网络，用于控制高压电池组的正极和负极，通过电阻与大地或设备接通，开关Kp和Kn由数据处理单元的微处理器控制。

图1中，正极电压测试差分放大电路由运算放大器OP1和电阻R3、R4、R5、R6组成；负极电压测试差分放大电路由运算放大器OP2和电阻R7、R8、R9、R10组成。

图1中，正极高频滤波电路由运算放大器OP3、电容C1和电阻R12组成；负极高频滤波电路由运算放大器OP4、电容C2和电阻R14组成。

图1中，正极信号隔离电路由隔离运算放大器或者线性光耦IC1组成，负极信号隔离电路由隔离运算放大器或者线性光耦IC2组成。

图1中，正极AD转换电路由AD1组成，负极AD转换电路由AD2组成，。

图1中，数据处理单元主要由微处理器组成。

绝缘电阻的计算原理如下：

1、首先获得电阻R1和R2的两端电压：

$U_{R1}=\frac{R_3}{R_4}\×\frac{1}{G}\×U_{\mathrm{AD}1}---\left(1\right)$

$U_{R2}=\frac{R_7}{R_8}\×\frac{1}{G}\×U_{\mathrm{AD}2}---\left(2\right)$

G为信号处理电路和隔离电路的增益。

根据式(1)和(2)，可得到电池的两端电压：

U＝U_R1+U_R2   (3)

2、假设电池正极对保护接地线的等效阻抗R_eq+，电池正极对保护接地线的绝缘电阻为R₊，则：

$\frac{1}{R_{\mathrm{eq}+}}=\frac{1}{R_{+}}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_3+R_5}---\left(4\right)$

3、假设电池负极对保护接地线的等效阻抗R_eq-，电池负极对保护接地线的绝缘

电阻为R_-，则：

$\frac{1}{R_{\mathrm{eq}-}}=\frac{1}{R_{-}}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_7+R_9}---\left(5\right)$

4、电阻R1两端电压U_R1满足等效电阻R_eq+和R_eq-的分压关系，则

$U_{R1}=\frac{R_{\mathrm{eq}+}}{R_{\mathrm{eq}+}+R_{\mathrm{eq}-}}\×U---\left(6\right)$

5、电阻R2两端电压U_R2满足等效电阻R_eq-和R_eq+的分压关系，则

$U_{R2}=\frac{R_{\mathrm{eq}-}}{R_{\mathrm{eq}-}+R_{\mathrm{eq}+}}\×U---\left(7\right)$

根据上述公式(1)—(7)，U_R1和U_R2由AD采集数据获得，U为U_R1和U_R2的和，根据式(6)和(7)可获得电池正极对保护接地线的等效阻抗R_eq+和R_eq-，通过式(4)即可获得电池正极对保护接地线的绝缘电阻为R₊，通过式(5)即可获得电池负极对保护接地线的绝缘电阻为R_-

在绝缘电阻检测时，绝缘电阻检测信号极其微弱，为获得可靠的信号，本发明设计了高频信号滤波电路。图1中，OP3、C1、R12构成正极高通滤波器，提取电池正极电压采样的高频部分，OP5与R16～R18构成差分放大器；通过使用正极采样原始信号减去高频信号，基本上可以得到非常平坦的电池直流信号，由于相位延迟产生的毛刺信号，采用R23和C3组成的低通滤波器滤除。OP4、C2、R14构成负极高通滤波器，提取电池负极电压采样的高频部分，OP6与R19～R22构成差分放大器；通过使用负极采样原始信号减去高频干扰获取电池负极电压的有效信号，采用R24和C4组成的低通滤波器滤除毛刺。

为提高绝缘电阻检测系统的可靠性，采用了模拟信号隔离方法，采用线性光耦或者隔离运算放大器进行隔离，在低压侧进行信号采样，提高了系统的可靠性。

在某些干扰较小的场合，也可采用图2的不含高频滤波电路进行绝缘电阻的检测；则此时该检测电路包括与图1电器元件组成相同的电阻网络、电压测试差分放大电路、信号隔离电路、AD转换电路和数据处理单元；。

在某些要求较低的场合，也可采用图3的不含隔离电路和高频滤波电路进行绝缘电阻的检测；则此时该检测电路包括图1电器元件组成相同的电阻网络、电压测试差分放大电路、AD转换电路和数据处理单元。

所述AD转换器的型号为AD7799；所述数据处理单元的型号为STM32F407VCT6。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：包括依次连接的电阻网络、电压测试差分放大电路、高频滤波电路、信号隔离电路、AD转换电路和数据处理单元。

2.如权利要求1所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述电阻网络包括串联的电阻R1、高压开关Kp、高压开关Kn和电阻R2；所述电阻R1和电池正极相连，并通过所述高压开关Kp接到大地或者检测电路设备外壳；所述电阻R2和电池负极相连，并通过所述高压开关Kn接到大地或者检测电路设备外壳。

3.如权利要求2所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述高压开关Kp和高压开关Kn均为高压开关网络，分别用于控制高压电池组的正极和负极，通过电阻与大地或设备外壳接通；所述高压开关Kp和高压开关Kn由数据处理单元的微处理器控制。

4.如权利要求2所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述电压测试差分放大电路包括正极电压测试差分放大电路和负极电压测试差分放大电路。

5.如权利要求4所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述正极电压测试差分放大电路包括运算放大器OP1、连接所述运算放大器OP1反向输入端和电池正极的电阻R3、连接所述运算放大器OP1反向输入端和输出端的电阻R4、连接所述运算放大器OP1正向输入端的电阻R5和连接所述运算放大器OP1正向输入端并接地的电阻R6；所述电阻R5通过所述高压开关Kp连接所述电阻R1。

6.如权利要求5所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述负极电压测试差分放大电路包括运算放大器OP2、连接所述运算放大器OP2正向输入端和电池负极的电阻R9、连接所述运算放大器OP2反向输入端和输出端的电阻R8、连接所述运算放大器OP2反向输入端的电阻R7和连接所述运算放大器OP2正向输入端并接地的电阻R10；所述电阻R7通过所述高压开关Kn连接所述电阻R2。

7.如权利要求6所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述高频滤波电路包括正极高频滤波电路和负极高频滤波电路；所述正极高频滤波电路包括正极高通滤波器和正极电压测试差分放大器；所述负极高频滤波电路包括负极高频滤波电路包括正极高通滤波器和负极电压测试差分放大器。

8.如权利要求7所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述正极高通滤波器包括运算放大器OP3、连接所述运算放大器OP3反向输入端的电容C1和连接所述运算放大器OP3反向输入端并接地的电阻R12；所述电容C1通过电阻R11与所述运算放大器OP1的输出端连接；所述运算放大器OP3的正向输入端和输出端连接；

正极电压测试差分放大器包括运算放大器OP5、连接所述运算放大器OP5反向输入端和所述运算方大器OP3输出端的电阻R15、连接所述运算放大器OP5反向输入端和输出端的电阻R16、连接所述运算放大器OP5正向输入端的电阻R17和连接所述运算放大器OP5正向输入端并接地的电阻R18；所述电阻R17通过所述电容C1连接所述运算放大器OP3反向输入端；所述运算放大器OP5的输出端与电阻R23的一端连接，所述电阻R23的另一端通过电容C3接地。

9.如权利要求8所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述负极高通滤波器包括运算放大器OP4、连接所述运算放大器OP4反向输入端的电容C2和连接所述运算放大器OP4反向输入端并接地的电阻R14；所述电容C2通过电阻R13与所述运算放大器OP2的输出端连接；所述运算放大器OP4的正向输入端和输出端连接；

所述负极电压测试差分放大器包括运算放大器OP6、连接所述运算放大器OP6反向输入端和所述运算方大器OP4输出端的电阻R19、连接所述运算放大器OP6反向输入端和输出端的电阻R20、连接所述运算放大器OP6正向输入端的电阻R21和连接所述运算放大器OP6正向输入端并接地的电阻R22；所述电阻R21通过所述电容C2连接所述运算放大器OP4反向输入端；所述运算放大器OP6的输出端与电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端通过电容C4接地。

10.如权利要求9所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述信号隔离电路包括正极信号隔离电路和负极信号隔离电路；所述正极信号隔离电路包括隔离运算放大器1或者线性光耦IC1；所述负极信号隔离电路包括隔离运算放大器2或者线性光耦IC2；所述隔离运算放大器1和隔离运算放大器2的反向输入端均接地；所述隔离运算放大器1和隔离运算放大器2的输出端均连接AD转换电路；所述隔离运算放大器1的正向输入端与所述电阻R23的另一端连接；所述隔离运算放大器2的正向输入端与所述电阻R24的另一端连接；所述线性光耦IC1和线性光耦IC2的阴极接地；所述线性光耦IC1的阳极与所述电阻R23的另一端连接；所述线性光耦IC2的阳极与所述电阻R24的另一端连接；所述线性光耦IC1和线性光耦IC2的输出均连接AD转换电路。

11.如权利要求10所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路，其特征在于：所述AD转换电路包括正极AD转换电路和负极AD转换电路；所述正极AD转换电路包括AD转换器1；所述负极AD转换电路包括AD转换器2；所述AD转换器1的输入端与所述正极信号隔离电路输出端连接；所述AD转换器2与所述负极信号隔离电路输出端连接；所述AD转换器1和AD转换器2的输出端均与数据处理单元连接。

12.包含权利要求1-11任意一项所述的一种高压电池储能系统绝缘电阻的无损检测电路的检测方法，其特征在于：包括：

获取所述电阻R1和R2的两端电压；

确定电池正极对保护接地线的等效阻抗R_eq+与电池正极对保护接地线的绝缘电阻R₊之间的关系；

确定电池负极对保护接地线的等效阻抗R_eq-与电池负极对保护接地线的绝缘电阻R_-之间的关系；

确定电阻R1两端电压U_R1；

确定电阻R2两端电压U_R2；

确定电池正极对保护接地线的绝缘电阻为R₊和电池负极对保护接地线的绝缘电阻为R_-。