CN104635057A - 基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统及控制方法，其特征是由电池组、绝缘监控电路及控制器构成检测系统，绝缘监控电路包括低频信号注入、自适应电压补偿、电压采样以及报警装置；通过控制器向自适应电压补偿电路注入低频电压信号，利用绝缘电阻的大小影响采样电路两端阻抗，使采样电路在电路中所得分压有所改变，控制器通过A/D获得在采样电路中分压值，利用分压值计算获得电池组对整车地的绝缘电阻。本发明自适应电压补偿解决了低频信号注入绝缘检测方法在绝缘电阻突变时检测端电压急剧上升或下降导致的检测端电压长时间在正常范围外造成绝缘失效误报的问题。

Description

基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其是一种电动汽车绝缘检测系统及控制方法。

背景技术

目前电动汽车用电池采用多节单体电池串并联的方式进行连接，以满足汽车强大牵引力的需求。采用多节串并联的方式使电池组总电压增加，远高于人体安全电压36V，因此车身与电池组之间的绝缘十分重要，绝缘电阻的检测始终是电动汽车研发中的核心内容之一。国内外汽车厂商常用的绝缘检测方法有平衡电桥法或高压注入法，但这些方法均需借助电阻搭建的桥式电路连接电池组与整车地，人为降低了整车绝缘电阻。

为了解决上述问题，授权公告号为CN103076497A的专利文献公开了一种基于低频脉冲信号注入的绝缘检测方法，该方法通过MCU向检测电路注入脉冲信号，该脉冲信号经运算放大器输入至由电阻和电容组成的RC电路，使RC电路检测端电容产生一个低频电压信号，该电压信号作为反馈信号经由运算放大器与电阻组成的电压跟随电路输入MCU，MCU根据接收到的电压计算出绝缘电阻。但是，这一方法在绝缘电阻突变时，存在检测端电压急剧上升或下降导致的检测端电压长时间在正常范围外造成绝缘失效误报的缺陷。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种成本低，结构简单、检测可靠的基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统及控制方法，通过自适应电压补偿弥补现有的低频信号注入绝缘检测方法的缺陷。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统的特点是：由电池组VB、绝缘监控电路以及控制器MCU构成检测系统，所述绝缘监控电路包括低频信号注入、自适应电压补偿电路、采样电路，以及报警装置；通过控制器MCU向所述自适应电压补偿电路注入低频电压信号，利用绝缘电阻的大小影响采样电路两端阻抗，使采样电路在电路中所得分压有所改变，所述控制器MCU通过A/D获得在所述采样电路中的分压值，并利用所述分压值计算获得电池组对整车地的绝缘电阻，在绝缘电阻低于绝缘失效阈值时启动报警装置发出报警。

本发明基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统的特点也在于：所述自适应电压补偿电路是利用两个容量不同的电容将检测系统与电池组总正端B+和总负端B-进行隔离，其中容量大的电容对容量小的电容进行电压补偿，实现自适应电压补偿。

本发明基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统的特点也在于：

所述系统是以电池组VB、电池组总正端B+和整车地GND的绝缘电阻Rp、电池组总负端B-和整车地GND的绝缘电阻Rn为被测单元；

自电池组VB的总正端B+依次串联连接隔离电容C2、分压电阻R3、分压电阻R2以及隔离电容C1至电池组VB的总负端B-；并且所述隔离电容C1的容量大于隔离电容C2的容量，以隔离电容C1为电压补偿电容对隔离电容C2进行电压补偿；

由所述控制器MCU输出低频脉冲信号Vin1经阻尼电阻R1接入缓冲器U1，并在缓冲器U1输出与低频脉冲信号Vin1频率相同、幅度为VCC的低频脉冲信号Vin2，所述低频脉冲信号Vin2接入在分压电阻R2和分压电阻R3之间；

由隔离电容C2、绝缘电阻Rp和绝缘电阻Rn构成采样电路，以所述采样电路的两端电压为被测电压Vout1，所述被测电压Vout1经跟随器U2输出与被测电压Vout1同频同幅的低频交流电压信号Vout2，以所述低频交流电压信号Vout2接入控制器MCU。

本发明基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统的控制方式的特点是：

在电池组总正端B+与整车地GND的绝缘电阻Rp的阻值下降比例大于电池组总负端B-与整车地GND的绝缘电阻Rn的阻值下降比例时，在由VB、Rp和Rn构成的回路中，绝缘电阻Rp的分压变小使得B+相对于整车地GND电位下降，以使Vout1电位也跟随下降偏离正常范围，隔离电容C1向隔离电容C2充电，使Vout1电位恢复到正常范围；

在电池组总负端B-与整车地GND的绝缘电阻Rn的阻值下降比例大于电池组总正端B+与整车地GND的绝缘电阻Rp的阻值下降比例时，在由VB、Rp和Rn构成的回路中，绝缘电阻Rp的分压变大使得B+相对于整车地GND电位上升，以使Vout1电位也跟着上升偏离正常范围，隔离电容C2向隔离电容C1放电，使Vout1电位恢复到正常范围；

在所述Vout1电位恢复到正常范围后，经电压跟随器U2输出同频同幅的低频交流电压信号Vout2，所述控制器MCU通过A/D模块采样到的电压根据基尔霍夫定律计算获得绝缘电阻的大小，并在绝缘电阻低于绝缘失效阈值时启动报警装置U3。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明采用电容隔离电池组与绝缘检测系统，避免人为降低整车绝缘性能，同时采用自适应电压补偿解决了现有的低频信号注入绝缘检测方法在绝缘电阻突变时，检测端电压急剧上升或下降导致的检测端电压长时间在正常范围外造成绝缘失效误报的问题。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明一个实施例电路原理图；

图3为本发明一个实施例注入信号与检测端输出信号第一个波形图；

图4为本发明一个实施例注入信号与检测端输出信号第二个波形图；

图5为本发明一个实施例注入信号与检测端输出信号第三个波形图。

具体实施方式

参见图1本实施例中基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统的结构形式是：由电池组VB、绝缘监控电路以及控制器MCU构成检测系统，所述绝缘监控电路包括低频信号注入、自适应电压补偿电路、采样电路，以及报警装置；通过控制器MCU向自适应电压补偿电路注入低频电压信号，利用绝缘电阻的大小影响采样电路两端阻抗，使采样电路在电路中所得分压有所改变，所述控制器MCU通过A/D获得在所述采样电路中的分压值，并利用所述分压值计算获得电池组对整车地的绝缘电阻，在绝缘电阻低于绝缘失效阈值时启动报警装置发出报警。

本实施例中自适应电压补偿电路是利用两个容量不同的电容将检测系统与电池组总正端B+和总负端B-进行隔离，其中容量大的电容对容量小的电容进行电压补偿，实现自适应电压补偿。

如图2所示，本实施例中基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统：

以电池组VB、电池组总正端B+和整车地GND的绝缘电阻Rp、电池组总负端B-和整车地GND的绝缘电阻Rn为被测单元。

自电池组VB的总正端B+依次串联连接隔离电容C2、分压电阻R3、分压电阻R2以及隔离电容C1至电池组VB的总负端B-；并且所述隔离电容C1的容量大于隔离电容C2的容量，以隔离电容C1为电压补偿电容对隔离电容C2进行电压补偿。

由控制器MCU输出低频脉冲信号Vin1经阻尼电阻R1接入缓冲器U1，并在缓冲器U1输出与低频脉冲信号Vin1频率相同、幅度为VCC的低频脉冲信号Vin2，所述低频脉冲信号Vin2接入在分压电阻R2和分压电阻R3之间。

由隔离电容C2、绝缘电阻Rp和绝缘电阻Rn构成采样电路，以采样电路的两端电压为被测电压Vout1，所述被测电压Vout1经跟随器U2输出与被测电压Vout1同频同幅的低频交流电压信号Vout2，以所述低频交流电压信号Vout2接入控制器MCU。

系统的控制方式为：

在电池组总正端B+与整车地GND的绝缘电阻Rp的阻值下降比例大于电池组总负端B-与整车地GND的绝缘电阻Rn的阻值下降比例时，在由VB、Rp和Rn构成的回路中，绝缘电阻Rp的分压变小使得B+相对于整车地GND电位下降，以使Vout1电位也跟随下降偏离正常范围，隔离电容C1向隔离电容C2充电，使Vout1电位恢复到正常范围。

在电池组总负端B-与整车地GND的绝缘电阻Rn的阻值下降比例大于电池组总正端B+与整车地GND的绝缘电阻Rp的阻值下降比例时，在由VB、Rp和Rn构成的回路中，绝缘电阻Rp的分压变大使得B+相对于整车地GND电位上升，以使Vout1电位也跟着上升偏离正常范围，小电容C2向大电容C1放电，使Vout1电位恢复到正常范围。

在所述Vout1电位恢复到正常范围后，经电压跟随器U2输出同频同幅的低频交流电压信号Vout2，控制器MCU通过A/D模块采样到的电压根据基尔霍夫定律计算获得绝缘电阻的大小，并在绝缘电阻低于绝缘失效阈值时启动报警装置U3。

图2所示电路结构中，阻尼电阻R1用于吸收低频脉冲高次谐波成分，防止输出回路发生谐振；低频脉冲信号Vin1经缓冲器U1输出与Vin1相同频率，幅度为VCC的低频脉冲信号Vin2；二极管D1和D2作为缓冲器U1的钳位二极管，二极管D3和D4作为跟随器U2的钳位二极管。

图3为本绝缘检测系统一个实施例注入信号与检测端输出信号第一个波形图。依据图2电路原理图，仿真实验中，取R1＝100Ω，R2＝1MΩ，R3＝500KΩ，C1＝50μF，C2＝1μF，Rp＝Rn＝1GΩ，MCU经缓冲器U1输出频率为2.5Hz，幅度为5V的低频脉冲信号Vin2。在时间t＝15S时刻，人为降低电池组总正端与整车地GND的绝缘电阻Rp，使Rp＝2MΩ，检测端信号Vout1经电压跟随器U2输出为Vout2。Vin2和Vout2波形图如图3所示，Vout2电压峰峰值随着绝缘电阻Rp的减小而减小。

图4为本绝缘检测系统一个实施例注入信号与检测端输出信号第二个波形图。依据上述图2电路原理图，仿真实验中，取R1＝100Ω，R2＝1MΩ，R3＝500KΩ，C1＝50μF，C2＝1μF，Rp＝Rn＝1GΩ，MCU经缓冲器U1输出频率为2.5Hz，幅度为5V的低频脉冲信号Vin2。在时间t＝15S时刻，人为降低电池组总负端与整车地GND的绝缘电阻Rn，使Rn＝2MΩ，检测端信号Vout1经电压跟随器U2输出为Vout2。Vin2和Vout2波形图如图4所示，Vout2电压峰峰值随着绝缘电阻Rn的减小而减小。

图5为本绝缘检测系统一个实施例注入信号与检测端输出信号第三个波形图。依据上述图2电路原理图，仿真实验中，取R1＝100Ω，R2＝1MΩ，R3＝500KΩ，C1＝50μF，C2＝1μF，Rp＝Rn＝1GΩ，MCU经缓冲器U1输出频率为2.5Hz，幅度为5V的低频脉冲信号Vin2。在时间t＝15S时刻，人为降低电池组总正端、总负端与整车地GND的绝缘电阻Rp和绝缘电阻Rn，使Rp＝Rn＝2MΩ，检测端信号Vout1经电压跟随器U2输出为Vout2。Vin2和Vout2波形图如图5所示，Vout2电压峰峰值随着绝缘电阻Rp和Rn的减小而减小。

Claims (5)

1.基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统，其特征是：由电池组VB、绝缘监控电路以及控制器MCU构成检测系统，所述绝缘监控电路包括低频信号注入、自适应电压补偿电路、采样电路，以及报警装置；通过控制器MCU向所述自适应电压补偿电路注入低频电压信号，利用绝缘电阻的大小影响采样电路两端阻抗，使采样电路在电路中所得分压有所改变，所述控制器MCU通过A/D获得在所述采样电路中的分压值，并利用所述分压值计算获得电池组对整车地的绝缘电阻，在绝缘电阻低于绝缘失效阈值时启动报警装置发出报警。

2.根据权利要求1所述的自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统，其特征是：所述自适应电压补偿电路是利用两个容量不同的电容将检测系统与电池组总正端B+和总负端B-进行隔离，其中容量大的电容对容量小的电容进行电压补偿，实现自适应电压补偿。

3.根据权利要求1所述的基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统，其特征是：

所述系统是以电池组VB、电池组总正端B+和整车地GND的绝缘电阻Rp、电池组总负端B-和整车地GND的绝缘电阻Rn为被测单元；

自电池组VB的总正端B+依次串联连接隔离电容C2、分压电阻R3、分压电阻R2以及隔离电容C1至电池组VB的总负端B-；并且所述隔离电容C1的容量大于隔离电容C2的容量，以隔离电容C1为电压补偿电容对隔离电容C2进行电压补偿；

由所述控制器MCU输出低频脉冲信号Vin1经阻尼电阻R1接入缓冲器U1，并在缓冲器U1输出与低频脉冲信号Vin1频率相同、幅度为VCC的低频脉冲信号Vin2，所述低频脉冲信号Vin2接入在分压电阻R2和分压电阻R3之间；

由隔离电容C2、绝缘电阻Rp和绝缘电阻Rn构成采样电路，以所述采样电路的两端电压为被测电压Vout1，所述被测电压Vout1经跟随器U2输出与被测电压Vout1同频同幅的低频交流电压信号Vout2，以所述低频交流电压信号Vout2接入控制器MCU。

4.根据权利要求1所述的基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统，其特征是：设置分压电阻R2为1MΩ、分压电阻R3为500KΩ、隔离电容C1为50μF、隔离电容C2为1μF、低频脉冲信号Vin2频率为2.5Hz、幅度为5V。

5.一种权利要求1所述的基于自适应电压补偿和低频注入的电动汽车绝缘检测系统的控制方法，其特征是：

在电池组总正端B+与整车地GND的绝缘电阻Rp的阻值下降比例大于电池组总负端B-与整车地GND的绝缘电阻Rn的阻值下降比例时，在由VB、Rp和Rn构成的回路中，绝缘电阻Rp的分压变小使得B+相对于整车地GND电位下降，以使Vout1电位也跟随下降偏离正常范围，隔离电容C1向隔离电容C2充电，使Vout1电位恢复到正常范围；

在电池组总负端B-与整车地GND的绝缘电阻Rn的阻值下降比例大于电池组总正端B+与整车地GND的绝缘电阻Rp的阻值下降比例时，在由VB、Rp和Rn构成的回路中，绝缘电阻Rp的分压变大使得B+相对于整车地GND电位上升，以使Vout1电位也跟着上升偏离正常范围，隔离电容C2向隔离电容C1放电，使Vout1电位恢复到正常范围；

在所述Vout1电位恢复到正常范围后，经电压跟随器U2输出同频同幅的低频交流电压信号Vout2，所述控制器MCU通过A/D模块采样到的电压根据基尔霍夫定律计算获得绝缘电阻的大小，并在绝缘电阻低于绝缘失效阈值时启动报警装置U3。