CN104865506A - 一种直流电气系统的绝缘检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电气系统的绝缘检测装置，属于电子技术领域。装置包括：方波信号源、注入采样电路和计算单元，方波信号源用于产生低频方波信号，注入采样电路用于将方波信号注入到直流电气系统中，并对直流电气系统在注入的方波信号的激励下产生的响应信号进行采样，计算单元用于，在方波信号的第n个周期内，获得分别在第n个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号；根据获得的采样信号，计算直流电气系统的绝缘电阻的值，在前半个周期的采样信号包括，从进入前半个周期后且经过第一指定时间段开始到进入后半个周期结束的采样信号；在后半个周期的采样信号包括，从进入后半个周期后且经过第一指定时间段开始到第n个周期结束的采样信号。

Description

一种直流电气系统的绝缘检测装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种直流电气系统的绝缘检测装置。

背景技术

电动汽车的直流电气系统具有对人身安全造成威胁的电压等级。在车辆运行或充电期间，车辆的电池组、以及动力设备用电系统中所有的电气部件均需要和车体保持绝缘良好的状态，为此，有必要对车辆进行实时的绝缘检测。

目前已有的绝缘检测方式是在保护地导电体和被测直流电气系统的多处电气连接点之间连接开关和参考电阻网络。通过开关的控制改变参考电阻网络结构，同时采用模数转换器(英文：Analog-to-Digital Converter，简称：ADC)采样被测直流电气系统正负母线对地的电压。当开关状态变化后，由于参考电阻网络参数发生变化，正负母线的对地电压也发生变化，参考电阻网络的参数是已知的，正负母线对地的电压变化是和直流电气系统对地的绝缘电阻阻值相关，由此可以计算出绝缘电阻的值。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：现有的绝缘检测模式对参考电阻网络所用的电阻及ADC的精度要求较高，当电阻或ADC的精度随工作时间等因素变化时，将导致计算出的绝缘电阻的值出现误差。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种直流电气系统的绝缘检测装置。所述技术方案如下：

本发明提供了一种直流电气系统的绝缘检测装置，所述装置包括：

方波信号源、注入采样电路、以及计算单元；

所述方波信号源用于，产生低频方波信号；

所述注入采样电路用于，将所述低频方波信号注入到直流电气系统中，并对所述直流电气系统在注入的方波信号的激励下产生的响应信号进行采样；

所述计算单元用于，在所述方波信号的第n个周期内，获得所述注入采样电路分别在所述第n个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号；根据获得的采样信号，计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值；其中，在所述第n个周期的前半个周期的采样信号包括，从进入所述前半个周期后且经过第一指定时间段开始、到进入所述后半个周期结束的采样信号；在所述第n个周期的后半个周期的采样信号包括，从进入所述后半个周期后且经过所述第一指定时间段开始、到所述第n个周期结束的采样信号，n为正整数。

作为可选的实施方式，所述注入采样电路包括电阻R1、R2、R3、R4和R5；

所述方波信号源的输出端分别与所述电阻R1和所述电阻R2的第一端电连接；所述电阻R2的第二端分别与所述电阻R3的第一端和所述直流电气系统的正端电连接；所述电阻R3的第二端接地；所述电阻R1的第二端分别与所述电阻R4的第一端和所述直流电气系统的负端电连接；所述电阻R4的第二端与所述电阻R5的第一端电连接；所述电阻R5的第二端接地。

作为可选的实施方式，所述注入采样电路包括电阻R6、R7、R8和运算放大器A1；

所述电阻R6的第一端与所述方波信号源的输出端电连接，所述电阻R6的第二端分别与所述电阻R7和所述电阻R8的第一端电连接，所述电阻R7的第二端与所述直流电气系统的正端电连接，所述电阻R8的第二端与所述直流电气系统的负端电连接，所述运算放大器A1的第一输入端与所述电阻R6的第一端电连接，所述运算放大器A1的第二输入端与所述电阻R6的第二端电连接。

作为可选的实施方式，所述装置还包括运算放大器A2：

所述运算放大器A2的同相输入端与所述注入采样电路的输出端电连接，所述运算放大器A2的反相输入端与所述运算放大器A2的输出端电连接，所述运算放大器A2的输出端与所述计算单元电连接。

作为可选的实施方式，所述计算单元包括差动放大电路和第一微控制器；

所述差动放大电路包括开关K1、K2、K3、K4、电阻R9、R10、R11、运算放大器A3、A4、以及电容C1、C2、C3；

所述运算放大器A2的输出端与所述开关K1的第一端电连接，所述开关K1的第二端与所述电阻R9的第一端电连接，所述电阻R9的第二端分别与所述运算放大器A3的同相输入端、所述电容C1的第一端、以及所述开关K2的第一端电连接，所述运算放大器A3的反相输入端与所述运算放大器A3的输出端电连接，所述开关K2的第二端与所述电阻R10电连接；所述电阻R11的第一端分别与所述运算放大器A3的输出端、所述电容C1的第二端、以及所述电阻R10的第二端电连接，所述电阻R11的第二端分别与所述开关K3和所述开关K4的第一端电连接，所述开关K3的第二端与所述运算放大器A4的同相输入端电连接；所述电容C2的第一端与所述开关K3和所述运算放大器A4的连接点电连接，所述开关K4的第二端与所述运算放大器A4的反相输入端电连接，所述电容C3的第一端与所述开关K4和所述运算放大器A4的连接点电连接，所述电容C2和所述电容C3的第二端均接地，所述运算放大器A4的输出端与所述第一微控制器电连接；

所述第一微控制器用于，计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值，所述绝缘电阻的值f(x1)的计算方式为f(x1)＝a*x1，a为第一预置系数，x1为所述差动放大电路输出的信号的幅值。

作为可选的实施方式，所述计算单元包括同步积分电路和第二微控制器；

所述同步积分电路包括运算放大器A5、A6、A7、开关K5、K6、K7、K8、电阻R12、R13、R14、以及电容C4、C5；

所述运算放大器A2的输出端分别与所述运算放大器A5的反相输入端和所述开关K5的第一端电连接；所述运算放大器A5的同相输入端接地，所述运算放大器A5的输出端与所述开关K6的第一端电连接，所述电阻R12的第一端分别与所述开关K5和所述开关K6的第二端电连接，所述电阻R12的第二端分别与所述运算放大器A6的同相输入端、所述电容C4的第一端、以及所述开关K7的第一端电连接，所述运算放大器A6的反相输入端与所述运算放大器A6的输出端电连接，所述开关K7的第二端与所述电阻R13的第一端电连接，所述电阻R14的第一端分别与所述运算放大器A6的输出端、所述电容C4的第二端、以及所述电阻R13的第二端电连接，所述电阻R14的第二端与所述开关K8的第一端电连接，所述开关K8的第二端与所述运算放大器A7的同相输入端电连接，所述电容C5的第一端与所述开关K8和所述运算放大器A7的连接点电连接，所述电容C5的第二端接地，所述运算放大器A7的反相输入端与所述运算放大器A7的输出端电连接，所述运算放大器A7的输出端与所述第二微控制器电连接；

所述第二微控制器用于，计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值，所述绝缘电阻的值f(x2)的计算方式为f(x2)＝a*x2，a为第一预置系数，x2为所述同步积分电路输出的信号的幅值。

作为可选的实施方式，所述计算单元包括：

数模转换电路，用于将所述注入采样电路的采样信号转换为数字信号；

累加子单元，用于在所述方波信号的第n个周期内，从进入所述第n个周期的前半个周期后且经过第一指定时间段开始，到进入所述第n个周期的的后半个周期结束，对所述数模转换电路输出的数字信号进行累加运算得到第一信号；从进入所述第n个周期的后半个周期后且经过第一指定时间段开始，到所述第n个周期结束，对所述数模转换电路输出的数字信号进行累加运算得到第二信号；

减运算子单元，用于对所述第一信号和所述第二信号进行减运算，得到差信号；

计算子单元，用于计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值，所述绝缘电阻的值f(x3)的计算方式为f(x3)＝a*x3，a为第一预置系数，x3为所述差信号的幅值。

作为可选的实施方式，所述方波信号源包括低压直流电源、以及开关K9、K10、K11、K12，

所述开关K9、K10、K11、K12顺序地首尾串联在一起，所述开关K9与所述开关K10的连接点连接所述低压直流电源的正端，所述开关K11和所述开关K12的连接点连接所述低压直流电源的负端，所述开关K9和所述开关K12的连接点接地，所述开关K10和所述开关K12的连接点连接所述注入采样电路。

作为可选的实施方式，所述计算单元还用于，

在所述方波信号的第m个周期内，获得所述注入采样电路分别在所述第m个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号；根据获得的所述注入采样电路分别在所述第m个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号，计算所述直流电气系统的对地电容的值；其中，在所述第m个周期的前半个周期的采样信号包括，在所述第m个周期的前半个周期内，从进入所述第m个周期的前半个周期开始、到经过第二指定时间段结束的采样信号；在所述第m个周期的后半个周期的采样信号包括，在所述第m个周期的后半个周期内，从进入所述第m个周期的后半个周期开始、到经过第二指定时间段结束的采样信号，m为正整数且m不等于n。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将低频方波信号注入到直流电气系统中，对直流电气系统在方波信号的激励下产生的响应信号进行采样，根据采样信号计算直流电气系统的绝缘电阻的值，由于不需要采用参考电阻网络及ADC进行绝缘检测，因此可以解决对电阻及ADC的精度要求高的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的直流电气系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种直流电气系统的绝缘检测装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的方波信号源的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种直流电气系统的绝缘检测装置的再一结构示意图；

图5是本发明实施例提供的注入采样电路的结构示意图；

图6和图7是本发明实施例提供的一种直流电气系统的绝缘检测装置的又一结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例

为便于理解本发明实施例提供的技术方案，首先介绍一下直流电气系统。图1示出了一种直流电气系统100，该系统100包括电池组BAT、负载电阻RL1或类似设备、以及负载电机M。负载电阻RL1和负载电机M并联，电池组BAT的正、负端分别和负载电阻RL与负载电机M的两个连接点电连接。其中，图1还示出了该系统100与参考地(英文：Ground，简称GRD)之间虚拟的绝缘电阻RL2、以及对地电容CL。需要说明的是，对于电动汽车来讲，参考地可以是车辆底盘金属结构。

基于此，本发明实施例提供一种直流电气系统的绝缘检测装置，适用于对图1示出的直流电气系统100的绝缘电阻RL2、以及对地电容CL进行绝缘检测。参见图2，该装置包括方波信号源101、注入采样电路102、以及计算单元103。

方波信号源101用于，产生低频方波信号。

注入采样电路102用于，将方波信号源101产生的低频方波信号注入到直流电气系统100中，并对直流电气系统100在注入的方波信号的激励下产生的响应信号进行采样。

计算单元103用于，在方波信号的第n个周期内，获得注入采样电路102分别在第n个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号；根据获得的采样信号，计算直流电气系统100的绝缘电阻的值。其中，在第n个周期的前半个周期的采样信号包括，从进入前半个周期后且经过第一指定时间段开始、到进入后半个周期结束的采样信号；在第n个周期的后半个周期的采样信号包括，从进入后半个周期后且经过第一指定时间段开始、到第n个周期结束的采样信号。n为正整数。

具体地，在第n个周期的前半个周期的采样信号包括，从第n个周期的起点后的第一指定时间段开始到第n个周期的前半个周期结束之间的采样信号。在第n个周期的后半个周期的采样信号包括，从第n个周期的后半个周期的起点后的第一指定时间段开始到第n个周期结束的采样信号。

通过将低频方波信号注入到直流电气系统100中，对直流电气系统100在方波信号的激励下产生的响应信号进行采样，根据信号计算直流电气系统100的绝缘电阻的值，由于不需要采用参考电阻网络及ADC进行绝缘检测，因此可以解决对电阻及ADC的精度要求高的技术问题。

其中，计算单元103还用于，在方波信号的第m个周期内，获得注入采样电路101分别在第m个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号；根据获得的注入采样电路101分别在第m个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号，计算直流电气系统100的对地电容的值。在第m个周期的前半个周期的采样信号包括，在第m个周期的前半个周期内，从进入第m个周期的前半个周期开始、到经过第二指定时间段结束的采样信号。在第m个周期的后半个周期的采样信号包括，在第m个周期的后半个周期内，从进入第m个周期的后半个周期开始、到经过第二指定时间段结束的采样信号。m为正整数且m不等于n。

由于车辆各带电部件对车体的对地电容和电气部件所包含的接地电容器也可能对人身安全形成威胁，同时，在车辆的最初设计试验阶段，也需要对电气系统对地电容值进行测量，因此，有必要对直流电气系统的对地电容的值进行计算。通过本装置，除了测量绝缘电阻的值外，还可以测量对地电容的值。

下面结合图3，详细描述一下方波信号源101的结构。

方波信号源101包括低压直流电源(图3未示出)和H型桥式电路，低压直流电源经过H型桥式电路将变换为方波信号输出。

其中，该低压直流电源可以采用车辆的低压工作电源，通常是12V或者24V。

如图3所示，该H型桥式电路包括开关K9、K10、K11、K12。开关K9、K10、K11、K12顺序地首尾串联在一起，开关K9与开关K10的连接点连接低压直流电源的正端，开关K11和开关K12的连接点连接低压直流电源的负端，开关K9和开关K12的连接点接地，开关K10和开关K12的连接点连接注入采样电路102。

通过调节开关K9、K10、K11、K12的闭合，方波信号源101产生的低频方波信号可以是双极性方波信号，即每个周期中半个周期输出为正电压，相邻的另半个周期输出为负电压；还可以是单极性方波信号，即每个周期中半个周期输出为零电压，相邻的另半个周期输出为正电压或者负电压。图3中，S1表示双极性方波信号的时间坐标图，S2表示单极性方波信号的时间坐标图。例如，将开关K9和开关K11闭合，且将开关K10和开关K12打开，经过时间N后，再将开关K10和开关K12闭合，且将开关K9和开关K11打开，再经过时间N后，将开关K9和开关K11闭合，且将开关K10和开关K12打开，依此循环，该方波信号源101将产生周期为2N的双极性方波信号。

需要说明的是，可以将图3中开关K9、K10、K11、K12中任何三个开关替换为电阻或电容，也可以将开关K9、K10、K11、K12中中任何两个开关替换为电阻或电容。

下面将详细描述注入采样电路102的结构。本发明实施例提供了两种不同结构的注入采样电路102(第一种结构如图4所示，第二种结构如图5所示)，这两种结构中任何一种结构均可以采用图3示出的方波信号源101。

参见图4，注入采样电路102的第一种结构为，注入采样电路102包括电阻R1、R2、R3、R4和R5。方波信号源101的输出端分别与电阻R1和电阻R2的第一端电连接；电阻R2的第二端分别与电阻R3的第一端和直流电气系统100的正端电连接；电阻R3的第二端接地；电阻R1的第二端分别与电阻R4的第一端和直流电气系统100的负端电连接；电阻R4的第二端与电阻R5的第一端电连接；电阻R5的第二端接地。

其中，电阻R1-R4可以为可变电阻，通过调整电阻R1-R4的阻值，能够不影响直流电气系统100的安全性，且不破坏直流电气系统100正负两端对保护地导电体的电位的电压对称性。电阻R5为采样电阻。

参见图5，注入采样电路102的第二种结构为，注入采样电路102包括电阻R6、R7、R8和运算放大器A1。电阻R6的第一端与方波信号源101的输出端电连接，电阻R6的第二端分别与电阻R7和电阻R8的第一端电连接，电阻R7的第二端与直流电气系统100的正端电连接，电阻R8的第二端与直流电气系统100的负端电连接，运算放大器A1的第一输入端与电阻R6的第一端电连接，运算放大器A1的第二输入端与电阻R6的第二端电连接。

其中，电阻R6为采样电阻。运算放大器A1可以是一个差动放大器。需要说明的是，运算放大器A1的第一输入端可以是同相输入端，也可以是反相输入端，运算放大器A1的第二输入端与运算放大器A1的第一输入端不同。

其中，直流电气系统100的正端可以是直流电气系统100的正母线，直流电气系统100的负端可以是直流电气系统100的负母线。方波信号源101输出的方波信号通过注入采样电路102连接到直流电气系统100的正负母线，这种连接方式不影响正负母线对地电压的对称性。

其中，该装置还包括运算放大器A2(如图4和图5所示)，该运算放大器A2的同相输入端与注入采样电路102的输出端电连接，运算放大器A2的反相输入端与运算放大器A2的输出端电连接，运算放大器A2的输出端与计算单元103电连接。该运算放大器A2用于放大注入采样电路102的采样信号。

需要说明的是，运算放大器A2可以替换为由一个或多个运算放大器和多个反馈电阻构成的比例放大电路，该比例放大电路可以将采样信号同相比例放大或反向比例放大。

下面将详细描述计算单元103的结构。本发明实施例提供了三种不同结构的计算单元103(第一种结构如图4所示，第二种结构如图6所示，第三种结构如图7所示)，这三种结构中任何一种结构均可以采用图4或图5示出的注入采样电路102。

其中，计算单元103的第一种结构为，计算单元103包括差动放大电路和第一微控制器(参见图4)。差动放大电路包括开关K1、K2、K3、K4、电阻R9、R10、R11、运算放大器A3、A4、以及电容C1、C2、C3。

运算放大器A2的输出端与开关K1的第一端电连接，开关K1的第二端与电阻R9的第一端电连接，电阻R9的第二端分别与运算放大器A3的同相输入端、电容C1的第一端、以及开关K2的第一端电连接，运算放大器A3的反相输入端与运算放大器A3的输出端电连接，开关K2的第二端与电阻R10电连接；电阻R11的第一端分别与运算放大器A3的输出端、电容C1的第二端、以及电阻R10的第二端电连接，电阻R11的第二端分别与开关K3和开关K4的第一端电连接，开关K3的第二端与运算放大器A4的同相输入端电连接；电容C2的第一端与开关K3和运算放大器A4的连接点电连接，开关K4的第二端与运算放大器A4的反相输入端电连接，电容C3的第一端与开关K4和运算放大器A4的连接点电连接，电容C2和电容C3的第二端均接地，运算放大器A4的输出端与第一微控制器电连接。

电阻R9、电容C1、运算放大器A3组成一个积分器，采样信号经运算放大器A2放大后输入到该积分器进行积分。开关K2和电阻R10构成该积分器的泄放回路，以将积分器泄放回零电压。电阻R11分别与电容C2、C3构成两路保持电路。积分器积分后的输出信号分别通过开关K3、K4连接到这两路保持电路，运算放大器A4将电容C2、C3上保持的电压的差值进行放大，其输出信号与C2、C3上的电压差值成比例。具体地，运算放大器A4可以是差动放大器(又称为仪表放大器)，也可以是单片集成放大器，还可以替换为由三个通用运算放大器组成的电路。

开关K1～K4的操作时序与方波信号保持同步关系。以计算绝缘电阻的值为例，简单介绍一下开关K1～K4的操作时序。在方波信号的某个周期T_i的前半个周期开始，这时开关K1～K4均处于断开状态；首先由K2闭合开始，通过R10将C1电容泄放到零电压，然后断开K2且同步闭合K1，由R9、A2、C1完成对信号电压的积分处理，一段时间后，断开K1且同步闭合K3，直到周期T_i的前半个周期结束，以使C1上保持的电压就传递到C2；在周期T_i的后半个周期开始一段时间后，K3断开，此后K2再度闭合，通过R10将C1电容泄放到零电压，等待一段时间，然后断开K2且同步闭合K1，由R9、A3、C1完成对信号电压的积分处理，一段时间后，断开K1且同步闭合K4，直到周期T_i的后半个周期结束，以使C1上保持的电压传递到C3，至此完成周期T_i的的所有操作。A4最终输出的电压信号Vpp2就是与绝缘电阻的值相关的电压信号。

需要说明的是，在周期T_i的前半个周期内，从前半个周期开始到K3闭合，所经过的时间段不大于第一指定时间段且大于第二指定时间段。在周期T_i的后半个周期内，从后半个周期开始到K4闭合，所经过的时间段不大于第一指定时间段且大于第二指定时间段。第一指定时间段可以为4t，第二指定时间段可以为0.5t，t＝r*c，r为电阻R11的阻值，c为电容C1的电容值。

第一微控制器用于，计算直流电气系统100的绝缘电阻RL2的值。其中，绝缘电阻RL2的值f(x1)的计算方式为f(x1)＝a*x1，a为第一预置系数，x1为差动放大电路输出的信号Vpp2的幅值。

结合开关K1～K4的操作时序，简单介绍一下绝缘电阻RL2的值的计算方式的推理过程。

其中，方波信号源101的方波峰峰值Vpps由电路参数(包括直流电源、以及开关K9-K12)决定。电阻R1、R2、R3、R4、R5和绝缘电阻RL2形成分压网络。假设该分压网络的分压系数Kf1。电阻R4、R5构成采样网络，该采样网络的分压系数Kf2可以通过电阻R4和R5的值计算得到(Kf2＝R5/(R4+R5))。由于方波信号源101的注入作用，电阻R5上出现方波信号，该方波信号的上、下峰值之差Vpp2＝Vpps*Kf1*Kf2。

假设在周期T_i的前半个周期内，R9、C1和A3构成的积分器在积分时，R5上电压为Vr5_1，积分时间为ts，则积分后得到的电压为Vr5_1*ts/R9/C1。同理，假设在周期T_i的后半周期内，该积分器积分时R5上电压为Vr5_2，积分时间同样为ts，则积分得到电压为Vr5_2*ts/R9/C1。通过A4对两次积分结果相减，由于ts、R9、C1均为已知，则可以得到A4输出的的运算结果Vr5_1-Vr5_2，即R5上的电压的方波分量Vpp2。前述Vpp2＝Vpps*Kf1*Kf2中，已知Vpps和Kf2，从而可以得到Kf1。Kf1可以通过R1、R2、R3、R4、R5和绝缘电阻RL1计算得到，参见等式(1)。那么，在得知R1、R2、R3、R4、R5和Kf1后，将得到绝缘电阻RL1的值。

$\mathrm{Kf}1=\frac{\frac{1}{\frac{1}{R3}+\frac{1}{\frac{1}{R4}+\frac{1}{R5}}+\frac{1}{\mathrm{RL}2}}}{\frac{1}{\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}}\frac{1}{\frac{1}{R3}+\frac{1}{\frac{1}{R4}+\frac{1}{R5}}+\frac{1}{\mathrm{RL}2}}}.....\left(1\right)$

按照上述计算方式，Vpp2与RL2的值两者呈线性关系。通过实际测试测定，可以获得Vpp2与RL2的比例系数，即前述第一预置系数a。

在计算对地电容的值时，开关K1～K4的操作时序为，在方波信号的某个周期T_k的前半个周期开始，这时开关K2为闭合状态，开关K1、K3和K4为断开状态。首先闭合K1且同步断开K2，经过一段时间后，再将K3闭合且同步断开K1，又经过一段时间后，再将K3断开且同步闭合K2，直到前半个周期结束。在周期T_k的后半个周期开始，首先将K1闭合且同步断开K2，经过一段时间后，再将K4闭合且同步断开K1，又经过一段时间后，再将K4断开且同步闭合K2，直到整个周期T_k结束。A4最终输出的电压信号Vpp2’就是与对地电容的值相关的电压信号。

需要说明的是，在周期T_k的前半个周期内，从前半个周期开始到K3闭合，所经过的时间段不大于第二指定时间段。在周期T_k的后半个周期内，从后半个周期开始到K4闭合，所经过的时间段不大于第二指定时间段。第二指定时间段可以为0.5t。此外，K3或K4闭合的维持时间可以大于3t。

第一微控制器还用于，计算直流电气系统100的对地电容CL的值。其中，对地电容CL的值f(y1)的计算方式为f(y1)＝b*y1，b为第二预置系数，y1为差动放大电路输出的信号Vpp2’的幅值。

需要说明的是，对地电容CL的值f(y1)的推理过程包括，方波信号源101通过电阻网络(电阻R1～R5)给对地电容CL充电。具体地，在方波信号每个周期的前半个周期和后半个周期分别对CL进行相反方向的充电。通过开关K1～K4的操作，A4最终输出的电压信号Vpp2’即为CL相反方向充电的电压变化值。由于方波信号源101提供的电压、以及电阻网络的参数均是已知的，那么，结合信号Vpp2’，可以计算出CL的值。按照此计算方法，信号Vpp2’的幅值与CL的值成反比关系。经过实际测量，可以推导出信号Vpp2’的幅值与CL的值的比例系数，即前述第二预置系数b。

参见图6，计算单元103的第二种结构为，计算单元103包括同步积分电路和第二微控制器。同步积分电路包括运算放大器A5、A6、A7、开关K5、K6、K7、K8、电阻R12、R13、R14、以及电容C4、C5。

运算放大器A2的输出端分别与运算放大器A5的反相输入端和开关K5的第一端电连接；运算放大器A5的同相输入端接地，运算放大器A5的输出端与开关K6的第一端电连接，电阻R12的第一端分别与开关K5和开关K6的第二端电连接，电阻R12的第二端分别与运算放大器A6的同相输入端、电容C4的第一端、以及开关K7的第一端电连接，运算放大器A6的反相输入端与运算放大器A6的输出端电连接，开关K7的第二端与电阻R13的第一端电连接，电阻R14的第一端分别与运算放大器A6的输出端、电容C4的第二端、以及电阻R13的第二端电连接，电阻R14的第二端与开关K8的第一端电连接，开关K8的第二端与运算放大器A7的同相输入端电连接，电容C5的第一端与开关K8和运算放大器A7的连接点电连接，电容C5的第二端接地，运算放大器A7的反相输入端与运算放大器A7的输出端电连接，运算放大器A7的输出端与第二微控制器电连接；

具体地，运算放大器A5可以为反相放大器。

开关K5～K8的操作时序与方波信号保持同步关系。以计算绝缘电阻的值为例，简单介绍一下开关K5～K8的操作时序。在方波信号的某个周期的前半个周期内，先闭合开关K7，通过电阻R3将电容C4上的电容泄放，然后断开K7，闭合K5，通过R12、A6、C4完成对采样信号的积分；之后断开K5；接着，在后半周期内，闭合K6，通过A5对采样信号进行反相，再通过R12、A6、C4完成对反相后的采样信号的积分，再断开K6，积分完成后，C4上的电压为前、后半个周期的积分信号的叠加，此叠加后的电压经过R14、K8、C5、A7组成的采样保持放大器，得到的最终输出电压(A7输出信号Vpp3)就是与绝缘电阻的值相关的电压信号。

第二微控制器用于，计算直流电气系统100的绝缘电阻RL2的值，绝缘电阻RL2的值f(x2)的计算方式为f(x2)＝a*x2，x2为同步积分电路输出的信号Vpp3的幅值。绝缘电阻RL2的值f(x2)的计算原理与绝缘电阻RL2的值f(x1)的计算原理相同，在此不再赘述。

在计算对地电容的值时，开关K5～K8的操作时序为，在方波信号的某一周期开始，这时开关K7为闭合状态(积分器清零)，开关K5、K6和K8为断开状态。首先将K7断开且同步闭合K5，经过一定时间段后将K5断开，直到前半个周期结束；在后半个周期开始时，将K6闭合，经过一定时间段后将K6断开，同步闭合K8，将C4上存储的信号电压转移，又经过一定时间段后将K8断开，同步闭合K7，将积分器清零，A7的输出信号Vpp3’就是与对地电容的值相关的电压信号。

第二微控制器还用于，计算直流电气系统100的对地电容CL的值。其中，对地电容CL的值f(y2)的计算方式为f(y2)＝b*y2，b为第二预置系数，y2为同步积分电路输出的信号Vpp3’的幅值。需要说明的是，对地电容CL的值f(y2)的计算原理与对地电容CL的值f(y1)的计算原理相同，在此不再赘述。

需要说明的是，在一种实施方式中，前述开关K1～K12可以均为电子开关，由相应的微控制器控制；在另一种实施方式中，前述开关K1～K12的闭合、断开均可以由相应的微控制器通过继电器进行控制。比如，开关K1～K4的闭合、断开可以由第一微控制器通过继电器进行控制。

由于直流电气系统100在低频方波信号的激励下产生的响应信号电压比较低，开关K1～K8不需要采用高压切换开关，能够减少该装置的成本，提高该装置的经济性。而对于采样信号采用了积分器进行处理，具有抗强干扰的能力；同时，采用了同步积分电路或者用差动放大电路对两次积分后的信号进行处理，具有灵敏的弱信号处理能力。

参见图7，计算单元103的第三种结构为，计算单元103包括：

数模转换电路1031，用于将注入采样电路的采样信号转换为数字信号。

累加子单元1032，用于在方波信号的第n个周期内，从进入第n个周期的前半个周期后且经过第一指定时间段开始，到进入第n个周期的的后半个周期结束，对数模转换电路1031输出的数字信号进行累加运算得到第一信号；从进入第n个周期的后半个周期后且经过第一指定时间段开始，到第n个周期结束，对数模转换电路1031输出的数字信号进行累加运算得到第二信号。

其中，第一指定时间段用于确保注入采样电路102将第n个周期的方波信号注入到直流电气系统中，且采样到直流电气系统100在第n个周期的方波信号的激励下产生的第一响应信号，该第一响应信号包含了直流电气系统100的绝缘电阻RL2的响应信号。

减运算子单元1033，用于对第一信号和第二信号进行减运算，得到第一信号和第二信号的差信号。

计算子单元1034，用于根据差信号，计算直流电气系统100的绝缘电阻RL2的值，计算绝缘电阻RL2的值f(x3)的计算方式为f(x3)＝a*x3，a为第一预置系数，x3为差信号的幅值。

其中，累加子单元1032还用于，在方波信号的第m个周期内，从进入第m个周期的前半个周期开始、到经过第二指定时间段结束，对数模转换电路1031输出的数字信号进行累加运算得到第三信号；从进入第m个周期的后半个周期开始、到经过第二指定时间段结束，对数模转换电路1031输出的数字信号进行累加运算得到第四信号。

其中，第二指定时间段用于确保注入采样电路102将第m个周期的方波信号注入到直流电气系统100中，且采样到直流电气系统100在第m个周期的方波信号的激励下产生的第二响应信号，该第二响应信号包含了直流电气系统100的对地电容CL的响应信号。

减运算子单元1033，用于对第三信号和第四信号进行减运算，得到第三信号和第四信号的差信号。

计算子单元1034，用于计算直流电气系统100的对地电容CL的值，对地电容CL的值f(y3)的计算方式为f(y3)＝b*y3，y3为第三信号和第四信号的差信号的幅值。

其中，图7示出的计算单元103可以是微控制器、单片机或者可编程控制器。

需要说明的是，前述计算单元103可以直接连接到仪表，以显示计算出的绝缘电阻的值以及对地电容的值，还可以连接到整车控制器或者数字转换电路，以输出计算出的绝缘电阻的值以及对地电容的值。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流电气系统的绝缘检测装置，其特征在于，所述装置包括：

方波信号源、注入采样电路、以及计算单元；

所述方波信号源用于，产生低频方波信号；

所述注入采样电路用于，将所述低频方波信号注入到直流电气系统中，并对所述直流电气系统在注入的方波信号的激励下产生的响应信号进行采样；

所述计算单元用于，在所述方波信号的第n个周期内，获得所述注入采样电路分别在所述第n个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号；根据获得的采样信号，计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值；其中，在所述第n个周期的前半个周期的采样信号包括，从进入所述前半个周期后且经过第一指定时间段开始、到进入所述后半个周期结束的采样信号；在所述第n个周期的后半个周期的采样信号包括，从进入所述后半个周期后且经过所述第一指定时间段开始、到所述第n个周期结束的采样信号，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注入采样电路包括电阻R1、R2、R3、R4和R5；

所述方波信号源的输出端分别与所述电阻R1和所述电阻R2的第一端电连接；所述电阻R2的第二端分别与所述电阻R3的第一端和所述直流电气系统的正端电连接；所述电阻R3的第二端接地；所述电阻R1的第二端分别与所述电阻R4的第一端和所述直流电气系统的负端电连接；所述电阻R4的第二端与所述电阻R5的第一端电连接；所述电阻R5的第二端接地。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注入采样电路包括电阻R6、R7、R8和运算放大器A1；

所述电阻R6的第一端与所述方波信号源的输出端电连接，所述电阻R6的第二端分别与所述电阻R7和所述电阻R8的第一端电连接，所述电阻R7的第二端与所述直流电气系统的正端电连接，所述电阻R8的第二端与所述直流电气系统的负端电连接，所述运算放大器A1的第一输入端与所述电阻R6的第一端电连接，所述运算放大器A1的第二输入端与所述电阻R6的第二端电连接。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括运算放大器A2：

所述运算放大器A2的同相输入端与所述注入采样电路的输出端电连接，所述运算放大器A2的反相输入端与所述运算放大器A2的输出端电连接，所述运算放大器A2的输出端与所述计算单元电连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括差动放大电路和第一微控制器；

所述差动放大电路包括开关K1、K2、K3、K4、电阻R9、R10、R11、运算放大器A3、A4、以及电容C1、C2、C3；

所述运算放大器A2的输出端与所述开关K1的第一端电连接，所述开关K1的第二端与所述电阻R9的第一端电连接，所述电阻R9的第二端分别与所述运算放大器A3的同相输入端、所述电容C1的第一端、以及所述开关K2的第一端电连接，所述运算放大器A3的反相输入端与所述运算放大器A3的输出端电连接，所述开关K2的第二端与所述电阻R10电连接；所述电阻R11的第一端分别与所述运算放大器A3的输出端、所述电容C1的第二端、以及所述电阻R10的第二端电连接，所述电阻R11的第二端分别与所述开关K3和所述开关K4的第一端电连接，所述开关K3的第二端与所述运算放大器A4的同相输入端电连接；所述电容C2的第一端与所述开关K3和所述运算放大器A4的连接点电连接，所述开关K4的第二端与所述运算放大器A4的反相输入端电连接，所述电容C3的第一端与所述开关K4和所述运算放大器A4的连接点电连接，所述电容C2和所述电容C3的第二端均接地，所述运算放大器A4的输出端与所述第一微控制器电连接；

所述第一微控制器用于，计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值，所述绝缘电阻的值f(x1)的计算方式为f(x1)＝a*x1，a为第一预置系数，x1为所述差动放大电路输出的信号的幅值。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括同步积分电路和第二微控制器；

所述同步积分电路包括运算放大器A5、A6、A7、开关K5、K6、K7、K8、电阻R12、R13、R14、以及电容C4、C5；

所述运算放大器A2的输出端分别与所述运算放大器A5的反相输入端和所述开关K5的第一端电连接；所述运算放大器A5的同相输入端接地，所述运算放大器A5的输出端与所述开关K6的第一端电连接，所述电阻R12的第一端分别与所述开关K5和所述开关K6的第二端电连接，所述电阻R12的第二端分别与所述运算放大器A6的同相输入端、所述电容C4的第一端、以及所述开关K7的第一端电连接，所述运算放大器A6的反相输入端与所述运算放大器A6的输出端电连接，所述开关K7的第二端与所述电阻R13的第一端电连接，所述电阻R14的第一端分别与所述运算放大器A6的输出端、所述电容C4的第二端、以及所述电阻R13的第二端电连接，所述电阻R14的第二端与所述开关K8的第一端电连接，所述开关K8的第二端与所述运算放大器A7的同相输入端电连接，所述电容C5的第一端与所述开关K8和所述运算放大器A7的连接点电连接，所述电容C5的第二端接地，所述运算放大器A7的反相输入端与所述运算放大器A7的输出端电连接，所述运算放大器A7的输出端与所述第二微控制器电连接；

所述第二微控制器用于，计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值，所述绝缘电阻的值f(x2)的计算方式为f(x2)＝a*x2，a为第一预置系数，x2为所述同步积分电路输出的信号的幅值。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括：

数模转换电路，用于将所述注入采样电路的采样信号转换为数字信号；

累加子单元，用于在所述方波信号的第n个周期内，从进入所述第n个周期的前半个周期后且经过第一指定时间段开始，到进入所述第n个周期的的后半个周期结束，对所述数模转换电路输出的数字信号进行累加运算得到第一信号；从进入所述第n个周期的后半个周期后且经过第一指定时间段开始，到所述第n个周期结束，对所述数模转换电路输出的数字信号进行累加运算得到第二信号；

减运算子单元，用于对所述第一信号和所述第二信号进行减运算，得到差信号；

计算子单元，用于计算所述直流电气系统的绝缘电阻的值，所述绝缘电阻的值f(x3)的计算方式为f(x3)＝a*x3，a为第一预置系数，x3为所述差信号的幅值。

8.根据权利要求5-7任一项所述的装置，其特征在于，所述方波信号源包括低压直流电源、以及开关K9、K10、K11、K12，

所述开关K9、K10、K11、K12顺序地首尾串联在一起，所述开关K9与所述开关K10的连接点连接所述低压直流电源的正端，所述开关K11和所述开关K12的连接点连接所述低压直流电源的负端，所述开关K9和所述开关K12的连接点接地，所述开关K10和所述开关K12的连接点连接所述注入采样电路。

9.根据权利要求5-7任一项所述的装置，其特征在于，所述计算单元还用于，

在所述方波信号的第m个周期内，获得所述注入采样电路分别在所述第m个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号；根据获得的所述注入采样电路分别在所述第m个周期的前半个周期和后半个周期的采样信号，计算所述直流电气系统的对地电容的值；其中，在所述第m个周期的前半个周期的采样信号包括，在所述第m个周期的前半个周期内，从进入所述第m个周期的前半个周期开始、到经过第二指定时间段结束的采样信号；在所述第m个周期的后半个周期的采样信号包括，在所述第m个周期的后半个周期内，从进入所述第m个周期的后半个周期开始、到经过第二指定时间段结束的采样信号，m为正整数且m不等于n。