CN105158632A - 动力电池绝缘和漏电检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力电池绝缘和漏电检测系统，包括正极和负极电阻支路、电压采样模块和两个开关装置，正极电阻支路和负极电阻支路串联，形成的串联线路串接在动力电池的正负极之间，正极和负极电阻支路上均串接有至少一个电阻，分别为正极采样电阻和负极采样电阻，电压采样模块用于采样正极和负极采样电阻两端的电压；动力电池的正极通过其中一个开关装置连接车体或底盘，正极电阻支路和负极电阻支路之间的串联点通过另一个开关装置连接车体或底盘。该检测系统能够对动力电池同时进行总电压的检测、绝缘检测和漏电检测，通过全面检测能够准确地反映出电池的实际情形，便于对动力电池进行正确地处理，保证了电池的正确的使用。

Description

动力电池绝缘和漏电检测系统

技术领域

本发明涉及动力电池绝缘和漏电检测系统，属于电动汽车动力电池安全使用领域。

背景技术

随着社会进步和科技发展，能源和环境问题日益严重，锂离子动力电池及电动汽车领域开始蓬勃发展。为了达到电动汽车功率要求，其动力电源系统需要多个单体电池串联而成，总电压一般在300V以上，而且电源系统使用环境较为恶劣，由于振动、冲击、线缆老化等因素的影响，使得电源系统与车体之间绝缘性能下降，电源系统动力回路带电部件容易与车体之间构成泄漏回路，不仅危害乘客人身安全，而且影响电动汽车内其他电器正常工作。因此准确、实时检测电源系统对车辆底盘绝缘性能、对于保证乘客安全、电池组和电气设备可靠工作及车辆安全运行具有直接意义。

申请号为201310752580.5、发明名称为《动力电池组漏电检测系统》的中国专利申请文件中公开了一种动力电池组漏电检测系统，该检测系统能够检测电池组和车体之间的绝缘性，在电池组和车体之间绝缘特性破坏的瞬间提供报警信号。该检测系统仅能对电池组和车体之间的绝缘性进行检测，不能对电源系统的绝缘、漏电等状态进行全面检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力电池绝缘和漏电检测系统，用以解决现有的电池检测系统不能同时进行绝缘和漏电等状态的检测的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种动力电池绝缘和漏电检测系统，包括正极电阻支路、负极电阻支路、电压采样模块和两个开关装置，所述正极电阻支路和负极电阻支路串联，形成一条串联线路，所述串联线路用于串接在动力电池的正负极之间；所述正极电阻支路串接有至少一个电阻：正极采样电阻，所述负极电阻支路上串接有至少一个电阻：负极采样电阻，所述电压采样模块用于采样所述正极采样电阻和负极采样电阻两端的电压；动力电池的正极通过第一开关装置连接车体或底盘，所述正极电阻支路和负极电阻支路之间的串联点通过第二开关装置连接车体或底盘。

所述正极电阻支路上还串接有至少一个分压电阻，所述负极电阻支路上还串接有至少一个分压电阻。

所述正极电阻支路上的分压电阻有两个，为：电阻R1和电阻R3，所述负极电阻支路上的分压电阻有两个，为：电阻R6和电阻R4。

所述动力电池绝缘和漏电检测系统还包括一个处理器，所述电压采样模块的输出端连接所述处理器的采样信号输入端，处理器的控制信号输出端分别控制连接所述两个开关装置。

所述两个开关装置均为光电耦合器。

所述检测系统还包括模数转换模块，所述电压采样模块的输出端通过所述模数转换模块连接所述处理器的采样信号输入端。

所述检测系统还包括隔离模块，所述模数转换模块通过所述隔离模块连接所述处理器的采样信号输入端。

所述检测系统还包括用于为所述模数转换模块、隔离模块和处理器提供工作电压的电源模块。

所述处理器还设有用于与整车控制器通信连接的CAN通信端口。

本发明提供的动力电池检测系统中，电压采样模块分别采集两个采样电阻的电压，根据两个电阻之间的电压值能够计算得出整个电池正极与负极之间的总电压值。而且，通过控制两个开关装置的导通与关断，分别能够得到两组数值，每组数值中包括两个检测电阻之间的电压值，根据这两组数值能够得出动力电池的正极对车体或者底盘的绝缘电阻和负极对车体或者底盘的绝缘电阻，然后根据这两个绝缘电阻满足的条件判断得出动力电池与车体或者底盘之间的绝缘性信息。另外，根据得到的数据进行相应地判断，还可以对电池的漏电状态进行检测。该检测系统能够对动力电池同时进行总电压的检测、绝缘检测和漏电检测，通过全面检测能够准确地反映出电池的实际情形，便于对动力电池进行正确地处理，保证了电池的正确的使用。

附图说明

图1是实施例1中的动力电池绝缘和漏电检测系统的结构框图；

图2是实施例1中的动力电池绝缘和漏电检测系统的电路图；

图3是实施例2中的动力电池绝缘和漏电检测系统的电路图；

图4是实施例3中的动力电池绝缘和漏电检测系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，动力电池组的总电压为U_Z，电池组的正、负两极对地之间的绝缘电阻分别为R_P和R_n。

该动力电池绝缘和漏电检测系统包括电阻支路、电压采样电路1、模数转换模块2、隔离通信模块3和微控制器4。电阻支路串接在电池组正负极之间，该电阻支路上串接有四个电阻，分别为电阻R、电阻Rc、电阻Rc和电阻R，电阻R为测量用己知阻值的高精度电阻，Rc为采样电阻，这四个电阻均为已知电阻。电压采样电路用于采集两个电阻Rc两端的电压，电压采样模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接隔离通信模块的输入端，隔离通信模块的输出端连接微控制器的采样信号输入端。采样电路采集到的两个电阻Rc之间的两个电压值依次通过模数转换和隔离处理后输入给微控制器进行信息处理和分析。微控制器上还设有CAN通信接口，CAN通信模块连接微控制器上的CAN通信接口，进行信息的传输。

该检测系统还包括电压变换模块和隔离电源，电压变换模块将输入电能进行转换，然后输出给隔离电源。电压变换模块和隔离电源配合使用为检测系统中的组成元件提供工作电压。

微控制器上有两个控制信号输出端，分别控制连接两个开关装置，开关装置可以是全控型开关器件，比如说：IGBT、MOSFET等，还可以是光电耦合器。当开关装置为全控型开关器件时，控制信号输出端控制连接全控型开关器件的控制端，当开关装置为光电耦合器时，控制信号输出端控制连接耦合器中的发光二极管。本实施例以光电耦合器为例。两个控制信号输出端分别控制连接两个耦合器中的发光二极管，动力电池的正极通过一个耦合器中的光敏三极管连接车体或底盘，两个电阻Rc之间的连接点通过另一个耦合器中的光敏三极管连接车体或底盘。

具体地，在本实施例中，给出一种该检测系统的电路图，如图2所示。模数转换电路包括2路高精度AD转换器U1、U2、上拉电阻，模数转换器U1、U2为16位高精度连续自校准、差分输入模数转换器。电阻两端的电压信号经采样电路采样后，并通过滤波后连接U1的1脚和6脚，分别为输入端VIN+、VIN-，另一个电阻两端的电压信号经采样电路采样后，并通过滤波后连接U2的1脚和6脚，分别为输入端VIN+、VIN-；U1的5脚连接隔离电源+5V的电源，2脚接地，U2的5脚连接隔离电源+5V的电源，2脚接地；U1的3脚和4脚采用I2C总线传输信号至隔离芯片U4，并且，+5V隔离电源通过阻值为10KΩ的电阻R9连接U1的3脚，+5V隔离电源通过阻值为10KΩ的电阻R10连接U1的4脚；U2的3脚和4脚采用I2C总线传输信号至隔离芯片U5，并且，+5V隔离电源通过阻值为10KΩ的电阻R11连接U2的3脚，+5V隔离电源通过阻值为10KΩ的电阻R12连接U2的4脚。

隔离通信模块包含2路隔离通信芯片U4、U5及上拉电阻。隔离芯片U4、U5均为无锁存双向I2C总线磁隔离器，支持I2C信号双向传输，其接收I2C信号，输出隔离的I2C信号。隔离芯片U4的6脚连接U1的3脚，U4的7脚连接U1的4脚，U4的8脚连接+5V1隔离电源，1脚连接+5V电源，U5的8脚连接+5V2隔离电源，1脚连接+5V电源。U4的2脚和3脚分别连接微控制器U7的采样信号输入端12脚和11脚，并且，+5V电源通过阻值为10KΩ的电阻R14连接U4的2脚，+5V电源通过阻值为10KΩ的电阻R13连接U4的3脚；U5的2脚和3脚分别连接微控制器U7的采样信号输入端12脚和11脚，并且，+5V电源通过阻值为10KΩ的电阻R16连接U5的2脚，+5V电源通过阻值为10KΩ的电阻R15连接U5的3脚。

微控制器U7采用汽车级芯片，U7的7脚连接+5V电源；U7的13脚和14脚为微控制器U7的CAN通信接口，连接CAN通信电路；U7的22和24脚为控制信号输出端，控制连接开关控制电路。

开关控制电路采用隔离控制方式，PHOTOMOS继电器U8中包括两个光电耦合器。1脚、2脚、8脚和7脚为一个光电耦合器，其中，1脚和2脚为发光二极管的两个端口，7脚和8脚为光敏三极管的两个端口；3脚、4脚、6脚和5脚为另一个光电耦合器，其中，3脚和4脚为发光二极管的两个端口，5脚和6脚为光敏三极管的两个端口，这两个光电耦合器互不干扰。+5V电源通过电阻R18连接1脚，微控制器U7的一个控制信号输出端24脚连接U8的2脚，U8的8脚连接电池组的正极，U8的7脚通过电阻R19连接车体或者底盘；+5V电源通过电阻R17连接3脚，微控制器U7的一个控制信号输出端22脚连接U8的4脚，U8的6脚连接两个电阻Rc之间的连接点，U8的5脚连接车体或者底盘。

为上述电路中的各个器件提供工作电源的电源电路包括3路，一路为电压变换电路的输出端输出的+5V电源；其他两路为隔离电源模块输出的两路电源，一路为+5V1隔离电源电路，另一路为+5V2隔离电源电路。隔离电源电路包括+5V1电源电路和+5V2电源电路，均采用隔离稳压电源模块，输入范围宽，输出电压信号与输入信号隔离，电压信号稳定，纹波小。将电源进行分为3个电源线路，能够增强系统的抗干扰能力。

微控制器的控制信号输出端22脚PTB0控制PHOTOMOS继电器U8中的6脚和5脚之间的导通或关断，24脚PTB1控制PHOTOMOS继电器U8中的8脚和7脚之间的导通或关断。模数转换器将采样的两个电阻的模拟电压信号转换为数字信号后，通过隔离的I²C总线传输至微控制器，微控制器对接收的电压采样信号进行处理后得到U_P和U_n，进而计算得出电池组正极与负极之间的总电压值U_Z，计算公式如下：

$U_Z=\left(\frac{R+R_C}{R_C}\right)*U_P+\left(\frac{R+R_C}{R_C}\right)*U_n---\left(1\right)$

这里，总电压U_Z的检测不受电池组与电底盘之间是否漏电的影响。

当微控制器U7的PTB0端口控制PHOTOMOS继电器中的5脚和6脚导通，且PTB1端口控制PHOTOMOS继电器中的7脚和8脚断开时，此时微处理器U7检测到的两个电阻的电压采样信号分别为U_P1和U_n1。

当微控制器U7的PTB0端口控制PHOTOMOS继电器中的5脚和6脚导通，且PTB1端口控制PHOTOMOS继电器中的7脚和8脚导通时，此时微处理器U7检测到的两个电阻的电压采样信号分别为U_P2和U_n2。

然后，根据U_P1和U_n1、U_P2和U_n2可得Rp和Rn，计算公式如下：

$Rp=(\frac{U_{n2}*U_{p1}}{U_{n1}*U_{p2}}-1)*R---\left(2\right)$

$Rn=\left(\frac{U_{n2}*U_{p1}-U_{n1}*U_{p2}}{U_{p1}*U_{p2}}\right)*R---\left(3\right)$

微控制器根据式(2)和(3)计算得出实时的电池组的正极对车体或者底盘(即对地)的绝缘电阻Rp、负极对车体或者底盘(即对地)的绝缘电阻Rn。然后根据国家标准“电动汽车安全要求”中规定的电动汽车绝缘电阻的要求，Rp和Rn应满足：

$\frac{Rp}{U_Z}\≥500\mathrm{\Ω}/V---\left(4\right)$

$\frac{Rn}{U_Z}\≥500\mathrm{\Ω}/V---\left(5\right)$

其中，式(4)和(5)中的电压为U_Z为公式(1)中的值。微控制器计算出的Rp和Rn根据式(4)和(5)进行判定：当Rp和Rn满足要求时，动力电池组充电或输出正常，当Rp和Rn不满足要求时，微控制器上传告警信息至整车控制器或者直接报警，整车控制器可控制动力电池组的动力回路断开，停止工作。

上述是对动力电池对于车体或者底盘的绝缘性进行检测。然而，本发明提供的检测系统还可依据U_Z、U_P1、U_n1、U_P2、U_P2、U_n2、U_min(电池组单体电压最小值)的值判断电池组的漏电状态，电源系统任意点漏电(包含单点漏电和多点漏电情形)均可有效检测，检测过程具体见实施例2。

上述实施例中，两个电压采样电阻阻值相同，均为Rc，当然，这两个采样电阻的阻值还可以不同，在计算电池组的总电压和之后的绝缘性和漏电检测中，公式中的参数就会发生相应的改变，但是基于的原理与上述实施例中电阻相同的时候的原理相同。

实施例2

上述实施例中，电阻支路上串接有四个电阻，本实施例与上述实施例的区别在于：电阻支路上串接有六个电阻，依次为：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电阻R5和电阻R4，电阻R2和电阻R5为电压采样电阻，PHOTOMOS继电器U8中的6脚连接电阻R3和电阻R6之间的连接点，如图3所示。而检测系统中的其他部分与实施例1中的相同，这里不做赘述。

基于图3中的电阻支路，电池组的总电压U_Z的计算公式中的电阻会发生相应地变化，而根据U_P1和U_n1、U_P2和U_n2计算得到的Rp和Rn的计算公式也会发生相应地变化，当时根据Rp和Rn进行的绝缘性的判定和根据上述参数进行的漏电的检测所基于的原理与实施例1中的相同。

具体地，在进行电池组漏电检测时，步骤如下：

1)、判断|U_P1+U_n1-U_Z|是否≥U_min，若满足说明电池组多点漏电，否则转到步骤2)；

2)、判断|U_P1-U_n1|是否≥U_min，若满足说明电池组单点漏电，否则转到步骤3)；

3)、判断|U_P2-U_n2|是否≤|U_pl-U_nl|，若满足说明电池组单点漏电，否则判定电池组不漏点；

其中，

$U_{pl}=\frac{U_Z*\frac{U_Z}{2}+U_Z(R_4+R_5+R_6)}{\left(\right(R_1+R_2+R_3)//R_{19})*\frac{U_Z}{2}+2\left(\right(R_1+R_2+R_3)//R_{19})*(R_4+R_5+R_6)+(R_4+R_5+R_6)*\frac{U_Z}{2}}*\left(\right(R_1+R_2+R_3)//R_{19});$

$U_{nl}=\frac{U_Z*\frac{U_Z}{2}+U_Z\left(\right(R_1+R_2+R_3)//R_{19})}{\left(\right(R_1+R_2+R_3)//R_{19})*\frac{U_Z}{2}+2\left(\right(R_1+R_2+R_3)//R_{19})*(R_4+R_5+R_6)+(R_4+R_5+R_6)*\frac{U_Z}{2}}*(R_4+R_5+R_6).$

实施例1中的系统也可以进行上述漏电检测，基于的原理与上述漏电检测过程相同，区别仅在于公式中的参数的更换。

总之，这两个实施例中的绝缘检测方法和漏电检测方法，本发明提供的系统均可以实施。

上述两个实施例中，每个实施例中均给出了一种正极电阻支路和负极电阻支路，但是，本发明提供检测系统并不局限于上述两个实施例，它还可以有其他电阻支路，比如说，正极和负极电阻支路上均可以串接有更多的电阻，但是不管电阻的个数是多少，电池组总电压、绝缘性和漏电检测的原理都相同。

实施例3

上述两个实施例中，该动力电池绝缘和漏电检测系统包括正极和负极电阻支路、电压采样电路、模数转换模块、隔离通信模块、电源模块和微控制器，电压采样电路、模数转换模块、隔离通信模块和微控制器依次连接，设置模数转换模块和隔离通信模块是为了对采集数据进行相应的处理，这是一种优化的实施方式，本发明的发明点在于：系统包括正极电阻支路、负极电阻支路、电压采样模块和两个开关装置，正极和负极电阻支路均串接有至少一个电阻，而动力电池的正极通过其中一个开关装置连接车体或底盘，正极电阻支路和负极电阻支路之间的串联点通过另一个开关装置连接车体或底盘。所以，作为其他的实施例，系统中的微控制器、模数转换模块、隔离通信模块电源模块均可以不设置，结构如图4所示。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，包括正极电阻支路、负极电阻支路、电压采样模块和两个开关装置，所述正极电阻支路和负极电阻支路串联，形成一条串联线路，所述串联线路用于串接在动力电池的正负极之间；所述正极电阻支路串接有至少一个电阻：正极采样电阻，所述负极电阻支路上串接有至少一个电阻：负极采样电阻，所述电压采样模块用于采样所述正极采样电阻和负极采样电阻两端的电压；动力电池的正极通过第一开关装置连接车体或底盘，所述正极电阻支路和负极电阻支路之间的串联点通过第二开关装置连接车体或底盘。

2.根据权利要求1所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述正极电阻支路上还串接有至少一个分压电阻，所述负极电阻支路上还串接有至少一个分压电阻。

3.根据权利要求2所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述正极电阻支路上的分压电阻有两个，为：电阻R1和电阻R3，所述负极电阻支路上的分压电阻有两个，为：电阻R6和电阻R4。

4.根据权利要求1或2或3所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述动力电池绝缘和漏电检测系统还包括一个处理器，所述电压采样模块的输出端连接所述处理器的采样信号输入端，处理器的控制信号输出端分别控制连接所述两个开关装置。

5.根据权利要求4所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述两个开关装置均为光电耦合器。

6.根据权利要求4所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括模数转换模块，所述电压采样模块的输出端通过所述模数转换模块连接所述处理器的采样信号输入端。

7.根据权利要求6所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括隔离模块，所述模数转换模块通过所述隔离模块连接所述处理器的采样信号输入端。

8.根据权利要求7所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括用于为所述模数转换模块、隔离模块和处理器提供工作电压的电源模块。

9.根据权利要求8所述的动力电池绝缘和漏电检测系统，其特征在于，所述处理器还设有用于与整车控制器通信连接的CAN通信端口。