CN105629073B - 一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置。包括隔离供电单元、数据采集单元、运算控制单元、隔离通信单元、开关量输出单元。隔离供电单元负责给整个控制装置供电；数据采集单元负责采集原始的电压及绝缘电阻数据；运算控制单元负责数据处理，隔离交互单元负责运算控制单元内部数据交互和通信；隔离通信单元负责与外部其他系统通信，实时传递被测系统的绝缘状况数据；开关量输出单元可以控制其他驱动型外设。本发明主要应用电动汽车直流充电机、电动汽车等直流高压领域，可以实时的获取绝缘电阻及直流电压数据，判断是否反接，并且可以在不测量时切断与高压系统的连接，不降低原有系统的绝缘电阻值。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其主要用于实现直流高压领域绝缘电阻和直流电压的动态监测，特别适用于电动汽车动力蓄电池、电动汽车直流充电机、电力直流系统等行业。
背景技术
在直流高压应用领域，直流电压侧绝缘状况一直是安全指标中的重中之中。伴随着新能源纯电动汽车的普及，大功率直流充电机、大容量高压蓄电池也大量应用。目前，针对该领域的绝缘电阻设备多以设定离散的报警门限为主要特点，无法动态获取实时的绝缘电阻值，无法及时知悉直流充电机或电动汽车的绝缘状况变化，且存在测量误差大、无法与直流充电机或电动汽车等被测设备通信。另外，一般接入被测系统后，无法断开，如果系统存在多个测量设备且系统之间无法通信，在测量的时候容易冲突，造成误报。在此情形下，一种全新的监测直流高压系统绝缘电阻的控制装置应运而生。
发明内容
本发明的目的是一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，可以实时测量绝缘电阻数据，动态把握系统绝缘状况变化，且通过CAN通信接口与被测系统进行通信，可以通过开关量驱动外部设备。另外，还可以测量被测系统的直流电压，测量被测系统是否反接，在不需要测量时可以与被测系统断开。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，包括运算控制单元、数据采集单元、隔离通信单元、隔离供电单元以及开关量输出单元，其中：所述的运算控制单元包括单片机M1、单片机M2和隔离交互单元；所述单片机M1和单片机M2通过隔离交互单元相连；所述数据采集单元的输入端子分别与被测系统的“直流电压正”、“直流电压负”及“保护地”端连接，其输出端子分别与单片机M1和单片机M2连接；所述的单片机M2的输出端子与数据采集单元相连，并向其输出控制信号；所述隔离供电单元隔离输出三路电源，其分别与单片机M1及其外围、单片机M2及其外围以及隔离通信单元相接；所述开关量输出单元的输入端与单片机M1输出端相接；所述隔离通信单元与单片机M1相接。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的数据采集单元由偏置电阻(RZ01、RZ02)、MOS管(Q3、Q4)、分压电阻(RZ03、RZ04、R39、R40)、继电器(K1、K2、K3)以及MOS驱动芯片U3组成，其中MOS驱动芯片的输出端与MOS管Q3、Q4的栅极和源极相连；继电器K1触点的输入端与被测系统的“直流电压正”相连，继电器K1触点的输出端与偏置电阻RZ01、分压电阻RZ03的输入端相连，偏置电阻RZ01的输出端与MOS管Q3的漏极相连，分压电阻RZ03的输出端与分压电阻R39的输入端相连；继电器K3触点的输入端与被测系统的“直流电压负”相连，K3触点的输出端与偏置电阻RZ02、分压电阻RZ04的输入端相连，偏置电阻RZ02的输出端与MOS管Q4的源极相连，分压电阻RZ04的输出端与分压电阻R40的输入端相连；继电器K2的触点输入端与被测系统的“保护地”相连，继电器K2触点的输出端分别与MOS管Q3的源极、MOS管Q4的漏极、分压电阻R39的输出端、分压电阻R40的输出端相连。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其其中所述的偏置电阻和分压电阻由多个小电阻串联组成。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的数据采集单元的分压电阻(RZ03、R39)的输出端与运算控制单元的单片机M1相连；分压电阻(RZ04、R40)的输出端与单片机M2相连。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的单片机M2的输出端与数据采集单元的MOS驱动芯片的输入端相接。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的单片机M2的输出端子与数据采集单元的继电器的输入端相接。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的单片机M1的输出端设有实现与其他控制系统通信的CAN接口，所述隔离通信单元通过该CAN接口与单片机M1相接。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的单片机M1的输出端还设有实现单片机M1和M2的升级调试的升级调试接口。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的隔离通信单元由两端隔离供电的CAN隔离芯片、CAN收发芯片、共模电感以及保护电路依次串接而成，其中CAN隔离芯片的另一端与运算控制单元单片机M1的CAN接口相接，CAN隔离芯片将接收的信号隔离，CAN收发芯片将经过隔离后的CAN收发信号转化为差分信号，用于CAN总线与被测设备或其他系统通信，共模电感用于抑制差分总线上的浪涌。
前述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其中所述的开关量输出单元由电阻、三极管和继电器串接而成，其输入端与单片机M1相接，该继电器由单片机M1控制断开和闭合。
本发明先将被测系统的“直流电压正”、“直流电压负”及“保护地”接入。在被测系统输出直流电压时，通过数据采集单元的采集、运算控制单元的处理，可以测量出被测系统“直流电压正”对“保护地”、“直流电压负”对“保护地”的绝缘电阻值，可以测量出“直流电压正”对“直流电压负”的电压值，可以测量出“直流电压正”与“直流电压负”是否接反，并通过CAN接口将数据传递给被测系统或其他控制系统，也可以输出开关量触发其他外设。这个过程是动态的和实时的，该控制装置设置了继电器和MOS管的切换电路，可以在不需要监测的时候完全与被测系统断开。
附图说明
图1是一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置各单元互联示意图；
图2是开关量输出单元电路原理图；
图3是数据采集单元电路原理图；
图4是隔离供电单元的功能模块图；
图5是隔离供电单元电路原理图；
图6是隔离通信单元电路原理图；
图7是隔离交互单元电路原理图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1，其为本发明一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置各单元互联示意图，该控制装置由隔离供电单元，数据采集单元，运算控制单元，隔离通信单元和开关量输出单元组成。其中：所述的运算控制单元包括单片机M1、单片机M2和隔离交互单元；所述单片机M1和单片机M2通过隔离交互单元相连；所述数据采集单元的输入端子分别与被测系统的“直流电压正”、“直流电压负”及“保护地”端连接，其取得的“直流电压正”与“保护地”的输出数据端子与单片机M1相连，“直流电压负”与“保护地”的输出数据端子与单片机M2相接；所述单片机M2的输出端子还与数据采集单元相接，并向其输出控制信号；所述隔离供电单元隔离输出三路电源，其中一路与单片机M1及其外围相接，一路与单片机M2及其外围相接，还有一路与隔离通信单元相接；所述开关量输出单元与单片机M1输出端相接；所述隔离通信单元与单片机M1相接。
在本发明实施例中，外部被测系统的三个接入信号，即直流电压正(DC+)、直流电压负(DC-)和保护地(PE)”分别接入数据采集单元，经过数据单元初步处理后，直流电压正(DC+)对保护地(PE)的电压数据输入到运算控制单元的单片机M1，进行模数转换；保护地(PE)对直流电压负(DC-)的电压数据输入到运算控制单元的单片机M2，进行模数转换。运算控制单元是控制装置的处理核心，单片机M1和单片机M2可以同时采样和处理数据，保证了被测系统采样数据的同时性。两个单片机可以通过隔离交互单元进行通信，单片机M2将转换的原始数据传递给单片机M1；单片机M1进行数据算法的算法整合，处理成需要的最终电压数据和绝缘电阻数据，并进行控制、通信、发送命令等。经过运算控制单元处理后，就是测出来的绝缘电阻值和直流电压值。
较佳的，单片机M1上设有对外输出CAN通信接口，所述隔离通信单元通过该CAN通信接口与单片机M1相接。使单片机M1可通过该CAN接口实现与电动汽车BMS、充电机控制系统等其他具备CAN通信的设备的隔离通信，以及传输绝缘电阻值和直流电压值等数据，也可以通过该CAN接口，给单片机M1和单片机M2程序升级。单片机M1对外仍引出升级调试接口，可以给单片机M1和单片机M2进行原始固化及后续程序升级。
请参阅图2其为本发明开关量输出单元电路原理图，该电路由电阻R23和R24、三极管T1和继电器K4串接而成。该电路的输入端与单片机M1相接，TC2为单片机M1的输出信号，其通过单片机M1输出电平的高低控制三极管T1的导通与关断，从而控制继电器K4的闭合与断开，继而控制电路输出端的外部设备的受控信号(TOUT1和TOUT2)的连通与断开。即单片机M1通过控制开关量控制单元的继电器，驱动控制其他外设。
请参阅图3，其为本发明实施例的数据采集单元电路原理图，该电路由偏置电阻(RZ01、RZ02)、MOS管(Q3、Q4)、分压电阻(RZ03、RZ04、R39、R40)、继电器(K1、K2、K3)、MOS驱动芯片(U3)组成。MOS驱动芯片输出端与MOS管(Q3、Q4)的栅极和源极相连；继电器K1触点的输入端与被测系统的“直流电压正”相连，K1触点的输出端与偏置电阻RZ01、分压电阻RZ03的输入端相连，偏置电阻RZ01的输出端与MOS管Q3的漏极相连，分压电阻RZ03的输出端与分压电阻R39的输入端相连；继电器K3触点的输入端与被测系统的“直流电压负”相连，K3触点的输出端与偏置电阻RZ02、分压电阻RZ04的输入端相连，偏置电阻RZ02的输出端与MOS管Q4的源极相连，分压电阻RZ04的输出端与分压电阻R40的输入端相连；继电器K2的触点输入端与被测系统的“保护地”相连，K2触点的输出端与MOS管Q3的源极、MOS管Q4的漏极、分压电阻R39的输出端以及分压电阻R40的输出端相连。
较佳的，所述分压电阻RZ03的输出端和分压电阻R39的输出端与单片机M1的模数转换输入端相连；所述分压电阻RZ04的输出端和分压电阻R40的输出端与单片机M2的模数转换输入端相连。
较佳的，所述继电器K1、K2、K3的控制端还分别与单片机M2的输出端相接。
较佳的，所述MOS驱动芯片U3的输入端与单片机M2的输出端相接。
较佳的，所述的偏置电阻和分压电阻是由多个小电阻串联组成的。
依据安全性和算法的需要，所述偏置电阻RZ01、RZ02阻值均为Rc，分压电阻RZ03、RZ04阻值为Ra，分压电阻R39、R40的阻均为Rb，其中Rb阻值远小于Ra。其中，MOS驱动芯片U3控制着MOS管Q3、Q4的导通与断开；偏置电阻RZ01和MOS管Q3组成对被测系统“直流电压正(简称DC+)”与“保护地(简称PE)”之间的绝缘测量回路，MOS管Q3的导通与断开，控制着该回路的接入与断开；偏置电阻RZ02和MOS管Q4组成对被测系统“直流电压负(简称DC-)”与“保护地PE”之间的绝缘测量回路，MOS管Q4的导通与断开控制着该回路的接入与断开。分压电阻RZ03、RZ04与分压电阻R39、R40完成对数据的降压取样，输入给运算控制单元的单片机M1和单片机M2进行模数转换，属于电压测量辅助电路。该数据采集单元，通过控制MOS管Q3、MOS管Q4的断开与导通，引入不同的测量回路和偏置电阻，结合基本的电路原理和算法方程，可以测量出被测系统DC+对PE的绝缘电阻值，DC-对PE的绝缘电阻值，DC+对DC-的总电压以及DC+对DC-是否反接。
在本发明实施例中，较佳的，单片机M2的输出端子与MOS驱动芯片U3相接，其输出信号控制MOS驱动芯片U3，继而由U3控制MOS管Q3、Q4的导通和断开。即单片机M2通过其输出口控制数据采集单元的MOS驱动芯片从而控制外部被测系统直流电压的断开和接入。
在本发明实施例中，较佳的，单片机M2的输出端子与继电器K1、K2、K3相接，继电器K1、K2、K3的闭合与断开由单片机M2的输出信号控制，即单片机M2通过其输出口控制外部被测系统直流电压的断开和接入。
请参阅图4和图5，其为本发明的隔离供电单元的功能模块图和电路原理图。该供电单元其由二极管D2、保险丝F3、瞬态二极管D3和隔离供电模块串联组成。外部输入直流24V电源经过二极管D2、保险丝F3和瞬态二极管D3处理后，进入隔离供电模块。其中保险丝F3可以起到过流保护，瞬态二极管D3可以抑制外部输入电源中的浪涌，二极管D2为反接保护二极管，当外部输入直流电源接反，整个控制装置将无法上电，不会损坏。
所述隔离供电单元由三路隔离供电模块组成。其中U10、U11均为隔离电源模块，分别隔离输出两路直流电源,即VCC_P和VCC_N；上述两路直流电源分别给运算控制单元的单片机M1、M2及其外围电路供电。U14也是隔离电源模块，其将VCC_P再次隔离输出为直流电源VCC_C，为隔离通信单元的隔离芯片供电。
综上所述，通过内部的隔离电源模块，隔离供电单元隔离输出3路电源分别给单片机M1及其外围电路、单片机M2及其外围电路、隔离通信单元供电，3路电源相互隔离不供地，减除安全隐患及干扰。具体的，其中两路电源分别由两个隔离电源模块转化，给运算控制单元的单片机及其外围供电；且分隔的两路中的一路又分别由一个隔离电源模块转化成适合隔离通信单元电路的供电电源，为隔离通信单元供电。
请参阅图6，其为本发明隔离通信单元电路原理图，其由两端隔离供电的CAN隔离芯片U7、CAN收发芯片U6、共模电感L1、自恢复保险丝F1、F2、匹配电阻R98、跳线JP1,依次串接而成。其中CAN隔离芯片U7的另一端与运算控制单元单片机M1的CAN接口相接，单片机M1的CAN接口信号，经过该芯片之后形成隔离。CAN收发芯片U6将经过隔离后的CAN收发信号转化为差分信号，用于CAN总线与被测设备或其他系统通信，共模电感L1用于抑制差分总线上的浪涌，自恢复保险丝F1、F2防止总线瞬间过流干扰。根据实际应用需要，通过JP1的接通和断开，可以选择匹配电阻R98是否接入通信总线，匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰性和可靠性。
请参阅图7，其为本发明隔离交互单元电路原理图。U4、U5、U8、U9均为光耦隔离芯片。单片机M1的URAT发送信号，通过光耦隔离芯片U4与单片机M2的UART接收信号进行隔离互联；单片机M1的URAT接收信号，通过光耦隔离芯片U5与单片机M2的UART发送信号进行互联；单片机之间的数据通信主要通过此UART完成。此外M1的输出接口ISP2_PenN、SYN_P通过光耦隔离芯片U8、U9与M2的接口I SP_N、SYN_N互联。根据预设的软件控制方式，可以实现通过单片机M1的升级调试接口给单片机M2进行程序固化和升级。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，包括运算控制单元、数据采集单元、隔离通信单元、隔离供电单元以及开关量输出单元，其中：
所述的运算控制单元包括单片机M1、单片机M2和隔离交互单元；
所述单片机M1和单片机M2通过隔离交互单元相连；
所述数据采集单元的输入端子分别与被测系统的“直流电压正”、“直流电压负”及“保护地”端连接，其输出端子分别与单片机M1和单片机M2连接，数据采集单元由偏置电阻RZ01、偏置电阻RZ02、MOS管Q3、MOS管Q4、分压电阻RZ03、分压电阻RZ04、分压电阻R39、分压电阻R40、继电器K1、继电器K2、继电器K3以及MOS驱动芯片U3组成，其中MOS驱动芯片的输出端与MOS管Q3、MOS管Q4的栅极和源极相连；继电器K1触点的输入端与被测系统的“直流电压正”相连，继电器K1触点的输出端与偏置电阻RZ01、分压电阻RZ03的输入端相连，偏置电阻RZ01的输出端与MOS管Q3的漏极相连，分压电阻RZ03的输出端与分压电阻R39的输入端相连；继电器K3触点的输入端与被测系统的“直流电压负”相连，K3触点的输出端与偏置电阻RZ02、分压电阻RZ04的输入端相连，偏置电阻RZ02的输出端与MOS管Q4的源极相连，分压电阻RZ04的输出端与分压电阻R40的输入端相连；继电器K2的触点输入端与被测系统的“保护地”相连，继电器K2触点的输出端分别与MOS管Q3的源极、MOS管Q4的漏极、分压电阻R39的输出端、分压电阻R40的输出端相连；
所述的单片机M2的输出端子与数据采集单元相连，并向其输出控制信号；
所述隔离供电单元隔离输出三路电源，其分别与单片机M1及其外围、单片机M2及其外围以及隔离通信单元相接；
所述开关量输出单元的输入端与单片机M1输出端相接；
所述隔离通信单元与单片机M1相接。
2.根据权利要求1所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于,其中所述的偏置电阻和分压电阻由多个小电阻串联组成。
3.根据权利要求1所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，其中所述的数据采集单元的分压电阻RZ03、分压电阻R39的输出端与运算控制单元的单片机M1相连；分压电阻RZ04、分压电阻R40的输出端与单片机M2相连。
4.根据权利要求1所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，其中所述的单片机M2的输出端与数据采集单元的MOS驱动芯片的输入端相接。
5.根据权利要求1或4所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，其中所述的单片机M2的输出端子与数据采集单元的继电器的输入端相接。
6.根据权利要求1所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，其中所述的单片机M1的输出端设有实现与其他控制系统通信的CAN接口，所述隔离通信单元通过该CAN接口与单片机M1相接。
7.根据权利要求1所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，其中所述的单片机M1的输出端还设有实现单片机M1和M2的升级调试的升级调试接口。
8.根据权利要求1所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，其中所述的隔离通信单元由两端隔离供电的CAN隔离芯片、CAN收发芯片、共模电感以及保护电路依次串接而成，其中CAN隔离芯片的另一端与运算控制单元单片机M1的CAN接口相接，CAN隔离芯片将接收的信号隔离，CAN收发芯片将经过隔离后的CAN收发信号转化为差分信号，用于CAN总线与被测设备或其他系统通信，共模电感用于抑制差分总线上的浪涌。
9.根据权利要求1所述的一种直流高压系统绝缘电阻监测控制装置，其特征在于，其中所述的开关量输出单元由电阻、三极管和继电器串接而成，其输入端与单片机M1相接，该继电器由单片机M1控制断开和闭合。
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