CN105785129A - 一种新型电动汽车绝缘检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电动汽车绝缘检测装置，包括低频脉冲信号发生器、高频脉冲信号发生器、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、二选一式选择开关、采样电路和处理器单元；采样电路包括由第一电阻和第二电阻串联而成的第一支路、由第三电阻和第四电阻串联而成的第二支路以及第五电阻；第一运算放大器的一输入端通过选择开关连接于高压电池的正极或负极；第二运算放大器的一输入端连接于第一支路与第二支路的并联连接点；第三运算放大器的一输入端连接于第一电阻与第二电阻的连接点。发明新型电动汽车绝缘检测装置提高了对电动汽车绝缘检测的范围和检测准确度。

Description

一种新型电动汽车绝缘检测装置

技术领域

本发明涉及新能源汽车安全检测领域，特别是涉及一种新型电动汽车绝缘检测装置。

背景技术

目前，市面上常见的电动汽车绝缘监测设备主要用母线端电压法和低频信号注入法两种。专利CN203422422U、CN101158701A、CN101603986A均公开了一种基于母线端电压法的高压系统绝缘电阻的监测系统，利用电桥法，通过高压正负两边的继电器开关，的闭合关断的3种组合状态测量正负绝缘电阻值，母线端电压法通过测量并入标准电阻前、后直流母线与电底盘之间的电压，可计算得到系统的绝缘电阻值，但工作比较不可靠，对高压系统要求较高(包括电压值，稳定性等)，不能响应高压电池内部对地短接故障。专利CN102749562A公开了采用低频信号法的测量方式，利用低频信号测试并联绝缘电阻值，低频信号注入法在系统直流母线与底盘之间注入低频交流信号，低频信号可以自动适应系统漏电容和绝缘电阻的大小，测量精度较高，可靠性较高，对高压系统要求低，但是存在只能测试并联绝缘电阻值，不能测试高压电压，无法定位故障点等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种便于测试电动汽车绝缘电阻、绝缘故障识别以及绝缘故障定位的新型电动汽车绝缘检测装置。

本发明是这样实现的：

一种新型电动汽车绝缘检测装置，包括低频脉冲信号发生器、高频脉冲信号发生器、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、二选一式选择开关、采样电路和处理器单元；

所述低频脉冲信号发生器用于对汽车车壳注入低频脉冲信号；

所述高频脉冲信号发生器用于对高压线束注入高频脉冲信号；

所述采样电路包括由第一电阻和第二电阻串联而成的第一支路、由第三电阻和第四电阻串联而成的第二支路以及第五电阻，所述第一支路的一端连接于电动汽车的高压电池的一电极，第二支路的一端连接于所述高压电池的另一电极，第一支路和第二支路的另一端并联连接后连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端接地；

所述第一运算放大器的一输入端连接于所述选择开关的输出端，选择开关的一选择输入端连接于高压电池的正极，另一选择输入端连接于高压电池的负极；

所述第二运算放大器的一输入端连接于第一支路与第二支路的并联连接点；

所述第三运算放大器的一输入端连接于第一电阻与第二电阻的连接点，第三运算放大器的另一输入端连接于第三电阻和第四电阻的连接点；

所述第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器的输出端分别连接于所述处理器单元；

所述处理器单元用于根据第二运算放大器的输出信号计算高压电池的绝缘电阻Rv；用于根据第三运算放大器的输入信号判断高压电池正负极母线是否存在短路故障；以及用于

根据第一运算放大器的输出信号计算高压电池正极或负极母线绝缘故障的位置。

进一步的，所述处理器单元是根据公式Rv＝{(|V1|/V2)*Rh-[(R1+R2)*(R3+R4)]/[(R1+R2)+(R3+R4)]-Rh}计算绝缘电阻Rv的阻值，Rv即为虚拟电阻Rv1和Rv2并联后的绝缘电阻值，其中，R1～R4分别为第一电阻至第四电阻的阻值，Rh为第五电阻的阻值，V1为低频脉冲信号的电压值，V2为第二运算放大器的输出电压值。

进一步的，所述处理器单元根据第三运算放大器的输入信号判断高压电池正负极母线是否存在短路故障具体为：

判断第三运算放大器的输出信号是否为零，若是，则高压电池正负极母线短路，若否，则高压电池正负极母线没有短路。

进一步的，所述处理器单元根据第一运算放大器的输出信号计算高压电池正极或负极母线绝缘故障的位置包括：

断开高压电池输出，关闭低频脉冲信号发生器，以及开启高频脉冲信号发生器；

控制选择开关连接高压电池正极母线或负极母线；

根据公式：L＝0.5υ*ΔT，计算高压电池正极母线或负极母线的故障位置，其中，υ为电波在线缆中的传播速度，ΔT为反射波的时间。

进一步的，所述处理器单元根据第二运算放大器的输出信号判断绝缘故障发生在高压电池正极还是负极，具体为：

判断第二运算放大器的输出信号的电压是否大于0，若是，则断定绝缘故障发生在高压电池正极母线侧；若否，则断定绝缘故障发生在高压电池负极母线侧。

进一步的，所述处理器单元还用于根据公式：

以及公式p＝(Zx-Z₀)/(Zx+Z₀)计算反射系数P的值，射系数P的值判断绝缘故障为开路故障还是短路故障；

若反射系数P在(﹣1，0)区间，则断定绝缘故障为短路故障；若反射系数P在(0，1)区间，则断定绝缘故障为开路故障，其中，C为光速，ε为绝缘材料相对介电常数，Zx为故障处特征阻抗，Z₀为无故障处特征阻抗。

进一步的，所述采样电路还包括由第六电阻和开关继电器串联而成的第三支路，第三支路的一端连接于电动汽车高压电池的一极，另一端连接于车壳地；

所述处理器单元还用于当检测到第三运算放大器的输入信号为零时，控制开关继电器闭合，并再次采集第三运算放大器的输入信号，若第三运算放大器的输出信号为零，则断定高压电池正负极母线短路，若否，则断定高压电池正负极母线没有短路。

进一步的，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值相等。进一步的，所述低频脉冲信号发生器的输出电压为±40V频率为0.1Hz。

本发明的有益效果为：本发明新型电动汽车绝缘检测装置电路结构简单，对高压电池两极进行分压采集信号，并对不同采集信号进行分析计算，可准确的判断电动汽车是否存在高压绝缘故障，高压绝缘故障发生在正极母线侧还是负极母线侧，以及可对绝缘故障的位置进行精确定位，大大提高了电动汽车绝缘检测的范围，为电动汽车安全使用提供了强大的技术保障。

附图说明

图1为本发明实施方式新型电动汽车绝缘检测装置的电路原理图；

图2为本发明实施方式包含第三支路的新型电动汽车绝缘检测装置的电路原理图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，为本发明实施方式一种新型电动汽车绝缘检测装置的电路原理图。该新型电动汽车绝缘检测装置包括：

低频脉冲信号发生器(图1中的低频信号)、高频脉冲信号发生器(图1中的高频信号)、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、采样电路(图1中的R1～R4和Rh)、二选一式选择开关S1和处理器单元(图1中未体现出)。其中，Rv为高压电池对车壳虚拟电阻Rv即为高压电池负极虚拟电阻Rv1和高压电池正极虚拟电阻Rv2并联后的绝缘电阻值。

所述低频脉冲信号发生器用于对汽车车壳注入低频脉冲信号，低频脉冲信号发生器的输出电压为±40V频率为0.1Hz；高频脉冲信号发生器用于对汽车高压线束注入高频脉冲信号，图1中的箭头方向为低频脉冲信号与高频脉冲信号的流动方向。

所述采样电路包括由第一电阻R1和第二电阻R2串联而成的第一支路，由第三电阻R3和第四电阻R4串联而成的第二支路和第五电阻Rh，所述第一支路的一端连接于电动汽车高压电池的正极，第二支路的一端连接于所述高压电池的负极，第一支路和第二支路的另一端并联连接后连接第五电阻Rh，第五电阻Rh的另一端接地。

所述第一运算放大器U1的一输入端连接于所述选择开关S1的输出端，选择开关S1的一选择输入端连接于高压电池的正极，另一选择输入端连接于高压电池的负极；

所述第二运算放大器U2的一输入端连接于第一支路与第二支路的并联连接点，第二运算放大器U2的另一输入端连接于第二运算放大器的输出端；

所述第三运算放大器U3的一输入端连接于第一电阻R1与第二电阻R2的连接点，第三运算放大器U3的另一输入端连接于第三电阻R3和第四电阻R4的连接点；

所述第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3的输出端分别连接于所述处理器单元。

所述处理器单元用于根据第二运算放大器的输出信号计算高压电池的绝缘电阻Rv；用于根据第三运算放大器的输入信号判断高压电池正负极母线是否存在短路故障；以及用于根据第一运算放大器的输出信号计算高压电池正极或负极母线绝缘故障的位置。

其中，所述处理器单元用于对第一运算放大器U1和第二运算放大器U2的输出信号进行分析处理，所述处理器单元为单片机或DSP。优选的，所述第一运算放大器U1和第二运算放大器U2使用TI公司OPA系列精密运算放大器。

在本实施方式中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值相等，并且所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻为阻值允许误差为1％的高精度电阻。

本实施方式新型电动汽车绝缘检测装置所采用一种基于低频脉冲信号注入的绝缘检测方法，其采用低频脉冲信号注入检测整车绝缘性能。当低频脉冲信号注入时开始绝缘监测，通过采集回路的电压变化可以计算出高压正负对车壳地的绝缘电阻以及高压正负极之间是否发生短路故障的检测。

首先从低频脉冲信号发生器处产生一个低频信号幅值为V1，通过连接线注入车壳地，方向为图1中箭头所表示的方向，并通过虚拟电阻Rv导入到高压的正负极上，再经过R1、R2和R3、R4(此处4个电阻值相等)最后在Rh处进行分压，通过第二运算放大器U2采集电压并通过U2处理后，得到采样电压V2处理器单元(CPU)根据采样电压V2，以及通过公式Rv＝{(V1/V2)*Rh-[(R1+R2)*(R3+R4)]/[(R1+R2)+(R3+R4)]-Rh}计算得到虚拟电阻Rv的电阻值即为绝缘电阻。

在该新型电动汽车绝缘检测装置中，所述处理器单元根据第三运算放大器U3的输入信号判断高压电池正负极母线是否存在短路故障具体为：

判断第三运算放大器的输出信号是否为零，若是，则高压电池正负极母线短路，若否，则高压电池正负极母线没有短路。

通过图1中第三运算放大器U3，可以对第一电阻R1、第二电阻R2的分压V3及第三电阻R3、第四电阻R4的分压V4进行比较处理，如果出现高压正负短路故障，则根据电压原理会有V3＝V4，第三运算放大器U3输入至处理器单元(CPU)会等于0；反之(无短路故障情况下)为任意不为零的数，因此通过CPU采样第三运算放大器U3的输出信号，可以判断高压正负是否出现短路故障现象。

进一步的，所述处理器单元可根据第二运算放大器U2的输出信号判断绝缘故障发生在高压电池正极还是负极，具体为：

判断第二运算放大器U2的输出信号的电压是否大于0，若是，则断定绝缘故障发生在高压电池正极母线侧；若否，则断定绝缘故障发生在高压电池负极母线侧。

当有高压存在时，高压电池负极边采样电压为负值V-，正极边采样值为正值V+，在采样电阻Rh处正负极采样电压叠加在一起成为采样电压V2，当车壳到负极的虚拟电阻Rv-比车壳到正极的虚拟电阻Rv+小时(负极绝缘故障)，则Rh处采样电压V2小于0，即第二运算放大器U2的输出信号的电压为0(因为V-绝对值大于V+)；反之则Rh处采样电压V2大于0(因为V-绝对值大于V+)，这样就可以根据V2的值判断高压正负极哪一极出现对车壳绝缘故障。因此，根据第二运算放大器U2的输出信号的电压可判断绝缘故障是发生在高压电池负极母线侧还是正极母线侧。

所述处理器单元根据第一运算放大器U1的输出信号计算高压电池正极或负极母线绝缘故障的位置包括：

断开高压电池输出，关闭低频脉冲信号发生器，以及开启高频脉冲信号发生器；

控制选择开关连接高压电池正极母线或负极母线；

根据公式：L＝0.5υ*ΔT，计算高压电池正极母线或负极母线的故障位置，其中，υ为电波在线缆中的传播速度，ΔT为反射波的时间。

当出现绝缘阻值异常的时候(低于最小阈值或者高于最大阈值)，则断开高压电池，同时关闭低频脉冲，并让高频脉冲开始工作，通过选择开关S1选择连接高压负极母线或者正极母线进行故障定位，通过第一运算放大U1进行电压采样，并发送至处理器单元进行分析，根据公式：L＝0.5υ*ΔT可以计算得到故障位置。其中υ为电波在线缆中的传播速度，ΔT为反射波的时间。又因为公式：

$\mathrm{\υ}=\frac{C}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\mathrm{\μ}}},$

其中C为光速，ε为绝缘材料相对介电常数，μ为绝缘材料相对磁导率。根据这些可以得到高压线束确定以后υ是一个固定值。

所述处理器单元还用于根据公式：

以及公式p＝(Zx-Z₀)/(Zx+Z₀)计算反射系数P的值，射系数P的值判断绝缘故障为开路故障还是短路故障；

若反射系数P在(﹣1，0)区间，则断定绝缘故障为短路故障；若反射系数P在(0，1)区间，则断定绝缘故障为开路故障，其中，C为光速，ε为绝缘材料相对介电常数，Zx为故障处特征阻抗，Z₀为无故障处特征阻抗。

根据反射系数p＝(Zx-Z0)/(Zx+Z0),当故障为短路故障时Zx小于Z0得到反射系数为-1到0之间反射波小于入射波，反之当故障为短开路故障是Zx大于Z0得到反射系数为0到1之间反射波小大于入射波。根据以上公式可以通过采样波形数据得到高压线束故障类型及故障位置。

进一步的，请参阅图2，在一实施方式中，所述新型电动汽车绝缘检测装置的采样电路还包括由第六电阻R6和开关继电器S2串联而成的第三支路，第三支路的一端连接于电动汽车高压电池的一极，另一端连接于车壳地；

所述处理器单元还用于当检测到第三运算放大器的输入信号为零时，控制开关继电器闭合，并再次采集第三运算放大器的输入信号，若第三运算放大器的输出信号为零，则断定高压电池正负极母线短路，若否，则断定高压电池正负极母线没有短路。

当处理器单元(CPU)采样到第一运算放大器U1输出为0(即出现短路故障)时，处理器单元控制开关继电器闭合，把第六电阻与Rv虚拟电阻并联，从而导致高压电池正极端新的等效虚拟电阻Rvx1与与高压电池负极端的新的虚拟电阻Rv2不相等，如果此时第一运算放大器U1采样的信号不为0则判断，则说明无短路故障，如果U1采样还是为0，则判断出现高压正负极之间出现短路故障。通过第三支路可进一步判断高压电池是否出现短路故障，大大降低了故障误判率。

上述实施方式中的电动汽车绝缘检测装置优选的检测顺序为：在高压上电前，先根据第三运算放大器的输入信号判断高压电池正负极母线是否存在短路故障；检测无短路后上高压电检测绝缘电阻Rv，并判断绝缘电阻Rv是否正常，如果电阻值异常绝出现绝缘故障，则先通过第二运算放大器判断故障是在正负母线的哪一条母线上；最后再接通高频信号定位故障具体位置点。

本电动汽车绝缘检测装置可灵活使用，除了上述检测顺序之外，还可以单独使用其中的一个或两个检测功能，例如在知道正极母线与负极母线没有短路的情况下，可直接测试绝缘电阻Rv，而在知道可能存在绝缘故障的情况下，可以直接将高频信号分别接通至正级母线上和负极母线上，对故障位置点进行精确定位。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，包括低频脉冲信号发生器、高频脉冲信号发生器、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、二选一式选择开关、采样电路和处理器单元；

所述低频脉冲信号发生器用于对汽车车壳注入低频脉冲信号；

所述高频脉冲信号发生器用于对高压线束注入高频脉冲信号；

所述采样电路包括由第一电阻和第二电阻串联而成的第一支路、由第三电阻和第四电阻串联而成的第二支路以及第五电阻，所述第一支路的一端连接于电动汽车的高压电池的一电极，第二支路的一端连接于所述高压电池的另一电极，第一支路和第二支路的另一端并联连接后连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端接地；

所述第一运算放大器的一输入端连接于所述选择开关的输出端，选择开关的一选择输入端连接于高压电池的正极，另一选择输入端连接于高压电池的负极；

所述第二运算放大器的一输入端连接于第一支路与第二支路的并联连接点；

所述第三运算放大器的一输入端连接于第一电阻与第二电阻的连接点，第三运算放大器的另一输入端连接于第三电阻和第四电阻的连接点；

所述第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器的输出端分别连接于所述处理器单元；

所述处理器单元用于根据第二运算放大器的输出信号计算高压电池的绝缘电阻Rv；用于根据第三运算放大器的输入信号判断高压电池正负极母线是否存在短路故障；以及用于

根据第一运算放大器的输出信号计算高压电池正极或负极母线绝缘故障的位置。

2.根据权利要求1所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述处理器单元是根据公式Rv＝{(|V1|/V2)*Rh-[(R1+R2)*(R3+R4)]/[(R1+R2)+(R3+R4)]-Rh}计算绝缘电阻Rv的阻值，Rv即为虚拟电阻Rv1和Rv2并联后的绝缘电阻值，其中，R1～R4分别为第一电阻至第四电阻的阻值，Rh为第五电阻的阻值，V1为低频脉冲信号的电压值，V2为第二运算放大器的输出电压值。

3.根据权利要求1所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述处理器单元根据第三运算放大器的输入信号判断高压电池正负极母线是否存在短路故障具体为：

判断第三运算放大器的输出信号是否为零，若是，则高压电池正负极母线短路，若否，则高压电池正负极母线没有短路。

4.根据权利要求1所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述处理器单元根据第一运算放大器的输出信号计算高压电池正极或负极母线绝缘故障的位置包括：

断开高压电池输出，关闭低频脉冲信号发生器，以及开启高频脉冲信号发生器；

控制选择开关连接高压电池正极母线或负极母线；

根据公式：L＝0.5υ*ΔT，计算高压电池正极母线或负极母线的故障位置，其中，υ为电波在线缆中的传播速度，ΔT为反射波的时间。

5.根据权利要求1所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述处理器单元根据第二运算放大器的输出信号判断绝缘故障发生在高压电池正极还是负极，具体为：

判断第二运算放大器的输出信号的电压是否大于0，若是，则断定绝缘故障发生在高压电池正极母线侧；若否，则断定绝缘故障发生在高压电池负极母线侧。

6.根据权利要求1所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述处理器单元还用于根据公式：

以及公式p＝(Zx-Z₀)/(Zx+Z₀)计算反射系数P的值，射系数P的值判断绝缘故障为开路故障还是短路故障；

若反射系数P在(﹣1，0)区间，则断定绝缘故障为短路故障；若反射系数P在(0，1)区间，则断定绝缘故障为开路故障，其中，C为光速，ε为绝缘材料相对介电常数，Zx为故障处特征阻抗，Z₀为无故障处特征阻抗。

7.根据权利要求3所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述采样电路还包括由第六电阻和开关继电器串联而成的第三支路，第三支路的一端连接于电动汽车高压电池的一极，另一端连接于车壳地；

所述处理器单元还用于当检测到第三运算放大器的输入信号为零时，控制开关继电器闭合，并再次采集第三运算放大器的输入信号，若第三运算放大器的输出信号为零，则断定高压电池正负极母线短路，若否，则断定高压电池正负极母线没有短路。

8.根据权利要求1所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值相等。

9.根据权利要求1所述的新型电动汽车绝缘检测装置，其特征在于，所述低频脉冲信号发生器的输出电压为±40V频率为0.1Hz。