CN106383314A - 一种车用动力电池包绝缘检测电路及检测判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车用动力电池包绝缘检测电路，包括控制器、波形发生电路、充放电电路、采样电路，控制器通过控制NPN三极管的通断形成高、低电平两个状态，不同的状态下，充放电电路完成电容的充电、放电，采样电路的两个采样点在此两个状态下采样了四个数据，根据不同状态下的公式计算出电池包对地等效绝缘电阻的电阻值并判断电池包是否漏电。本发明的检测电路简单，成本低，可实时快速的检测到电池包的绝缘状态，区别于一般的桥式电阻法，不会在电池包正负间串入电阻，本身不会降低绝缘阻抗，所以精度高且安全性好。

Description

一种车用动力电池包绝缘检测电路及检测判定方法

技术领域

本发明涉及一种电池包绝缘检测电路及检测判定方法，特别涉及一种车用动力电池包绝缘检测电路及检测判定方法。

背景技术

新能源动力汽车通常配备较高电压动力电池，电池电压通常在100V以上。汽车使用环境复杂，且多用金属材料，一旦发生绝缘故障，就有可能导致人在使用过程中发生触电，轻则影响电池使用、导致电池系统故障，重则可能会导致人身安全事故的发生。为保证汽车动力电池使用的安全性及动力电池使用的稳定性，保证人员的使用安全，必须对动力电池进行实时准确的绝缘故障检测。

目前常用的绝缘检测方法主要有：

1、无源接地法：该方法是在电池总正总负之间串接已知阻值电阻，并在其中一个电阻上并联开关，通过开关通断来建立公式，求得绝缘阻值，该方法由于电阻的接入，本身降低了车体的绝缘性能，同时会增加电池自放电。

2、电压注入式绝缘检测方法：该方法基于方法1，通过隔离变压器分别给正负母线和车体间注入一个直流高压，检测分压比计算正负母线对地绝缘电阻。该方法在检测绝缘电阻时也会降低车身电阻，且本身电路复杂，不具备实用性。

发明内容

本发明旨在不降低车体绝缘性能、不增加自放电效应的情况下提供一种实时快速、简单实用的车用动力电池包绝缘检测电路及检测判定方法。

本发明通过以下方案实现：

一种车用动力电池包绝缘检测电路，包括控制器、NPN三极管、至少两个二极管，控制器的第一输出端口串接第一电阻R1后连接在NPN三极管的基极上，NPN三极管的发射极串接第三电阻R3后接地，NPN三极管的集电极串接第二电阻R2后连接在电源上，NPN三极管的集电极依次串接第四电阻R4、第五电阻R5、至少一个电解电容串联组成的电解电容组、开关后连接到电池包总负端上，其中电解电容组的正极连接第五电阻R5，电解电容组的负极连接开关；至少两个二极管相互串联后其阴极连接在电源上，其阳极接地，相邻两个二极管之间的连接点同第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点相连通，在第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点上连接跟随器后与控制器的第二采集端连接，控制器的第一采集端连接在第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点上，控制器的第二输出端口通过控制电路控制开关的通断，控制器内部集成有模数转换模块。第一采集端和第二采集端通过集成在控制器内部的模数转换模块将采集到的模拟信号转换成数字信号，控制器可直接读取数字信号。

第一电阻R1、NPN三极管、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4形成的电路为波形发生电路；第五电阻R5、二极管、电解电容和开关形成的电路为充放电电路；控制器的第一采集端、第二采集端连接的电路为采样电路。为方便描述，第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点作为第一采样点，第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点作为第二采样点。

进一步地，为了提高电阻所承受的电流能力，所述第五电阻R5为若干个电阻并联形成。

一般情况下，所述跟随器优选为高输入阻抗跟随器；所述开关为光耦合继电器，在不进行漏电检测时，断开开关，这时电池包的高压和检测电路隔离，起到保护的作用。

实际制作过程中，会根据实际情况确定电解电容的数量以便提高耐压能力，一般情况下，为防止电解电容失效而造成故障，电解电容的数量一般为2～4个。

进一步地，所述第一电阻R1的阻值为1.0～4.7KΩ，第二电阻R2的阻值为1.0～10KΩ，第三电阻R3的阻值为0～10KΩ，第四电阻R4的阻值为200～300KΩ，第五电阻R5的阻值为20～30KΩ。

进一步地，所述电解电容的电容值为2.2～10μF，耐压400V以上，要求自放电较低。

为了方便并降低占用空间，可以直接使用一个双列开关二极管来代替两个二极管，双列开关二极管由两个二极管内部串联组成。

为方便理解，电池包总正端对地等效绝缘电阻为Rp,电池包总负端对地等效绝缘电阻为Rn。

一种车用动力电池包绝缘检测判定方法，使用如上所述的车用动力电池包绝缘检测电路，按以下步骤进行：

Ⅰ 控制器的第二输出端口通过控制电路控制开关闭合；

Ⅱ 当控制器的第一输出端口输出低电平时，此时NPN三极管处于截止状态，电源对电解电容组进行充电，在电解电容组充电完成后，通过控制器的第一采集端采集第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点上的电压数据V1并通过控制器的模数转换模块转换后保存，通过控制器的第二采集端采集第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点上的电压数据V2并通过控制器的模数转换模块转换后保存；

Ⅲ 当控制器的第一输出端口输出高电平时，此时NPN三极管处于导通状态，由于电解电容组电压不能突变，因此在电解电容组开始放电前，通过控制器的第一采集端采集第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点上的电压数据V1＇并通过控制器的模数转化模块转换后保存，通过控制器的第二采集端采集第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点上的电压数据V2＇并通过控制器的模数转化模块转换后保存；

Ⅳ 控制器的第二输出端口通过控制电路控制开关断开；

Ⅴ 根据公式(1)计算电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X：：

$R_X=\frac{V2-V{2}^{\′}}{(V-V{1}^{\′})-(V2-V{2}^{\′})}\×R4-R\mathrm{5...}\left(1\right)$

其中，R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值；

Ⅵ若电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X≤100KΩ，则判定电池包漏电，电池包不能正常使用，系统报绝缘故障，这时控制高压继电器断开，切断电池包动力输出；反之，则判定电池包绝缘，可正常使用。合上开关后，在控制器的第一输出端口输出低电平时，电解电容组充电完成，此时，

$\frac{V1-V2}{R4}=\frac{V2-F_h}{R5+R_X}\mathrm{...}\left(a\right)$

在控制器的第一输出端口输出高电平时，电解电容组放电开始前，

$\frac{V{1}^{\′}-V{2}^{\′}}{R4}=\frac{V{2}^{\′}-E_l}{R5+R_X}\mathrm{...}\left(b\right)$

其中E_h为电解电容组充电完成时的电解电容组两端电压，E_l为电解电容组放电前电解电容组两端电压；在NPN三极管导通后的短时间内，由于电解电容组上的电压不能突变，因此E_h≈E_l，根据公式(a)、公式(b)，最终可以得到公式(1)。若只有电池包总正端漏电，则电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X为电池包总正端对地等效绝缘电阻Rp的阻值；若只有电池包总负端漏电，则电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X为电池包总负端对地等效绝缘电阻Rn的阻值；若电池包总正端、总负端均漏电，则电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X为电池包总正端对地等效绝缘电阻Rp和电池包总负端对地等效绝缘电阻Rn的并联阻值。

本发明的车用动力电池包绝缘检测判定方法中，控制器通过控制NPN三极管的通断形成高、低电平两个状态，在不同状态下，充放电电路会对电解电容组进行充电、放电，采样电路获得第一采样点、第二采样点在两个不同状态下的电压数据，将获得的电压数据代入公式(1)中即获得电池包对地等效绝缘电阻的阻值并由此判断电池包是否漏电。本发明的车用动力电池包绝缘检测电路具有结构简单、成本低廉、测量方法安全可靠的优点，便于大规模生产，能够在短时间内完成车用动力电池包绝缘检测。

与现有技术相比，本发明的车用动力电池包绝缘检测电路，电路简单可靠，可实时快速的测得电池包正负极分别对地的绝缘电阻，同时由于采用了光耦合继电器作为开关控制，在不进行绝缘检测时，通过控制开关，使电池包和测试回路完全断开，保证了电气隔离安全，且不同于电桥检测方式，没有在电池包回路中引入其他电阻，因此不会导致绝缘阻抗的降低，充分保证了系统的安全性。

附图说明

图1：车用动力电池包绝缘检测电路原理图

图2：绝缘检测过程电压数据波形及时序图

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。

实施例1

一种车用动力电池包绝缘检测电路，如图1所示，包括控制器MCU、NPN三极管Q、双列开关二极管D，控制器的第一输出端口Out1串接第一电阻R1(阻值为1.0KΩ)后连接在NPN三极管Q的基极上，NPN三极管Q的发射极串接第三电阻R3(阻值为0KΩ)后接地，NPN三极管Q的集电极串接第二电阻R2(阻值为1.0KΩ)后连接在电源上，NPN三极管Q的集电极依次串接第四电阻R4(阻值为200KΩ)、第五电阻R5(阻值为20KΩ)、第一电解电容C1和第二电解电容C2串联组成的电解电容组2、光耦合继电器K后连接到电池包1总负端上，其中电解电容组2中的第一电解电容C1的正极连接第五电阻R5，第二电解电容C2的负极连接光耦合继电器K；双列开关二极管D的阴极连接在电源上，其阳极接地，内部两个二极管之间的连接点同第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点相连通，在第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点上连接跟随器U后与控制器MCU的第二采集端AD2连接，控制器MCU的第一采集端AD1连接在第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点上，控制器MCU的第二输出端口通过控制电路3控制光耦合继电器K的通断，控制器MCU内部集成有模数转换模块(图中未显示模数转换模块)。其中第五电阻R5为若干个电阻并联形成。

第一电解电容C1和第二电解电容C2的电容值均为2.2μF，耐压400V以上，要求自放电较低。

实施例2

一种车用动力电池包绝缘检测判定方法，使用实施例1中的车用动力电池包绝缘检测电路，按以下步骤进行：

Ⅰ 控制器的第二输出端口通过控制电路控制光耦合继电器闭合；

Ⅱ 当控制器的第一输出端口输出低电平时，此时NPN三极管处于截止状态，电源对电解电容组进行充电，在电解电容组充电完成后，通过控制器的第一采集端采集第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点上的电压数据V1并通过控制器的模数转换模块转换后保存，通过控制器的第二采集端采集第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点上的电压数据V2并通过控制器的模数转换模块转换后保存；

Ⅲ 当控制器的第一输出端口输出高电平时，此时NPN三极管处于导通状态，由于电解电容组电压不能突变，因此在电解电容组开始放电前，通过控制器的第一采集端采集第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点上的电压数据V1＇并通过控制器的模数转化模块转换后保存，通过控制器的第二采集端采集第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点上的电压数据V2＇并通过控制器的模数转化模块转换后保存；

Ⅳ 控制器的第二输出端口通过控制电路控制光耦合继电器断开；

Ⅴ 根据公式(1)计算电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X：

$R_X=\frac{V2-V{2}^{\′}}{(V1-V{1}^{\′})-(V2-V{2}^{\′})}\×R4-R\mathrm{5...}\left(1\right)$

其中，R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值；

Ⅵ 若电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X≤100KΩ，则判定电池包漏电；反之，

则判定电池包绝缘，可正常使用。

绝缘检测过程中电压数据波形及时序图如图2所示。

实际检测时，考虑到数据简便及采集方便性，直接在检测过程中的示波器上直接读取第四电阻R4和第二电阻R2之间的连接点上的电压差值即△V1(V1-V1＇)、第四电阻R4和第五电阻R5之间的连接点上的电压差值即△V2(V2-V2＇)。

假设在电池包总正端或者总负端接60KΩ的模拟漏电电阻进行测试，从示波器上读取得到△V1为4.960V,△V2为1.320V,而实施例1中的第四电阻R4的阻值为200KΩ，第五电阻R5的阻值为20KΩ，代入公式(1)中计算得到R_X约为52.53KΩ，此时R_X＜100KΩ，判定电池包漏电，电池包不能正常使用，系统报绝缘故障，这时控制高压继电器断开，切断电池包动力输出。

假设在电池包总正端或者总负端接120KΩ的模拟漏电电阻进行测试，从示波器上读取得到△V1为4.960V,△V2为1.960V,而实施例1中的第四电阻R4的阻值为200KΩ，第五电阻R5的阻值为20KΩ，代入公式(1)中计算得到R_X约为110.67KΩ，此时R_X＞100KΩ，判定电池包绝缘，电池包可正常使用。

实施例3

一种车用动力电池包绝缘检测电路，其结构与实施例1中的车用动力电池包绝缘检测电路相类似，其不同之处在于：电解电容组中电解电容的数量为三个，第一电阻R1的阻值为2.5KΩ，第二电阻R2的阻值为5KΩ，第三电阻R3的阻值为5KΩ，第四电阻R4的阻值为255KΩ，第五电阻R5的阻值为25KΩ。第一电解电容C1和第二电解电容C2的电容值均为5.6μF。

实施例4

一种车用动力电池包绝缘检测电路，其结构与实施例1中的车用动力电池包绝缘检测电路相类似，其不同之处在于：电解电容组中电解电容的数量为四个，三个二极管相互串联，第一电阻R1的阻值为4.7KΩ，第二电阻R2的阻值为10KΩ，第三电阻R3的阻值为10KΩ，第四电阻R4的阻值为300KΩ，第五电阻R5的阻值为30KΩ。第一电解电容C1和第二电解电容C2的电容值均为10μF。

Claims (7)

1.一种车用动力电池包绝缘检测电路，其特征在于：包括控制器、NPN三极管、至少两个二极管，控制器的第一输出端口串接第一电阻(R1)后连接在NPN三极管的基极上，NPN三极管的发射极串接第三电阻(R3)后接地，NPN三极管的集电极串接第二电阻(R2)后连接在电源上，NPN三极管的集电极依次串接第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、至少一个电解电容串联组成的电解电容组、开关后连接到电池包总负端上，其中电解电容组的正极连接第五电阻(R5)，电解电容组的负极连接开关；至少两个二极管相互串联后其阴极连接在电源上，其阳极接地，相邻两个二极管之间的连接点同第四电阻(R4)和第五电阻(R5)之间的连接点相连通，在第四电阻(R4)和第五电阻(R5)之间的连接点上连接跟随器后与控制器的第二采集端连接，控制器的第一采集端连接在第四电阻(R4)和第二电阻(R2)之间的连接点上，控制器的第二输出端口通过控制电路控制开关的通断，控制器内部集成有模数转换模块。

2.如权利要求1所述的一种车用动力电池包绝缘检测电路，其特征在于：所述第五电阻(R5)为若干个电阻并联形成。

3.如权利要求1所述的一种车用动力电池包绝缘检测电路，其特征在于：所述电解电容数量为2～4个。

4.如权利要求1所述的一种车用动力电池包绝缘检测电路，其特征在于：所述跟随器为高输入阻抗跟随器；所述开关为光耦合继电器。

5.如权利要求1～4任一所述的一种车用动力电池包绝缘检测电路，其特征在于：所述第一电阻(R1)的阻值为1.0～4.7KΩ，第二电阻(R2)的阻值为1.0～10KΩ，第三电阻(R3)的阻值为0～10KΩ，第四电阻(R4)的阻值为200～300KΩ，第五电阻(R5)的阻值为20～30KΩ。

6.如权利要求1～4任一所述的一种车用动力电池包绝缘检测电路，其特征在于：所述电解电容的电容值为2.2～10μF，耐压400V以上。

7.一种车用动力电池包绝缘检测判定方法，其特征在于：使用如权利要求1～6任一所述的车用动力电池包绝缘检测电路，按以下步骤进行：

Ⅰ控制器的第二输出端口通过控制电路控制开关闭合；

Ⅱ当控制器的第一输出端口输出低电平时，此时NPN三极管处于截止状态，电源通过第二电阻(R2)、第四电阻(R4)和第五电阻(R5)对电解电容器组充电，充电完成后，通过控制器的第一采集端采集第四电阻(R4)和第二电阻(R2)之间的连接点上的电压数据V1并通过控制器的模数转换模块转换后保存，通过控制器的第二采集端采集第四电阻(R4)和第五电阻(R5)之间的连接点上的电压数据V2并通过控制器的模数转换模块转换后保存；

Ⅲ当控制器的第一输出端口输出高电平时，此时NPN三极管处于导通状态，在电解电容组开始放电前，通过控制器的第一采集端采集第四电阻(R4)和第二电阻(R2)之间的连接点上的电压数据V1＇并通过控制器的模数转化模块转换后保存，通过控制器的第二采集端采集第四电阻(R4)和第五电阻(R5)之间的连接点上的电压数据V2＇并通过控制器的模数转化模块转换后保存；

Ⅳ控制器的第二输出端口通过控制电路控制开关断开；

Ⅴ根据公式(1)计算电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X：

$R_x=\frac{V2-V{2}^{\′}}{(V1-V{1}^{\′})-(V2-V{2}^{\′})}\×R4-R\mathrm{5...}\left(1\right)$

其中，R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值；

Ⅵ若电池包对地等效绝缘电阻的阻值R_X≤100KΩ，则判定电池包漏电；反之，则判定电池包绝缘。