CN107064638B - 一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置及方法，所述绝缘电阻为机车底盘与机车供电系统之间的绝缘电阻；该检测装置包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、采样电阻、信号注入电路、电压信号采集电路及微控制器，所述电压信号采集电路用于采集采样电阻分担的电压，所述微控制器用于计算所述绝缘电阻的值；该检测方法为一种自动调整注入周期的绝缘电阻检测方法。针对高压系统复杂多变的电路结构，本发明通过自动调整信号注入周期的方式消除对地电容对绝缘电阻检测产生的影响，提高了绝缘电阻实时检测的精度，并能够在直流系统正负极绝缘同等下降的情况下对绝缘电阻进行有效的检测。

Description

一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置及方法

技术领域

本发明涉及绝缘电阻检测技术领域，更为具体来说，本发明为一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置及方法。

背景技术

高压供配电系统在型号任务中的应用逐渐增多，尤其是以军用全电驱为代表的能源供给系统，通常包含高压电池组、高压配电箱、发电机组、高压充电器、高压电源变换器等设备，其母线电压通常可达到500VDC至700VDC，甚至更高。上述设备均涉及高压电气绝缘问题，而工作条件、振动、温度及湿度的变化都有可能造成动力电缆及其他绝缘材料迅速老化甚至绝缘破损，使绝缘强度大大降低，不仅会危及驾乘人员的人身安全，还将影响低压电气的正常工作。因此，准确、实时地检测高压电气系统对车辆底盘绝缘性能，对保证乘客安全、电气设备正常工作和车辆安全运行具有重要意义。

现有检测的方法主要有电桥平衡方法和低频探测方法。根据电桥平衡方法实现的绝缘监测装置被广泛应用，但它不能检测直流系统正负极绝缘同等下降时的情况，在直流系统正负极绝缘同等下降时电桥平衡检测绝缘电阻方法不起作用，不仅如此，绝缘监测装置即使报警，也不能直接得到机车供电系统对地的绝缘电阻大小；低频探测方法具有更高的检测精度和可靠性，但是，该方法容易受到直流系统支路中存在的对地分布电容的影响，从而导致检测结果不准确。

因此，如何在直流系统正负极绝缘同等下降情况下进行绝缘电阻检测、如何避免直流系统支路中存在的对地分布电容对绝缘电阻检测的影响且提高绝缘电阻检测的精确度，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决现有的绝缘电阻检测方法容易受到对地电容的影响或无法在直流系统正负极绝缘同等下降的情况下进行检测等问题，本发明提供了一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置及方法，能够有效地避免对地电容对绝缘电阻检测产生的影响，并能够在直流系统正负极绝缘同等下降的情况下对绝缘电阻进行有效的检测。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置，所述绝缘电阻为机车底盘与机车供电系统之间的绝缘电阻；该检测装置包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、采样电阻、信号注入电路、电压信号采集电路及微控制器，所述第一电阻和第二电阻依次串联于机车供电系统的负极与采样电阻一端之间，第三电阻和第四电阻依次串联于机车供电系统的正极与采样电阻一端之间，采样电阻另一端串联信号注入电路后连接机车底盘；所述电压信号采集电路、信号注入电路均与所述微控制器连接，所述电压信号采集电路用于采集采样电阻分担的电压，所述微控制器用于计算所述绝缘电阻的值。

本发明创新通过信号注入电路向检测回路中注入信号、检测采样电阻电压等方式实现对绝缘电阻的检测，该方法有效克服了电桥平衡方法存在的在直流系统的正负极绝缘同等下降时电桥平衡检测绝缘电阻方法不起作用的问题，更有效克服了低频探测方法由于受对地分布电容而检测结果不准确的问题。

进一步地，所述采样电阻与信号注入电路连接的一端接地。

通过上述改进的电路结果，本发明只需测量采样电阻与第二电阻之间的连接点电压即可得到采样电阻分担的采样电压。

进一步地，所述第一电阻和第三电阻的阻值相同，所述第二电阻和第四电阻的阻值相同。

通过上述对第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的阻值的设置方式，本发明优化了计算绝缘电阻的方法，使绝缘电阻检测的实时性更好。

进一步地，所述信号注入电路为推挽电路，所述信号注入电路向检测回路中注入的信号为正负对称的方波信号。

在微控制器的控制下，本发明可通过推挽电路能够较好地实现向检测回路中注入信号，采用推挽电路降低了整个绝缘电阻检测装置设计的时间和难度。

进一步地，所述电压信号采集电路与微控制器之间串联信号调理电路；该检测装置还包括L+端子、L-端子及KE/E端子，所述L+端子自所述第一电阻引出、与所述机车供电系统的负极连接，所述L-端子自所述第三电阻引出、与所述机车供电系统的正极连接，所述KE/E端子自信号注入电路引出、与所述机车底盘连接。

在本发明绝缘电阻检测装置制作完成后，直接将L+端子、L-端子及KE/E端子连接即可实现本发明的目的，因而本发明具有使用方法、操作简单等优点，便于被操作人员掌握。

本发明的另一个目的在于提供一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法，该检测方法利用上述的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置进行绝缘电阻检测，该检测方法包括如下步骤，

步骤1，通过信号注入电路产生第一激励信号U_e1，每隔第一时间周期获取一次采样电阻分担的采样电压；

步骤2，计算相邻周期的第一采样电压变化率；

步骤3，判断所述第一采样电压变化率是否小于电压变化率限定值，如果是，则记录此时的采样电压U_f1、执行步骤5；如果否，则执行步骤4；

步骤4，判断产生第一激励信号的时长是否达到最大注入周期，如果是，则记录此时的采样电压U_f2和此时的第一采样电压变化率C₁，执行步骤5；如果否，则返回步骤2；

步骤5，切换信号注入电路产生第二激励信号U_e2，每隔第二时间周期获取一次采样电阻分担的采样电压；其中，所述第二激励信号与所述第一激励信号方向相反；

步骤6，计算相邻周期的第二采样电压变化率；

步骤7，判断所述第二采样电压变化率是否小于电压变化率限定值，如果是，则记录此时的采样电压U_f3、执行步骤9；如果否，则执行步骤8；

步骤8，判断产生第二激励信号的时长是否达到最大注入周期，如果是，则记录此时的采样电压U_f4和此时的第二采样电压变化率C₂，执行步骤10，如果否，则返回步骤6；

步骤9，利用所述第一激励信号U_e1、第二激励信号U_e2、采样电压U_f1、采样电压U_f3、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻计算绝缘电阻，然后返回步骤1或结束；

步骤10，利用所述第一激励信号U_e1、第二激励信号U_e2、采样电压U_f2、采样电压U_f4、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻计算绝缘电阻，然后返回步骤1或结束。

本发明创新通过信号注入电路向检测回路中注入信号、检测采样电阻电压等方式实现对绝缘电阻的检测，该方法有效克服了电桥平衡方法存在的在直流系统的正负极绝缘同等下降时电桥平衡检测绝缘电阻方法不起作用的问题，更有效克服了低频探测方法由于受对地分布电容而检测结果不准确的问题。

进一步地，步骤3中，判断小于电压变化率限定值的第一采样电压变化率连续产生的个数是否超过第一预设个数，如果是，则记录此时的采样电压U_f1、执行步骤5；如果否，则执行步骤4；

步骤7中，判断小于电压变化率限定值的第二采样电压变化率连续产生的个数是否超过第二预设个数，如果是，则记录此时的采样电压U_f3、执行步骤9；如果否，则执行步骤8。

对于采样电压变化率幅度变化的判断，本发明通过上述判断采样电压变化率是否稳定的方式避免了误检测情况的发生，提高了本发明对绝缘电阻检测的准确性和可靠性。

进一步地，步骤9中，采用如下的方式计算绝缘电阻R_f,

其中，第一电阻和第三电阻的阻值相同，均为R_i；第二电阻和第四电阻的阻值相同，均为R_n。

进一步地，步骤10中，采用如下的方式计算绝缘电阻R_f,

其中，第一电阻和第三电阻的阻值相同，均为R_i；第二电阻和第四电阻的阻值相同，均为R_n；ρ为补偿因子。

进一步地，采用分段方式确定补偿因子ρ的取值；

当C₁、C₂的范围均为(0,5mV)时，则ρ＝1.1；

当C₁、C₂的范围均为[5mV,10mV)时，则ρ＝2.0；

当C₁、C₂的范围均为[10mV,20mV)时，则ρ＝2.5；

当C₁、C₂的范围均为[20mV,+∞)时，则ρ＝3.0。

通过上述的计算方法，本发明能够快速、准确地检测出绝缘电阻阻值的大小，具有实时性好、精确度高等突出优点。

本发明的有益效果为：针对高压系统复杂多变的电路结构，本发明可通过自动调整信号注入周期的方式消除对地电容对绝缘电阻检测产生的影响，提高了绝缘电阻实时检测的精度，本发明彻底抛弃了电桥平衡检测方法，能够在直流系统正负极绝缘同等下降的情况下对绝缘电阻进行有效的检测。本发明具有检测精度高、实时性好、可靠性强等优点，可推广至民用纯电动和混合动力车辆使用。

附图说明

图1为绝缘电阻检测装置工作原理示意图。

图2为绝缘电阻检测装置内的硬件连接关系示意图。

图3为推挽电路结构示意示意图。

图4为实施例一中的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法流程示意图。

图5为实施例二中的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置及方法进行详细的解释和说明。

实施例一：

如图1至4所示，本实施例首先提供了一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置。如图1所示，左侧图框代表机车的高压直流系统、绝缘电阻、底盘，直流电压一般为500VDC至700VDC，本发明涉及到的绝缘电阻为机车底盘与机车供电系统之间的绝缘电阻；右侧图框为本发明接入的绝缘电阻检测电路部分。

具体来说，如图1、2所示，该检测装置包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、采样电阻Rm、信号注入电路、电压信号采集电路及微控制器，第一电阻R1和第二电阻R2依次串联于机车供电系统的负极与采样电阻Rm一端之间，第三电阻R3和第四电阻R4依次串联于机车供电系统的正极与采样电阻Rm一端之间，采样电阻Rm另一端串联信号注入电路后连接机车底盘，该检测装置还包括L+端子、L-端子及KE/E端子，L+端子自第一电阻R1引出、与机车供电系统的负极连接，L-端子自第三电阻R3引出、与机车供电系统的正极连接，KE/E端子自信号注入电路引出、与机车底盘连接。通过信号注入电路注入电压U_注入，而构成机车供电系统、机车底盘、采样电阻Rm的检测回路，检测回路内的电流为Im，在采样电阻Rm上产生一个采样电压Um，在控制器的控制、采集和运算下可计算出绝缘电阻的大小，不仅如此，如图1和图2所示，本发明可通过检测A点和B点之间的电压值Un得出机车供电系统的电压值，其中，A点为第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点，B点为第三电阻R3和第四电阻R4之间的连接点；需要说明的是，仅仅对绝缘电路的检测而言，可将第一电阻和第二电阻合并为阻值为R1+R2的电阻、将第三电阻和第四电阻合并为阻值为R3+R4的电阻。本实施例的绝缘电阻检测装置还包括与微控制器连接的CAN通信电路，计算得出的绝缘电阻阻值和机车供电系统的电压值通过CAN通信电路的CAN端口对外输出。本实施例中，采样电阻Rm与信号注入电路连接的一端接地，则只检测采样电阻Rm与第二电阻R2之间的连接点即可得到采样电阻Rm分担的采样电压；电压信号采集电路用于采集采样电阻Rm分担的电压，微控制器用于计算绝缘电阻的值，电压信号采集电路、信号注入电路均与微控制器连接，电压信号采集电路与微控制器之间串联信号调理电路，通过信号调理电路对采集的电压信号进行中值滤波，从而消除高频信号对采样回路的干扰；在本发明提供的技术方案的基础上，本发明中涉及的电压信号采集电路、信号调理电路、CAN通信电路、供电电路、信号注入电路均可从常规电路中进行合理而明智的选择。

本实施例中，为方便计算，第一电阻R1和第三电阻R3的阻值相同，第二电阻R2和第四电阻R4的阻值相同，另外，如图3所示，本实施例中的信号注入电路可为典型的推挽电路，推挽电路一端KE/E与机车底盘连接、另外两端U9_19和U9_20均与采样电阻Rm连接，信号注入电路向检测回路中注入的信号为正负对称的方波信号。

如图4所示，本实施例还提供了基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法，该检测方法上述的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置进行绝缘电阻检测，通过信号注入电路在机车底盘和机车供电系统之间产生电压信号，本实施例中，该电压信号为正负对称的方波信号。在实际的检测过程中，该检测方法包括如下步骤，

步骤1，通过信号注入电路产生第一激励信号U_e1，每隔第一时间周期获取一次采样电阻Rm分担的采样电压；本实施例中，第一激励信号U_e1为正激励信号，当然，也可为负激励信号，第一时间周期可为10ms。

步骤2，计算相邻周期的第一采样电压变化率|ΔUm1|；“相邻周期”应理解为“当前周期t与t+1周期”或“当前周期t与t-1周期”。

步骤3，判断第一采样电压变化率|ΔUm1|是否小于电压变化率限定值α，如果是，表明机车供电系统对地分布电容已经充电完成，则记录此时的采样电压U_f1、执行步骤5；如果否，则执行步骤4；本实施例中，α＝50mV。

步骤4，判断产生第一激励信号的时长是否达到最大注入周期T，如果是，则记录此时的采样电压U_f2和此时的第一采样电压变化率|ΔUm1|＝C₁，执行步骤5；如果否，则返回步骤2；本实施例中，最大注入周期T＝10s。

步骤5，切换信号注入电路产生第二激励信号U_e2，每隔第二时间周期获取一次采样电阻Rm分担的采样电压；其中，第二激励信号与第一激励信号方向相反；本实施例中，第二激励信号U_e2为负激励信号，当然，当第一激励信号U_e1为负激励信号时，第二激励信号U_e2为正激励信号；第二时间周期可与第一时间周期相同，因而第二时间周期可为10ms。

基于对第一电压变化率和最大注入周期的判断，本发明通过上述步骤4和步骤5达到了注入周期自适应的目的，如果机车供电系统对地分布电容已经充电完成，则切换信号注入电路反向注入信号；如果在最大注入周期时还未将对地分布电容充满，则强制切换信号注入电路反向注入信号。

步骤6，类似于步骤2，本步骤计算相邻周期的第二采样电压变化率|ΔUm2|。

步骤7，判断第二采样电压变化率|ΔUm2|是否小于电压变化率限定值α，如果是，表明机车供电系统对地分布电容已经充电完成，则记录此时的采样电压U_f3、执行步骤9；如果否，则执行步骤8，应当理解，若注入第一激励信号时可在最大注入周期T内使对地分布电容充电完成，则注入第二激励信号时往往可在最大注入周期T内使对地分布电容充电完成，反之亦然。

步骤8，判断产生第二激励信号的时长是否达到最大注入周期T，如果是，则记录此时的采样电压U_f4和此时的第二采样电压变化率|ΔUm2|＝C₂，执行步骤10，如果否，则返回步骤6、继续计算第二采样电压变化率；

步骤9，利用第一激励信号U_e1、第二激励信号U_e2、采样电压U_f1、采样电压U_f3、采样电阻Rm、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4计算绝缘电阻，然后返回步骤1重新进行检测或结束；本实施例中采用如下的方式计算绝缘电阻R_f,R_f为机车供电系统正负母线对地绝缘电阻RF+和RF-的并联值，此时ρ＝0。

其中，第一电阻R1和第三电阻R3的阻值相同，均为R_i；第二电阻R2和第四电阻R4的阻值相同，均为R_n。

步骤10，利用第一激励信号U_e1、第二激励信号U_e2、采样电压U_f2、采样电压U_f4、采样电阻Rm、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4计算绝缘电阻，然后返回步骤1重新进行检测或结束。本实施例中，采用如下的方式计算绝缘电阻R_f,

其中，第一电阻R1和第三电阻R3的阻值相同，均为R_i；第二电阻R2和第四电阻R4的阻值相同，均为R_n；ρ为补偿因子，并采用分段方式确定补偿因子ρ的取值；

当C₁、C₂的范围均为(0,5mV)时，则ρ＝1.1；

当C₁、C₂的范围均为[5mV,10mV)时，则ρ＝2.0；

当C₁、C₂的范围均为[10mV,20mV)时，则ρ＝2.5；

当C₁、C₂的范围均为[20mV,+∞)时，则ρ＝3.0。

如图1、4所示，其中计算得出的绝缘电阻值为高压正负母线对车体电阻的并联值，如果整车的绝缘电阻下降，例如，整车绝缘电阻降低到了500kΩ，先触发二级报警，可用于提示驾驶员，需要尽快进行检修维护了；当整车绝缘电阻继续下降时，例如整车绝缘电阻降低到80kΩ，触发一级告警，用于给整车提供一个紧急的停机信号，表示整车绝缘电阻已经严重下降，需要立即停机检修。

实施例二：

如图1、2、3、5所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于对绝缘电阻检测方法作了进一步改进，不仅要判断出电压变化率小于电压变化率限定值α，还有判断有多少个连续的电压变化率小于α，避免意外情况导致电压变化率小于电压变化率限定值，从而提高判断对地电容是否充满的准确性。

步骤3中，在判断第一采样电压变化率|ΔUm1|小于电压变化率限定值α后，还需判断小于电压变化率限定值α的第一采样电压变化率|ΔUm1|连续产生的个数是否超过第一预设个数，如果是，则记录此时的采样电压U_f1、执行步骤5；如果否，则执行步骤4；本实施例中，第一预设个数为10。

步骤7中，在判断第二采样电压变化率|ΔUm2|小于电压变化率限定值α后，还需判断小于电压变化率限定值α的第二采样电压变化率|ΔUm2|连续产生的个数是否超过第二预设个数，如果是，则记录此时的采样电压U_f3、执行步骤9；如果否，则执行步骤8。本实施例中，第二预设个数为10。

本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法，其特征在于：该检测方法利用基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测装置进行绝缘电阻检测，所述绝缘电阻为机车底盘与机车供电系统之间的绝缘电阻；该检测装置包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、采样电阻、信号注入电路、电压信号采集电路及微控制器，所述第一电阻和第二电阻依次串联于机车供电系统的负极与采样电阻一端之间，第三电阻和第四电阻依次串联于机车供电系统的正极与采样电阻一端之间，采样电阻另一端串联信号注入电路后连接机车底盘；所述电压信号采集电路、信号注入电路均与所述微控制器连接，所述电压信号采集电路用于采集采样电阻分担的电压，所述微控制器用于计算所述绝缘电阻的值；

该检测方法包括如下步骤，

步骤1，通过信号注入电路产生第一激励信号U_e1，每隔第一时间周期获取一次采样电阻分担的采样电压；

步骤2，计算相邻周期的第一采样电压变化率；

步骤3，判断所述第一采样电压变化率是否小于电压变化率限定值，如果是，则记录此时的采样电压U_f1、执行步骤5；如果否，则执行步骤4；

步骤4，判断产生第一激励信号的时长是否达到最大注入周期，如果是，则记录此时的采样电压U_f2和此时的第一采样电压变化率C₁，执行步骤5；如果否，则返回步骤2；

步骤5，切换信号注入电路产生第二激励信号U_e2，每隔第二时间周期获取一次采样电阻分担的采样电压；其中，所述第二激励信号与所述第一激励信号方向相反；

步骤6，计算相邻周期的第二采样电压变化率；

步骤7，判断所述第二采样电压变化率是否小于电压变化率限定值，如果是，则记录此时的采样电压U_f3、执行步骤9；如果否，则执行步骤8；

步骤8，判断产生第二激励信号的时长是否达到最大注入周期，如果是，则记录此时的采样电压U_f4和此时的第二采样电压变化率C₂，执行步骤10，如果否，则返回步骤6；

步骤9，利用所述第一激励信号U_e1、第二激励信号U_e2、采样电压U_f1、采样电压U_f3、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻计算绝缘电阻，然后返回步骤1或结束；

步骤10，利用所述第一激励信号U_e1、第二激励信号U_e2、采样电压U_f2、采样电压U_f4、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻计算绝缘电阻，然后返回步骤1或结束。

2.根据权利要求1所述的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法，其特征在于：

步骤3中，判断小于电压变化率限定值的第一采样电压变化率连续产生的个数是否超过第一预设个数，如果是，则记录此时的采样电压U_f1、执行步骤5；如果否，则执行步骤4；

步骤7中，判断小于电压变化率限定值的第二采样电压变化率连续产生的个数是否超过第二预设个数，如果是，则记录此时的采样电压U_f3、执行步骤9；如果否，则执行步骤8。

3.根据权利要求1或2所述的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法，其特征在于：步骤9中，采用如下的方式计算绝缘电阻R_f,

其中，第一电阻和第三电阻的阻值相同，均为R_i；第二电阻和第四电阻的阻值相同，均为R_n，R_m表示采样电阻。

4.根据权利要求1或2所述的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法，其特征在于：步骤10中，采用如下的方式计算绝缘电阻R_f,

其中，第一电阻和第三电阻的阻值相同，均为R_i；第二电阻和第四电阻的阻值相同，均为R_n；ρ为补偿因子，R_m表示采样电阻。

5.根据权利要求4所述的基于注入周期自适应策略的绝缘电阻检测方法，其特征在于：采用分段方式确定补偿因子ρ的取值；

当C₁、C₂的范围均为(0,5mV)时，则ρ＝1.1；

当C₁、C₂的范围均为[5mV,10mV)时，则ρ＝2.0；

当C₁、C₂的范围均为[10mV,20mV)时，则ρ＝2.5；

当C₁、C₂的范围均为[20mV,+∞)时，则ρ＝3.0。